遺傳和變異視角下東北黑土區(qū)典型地域耕地質(zhì)量 退化時(shí)空分異
——以富錦市為例

隋虹均，宋 戈，劉馨蕊

（1.東北大學(xué)文法學(xué)院，遼寧 沈陽 110169；2.遼寧省自然資源廳土地保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110169）

1 引言

黑土地是指擁有黑色或暗黑色腐殖質(zhì)表土層的土地，是一種性狀好、肥力高、適宜農(nóng)耕的優(yōu)質(zhì)土地，占全球陸地總面積不足7%[1]，每形成1 cm厚的黑土需要200～400年的時(shí)間[2-4]，是十分稀缺的土壤資源。人類對黑土的長期開墾與高強(qiáng)度利用，徹底改變了黑土形成的自然條件，開墾種植過程中頻繁耕翻和地表裸露，使黑土的地表過程和有機(jī)質(zhì)積累過程發(fā)生深刻變化，造成黑土質(zhì)量出現(xiàn)不同程度退化[1]，且這種退化態(tài)勢愈演愈烈。2021年7月中國科學(xué)院發(fā)布的《東北黑土地白皮書（2020）》中明確指出，近60年來東北黑土區(qū)黑土耕作層有機(jī)質(zhì)含量下降了1/3，部分地區(qū)下降了1/2，黑土層平均減少超過20 cm。黑土區(qū)耕地質(zhì)量退化態(tài)勢嚴(yán)重威脅著國家的糧食安全和黑土耕地的可持續(xù)利用[5]，引起了國家高度重視。2021年7月農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家發(fā)展改革委等七部門聯(lián)合印發(fā)的《國家黑土地保護(hù)工程實(shí)施方案（2021—2025年）》中明確指出“十四五”期間將完成1億畝黑土地保護(hù)利用任務(wù)； 2022年6月國家頒布《中華人民共和國黑土地保護(hù)法》為保護(hù)黑土資源，穩(wěn)步提升黑土地基礎(chǔ)地力，促進(jìn)黑土耕地資源可持續(xù)利用提供了法律依據(jù)。但目前國家和學(xué)界對黑土耕地質(zhì)量退化過程和時(shí)空特征的掌握仍然不夠清晰、全面，難以滿足黑土耕地保護(hù)與質(zhì)量提升的需要。因此，揭示黑土區(qū)耕地質(zhì)量退化時(shí)空分異規(guī)律對提升黑土耕地質(zhì)量，保障國家糧食安全具有一定的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

目前關(guān)于黑土區(qū)耕地質(zhì)量退化的研究較為少見，學(xué)界多是圍繞土地退化展開探討，成果較為豐富。國內(nèi)外學(xué)者對土地退化的內(nèi)涵、類型、機(jī)理、評價(jià)與監(jiān)測等方面[6-10]進(jìn)行了深入的研究，普遍認(rèn)為土地退化是在人類活動(dòng)和某些不利自然因素的長期作用和影響下土壤和環(huán)境質(zhì)量變劣、調(diào)節(jié)再生產(chǎn)能力衰退、承載力逐漸降低的過程，范圍包括耕地、林地、牧草地以及一切具有一定再生產(chǎn)能力的土地[11]。借鑒土地退化的內(nèi)涵，可將耕地質(zhì)量退化初步界定為在各種自然因素特別是人為因素的影響下所發(fā)生的耕地質(zhì)量下降甚至完全喪失的物理、化學(xué)和生物學(xué)的過程，所以明確統(tǒng)一耕地質(zhì)量豐富的內(nèi)涵是準(zhǔn)確評判耕地質(zhì)量退化態(tài)勢的重要前提。參考已有研究，耕地質(zhì)量是耕地組成要素及其在相互作用的過程中所形成的以糧食生產(chǎn)為核心功能的客觀存在[12]。為此，本文進(jìn)一步將耕地質(zhì)量退化界定為耕地在受自然因素和人類利用的影響下，質(zhì)量形成能力或潛力發(fā)生下降的過程。當(dāng)前學(xué)界對耕地質(zhì)量形成能力是受自然條件影響下耕地立地空間遺傳性要素和人類主觀利用影響下時(shí)間變異性要素共同控制，是二者耦合作用過程后最終產(chǎn)物的這一觀點(diǎn)形成共識(shí)[13-14]。國內(nèi)學(xué)者基于該視角，構(gòu)建了耕地遺傳質(zhì)量和變異質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系，對二者進(jìn)行耦合，揭示了耕地質(zhì)量的空間分異規(guī)律[14]。但遺憾的是在對二者進(jìn)行耦合時(shí)仍是以加權(quán)求和的靜態(tài)方式實(shí)現(xiàn)，忽視了遺傳質(zhì)量和變異質(zhì)量間的空間互動(dòng)關(guān)系以及依賴性，并且遺傳和變異質(zhì)量的組成要素間也并非相互獨(dú)立，彼此之間具有一定的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，即單一因子的變化也會(huì)導(dǎo)致多因子的共振。因此，明確耕地遺傳質(zhì)量退化和變異質(zhì)量退化要素間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，探討遺傳質(zhì)量退化與變異質(zhì)量退化之間的空間互動(dòng)性和依賴性，對二者進(jìn)行動(dòng)態(tài)有機(jī)耦合是準(zhǔn)確如實(shí)刻畫耕地質(zhì)量退化時(shí)空格局的關(guān)鍵，但目前該方面的研究尚顯不足，仍有待加強(qiáng)完善。

