晉南地區(qū)小麥—玉米輪作區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

崔茜，畢如田，李發(fā)志，趙建明

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

我國(guó)耕地評(píng)價(jià)有很長(zhǎng)的歷史，最早可追溯到2000多年前《尚書(shū)·禹貢篇》和《管子·地員篇》中關(guān)于黃河流域及長(zhǎng)江中下游土壤分類評(píng)價(jià)的記載，但上世紀(jì)50年代才進(jìn)入系統(tǒng)的研究階段：最初是由政務(wù)院在1950年召開(kāi)的土壤肥料大會(huì)，緊接著由財(cái)政部在1951年組織調(diào)查全國(guó)耕地等級(jí)評(píng)定工作；上世紀(jì)80年代末期，隨著3S技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)工作得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并取得一批重大成果[1]。目前耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)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(shù)建立了聞喜縣耕地地力評(píng)價(jià)資源數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；劉智超等[3]利用聚類分析法結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)江蘇省贛榆縣耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)進(jìn)行了實(shí)證研究；趙建軍等[4]基于AHP和GIS對(duì)吉林省耕地質(zhì)量空間分布進(jìn)行研究，同時(shí)驗(yàn)證了使用遙感數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)耕地質(zhì)量的適用性；王建國(guó)等[5]研究了模糊數(shù)學(xué)在耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，以山東泰安山區(qū)為例對(duì)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了驗(yàn)證；夏建國(guó)等[6]利用主成分分析法對(duì)陜北干旱地區(qū)旱作耕地土壤的10個(gè)樣本進(jìn)行耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)探索研究；呂煥哲等[7]應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法研究了湖南省邵陽(yáng)市5個(gè)土地復(fù)墾工程項(xiàng)目對(duì)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的影響；于東升等[8]以江西省余江縣為例，經(jīng)過(guò)BIO-NORM與NORM耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)方法對(duì)比，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)、指標(biāo)權(quán)重以及隸屬度函數(shù)對(duì)研究區(qū)水田進(jìn)行耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)研究。

以上研究大多以縣域?yàn)檠芯繂挝?，研究區(qū)域尺度較?。浑m有以市為研究對(duì)象的文章，但沒(méi)有結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物特點(diǎn)來(lái)研究。本文著重建立中大尺度耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，形成宏觀上的評(píng)價(jià)思想，因此，以晉南地區(qū)小麥—玉米輪作區(qū)所在的19個(gè)縣市為研究單位，選取1229個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)研究，根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合得分得到19個(gè)縣市不同耕地等級(jí)，比較準(zhǔn)確地反映小麥—玉米輪作區(qū)的耕地質(zhì)量分布狀況，為輪作區(qū)提高綜合生產(chǎn)能力、增產(chǎn)增收提供有力的科學(xué)依據(jù)。

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(zhǎng)治、晉城市為鄰；西與陜西相隔黃河而望。研究區(qū)涉及運(yùn)城、臨汾兩市，包括運(yùn)城市13個(gè)縣市與臨汾市6個(gè)縣市，地理坐標(biāo)東經(jīng)110°15′～112°34′,北緯34°35′～36°26′，總國(guó)土面積19 698.07 km2，其中耕地面積7 886.87 km2，占國(guó)土總面積的40.04%，主要種植農(nóng)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(nóng)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(chǎn)量1 536 136 ～2 323 907 t，平均每公頃產(chǎn)量3.091～4.582 t，最大產(chǎn)量年為2012年；玉米播種面積范圍286 260～392 980 hm2，總產(chǎn)量1 333 726～2 159 729 t，平均每公頃產(chǎn)量為4.659～5.951 t，最大產(chǎn)量年為2010年 (以上數(shù)據(jù)來(lái)源于山西省統(tǒng)計(jì)年鑒)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

采用2009年第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)中1∶5萬(wàn)的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)；遙感影像DEM數(shù)據(jù)為美國(guó)SRTM數(shù)據(jù)；積溫采用華北地區(qū)小麥—玉米輪作區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS空間分析功能配準(zhǔn)將屬性賦值于樣點(diǎn)；土壤屬性數(shù)據(jù)來(lái)源于耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)資料中1229個(gè)樣點(diǎn)分析數(shù)據(jù)，主要分析項(xiàng)目為有效Zn、pH、有機(jī)質(zhì)、耕層質(zhì)地、耕層厚度、灌溉保證率和成土母質(zhì)等，根據(jù)研究區(qū)地形地貌等實(shí)際情況，采樣點(diǎn)密度達(dá)到平均每600公頃一個(gè)樣點(diǎn)。由于本文是在中大尺度下進(jìn)行耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)研究，樣點(diǎn)密度達(dá)到評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的要求。

