基于“要素-需求-調(diào)控”的云南坡耕地質(zhì)量評價

陳正發(fā)，史東梅，何 偉，夏建榮，金慧芳

（1. 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2. 中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，昆明 650061）

0 引 言

耕地是人類賴以生存的基礎(chǔ)性資源[1]。當前中國耕地存在質(zhì)量下降、空間破碎、生態(tài)問題頻發(fā)等問題，為此國家提出了實施耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”保護戰(zhàn)略，并將耕地質(zhì)量保護與提升作為“藏糧于地、藏糧于技”的重要戰(zhàn)略支點[2]。作為耕地的重要組成部分，坡耕地是中國山丘區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)資源[3]，其質(zhì)量狀況與區(qū)域糧食安全、農(nóng)戶脫貧致富及水土生態(tài)保護密切相關(guān)。

“耕地質(zhì)量”的概念由“土壤質(zhì)量”延伸而來[4]。土壤質(zhì)量指土壤供養(yǎng)、維持作物生長的能力，良好的土壤質(zhì)量不僅具有較高的生產(chǎn)力，而且對區(qū)域水土生態(tài)環(huán)境的改善具有重要意義[5]。隨著糧食安全、全球氣候變化、耕地退化等問題的日益凸顯，逐步由關(guān)注土壤質(zhì)量向土地質(zhì)量轉(zhuǎn)變[6]。國外主要關(guān)注土地質(zhì)量的演變及可持續(xù)利用，而國內(nèi)則主要關(guān)注耕地質(zhì)量與糧食產(chǎn)能的耦合關(guān)系及耕地質(zhì)量培育[4]。目前學(xué)術(shù)界對耕地質(zhì)量概念界定尚未統(tǒng)一，一般認為“耕地質(zhì)量”反映耕地生產(chǎn)能力的高低、耕地環(huán)境和產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，是耕地土壤質(zhì)量、空間地理質(zhì)量、管理質(zhì)量和經(jīng)濟質(zhì)量的總和[7]。

耕地質(zhì)量評價是對耕地質(zhì)量所處狀態(tài)或滿足耕地功能需求程度的度量[8]。耕地質(zhì)量評價研究包括評價指標體系和評價模型 2個方面。在評價指標體系方面，目前的研究大多基于耕地質(zhì)量內(nèi)涵解析、耕地質(zhì)量需求分析、限制因子診斷、土地整治、人地關(guān)系重構(gòu)等分析基礎(chǔ)上，建立差異化的評價指標體系[2,7]。由于對耕地質(zhì)量內(nèi)涵認知及評價目的的差異性，不同學(xué)者提出的指標體系存在較大差別，指標歸類和篩選并不統(tǒng)一，限制了評價結(jié)果的可比性[7]。與其他耕地類型相比，坡耕地利用具有獨特性，但目前針對坡耕地質(zhì)量評價指標體系的研究還較少。

在耕地質(zhì)量評價模型方面，美國農(nóng)業(yè)部于1961年提出了土地潛力分類系統(tǒng)，成為土地生產(chǎn)潛力評價的代表性方法[9]。1976年聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）從適宜性角度提出了第一個統(tǒng)一的土地評價系統(tǒng)《土地評價綱要》，其基本理論成為很多土地生產(chǎn)力評價模型的基礎(chǔ)[10]。此后，F(xiàn)AO進一步發(fā)展了農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)法（Agricultural Ecology Zone，AEZ）[11]。近年來，美國土壤保持局建立了土地評價與立地條件分析（Land Evaluation and Site Assessment，LESA）體系，該體系分為土地評價（Land Evaluation，LE）與立地分析（Site Assessment，SA）2個部分[12-13]。目前國內(nèi)外常用的耕地質(zhì)量評價模型有：加權(quán)和法、土地生產(chǎn)力評價法、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)框架模型法、層次分析法、模糊綜合評價法、耕地潛力評價法、適宜性評價法、土壤環(huán)境質(zhì)量評價法等，其中加權(quán)和法、土地生產(chǎn)力評價法、P-S-R框架模型法使用最為廣泛。近年來部分學(xué)者還發(fā)展了能夠反映質(zhì)量等級分布規(guī)律和分布原因的數(shù)學(xué)模型，如物元可拓法、C-D生產(chǎn)函數(shù)法、生態(tài)風(fēng)險分析模型等[14]。而GIS、RS等技術(shù)的引入，推動了耕地質(zhì)量評價研究在數(shù)據(jù)更新、評價精度方面實現(xiàn)質(zhì)的飛躍[15]。隨著中國耕地質(zhì)量評價研究和實踐的不斷深入，逐步形成了農(nóng)用地分等、耕地地力評價、耕地環(huán)境質(zhì)量評價為代表的耕地質(zhì)量評價標準體系[16]。

當前耕地質(zhì)量評價已成為研究的熱點，但針對坡耕地質(zhì)量評價的研究較少，在評價指標體系構(gòu)建、評價模型建立等方面的研究亟待加強。作為典型的山地高原區(qū)，坡耕地是云南耕地的重要組成部分，坡耕地具有分布面積廣、坡度大、土壤侵蝕嚴重、季節(jié)性干旱頻發(fā)、土壤質(zhì)量偏低等特點[3]，科學(xué)評價坡耕地質(zhì)量對區(qū)域坡耕地質(zhì)量培育和水土生態(tài)保護具有重要意義。據(jù)此，本文在解析坡耕地質(zhì)量內(nèi)涵基礎(chǔ)上，針對坡耕地利用特點和關(guān)鍵影響因素，構(gòu)建坡耕地質(zhì)量評價體系，對云南坡耕地質(zhì)量進行定量化評價，為開展坡耕地質(zhì)量調(diào)控和坡耕地水土生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

