李玉浩,王紅葉,張駿達,王新宇,張芮,營浩**,崔振嶺

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100094;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測保護中心 北京 100125)

耕地是國家糧食安全的根本,是糧食生產(chǎn)甚至人類生存發(fā)展的最基本資源,堅實的耕地質(zhì)量基礎(chǔ)為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供保障[1]。華南區(qū)是我國重要的經(jīng)濟中心,自改革開放以來,經(jīng)濟發(fā)展迅速,人口劇增。相關(guān)數(shù)據(jù)表明,2019 年華南區(qū)人口總數(shù)達2.2 億,因而糧食安全問題事關(guān)華南區(qū)民生大計。水稻(Oryzɑ sɑtivɑ)是華南區(qū)最重要的糧食作物,同時,華南區(qū)也是我國水稻的主產(chǎn)區(qū)之一,水稻播種面積一直穩(wěn)定占據(jù)全國水稻播種總面積的20%左右[2]。因此,明確華南區(qū)耕地質(zhì)量空間分布情況,探究耕地質(zhì)量與產(chǎn)能對應(yīng)關(guān)系,對保障華南區(qū)甚至全國糧食安全有重要意義。耕地質(zhì)量是由耕地地力、土壤健康狀況和田間基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成的滿足農(nóng)產(chǎn)品持續(xù)產(chǎn)出和質(zhì)量安全的能力[3],近些年來,前人對全國范圍或某一區(qū)域稻田耕地質(zhì)量空間分布情況進行了一定的研究。李建軍等[4]對我國稻田耕地地力分布情況進行評價得出,我國稻田耕地地力整體呈現(xiàn): 長江中下游區(qū)>東北區(qū)≥華南區(qū)>西南區(qū)的空間分布規(guī)律;王遠鵬等[5]對黑龍江省方正縣稻田耕地質(zhì)量空間分布情況分析得出,方正縣稻田耕地質(zhì)量整體呈南高北低的分布格局,土壤有效磷和速效鉀含量是導(dǎo)致差異產(chǎn)生的最重要因素。綜合來看,前人研究結(jié)果多集中于對耕地質(zhì)量某一方面,如耕地地力、養(yǎng)分狀況等方面的評價,缺乏能對耕地質(zhì)量情況進行系統(tǒng)評價的具體指標,且對于耕地質(zhì)量與產(chǎn)能對應(yīng)關(guān)系缺乏進一步研究?！陡刭|(zhì)量等級》(GB/T 33469-2016)國家標準的出臺,使耕地質(zhì)量評價有了系統(tǒng)性、專門性和可操作性的國家層面的評價準則[6]。本文基于華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量等級評價結(jié)果,分析華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量空間分布,并探究耕地質(zhì)量與產(chǎn)能對應(yīng)情況及影響產(chǎn)能提升的限制因子,以期為華南區(qū)稻田產(chǎn)能提升提供指導(dǎo),對提升華南區(qū)耕地質(zhì)量,保障糧食安全有重大意義。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于自2017 年起農(nóng)業(yè)部耕地質(zhì)量監(jiān)測保護中心組織開展的福建、廣東、廣西、海南等省(區(qū))耕地質(zhì)量區(qū)域匯總評價工作。本研究對有關(guān)稻田數(shù)據(jù)進行了集中審查,建立了規(guī)范化的耕地資源屬性數(shù)據(jù)庫,其中土壤有機質(zhì)含量、土壤全氮含量、土壤有效磷含量、土壤速效鉀含量、土壤緩效鉀含量、土壤pH 有效樣本數(shù)均為9807,地形部位、有效土層厚度、耕層質(zhì)地、土壤容重、質(zhì)地構(gòu)型、生物多樣性、清潔程度、灌溉能力、排水能力、農(nóng)田林網(wǎng)化程度有效樣本數(shù)均為8007。

1.2 數(shù)據(jù)分析

1.2.1 耕地質(zhì)量等級計算

1)建立華南區(qū)耕地質(zhì)量評價指標體系及確定權(quán)重。根據(jù)科學(xué)性、綜合性、主導(dǎo)性、可比性、可操作性指標選取的原則,針對華南區(qū)耕地質(zhì)量評價的要求和特點,采用《耕地質(zhì)量等級》(GB/T 33469-2016)國家標準中規(guī)定的N+X的方法確定華南區(qū)耕地質(zhì)量評價指標,由基礎(chǔ)性指標和區(qū)域性補充指標組成,其中基礎(chǔ)性指標(N)包括地形部位、有效土層厚度、有機質(zhì)含量、耕層質(zhì)地、土壤容重、質(zhì)地構(gòu)型、養(yǎng)分指標(有效磷、速效鉀)、生物多樣性、清潔程度、障礙因素、灌溉能力、排水能力、農(nóng)田林網(wǎng)化程度,區(qū)域補充性指標(X)為酸堿度,共計15 個評價指標。