1.2.2 耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取與計(jì)算方法

目前對(duì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理有3種方法：Min-Max標(biāo)準(zhǔn)化、Z-score標(biāo)準(zhǔn)化以及Decimal scaling小數(shù)定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，此處采用Z-score方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

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

(2)耕層厚度：玉米對(duì)耕層厚度有較嚴(yán)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(nèi)吸收最多的養(yǎng)分與水分。本文根據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)際情況，將耕層厚度分為3個(gè)等級(jí)：30～45 cm、20～30 cm、<20 cm。

(3)坡度：坡度數(shù)據(jù)由SRTM-DEM分析提取，根據(jù)全國(guó)第二次土地調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)，利用ARCGIS軟件將坡度分為5個(gè)等級(jí)：一級(jí)<2°、二級(jí)2～6°、三級(jí)6～15°、四級(jí)15～25°、五級(jí)>25°，得到晉南地區(qū)坡度等級(jí)分布圖。不同坡度級(jí)別的耕地對(duì)應(yīng)不同耕作的干擾[9]，地勢(shì)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(lái)的養(yǎng)分流失。

(4)pH值：根據(jù)小麥、玉米生長(zhǎng)習(xí)性，土壤pH值在6.0～8.0內(nèi)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(dá)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(duì)土壤質(zhì)量越不利。

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

(6)有效鋅：根據(jù)玉米生長(zhǎng)特性，其生長(zhǎng)期對(duì)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(zhǎng)。

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

(8)成土母質(zhì)：母質(zhì)是土壤形成最基礎(chǔ)的原始物質(zhì)，決定了土壤質(zhì)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(zhì)主要為黃土。成土母質(zhì)為概念型評(píng)價(jià)因子，同樣采用專家打分法確定各母質(zhì)對(duì)耕地質(zhì)量的隸屬度[2]。

(9)積溫：積溫是研究溫度與植物生長(zhǎng)發(fā)育之間關(guān)系的指標(biāo)之一，植物在完成其生命周期時(shí)需要一定的積溫保障。尤其玉米生長(zhǎng)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(jù)晉南地區(qū)的實(shí)際情況，結(jié)合小麥玉米生長(zhǎng)習(xí)性以及必須營(yíng)養(yǎng)元素與敏感因素，選取土壤物理?xiàng)l件、土壤理化性狀、氣候條件、土壤管理4項(xiàng)因素9項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成小麥玉米復(fù)播區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。

表1耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

Table1 Cultivated land quality Evaluation index system

評(píng)價(jià)因素Evaluationfactors代碼The code評(píng)價(jià)指標(biāo)The evaluationindex代碼The code土壤物理?xiàng)l件A1耕層質(zhì)地A11耕層厚度A12成土母質(zhì)A13坡度A14氣候條件A2積溫A21土壤理化性狀A(yù)3pHA31有機(jī)質(zhì)A32有效ZnA33土壤管理A4灌溉保證率A41

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 層次單排序

目前確定權(quán)重的方法有很多，層次分析法將因素兩兩進(jìn)行比較，具有明顯的將定量分析與定性分析相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，本文將應(yīng)用層次分析法通過(guò)構(gòu)造判斷矩陣得到準(zhǔn)則層權(quán)重。

(1)構(gòu)造判斷矩陣。設(shè)準(zhǔn)則層A={A1，A2，…Aj},根據(jù)本文4個(gè)評(píng)價(jià)因素：A1=土壤物理?xiàng)l件，A2=氣候條件，A3=理化性狀，A4=土壤管理，依據(jù)1～9標(biāo)度法得到判斷矩陣：

(3)一致性檢驗(yàn)。為了確定此矩陣的特征向量是否合理，須對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)核對(duì)。

式中：CR-判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率，CI-判斷矩陣一致性指標(biāo),RI-判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。由公式可得CI=0.015，RI=0.900，CR=0.017<0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn)。即特征項(xiàng)量u為各指標(biāo)權(quán)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(jìn)行的過(guò)程[10]，上一層元素A1、A2、A3、A4總排序已得到相對(duì)應(yīng)權(quán)重值u1、u2、u3、u4，則本層次單次排序結(jié)果為(A11,A12,…,Amn)T，此時(shí)得到評(píng)價(jià)因子總排序，如表2所示。