云南地處中國西南邊陲、云貴高原西南部，面積39萬km2，屬東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)交匯區(qū)。云南為典型的山地高原區(qū)，地勢起伏變化大，海拔分布在73～6 457 m之間，面積84%為山區(qū)，丘陵僅占總面積的10%。由于生態(tài)環(huán)境演變及人類活動的共同影響，中度生態(tài)脆弱類型區(qū)面積占總面積的32.02%，強度和極強脆弱類型區(qū)面積占53.63%[17]。云南降雨充沛，河流眾多，但在時空上分布嚴重不均。多年平均參考作物蒸發(fā)量分布在786.3～1 511.6 mm之間，均值為1 090.4 mm[18]。坡耕地主要土壤類型為紅壤、赤紅壤、紫色土、黃壤和黃棕壤。研究表明，云南坡耕地分布面積為472.55萬hm2，占耕地的面積比例為69.79%，坡耕地占耕地的面積比例較大，坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在云南農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中具有重要地位[3]。為使坡耕地質(zhì)量評價研究與區(qū)域農(nóng)業(yè)活動保持一致性，本研究參照云南省綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃，將云南劃分為7個分區(qū)。云南高程及坡耕地空間分布詳見圖1。

圖1 云南不同分區(qū)高程及坡耕地分布Fig.1 Elevation and slope farmland distribution of different regions in Yunnan

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū) DEM 數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http://www.gscloud.cn），數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，該數(shù)據(jù)集利用ASTER GDEM第一版本的數(shù)據(jù)進行加工得來，是全球空間分辨率為30 m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品。云南土地利用數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺（http://www.resdc.cn），數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m。耕層厚度、土壤pH值、有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、灌溉保證率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于云南省土壤測土配方施肥中獲取的數(shù)據(jù)集（2015年）[19]。有效土層厚度、土壤容重、土壤質(zhì)地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《華南區(qū)耕地質(zhì)量主要性狀數(shù)據(jù)集》（2018年）[20]。降雨氣象數(shù)據(jù)來源于均勻分布于云南省的 36個國家基本氣象站 1951－2012年逐月觀測資料。多年平均≥10 ℃積溫分布柵格數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺（http://www.resdc.cn/），空間分辨率為500 m×500 m。云南坡耕地空間分布柵格數(shù)據(jù)來源于文獻[3]的研究結(jié)果，空間分辨率為30 m×30 m。

2 坡耕地質(zhì)量評價體系構(gòu)建

2.1 評價單元確定

評價單元是坡耕地質(zhì)量評價的最基本單位，同一評價單元的耕地自然條件、個體屬性和經(jīng)濟屬性基本一致。目前常用的評價單元劃分方法有[15]：1）基于單一專題要素類型的劃分法；2）基于行政單元劃分法；3）基于耕地質(zhì)量關(guān)鍵影響因素的組合疊置劃分法；4）基于網(wǎng)格單元劃分法。本研究評價尺度為省級區(qū)域，為確保評價結(jié)果精度，參考相關(guān)研究[21-22]，以30 m×30 m柵格（像元）作為坡耕地質(zhì)量評價的最小單元，每個柵格（像元）具有相同的土地利用、土壤類別、高程等屬性。該評價單元劃分法便于依據(jù)不同斑塊單元、農(nóng)業(yè)分區(qū)、土壤類型區(qū)、行政區(qū)范圍等標準進行分類匯總，且匯總結(jié)果不失真或信息損失較小。據(jù)此，本研究坡耕地質(zhì)量評價的精度為30 m×30 m柵格表示的空間分辨率。

2.2 評價指標體系建立

2.2.1 評價指標選取原則

坡耕地質(zhì)量評價指標選取應(yīng)遵循以下原則[7,15]：1）針對性原則，即在耕地質(zhì)量評價通用指標基礎(chǔ)上，要針對坡耕地利用特征及障礙因素的特殊性選取評價指標；2）主導(dǎo)性原則，即選取能正確反映坡耕地功能屬性且有代表性的指標，避免指標復(fù)雜化導(dǎo)致的評價結(jié)果失真；3）敏感性與穩(wěn)定性兼顧原則，即兼顧評價指標的敏感性與穩(wěn)定性，以客觀反映各因子綜合作用下的坡耕地質(zhì)量特征；4）獨立性原則，即不同指標間要避免存在較大的相關(guān)性；5）可操作性原則，即選取的指標應(yīng)容易測定，便于在實踐中推廣使用。

2.2.2 初選評價指標體系建立

坡耕地系統(tǒng)是由氣候、土壤、地貌、人為耕作活動等多重因素相互作用形成的復(fù)合系統(tǒng)，其質(zhì)量狀況受多種因素影響[23]。坡耕地質(zhì)量評價指標的選擇應(yīng)考慮各因子對坡耕地質(zhì)量的影響，選取主導(dǎo)性因子作為評價指標。就其內(nèi)涵而言，坡耕地在繼承了耕地一般屬性的同時，還具有其特殊屬性，主要表現(xiàn)在土壤侵蝕強度大、易受干旱影響、養(yǎng)分退化明顯、空間分布破碎化等特點[3,24]。因此，坡耕地質(zhì)量評價指標選取既要考慮作為耕地屬性的基礎(chǔ)性指標，又要考慮反映坡耕地利用的特性指標。

