黃土丘陵區(qū)典型縣域耕地健康評價：以河南宜陽縣為例

孟慶香， 張莉坤， 鄖文聚， 吳 天， 陳兵飛， 位賀杰?

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 450002，鄭州；2.自然資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點實驗室， 100193，北京；3.自然資源部國土整治中心， 100035，北京；4.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 400716，重慶)

耕地是人類賴以生存的基本資源，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人口的增長與環(huán)境的退化使耕地的健康問題受到了一定關(guān)注，而維持土地資源滿足人類生產(chǎn)生活的需求是21世紀(jì)最具有挑戰(zhàn)性的問題之一[1]。我國從改革開放以來，城市的發(fā)展擴張占用大量優(yōu)質(zhì)耕地，雖有占補平衡政策，但是部分地區(qū)存在著“占優(yōu)補劣”、“占近補遠”的局面，土地利用不當(dāng)導(dǎo)致耕地的質(zhì)量問題與糧食安全問題凸顯[2-3]。2019年，中央一號文件進一步提出了在新的戰(zhàn)略背景下穩(wěn)定糧食產(chǎn)量，推動藏糧于地、藏糧于技和鞏固糧食生產(chǎn)能力的需求。其核心目標(biāo)是保護和改善耕地的生產(chǎn)能力，在新時代，耕地的健康越來越受到人們的關(guān)注和重視。而現(xiàn)有的指標(biāo)體系難以滿足國家對耕地數(shù)量，質(zhì)量和生態(tài)“三位一體”進行精確管理的需求[4]。耕地保護進入到了一個新的時期，有必要開展耕地健康的研究，評價區(qū)域的耕地健康狀況，以期為未來的土地管理提供依據(jù)，為耕地資源安全政策提供標(biāo)準(zhǔn)。耕地健康就是可以持續(xù)生產(chǎn)健康產(chǎn)品的能力，而耕地健康評價是土地類型評價的一種，耕地健康興起于生態(tài)健康與土地健康，在國外，耕地健康評價更多是作為一種影響因素參與到土地的各種評價類型當(dāng)中，耕地健康評價是隨著土地評價研究而發(fā)展的[5-6]；在國內(nèi)，有學(xué)者對耕地產(chǎn)能[7]、耕地質(zhì)量[8]、土壤健康[9]等方面的研究，但在耕地健康上研究較少，所以耕地健康評價的指標(biāo)體系及模型研究成為土地科學(xué)學(xué)科領(lǐng)域研究的新熱點，有部分學(xué)者使用能值分析法[10]、可拓學(xué)理論[11]、模糊物元模型[12]等對耕地健康進行評價研究，目前學(xué)術(shù)界對耕地健康的評價研究主要還是在農(nóng)用地分等成果的基礎(chǔ)上的，而且由于不同地區(qū)之間有其差異性，所以耕地健康的評價要有其因地制宜的體系，學(xué)者余慧敏等[13]和趙瑞等[14]曾分別對南方典型丘陵區(qū)和糧食主產(chǎn)區(qū)進行了耕地健康評價，但對于生態(tài)脆弱的黃土丘陵區(qū)還暫無學(xué)者研究。

黃土丘陵區(qū)是中國典型的生態(tài)脆弱區(qū)與集中連片貧困區(qū)，地形破碎且復(fù)雜，耕地的質(zhì)量及土壤環(huán)境空間異質(zhì)性強，宜陽縣地形特殊，有著“三山六陵一分川，南山北嶺中為灘”之稱?；诖?，筆者在參考已有研究的基礎(chǔ)上，將耕地質(zhì)量、耕地產(chǎn)能及土壤環(huán)境指標(biāo)應(yīng)用到本文的耕地健康評價指標(biāo)體系中，創(chuàng)新性的將有益微量元素和土壤侵蝕程度加入到耕地健康的評價指標(biāo)體系中，避免傳統(tǒng)耕地質(zhì)量綜合評價下土壤環(huán)境狀況不甚明了的狀況，以期為黃土丘陵區(qū)耕地資源的分類管護與合理利用提供參考，為促進耕地資源高效可持續(xù)利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