確定評價指標權(quán)重的方法有專家打分法(特爾斐法)、層次分析法、多元回歸法、模糊數(shù)學(xué)法、灰度理論法等。華南區(qū)耕地質(zhì)量等級評價中采用《耕地質(zhì)量等級》(GB/T 33469-2016)中推薦的層次分析法結(jié)合特爾菲法確定的各評價指標的權(quán)重。

2)計算華南區(qū)耕地質(zhì)量評價指標隸屬度。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的理論,將選定的評價指標與耕地質(zhì)量之間的關(guān)系可分為戒上型函數(shù)、峰型函數(shù)模型以及概念型指標3 種類型。其中地形部位、灌溉能力、排水能力、耕層質(zhì)地、質(zhì)地構(gòu)型、障礙因素、農(nóng)田林網(wǎng)化程度、生物多樣性、清潔程度9 個定性指標為概念型指標,采用特爾斐法直接給出隸屬度。

函數(shù)型指標需要建立隸屬函數(shù)模型確定其隸屬度。酸堿度、土壤容重2 個指標構(gòu)建峰型隸屬函數(shù);有效土層厚度、有機質(zhì)、有效磷、速效鉀4 個指標構(gòu)建戒上型隸屬函數(shù)。各評價指標具體隸屬度數(shù)值參見《耕地質(zhì)量等級》(GB/T 33469-2016)。

3)計算華南區(qū)耕地質(zhì)量綜合指數(shù)及劃分耕地質(zhì)量等級。根據(jù)《耕地質(zhì)量等級》(GB/T 33469-2016),采用累加法計算耕地質(zhì)量綜合指數(shù)。

式中:P為耕地質(zhì)量綜合指數(shù);Fi為第i個評價指標的隸屬度;Ci為第i個評價指標的組合權(quán)重。

《耕地質(zhì)量等級》(GB/T 33469-2016)將耕地質(zhì)量劃分為10 個等級,一等地耕地質(zhì)量最高,十等地耕地質(zhì)量最低。具體耕地質(zhì)量等級劃分方案如表1所示。

1.2.2 半方差函數(shù)及理論模型

本文采用半方差函數(shù)及理論模型分析耕地質(zhì)量等級、土壤養(yǎng)分性質(zhì)及土壤物理性質(zhì)空間分布差異,半方差函數(shù)也可稱為半變異函數(shù),是兩點差值方差的一半,半方差函數(shù)表示了一定范圍內(nèi)變量屬性的空間依賴性。其公式為:

式中:γ(h)為半方差函數(shù);h為一定的樣本間隔距離,又稱為步長或位差;Z(x)、Z(x+h)表示區(qū)域化變量不同位置的實測值。

1.2.3 產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)

產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(SYI)計算公式為:

式中:Y為n等地(n為1～10) 2017-2018 年的年產(chǎn)量平均值,σn-1為其標準差,Ymax為n等地的最高產(chǎn)量。

1.2.4 耕地質(zhì)量影響因素分析

利用隨機森林模型分析影響華南區(qū)稻田產(chǎn)能的耕地質(zhì)量等級評價指標。隨機森林建模是一種機器學(xué)習(xí)技術(shù),基于多種因素組合來投射目標變量。該模型實現(xiàn)主要包含3 個步驟。首先,對現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)利用bootstrap 方法進行重新采樣(稱為袋內(nèi)數(shù)據(jù)),大約有37%的初始數(shù)據(jù)不被選擇,這些數(shù)據(jù)被稱為袋外數(shù)據(jù)(OOB)。其次,每個解釋變量在回歸樹模型生成中隨機選擇m個特征值,在檢查了所有預(yù)測分割的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同的分類和回歸樹標準為每一步尋找最佳分割。再次,在每一個節(jié)點上,袋外的觀察值與袋內(nèi)存在的觀察值相等。在本研究中,目標變量為華南區(qū)稻田產(chǎn)量,分析其與土壤有機質(zhì)含量、耕層厚度、pH 以及土壤容重等耕地質(zhì)量等級評價指標的相關(guān)關(guān)系,并采用十字交叉驗證。