為了驗(yàn)證此排序結(jié)果的一致性，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

由結(jié)果可知此層次總排序具有較滿意的一致性，通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重見(jiàn)表2。

表2 評(píng)價(jià)因子的權(quán)重

1.3.3 對(duì)采樣點(diǎn)各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于此指標(biāo)體系中有戒上型與戒下型之分，戒上型指標(biāo)值越大，代表該指標(biāo)值越高；相反的，戒下型指標(biāo)越小，代表其值越高。例如本指標(biāo)體系中的“坡度”與“pH”值，得到其處理后結(jié)果須將正負(fù)號(hào)對(duì)調(diào)。標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到的樣點(diǎn)得分y與相對(duì)應(yīng)的組合權(quán)重乘積之和為各指標(biāo)最終得分z。綜合處理得到各行政村樣點(diǎn)結(jié)果，如表3所示。

表3 樣點(diǎn)綜合得分表

2 結(jié)果與分析

中大尺度下耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果按照鄉(xiāng)級(jí)行政區(qū)分等歸類即可足夠表現(xiàn)，將1229個(gè)樣點(diǎn)在GIS中按照鄉(xiāng)級(jí)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(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)越高，等級(jí)越高，分?jǐn)?shù)越低，等級(jí)越低。評(píng)價(jià)結(jié)果按照縣級(jí)行政區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4，共分為6個(gè)等級(jí)，等級(jí)分布統(tǒng)計(jì)圖如圖1所示。

表4 晉南地區(qū)耕地質(zhì)量分級(jí)表

圖1 晉南地區(qū)小麥—玉米輪作區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)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(zhì)量等級(jí)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(chǎn)區(qū)域，兩大區(qū)域地勢(shì)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?yàn)楦浇霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供得天獨(dú)厚的水源條件；該區(qū)總體土壤條件優(yōu)越，質(zhì)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(dá)到5500℃，為該區(qū)小麥、玉米的生長(zhǎng)提供了充足光溫條件。

(2)三、四等級(jí)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(jí)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(duì)較低，土壤中營(yíng)養(yǎng)元素處于中等水平，質(zhì)地良好，耕層厚度20～30 cm之間；年降水量雖達(dá)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(nóng)業(yè)的發(fā)展；年積溫4500～5000℃，相對(duì)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(shì)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(fù)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(wú)明顯優(yōu)勢(shì)；土壤養(yǎng)分含量普遍較低，山地遠(yuǎn)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(shè)施落后，部分地區(qū)無(wú)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(dāng)?shù)丶Z食的生產(chǎn)力。

3 結(jié)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(zhì)量，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，按照區(qū)域性大尺度原則選取適宜小麥、玉米生長(zhǎng)的評(píng)價(jià)因子，運(yùn)用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，專家打分法確定概念型評(píng)價(jià)因子的隸屬度，結(jié)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(jí)行政區(qū)為單位的耕地質(zhì)量分等圖。結(jié)果表明晉南地區(qū)耕地質(zhì)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(zhì)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(zhì)量雖然最高，但該區(qū)土地復(fù)種指數(shù)高，地力消耗過(guò)大，導(dǎo)致部分區(qū)域土壤肥力不足，土壤肥力與高產(chǎn)高效的需求仍不適應(yīng)，化肥與有機(jī)肥施用量不平衡，容易引起土壤板結(jié)；該區(qū)域應(yīng)精耕細(xì)作，講究用養(yǎng)結(jié)合原則，合理間作、套種，實(shí)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(diào)，并且土體干旱，灌溉條件差成為作物高產(chǎn)的限制因子；雖然本區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平屬中上等，但受干旱影響并沒(méi)有充分發(fā)揮耕地生產(chǎn)能力，因此需降低干旱影響，增施有機(jī)肥提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤理化性能，充分發(fā)揮土壤的豐產(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素，并且土層薄，有機(jī)質(zhì)含量低，抗旱能力差；該區(qū)應(yīng)以通過(guò)農(nóng)田基本建設(shè)、坡改梯等加強(qiáng)坡耕地改造提高土壤保墑能力，部分坡度過(guò)大耕地應(yīng)退耕還林。

評(píng)價(jià)結(jié)果較符合晉南地區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)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(xiàn)

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