宜陽位于河南省洛陽市西部(E111°45′～112°26′，N34°16′～34°42′)，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬長寒冷雨雪少，夏季炎熱雨集中，春秋溫暖季節(jié)短，春夏之交多干風(fēng)，降水分配不均，季節(jié)及年際變化較大。宜陽縣處豫西淺山丘陵區(qū)，地貌特征為“三山六陵一分川，南山北嶺中為灘，洛河?xùn)|西全境穿”。年均氣溫14.8 ℃，年降水量500～800 mm，無霜期200 d左右，全年日照時間1 847.1～2 313.6 h，日照率為47%。區(qū)域總面積16萬1 687.80 hm2，耕地總面積8萬1 216.78 hm2，其中旱地7萬4 181.90 hm2，水澆地7 029.93 hm2，水田4.95 hm2。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用地塊法劃分評價單元，將宜陽縣2018年耕地質(zhì)量等別更新數(shù)據(jù)中的1萬9 119個耕地圖斑作為評價單元。數(shù)據(jù)主要來源于宜陽縣耕地質(zhì)量等別更新數(shù)據(jù)、宜陽縣農(nóng)用地耕地質(zhì)量定級成果、土地利用變更調(diào)查成果、宜陽縣耕地地力評價成果、宜陽縣土壤志、宜陽縣統(tǒng)計年鑒及土地利用現(xiàn)狀圖等。

2.2 耕地健康的評價體系構(gòu)建

2.2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建 國內(nèi)關(guān)于耕地健康的研究較少，關(guān)于耕地健康內(nèi)涵的界定也不一，李強等[15-16]認(rèn)為耕地健康診斷的評價是對耕地能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)量、產(chǎn)能和土壤環(huán)境等目標(biāo)的實現(xiàn)程度的一種評價，鄖文聚等[17]定義了1個大尺度的概念并分析了中國整體的耕地健康趨勢并提出相應(yīng)的管理建議。單美[18]將耕地健康定義為“土地肥力高、土壤無污染、結(jié)構(gòu)合理、資源量豐富、產(chǎn)量高等，足以能夠維持一個動態(tài)平衡的生態(tài)系統(tǒng)。”總體來說，耕地健康可以表述為基于耕地質(zhì)量、耕地產(chǎn)能與土壤環(huán)境而形成的土地高效、綠色、可持續(xù)生產(chǎn)健康產(chǎn)品的綜合能力。耕地質(zhì)量反映的是耕地滿足農(nóng)作物生長的適宜程度、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平；耕地產(chǎn)能反映的是其產(chǎn)出水平；而土壤環(huán)境則反映保持耕地可持續(xù)利用的能力。

對耕地健康進行合理評價關(guān)鍵在于評價指標(biāo)的選擇，耕地健康評價的指標(biāo)種類項目繁多，涉及到多個領(lǐng)域和多種學(xué)科，指標(biāo)選擇要以需求為導(dǎo)向，一方面能完整準(zhǔn)確的反映耕地健康情況，另一方面是選擇的指標(biāo)概念明確及指標(biāo)數(shù)量盡可能少，保證資料的可獲取性強及指標(biāo)體系的優(yōu)化。本研究以土壤肥力理論、生產(chǎn)力理論、生態(tài)系統(tǒng)健康理論及可持續(xù)發(fā)展理論為基礎(chǔ)，本著協(xié)同包容的原則，運用專家咨詢法和文獻總結(jié)法及研究區(qū)的實際情況確定本研究的耕地健康評價指標(biāo)體系。借鑒辛蕓娜等[19]和歐陽真[20]的研究成果，并在其基礎(chǔ)上進行改進。在滿足耕地資源高產(chǎn)高效、綠色健康和可持續(xù)利用的需求下，以宜陽縣為例，構(gòu)建基于耕地質(zhì)量、耕地產(chǎn)能及土壤環(huán)境的耕地健康評價指標(biāo)體系，評價指標(biāo)體系上剔除耕作層厚度、大氣干濕沉降度和灌溉水環(huán)境質(zhì)量等在空間上幾乎沒有太大差異的指標(biāo)，評價體系采用16個指標(biāo)，具體如圖1所示。