富錦市位于東北典型黑土區(qū)東北部[15]，是中國重要的產(chǎn)糧大縣，在保障國家糧食安全方面做出了重要貢獻(xiàn)，但近年來以化肥、農(nóng)藥、地膜高物質(zhì)投入為特征的化石農(nóng)業(yè)發(fā)展模式[16]，引發(fā)了黑土地“變薄”“變瘦”“變硬”。因此，本文以富錦市為研究區(qū)，從耕地遺傳質(zhì)量退化和變異質(zhì)量退化兩方面出發(fā)，基于土地利用數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)以及土壤數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，采用主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)度和利用局部空間自相關(guān)改進(jìn)的客觀賦權(quán)法（CRITIC模型），明確二者間的空間互動(dòng)和依賴關(guān)系，準(zhǔn)確診斷和揭示研究區(qū)2000—2020年耕地質(zhì)量退化時(shí)空分異規(guī)律，旨在為實(shí)現(xiàn)黑土耕地的可持續(xù)利用提供理論和技術(shù)上的支撐。

2 理論框架

耕地質(zhì)量是由表征資源稟賦的內(nèi)在特征和反映耕作條件的外在利用狀況相互耦合的產(chǎn)物[14]，因此明確耕地內(nèi)在稟賦和外在利用條件的下降過程是準(zhǔn)確診斷耕地質(zhì)量退化的關(guān)鍵。耕地資源的內(nèi)在稟賦主要由耕作土壤性狀決定，是成土母質(zhì)在氣候、生物和地形等因素的長時(shí)間綜合作用下發(fā)生風(fēng)化，形成具有一定剖面形態(tài)和肥力特征的歷程，包括土壤的理化性質(zhì)、土壤的養(yǎng)分含量和土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等，其優(yōu)劣性具有空間分異性和長期穩(wěn)定性，類似于生物學(xué)中的遺傳現(xiàn)象，即親代與子代之間性狀保持一致且較為穩(wěn)定，屬于耕地的遺傳質(zhì)量。耕地資源的外在利用條件主要由農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施、田塊形態(tài)、景觀格局、生物多樣性等決定，受人類行為的影響較大，其狀況的好壞具有時(shí)間變異性和短期波動(dòng)性，類似于生物學(xué)中的變異現(xiàn)象，即親代與子代之間性狀具有差別且波動(dòng)性較大，屬于耕地的變異質(zhì)量。耕地遺傳質(zhì)量和變異質(zhì)量均為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，是由各自組成要素在經(jīng)歷相互耦合作用過程后的客觀表現(xiàn)，要素之間具有一定的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)；另外，遺傳和變異質(zhì)量也都具有一定的空間分化特征和自相關(guān)性，在不同的空間位置彼此之間的作用關(guān)系具有一定分別，對耕地質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度存在差異。因此明確遺傳質(zhì)量和變異質(zhì)量組成要素之間的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，以及二者在空間上的動(dòng)態(tài)作用關(guān)系是科學(xué)評價(jià)耕地質(zhì)量的前提，也是準(zhǔn)確診斷和刻畫的耕地質(zhì)量退化時(shí)空格局的關(guān)鍵?；诖?，本文將耕地質(zhì)量退化解析為耕地遺傳質(zhì)量退化和變異質(zhì)量退化，運(yùn)用遙感技術(shù)和地理信息技術(shù)，測算耕地遺傳質(zhì)量和變異質(zhì)量組成要素的退化度，明確退化要素間的交互效應(yīng)，闡明二者間的空間互動(dòng)關(guān)系和依賴性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遺傳質(zhì)量退化和變異質(zhì)量退化間的動(dòng)態(tài)和系統(tǒng)耦合，以期揭示研究區(qū)耕地質(zhì)量退化的時(shí)空分異規(guī)律（圖1）。

圖1 耕地質(zhì)量退化測度理論框架Fig.1 The theoretical framework for the measurement of cultivated land quality degradation

參考已有研究成果，結(jié)合指標(biāo)響應(yīng)時(shí)間（IRT）[14,17]，將受自然條件控制反映耕地資源內(nèi)在稟賦的土壤有機(jī)質(zhì)含量（SOM）、土壤酸堿度（pH）、土壤陽離子交換量（CEC）、土壤砂粒含量（SA）、土壤全氮含量（TN）、土壤全磷含量（TP）、土壤全鉀含量（TK）、植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）和土壤含水量（SMC）指定為耕地遺傳質(zhì)量退化指標(biāo)；將受人類行為影響反映耕地外部利用條件的土壤容重、土壤生物多樣性、灌溉能力、排水條件、林網(wǎng)密度、道路通達(dá)度、田塊規(guī)整度和田塊聯(lián)通性指認(rèn)為耕地變異質(zhì)量退化指標(biāo)。需要說明的是雖然植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）和土壤含水量（SMC）存在季節(jié)性的變化，但二者均是由耕地立地空間對應(yīng)的光照、溫度、降水、地形等自然條件以及所繼承的土壤性狀決定，可依次反映耕地生產(chǎn)能力的上限即理論產(chǎn)能[18]和耕地水土資源匹配狀態(tài)，在年際間的變異能力均相對較弱，為此本文將凈初級生產(chǎn)力（NPP）和土壤含水量（SMC）指認(rèn)為遺傳質(zhì)量退化指標(biāo)。

