基于GIS 的河北省太行山山前平原区耕地质量等级评价

李旭光 ，邢凤丽 ，袁 雪 ，王 红 ，张瑞芳

（1.河北省耕地质量监测保护中心，河北 石家庄 050000；2.石家庄市藁城区农业技术推广中心，河北 藁城 052160；3.陕西新能选煤技术有限公司，陕西 西安 710000；4.河北农业大学 河北省山区农业技术创新中心/国家北方山区农业工程技术研究中心，河北 保定 071000）

耕地作为人们维持日常生活和发展经济的重要基础保障，与国家粮食安全、可持续发展战略和生态安全紧密相连[1-2]。随着国家经济、社会和文化的进一步发展，在我国现有的耕地资源中，能够进行粮食生产的耕地总量呈现出逐年降低的趋势，已迫近耕地数量红线，耕地地块细碎化、土壤污染以及退化等耕地质量问题逐渐凸显[3-5]，要时刻把握好粮食产量和有限耕地之间的“平衡”[6-7]。2020年末，在北京召开的中央经济工作会议中指出：持续落实“藏粮于地、藏粮于技”战略，解决好种子和耕地问题，坚决保障粮食安全，要牢牢守住18 亿亩耕地红线[8-9]。国家和地方对耕地质量把控、建设和管理是通过耕地质量等级评价进行的，科学、全面、精准和合理地认识、掌握和评价耕地资源的质量状况和演变规律，是缓解人地矛盾、进行耕地资源管理和实现耕地差异化保护的重要前提[10-12]。

目前，国内外学者对耕地质量评价进行了大量的研究，重点围绕耕地质量评价的内容、方法和尺度等方面进行了详实的分析和研究[13]。欧洲率先开展耕地质量方面的研究，欧洲的农学家瓦罗出版的《论农业》首次提出对土地划分等级是进行土地质量评价的基础[14]。MURAGE 等[15]在对肯尼亚部分地区的耕地开展耕地质量评价研究时，将土壤的颜色和作物产量作为耕地质量评价的一部分。ARNAUD 等[16]在对尼泊尔地区的耕地质量进行研究时，农场主为土壤调查提供的参考因素高达62项。我国早在2000 多年前就开始了关于土地评价的活动[17]，根据土壤肥力定性地将土壤分为三六九等[18]。21 世纪，我国耕地质量的内涵随着时间推移不断丰富，从土壤肥力、耕地环境优劣等单一性概念逐步发展为综合了自然、经济、科技等因素的综合概念，涵盖多层次、多角度、多方面的内涵[19-21]。耕地质量评价是基于特定目的的专项或综合评价，已从查田定产、土壤性质、基础地力等耕地自然状态的研究，发展到综合考虑自然、经济和社会的人地一体化的资源价值管理评价[22]。根据耕地质量评价的目的和任务不同，出现了不同的评价方法，在评价系统框架、基本要素和指标、程序和方法、评价结果应用等方面存在一定的差别。目前，我国主要的耕地质量评价方法有农业生产能力评价、耕地潜力评价、土壤及环境质量评价、可持续性评价、分等定级[23]。耕地质量等级评价技术体系逐渐完善，原农业部于2008年制订了《全国耕地地力调查与质量评价技术规程》，选取了气象、立地条件、剖面性状、土壤理化性状、障碍因素、土壤管理等评价因素，其评价步骤为：评价单元赋值→确定各评价因子的权重（特尔斐法、层次分析法）和隶属度（特尔斐法、隶属函数法）→计算耕地地力综合指数（累加法）→划分地力级别（等距法）[24]。2016年发布《耕地质量等级》国家标准（GB/T 33469—2016）[25]，逐步建立了国家和区域数据库，为粮食安全考核提供了数据支撑，但尚未应用到指导耕地质量建设提升中。

本研究以河北省实地调研为基础，选取作为粮食主产区的河北省太行山山前平原30 个县（区）为研究对象，以《耕地质量等级》国家标准（GB/T 33469—2016）为依据，对河北省太行山山前平原30 个县（区）的耕地质量进行评价分级，获取不同等级耕地占比及空间分布情况，剖析耕地质量提升障碍因子，以期为研究区耕地质量建设提供建议。

