黄土丘陵区典型县域耕地健康评价：以河南宜阳县为例

2021-03-05孟庆香张莉坤郧文聚陈兵飞位贺杰

中国水土保持科学 2021年1期

孟庆香，张莉坤，郧文聚，吴天，陈兵飞，位贺杰†

(1.河南农业大学资源与环境学院， 450002，郑州；2.自然资源部农用地质量与监控重点实验室， 100193，北京；3.自然资源部国土整治中心， 100035，北京；4.西南大学资源环境学院， 400716，重庆)

耕地是人类赖以生存的基本资源，随着社会经济的快速发展，人口的增长与环境的退化使耕地的健康问题受到了一定关注，而维持土地资源满足人类生产生活的需求是21世纪最具有挑战性的问题之一[1]。我国从改革开放以来，城市的发展扩张占用大量优质耕地，虽有占补平衡政策，但是部分地区存在着“占优补劣”、“占近补远”的局面，土地利用不当导致耕地的质量问题与粮食安全问题凸显[2-3]。2019年，中央一号文件进一步提出了在新的战略背景下稳定粮食产量，推动藏粮于地、藏粮于技和巩固粮食生产能力的需求。其核心目标是保护和改善耕地的生产能力，在新时代，耕地的健康越来越受到人们的关注和重视。而现有的指标体系难以满足国家对耕地数量，质量和生态“三位一体”进行精确管理的需求[4]。耕地保护进入到了一个新的时期，有必要开展耕地健康的研究，评价区域的耕地健康状况，以期为未来的土地管理提供依据，为耕地资源安全政策提供标准。耕地健康就是可以持续生产健康产品的能力，而耕地健康评价是土地类型评价的一种，耕地健康兴起于生态健康与土地健康，在国外，耕地健康评价更多是作为一种影响因素参与到土地的各种评价类型当中，耕地健康评价是随着土地评价研究而发展的[5-6]；在国内，有学者对耕地产能[7]、耕地质量[8]、土壤健康[9]等方面的研究，但在耕地健康上研究较少，所以耕地健康评价的指标体系及模型研究成为土地科学学科领域研究的新热点，有部分学者使用能值分析法[10]、可拓学理论[11]、模糊物元模型[12]等对耕地健康进行评价研究，目前学术界对耕地健康的评价研究主要还是在农用地分等成果的基础上的，而且由于不同地区之间有其差异性，所以耕地健康的评价要有其因地制宜的体系，学者余慧敏等[13]和赵瑞等[14]曾分别对南方典型丘陵区和粮食主产区进行了耕地健康评价，但对于生态脆弱的黄土丘陵区还暂无学者研究。

黄土丘陵区是中国典型的生态脆弱区与集中连片贫困区，地形破碎且复杂，耕地的质量及土壤环境空间异质性强，宜阳县地形特殊，有着“三山六陵一分川，南山北岭中为滩”之称。基于此，笔者在参考已有研究的基础上，将耕地质量、耕地产能及土壤环境指标应用到本文的耕地健康评价指标体系中，创新性的将有益微量元素和土壤侵蚀程度加入到耕地健康的评价指标体系中，避免传统耕地质量综合评价下土壤环境状况不甚明了的状况，以期为黄土丘陵区耕地资源的分类管护与合理利用提供参考，为促进耕地资源高效可持续利用提供参考。

1 研究区概况

宜阳位于河南省洛阳市西部(E111°45′～112°26′，N34°16′～34°42′)，属于暖温带大陆性季风气候，冬长寒冷雨雪少，夏季炎热雨集中，春秋温暖季节短，春夏之交多干风，降水分配不均，季节及年际变化较大。宜阳县处豫西浅山丘陵区，地貌特征为“三山六陵一分川，南山北岭中为滩，洛河东西全境穿”。年均气温14.8 ℃，年降水量500～800 mm，无霜期200 d左右，全年日照时间1 847.1～2 313.6 h，日照率为47%。区域总面积16万1 687.80 hm2，耕地总面积8万1 216.78 hm2，其中旱地7万4 181.90 hm2，水浇地7 029.93 hm2，水田4.95 hm2。

2 数据和方法

2.1 数据来源

采用地块法划分评价单元，将宜阳县2018年耕地质量等别更新数据中的1万9 119个耕地图斑作为评价单元。数据主要来源于宜阳县耕地质量等别更新数据、宜阳县农用地耕地质量定级成果、土地利用变更调查成果、宜阳县耕地地力评价成果、宜阳县土壤志、宜阳县统计年鉴及土地利用现状图等。

