平川区耕地质量等级及养分特征分析研究

潘 雪，蔡立群，董 博，乜光昀

（甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070）

0 引言

农业是中国的立国之本，耕地作为农业发展最基本的资源和砥柱，耕地质量的优劣直接影响着农业产业结构和作物产量，从而影响着国家粮食安全和社会发展的可持续性[1-2]。21世纪以来，对于人口增多，耕地面积减少的问题，党中央、国务院和各级政府对此高度重视，坚持数量、质量、生态“三位一体”的思想，一系列关于耕地保护的文件的颁布和实施，证实了耕地“数与质”并进的重要性。耕地质量等级评价是耕地质量建设和管理的基础，也是实现耕地“数与质”并进的根本依据[3-5]。耕地土壤养分是判定耕地质量好坏的重要指标，土壤养分是作物生长发育所需养分的重要来源，土壤的基础性质（土种间差异）、利用方式[6]、以及外部环境均会影响土壤养分含量与空间分布特征。分析研究区域内耕地土壤养分空间分布情况，可以及时准确地了解区域内耕地养分情况，对科学合理施肥、激发潜在生产力、提高作物产量与品质和农田土壤养分管理具有重大的实际意义[7-12]。平川区地处欧亚大陆的中心腹地，其耕地具有代表性和评价性，但因降雨量稀少，气候干旱且风沙、霜冻灾害频繁，农业发展相对受到制约。对平川区耕地进行分等级评价管理、养分空间分布特征分析以及不同土种间养分元素含量显著性分析，可以更全面更准确地实现耕地资源的全面、协调、可持续发展。本次评价依据《耕地质量调查监测与评价办法》和《耕地质量等级》国家标准，利用地理信息系统(GIS)技术对平川区耕地质量等级以及土壤养分空间分布进行科学准确的分析评价。

1 研究区域概括和评价方法

1.1 研究区概括

平川区位于白银市中部，黄河岸边，地处东经104°18′—105°26′，北纬 36°10′—37°00′之间。全区总面积2126 km2。地形的总特征是东南高、西北低，由东南向西北倾斜。东西长91.5 km，南北宽75 km，由西北向东南呈狭长地带，阶梯状多台阶地形。因为地处欧亚大陆的中心腹地，东北有六盘山、东南有秦岭作屏障，东南暖湿气流不易到达，因而雨水稀少，天气干旱。年月平均气温约为8.2℃，且冬夏气温相差很大。平均年降雨量不足200 mm，水分蒸发量约为1700 mm，全年日照时数为2691 h，无霜期一般为143天。其气象特征为：日照时数较长，昼夜温差大，降水较少（见图1）。

图1 平川区区划图

1.2 评价方法与步骤

耕地质量评价的主要方法有经验判断层次分析法、模糊综合评价法、回归分析法、灰色关联度分析法、指数法等。依据《耕地质量等级》国家标准(GB/T 33469—2016)和《甘肃省耕地在质量检测指标分级标准》对平川区耕地进行分析。在对农田的立地条件、土壤营养状态、耕层理化特性、剖面特征、土壤健康状况等进行大数据分析的基础上，充分运用地理信息系统(GIS)的技术，采用了空间数据分析、多层次分析、综合指数等方法，对耕地质量进行综合评价。具体步骤如下。

1.2.1 资料收集与整理 收集平川县的地理位置、自然条件、土壤剖面性状、粮食产量要求等的田野研究资料；pH、有机质及土壤大、中、微量元素和重要的金属元素等；中国统计年鉴、农村统计年鉴等数据；第二次全国土地普查的有关资料、标准化农田工程资料等农田基础设施建设资料、全国水利区划的有关资料、农田质量监控点数据资料和历年的有关田间试验统计资料，以及其他资料。

1.2.2 样点的采集与处理 评价样点的布置对耕地质量评价的正确性和准确性将产生举足轻重的影响，样点的布置须兼顾代表性、全面性和科学性。本次样点布置，主要采用土地平面图、土地利用状况图和行政区划平面图叠加组成评价单位，依据评价单位的数量、面积、土地种类、对不同地块的利用方法、种植制度、栽培作物种类、产量水平以及依据《耕地质量调查监测与评价办法》（农业部2016年第2号）确定样点数量和位置。

考虑以上原则，兼顾土壤类型、行政区划、地貌类型、地力水平等因素，在平川市内共布设调查样点59个，其中包括2镇5乡，并大致按每667 hm2布置一个样点的标准进行布局，采用“五点取样法”采取深度为0～20 cm的耕层土样，采取1 kg土壤样品，并详细记录采样点的各项信息。依据《耕地质量等级》(GB/T 33469—2016)、《土壤检测》(NY/T 1121)等现行有效标准开展土壤样品检测工作。