3 研究方法與數(shù)據(jù)來源

3.1 研究區(qū)概況

富錦市位于黑龍江省佳木斯市東北部，地處三江平原腹地中心，介于131°25′E～133°26′E、46°45′N～47°45′N之間，南北長92 km，東西寬180 km，地貌從西北向東南緩慢傾斜，形成西北略高，中部低平，東南稍低的沖積平原。研究區(qū)土地總面積為8 224 km2，并存在兩種權(quán)屬，位于研究區(qū)東部和西北部的農(nóng)墾建三江分局和紅興隆分局屬國有土地，其余10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)屬集體土地，市域范圍內(nèi)耕地總面積為6 285.15 km2，占研究區(qū)土地總面積的76.42%，為區(qū)域主要的土地利用類型①數(shù)據(jù)來源于富錦市2018年年度土地利用變更調(diào)查矢量數(shù)據(jù)庫。。富錦市土壤類型以黑土、草甸土、白漿土、暗棕壤、沼澤土為主，屬于東北典型黑土區(qū)，適宜糧食作物的生長，是中國重要的產(chǎn)糧大縣。受全球氣候變化和人類長期對黑土耕地的高強(qiáng)度利用影響，富錦市土壤有機(jī)質(zhì)最高含量由1990年的23.08%②戴永久,上官微.（2019）.中國土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)集.國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心，doi: 10.11888/Soil.tpdc.270281. CSTR: 18406.11.Soil.tpdc.270281。下降至2018年的12.55%③數(shù)據(jù)來源于國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)——國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心—土壤分中心（http: //soil.geodata.cn）。；并且在 2000年之后耕地利用強(qiáng)度顯著提高④東北黑土地白皮書（2020），https: //www.cas.cn/yw/202107/W020210714418584895253.pdf。，耕地退化現(xiàn)象日趨顯益，亟待明確這一時(shí)期耕地退化態(tài)勢。

3.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所需數(shù)據(jù)主要包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)兩類。其中，矢量數(shù)據(jù)來源于富錦市2009年第二次全國土地調(diào)查矢量數(shù)據(jù)庫和2018年年度土地利用變更調(diào)查矢量數(shù)據(jù)庫；柵格數(shù)據(jù)主要來自于Google Earth高清歷史影像（2000年和2020年）、中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院（databank.casearth.cn）提供的2000年和2020年7月上旬的研究區(qū)Landsat地表反射率數(shù)據(jù)、美國地質(zhì)勘探局（https://lpdaac.usgs.gov/）提供的2000年和2020年研究區(qū)500 m植被凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)以及國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.tpdc.ac.cn/zhhans/）提供的中國土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)集（1980—1990年）和國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心土壤分中心（http://soil.geodata.cn/）提供的中國高分辨率國家土壤信息格網(wǎng)基本屬性數(shù)據(jù)集（2010—2018年），空間分辨率均為1 km?；贏rcGIS平臺(tái)，依次將2009年和2018年富錦市地類圖斑與2000年和2020年Google Earth高清歷史影像疊置，通過目視判讀對地類圖斑進(jìn)行形狀和屬性信息的修改，以獲得研究區(qū)2000年和2020年土地利用矢量數(shù)據(jù)。利用Envi 5.3軟件對中國高分辨率國家土壤信息格網(wǎng)基本屬性數(shù)據(jù)集（2010—2018年）中相關(guān)土壤指標(biāo)進(jìn)行提取以此表征研究區(qū)2020年土壤性狀；由于在2000年前研究區(qū)耕地利用強(qiáng)度不高，土壤屬性的變化較小，所以本文提取中國土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)集（1980—1990年）中的相關(guān)數(shù)據(jù)反映2000年土壤性狀；為保證土壤屬性信息可被提取至所有的耕地圖斑中，本文經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)將兩期土壤數(shù)據(jù)均重采樣至10 m。

已有研究指出土壤含水量與差值植被數(shù)（DVI）具有顯著的相關(guān)性[19-20]；生境數(shù)量和面積對生態(tài)廊道的數(shù)量和密度具有積極的影響[21-22]，間接地決定了土壤生物多樣性；因此，在耕地遺傳質(zhì)量退化指標(biāo)方面，本文利用研究區(qū)地表反射率數(shù)據(jù)計(jì)算作物生長期（7月上旬）的差值植被指數(shù)（DVI），以此表征土壤含水量；在耕地變異質(zhì)量退化指標(biāo)方面，利用研究區(qū)內(nèi)生態(tài)用地（林地、草地、水域、濕地）矢量數(shù)據(jù)，以面積為屬性值進(jìn)行核密度分析，測算各耕地圖斑的核密度均值反映土壤生物多樣性。運(yùn)用歐氏距離工具測算耕地至水源、溝渠、農(nóng)村道路的最近距離，依次反映耕地的灌溉能力、排水條件和道路通達(dá)度；以農(nóng)田防護(hù)林長度為屬性值進(jìn)行核密度分析，測算各耕地圖斑的核密度均值反映林網(wǎng)密度；以景觀生態(tài)指數(shù)中的形狀指數(shù)（LSI）反映田塊的規(guī)整度；以耕地圖斑質(zhì)心間的最近距離反映田塊的連通性。需要說明的是，本文是以研究期初和期末土地利用類型一級類均為耕地的穩(wěn)定性耕地作為研究對象，為此需要對已經(jīng)過目視判讀并進(jìn)行修改調(diào)整后的研究期初和期末的耕地圖斑進(jìn)行相交處理，以獲得研究期內(nèi)的穩(wěn)定性耕地。

