崔茜，畢如田，李發(fā)志，趙建明

(1.山西農業(yè)大學 資源環(huán)境學院，山西 太谷 030801；2.山西省土壤肥料工作站，山西 太原 030001)

我國耕地評價有很長的歷史，最早可追溯到2000多年前《尚書·禹貢篇》和《管子·地員篇》中關于黃河流域及長江中下游土壤分類評價的記載，但上世紀50年代才進入系統(tǒng)的研究階段：最初是由政務院在1950年召開的土壤肥料大會，緊接著由財政部在1951年組織調查全國耕地等級評定工作；上世紀80年代末期，隨著3S技術的發(fā)展應用，耕地質量評價工作得到突飛猛進的發(fā)展，并取得一批重大成果[1]。目前耕地質量評價研究的主要方法及成果有：畢如田等[2]以山西省聞喜縣為例，基于MAPGIS技術建立了聞喜縣耕地地力評價資源數(shù)據庫系統(tǒng)；劉智超等[3]利用聚類分析法結合地統(tǒng)計學方法，對江蘇省贛榆縣耕地質量評價進行了實證研究；趙建軍等[4]基于AHP和GIS對吉林省耕地質量空間分布進行研究，同時驗證了使用遙感數(shù)據評價耕地質量的適用性；王建國等[5]研究了模糊數(shù)學在耕地質量評價中的應用，以山東泰安山區(qū)為例對耕地質量評價模型進行了驗證；夏建國等[6]利用主成分分析法對陜北干旱地區(qū)旱作耕地土壤的10個樣本進行耕地質量評價探索研究；呂煥哲等[7]應用灰色關聯(lián)分析法研究了湖南省邵陽市5個土地復墾工程項目對耕地質量評價的影響；于東升等[8]以江西省余江縣為例，經過BIO-NORM與NORM耕地質量評價方法對比，確定評價指標、指標權重以及隸屬度函數(shù)對研究區(qū)水田進行耕地質量評價研究。

以上研究大多以縣域為研究單位，研究區(qū)域尺度較?。浑m有以市為研究對象的文章，但沒有結合當?shù)剞r作物特點來研究。本文著重建立中大尺度耕地質量評價體系，形成宏觀上的評價思想，因此，以晉南地區(qū)小麥—玉米輪作區(qū)所在的19個縣市為研究單位，選取1229個采樣點進行耕地質量評價研究，根據各評價指標的綜合得分得到19個縣市不同耕地等級，比較準確地反映小麥—玉米輪作區(qū)的耕地質量分布狀況，為輪作區(qū)提高綜合生產能力、增產增收提供有力的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

晉南地區(qū)指山西省西南部，是中華文明的發(fā)祥地之一，北與晉中、呂梁接壤；東靠太岳山、中條山,與長治、晉城市為鄰；西與陜西相隔黃河而望。研究區(qū)涉及運城、臨汾兩市，包括運城市13個縣市與臨汾市6個縣市，地理坐標東經110°15′～112°34′,北緯34°35′～36°26′，總國土面積19 698.07 km2，其中耕地面積7 886.87 km2，占國土總面積的40.04%，主要種植農作物有小麥、玉米、棉花、谷子、高粱以及油料作物等。研究區(qū)域地處晉南盆地，位于汾河下游，是傳統(tǒng)的農業(yè)區(qū)，土壤主要為褐土；氣候溫和，屬于暖溫帶、溫帶大陸性氣候，夏季高溫多雨。

2008～2012年，研究區(qū)小麥播種面積范圍為475 930～510 502 hm2，總產量1 536 136 ～2 323 907 t，平均每公頃產量3.091～4.582 t，最大產量年為2012年；玉米播種面積范圍286 260～392 980 hm2，總產量1 333 726～2 159 729 t，平均每公頃產量為4.659～5.951 t，最大產量年為2010年 (以上數(shù)據來源于山西省統(tǒng)計年鑒)。