1 数据和方法

1.1 研究区概况

研究区县（区）名称统计如表1 所示。

表1 研究区县（区）名称统计Tab.1 Statistics of the names of the counties（districts） in the study area

研究区太行山山前平原区（36°24′～39°36′N、113°45′～116°15′E）位于河北省西部，隶属于燕山太行山山麓平原农业区，是河北省最早的农业生产开发地区之一。该区地势属冲积扇平原，坡度起伏不大，地势较为平坦，土壤类型共分为6 类，土壤质地疏松良好，属于典型的温带气候区，雨热同期。该区光照温度和时间都比较充足，适合多种作物生长，是国家十分重要的农业生产区，在河北省农业主产区中具有一定的代表性[26-27]。

1.2 数据来源

数据主要包括：（1）图件资料。河北省太行山山前平原区行政区划图、河北省太行山山前平原区土壤现状图及土地利用现状图（2018年）等相关图件。（2）数据资料。笔者在研究区30 个县（区）内充分考虑土壤类型、耕作制度、管理水平等因素，确保取样点的均匀性与代表性，共设立采样点1435 个，于2019年9月下旬完成所有土壤样品的采集工作，检测有机质、有效磷、pH 值、全氮和速效钾等指标。土壤样品的采集、处理、贮存方法和各项指标的检测均严格按标准方法《土壤检测》（NY/T 1121）进行。研究区采样点如图1 所示；通过调研得到农田林网化程度、灌溉能力和排水能力等指标。

图1 研究区域采样点Fig.1 Sampling points in the study area

1.3 评价指标体系的确定

依据2019年农业农村部耕地质量监测保护中心印发的《全国耕地质量等级评价指标体系》，运用耕地质量评价研究中被广泛应用的特尔斐法，选取的评价指标如表2 所示，以剖析耕地质量提升障碍因子、提供耕地质量提升建议为目的，依据是否具有主观能动性（可人为影响）设定为立地条件、物理性状、化学性状和设施与防护4 个准则层，共包含18 个评价指标，构建河北省太行山山前平原区耕地质量评价综合体系，以便后期提出有针对性的耕地质量提升建议。其中，18 个指标有15 个为概念型指标，3 个为数值型指标。

表2 研究区耕地质量评价指标Tab.2 Cultivated land quality evaluation indexes in the study area

1.4 研究方法

1.4.1 耕地质量评价单位划分及评价指标量化处理 评价单元的确定与划分将会直接影响到最终结果[28]，在对耕地质量进行评价之前，需要对评价单元进行划分，在对每一个评价单元相应的耕地质量进行研究的基础上开展区域内耕地质量评价。在本试验研究过程中，将研究区耕地图斑在ArcGIS 中与村级行政区划图进行叠加合并（图2），共分成1590 个评价单元，涉及耕地面积共计114.89 hm2。

图2 评价单元和采样点分布Fig.2 Distribution diagram of evaluation unit and sampling points

在对河北省太行山山前平原区耕地质量进行评价研究的过程中，评价指标之间相互影响，多种指标因素相互作用，因此，先要将评价指标体系内的指标因素进行标准化处理，实际操作过程就是将指标因素做无量纲化标准处理，运用数学计算消除指标因素原始单位不统一对结果造成的影响[29]。

1.4.2 确定各指标权重 耕地质量评价过程中存在的多种影响因素会对结果造成影响，需要科学、合理地确定指标因素的权重，由此获得较为准确的研究结果[30]。本试验在实际研究过程中，将特尔菲法与层次分析法结合（表3），研究区各个指标因素的权重依据《全国耕地质量等级评价指标体系》进行评定，将这2 种方法结合，得到每个指标因素的权重系数，最后，为了使评价体系中指标因素之间相互和谐统一，不出现矛盾现象，对各个指标因素用CR=CI/RI 进行一致性检验，结果满足CR＜0.1，说明一致性良好。

表3 研究区耕地质量评价指标权重Tab.3 Weight of cultivated land quality evaluation index in the study area