1.3 情景分析

為探究華南區(qū)稻田耕地與產(chǎn)能提升潛力的關(guān)系,

按照“十四五”《北方干旱半干旱和南方紅黃壤等中低產(chǎn)田產(chǎn)能提升科技創(chuàng)新》目標,核心示范區(qū)坡耕地紅壤和水稻耕地質(zhì)量平均提高1～2 個等級,設(shè)置4個情景(如表2 所示)。

表2 華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量與產(chǎn)能提升潛力情景模擬內(nèi)容解釋Table 2 Interpretation of scenario simulation content of cultivated land quality and capacity improvement potential of paddy field in South China

1.4 數(shù)據(jù)管理

采用Excel 2019、ArcMap 10.7、R 4.0.5 和Sigmaplot 14.0 軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析與圖形制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量空間分布

2.1.1 土壤養(yǎng)分狀況空間分布

華南區(qū)稻田土壤養(yǎng)分狀況空間分布整體差異顯著(圖1)。土壤有機質(zhì)整體呈西高東低分布規(guī)律,平均含量為24.67 g?kg-1(95%置信區(qū)間: 24.51～24.84 g?kg-1,下同);半方差函數(shù)擬合結(jié)果(表3)表明,土壤有機質(zhì)空間分布呈中度相關(guān)性(R2=0.87;塊金值/基臺值<0.25為強空間相關(guān)性,0.25～0.75為中度空間相關(guān)性,>0.75 空間相關(guān)性很弱,下同),是結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同作用的結(jié)果;分省域來看,廣西最高,為31.43 g?kg-1(30.94～31.91 g?kg-1),海南最低,為21.46 g?kg-1(21.03～21.89 g?kg-1)。土壤全氮由西到東含量不斷降低,空間分布呈強相關(guān)性(R2=0.83),平均含量為1.31 g?kg-1(1.30～1.32 g?kg-1),主要由結(jié)構(gòu)性因素作用;分省域來看,廣西最高,為1.80 g?kg-1(1.77～1.82 g?kg-1),海南最低,為0.95 g?kg-1(0.93～0.97 g?kg-1)。土壤有效磷整體呈東高西低分布,平均含量為28.77 mg?kg-1(28.33～29.21 mg?kg-1),空間分布呈中度相關(guān)性(R2=0.98),是結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同作用的結(jié)果;分省域來看,福建最高,為39.34 mg?kg-1(36.91～41.78 mg?kg-1),廣西最低,為21.05 mg?kg-1(20.28～21.82 mg?kg-1)。土壤速效鉀整體呈北高南低空間分布規(guī)律,平均含量為67.03 mg?kg-1(66.13～67.93 mg?kg-1),空間分布呈中度相關(guān)性(R2=0.93),是結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同作用的結(jié)果;分省域來看,福建最高,為106.14 mg?kg-1(96.50～115.77 mg?kg-1),海南最低,為46.14 mg?kg-1(44.36～47.92 mg?kg-1)。土壤緩效鉀呈北高南低分布規(guī)律,平均含量為201.69 mg·kg-1(197.36～206.01 mg?kg-1),空間分布呈強相關(guān)性(R2=0.04),是結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同作用的結(jié)果;分省域來看,廣東最高,為235.67 mg?kg-1(228.10～243.24 mg?kg-1),廣西最低,為154.59 mg?kg-1(149.30～159.87 mg?kg-1)。土壤pH 整體呈弱酸性,平均為5.40(5.39～5.41),空間分布呈中度相關(guān)性(R2=0.89),從東向西酸性不斷減弱,廣西、福建、廣東、海南稻田土壤pH 分別為5.55 (5.51～5.59)、5.41 (5.34～5.48)、5.40 (5.39～5.41)和5.27 (5.24～5.29)。

圖1 華南區(qū)稻田土壤養(yǎng)分狀況空間分布Fig.1 Spatial distribution of soil nutrients in paddy fields in South China

表3 華南區(qū)稻田土壤養(yǎng)分狀況空間變異理論模型及其參數(shù)Table 3 Theoretical model and parameters of spatial variation of soil nutrient status in paddy field in South China

