姚東恒, 裴久渤, 汪景寬

東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量時(shí)空變化研究*

姚東恒, 裴久渤**, 汪景寬

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽(yáng) 110866)

為揭示東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量時(shí)空變化特征, 本研究遵循《耕地質(zhì)量等級(jí)》(GB/T 33469—2016)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn), 在利用特爾菲法選取16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)、層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的基礎(chǔ)上, 建立了東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 借助ArcGIS軟件對(duì)研究區(qū)2008年和2018年耕地質(zhì)量進(jìn)行同一指標(biāo)體系和同一分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià), 旨在掌握研究區(qū)10年間的耕地質(zhì)量時(shí)空變化特征, 探究耕地質(zhì)量變化原因。結(jié)果表明: 東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量2008年以中低等地為主, 平均耕地質(zhì)量等級(jí)為5.14, 2018年以中高等地為主, 平均耕地質(zhì)量等級(jí)為3.92, 10年間東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)提升了1.22個(gè)等級(jí); 其中, 1~4等地面積均有增加, 5~10等地面積均減少, 10年間研究區(qū)評(píng)價(jià)單元耕地質(zhì)量等級(jí)提升最多為8個(gè)等級(jí), 下降最多為7個(gè)等級(jí), 耕地質(zhì)量等級(jí)提升的評(píng)價(jià)單元總面積是等級(jí)下降評(píng)價(jià)單元總面積的3.5倍。10年間東北典型黑土區(qū)的中西部和西北部耕地質(zhì)量上升較為明顯, 而其南部和東北部質(zhì)量下降的耕地分布較多。本研究規(guī)范了研究區(qū)耕地質(zhì)量時(shí)空對(duì)比分析的依據(jù), 合理揭示了其時(shí)空變化特征, 為該區(qū)域今后耕地質(zhì)量提升工作指明了方向, 對(duì)今后進(jìn)一步可持續(xù)利用和管理黑土地具有積極意義。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn); 耕地質(zhì)量; 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系; 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn); 東北典型黑土區(qū)

土地是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。耕地是土地資源中極為重要的一部分, 良好的耕地質(zhì)量是保證糧食生產(chǎn)安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[1]。黑土是耕地資源中最寶貴的土壤資源, 是世界公認(rèn)的最肥沃的土壤, 具有質(zhì)地疏松、肥力高、供肥能力強(qiáng)的特點(diǎn)[2]。黑土資源非常有限, 而且黑土的形成極為緩慢, 每形成1 cm厚的黑土需要大約200~400年的時(shí)間[3]。全球黑土區(qū)僅有4片, 其中1片就坐落于中國(guó)東北[4]。

東北典型黑土區(qū)坐落于東北平原中部, 是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)之一, 提供了全國(guó)33%以上的玉米產(chǎn)量和約50%的大豆產(chǎn)量[5], 對(duì)全國(guó)糧食安全戰(zhàn)略起到舉足輕重的作用, 是國(guó)家糧食安全的“穩(wěn)壓器”和“壓艙石”[6-7]。隨著我國(guó)人口快速增長(zhǎng), 經(jīng)濟(jì)、技術(shù)不斷發(fā)展帶來(lái)的工業(yè)化和城市化過(guò)程中非農(nóng)用地?cái)U(kuò)張以及長(zhǎng)期大規(guī)模的耕地開(kāi)發(fā), 再加之溝蝕[8]等自然因素和人為不合理利用, 造成東北典型黑土區(qū)黑土資源嚴(yán)重退化[9], 黑土層變薄[10], 耕地質(zhì)量每況愈下的趨勢(shì)大有增加, 面臨如此眾多的黑土問(wèn)題和復(fù)雜的黑土形勢(shì), 加強(qiáng)黑土地質(zhì)量提升與保護(hù)工作是重中之重[11]。近年來(lái)國(guó)家高度重視東北黑土地保護(hù)問(wèn)題, 陸續(xù)實(shí)施了一系列黑土地保護(hù)政策, 依據(jù)黑土地保護(hù)地方性法規(guī), 開(kāi)展黑土地治理工程。