1.4.3 评价指标隶属度计算 一般而言，指标因素有概念型和数值型2 种。数值型相关指标运用模糊数学方法拟合其隶属函数，然后以实际获得的数据结果进行隶属度的计算；概念型的指标因素依据特尔菲法打分，直接获得数据的隶属度。本研究的18 个指标因子中，土壤容重、耕层质地、盐渍化程度、pH 值、有效土层厚、质地构型、地下水埋深、障碍因素、地形部位、耕层厚度、农田林网化、生物多样性、清洁程度、灌溉能力和排水能力，共计15 个概念型指标，通过特尔菲法专家打分对其进行量化，获得隶属度。有机质、有效磷和速效钾，共计3个数值型指标，运用模糊数学方法拟合其隶属函数，然后通过公式进行计算，获得隶属度（表4、5）。隶属度可以理解为指标相应表现性状的得分。

表4 概念型指标隶属度Tab.4 Membership degree of conceptual index

表5 数值型指标隶属函数Tab.5 Membership function of numerical index

1.4.4 耕地质量综合指数计算 本试验在研究过程中，通过运用上述研究方法确立了评价体系指标因素及相应的权重后，对河北省太行山山前平原区耕地质量状况采用累加法构建数学模型，计算获得耕地质量综合指数，按照耕地质量等级划分进行分级研究[31-32]。

式中，P表示耕地质量综合指数；Ci表示第i个因子的组合权重；Fi表示第i个因子的隶属度。

1.4.5 耕地质量等级划分标准 本试验运用等距离法将耕地质量划分为10 个等级（表6），1 级地质量最好，依次递减，10级地最差，1级地综合得分指数对应耕地公顷产标准粮大于等于18000 kg，10 级地综合得分指数对应耕地公顷产标准粮小于等于9000 kg。

表6 研究区耕地质量分级标准Tab.6 Classification standard of cultivated land quality in the study area

2 结果与分析

研究区耕地质量综合指数的范围为0.7579～0.9722，极差为0.2143。运用ArcGIS 的自然分级（Natural Break）功能，将1590 个评价单元的综合指数进行等级划分，自然断点法将数据集中不连续的地方作为分级的依据，任何统计数列都存在一些自然转折点，裂点本身就是分级的良好界限[33]。本研究用自然断点法得出综合指数0.7795 和0.8943 为断点，接近3 级地下限与7 级地上限的综合指数，所以，最终将研究区耕地质量等级划定为3 个等别：1～3 级地归为优等地，4～6 级地归为中等地，7、8 级地归为低等地。

研究区优等地面积为740930.95 hm2，占比为64.49%，分布在中部、南部和北部地区，中部地区主要集中在藁城区、栾城区、无极县、深泽县和新乐市，南部地区主要集中在永年区、丛台区和临漳县，北部地区主要集中在涿州市、徐水区和高碑店市。优等地中98.80%评价单元立地条件在最高水平，92.00%评价单元物理性状、化学性状和环境条件均处于较高水平，无明显障碍因子。中等地面积为361676.33 hm2，占比为31.48%，主要分布在中南部地区，以高邑县、柏乡县、宁晋县和南和县为主。中等地中83.90%评价单元立地条件和环境条件大多处于较高水平，障碍因子集中在化学性状和物理性状指标。低等地面积为46301.00 hm2，占比为4.03%，主要集中在中北部地区，以清苑区、博野县为主，邯山区也有部分存在。低等地中69.40%评价单元立地条件和环境条件处于最低水平，物理性状和化学性状远低于区域内平均水平。

通过对河北省太行山山前平原30 个县（区）采样点的耕地质量综合指数进行计算，得出河北省太行山山前平原区耕地质量整体分级情况（图3、4）。

图3 研究区耕地质量分等Fig.3 Classification of cultivated land quality in the study area

图4 研究区耕地等级Fig.4 Grade of cultivated land in the study area

由图3、4 可知，河北省太行山山前平原区耕地质量等级由高到低依次为1～8 级，采用耕地质量等级面积加权法，计算得到研究区域耕地质量平均等级为3.24 级。

不同耕地质量等级面积及占比如图5 所示，耕地质量等级从1 级到10 级的面积及占比呈现先升高后降低的趋势。面积较大的主要为2 级、3 级、4 级耕地，其中，3 级耕地面积最大，为6314139.9 hm2，占比30.53%，其次为2级耕地，面积5831810.5 hm2，占比28.20%，4 级耕地面积4047749.7 hm2，占比19.57%，三者面积合计16193700.1 hm2，合计占比78.30%。