圖1 宜陽縣耕地健康評價指標(biāo)體系Fig.1 Health evaluation index system for cultivated land in Yiyang county

2.2.2 評價方法及權(quán)重確定 依據(jù)《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》等相關(guān)研究成果確定指標(biāo)分級及賦分規(guī)則，結(jié)合本研究案例黃土丘陵區(qū)的特點，采用層次分析法和專家打分法結(jié)合來確定各評價指標(biāo)的權(quán)重，耕地質(zhì)量、耕地產(chǎn)能和土壤環(huán)境3個準(zhǔn)則層權(quán)重分別為：0.327 8、0.261 1和0.411 0。評價體系因素層的16個指標(biāo)組合權(quán)重如表1所示。

1)耕地質(zhì)量綜合評價。由于耕地質(zhì)量和耕地產(chǎn)能的參評因子的性質(zhì)各不相同，本研究用[0,100]的閉合區(qū)間來對屬性分值進行定量化的賦值，分值的高低表示評價因子對耕地健康的影響大小，耕地質(zhì)量的優(yōu)劣與分值大小成正比，宜陽縣耕地質(zhì)量評價指標(biāo)量化參考標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

2)耕地產(chǎn)能綜合評價。計算耕地產(chǎn)能指數(shù)，進行量綱歸一化處理比較不同地塊的指數(shù)大小，指數(shù)越大，耕地狀況越好。耕地產(chǎn)能評價的公式為

Yi=Di/Dmax。

(1)

式中：Yi為第i個評價單元的耕地產(chǎn)能指數(shù)；Di為第i個評價單元的糧食單產(chǎn)量，kg；Dmax為相同類型的糧食最高單產(chǎn)量,kg。

表1 宜陽縣耕地健康評價指標(biāo)權(quán)重

3)土壤環(huán)境綜合評價。土壤環(huán)境評價主要考慮有益微量元素對耕地健康影響，該指標(biāo)根據(jù)木桶原理，采用最小因子計算有益系數(shù)，評價單元的得分受最低分值因子的限制作用，將多個評價因子得分中的最小值作為評價單元的土壤有益系數(shù)(B) 。有益微量元素隸屬度的計算式為

(2)

表2 宜陽縣耕地質(zhì)量評價指標(biāo)量化參考標(biāo)準(zhǔn)

式中：bi1、bi2為指標(biāo)的上、下限值；ai為常數(shù)；bi為評價因子值；ci為指標(biāo)的最優(yōu)取值。有益微量元素隸屬度分級標(biāo)準(zhǔn)見表3。

4)耕地健康評價模型。研究耕地健康的綜合情況，量綱歸一化處理后根據(jù)各評價指標(biāo)的權(quán)重及評價單元的綜合分值來確定其健康等級，應(yīng)用模型為

表3 有益微量元素隸屬度分級標(biāo)準(zhǔn)[13]

(3)

式中：Y為耕地健康綜合指數(shù)；Xj為第j個因素層標(biāo)準(zhǔn)化值(分別為表2耕地質(zhì)量因素層標(biāo)準(zhǔn)化分值，耕地產(chǎn)能和土壤侵蝕度標(biāo)準(zhǔn)化值均為1，以及表3土壤環(huán)境因素層隸屬度標(biāo)準(zhǔn)化值)；Rj為第j個因素因素層權(quán)重；Wi為第i個評價指標(biāo)的準(zhǔn)則層權(quán)重。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地質(zhì)量評價