2016年底, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒布了《耕地質(zhì)量調(diào)查監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)辦法》(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部令2016年第2號(hào))和《耕地質(zhì)量等級(jí)》(GB/T 33469—2016)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱《國(guó)標(biāo)》), 于2017年開(kāi)展了新一輪全國(guó)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)工作。在《國(guó)標(biāo)》出臺(tái)前, 耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)多樣、標(biāo)準(zhǔn)不同、分級(jí)差異大、可比性差, 很難對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行同一標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)體系下不同時(shí)期的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比, 探討耕地質(zhì)量時(shí)空變化也缺乏科學(xué)依據(jù)。因此, 在《國(guó)標(biāo)》發(fā)布以后, 新一輪?wèn)|北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果與上一輪評(píng)價(jià)結(jié)果相比有何變化？結(jié)果如何對(duì)比？這些問(wèn)題都需要進(jìn)行科學(xué)和深入地研究。基于此, 本研究遵循《國(guó)標(biāo)》建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 對(duì)東北典型黑土區(qū)兩次耕地質(zhì)量調(diào)查(2008年和2018年)結(jié)果進(jìn)行同一指標(biāo)體系、同一標(biāo)準(zhǔn)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià), 并進(jìn)行時(shí)空變化研究, 旨在較為科學(xué)地摸清東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量的時(shí)空變化情況, 為今后東北典型黑土區(qū)耕地管理、保護(hù)與利用提供合理依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

東北典型黑土區(qū)介于123°32′~128°19′E, 42°23′~51°00′N, 位于東北平原中部, 縱貫黑吉遼3省(圖1), 土壤類型主要以黑土和草甸土為主, 地貌類型以平原為主, 目前已開(kāi)墾的耕地面積約800萬(wàn)hm2。該區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候, 全區(qū)平均氣溫7~11 ℃, 冬季寒冷漫長(zhǎng), 春季多風(fēng)少雨, 夏季氣溫較高; 冬寒夏暖, 無(wú)霜期較短; 年降水量在350~1 200 mm, 大部分地區(qū)集中在450~850 mm, 整體趨勢(shì)自東向西逐漸遞減; 太陽(yáng)輻射變化在410~607 kJ?cm-2, 受云量和季節(jié)影響, 太陽(yáng)輻射具有季節(jié)性變化, 夏季最大, 春秋次之, 冬季最少; 氣候南北差異較大, 從北到南分為寒溫帶、中溫帶和暖溫帶, 以中溫帶為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究數(shù)據(jù)主要來(lái)自東北區(qū)各縣域耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)項(xiàng)目2008年和2018年的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)、圖件數(shù)據(jù)、相關(guān)文字資料等。其中采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)采集0~20 cm土層的土壤樣品, 按五點(diǎn)法隨機(jī)采集后按四分法進(jìn)行混合。立地條件、自然屬性、田間基礎(chǔ)設(shè)施情況等資料通過(guò)采樣時(shí)調(diào)查獲取, 土壤pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷、容重等指標(biāo)參考《土壤農(nóng)化分析》進(jìn)行分析測(cè)試[12]。共計(jì)獲取2008年7 456個(gè)采樣點(diǎn), 2018年10 583個(gè)采樣點(diǎn)。圖件數(shù)據(jù)包括2017年1∶500 000的土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖、地貌類型圖等。在ArcGIS中構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫(kù), 將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為Gauss-Kruger投影, 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系, 利用疊加分析功能, 將土壤圖、土地利用現(xiàn)狀圖、行政區(qū)劃圖疊加形成的圖斑作為評(píng)價(jià)單元[13], 最終形成評(píng)價(jià)單元11 363個(gè)。該方法優(yōu)點(diǎn)是考慮全面、綜合性強(qiáng), 同一評(píng)價(jià)單元內(nèi)土壤類型、土地利用類型相同, 空間界限和隸屬關(guān)系明確, 既滿足了對(duì)耕地質(zhì)量做出評(píng)價(jià), 又便于耕地利用與管理[14]。此外, 為了避免不同時(shí)期由于耕地圖斑數(shù)量差異引起的耕地質(zhì)量對(duì)比分析的誤差, 本研究將兩個(gè)時(shí)期采樣點(diǎn)屬性統(tǒng)一賦值到2017年土地利用現(xiàn)狀圖耕地圖斑上, 便于反映同一個(gè)耕地圖斑耕地質(zhì)量的差異。