2.2 耕地健康的评价体系构建

2.2.1 指标体系构建国内关于耕地健康的研究较少，关于耕地健康内涵的界定也不一，李强等[15-16]认为耕地健康诊断的评价是对耕地能够实现质量、产能和土壤环境等目标的实现程度的一种评价，郧文聚等[17]定义了1个大尺度的概念并分析了中国整体的耕地健康趋势并提出相应的管理建议。单美[18]将耕地健康定义为“土地肥力高、土壤无污染、结构合理、资源量丰富、产量高等，足以能够维持一个动态平衡的生态系统。”总体来说，耕地健康可以表述为基于耕地质量、耕地产能与土壤环境而形成的土地高效、绿色、可持续生产健康产品的综合能力。耕地质量反映的是耕地满足农作物生长的适宜程度、基础设施建设水平；耕地产能反映的是其产出水平；而土壤环境则反映保持耕地可持续利用的能力。

对耕地健康进行合理评价关键在于评价指标的选择，耕地健康评价的指标种类项目繁多，涉及到多个领域和多种学科，指标选择要以需求为导向，一方面能完整准确的反映耕地健康情况，另一方面是选择的指标概念明确及指标数量尽可能少，保证资料的可获取性强及指标体系的优化。本研究以土壤肥力理论、生产力理论、生态系统健康理论及可持续发展理论为基础，本着协同包容的原则，运用专家咨询法和文献总结法及研究区的实际情况确定本研究的耕地健康评价指标体系。借鉴辛芸娜等[19]和欧阳真[20]的研究成果，并在其基础上进行改进。在满足耕地资源高产高效、绿色健康和可持续利用的需求下，以宜阳县为例，构建基于耕地质量、耕地产能及土壤环境的耕地健康评价指标体系，评价指标体系上剔除耕作层厚度、大气干湿沉降度和灌溉水环境质量等在空间上几乎没有太大差异的指标，评价体系采用16个指标，具体如图1所示。

图1 宜阳县耕地健康评价指标体系Fig.1 Health evaluation index system for cultivated land in Yiyang county

2.2.2 评价方法及权重确定依据《农用地质量分等规程》等相关研究成果确定指标分级及赋分规则，结合本研究案例黄土丘陵区的特点，采用层次分析法和专家打分法结合来确定各评价指标的权重，耕地质量、耕地产能和土壤环境3个准则层权重分别为：0.327 8、0.261 1和0.411 0。评价体系因素层的16个指标组合权重如表1所示。

1)耕地质量综合评价。由于耕地质量和耕地产能的参评因子的性质各不相同，本研究用[0,100]的闭合区间来对属性分值进行定量化的赋值，分值的高低表示评价因子对耕地健康的影响大小，耕地质量的优劣与分值大小成正比，宜阳县耕地质量评价指标量化参考标准如表2所示。

2)耕地产能综合评价。计算耕地产能指数，进行量纲归一化处理比较不同地块的指数大小，指数越大，耕地状况越好。耕地产能评价的公式为

Yi=Di/Dmax。

(1)

式中：Yi为第i个评价单元的耕地产能指数；Di为第i个评价单元的粮食单产量，kg；Dmax为相同类型的粮食最高单产量,kg。

表1 宜阳县耕地健康评价指标权重

3)土壤环境综合评价。土壤环境评价主要考虑有益微量元素对耕地健康影响，该指标根据木桶原理，采用最小因子计算有益系数，评价单元的得分受最低分值因子的限制作用，将多个评价因子得分中的最小值作为评价单元的土壤有益系数(B) 。有益微量元素隶属度的计算式为

(2)

表2 宜阳县耕地质量评价指标量化参考标准

式中：bi1、bi2为指标的上、下限值；ai为常数；bi为评价因子值；ci为指标的最优取值。有益微量元素隶属度分级标准见表3。

4)耕地健康评价模型。研究耕地健康的综合情况，量纲归一化处理后根据各评价指标的权重及评价单元的综合分值来确定其健康等级，应用模型为

表3 有益微量元素隶属度分级标准[13]

(3)

式中：Y为耕地健康综合指数；Xj为第j个因素层标准化值(分别为表2耕地质量因素层标准化分值，耕地产能和土壤侵蚀度标准化值均为1，以及表3土壤环境因素层隶属度标准化值)；Rj为第j个因素因素层权重；Wi为第i个评价指标的准则层权重。