1.2 數(shù)據來源與處理

1.2.1 基礎數(shù)據

采用2009年第二次土地調查數(shù)據庫中1∶5萬的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據；遙感影像DEM數(shù)據為美國SRTM數(shù)據；積溫采用華北地區(qū)小麥—玉米輪作區(qū)耕地質量評價數(shù)據，利用ArcGIS空間分析功能配準將屬性賦值于樣點；土壤屬性數(shù)據來源于耕地質量評價資料中1229個樣點分析數(shù)據，主要分析項目為有效Zn、pH、有機質、耕層質地、耕層厚度、灌溉保證率和成土母質等，根據研究區(qū)地形地貌等實際情況，采樣點密度達到平均每600公頃一個樣點。由于本文是在中大尺度下進行耕地質量評價研究，樣點密度達到評價數(shù)據的要求。

1.2.2 耕地質量評價指標的選取與計算方法

目前對數(shù)據的標準化處理有3種方法：Min-Max標準化、Z-score標準化以及Decimal scaling小數(shù)定標標準化，此處采用Z-score方法進行標準化處理。

(1)耕層質地：土壤耕層質地是土壤的較穩(wěn)定的物理屬性之一，耕層質地的優(yōu)良對耕地質量的好壞有直接影響。由于耕層質地是概念型評價因子，通過專家打分確定質地對耕地質量的隸屬度[2]。

(2)耕層厚度：玉米對耕層厚度有較嚴格要求，需在土層深厚、肥力水平高的土壤上種植，才能保證其在較短的生育期內吸收最多的養(yǎng)分與水分。本文根據采樣點數(shù)據實際情況，將耕層厚度分為3個等級：30～45 cm、20～30 cm、<20 cm。

(3)坡度：坡度數(shù)據由SRTM-DEM分析提取，根據全國第二次土地調查標準，利用ARCGIS軟件將坡度分為5個等級：一級<2°、二級2～6°、三級6～15°、四級15～25°、五級>25°，得到晉南地區(qū)坡度等級分布圖。不同坡度級別的耕地對應不同耕作的干擾[9]，地勢平坦的耕地方便管理，有利于大面積作物種植，減少水土流失帶來的養(yǎng)分流失。

(4)pH值：根據小麥、玉米生長習性，土壤pH值在6.0～8.0內均可種植，但在pH值6.8～7.0的中性土壤上種植最為適宜。由于晉南地區(qū)土壤普遍偏堿性，pH值均達到7.0以上，所以此處pH值函數(shù)類型屬于戒下型[2]，pH值越高，對土壤質量越不利。

(5)有機質：土壤有機質用以表現(xiàn)土壤中有機生命體的物質，可以改善土壤物理性質，促進植物生理活動。有機質是衡量耕地質量的重要因子之一。

(6)有效鋅：根據玉米生長特性，其生長期對鋅元素較為敏感，在幼苗出土后2 w期間，缺鋅葉片即出現(xiàn)“花葉條紋病”，若土壤中有效鋅少于0.5 ～1.0 mg·kg-1，即需要施鋅肥以保證玉米正常生長。

(7)灌溉保證率：由于玉米生長生育期較短，需水量多，在玉米整個生育期的田間持水量必須保持60%～80%之間，水分不足會出現(xiàn)葉片卷曲現(xiàn)象，引起產量下降。

(8)成土母質：母質是土壤形成最基礎的原始物質，決定了土壤質地、礦物成分、酸堿度等各方面屬性，影響了土壤的發(fā)育和肥力，研究區(qū)地處黃土高原，母質主要為黃土。成土母質為概念型評價因子，同樣采用專家打分法確定各母質對耕地質量的隸屬度[2]。

(9)積溫：積溫是研究溫度與植物生長發(fā)育之間關系的指標之一，植物在完成其生命周期時需要一定的積溫保障。尤其玉米生長周期短，屬喜溫作物。研究區(qū)積溫差異較大，年積溫4000～5500℃之間，分布規(guī)律為由南向北遞減。