從坡耕地質(zhì)量評價的尺度效應(yīng)來看，評價指標的選擇應(yīng)與評價空間尺度相適應(yīng)。另外，指標選取還應(yīng)考慮與現(xiàn)有耕地質(zhì)量標準相銜接，以提高評價結(jié)果的可比性。從需求功能來看，坡耕地質(zhì)量反映的內(nèi)在屬性不僅要滿足作物生產(chǎn)功能，還要滿足作為生態(tài)單元組成部分的生態(tài)服務(wù)價值功能需求，如控制土壤侵蝕和養(yǎng)分流失、水分調(diào)蓄平衡能力、維持土壤生態(tài)系統(tǒng)健康等功能[16,25]。此外，坡耕地質(zhì)量評價的根本目在于準確識別坡耕地質(zhì)量狀況及障礙因素基礎(chǔ)上，為后續(xù)開展坡耕地質(zhì)量調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)，因此評價指標的選擇還需考慮影響坡耕地質(zhì)量的關(guān)鍵性因子，特別是注重障礙因子的識別，以更好地為坡耕地質(zhì)量調(diào)控服務(wù)。

根據(jù)上述理論分析，本研究建立基于“要素-需求-調(diào)控”的坡耕地質(zhì)量評價指標體系構(gòu)建框架模型（圖 2所示），從不同層次揭示坡耕地質(zhì)量的內(nèi)涵。在該框架模型中，“要素”指坡耕地質(zhì)量的影響因子，反映一定空間尺度范圍內(nèi)各因子耦合作用對坡耕地質(zhì)量的影響；“需求”指坡耕地質(zhì)量對水土生態(tài)環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的滿足程度，反映生態(tài)過程和人為耕作利用對坡耕地質(zhì)量的內(nèi)在需求；“調(diào)控”指對坡耕地實施適當?shù)恼{(diào)控措施體系，以提高坡耕地質(zhì)量水平，反映坡耕地質(zhì)量評價結(jié)果要能對坡耕地質(zhì)量調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。該框架模型不僅明確了坡耕地質(zhì)量指標體系構(gòu)建流程，還提出了指標體系建立過程中應(yīng)考慮的因素。

圖2 基于“要素-需求-調(diào)控”的坡耕地質(zhì)量評價指標體系構(gòu)建框架Fig.2 Frame of slope farmland quality evaluation index system based on “elements-demands-regulation”

按照上述“要素-需求-調(diào)控”的坡耕地質(zhì)量評價指標體系構(gòu)建框架模型，遵循評價指標選取原則，基于層次分析法，建立由16個指標構(gòu)成的云南省級尺度坡耕地質(zhì)量評價初選指標體系（詳見表1）。從表中可看出，評價指標體系準則層包括土壤剖面性狀（B1）、土壤理化性狀（B2）、土壤養(yǎng)分（B3）、立地條件（B4）、空間形態(tài)（B5）、水分條件（B6）和土壤侵蝕特征（B7）共 7個維度，各準則層下包含若干具體指標。從評價指標屬性來看，包括基礎(chǔ)性指標和特性指標2種類型。

2.2.3 評價指標量化

表1所列的初選指標體系中，除土壤質(zhì)地屬概念性指標外，其余指標均屬定量指標。按照《耕地質(zhì)量等級》[26]，對土壤質(zhì)地進行隸屬度賦值，從而轉(zhuǎn)化為可量化的評價指標。在定量化指標中，有效土層厚度、耕層厚度、土壤容重、pH值、有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、高程、≥10 ℃積溫、降雨量、灌溉保證率、田面坡度可直接實測或調(diào)查獲取，田塊規(guī)整度、連片度等指標需通過分析計算獲取。坡耕地空間形態(tài)評價可從田塊幾何形狀與空間連片性兩方面進行定量化測度。田塊規(guī)整度采用景觀生態(tài)學(xué)中的景觀分維數(shù)（landscape fractal dimension,FRAC）來描述[27]，該指數(shù)取值范圍在1.0～2.0之間，指數(shù)越小表示田塊形狀越規(guī)則，反之則田塊形狀越復(fù)雜。坡耕地集約規(guī)模化利用程度可通過坡耕地連片程度Q表示，其值可依據(jù)地塊面積的大小來量化，Q值越大代表連片程度高，反之則連片程度低[28]。田塊規(guī)整度（FRAC）和連片程度（Q）采用下式計算：

式中FRAC為坡耕地田塊規(guī)整度；Q為坡耕地連片度；P為坡耕地地塊周長，m；a為坡耕地地塊面積，hm2；FRAC值域為[1,2]；Q值域在[20,100]；地塊面積閾值通過自然斷點法獲得，最小閾值為2.5 hm2，最大閾值為78 hm2。

表1 云南坡耕地質(zhì)量評價初選指標體系Table 1 Index system of primary selection for quality evaluation of slope farmland in Yunnan Province

2.2.4 最小數(shù)據(jù)集（MDS）指標體系建立

為確保評價指標符合選取的原則和要求，消除評價指標間交互效應(yīng)引起的信息重疊，借助現(xiàn)代統(tǒng)計分析方法，對評價指標進行判別和篩選，由此建立最小數(shù)據(jù)集指標體系[29-30]。采用以下統(tǒng)計分析法定量篩選坡耕地質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集：1）聚類分析，選擇系統(tǒng)聚類法對初選評價指標進聚類分組；2）相關(guān)分析，對進入同一組的指標相關(guān)性進行檢驗，若指標間存在顯著強相關(guān)（|r|＞0.5，P＜0.05），則選取對坡耕地質(zhì)量影響較大的指標進入評價指標體系；3）敏感性分析，采用變異系數(shù)（Cv）反映評價指標空間變異的敏感性，為體現(xiàn)評價指標的敏感性和穩(wěn)定性原則，要求評價指標的變異系數(shù)Cv≥5%。