2.1.2 土壤物理性質(zhì)空間分布

華南區(qū)稻田耕層容重和有效土層厚度空間分布情況如圖2 和表4 所示。耕層容重呈中度空間相關(guān)性(R2=0.94),平均1.18 g?cm-3(1.17～1.18 g?cm-3);分省域來看,廣東和福建最大且差異較小,分別為1.25 g?cm-3(1.25～1.25 g?cm-3)和 1.24 g·cm-3(1.23～1.24 g?cm-3),其次為廣西,為1.20 g·cm-3(1.19～1.20 g?cm-3),海南最小,為0.96 g?cm-3(0.96～0.97 g?cm-3)。有效土層厚度由東向西呈遞減趨勢,平均為91.82 cm(91.37～92.27 cm),空間分布呈中度相關(guān)性(R2=0.89),是結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同作用的結(jié)果;分省域來看,海南和廣東最大且差異較小,分別為96.46 cm (95.95～96.97 cm)和95.05 cm (94.50～95.59 cm),廣西最小,為80.32 cm (79.00～81.65 cm)。

圖2 華南區(qū)稻田耕層容重和有效土層厚度空間分布Fig.2 Spatial distribution of bulk density and effective soil thickness of plough layer in paddy field in South China

表4 華南區(qū)稻田耕層容重和有效土層厚度空間變異理論模型及其參數(shù)Table 4 Theoretical model and parameters of spatial variation of bulk density and effective soil thickness of plough layer in paddyfield in South China

華南區(qū)稻田耕層質(zhì)地和質(zhì)地構(gòu)造空間分布情況及頻率如表5 所示。耕層以輕壤和中壤為主,分布頻率分別為49.14%和20.42%,黏土和砂土分布頻率最低,分別為3.90%和1.34%;福建稻田耕地質(zhì)地以中壤為主,分布頻率為44.06%,其次為重壤和砂壤,分布頻率分別為28.07%和24.59%;廣東稻田耕層質(zhì)地以輕壤為主,分布頻率達到83.22%;廣西稻田耕層質(zhì)地分布頻率以中壤、重壤和砂壤最高,分別為35.39%、24.97%和24.08%;海南稻田耕層質(zhì)地分布頻率以砂壤和輕壤最高,分別為28.70%和22.31%。華南區(qū)稻田質(zhì)地構(gòu)造整體較好,以上松下緊型和海綿型為主,分布頻率分別為42.28%和25.70%,薄層型分布頻率最低,為0.81%;福建稻田質(zhì)地構(gòu)造以上松下緊型為主,分布頻率為56.15%,其次為緊實型,分布頻率為30.74%;廣東稻田質(zhì)地構(gòu)造主要是上松下緊型和海綿型,其分布頻率分別為50.86%、48.59%;廣西稻田質(zhì)地構(gòu)造以上松下緊型為主,分布頻率為54.82%,其次為夾層型,分布頻率為24.52%;海南稻田質(zhì)地構(gòu)造主要是松散型,其分布頻率為64.96%。

表5 華南區(qū)稻田耕層質(zhì)地和質(zhì)地構(gòu)造性質(zhì)空間分布及頻率Table 5 Spatial distribution and frequencies of texture structure and texture of paddy field in South China %

2.1.3 立地條件、土壤管理情況及土壤健康狀況空間分布

華南區(qū)稻田立地條件指標主要是地形部位和農(nóng)田林網(wǎng)化程度,其空間分布情況及頻率見表6。華南區(qū)稻田所處地形部位主要是平原低階和丘陵下部,其分布頻率分別為40.46%和19.72%;福建稻田地形部位以平原高階為主,分布頻率占比為43.85%;廣東稻田地形部位以平原低階為主,分布頻率為53.41%;廣西稻田地形部位以山間盆地、丘陵下部、平原中階為主,分布頻率分別為20.10%、20.10%、17.36%;海南稻田地形部位以平原低階為主,分布頻率為55.22%。華南區(qū)稻田農(nóng)田林網(wǎng)化程度整體較低,其中農(nóng)田林網(wǎng)化程度為低的分布頻率為85.80%,福建、廣東、廣西、海南四省農(nóng)田林網(wǎng)化程度為低的分布頻率最高,分別為60.04%、91.65%、72.45%、93.31%。

華南區(qū)稻田土壤管理指標主要是灌溉能力和排水能力,其空間分布情況及頻率見表7。華南區(qū)灌溉能力以充分滿足和滿足為主,分布頻率分別為37.34%和32.94%,其次為基本滿足,分布頻率為26.02%;福建稻田灌溉能力以基本滿足為主,分布頻率為45.08%,其次為充分滿足,分布頻率為31.56%;廣東稻田灌溉能力以充分滿足和滿足為主,分布頻率分別為61.02%、33.98%;廣西稻田灌溉能力以基本滿足為主,分布頻率為58.85%,其次為滿足,分布頻率為30.07%;海南稻田灌溉能力主要為滿足和基本滿足,分布頻率分別為40.75%、35.33%。華南區(qū)稻田排水能力以滿足為主,分布頻率為66.31%;福建稻田排水能力以充分滿足為主,分布頻率為79.92%;廣東稻田排水能力以滿足為主,分布頻率為89.72%;廣西稻田排水能力以基本滿足為主,分布頻率為43.39%,其次為滿足和充分滿足,分布頻率分別為25.92%、20.16%;海南稻田排水能力以滿足為主,分布頻率為67.84%。