綜上所述，根據晉南地區(qū)的實際情況，結合小麥玉米生長習性以及必須營養(yǎng)元素與敏感因素，選取土壤物理條件、土壤理化性狀、氣候條件、土壤管理4項因素9項指標構成小麥玉米復播區(qū)耕地質量評價指標體系，如表1所示。

表1耕地質量評價指標體系

Table1 Cultivated land quality Evaluation index system

評價因素Evaluationfactors代碼The code評價指標The evaluationindex代碼The code土壤物理條件A1耕層質地A11耕層厚度A12成土母質A13坡度A14氣候條件A2積溫A21土壤理化性狀A3pHA31有機質A32有效ZnA33土壤管理A4灌溉保證率A41

1.3 評價方法

1.3.1 層次單排序

目前確定權重的方法有很多，層次分析法將因素兩兩進行比較，具有明顯的將定量分析與定性分析相結合的優(yōu)點，本文將應用層次分析法通過構造判斷矩陣得到準則層權重。

(1)構造判斷矩陣。設準則層A={A1，A2，…Aj},根據本文4個評價因素：A1=土壤物理條件，A2=氣候條件，A3=理化性狀，A4=土壤管理，依據1～9標度法得到判斷矩陣：

(3)一致性檢驗。為了確定此矩陣的特征向量是否合理，須對其進行檢驗核對。

式中：CR-判斷矩陣的隨機一致性比率，CI-判斷矩陣一致性指標,RI-判斷矩陣的平均隨機一致性指標。由公式可得CI=0.015，RI=0.900，CR=0.017<0.1，通過一致性檢驗。即特征項量u為各指標權重。

1.3.2 層次總排序

層次總排序是從最高層到最底層逐層進行的過程[10]，上一層元素A1、A2、A3、A4總排序已得到相對應權重值u1、u2、u3、u4，則本層次單次排序結果為(A11,A12,…,Amn)T，此時得到評價因子總排序，如表2所示。

為了驗證此排序結果的一致性，進行一致性檢驗：

由結果可知此層次總排序具有較滿意的一致性，通過一致性檢驗。

各評價因子的權重見表2。

表2 評價因子的權重

1.3.3 對采樣點各指標的標準化處理

由于此指標體系中有戒上型與戒下型之分，戒上型指標值越大，代表該指標值越高；相反的，戒下型指標越小，代表其值越高。例如本指標體系中的“坡度”與“pH”值，得到其處理后結果須將正負號對調。標準化處理后得到的樣點得分y與相對應的組合權重乘積之和為各指標最終得分z。綜合處理得到各行政村樣點結果，如表3所示。

表3 樣點綜合得分表

2 結果與分析

中大尺度下耕地質量評價結果按照鄉(xiāng)級行政區(qū)分等歸類即可足夠表現(xiàn)，將1229個樣點在GIS中按照鄉(xiāng)級行政區(qū)分等，鄉(xiāng)鎮(zhèn)得分為各行政村得分的平均數(shù)。綜合評價分數(shù)越高，等級越高，分數(shù)越低，等級越低。評價結果按照縣級行政區(qū)統(tǒng)計結果見表4，共分為6個等級，等級分布統(tǒng)計圖如圖1所示。

表4 晉南地區(qū)耕地質量分級表

圖1 晉南地區(qū)小麥—玉米輪作區(qū)耕地質量等級圖Fig.1 Distribution map of the cultivated land quality of wheat and corn multiple cropping areas in Jinnan

(1)由晉南地區(qū)小麥—玉米輪作區(qū)耕地質量等級圖得到，研究區(qū)一、二等地集中分布于兩大區(qū)域：汾河流域下游與涑水河流域中下游區(qū)，占總面積的30.10%。涑水河流域與汾河流域都是山西省重要的糧食生產區(qū)域，兩大區(qū)域地勢平坦，平均海拔300～500 m，地貌類型多為低海拔河流階地與沖洪積平原，立地條件優(yōu)越；年降水量在500～600 mm之間，且汾河流域與涑水河流域為附近的農業(yè)生產提供得天獨厚的水源條件；該區(qū)總體土壤條件優(yōu)越，質地均勻，耕層厚度為最適宜玉米種植厚度40 cm左右，雖然西南部土壤有不同程度鹽漬化，但該區(qū)光熱條件突出，全年有光照近200 d，積溫達到5500℃，為該區(qū)小麥、玉米的生長提供了充足光溫條件。