2.3 隸屬函數(shù)確定

按照《耕地質(zhì)量等級》（GB/T33469-2016）中的耕層質(zhì)地分級標準，依據(jù)不同土壤種類的土壤質(zhì)地屬性進行隸屬度賦值，賦值后的土壤質(zhì)地隸屬度值分布在 0～1之間。其余評價指標均依據(jù)該指標對坡耕地質(zhì)量的正負效應(yīng)，選擇適當?shù)碾`屬函數(shù)。根據(jù)評價指標與坡耕地質(zhì)量的效應(yīng)特征，可將隸屬函數(shù)劃分為 S型（戒上型）隸屬度函數(shù)、反S型（戒下型）隸屬度函數(shù)和拋物線型（峰值型）3種類型[30]。其中，有效土層厚度、耕層厚度、有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、≥10 ℃積溫、連片度、降雨量、灌溉保證率等指標取值越大，越有利于坡耕地質(zhì)量提升，因此選擇 S型隸屬函數(shù)（戒上型）；土壤容重、高程、田塊規(guī)整度、田面坡度等指標取值越大，越不利于坡耕地質(zhì)量提升，因此選擇反 S型隸屬函數(shù)（戒下型）；土壤pH值對坡耕地質(zhì)量的影響效應(yīng)呈現(xiàn)為峰值效應(yīng)，因此選擇拋物線型隸屬函數(shù)（峰值型）。在明確評價指標的隸屬函數(shù)類型基礎(chǔ)上，依據(jù)云南坡耕地各評價指標的數(shù)值變化范圍，并參考有關(guān)研究成果，綜合確定各評價指標隸屬函數(shù)參數(shù)取值，由此建立評價指標隸屬函數(shù)。評價指標的隸屬函數(shù)見表2和表3。

表2 S型和反S型隸屬函數(shù)參數(shù)Table 2 S-type and anti-S-type membership functions and parameters

表3 拋物線型隸屬函數(shù)參數(shù)Table 3 Parabolic membership functions and parameters

2.4 指標權(quán)重計算

為提高權(quán)重計算的準確性，采用主成分分析法[30]、層次分析法[26]和熵權(quán)法[31]相結(jié)合的方法確定評價指標權(quán)重。計算過程中，分別用主成分分析法、層次分析法和熵權(quán)法計算各指標的權(quán)重，取綜合權(quán)重作為評價的最終權(quán)重，綜合權(quán)重采用下式計算：

式中Ci為第i個評價指標的綜合權(quán)重，Ci1為采用主成分分析法計算得到的權(quán)重，Ci2為采用層次分析法計算得到的權(quán)重，Ci3為熵權(quán)法計算得到的權(quán)重。

2.5 評價模型及質(zhì)量等級劃分

采用加權(quán)和法計算坡耕地質(zhì)量指數(shù)（Slope Farmland Integrated Fertility Index，SIFI）：

式中SIFI表示坡耕地質(zhì)量指數(shù)（無量綱），數(shù)值范圍在0～1之間；Ki是第i個評價指標的隸屬度值，Ci是第i個評價指標的綜合權(quán)重，n是評價指標的個數(shù)。

按照《耕地質(zhì)量等級》（GB/T33469-2016）標準對坡耕地質(zhì)量等級進行劃分。具體劃分方法為：耕地質(zhì)量等級按從小到大的順序，在耕地綜合質(zhì)量指數(shù)曲線最高點到最低點間，采用等距離法將耕地質(zhì)量劃分為10個質(zhì)量等級。耕地質(zhì)量指數(shù)越大，耕地質(zhì)量水平越高，一等地耕地質(zhì)量最高，十等地耕地質(zhì)量最低。

2.6 數(shù)據(jù)計算及分析

本研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理采用Excel 2013軟件進行，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析基于SPSS19.0軟件進行，空間數(shù)據(jù)分析及計算基于ArcGIS 10.2軟件進行。評價計算過程中，通過柵格數(shù)據(jù)重采樣的途徑，將評價數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為30 m×30 m柵格的空間數(shù)據(jù)，并采用相同的投影坐標系。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡耕地質(zhì)量評價初選指標描述性特征

以縣級區(qū)域為統(tǒng)計單元，統(tǒng)計各評價指標在縣級單元上的均值，據(jù)此分析各初選指標的空間分布統(tǒng)計特征參數(shù)。表 4為云南坡耕地質(zhì)量評價初選指標統(tǒng)計特征，從表中可看出，云南坡耕地有效土層厚度（均值91.30 cm）、耕層厚度（均值18.61 cm）相對較大，土壤容重（均值為1.24 g/m3）、土壤有機質(zhì)（均值31.70 g/kg）整體上處于中等水平，這有利于坡耕地質(zhì)量的提升，但土壤pH值較低（均值為6.08），呈明顯的酸性土壤特征；土壤全氮質(zhì)量分數(shù)為 1.80 g/kg，有效磷、速效鉀質(zhì)量分數(shù)均值分別為 17.11、127.27 mg/kg，土壤養(yǎng)分含量總體偏低，有待實施針對性的土壤養(yǎng)分管理措施；坡耕地平均高程（均值 1 708.99 mm）和≥10 ℃積溫（均值4 889.87 ℃）總體較高，降雨量均值為870.59 mm，坡耕地空間分布呈現(xiàn)破碎化特征；田面坡度均值為15.46°，表明坡耕地坡度較大，坡耕地潛在土壤侵蝕強度也較大。