表7 華南區(qū)稻田灌溉能力和排水能力空間分布及頻率Table 7 Spatial distribution and frequencies of irrigation capacity and drainage capacity of paddy fields in South China %

華南區(qū)稻田土壤健康狀況評價指標主要是生物多樣性和清潔程度,其空間分布情況及頻率見表8。華南區(qū)稻田生物多樣性程度分布頻率最高為豐富(55.04%),其次為一般(39.51%);福建稻田生物多樣性程度分布頻率最高為一般(44.47%),其次為豐富(38.73%);廣東稻田生物多樣性程度主要為豐富,分布頻率為98.02%;廣西稻田生物多樣性程度主要為一般,分布頻率為80.57%;海南稻田生物多樣性程度主要為一般,分布頻率為82.36%。華南區(qū)稻田清潔程度為清潔。

2.1.4 華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量等級空間分布

華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量等級呈現(xiàn)“中間高,四周低”的空間分布規(guī)律,平均為4.31。半方差函數(shù)擬合結(jié)果表明,華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量等級呈中度空間相關(guān)性(R2=0.95),是結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同作用的結(jié)果。分省域來看,廣東最高,為3.82,由高到低依次為廣西(4.18)、福建(4.84)、海南(5.32)。由華南區(qū)及各省稻田耕地質(zhì)量等級分布頻率圖可知,華南區(qū)耕地質(zhì)量等級總體主要集中在高(1～3)等地和中(4～6)等地,頻率百分比分別為38.99%和45.08%;福建和廣東耕地質(zhì)量等級主要集中在高(1～3)等地和中(1～3)等地,頻率百分比分別是35.58%、33.94%和46.38%、42.45%;廣西和海南耕地質(zhì)量等級主要分布在中(4～6)等地,頻率分布百分比分別是48.63%和50.36% (圖3)。

圖3 華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量等級空間分布及其分布頻率Fig.3 Spatial distribution and frequencies of cultivated land quality grades in South China

2.2 華南區(qū)耕地質(zhì)量等級與水稻產(chǎn)能的關(guān)系

2.2.1 耕地質(zhì)量等級與水稻產(chǎn)能的關(guān)系

如圖4 所示,華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量等級與產(chǎn)量整體呈顯著正相關(guān)(R2=0.9140),水稻產(chǎn)量隨耕地質(zhì)量等級提升呈先迅速增加后趨于平緩趨勢。一等地(耕地質(zhì)量等級為1)水稻平均產(chǎn)量(13.93 t?hm-2)較五等地(耕地質(zhì)量等級為5)水稻平均產(chǎn)量(11.46 t?hm-2)、十等地(耕地質(zhì)量等級為10)水稻平均產(chǎn)量(6.41 t?hm-2)分別提升21.56%、117.35%。由圖4 可知,華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量等級與水稻產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)(SYI)呈顯著正相關(guān)(R2=0.9333)。

圖4 華南區(qū)耕地質(zhì)量等級與水稻產(chǎn)量及穩(wěn)產(chǎn)對應(yīng)關(guān)系Fig.4 Corresponding relationship between cultivated land quality grade and rice yield and yield stability in South China

2.2.2 耕地質(zhì)量等級評價指標對產(chǎn)量的影響程度

利用隨機森林模型對影響華南區(qū)水稻產(chǎn)量的耕地質(zhì)量等級評價指標重要程度進行排序,其中,土壤有效磷含量、灌溉能力和土壤有機質(zhì)含量為影響華南區(qū)水稻產(chǎn)量的最關(guān)鍵因素;其次為土壤速效鉀含量、生物多樣性、土壤pH 以及耕層土壤容重,再次為排水能力、質(zhì)地構(gòu)造、地形部位和障礙因素;有效土層厚度、耕層質(zhì)地和農(nóng)田林網(wǎng)化影響最小(圖5)。

圖5 華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量評價指標對產(chǎn)量影響程度重要性排序Fig.5 Rank of impact degree of each evaluation index of cultivated land quality on rice yield in South China