1.2.3 评价单元划分与数据获取 本次平川区耕地质量等级评价，按照因素差异性、相似性和边界完整性的准则，通过土壤图、土地利用现状图和行政区划图的组合叠置方式分类评价单元，并科学收集评价单元数据。对土壤养分含量等定量数据，采用空间插值方法，将点位数据转化为栅格数据叠加到评价单元图上，获取各单元数据信息；对灌溉能力等定性因子，采用以点带面方法，将点位中的属性连入评价单元图；地貌类型等专题图形式的因子，则直接将专题图与评价单元图进行叠加，获取相应数据。

1.2.4 评价指标及其权重的确定 根据指标选取的原则，以及平川区对耕地质量评价的需求与特征，按照国家《耕地质量等级》标准规范的“N+X”指标体系，设置了平川区耕地质量分级评价指数的层次结构，共选取耕层质地、有机质、全氮、有效磷和速效钾等重要指标。结合层次分析法和特尔斐法确定平川区评价指标权重（见表1～10）。

表1 平川区耕地质量等级评价层次结构及指标权重

表2 地形部位隶属度

表3 耕层质地隶属度

表4 质地构型隶属度

表5 农田林网化隶属度

表6 生物多样性隶属度

表7 障碍因素隶属度

表8 盐渍化程度隶属度（评定区）

表9 灌溉能力隶属度（评定区）

表10 排水能力隶属度（评定区）

运用层次分析法建立目标层、准则层和指标层的三级层次结构，目标层即耕地质量等级，准则层包括立地条件、剖面性状、耕层理化性状、养分状况、健康状况和土壤管理6个部分。

隶属函数类型包括概念型、戒上型、戒下型、峰型、直线型等5类函数。对概念型数据，直接采用特尔斐法给出隶属度（见表11）。

表11 平川区耕地质量等级评价函数型指标及其隶属函数

1.2.5 耕地质量的综合分数与评定 根据《耕地质量等级》(GB/T 33469—2016)，采用累加法计算各评价单元的耕地质量综合指数。耕地质量综合指数计算公式如式(1)所示。

式中：P为耕地质量综合指数；Fi为第i个评价指标的隶属度；Ci为第i个评价指标的组合权重。

采用等距离法将耕地质量划分为十个等级。一等地耕地质量最好，十等地耕地质量最差，按照平川区耕地质量等级划分标准，平川区IFI值在五到十等地之间，并对平川区耕地质量区域评价结果进行了集中审查，通过产量验证、对比验证、专家验证与实地验证相结合方式验证评价结果，确保耕地质量等级结果数据科学准确、符合地方实际（见表12）。

表12 耕地质量等级划分标准

1.2.6 耕地质量主要形状指标分级标准 平川区耕地土壤养分分级标准以《甘肃省耕地质量监测指标分级标准》为准（见表13）。

表13 甘肃省耕地质量主要性状分级标准

2 评价结果及其分析

2.1 平川区耕地质量等级评价分析

土壤资源评价的实质是分析土壤质量与土壤用途两者之间的关系。平川区评价总面积为39247.33 hm2，按质量等级依此划分为五等至十等。运用耕地质量等级面积加权法，算出平川区耕地质量平均等级为8.12。五等级地的面积为711.41 hm2，占平川区总耕地面积的1.81%；六等级地的面积为1531.1 hm2，占平川区总耕地面积的3.90%；七等级地的面积为13543.35 hm2，占平川区总耕地面积的34.51%；八等级地的面积为6965.76 hm2，占平川区总耕地面积的17.75%；九等级地的面积为9353.85 hm2，占平川区总耕地面积的23.83%；十等级地的面积为7141.86 hm2，占平川区总耕地面积的18.20%。其中七至十等级耕地面积较多（见图2）。

图2 平川区各等级地面积与占比

对平川区等级地进行空间分布分析，结果表明：平川区五等地和六等地分布较为分散，除复兴乡和王家山镇，其余乡镇均有些许分布。其中种田乡所占五等地面积最大，为269.71 hm2，占比为37.94%，水泉乡所占六等地面积最大，为590.27 hm2，占比为38.55%；七等地分布较为集中，主要分布在平川区南部的黄峤乡、种田乡和复兴乡，三乡七等地所占总面积11222.08 hm2，占比达到82.86%，其余乡镇仅有零星分布；各乡镇八等地均有分布，其中黄峤乡、种田乡、水泉乡和共和镇为八等地主要分布地，分别占比27.72%、24.20%、17.51%和14.65%；除复兴乡无九等地分布，九等地在其余乡镇分布较均匀；十等地主要分布在平川区北部的王家山镇和中部的黄峤乡，占比分别为44.01%和27.42%（见图3和表14）。