圖1 東北典型黑土區(qū)行政區(qū)劃圖

NJ: 嫩江縣; WDLC: 五大連池市; BA: 北安市; NH: 訥河市; KS: 克山縣; KD: 克東縣; YA: 依安縣; BQ: 拜泉縣; HL: 海倫市; MS: 明水縣; WK: 望奎縣; BL: 北林區(qū); BY: 巴彥縣; LX: 蘭西縣; HL: 呼蘭區(qū); SB: 松北區(qū); DW: 道外區(qū); BX: 賓縣; XF: 香坊區(qū); DL: 道里區(qū); NG1: 南崗區(qū); PF: 平房區(qū); AC: 阿城區(qū); SC: 雙城市; WC: 五常市; YS: 榆樹(shù)市; DH: 德惠市; NA: 農(nóng)安縣; JT: 九臺(tái)市; KC: 寬城區(qū); LY: 綠園區(qū); GZL: 公主嶺市; ED: 二道區(qū); NG: 南關(guān)區(qū); CY: 朝陽(yáng)區(qū); LS: 梨樹(shù)縣; TX: 鐵西區(qū); TD: 鐵東區(qū); CT: 昌圖縣。NJ: Nenjiang County; WDLC: Wudalianchi City; BA: Bei’an City; NH: Nehe City; KS: Keshan County; KD: Kedong County; YA: Yi’an County; BQ: Baiquan County; HL: Hailun City; MS: Mingshui County; WK: Wangkui County; BL: Beilin District; BY: Bayan County; LX: Lanxi County; HL: Hulan District; SB: Songbei District; DW: Daowai District; BX: Binxian County; XF: Xiangfang District; DL: Daoli District; NG1: Nangang District; PF: Pingfang District; AC: Acheng District; SC: Shuangcheng City; WC: Wuchang City; YS: Yushu City; DH: Dehui City; NA: Nong’an County; JT: Jiutai City; KC: Kuancheng District; LY: Luyuan District; GZL: Gongzhuling City; ED: Erdao District; NG: Nanguan District; CY: Chaoyang District; LS: Lishu County; TX: Tiexi District; TD: Tiedong District; CT: Changtu County.

利用ArcGIS軟件制作2008年和2018年的采樣點(diǎn)位分布圖(圖2), 利用反距離加權(quán)(IDW)插值法對(duì)pH、有機(jī)質(zhì)和耕層容重等數(shù)值型數(shù)據(jù)進(jìn)行插值, 形成100 m×100 m柵格圖[15], 再通過(guò)空間分析功能模塊下的區(qū)域統(tǒng)計(jì)功能, 將插值結(jié)果賦值到評(píng)價(jià)單元[16]; 對(duì)質(zhì)地構(gòu)型、耕層質(zhì)地和障礙因素等概念型數(shù)據(jù), 采用“以點(diǎn)代面”(在ArcGIS 9.3中Spatial Join功能下按空間位置進(jìn)行關(guān)聯(lián))方法, 將點(diǎn)位圖與評(píng)價(jià)單元圖進(jìn)行屬性關(guān)聯(lián), 為評(píng)價(jià)單元賦值[17-18]。

2 研究方法

2.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

依據(jù)《國(guó)標(biāo)》, 對(duì)2008年和2018年數(shù)據(jù)建立同一評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 即采用特爾斐法, 遵循基礎(chǔ)性指標(biāo)和區(qū)域補(bǔ)充性指標(biāo)相結(jié)合的原則, 從《國(guó)標(biāo)》備選的指標(biāo)中選取16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo), 包括地形部位、有效土層厚度、有機(jī)質(zhì)含量以及土壤養(yǎng)分狀況下的有效磷和速效鉀等14個(gè)基礎(chǔ)性指標(biāo)及耕層厚度、pH 2個(gè)區(qū)域性指標(biāo)[19]; 利用層次分析法, 根據(jù)各要素之間的關(guān)系, 構(gòu)建層次分析模型, 結(jié)合特爾斐法計(jì)算各指標(biāo)的組合權(quán)重[16,20]。各層次指標(biāo)及權(quán)重如表1所示。

2.2 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度

《國(guó)標(biāo)》中選取的指標(biāo)可以分為定量和定性兩類指標(biāo), 根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論, 將選取的定量指標(biāo)如有效土層厚度、土壤容重、有機(jī)質(zhì)等與耕地質(zhì)量的關(guān)系分為戒上型函數(shù)、戒下型函數(shù)、直線型函數(shù)、峰型函數(shù)[19], 采取特爾菲法對(duì)定量指標(biāo)的實(shí)測(cè)值評(píng)估出相應(yīng)的隸屬度, 利用統(tǒng)計(jì)分析軟件擬合隸屬函數(shù)(表2); 定性指標(biāo)如地形部位、耕層質(zhì)地、生物多樣性等, 利用特爾菲法確定每一種定性指標(biāo)的隸屬度(表3)。

2.3 計(jì)算耕地質(zhì)量綜合指數(shù)及劃分質(zhì)量等級(jí)