2.3 華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量與產(chǎn)能提升潛力

采用情景模擬的方式探究華南區(qū)稻田耕地與產(chǎn)能提升潛力的關(guān)系。如果假設(shè)保持2019 年稻田耕地面積不變,在現(xiàn)有耕地質(zhì)量等級下,2035 年華南區(qū)水稻總產(chǎn)量為2754.19 萬t (2035 年華南區(qū)水稻單產(chǎn)來源于依據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)計算出的預(yù)測值);而若在耕地質(zhì)量等級分別提升0.5、1.0、1.5 個等級條件下,華南區(qū)水稻總產(chǎn)量將分別達到3165.33 萬t、3370.89 萬t、3576.46 萬t,較現(xiàn)有耕地質(zhì)量等級下的預(yù)測產(chǎn)量分別增產(chǎn)14.93%、22.39%、29.86%,相當(dāng)于節(jié)約耕地面積31.77 萬hm2、56.35 萬hm2、75.95萬hm2(圖6)。

圖6 華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量與產(chǎn)能提升關(guān)系情景模擬Fig.6 Scenario simulation of the relationship between cultivated land quality and productivity improvement in South China

3 討論

3.1 華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量空間分布分析

耕地土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量及土壤pH 是評價耕地質(zhì)量的重要理化性質(zhì)指標,在一定程度上能夠代表耕地質(zhì)量狀況[7-8]。土壤理化性質(zhì)的空間變異性主要受時間、緯度、氣候以及農(nóng)田管理措施等因素影響[9]。土壤有機質(zhì)含量是耕地質(zhì)量的核心,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用[10],華南區(qū)稻田土壤有機質(zhì)含量分布以廣西最高,廣東、福建次之,海南最低,這與楊帆等[11]研究結(jié)果相似;土壤有機質(zhì)含量受水熱狀況影響明顯,廣東降水量較多、海南氣溫較高均會促進有機質(zhì)分解,使得有機質(zhì)含量下降。研究表明,華南區(qū)土壤有效磷含量平均為28.77 mg?kg-1,高于全國稻田土壤有效磷含量平均值[12],這是因為華南區(qū)地處亞熱帶和熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣溫較高,加快了磷的釋放和移動[13];其中,廣東和福建稻田土壤有效磷含量較高,這與黃繼川等[14]的研究結(jié)果相似,主要是由于這些區(qū)域施入了大量磷肥以及復(fù)合肥造成磷盈余所致。土壤速效鉀含量與水稻籽粒產(chǎn)量息息相關(guān),本文研究結(jié)果表明,華南區(qū)稻田土壤速效鉀含量平均為67.03 mg?kg-1,與柳開樓等[15]研究結(jié)果相似,遠低于全國平均值;華南區(qū)各省稻田土壤速效鉀含量空間差異主要是由施鉀量和水肥管理水平不同所致[5]。同時,華南區(qū)由北到南,稻田土壤紅壤占比逐漸增大,而紅壤成土母質(zhì)含鉀較低,使得華南區(qū)稻田土壤速效鉀含量呈福建>廣東>廣西>海南的規(guī)律。土壤緩效鉀含量是衡量土壤長期供鉀能力的重要表征,反映土壤鉀素的儲存量[16],本研究中,廣東緩效鉀含量最高,其鉀素儲存量較為豐富。土壤pH 是決定土壤肥力的重要參數(shù),本研究表明,華南區(qū)耕地整體呈酸性(pH 5.40),這與李建軍[17]的研究結(jié)果相似,其主要原因是農(nóng)民習(xí)慣施肥中化肥占比過大,過量化肥的施用將造成土壤酸化趨勢加深,嚴重危害耕地質(zhì)量。

耕地土壤的物理性質(zhì)也是評價華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量情況的重要一環(huán),華南區(qū)稻田土壤容重平均為1.18 g·cm-3,且耕層質(zhì)地及質(zhì)地構(gòu)造分別以輕壤和上松下緊型為主,說明華南區(qū)耕地物理性質(zhì)整體良好,利于水稻生長發(fā)育。但海南土壤容重僅為0.96 g?cm-3,且質(zhì)地構(gòu)造以松散型為主,這導(dǎo)致海南稻田持水保熵能力較弱,不利于土壤對養(yǎng)分的固存[18]。華南區(qū)稻田整體多處于平原低階及丘陵下部,地形地勢優(yōu)越,利于水稻耕種;但農(nóng)田林網(wǎng)化程度較低,農(nóng)田林網(wǎng)化率是指農(nóng)田四周的林帶保護面積占農(nóng)田總面積的百分比,較高的農(nóng)田林網(wǎng)化率將提高稻田抵御風(fēng)沙、泥石流自然災(zāi)害的能力,能夠使得水稻在較惡劣自然條件下維持正常的生長環(huán)境。灌排能力是衡量稻田土壤管理情況的重要指標,對于水稻這一需水量最大的糧食作物來說,農(nóng)田的灌排能力將極大程度影響水稻根系的微生物環(huán)境。華南區(qū)稻田灌排能力整體處于較優(yōu)水準,但各省之間差異較大,廣西稻田灌排能力整體較差。