3.3 研究方法

3.3.1 耕地遺傳/變異質(zhì)量退化測度模型

明確各退化指標(biāo)對耕地遺傳/變異質(zhì)量退化的直接作用強(qiáng)度和經(jīng)交互作用后的間接作用強(qiáng)度是科學(xué)測度耕地質(zhì)量退化態(tài)勢的關(guān)鍵條件。本文基于DPS平臺(tái)，依次利用主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)度模型確定各遺傳/變異質(zhì)量退化指標(biāo)的單一作用權(quán)重和經(jīng)交互作用后的復(fù)合權(quán)重；并對二者進(jìn)行加和與歸一化處理獲得各退化指標(biāo)的綜合作用權(quán)重（表1）。為消除各退化指標(biāo)間量綱和變異能力的影響，本文利用極差標(biāo)準(zhǔn)化的方法將各退化指標(biāo)均歸并至[-1，1]之間，根據(jù)已測算出的各指標(biāo)綜合作用權(quán)重，采用加權(quán)求和法測度研究區(qū)耕地遺傳質(zhì)量和變異質(zhì)量的退化態(tài)勢。

表1 耕地質(zhì)量退化測度體系Tab.1 Measurement system of cultivated land quality degradation

式（1）中；W′j為指標(biāo)j的復(fù)合權(quán)重；Wij為指標(biāo)i與指標(biāo)j之間的灰色關(guān)聯(lián)度；Wj為指標(biāo)j的單一權(quán)重；n為與指標(biāo)j進(jìn)行交互作用的指標(biāo)數(shù)量。

3.3.2 耕地質(zhì)量退化測度模型

闡明耕地遺傳質(zhì)量退化和變異質(zhì)量退化對耕地質(zhì)量退化的動(dòng)態(tài)作用強(qiáng)度，是準(zhǔn)確刻畫耕地質(zhì)量退化時(shí)空分異格局的關(guān)鍵?？陀^賦權(quán)法（CRITIC模型）是根據(jù)指標(biāo)的對比強(qiáng)度和指標(biāo)之間的沖突性來綜合衡量指標(biāo)的作用強(qiáng)度。其中對比強(qiáng)度為指標(biāo)的波動(dòng)性，指標(biāo)波動(dòng)性越大作用強(qiáng)度也相應(yīng)越大；沖突性為指標(biāo)間的相關(guān)性，相關(guān)性越大指標(biāo)間的信息冗余越多作用強(qiáng)度越小，因此該模型的測算結(jié)果更為客觀。但遺憾的是其仍無法實(shí)現(xiàn)遺傳質(zhì)量退化和變異質(zhì)量退化之間的動(dòng)態(tài)耦合，測算出的指標(biāo)作用強(qiáng)度依舊為一個(gè)靜態(tài)值。局部空間自相關(guān)可識(shí)別出一定空間范圍內(nèi)地理要素屬性值的空間分布模式，局部空間自相關(guān)系數(shù)越大，空間自相關(guān)性越強(qiáng)，地理要素屬性值之間的相關(guān)性越高，沖突性越小。耕地質(zhì)量退化是一個(gè)復(fù)雜的地理過程，具有一定的空間連續(xù)性，退化態(tài)勢之間必然存在著自相關(guān)性，因此本文利用局部空間自相關(guān)對傳統(tǒng)的客觀賦權(quán)法（CRITIC模型）進(jìn)行改進(jìn)。具體為：以研究區(qū)各耕地圖斑遺傳/變異質(zhì)量退化的局部空間自相關(guān)系數(shù)反映指標(biāo)沖突性；以各耕地圖斑遺傳/變異質(zhì)量退化度與其中位數(shù)間的振動(dòng)距離表征指標(biāo)對比強(qiáng)度，最終獲得各耕地圖斑遺傳質(zhì)量退化和變異質(zhì)量退化的動(dòng)態(tài)作用強(qiáng)度，采用綜合評價(jià)法對二者進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合，明晰研究區(qū)耕地質(zhì)量退化的時(shí)空分異格局。