在采取特爾菲法和層次分析法得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重及隸屬度的基礎(chǔ)上, 依據(jù)《國(guó)標(biāo)》采用累加法計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)單元的耕地質(zhì)量綜合指數(shù)(IFI), 即每個(gè)評(píng)價(jià)單元的綜合評(píng)價(jià)得分。IFI值越大說(shuō)明該評(píng)價(jià)單元的耕地質(zhì)量越好。耕地質(zhì)量綜合指數(shù)(IFI)計(jì)算公式:

圖2 2018年(a)和2008年(b)東北典型黑土區(qū)采樣點(diǎn)分布圖

表1 東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及指標(biāo)權(quán)重

式中: IFI為耕地質(zhì)量綜合指數(shù)(integrated fertility index),C為第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重,F為第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度。

表2 東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)定量指標(biāo)隸屬函數(shù)

表示指標(biāo)隸屬度,表示樣品觀測(cè)值,表示指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值,U1、U2表示指標(biāo)下、上限值。indicates membership degree of index.indicates sample observation value.indicates standard value of index.U1andU2indicate the lower and upper limit value of index.

表3 東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)定性指標(biāo)隸屬度

依據(jù)《國(guó)標(biāo)》使用等距法對(duì)IFI進(jìn)行10個(gè)等級(jí)劃分, 確定耕地質(zhì)量等級(jí)(表4), 其中, 1~3等地為高等地, 4~6等地為中等地, 7~10等地為低等地。以2008年作為基準(zhǔn)年進(jìn)行IFI評(píng)級(jí), 從而分別得到2008年和2018年研究區(qū)每個(gè)評(píng)價(jià)單元的耕地質(zhì)量等級(jí)結(jié)果。研究區(qū)平均耕地質(zhì)量等級(jí)采用面積加權(quán)進(jìn)行計(jì)算:

式中: AI為平均耕地質(zhì)量等級(jí),為耕地質(zhì)量等級(jí),為每個(gè)等級(jí)耕地所占面積, SA為區(qū)域總面積。

表4 東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量綜合指數(shù)分級(jí)

此外, 為保證評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)合理, 需要對(duì)評(píng)價(jià)形成的耕地質(zhì)量等級(jí)結(jié)果進(jìn)行審核驗(yàn)證, 使其符合實(shí)際, 以便更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理。本研究主要采用實(shí)地驗(yàn)證的方法, 即以2018年評(píng)價(jià)得到的耕地質(zhì)量等級(jí)分布圖為依據(jù), 隨機(jī)或系統(tǒng)地選取各等級(jí)耕地的驗(yàn)證樣點(diǎn), 逐一對(duì)各評(píng)價(jià)區(qū)實(shí)際樣點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查分析, 實(shí)地獲取不同等級(jí)耕地的自然及社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息指標(biāo)數(shù)據(jù), 通過(guò)相應(yīng)指標(biāo)的差異, 綜合分析評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)合理性。

3 結(jié)果與分析

3.1 東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)數(shù)量變化分析

分別對(duì)2008年和2018年?yáng)|北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià), 結(jié)果如表5所示。2008年?yáng)|北典型黑土區(qū)中面積最大的是5等地, 面積為185.92萬(wàn)hm2, 占總面積的22.39%; 其次是6等地、4等地和7等地, 這4個(gè)等級(jí)耕地面積共占東北典型黑土區(qū)耕地總面積的3/4。2018年?yáng)|北典型黑土區(qū)中4等地面積最大, 為201.79萬(wàn)hm2; 其次是3等地、5等地和2等地, 這4個(gè)等級(jí)耕地面積也占研究區(qū)耕地總面積的3/4。在其余的1/4耕地中, 2008年的3等地面積最大, 為75.08萬(wàn)hm2, 占比9.04%; 8等地次之, 面積為55.43萬(wàn)hm2, 占總面積的6.68%; 隨后依次為2等地、1等地和9等地, 10等地面積最少, 為2.96萬(wàn)hm2, 占0.36%。2018年的6等地面積最多, 為70.56萬(wàn)hm2, 占總面積的8.5%; 其次是1等地、7等地、8等地和9等地, 10等地占地面積最小, 占比0.04%。東北典型黑土區(qū)2008年高等地面積為141.14萬(wàn)hm2, 占比16.99%; 2018年高等地面積341.15萬(wàn)hm2, 占比41.09%。2008年中等地為500.79萬(wàn)hm2, 占比60.32%; 2018年中等地面積418.47萬(wàn)hm2, 占比50.4%。2008年低等地面積為188.33萬(wàn)hm2, 占比22.69%; 2018年低等地面積70.64萬(wàn)hm2, 占比8.51%。對(duì)研究區(qū)2008年和2018年平均耕地質(zhì)量等級(jí)AI進(jìn)行計(jì)算, 最終得出2008年平均耕地質(zhì)量等級(jí)為5.14, 2018年為3.92, 平均耕地質(zhì)量等級(jí)提升了1.22個(gè)等級(jí)。