(2)三、四等級耕地空間分布均勻，主要為中部低山丘陵區(qū)，平均海拔500～700 m，坡度在6～25°級之間，占總研究區(qū)面積的44.39%。該區(qū)地貌類型多樣，地形高度起伏不一，既有沖積平原，也有中低海拔侵蝕堆積黃土和河漫灘等。自然條件水平相對較低，土壤中營養(yǎng)元素處于中等水平，質地良好，耕層厚度20～30 cm之間；年降水量雖達到500～600 mm，但灌溉保證率多為50%～80%，缺少充足的水源保障，限制了該區(qū)農業(yè)的發(fā)展；年積溫4500～5000℃，相對兩大流域區(qū)其光溫條件稍欠。

(3)五、六等地各區(qū)均有分布，總體趨勢為西北部火焰山區(qū)、東部中條山區(qū)以及西部孤峰山區(qū)，占總面積的25.51%。該區(qū)地貌類型復雜，有中海拔侵蝕堆積黃土、喀斯特侵蝕的中大起伏山以及黃土覆蓋的中小起伏山，海拔700～1300 m，地形坡度大，立地條件無明顯優(yōu)勢；土壤養(yǎng)分含量普遍較低，山地遠多于丘陵與盆地，自然條件與耕地條件均比較差，降水偏少并且灌溉設施落后，部分地區(qū)無灌溉保證措施；積溫多小于4000℃，不利的自然環(huán)境條件制約著當?shù)丶Z食的生產力。

3 結論與討論

本文在中大尺度下研究晉南地區(qū)小麥—玉米輪作區(qū)的耕地質量，結合當?shù)貙嶋H情況，按照區(qū)域性大尺度原則選取適宜小麥、玉米生長的評價因子，運用層次分析法確定各指標權重，專家打分法確定概念型評價因子的隸屬度，結合SPSS軟件與GIS軟件分析，得到晉南地區(qū)小麥—玉米輪作區(qū)以鄉(xiāng)級行政區(qū)為單位的耕地質量分等圖。結果表明晉南地區(qū)耕地質量最優(yōu)區(qū)域分布于汾河下游與涑水河中下游地區(qū)，低山丘陵區(qū)次之，高山區(qū)最差，造成研究區(qū)耕地質量顯著差異的原因主要表現(xiàn)為水源與以坡度為主的立地條件差異。

(1)兩大流域附近耕地質量雖然最高，但該區(qū)土地復種指數(shù)高，地力消耗過大，導致部分區(qū)域土壤肥力不足，土壤肥力與高產高效的需求仍不適應，化肥與有機肥施用量不平衡，容易引起土壤板結；該區(qū)域應精耕細作，講究用養(yǎng)結合原則，合理間作、套種，實行秸稈還田等措施，提高土壤肥力。

(2)低山丘陵區(qū)總體土壤肥力不足，氮、磷、鉀比例失調，并且土體干旱，灌溉條件差成為作物高產的限制因子；雖然本區(qū)農業(yè)生產水平屬中上等，但受干旱影響并沒有充分發(fā)揮耕地生產能力，因此需降低干旱影響，增施有機肥提高土壤有機質含量、改善土壤理化性能，充分發(fā)揮土壤的豐產性能。

(3)高山區(qū)由于受地理環(huán)境影響，氣候制約因素較大，因此地形坡度是影響農業(yè)生產的主要因素，并且土層薄，有機質含量低，抗旱能力差；該區(qū)應以通過農田基本建設、坡改梯等加強坡耕地改造提高土壤保墑能力，部分坡度過大耕地應退耕還林。

評價結果較符合晉南地區(qū)耕地質量等級分布，可為晉南地區(qū)耕地的合理利用與改善提供參考。

參 考 文 獻

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