式（2）—式（6）中：Ii為各耕地圖斑遺傳/變異質(zhì)量退化的指標(biāo)對比強(qiáng)度；Xi為各耕地圖斑遺傳/變異質(zhì)量退化度；為遺傳/變異質(zhì)量退化度的中位數(shù)；Ri為各耕地圖斑遺傳/變異質(zhì)量退化的指標(biāo)沖突性；ri為各耕地圖斑遺傳/變異質(zhì)量退化的局部空間自相關(guān)系數(shù)；Ci為各耕地圖斑遺傳/變異質(zhì)量退化的信息量；Wi為各耕地圖斑遺傳/變異質(zhì)量退化的動(dòng)態(tài)作用強(qiáng)度；Di為各耕地圖斑的質(zhì)量退化度。

4 結(jié)果分析

4.1 耕地遺傳質(zhì)量退化時(shí)空分異

2000—2020年富錦市近三成的耕地發(fā)生了遺傳質(zhì)量退化且各鄉(xiāng)鎮(zhèn)退化程度互異，退化速率較大；在空間維度上耕地遺傳質(zhì)量退化具有明顯的特征，研究區(qū)中部耕地遺傳質(zhì)量退化態(tài)勢嚴(yán)峻，西部和中南部耕地遺傳質(zhì)量退化態(tài)勢次之，東部耕地遺傳質(zhì)量退化程度最低（圖2）。

圖2 研究區(qū)耕地遺傳質(zhì)量退化空間分布Fig.2 Spatial distribution of genetic quality degradation of cultivated land in the study area

研究區(qū)發(fā)生遺傳質(zhì)量退化的耕地共1 795.29 km2，占研究區(qū)耕地總面積的28.63%，退化速率高達(dá)89.76 km2/a，退化程度較高，并且在空間上存在一定的差異。研究區(qū)中部遺傳質(zhì)量退化程度最高，其中，大榆樹鎮(zhèn)發(fā)生遺傳質(zhì)量退化的耕地共184.15 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的65.43%；向陽川鎮(zhèn)發(fā)生遺傳質(zhì)量退化的耕地共323.73 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的63.19%；頭林鎮(zhèn)發(fā)生遺傳質(zhì)量退化的耕地共202.84 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的50.68%；硯山鎮(zhèn)發(fā)生遺傳質(zhì)量退化的耕地共97.90 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的43.88%；四鎮(zhèn)平均退化比例高達(dá)55.80%。

研究區(qū)西部和中南部耕地遺傳質(zhì)量退化程度次高，其中，西部的城關(guān)社區(qū)發(fā)生遺傳質(zhì)量退化的耕地共18.02 km2，占社區(qū)耕地總面積的40.89%；錦山鎮(zhèn)發(fā)生遺傳質(zhì)量退化的耕地共214.39 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的40.74%；上街基鎮(zhèn)發(fā)生遺傳質(zhì)量退化的耕地共65.65 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的27.51%；長安鎮(zhèn)發(fā)生遺傳質(zhì)量退化的耕地共59.60 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的19.96%；中南部的興隆崗鎮(zhèn)發(fā)生遺傳質(zhì)量退化的耕地共118.52 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的25.53%；四鎮(zhèn)一社區(qū)的平均退化比例為30.93%。研究區(qū)東部遺傳質(zhì)量退化程度相對最低，其中農(nóng)墾建三江分局發(fā)生遺傳質(zhì)量退化的耕地共424.92 km2，占墾區(qū)耕地總面積的18.25%；二龍山鎮(zhèn)發(fā)生遺傳質(zhì)量退化的耕地共55.82 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的11.56%；宏勝鎮(zhèn)發(fā)生遺傳質(zhì)量退化的耕地共13.49 km2，僅占鎮(zhèn)域耕地總面積的4.14%；兩鎮(zhèn)一農(nóng)墾平均退化比例為11.31%；另外在研究區(qū)西部邊緣的農(nóng)墾紅興隆分局耕地遺傳質(zhì)量退化程度較低，發(fā)生遺傳質(zhì)量退化的耕地共16.25 km2，占墾區(qū)耕地總面積的11.21%。

富錦市在近幾十年的耕地水田化進(jìn)程中深刻的改變了區(qū)域的地表溫度，相關(guān)研究顯示三江平原水田平均地表溫度比旱地低9.87 ℃[23]，水田的大量開發(fā)利用影響了區(qū)域的生態(tài)循環(huán)過程與水文循環(huán)過程，進(jìn)而阻礙了耕作土壤氣熱運(yùn)動(dòng)等物理過程，離子交換、酸堿反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等化學(xué)過程，以及有機(jī)質(zhì)礦化、腐質(zhì)化等生物過程[12]；此外研究區(qū)以超采礦化度較高的地下水灌溉水田的耕種方式也嚴(yán)重改變了耕作土壤的理化性質(zhì)，最終使研究區(qū)耕地發(fā)生大規(guī)模的遺傳質(zhì)量退化。需要說明的是，研究區(qū)東部的墾區(qū)相較于中部和西部的農(nóng)區(qū)，已實(shí)現(xiàn)了科學(xué)、系統(tǒng)和現(xiàn)代化的耕種模式，減輕和避免了對耕作土壤的損傷；研究區(qū)中部耕地的坡度相對較大，在微觀上影響著生態(tài)水文循環(huán)的再分配過程，易發(fā)生土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的流失，并且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中缺少科學(xué)的指導(dǎo)，普遍對耕地進(jìn)行掠奪式的利用與經(jīng)營，用地養(yǎng)地失調(diào)，最終造成研究區(qū)耕地遺傳質(zhì)量退化態(tài)勢呈現(xiàn)出中部—西部—東部梯度衰減的空間分異格局。