表5 2008和2018年?yáng)|北典型黑土區(qū)不同質(zhì)量等級(jí)耕地面積及占比

2008—2018年間東北典型黑土區(qū)1~4等地面積均有顯著增加, 1等地在2008年占總面積的3.22%, 到2018年增長(zhǎng)到7.62%, 面積增長(zhǎng)近40萬(wàn)hm2; 2等地由39.34萬(wàn)hm2增加到113.94萬(wàn)hm2, 面積增加近10%; 3等地增加的幅度最大, 面積從75.08萬(wàn)hm2增加到163.95萬(wàn)hm2, 漲幅10.71%; 4等地增加54.7萬(wàn)hm2, 占比增加6.58%。相反, 在這期間5~10等地面積均有不同程度的降低, 5等地面積減少39.8萬(wàn)hm2, 下降近5%; 6等地下降最多, 面積減少97.22萬(wàn)hm2, 下降達(dá)10%以上; 7~10等地面積分別減少7.95%、4.59%、1.32%和0.32%。由此可以看出東北典型黑土區(qū)2018年較2008年耕地質(zhì)量明顯提升, 主要耕地類型由中低等地轉(zhuǎn)為中高等地, 等級(jí)偏高的1~4等地2018年較2008年均有增加, 而等級(jí)偏低的5~10等地面積均下降, 高等地面積2018年較2008年增加約200萬(wàn)hm2, 而中、低等地面積均有減少。

3.2 東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)時(shí)空變化分析

東北典型黑土區(qū)2008年和2018年耕地質(zhì)量等級(jí)分布如圖3所示。2008年高等地在東北典型黑土區(qū)的南部和東北部分布較多, 南起昌圖縣至中部香坊區(qū), 北起嫩江縣沿東北邊緣地帶分布至北林區(qū), 此外在望奎縣以及克山縣與訥河市交界地帶也有分布; 中等地分布較廣, 在各市區(qū)內(nèi)均有分布; 低等地在中部和西北部地區(qū)分布相對(duì)集中, 在公主嶺、九臺(tái)市也分布較多。東北典型黑土區(qū)2018年高等地分布較廣, 主要集中在東北典型黑土區(qū)的中西部和西北部地區(qū); 中等地分布最廣, 主要分布在東北典型黑土區(qū)的南部和北部地區(qū); 低等地在梨樹(shù)縣、公主嶺和巴彥縣分布較多, 其余地區(qū)幾乎沒(méi)有分布或少數(shù)分布。將2008年和2018年的耕地質(zhì)量等級(jí)圖對(duì)比來(lái)看, 2018年?yáng)|北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量總體上好于2008年, 特別是在中西部和西北部地區(qū)顏色反差較大, 說(shuō)明質(zhì)量變化較大。而東北和中東部地區(qū)2018年較2008年沒(méi)有發(fā)生太大變化。