图3 平川区各等级耕地空间分布特征图

表14 平川区各乡镇不同等级耕地面积分布与占比

2.2 平川区耕地土壤养分分析

2.2.1 平川区耕地土壤养分养分空间分布分析 农作物的生长离不开土壤，土壤养分是土壤中最有价值的精华，有机质、氮、磷、钾则是土壤肥力的重要组成部分，它们在土壤中的含量及其有效性影响着农作物的生长发育；不同区域的耕地土壤养分含量和分布特征存在一定的差异，分析研究区耕地土壤养分和分布特征对今后该研究区耕地土壤的施肥方式、科技化种植方式、提升耕地地力和耕地资源管理有重大意义[13-14]。

依据甘肃省耕地质量监测指标分级标准，分析平川区耕地土壤养分等级状况，结果表明：平川区耕地养分整体水平较低。具体表现在：选取的59个检测土样中，有机质含量平均值为15.81 g/kg，且44.07%的样品含量在10.0～20.0 g/kg范围之间，处于较低水平，无高等级分布，可见平川区耕地土壤有机质相对缺乏；有效磷含量平均值为34.52 mg/kg，45.76%的样品含量在高于25.0 mg/kg的范围，13.56%的样品含量在15.0～25.0 mg/kg范围内，40.68%的样品含量低于15.0 mg/kg，各等级均有差异分布，可见平川区不同耕地有效磷含量差异较大；全氮含量平均值为0.96 g/kg，57.63%的样品含量低于10.0 g/kg，且仅有些许样品含量处于高等级和较高等级，可见平川区耕地全氮含量处于低水平，氮素缺乏严重；速效钾含量平均值为213 mg/kg，55.93%的样品含量低于200.0 mg/kg，处于较低水平（见表15）。

表15 平川区耕地土壤主要养分分级及占比

从养分空间分布特征分析可知：（1）平川区有机质和全氮含量处于低水平的耕地呈“两极”分布；有效磷含量处于低等级的耕地较集中，其他等级耕地分布较分散；速效钾含量处于高等级的耕地集中分布在平川区南部的乡镇。（2）平川区大部分乡镇耕地的有机质、全氮、速效钾含量均为较低水平，少部分甚至为低水平；有效磷含量整体为较高水平，且各乡镇有效磷含量差异明显。具体表现在：有机质含量在≤15.0 g/kg的耕地呈“两极”分布，主要分布在平川区北部的王家山镇和南部的种田乡、复兴乡，有机质含量在15.0～20.0 g/kg范围内的耕地主要分布在水泉乡、共和镇、和黄峤乡，其中共和镇和宝积乡的有机质含量均处于中等水平，其余乡镇均处于较低水平；全氮含量低于1.0 g/kg的耕地呈“两极”分布，主要分布在北部的王家山镇和南部的复兴乡、种田乡、黄峤乡，全氮含量在1.0～1.25 g/kg范围内的耕地主要分布在共和镇、宝积乡、黄峤乡和水泉乡，所有乡镇耕地的全氮含量均为低水平和较低水平，可见平川区氮素缺乏较为严重；有效磷含量低于15.0 mg/kg的耕地主要集中分布在黄峤乡的东侧，种田乡有零星分布，含量在15.0～20.0 mg/kg范围内的耕地主要分布在黄峤乡和种田乡，含量在20.0～25.0 mg/kg范围内的耕地所有乡镇均有些许的分布，其中仅有种田乡耕地的有效磷含量处于较低水平，共和镇耕地的有效磷的含量处于高水平，且有效磷平均值最高，达到66.68 mg/kg，而有效磷含量最低的种田乡耕地，仅有12.29 mg/kg，各乡镇差异对比明显；速效钾含量高于250 mg/kg的耕地主要集中分布在平川区南部的复兴乡和种田乡，王家山镇有零星分布，含量在200～250 mg/kg范围内的耕地主要分布在黄峤乡、王家山镇和种田乡，含量在150～200 mg/kg范围内的耕地分布较为分散，主要分布在水泉乡和共和镇，含量低于150 mg/kg的耕地集中分布在宝积乡西部的贺家川村和吊沟村，其中复兴乡、黄峤乡和王家山镇耕地的速效钾含量处于中等水平，其余乡镇均处于较低水平，且宝积乡耕地的速效钾含量平均值最低，仅有152.60 mg/kg（见图4～7和表16）。