表4 初選評價指標統(tǒng)計特征Table 4 Statistical characteristics of primary evaluation indexes

采用變異系數(shù)（Cv）反映評價指標的數(shù)值變異性大小。從表4中可看出，變異性較大（Cv≥20%）的評價指標包括：有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、高程、≥10 ℃積溫、田面坡度 7個指標，這些評價指標在空間分布上呈現(xiàn)較大的變異性；其中，有效磷、田面坡度的Cv均超過40%，表明這2個指標具有較強的空間變異性。有效土層厚度、耕層厚度、土壤容重、pH值、田塊規(guī)整度、連片度、降雨量、灌溉保證率8個指標的Cv分布在5%～20%之間，說明這些指標在空間分布上存在一定的變異性，但變異性相對較小。此外，K-S檢驗結(jié)果表明，除容重、土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)、田塊規(guī)整度、連片度和降雨量外，其余指標數(shù)值分布滿足正態(tài)分布。

3.2 坡耕地質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集（MDS）

采用系統(tǒng)聚類法，對初選指標進行聚類分析。聚類分析中距離的選擇對聚類結(jié)果具有重要影響，其中距離水平為 10時能較好地反映評價指標的差異性。在該距離水平下，有機質(zhì)、全氮、速效鉀、高程、有效磷歸入同一組，降雨量、≥10 ℃積溫歸入同一組，有效土層厚度、土壤容重、田面坡度歸為一組，其他指標單獨歸入一組。對同一組指標進行的相關(guān)分析結(jié)果表明，有機質(zhì)、全氮間的相關(guān)系數(shù)為 0.840（P＜0.01），高程、速效鉀間的相關(guān)系數(shù)為0.631（P＜0.01），上述兩組指標間的相關(guān)系數(shù)均大于0.5，且達到極顯著水平，為確保評價指標的獨立性，參照已有研究成果，選擇有機質(zhì)進入終評指標體系[15-16]。高程對速效鉀含量分布具有顯著影響，而速效鉀是反映坡耕地養(yǎng)分水平的重要指標，加之高程與≥10 ℃積溫（r=0.822）、降雨量（r=?0.594）、pH值（r=0.518）、有機質(zhì)（r=0.605）、有效磷（r=0.545）等指標間也存在較強的相關(guān)性，因此選擇速效鉀進入終評指標。上述分析過程從 16個指標中初步篩選出14個評價指標。從表4可看出，評價指標的變異系數(shù)分布在 8.31%～62.79%之間，變異系數(shù)Cv均大于5%，滿足指標敏感性篩選要求。

經(jīng)上述分析，從16個初選評價指標體系中，篩選出由有效土層厚度、耕層厚度、土壤容重、土壤質(zhì)地、土壤pH值、有機質(zhì)、有效磷、速效鉀、≥10℃積溫、田塊規(guī)整度、連片度、降雨量、灌溉保證率、田面坡度14個指標構(gòu)成的坡耕地質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集（MDS），指標篩選過濾率為12.5%。經(jīng)過定量化篩選，不僅使評價指標體系能較好地滿足指標選取原則，同時也在一定程度上也簡化了評價指標體系。分別采用主成分分析法、熵權(quán)法、層次分析法計算指標權(quán)重，以各指標的綜合權(quán)重作為評價指標權(quán)重。云南坡耕地質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集指標體系及對應(yīng)的權(quán)重計算結(jié)果見表5。

3.3 評價結(jié)果合理性檢驗

為驗證評價過程中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準確性及評價結(jié)果的合理性，選擇位于云南典型坡耕地分布區(qū)的5個縣共10個采樣點數(shù)據(jù)，按照本研究提出的評價體系，采用室內(nèi)土壤采樣分析與相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查的途徑獲取評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計算10個樣點的坡耕地質(zhì)量指數(shù)（SIFI-實測值），同時從評價結(jié)果空間分布圖上獲取對應(yīng)采樣區(qū)域的坡耕地質(zhì)量指數(shù)（SIFI-計算值），分析實測值與計算值的對應(yīng)關(guān)系。采樣點位于云南省5個坡耕地分布典型縣（市），其中石林、寧洱、馬龍、宣威為紅壤坡耕地采樣點，楚雄為紫色土坡耕地采樣點。采樣調(diào)查時，每個典型縣在當?shù)剞r(nóng)技人員帶領(lǐng)下選取 2個采樣區(qū)，共采集土壤樣品10個，并調(diào)查樣點的土壤剖面、坡度、經(jīng)緯度、降雨、灌溉、耕作制度等信息，采樣及調(diào)查時間為2015年7月－2017年12月。

表5 坡耕地質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集指標體系及權(quán)重Table 5 Index system and weight of minimum data set for slop farmland quality evaluation

計算結(jié)果表明，SIFI實測值的均值為0.611 2±0.036 1，變異系數(shù)為0.059 1；SIFI計算值的均值為0.594 5±0.042 2，變異系數(shù)為0.070 9；說明SIFI計算值波動幅度相對較大，SIF實測值波動幅度相對較小，但二者均值差異較小，且相關(guān)性較高（m=0.961，n=10）。圖3為10個樣點SIFI實測值和計算值的對比曲線，從圖中可看出，計算值總體較實測值偏大，但二者總體差異較小，計算值和實測值之間可用線性函數(shù)y=0.823 7x+0.132 3較好擬合，擬合決定系數(shù)R2=0.860 7，擬合效果總體較好，表明本研究坡耕地評價中采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能客觀地反映坡耕地質(zhì)量狀況，全區(qū)域尺度坡耕地質(zhì)量評價結(jié)果具有合理性。