圖3 2008年(a)和2018年(b)東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)空間分布圖

各地區(qū)字母含義見(jiàn)圖1。The meaning of the region letters were shown in the Fig. 1

將同一評(píng)價(jià)單元2018年與2008年耕地質(zhì)量等級(jí)結(jié)果進(jìn)行差減, 得到圖4和表6所示的10年間研究區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)時(shí)空變化結(jié)果(其中負(fù)值表示等級(jí)提升, 正直表示等級(jí)下降)?？梢钥闯?0年間東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)差值波動(dòng)較大, 其中耕地質(zhì)量等級(jí)最多提升了8個(gè)等級(jí), 在雙城市、德惠市和蘭西縣有少量分布; 最低下降了7個(gè)等級(jí), 主要發(fā)生在北林區(qū)和九臺(tái)市。綜合來(lái)看, 10年間研究區(qū)耕地質(zhì)量提升多, 下降少, 研究區(qū)整體的耕地質(zhì)量提升呈現(xiàn)出由南北兩側(cè)向中部加強(qiáng)的狀態(tài)。10年間提升1個(gè)等級(jí)的耕地(變化為-1)面積最大, 達(dá)183.11萬(wàn)hm2, 占總面積的22.05%, 零散地分布在東北典型黑土區(qū)內(nèi), 且在昌圖縣和巴彥縣分布相對(duì)集中; 10年間質(zhì)量等級(jí)提升的耕地面積為540.13萬(wàn)hm2, 占總面積的65.06%, 質(zhì)量等級(jí)下降的耕地面積為153.33萬(wàn)hm2, 占總面積的18.47%; 耕地質(zhì)量等級(jí)上升的耕地面積是等級(jí)下降的3.5倍, 其中等級(jí)上升的耕地在該區(qū)西北部、中西部和南部分布較多, 在東北和中東部分布較少, 等級(jí)下降的耕地沿著研究區(qū)東部邊緣地帶分布, 在南部分布較為零散, 然而10年間東北部、南部部分地區(qū)耕地質(zhì)量雖呈下降的狀態(tài), 但依然保持中等至高等的水平。結(jié)合等級(jí)變化圖中等級(jí)變化的分布情況, 大致可以將東北典型黑土區(qū)分為3片區(qū)。中東部為耕地質(zhì)量提升核心區(qū), 由于該區(qū)域10年來(lái)耕地質(zhì)量始終保持較低水平, 今后需加大投入、重點(diǎn)治理, 是耕地質(zhì)量提升的重點(diǎn)對(duì)象; 東北部和南部為耕地質(zhì)量穩(wěn)定發(fā)展區(qū), 研究區(qū)東北部和南部10年間耕地質(zhì)量沒(méi)有發(fā)生較大變化, 始終保持較高的耕地質(zhì)量, 今后需保持, 在穩(wěn)定中尋求突破; 中西部和西北部為耕地質(zhì)量模范帶動(dòng)區(qū), 10年間該區(qū)域耕地質(zhì)量等級(jí)提升較高, 多數(shù)從中、低等地轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩鹊? 體現(xiàn)了該區(qū)域治理有效, 管理到位, 今后作為東北區(qū)黑土治理典型, 需保持住耕地高質(zhì)量水平, 引領(lǐng)帶動(dòng)黑土區(qū)耕地質(zhì)量提升工作。

圖4 2008—2018年間東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)變化分布圖

各地區(qū)字母含義見(jiàn)圖1。The meaning of the region letters were shown in the Fig. 1.

等級(jí)變化負(fù)值表示耕地質(zhì)量等級(jí)提升, 正值表示等級(jí)下降。The negative values of grade change means increase of cultivated land quality, while positive value means the decline of cultivated land quality grade.

3.3 東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)實(shí)地驗(yàn)證對(duì)比

以2018年?yáng)|北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)分布圖為依據(jù), 根據(jù)各等級(jí)耕地空間分布狀況, 在研究區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取10個(gè)樣點(diǎn), 實(shí)地查看、采樣化驗(yàn)各樣點(diǎn)理化性狀, 與耕地質(zhì)量等級(jí)情況進(jìn)行比對(duì)。從表7可以看出不同等級(jí)耕地的地形部位、灌溉能力等方面差異性較明顯, 但與不同等級(jí)耕地特征相符。樣點(diǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)高的地塊土壤養(yǎng)分含量總體較高, 有效土層厚度較厚, 灌溉條件良好, 地形部位為平原中階和丘陵中下部, 耕層質(zhì)地為中壤和重壤。而樣點(diǎn)所處地塊評(píng)價(jià)等級(jí)越低, 有效土層厚度和耕層厚度越淺, 土壤養(yǎng)分含量較低, 灌溉條件差, 地形部位大多是平原低階, 質(zhì)地為砂壤和黏土。通過(guò)與實(shí)地調(diào)查進(jìn)行對(duì)比分析, 驗(yàn)證了評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際較好的一致性。

4 討論與結(jié)論

《耕地質(zhì)量等級(jí)》(GB/T 33469—2016)是我國(guó)第一部完整的與耕地質(zhì)量有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn), 統(tǒng)一了全國(guó)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[21], 開(kāi)辟了全國(guó)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的新時(shí)代。《國(guó)標(biāo)》相對(duì)于以往的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 主要在耕地質(zhì)量等級(jí)的劃分和耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取、分級(jí)上進(jìn)行了規(guī)范。在《國(guó)標(biāo)》出臺(tái)后, 應(yīng)用《國(guó)標(biāo)》進(jìn)行耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究還相對(duì)匱乏, 并且近些年國(guó)家對(duì)東北黑土區(qū)進(jìn)行保護(hù)和治理, 到如今東北典型黑土區(qū)的耕地質(zhì)量現(xiàn)狀如何, 與之前相比變化怎樣, 這些都需要借助《國(guó)標(biāo)》對(duì)耕地質(zhì)量變化進(jìn)行評(píng)估。同時(shí), 構(gòu)建同一分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)體系實(shí)現(xiàn)了科學(xué)的、準(zhǔn)確的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比, 并且可以從某一指標(biāo)上具體地探究耕地質(zhì)量變化的原因。