通過計算得出宜陽縣耕地質(zhì)量綜合評價結(jié)果(圖2)，宜陽縣耕地質(zhì)量分值在62.7～100.0之間，利用ArcGIS相等間距分類，將宜陽縣耕地質(zhì)量評價劃分為4等，分別為一等地(90，100]、二等地(80，90]、三等地(70，80]和四等地(60，70]，一至四等的面積占比為16.38%、75.88%、7.62%和0.12%。以洛河為界，宜陽縣耕地質(zhì)量評價具有明顯的分異差異，洛河2側(cè)的耕地質(zhì)量最好，河流北側(cè)的耕地質(zhì)量等別整體高于南側(cè)。一等地主要分布在沿河兩側(cè)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，高村鄉(xiāng)也有較多的一等地存在，是由于韓城鎮(zhèn)向西北方向高村鄉(xiāng)有支流流入，其流域附近的耕地的排水條件與灌溉保證率為優(yōu)等，土壤質(zhì)地較好，剖面構(gòu)型為通體壤，有機質(zhì)含量較高，耕性良好，儲水保肥能力強。宜陽縣的耕地質(zhì)量等別主要以二等地為主，二等地占比最大，分布較廣且交錯分布。主要集中在河流北部的柳泉鎮(zhèn)、鹽鎮(zhèn)鄉(xiāng)及香鹿山鎮(zhèn)，南部的白楊鎮(zhèn)。這些區(qū)域整體耕作條件較好，但部分地區(qū)受土壤質(zhì)地及剖面結(jié)構(gòu)的影響導(dǎo)致此耕地質(zhì)量等別稍低。三、四等別耕地大多分布在宜陽縣西南方向，主要在上觀鄉(xiāng)和花果山鄉(xiāng)和錦屏鎮(zhèn)等區(qū)域，錦屏鎮(zhèn)中部地區(qū)的坡度較高以及灌溉設(shè)施條件差是錦屏鎮(zhèn)耕地質(zhì)量評價較差的主要原因，而花果山鄉(xiāng)及上觀鄉(xiāng)地處丘陵，本身坡度較高外，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較低，障礙層距地表的深度較淺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件落后，土壤灌溉設(shè)施條件差，保水保肥能力低。

3.2 耕地產(chǎn)能評價

依據(jù)宜陽縣的目標(biāo)產(chǎn)量樣點數(shù)據(jù)，利用地統(tǒng)計分析計算預(yù)測各個評價單元的目標(biāo)產(chǎn)量，通過模型計算求出各評價單元的耕地產(chǎn)能指數(shù)，在利用自然斷點法對耕地產(chǎn)能指數(shù)進行分級，得到宜陽縣耕地產(chǎn)能指數(shù)圖(圖3)，耕地產(chǎn)能指數(shù)在0.18～1.00之間，產(chǎn)能級別的面積比例由低到高分別為2.87%、21.89%、46.12%、21.25%和7.87%。產(chǎn)能指數(shù)較高的區(qū)域為沿洛河2側(cè)的耕地，其區(qū)域地勢較平坦，土層深厚，灌溉排水等能力良好，土壤肥沃，耕地質(zhì)量較高。耕地產(chǎn)能差的區(qū)域為上觀鄉(xiāng)、花果山鄉(xiāng)及董王莊鄉(xiāng)，受地形條件的影響較大，地形坡度大，耕作不方便，耕地受到不利的限制因素較多。宜陽縣西北區(qū)域耕地產(chǎn)能指數(shù)較低，其最主要的原因是該區(qū)域灌溉條件較差，容易發(fā)生干旱，存在產(chǎn)量低且不穩(wěn)定的現(xiàn)象，需要進行土壤改良和基礎(chǔ)條件建設(shè)。鹽鎮(zhèn)鄉(xiāng)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)相對高的耕地產(chǎn)能指數(shù)，其原因是這些評價單元周圍有水庫水面的存在。而白楊鎮(zhèn)東南方向的耕地產(chǎn)能指數(shù)較高，對比其他評價單元發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)能指數(shù)較高區(qū)域內(nèi)坑塘和水庫較多，并且該區(qū)域的坡度也要低于白楊鎮(zhèn)的西北區(qū)域，因而耕地產(chǎn)能指數(shù)高于周圍地塊。

圖2 宜陽縣耕地質(zhì)量評價級別分布圖Fig.2 Distribution map of assessment level for cultivated land quality in Yiyang county

圖3 宜陽縣耕地產(chǎn)能指數(shù)分布圖Fig.3 Distribution map of cultivated land productivity index in Yiyang county