圖3 SIFI實測值和計算值對比Fig.3 Comparison between measured value and calculated value of Slope Farmland Integrated Fertility Index (SIFI)

3.4 坡耕地質(zhì)量指數(shù)空間分布

圖 4為云南坡耕地質(zhì)量指數(shù)空間分布，從圖中可看出，云南坡耕地質(zhì)量指數(shù)（SIFI）分布在0.36～0.81之間，均值為0.59±0.06，大部分評價單元SIFI＜0.6，坡耕地質(zhì)量指數(shù)總體偏低。不同評價單元坡耕地質(zhì)量指數(shù)差異顯著（P＜0.05），反映出不同區(qū)域坡耕地質(zhì)量狀況的空間差異性。從空間分布上來看，坡耕地質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)出空間聚集性和變異性的交錯耦合分布格局，其中滇中區(qū)、南部邊緣區(qū)、滇西區(qū)、滇東南區(qū)坡耕地質(zhì)量指數(shù)較高，滇西南區(qū)、滇東北區(qū)坡耕地質(zhì)量指數(shù)較低，其他分區(qū)介于其間。

圖4 云南坡耕地質(zhì)量指數(shù)空間分布Fig.4 Spatial distribution of quality index of slope farmland in Yunnan

表 6為不同分區(qū)坡耕地質(zhì)量指數(shù)統(tǒng)計特征，從表中可看出，不同分區(qū)坡耕地質(zhì)量指數(shù)均值存在一定的差異性，但總體差異性相對較小，坡耕地質(zhì)量指數(shù)均值從大到小依次為：南部邊緣區(qū)、滇西區(qū)、滇東南區(qū)、滇中區(qū)、滇西南區(qū)、滇東北區(qū)、滇西北區(qū)，南部邊緣區(qū)和滇西區(qū)坡耕地質(zhì)量指數(shù)相對較大，而滇西北區(qū)、滇東北區(qū)坡耕地質(zhì)量指數(shù)相對較小。從坡耕地質(zhì)量指數(shù)的變化幅度來看，滇西區(qū)SIFI變化幅度最大（標準差為0.061），滇東北區(qū)SIFI變化幅度最小（標準差為0.045）。

表6 不同分區(qū)SIFI分布統(tǒng)計特征Table 6 Statistical characteristics of SIFI distribution in different subareas

由于成土環(huán)境、立地條件、耕作利用等因素的影響，不同土壤類型坡耕地質(zhì)量指數(shù)也存在一定的差異性。表7為不同土壤類型坡耕地質(zhì)量指數(shù)變化，從表中可看出，不同土壤類型SIFI均值分布在0.534～0.600之間，5種主要土壤類型SIFI均值從大到小依次為：赤紅壤、紅壤、紫色土、黃壤、黃棕壤，赤紅壤坡耕地質(zhì)量指數(shù)最高（SIFI均值為0.600），黃棕壤坡耕地質(zhì)量指數(shù)最低（SIFI均值為0.534）。不同土壤類型坡耕地質(zhì)量指數(shù)的差異性與坡耕地土壤理化特征、立地條件、耕作水平等因素相關(guān)。赤紅壤坡耕地主要分布在南部邊緣區(qū)和滇西南區(qū)，這些區(qū)域光熱和水分條件較好，有效土層厚度較大，坡耕地質(zhì)量水平總體較高；紅壤坡耕地主要分布在滇中區(qū)、滇東南區(qū)，該區(qū)地勢相對平坦，坡耕地平均坡度相對較小，坡耕地集約化利用水平較高，坡耕地質(zhì)量也相對較高；紫色土主要分布在滇中區(qū)的楚雄、滇西區(qū)等部分區(qū)域，紫色土坡耕地肥力相對較高，但由于該區(qū)域氣象干旱驅(qū)動下的農(nóng)業(yè)干旱頻發(fā)，加之耕層淺薄、土壤水分蓄持能力不足，坡耕地質(zhì)量處于居中水平。黃壤和黃棕壤主要分布在滇東北區(qū)、滇西北區(qū)等高海拔區(qū)域，受立地條件和土壤質(zhì)量特征的影響，坡耕地質(zhì)量水平總體較低。

表7 不同土壤類型坡耕地質(zhì)量指數(shù)變化Table 7 Changes in quality index of slope farmland with different soil types

圖 5為不同高程坡耕地質(zhì)量指數(shù)均值變化，從圖中可看出，坡耕地質(zhì)量指數(shù)隨高程的變化相對較小，但呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性變化特征；隨著坡耕地高程增加，坡耕地質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢。在 0～1 000 m高程范圍內(nèi)，隨著高程的增加，坡耕地質(zhì)量指數(shù)呈增長趨勢；在＞1 000 m高程范圍內(nèi)，隨著高程的增加，坡耕地質(zhì)量指數(shù)呈遞減趨勢；在500～1 000 m高程范圍坡耕地質(zhì)量指數(shù)達到最大值。上述坡耕地質(zhì)量指數(shù)隨高程的變化規(guī)律與云南坡耕地光熱條件、水分條件、立地條件和耕作利用有關(guān)。高程＜500 m坡耕地盡管水熱條件較好，但這部分坡耕地往往分布在深切河谷地帶，受地形切割及坡耕地空間破碎化等因素的影響，坡耕地質(zhì)量總體小于500～1 000、＞1 000～1 500 m高程坡耕地；高程500～1 000 m的坡耕地由于光熱條件、水分條件較好，加之集中連片度、耕作利用水平也相對較高，坡耕地質(zhì)量總體較高；＞1 000 m高程坡耕地隨著光熱條件、水分條件、耕作利用水平等逐步降低，坡耕地質(zhì)量也隨之減小。