本文的研究結(jié)果與實(shí)地驗(yàn)證較為符合, 較好地體現(xiàn)出近年來(lái)國(guó)家治理黑土的實(shí)效性。我國(guó)自20世紀(jì)50年代以來(lái), 不斷地開(kāi)發(fā)、利用東北黑土地, 其時(shí)間之久、強(qiáng)度之高導(dǎo)致了黑土資源不斷減少, 不斷退化, 黑土質(zhì)量不斷下降[22]。自2015年開(kāi)始, 黨和國(guó)家加大了投入和治理力度, 農(nóng)業(yè)部每年斥資5億用于東北黑土地保護(hù), 開(kāi)展黑土地保護(hù)試點(diǎn)工程, 在國(guó)家大力支持下, 東北黑土地保護(hù)治理成效明顯,多地的耕地質(zhì)量正在穩(wěn)步提高。作者通過(guò)實(shí)地調(diào)研得知, 國(guó)家和各省市對(duì)保護(hù)性耕作(深松、翻埋等)給予補(bǔ)貼, 農(nóng)民施用有機(jī)肥, 進(jìn)行農(nóng)藥殘害污染防治等舉措使得東北區(qū)耕地得到了有效的保護(hù), 相關(guān)文獻(xiàn)也證明了近些年來(lái)由于秸稈還田技術(shù)的推廣, 東北區(qū)耕地土壤肥力有較穩(wěn)的上升之勢(shì)[23]。東北典型黑土區(qū)中西部和西北部地帶2008—2018年間耕地質(zhì)量上升明顯, 得益于大多數(shù)黑土地保護(hù)試點(diǎn)多建立于此, 而且這些地區(qū)黑土地保護(hù)獎(jiǎng)補(bǔ)政策落實(shí)到位, 大大提高了農(nóng)民保護(hù)黑土地的積極性[24-25]。以上表明, 我國(guó)當(dāng)前走的這條黑土地保護(hù)的道路是正確的、合理的, 階段性成效明顯。然而, 東北典型黑土區(qū)中東地帶耕地質(zhì)量沒(méi)有得到較大改善, 且在公主嶺、北林區(qū)及其東北地帶由于此前耕地質(zhì)量水平較高, 產(chǎn)量較大, 間接導(dǎo)致10年間利用強(qiáng)度增大, 投入和治理相對(duì)減少, 加之該區(qū)對(duì)黑土地保護(hù)、管理和利用的要求有所放松, 10年間耕地質(zhì)量下降較多, 問(wèn)題較為突出。但從整體上看東北黑土地的治理已經(jīng)取得成效, 今后再針對(duì)個(gè)別地區(qū)進(jìn)一步研究和治理, 將會(huì)使東北黑土地保護(hù)成果的影響變得更加廣泛。此外, 本研究是基于同一個(gè)矢量圖斑進(jìn)行的耕地質(zhì)量變化研究, 對(duì)于因不同時(shí)期矢量圖斑空間位置(數(shù)量多少)差異引起的質(zhì)量變化也是未來(lái)需要考慮的重要因素。同時(shí)隨著國(guó)土空間分區(qū)和規(guī)劃研究的不斷深入, 如何將耕地質(zhì)量與之結(jié)合, 探索并創(chuàng)新其在耕地功能空間分區(qū)和規(guī)劃方面的應(yīng)用, 擴(kuò)展耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)成果在國(guó)土空間管理上的應(yīng)用將成為未來(lái)的新方向。另外, 本研究采用的是1∶50萬(wàn)比例尺的土地利用現(xiàn)狀圖作為評(píng)價(jià)單元底圖, 結(jié)果從區(qū)域宏觀尺度具有指導(dǎo)意義, 若今后能細(xì)化縣域評(píng)價(jià)將更能體現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