耕地質(zhì)量等級能夠從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度綜合反映影響耕地質(zhì)量的耕地地力、土壤健康狀況以及田間基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成等多重因素,是評價耕地質(zhì)量狀況的重要指標[3]。研究結(jié)果表明,華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量等級平均為4.31,耕地質(zhì)量狀況與全國平均水平基本持平[19-20],因此,華南區(qū)耕地質(zhì)量仍有極大提升空間。華南區(qū)各省稻田耕地質(zhì)量等級空間分布差異較大,其中,廣東最高,廣西和福建其次,海南最低。自“十二五”起華南區(qū)4 省(區(qū))開展耕地保護與質(zhì)量提升項目,以技術(shù)物資補貼等形式,鼓勵和支持農(nóng)民應(yīng)用土壤改良、地力培肥技術(shù),促進秸稈等有機肥資源轉(zhuǎn)化利用,提升耕地質(zhì)量。廣東省制定《廣東省耕地保護與質(zhì)量提升實施方案》,大力推行秸稈還田、測土配方施肥以及酸化土改良專項技術(shù),有效提高稻田耕地質(zhì)量[21];廣西建立耕地質(zhì)量保護政府考核機制,形成耕地質(zhì)量監(jiān)管常態(tài)化機制[22]。但中低產(chǎn)田分布面積較大、水土流失較為嚴重、酸化趨勢進一步加重等現(xiàn)象的存在,成為造成華南區(qū)部分區(qū)域耕地質(zhì)量等級較低的直接原因。

3.2 華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量與產(chǎn)能對應(yīng)關(guān)系分析

耕地質(zhì)量是保障我國糧食安全的關(guān)鍵,耕地質(zhì)量的優(yōu)劣將決定作物的產(chǎn)量高低[23-24]。本研究表明,耕地質(zhì)量等級與水稻產(chǎn)量呈極顯著的正相關(guān)性,這與馮蕾[25]在通山縣以及柳開樓等[26]對紅壤稻田的研究相似。同時,由圖4 可知,耕地質(zhì)量等級與華南區(qū)水稻產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)(SYI)也呈正相關(guān),水稻產(chǎn)量SYI 與水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有關(guān),產(chǎn)量越高越穩(wěn)定則SYI 值越大[27],由此說明,提升耕地質(zhì)量是提高華南區(qū)水稻產(chǎn)量和保持產(chǎn)量可持續(xù)的重要舉措。

耕地質(zhì)量等級評價指標涵蓋耕地土壤理化性質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)、立地條件和生產(chǎn)管理措施等多個方面,本文利用隨機森林模型對影響華南區(qū)水稻產(chǎn)量的耕地質(zhì)量等級評價指標的重要程度做了進一步分析。研究結(jié)果表明,土壤有效磷含量是影響華南區(qū)水稻產(chǎn)量最重要的因素,磷素是水稻高產(chǎn)的關(guān)鍵[28],任嘉欣等[29]研究表明,土壤有效磷含量對水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān),土壤有效磷含量增多,將極大程度滿足作物吸磷量需求,從而減少外源磷的輸入,降低環(huán)境負擔(dān)。土壤有機質(zhì)含量同樣對華南區(qū)水稻產(chǎn)量產(chǎn)生重要影響,土壤有機質(zhì)含量是耕地質(zhì)量的重要表征,對維持土壤供保肥能力和養(yǎng)分有效性有重要作用;王秋菊[30]研究結(jié)果表明,提高水稻產(chǎn)量,要注重土壤有機質(zhì)含量的保持與提高。灌溉能力是影響華南區(qū)水稻產(chǎn)量最重要的生產(chǎn)管理因素,水稻是我國需水量最大的作物,其生產(chǎn)用水量達到我國農(nóng)用淡水量的80%[31],因此,充分的灌溉能力是水稻正常生長和穩(wěn)產(chǎn)的保障與基礎(chǔ)。耕層土壤容重是影響華南區(qū)水稻產(chǎn)量最重要的土壤物理結(jié)構(gòu)因素,土壤容重是評判土壤孔隙性和結(jié)構(gòu)性的重要指標,將直接影響水稻根系的生長發(fā)育與養(yǎng)分吸收,進而對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生重要影響[32]。