3 结果与分析

3.1 耕地质量评价

通过计算得出宜阳县耕地质量综合评价结果(图2)，宜阳县耕地质量分值在62.7～100.0之间，利用ArcGIS相等间距分类，将宜阳县耕地质量评价划分为4等，分别为一等地(90，100]、二等地(80，90]、三等地(70，80]和四等地(60，70]，一至四等的面积占比为16.38%、75.88%、7.62%和0.12%。以洛河为界，宜阳县耕地质量评价具有明显的分异差异，洛河2侧的耕地质量最好，河流北侧的耕地质量等别整体高于南侧。一等地主要分布在沿河两侧的乡镇，高村乡也有较多的一等地存在，是由于韩城镇向西北方向高村乡有支流流入，其流域附近的耕地的排水条件与灌溉保证率为优等，土壤质地较好，剖面构型为通体壤，有机质含量较高，耕性良好，储水保肥能力强。宜阳县的耕地质量等别主要以二等地为主，二等地占比最大，分布较广且交错分布。主要集中在河流北部的柳泉镇、盐镇乡及香鹿山镇，南部的白杨镇。这些区域整体耕作条件较好，但部分地区受土壤质地及剖面结构的影响导致此耕地质量等别稍低。三、四等别耕地大多分布在宜阳县西南方向，主要在上观乡和花果山乡和锦屏镇等区域，锦屏镇中部地区的坡度较高以及灌溉设施条件差是锦屏镇耕地质量评价较差的主要原因，而花果山乡及上观乡地处丘陵，本身坡度较高外，土壤有机质质量分数也较低，障碍层距地表的深度较浅，农业生产条件落后，土壤灌溉设施条件差，保水保肥能力低。

3.2 耕地产能评价

依据宜阳县的目标产量样点数据，利用地统计分析计算预测各个评价单元的目标产量，通过模型计算求出各评价单元的耕地产能指数，在利用自然断点法对耕地产能指数进行分级，得到宜阳县耕地产能指数图(图3)，耕地产能指数在0.18～1.00之间，产能级别的面积比例由低到高分别为2.87%、21.89%、46.12%、21.25%和7.87%。产能指数较高的区域为沿洛河2侧的耕地，其区域地势较平坦，土层深厚，灌溉排水等能力良好，土壤肥沃，耕地质量较高。耕地产能差的区域为上观乡、花果山乡及董王庄乡，受地形条件的影响较大，地形坡度大，耕作不方便，耕地受到不利的限制因素较多。宜阳县西北区域耕地产能指数较低，其最主要的原因是该区域灌溉条件较差，容易发生干旱，存在产量低且不稳定的现象，需要进行土壤改良和基础条件建设。盐镇乡区域内出现相对高的耕地产能指数，其原因是这些评价单元周围有水库水面的存在。而白杨镇东南方向的耕地产能指数较高，对比其他评价单元发现，产能指数较高区域内坑塘和水库较多，并且该区域的坡度也要低于白杨镇的西北区域，因而耕地产能指数高于周围地块。

图2 宜阳县耕地质量评价级别分布图Fig.2 Distribution map of assessment level for cultivated land quality in Yiyang county

图3 宜阳县耕地产能指数分布图Fig.3 Distribution map of cultivated land productivity index in Yiyang county

3.3 土壤环境评价

对有益微量元素分别进行克里金差值，对研究区内未采样的评价单元的有益微量元素进行无偏差最优估计，将其差值的预测结果赋到研究区的所有评价单元上，再根据其权重算出宜阳县的各个评价单元的土壤环境指数，得到宜阳县土壤环境指数图(图4)。土壤环境指数由低到高的面积比例为2.99%、36.69%、47.76%和12.56%。由图可知，宜阳县土壤环境评价整体等级为中等偏低，分布情况为洛河流域2侧较高，东北高于西南，坡度高的低于坡度低的。张坞镇、莲庄镇、香鹿山镇及樊村镇的整体土壤环境状况在中等偏上水平，且张坞镇土壤环境最好；上官乡、花果山乡及高村乡在中等偏下水平，且花果山乡土壤环境最差。土壤微量元素的含量及其分布受到土壤类型、地形、人类活动等多种因素的影响。而土壤被侵蚀的程度又与气候、地形、土壤、植被、地质、人为活动等有关。

图4 宜阳县土壤环境指数分布图Fig.4 Distribution map of soil environmental index in Yiyang county

3.4 耕地健康综合评价

对宜阳县耕地健康评价指数的计算，得出宜阳县的评价单元的健康指数在46.02～88.03之间(图5)，利用自然断点法进行分级形成宜阳县的耕地健康评价标准(表4)，依据分级标准，得出各评价单元的耕地健康级别。宜阳县耕地健康评价状况差异较大，健康、轻度亚健康、中度亚健康和不健康面积比例分别为16.08%、33.54%、45.47%和4.91%。由宜阳县耕地健康评价等级图可以看出，宜阳县整体耕地健康状况一般，大部分面积处于轻度亚健康和中度亚健康状态，洛河2侧的耕地健康状况最佳；赵保镇和白杨镇中部也出现了耕地健康最佳区域，赵保镇耕地健康区域虽灌溉条件并不佳，但是其地形坡度、有机质质量分数量和土壤质地都要优于周围评价单元，白杨镇耕地健康区域灌溉条件极佳，有机质质量分数相对较高，耕地产能指数较大。宜阳县耕地健康等级最差的区域集中在西南区域的花果山乡和上官乡，这部分区域地形条件和产能较低，影响耕地的可持续的利用。