圖5 不同高程坡耕地質(zhì)量指數(shù)均值變化Fig.5 Change of SIFI mean valve in different elevation

3.5 坡耕地質(zhì)量等級空間分布

圖6為坡耕地質(zhì)量等級空間分布，從圖中可看出，不同區(qū)域 10個質(zhì)量等級的坡耕地分布面積存在差異，但坡耕地質(zhì)量等級空間分布呈現(xiàn)出顯著的聚集特征；坡耕地質(zhì)量以六等地、五等地、七等地、四等地為主，其他等級的坡耕地分布較少，其質(zhì)量等級總體偏低。從不同分區(qū)坡耕地質(zhì)量等級分布來看，南部邊緣區(qū)、滇中區(qū)、滇東南區(qū)、滇西區(qū)坡耕地質(zhì)量等級相對較高，以四等地、五等地為主，滇東北區(qū)、滇西北區(qū)坡耕地質(zhì)量等級相對較低，以六等地、七等地為主，滇西南區(qū)、滇西區(qū)介于其間。

圖6 云南坡耕地質(zhì)量等級空間分布Fig.6 Spatial distribution of quality grades of slope farmland in Yunnan

圖 7為不同坡耕地質(zhì)量等級面積分布曲線，從圖中可看出，不同質(zhì)量等級坡耕地分布面積呈現(xiàn)出中間大、兩頭小的正態(tài)型分布格局。在10個坡耕地質(zhì)量等級劃分中，六等地分布面積最大，分布面積為121.63萬hm2，占坡耕地面積比例的25.74%；其次為五等地，分布面積為118.01萬hm2，占坡耕地面積比例的24.97%；四等地和七等地的分布面積也較大，分布面積分別為 79.75、85.94萬hm2，占坡耕地面積比例分別為16.88%、18.19%；三等地、八等地分布面積較小，分布面積分別為24.77、33.06萬hm2，占坡耕地面積比例分別為5.24%、7.00%；而一等地、二等地、九等地、十等地分布面積均較小，面積占比均小于2%。

圖7 坡耕地質(zhì)量等級分布曲線Fig.7 Slope farmland quality grade distribution curve

引入洛倫茲曲線，以反映不同分區(qū)坡耕地質(zhì)量等級的總體分布格局。圖 8為不同分區(qū)坡耕地質(zhì)量等級洛倫茲曲線，從圖中可看出，不同分區(qū)坡耕地質(zhì)量等級洛倫茲曲線的變化趨勢存在差異性。總體來看，不同分區(qū)坡耕地質(zhì)量等級分布的洛倫茲曲線均呈“S”型分布格局，表明不同質(zhì)量等級坡耕地面積分布不均衡。從曲線變化過程來看，不同分區(qū)坡耕地質(zhì)量洛倫茲曲線均表現(xiàn)為一～三等級和八～十等級對應(yīng)曲線斜率較為平緩，而四～七等級對應(yīng)曲線斜率較大。這表明不同分區(qū)坡耕地質(zhì)量等級分布均表現(xiàn)為中間大、兩頭小的峰值型分布格局，即四～七等級坡耕地分布面積較大，而一～三等級和八～十等級坡耕地分布面積較小。

圖8 不同分區(qū)坡耕地質(zhì)量等級分布的洛倫茲曲線Fig.8 Lorenz curve of quality grade distribution of slope farmland in different sections

4 討 論

4.1 坡耕地質(zhì)量評價指標體系構(gòu)建

指標體系是若干相互聯(lián)系的統(tǒng)計指標所組成的有機體，它將抽象的研究對象按照其本質(zhì)屬性分解為具有行為化、可操作的體系結(jié)構(gòu)。目前針對耕地質(zhì)量評價指標體系的研究較多，大多根據(jù)評價目的和區(qū)域差異性，從土壤質(zhì)量、空間地理質(zhì)量、管理質(zhì)量和經(jīng)濟質(zhì)量 4個維度辨識影響耕地質(zhì)量的關(guān)鍵因子，進而篩選適宜的評價指標[6-7]。從指標篩選分析來看，現(xiàn)有研究大多根據(jù)評價目的、對象、尺度比選評價指標，基于定量化分析的指標篩選研究較少，評價指標體系建立尚存一定的主觀性[8,15-16]。耕地質(zhì)量評價指標選用頻率統(tǒng)計表明，土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)、灌溉保證率、田面坡度、有效土層厚度、道路通達度、pH值、降雨量、連片度等指標選用頻率大于30%，其中土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)、灌溉保證率、田面坡度選用頻率均大于70%[32]。本研究采用定量化指標篩選方法，建立了由14個指標組成坡耕地質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集。該指標體系包括了大部分選用頻率大于 30%的指標，同時能較好地反映坡耕地土壤侵蝕嚴重、易受干旱影響、空間分布破碎化等特征，豐富了耕地質(zhì)量評價研究內(nèi)容。

4.2 坡耕地質(zhì)量評價的尺度效應(yīng)