图4 平川区有机质含量空间分布特征图

图5 平川区全氮含量空间分布特征图

图6 平川区有效磷含量空间分布特征图

图7 平川区速效钾含量空间分布特征图

表16 平川区各乡镇耕地养分均值与等级分布

2.2.2 不同土种间养分差异分析 平川区耕层土壤类型主要分1个土类（灰钙土）、2个亚类（淡灰钙土和灰钙土）、4个土属（泥砂质淡灰钙土、砂田淡灰钙土、耕种淡灰钙土和耕种灰钙土）6个土种（薄层耕种灰钙土、绵白土、山地耕种灰钙土、深层耕种灰钙土、石洞绵白土和寺滩绵白土）。不同土种间，养分含量存在一定差异[15]，所以对于不同土种间养分含量进行分析，可以更准确地针对平川区作物给予相关种植和施肥措施。分析结果表明：深层耕种灰钙土的有机质、全氮、有效磷平均含量均为6个土种中最高，分别为21.40 g/kg、1.32 g/kg和122.50 mg/kg，薄层耕种灰钙土的速效钾含量最高，为309.33 mg/kg；山地耕种灰钙土的有机质和全氮平均含量最低，分别为10.44、0.72 g/kg，有效磷和速效钾平均含量最低的土种分别为寺滩绵白土和深层耕种灰钙土。其中寺滩绵白土的有机质、全氮、速效钾变异系数最高，分别为44.35%、38.91%和55.16%，有效磷变异系数最高的为石洞绵白土；深层耕种灰钙土各养分指标变异系数均为6个土种中最小（见表17）。

表17 平川区耕地各土种养分均值与变异系数

3 结论

（1）平川区耕地质量平均等级为8.12等；分布为五至十等级地，无一、二、三、四等地分布，其主要耕地分布为七、九等级地，且七等级地耕地为主体，面积为13543.35 hm2，占平川区总耕地面积的34.51%，主要分布在黄峤乡、种田乡和复兴乡。

（2）平川区耕地养分整体水平较低。从空间分布来看，平川区有机质和全氮含量处于低水平的耕地呈“两极”分布，有效磷含量处于低等级的耕地较集中，其他等级耕地分布较分散；速效钾含量处于高等级的耕地集中分布在平川区南部的乡镇。平川区大部分乡镇耕地的有机质、全氮、速效钾平均含量较低，有效磷平均含量较高。

（3）平川区6个土种中深层耕种灰钙土各养分含量整体较高，且变异系数最低；山地耕种灰钙土有机质和全氮含量最低，寺滩绵白土有效磷最低，深层耕种灰钙土速效钾含量最低。

4 讨论

随着21世纪人口增多，耕地减少，中国农业面临着前所未有的挑战。就目前而言，耕地资源的变化成为影响国家粮食安全和经济社会可持续发展的主要原因[16-18]。近几十年，耕地质量评价不断完善更新，从最初的单一地力分析为目标扩展到多方面综合评定，耕地质量的评价工作愈发重要[19]。分析可知：平川区耕地质量平均等级为8.12等；分布为五至十等级地，无一、二、三、四等地分布，七、九等级地为平川区耕地主要分布，耕地质量整体偏低。土壤养分状况是耕地质量评价最为关键的一项指标之一，农作物的产量受耕地土壤养分含量高低的直接影响[20-21]，所以对该区域内养分含量以及空间分布进行分析可以为其农业生产提供理论依据。其中，土壤中大部分养分都来自有机质的矿化，尤其是氮和磷元素以及有机质对团聚体的构成有重要作用，从而使得土壤的耕性、透气性和透水性有很大改善[22]。虽然土壤中大部分养分来自于土壤有机质，但氮素含量也对土壤中养分起到不可或缺的影响，所以研究土壤中氮元素含量是土壤养分评价中不可或缺的一部分。有效磷是土壤中可被植物吸收的磷组分，是为作物生长供给磷元素的重要指标。土壤速效钾含量能够直接反映土壤供钾能力，对当季农作物而言，速效钾含量和作物吸钾量之间往往存在着密切的相互联系，因此对土壤速效钾含量进行测试并进行评价，对推荐施用钾肥具有很好的指导作用[23-24]。通过分析可知，平川区耕地有机质含量主要集中在10.0～20.0 g/kg范围之间，整体水平较低；全氮含量大部分均低于10.0 g/kg，可见平川区土壤氮元素及其缺乏；耕地土壤有效磷和速效钾含量处于较低水平。因成土条件不同，各土种间养分存在一定差异，对平川区不同土种养分分析可知：深层耕种灰钙土各养分含量整体较高，且变异系数最低；山地耕种灰钙土有机质和全氮含量最低，有效磷和速效钾含量最低的两个土种分别为寺滩绵白土和深层耕种灰钙土。建议平川区农业今后生产应多施加有机肥，增加耕地土壤有机质含量；对耕地针对性施加磷肥和钾肥，使耕地有效磷和速效钾含量提高；对于氮肥的增施还有待研究，平川区大量氮肥的施用，并未使得平川区全氮含量有所提高，所以应继续对氮肥的施用进行研究，从而达到减肥增效。