4.2 耕地變異質(zhì)量退化時(shí)空分異

2000—2020年富錦市近1/2的耕地發(fā)生了變異質(zhì)量退化且各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間退化程度存在一定的差異，變異質(zhì)量退化速率遠(yuǎn)高于遺傳質(zhì)量的退化速率；在空間上，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)變異質(zhì)量退化程度均較高，并呈現(xiàn)出中、西為主東部為輔的變異質(zhì)量退化格局（圖3）。

圖3 研究區(qū)耕地變異質(zhì)量退化空間分布Fig.3 Spatial distribution of variation quality degradation of cultivated land in the study area

研究區(qū)發(fā)生變異質(zhì)量退化的耕地共2 791.15 km2，占研究區(qū)耕地總面積的44.51%，退化速率為139.56 km2/a，并存在較為顯著的空間異質(zhì)性。研究區(qū)中部和西部變異質(zhì)量退化程度最高，其中中部向陽川鎮(zhèn)發(fā)生變異質(zhì)量退化的耕地共434.42 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的84.80%；頭林鎮(zhèn)發(fā)生變異質(zhì)量退化的耕地共304.05 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的75.97%；大榆樹鎮(zhèn)發(fā)生變異質(zhì)量退化的耕地共202.17 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的71.83%；興隆崗鎮(zhèn)發(fā)生變異質(zhì)量退化的耕地共234.26 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的50.47%；硯山鎮(zhèn)發(fā)生變異質(zhì)量退化的耕地共108.47 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的48.62%。西部錦山鎮(zhèn)發(fā)生變異質(zhì)量退化的耕地共381.80 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的72.55%；城關(guān)社區(qū)發(fā)生變異質(zhì)量退化的耕地共22.11 km2，占社區(qū)耕地總面積的50.17%；上街基鎮(zhèn)發(fā)生變異質(zhì)量退化的耕地共109.72 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的45.98%；七鎮(zhèn)一社區(qū)的平均退化比例高達(dá)62.55%。研究區(qū)東部變異質(zhì)量退化程度相對較低，但態(tài)勢也不容樂觀，其中宏勝鎮(zhèn)發(fā)生變異質(zhì)量退化的耕地共96.88 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的29.71%；二龍山鎮(zhèn)發(fā)生變異質(zhì)量退化的耕地共128.46 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的26.59%；農(nóng)墾建三江分局發(fā)生變異質(zhì)量退化的耕地共615.09 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的26.42%；兩鎮(zhèn)一農(nóng)墾的平均退化比例為27.57%。另外研究區(qū)西部邊緣的農(nóng)墾紅興隆分局和中西部的長安鎮(zhèn)耕地變異質(zhì)量退化程度相對偏低但高于研究區(qū)東部，分別占各自區(qū)域耕地總面積的36.80%和33.61%。

富錦市耕地存在兩種權(quán)屬，位于市域中部和西部的耕地為農(nóng)村集體土地，自實(shí)行家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制度以來，農(nóng)機(jī)具由大型向小型轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)以大馬力拖拉機(jī)進(jìn)行連年秋翻作業(yè)的耕作方式逐步被小四輪拖拉機(jī)替代，并且在一年中多次進(jìn)行滅茬、整地、播種、施肥、趟地等多項(xiàng)作業(yè)，導(dǎo)致土壤被嚴(yán)重壓實(shí)，容重大幅度增加[24]；另外農(nóng)區(qū)在進(jìn)行土地分配時(shí)，為保證相對公平，多采用“肥瘦搭配，遠(yuǎn)近結(jié)合”的分配方式，權(quán)屬層面造成了耕地細(xì)碎化[25]，加劇了農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)難度；與此同時(shí)研究區(qū)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)過程中對耕地的侵占和補(bǔ)充也對耕地的形態(tài)、規(guī)模以及農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施具有深刻影響，最終造成研究區(qū)西部和中部耕地發(fā)生嚴(yán)重的變異質(zhì)量退化。而位于研究區(qū)東部的墾區(qū)，屬國有土地，耕地布局經(jīng)過系統(tǒng)和科學(xué)的規(guī)劃，田塊規(guī)整，灌溉、排水、防護(hù)林等農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施完備，并且隨著近年來進(jìn)行的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，耕地灌排條件得到進(jìn)一步的完善；此外由于墾區(qū)耕地規(guī)?；潭容^高，所以多采用大規(guī)模多功能的農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行耕種，避免了小規(guī)模農(nóng)機(jī)一年多次作業(yè)的問題，在較大程度上減輕了土壤壓實(shí)和生物多樣性下降等問題，以致墾區(qū)耕地并未發(fā)生大規(guī)模的變異質(zhì)量退化。

4.3 基于遺傳—變異的耕地質(zhì)量退化時(shí)空分異

2000—2020年富錦市約1/3的耕地發(fā)生了質(zhì)量退化，且不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間退化態(tài)勢具有顯著的分別，退化速率較大，略高于遺傳質(zhì)量退化的速率，并展現(xiàn)出以中、西、東部梯度遞減為主基調(diào)的耕地質(zhì)量退化空間格局（圖4）。