3.3 華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量提升展望與建議

糧食安全問題一直是我國重大民生問題[33],尤其在華南區(qū)4 省(區(qū))2019 年常住人口總數(shù)達到2.2 億、占據(jù)當(dāng)年全國人口總數(shù)15.6%的大背景下,糧食安全更不容忽視,水稻作為華南區(qū)最重要的糧食作物更應(yīng)特別重視。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示,華南區(qū)總?cè)丝跀?shù)由2000 年的1.8 億增長至2019 年的2.3 億,增幅達27.8%,但華南區(qū)2000-2019 年水稻總產(chǎn)量呈下降趨勢,降幅達26.5%,水稻種植面積減少31.8%,因此,如何滿足華南區(qū)日益增長人口的糧食需求,保障華南區(qū)糧食安全成為亟待解決的問題。本文假設(shè)華南區(qū)未來水稻種植面積和稻田耕地質(zhì)量等級與2019 年保持一致(圖6),2035 年水稻總產(chǎn)量為2754.19 萬t,耕地質(zhì)量等級提升0.5～1.5 個等級可以在保障華南區(qū)水稻產(chǎn)量的同時,節(jié)省31.77 萬～75.95 萬hm2耕地,相當(dāng)于2019 年水稻播種面積的7.33%～13.00%?？梢哉f,在我國耕地極其緊張、耕地面積由“二調(diào)”時期的1.35 億hm2下降到“三調(diào)”時期的1.28 億hm2的大背景下,提升耕地質(zhì)量可以作為解決此問題的一劑良藥。

綜上,本文針對華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量提升提出以下建議:

1)增加有機肥施用,強化有機無機配施重要性。現(xiàn)如今,水稻施肥以化肥為主,有機肥投入量僅占總肥料投入的9.48%,且氮肥投入比例遠遠高于磷鉀肥[34];施肥的不合理造成華南區(qū)稻田有機質(zhì)難以積累,土壤氮磷鉀養(yǎng)分失衡,耕地質(zhì)量難以提升。因此,應(yīng)依托配方成果,增加有機肥施用比例,大力推廣秸稈還田、種植綠肥等措施,培肥地力,提升耕地質(zhì)量。

2)推動高標準農(nóng)田建設(shè),強化中低產(chǎn)田治理。嚴格貫徹《國務(wù)院辦公廳關(guān)于切實加強高標準農(nóng)田建設(shè)提升國家糧食安全保障能力的意見》的要求,加快高標準農(nóng)田建設(shè)的步伐,全面推進華南區(qū)稻田灌溉工程、排水工程、田間道路工程、土地平整工程以及其他工程項目建設(shè),提高田間設(shè)施配套水平,改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件,保護農(nóng)田生態(tài)。

3)加強酸化、水土流失等障礙因素治理。土壤酸化和水土流失是華南區(qū)稻田最大的兩大障礙因素,土壤酸化會導(dǎo)致鋁、錳毒害,抑制水稻生長,造成水稻減產(chǎn)[35];華南區(qū)部分區(qū)域地處山區(qū),地形起伏大,坡度陡,同時降雨集中,是水土流失多發(fā)區(qū)域,對水稻生長造成不可避免的危害[36]。因此,我們需要優(yōu)化施肥方式,采取深施氮肥、施用硝化抑制劑或脲酶抑制劑以及應(yīng)用堿性材料等方式來進行酸化耕地治理[37];同時,加強農(nóng)田水利工程建設(shè),加大農(nóng)田防護林種植力度,強化監(jiān)管,嚴禁耕地過度開墾。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,華南區(qū)稻田各項基本理化性質(zhì)指標空間差異較大,耕地質(zhì)量等級分布呈廣東>廣西>福建>海南的規(guī)律。華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量等級與產(chǎn)量整體呈正相關(guān),且土壤有效磷含量、灌溉能力和土壤有機質(zhì)含量是影響華南區(qū)水稻產(chǎn)量最關(guān)鍵的耕地質(zhì)量評價指標;在耕地質(zhì)量等級分別提高0.5、1.0 或1.5 個等級的情景下,華南區(qū)水稻產(chǎn)量將分別增產(chǎn)14.93%、22.39%、29.86%。綜上,華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量及產(chǎn)能仍有極大提升空間,通過提高華南區(qū)稻田耕地質(zhì)量來提升產(chǎn)能可以為保障華南區(qū)糧食安全提供科學(xué)參考。