從研究尺度上看，耕地質(zhì)量評價尺度可分為：地塊尺度、流域尺度、區(qū)域尺度。由于評價指標選擇及評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取途徑存在較大差異，不同尺度耕地質(zhì)量評價結(jié)果的側(cè)重點及精度也存在較大差異，即耕地質(zhì)量評價存在尺度效應(yīng)[14]?？紫楸骩23]認為耕地質(zhì)量具有顯著的尺度差異性，有些耕地質(zhì)量特征在微觀層面起作用，有些是在宏觀層面起作用。坡耕地質(zhì)量評價作為耕地質(zhì)量評價的組成部分，其評價過程也受尺度效應(yīng)影響。評價尺度越小，可獲取評價指標越多、指標測度也越精確，從而評價的精細程度也越高，但評價結(jié)果的適用范圍往往受到限制；隨著評價尺度放大，可獲取的評價指標相對較少，評價指標精度也會降低，其評價結(jié)果側(cè)重于反映耕地質(zhì)量的宏觀特征，但大尺度坡耕地質(zhì)量評價結(jié)果的適用性也更廣[33]。從不同尺度評價指標的選擇過程來看，地塊、小流域等小尺度坡耕地質(zhì)量評價指標體系以土壤屬性指標為主，其評價過程側(cè)重于坡耕地土壤質(zhì)量或自然質(zhì)量的評價；而大型流域、區(qū)域尺度的坡耕地質(zhì)量評價指標體系除選取土壤屬性指標外，還包括立地條件、土壤管理、光熱條件、空間形態(tài)等指標，其評價過程則側(cè)重于對土壤質(zhì)量、空間地理質(zhì)量、管理質(zhì)量和經(jīng)濟質(zhì)量的綜合評價。受坡耕地質(zhì)量評價尺度效應(yīng)的影響，不同尺度坡耕地質(zhì)量評價指標體系、評價結(jié)果存在可比性不足等問題[23,33]。多尺度坡耕地質(zhì)量評價指標體系構(gòu)建、評價模型的建立及尺度轉(zhuǎn)換等方面的研究尚待進一步深入。

4.3 坡耕地質(zhì)量時空演變規(guī)律

耕地質(zhì)量受土壤條件、立地條件、環(huán)境特征、耕作水平等諸多因素的影響，具有繼承性和變異性雙重特征[23]。從耕地質(zhì)量空間分布來看，由于不同評價單元的土壤屬性、地形地貌、氣候、海拔、耕地管理水平等因子的空間變異性，導(dǎo)致耕地質(zhì)量在空間分布上存在中等變異性特征[34]。從坡耕地質(zhì)量的時間演變來看，隨著坡耕地所處的立地條件、土壤因子、管理水平等發(fā)生變化，坡耕地質(zhì)量也會隨之變化[35]。從耕地質(zhì)量的時間演變來看，隨著時間變化，坡耕地質(zhì)量的變化存在提升、保持、退化三種演變方向[23]。識別坡耕地質(zhì)量的空間演變規(guī)律是對坡耕地資源分區(qū)利用和保護的基礎(chǔ)，而分析坡耕地質(zhì)量的時間演變規(guī)律則是為開展坡耕地質(zhì)量精準調(diào)控奠定基礎(chǔ)。本研究表明云南坡耕地質(zhì)量指數(shù)、質(zhì)量等級在空間分布上均存在差異性，坡耕地質(zhì)量指數(shù)和等級總體偏低，在空間分布上呈現(xiàn)出顯著的聚集特性。受研究條件的限制，本文僅對現(xiàn)狀坡耕地質(zhì)量空間分布特征進行了分析，在坡耕地質(zhì)量時間演變規(guī)律方面有待進一步深入。

5 結(jié) 論

1）基于“要素-需求-調(diào)控”的框架模型，建立由有效土層厚度、耕層厚度、土壤容重、土壤質(zhì)地、土壤pH值、有機質(zhì)、有效磷、速效鉀、≥10 ℃積溫、田塊規(guī)整度、連片度、降雨量、灌溉保證率、田面坡度共14項指標構(gòu)成的坡耕地質(zhì)量評價指標體系，采用綜合權(quán)重作為評價權(quán)重，以30 m×30 m柵格（像元）為評價單元，對云南坡耕地質(zhì)量進行評價。

2）云南坡耕地質(zhì)量指數(shù)（Slope Farmland Integrated Fertility Index，SIFI）分布在 0.36～0.81之間，均值為0.59±0.06，大部分評價單元 SIFI＜0.6，坡耕地質(zhì)量指數(shù)空間分布差異顯著（P＜0.05）。5種坡耕地主要土壤類型SIFI大小依次為：赤紅壤、紅壤、紫色土、黃壤、黃棕壤；SIFI變化與高程有關(guān)，在0～1 000 m高程內(nèi)SIFI隨高程增加呈增長趨勢，在＞1 000 m高程范圍內(nèi)隨高程增加，SIFI呈緩慢遞減趨勢。

3）坡耕地質(zhì)量等級以六等地、五等地、七等地、四等地為主，南部邊緣區(qū)、滇中區(qū)、滇東南區(qū)、滇西區(qū)坡耕地質(zhì)量等級相對較高，以四等地、五等地為主，滇東北區(qū)、滇西北區(qū)坡耕地質(zhì)量等級相對較低，以六等地、七等地為主，不同分區(qū)坡耕地質(zhì)量等級洛倫茲曲線均呈“S”型分布格局，均表現(xiàn)為中間大、兩頭小的峰值型分布特征，云南坡耕地質(zhì)量等級總體偏低。