圖4 研究區(qū)耕地質(zhì)量退化空間分布Fig.4 Spatial distribution of cultivated land quality degradation in the study area

研究區(qū)發(fā)生質(zhì)量退化的耕地共1 934.05 km2，占研究區(qū)耕地總面積的30.84%，退化速率為96.70 km2/a且具有明顯的地異性。研究區(qū)中部耕地質(zhì)量退化程度最高，其中，向陽川鎮(zhèn)發(fā)生質(zhì)量退化的耕地共346.39 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的67.61%；大榆樹鎮(zhèn)發(fā)生質(zhì)量退化的耕地共187.52 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的66.63%；頭林鎮(zhèn)發(fā)生質(zhì)量退化的耕地共203.84 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的50.93%；硯山鎮(zhèn)發(fā)生質(zhì)量退化的耕地共97.82 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的43.85%；4鎮(zhèn)平均退化比例高達(dá)57.26%。研究區(qū)西部耕地質(zhì)量退化程度次高，其中，錦山鎮(zhèn)發(fā)生質(zhì)量退化的耕地共223.31 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的42.43%；城關(guān)社區(qū)發(fā)生質(zhì)量退化的耕地共18.44 km2，占社區(qū)耕地總面積的41.84%；上街基鎮(zhèn)發(fā)生質(zhì)量退化的耕地共73.81 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的30.93%；兩鎮(zhèn)一社區(qū)平均退化比例38.40%。研究區(qū)東部耕地質(zhì)量退化程度相對最低但態(tài)勢也依然嚴(yán)峻，其中農(nóng)墾建三江分局發(fā)生質(zhì)量退化的耕地共492.03 km2，占墾區(qū)耕地總面積的21.23%；二龍山鎮(zhèn)發(fā)生質(zhì)量退化的耕地共71.93 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的14.89%；宏勝鎮(zhèn)發(fā)生質(zhì)量退化的耕地共18.98 km2，占鎮(zhèn)域耕地總面積的5.82%；兩鎮(zhèn)一農(nóng)墾平均退化比例為13.95%。另外位于研究區(qū)中南部興隆崗鎮(zhèn)和中西部長安鎮(zhèn)耕地質(zhì)量退化程度相對偏高，退化比例分別為26.40%和20.05%；位于研究區(qū)西部邊緣的農(nóng)墾紅興隆分局耕地質(zhì)量退化程度相對較低，退化比例為12.10%。

可以看出研究區(qū)耕地質(zhì)量退化態(tài)勢較為嚴(yán)峻，并表現(xiàn)出顯著的空間分異特征，其原因主要在于研究區(qū)近幾十年進(jìn)行的耕地“旱改水”項(xiàng)目，嚴(yán)重?cái)_動(dòng)了區(qū)域的生態(tài)水文過程，對耕作土壤的物理、化學(xué)、生物過程具有深刻影響，降低了耕地遺傳質(zhì)量的形成能力，并且研究區(qū)中部和西部的農(nóng)區(qū)與研究區(qū)東部的墾區(qū)相比，耕作過程缺少科學(xué)系統(tǒng)的指導(dǎo)，連續(xù)高強(qiáng)度利用和用養(yǎng)不結(jié)合的耕種模式造成耕地遺傳質(zhì)量出現(xiàn)不同程度的下降。在變異質(zhì)量退化方面，家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制度造成農(nóng)區(qū)耕地規(guī)?；潭炔桓摺⑿螒B(tài)破碎，所以導(dǎo)致耕作期內(nèi)小型農(nóng)機(jī)的多次作業(yè)造成土壤壓實(shí)、容重增加、生物多樣性下降；而東部墾區(qū)耕地布局科學(xué)，并隨著近年來進(jìn)行的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，進(jìn)一步完善了農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施，提高了耕地的規(guī)?；潭龋兄诖笠?guī)模多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械耕種的實(shí)現(xiàn)，在較大程度上減輕了土壤壓實(shí)和生物多樣性下降等問題。不難發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)耕地遺傳質(zhì)量退化和變異質(zhì)量退化均呈現(xiàn)出相似的空間分異特征，墾區(qū)與農(nóng)區(qū)間耕地建設(shè)、利用與管理的差異是富錦市形成耕地質(zhì)量退化時(shí)空分異格局的關(guān)鍵，同時(shí)也間接的驗(yàn)證了本文識(shí)別和診斷結(jié)果的正確性，與現(xiàn)實(shí)耕地利用狀態(tài)吻合。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

本文根據(jù)耕地質(zhì)量退化指標(biāo)的響應(yīng)時(shí)間，將耕地質(zhì)量退化解析為遺傳質(zhì)量退化和變異質(zhì)量退化，運(yùn)用主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)度和利用局部空間自相關(guān)改進(jìn)的客觀賦權(quán)法（CRITIC模型）明確了遺傳質(zhì)量退化和變異質(zhì)量退化間的空間互動(dòng)關(guān)系和依賴性，實(shí)現(xiàn)了二者的空間動(dòng)態(tài)耦合，揭示了研究區(qū)耕地質(zhì)量退化的時(shí)空分異規(guī)律。研究主要結(jié)論具體如下：