表7 東北典型黑土區(qū)不同等級(jí)耕地典型地塊實(shí)地調(diào)查信息對(duì)照

綜上, 本研究基于《耕地質(zhì)量等級(jí)》(GB/T 33469—2016)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)比分析了2008年和2018年的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果, 探討了10年間東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量時(shí)空變化情況。主要結(jié)論: 1)10年間東北典型黑土區(qū)耕地綜合質(zhì)量穩(wěn)步提升了1.22個(gè)等級(jí), 從中低等地為主變?yōu)橹懈叩鹊貫橹? 2)東北典型黑土區(qū)區(qū)域間耕地質(zhì)量變化存在差異性, 2008年高等地主要分布在南部和東北部, 2018年主要集中在中西部和西北部地區(qū), 2008年和2018年中等地均分布較廣, 2008年低等地在中部和西北部分布較多, 2018年低等地僅在少數(shù)地區(qū)分布; 3)10年間東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)差值在-8~7間變化, 等級(jí)上升的面積為540.13萬(wàn)hm2, 下降的面積為153.33萬(wàn)hm2, 耕地質(zhì)量等級(jí)上升的耕地面積是下降的3.5倍, 中西部和西北部耕地質(zhì)量顯著增長(zhǎng); 4)遵循《國(guó)標(biāo)》建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 其評(píng)價(jià)結(jié)果符合實(shí)際情況, 很好地反映了研究區(qū)不同時(shí)期的耕地質(zhì)量狀況, 對(duì)東北區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立提供了技術(shù)支撐和應(yīng)用價(jià)值。從指標(biāo)分析上來(lái)看灌溉能力、有效土層厚度對(duì)耕地質(zhì)量提升影響較大, 為研究區(qū)今后耕地質(zhì)量提升工作提供了參考和管理方向。

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Temporal-spatial changes in cultivated land quality in a black soil region of Northeast China*

YAO Dongheng, PEI Jiubo**, WANG Jingkuan

(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University / National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources / Key Laboratory of Northeast Cultivated Land Conservation of Ministry of Agriculture, Shenyang 110866, China)

Temporal-spatial variations in cultivated land quality in a typical black soil region in Northeast China were explored with 16 evaluation indices by means of the Delphi method, with weights determined by an analytic hierarchy process based on the National Standard of Cultivated Land Quality Grade (GB/T 33469—2016). ArcGIS software was used to evaluate the quality of cultivated land in the region using the same system and the same grading standard between 2008 and 2018. The goal was to identify temporal and spatial changes in cultivated land quality in the study area during the past 10 years, and the reasons for changes in the cultivated land quality. The results showed that the quality of cultivated land in the study region was dominated by medium- and low-level land in 2008, with an average cultivated land quality grade of 5.14. In 2018, the quality of cultivated land was mainly in medium- and high-level land, with an average cultivated land quality grade of 3.92. Over the past 10 years, the quality increased by 1.22. The area of first- to fourth-grade cultivated land had increased, and the area of fifth- to tenth-grade land had decreased. Meanwhile, the cultivated land grade rose 8 levels at most, and fell 7 levels most. The area of cultivated land that increased its grade was 3.5 times that of the land that experienced a decrease in grade. The quality of cultivated land in the mid-west and northwest regions of the study area increased significantly, while the south and northeast saw more decrease. This study standardized the basis of a temporal-spatial comparison analysis of cultivated land quality in the study area and revealed temporal-spatial variation characteristics of the study area, providing direction for improving cultivated land quality and sustainably utilizing and managing black soil in the future.

National standard; Cultivated land quality; Evaluation index system; Grading standard; Typical black soil region in Northeast China

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2017YFD0200604)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41807086, 41671293)、遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20170540799)和沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)博士啟動(dòng)基金(880416042, 880416020)資助

裴久渤, 主要從事土壤肥力與耕地質(zhì)量方面研究。E-mail: peijiubo@syau.edu.cn

姚東恒, 主要從事耕地資源管理方面研究。E-mail: 1377648109@qq.com

2019-07-02

2019-10-30

* This study was supported by the National Key R&D Program of China (2017YFD0200604), the National Natural Science Foundation of China (41807086, 41671293), the Natural Science Foundation of Liaoning Province (20170540799) and the Doctoral Research Start-Up Funding of Shenyang Agricultural University (880416042, 880416020).

, E-mail: peijiubo@syau.edu.cn

Jul. 2, 2019;

Oct. 30, 2019

S158.9

10.13930/j.cnki.cjea.190485

姚東恒, 裴久渤, 汪景寬. 東北典型黑土區(qū)耕地質(zhì)量時(shí)空變化研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(1): 104-114

YAO D H, PEI J B, WANG J K. Temporal-spatial changes in cultivated land quality in a black soil region of Northeast China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(1): 104-114