3.3 土壤環(huán)境評價

對有益微量元素分別進行克里金差值，對研究區(qū)內(nèi)未采樣的評價單元的有益微量元素進行無偏差最優(yōu)估計，將其差值的預(yù)測結(jié)果賦到研究區(qū)的所有評價單元上，再根據(jù)其權(quán)重算出宜陽縣的各個評價單元的土壤環(huán)境指數(shù)，得到宜陽縣土壤環(huán)境指數(shù)圖(圖4)。土壤環(huán)境指數(shù)由低到高的面積比例為2.99%、36.69%、47.76%和12.56%。由圖可知，宜陽縣土壤環(huán)境評價整體等級為中等偏低，分布情況為洛河流域2側(cè)較高，東北高于西南，坡度高的低于坡度低的。張塢鎮(zhèn)、蓮莊鎮(zhèn)、香鹿山鎮(zhèn)及樊村鎮(zhèn)的整體土壤環(huán)境狀況在中等偏上水平，且張塢鎮(zhèn)土壤環(huán)境最好；上官鄉(xiāng)、花果山鄉(xiāng)及高村鄉(xiāng)在中等偏下水平，且花果山鄉(xiāng)土壤環(huán)境最差。土壤微量元素的含量及其分布受到土壤類型、地形、人類活動等多種因素的影響。而土壤被侵蝕的程度又與氣候、地形、土壤、植被、地質(zhì)、人為活動等有關(guān)。

圖4 宜陽縣土壤環(huán)境指數(shù)分布圖Fig.4 Distribution map of soil environmental index in Yiyang county

3.4 耕地健康綜合評價

對宜陽縣耕地健康評價指數(shù)的計算，得出宜陽縣的評價單元的健康指數(shù)在46.02～88.03之間(圖5)，利用自然斷點法進行分級形成宜陽縣的耕地健康評價標(biāo)準(zhǔn)(表4)，依據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)，得出各評價單元的耕地健康級別。宜陽縣耕地健康評價狀況差異較大，健康、輕度亞健康、中度亞健康和不健康面積比例分別為16.08%、33.54%、45.47%和4.91%。由宜陽縣耕地健康評價等級圖可以看出，宜陽縣整體耕地健康狀況一般，大部分面積處于輕度亞健康和中度亞健康狀態(tài)，洛河2側(cè)的耕地健康狀況最佳；趙保鎮(zhèn)和白楊鎮(zhèn)中部也出現(xiàn)了耕地健康最佳區(qū)域，趙保鎮(zhèn)耕地健康區(qū)域雖灌溉條件并不佳，但是其地形坡度、有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)量和土壤質(zhì)地都要優(yōu)于周圍評價單元，白楊鎮(zhèn)耕地健康區(qū)域灌溉條件極佳，有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高，耕地產(chǎn)能指數(shù)較大。宜陽縣耕地健康等級最差的區(qū)域集中在西南區(qū)域的花果山鄉(xiāng)和上官鄉(xiāng)，這部分區(qū)域地形條件和產(chǎn)能較低，影響耕地的可持續(xù)的利用。

圖5 宜陽縣耕地健康級別分布圖Fig.5 Distribution map of cultivated land health grade in Yiyang county

表4 宜陽縣耕地健康評價分級標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

1)選取包含耕地質(zhì)量、耕地產(chǎn)能和土壤環(huán)境3個方面16個指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了耕地健康評價體系和分級標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)新了已有耕地質(zhì)量和耕地健康的評價體系，避免了傳統(tǒng)的耕地質(zhì)量綜合評價下土壤環(huán)境狀況不甚明了的狀況。

2)經(jīng)過模型計算后的宜陽縣耕地健康評價結(jié)果表明：宜陽縣耕地健康評價狀況差異較大，健康、輕度亞健康、中度亞健康和不健康面積比例分別為16.08%、33.54%、45.47%和4.91%。宜陽縣大部分面積處于輕度亞健康和中度亞健康狀態(tài)，洛河2側(cè)的耕地健康狀況最佳，花果山鄉(xiāng)和上官鄉(xiāng)為耕地健康最差的區(qū)域。

3)根據(jù)黃土丘陵區(qū)的特點并結(jié)合人類對耕地的需求情況，打破常規(guī)的綜合方法模型，對宜陽縣有針對性的進行耕地健康評價，為未來的土地管理提供依據(jù)，為土地整治工程提供參考，為耕地資源安全政策提供標(biāo)準(zhǔn)。