图5 研究区耕地质量等级比例统计Fig.5 Statistical chart of proportion of cultivated land quality grade in the study area

3 结论与讨论

本研究依据河北省太行山山前平原区土壤条件和土地利用现状，确定了18 个指标因子，运用地理信息管理系统建立耕地质量等级评价体系，在对地理条件、物理性状、化学性状和环境条件进行分析的基础上，对其进行不同等级耕地状况占比及空间分布特征研究，准确地反映了耕地质量的空间分布情况，提高了耕地质量评价结果的精度。

河北省太行山山前平原区耕地主要集中在2、3、4 级地，其中，3 级地的面积最多。研究区域耕地由于受到地形、地貌和水文条件的影响，耕地等级呈现出了一定的分布规律性。旱地、水浇地是该区主要的地类，灌溉能力和排水能力满足，土类以褐土和潮土面积居多，面积占比分别为60.60% 和38.40%。土壤侵蚀现象较为普遍，浅层地下水位逐年降低，需要进一步开展水土保持工作，工程措施与系统的耕作措施相结合，大力发展灌溉水利，增加以保墒培肥为中心的土壤旱作措施，注重增加磷肥的施用，将是该区持续农业发展的有效途径。

河北省太行山山前平原区耕地地力等级从1 级地到8 级地，低等级地质地构型以薄层型和松散型居多，灌溉能力多为基本满足，障碍因素主要以砂姜层为主，可以通过对土壤进行浅翻深松，打破犁底层，加深耕层而不翻转土壤，增加有机肥的施用，推行秸秆科学还田，将秸秆中的纤维素和木质素通过发酵转化为有机质，打破砂姜层障碍，发展绿肥，改善土壤结构，提高土壤肥料利用效率[34]。

根据2019年黄淮海区耕地质量检测指标分级标准，河北省太行山山前平原区有机质平均含量为19.16 g/kg，全氮平均含量为1.23 g/kg，有效磷平均含量为28.88 mg/kg，速效钾平均含量为179.84 mg/kg，有机质、全氮和有效磷处于中等水平，速效钾处于较高水平。对于土壤肥力相对缺乏的地区，可以直接实施秸秆还田或者过腹还田措施，合理施用化肥，协调养分比例，适量补充微肥，根据不同作物的养分需求，因地制宜地施用化肥。

此外，随着耕地质量建设工作推进，大众认知中的不变指标如地形部位、耕层质地、质地构型等将成为制约耕地质量提升的主要障碍因子，这些指标可复制、可推广的改善措施和技术应深入研究和探讨。

综合河北省太行山山前平原区耕地质量评价情况和相关指标测定结果，因地制宜，制定有针对性的措施。

对于分布在中部和南、北部地区的优等地，地势较为平坦，土质较好，农业基础设施建设相对完备，在农业生产中，种植户应该继续保持优良的耕作习惯，维持地力平衡，重视田间基础设施维修养护，加大测土配方施肥技术的落实力度，推行精准变量施肥技术，辐射带动周边中、低等地向优等地发展，带动高标准农田建设，提高粮食产能。

对于中南部地区的中等地，需提高农田林网化程度，发展节水农业，继续水土保持工作的稳步推进，将土壤、肥料、水源和种子等相关生产要素紧密结合，增加耕层厚度，预防和减缓水土流失现象，逐步解决耕层土壤限制性因素，逐渐向优等地提升。

对于中北部地区的低等地，特别是针对有机质较为缺乏的清苑区、博野县和南和县等地区，通过秸秆还田、种植绿肥、深松深翻技术、施用新型肥料和种肥同播等技术结合，促进土壤有机质含量稳步提升，改善耕地土壤的理化和生物性状，以实现耕地的种植与养护相结合，有效缓解耕地过度利用和耕地退化等问题。同时，该地区可因地制宜推广生命力顽强、适应能力强的经济作物，提高低种植效益，促进用养结合。