（1）研究區(qū)共有28.63%耕地發(fā)生遺傳質(zhì)量退化，退化速率高達(dá)89.76 km2/a，市域中部四鎮(zhèn)退化程度最高平均退化比例為55.80%，西部和中南部四鎮(zhèn)一社區(qū)退化程度次高平均退化比例為30.93%，東部兩鎮(zhèn)一農(nóng)墾退化程度最低平均退化比例為11.31%。

（2）研究區(qū)發(fā)生變異質(zhì)量退化的耕地占市域耕地總面積的44.51%，退化速率遠(yuǎn)高于遺傳質(zhì)量退化為139.56 km2/a，市域中部和西部七鎮(zhèn)一社區(qū)退化強(qiáng)度最高平均退化比例為62.55%，東部兩鎮(zhèn)一農(nóng)墾退化程度相對偏低但態(tài)勢也不容樂觀平均退化比例為27.57%。

（3）研究區(qū)共有30.84%的耕地發(fā)生質(zhì)量退化，退化速率略高于遺傳質(zhì)量退化為96.70 km2/a，市域中部四鎮(zhèn)退化強(qiáng)度最高平均退化比例為57.26%，西部兩鎮(zhèn)一社區(qū)退化程度次高平均退化比例為38.40%，東部兩鎮(zhèn)一農(nóng)墾退化程度相對最低但退化形勢仍較為嚴(yán)峻，平均退化比例為13.95%。

5.2 討論

研究顯示富錦市約1/3的耕地發(fā)生質(zhì)量退化，退化速率高達(dá)96.70 km2/a，并且退化耕地主要集中分布在中部和西部的農(nóng)區(qū)。探其原因主要在于農(nóng)區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程缺少系統(tǒng)的科學(xué)指導(dǎo)，長期的高強(qiáng)度利用和以化肥、農(nóng)藥、地膜等高物質(zhì)投入為特征的化石農(nóng)業(yè)，造成耕作土壤性狀的改變。另外，近幾十年的耕地水田化過程改變了區(qū)域地表溫度，進(jìn)而影響了區(qū)域氣熱循環(huán)；同時(shí)以開采地下水灌溉農(nóng)田的方式，使耕作土壤的理化性質(zhì)發(fā)生變化，最終造成耕地遺傳質(zhì)量的形成能力或潛力發(fā)生下降。另一方面，農(nóng)區(qū)集體土地的家庭聯(lián)產(chǎn)承包制度使耕地變得細(xì)碎化，增加了農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的難度，加之一年中小型農(nóng)業(yè)機(jī)械的多次作業(yè)，造成土壤壓實(shí)，間接致使生物多樣性下降，二者相互驅(qū)動(dòng)引致耕地變異質(zhì)量的形成能力降低，最終導(dǎo)致研究區(qū)發(fā)生大規(guī)模的耕地質(zhì)量退化。

鑒于此，本文從以下兩點(diǎn)提出治理對策。第一，以山水林田湖草系統(tǒng)治理理念為指導(dǎo)，統(tǒng)籌耕地保護(hù)與自然資源保護(hù)間的關(guān)系，促進(jìn)耕地遺傳質(zhì)量的恢復(fù)。（1）通過國土空間生態(tài)修復(fù)，恢復(fù)受損的自然資源，提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，促進(jìn)區(qū)域的水文生態(tài)過程，間接提高耕地的抵抗力與恢復(fù)力；（2）大力推進(jìn)保護(hù)性耕作制度，推廣秸稈覆蓋還田和少耕免耕技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的二次還田，增加土壤有機(jī)質(zhì)、改良土壤結(jié)構(gòu)，減輕或避免人類耕種對土壤造成的擾動(dòng)；（3）繼續(xù)推廣休耕輪作制度，對常年進(jìn)行單一作物種植的耕地進(jìn)行休耕和輪作，降低耕作土壤的外部壓力，使地力得以恢復(fù)。第二，以高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)和土地流轉(zhuǎn)為主要手段，完善農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施，提高耕地變異質(zhì)量。（1）持續(xù)推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，完善耕地的排灌條件和農(nóng)田防護(hù)林，改善耕地微氣候，促進(jìn)生物多樣性的提高，降低土壤容重，使耕地變異質(zhì)量的形成能力得以提升；（2）完善土地流轉(zhuǎn)制度，提升農(nóng)地規(guī)模化經(jīng)營水平，使破碎化的耕地得以重組，改善田塊的形態(tài)和連通性，在降低農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難度的同時(shí)促進(jìn)水平方向上的景觀生態(tài)過程，進(jìn)而使耕地的變異質(zhì)量得到提高。

本文構(gòu)建的耕地質(zhì)量退化測度模型測算出了各耕地圖斑遺傳質(zhì)量和變異質(zhì)量退化的動(dòng)態(tài)權(quán)重，實(shí)現(xiàn)了二者在空間上的動(dòng)態(tài)耦合，對退化耕地進(jìn)行了診斷識(shí)別，識(shí)別結(jié)果與研究區(qū)耕地利用的現(xiàn)實(shí)狀態(tài)吻合，表明了模型可較為有效的刻畫出耕地質(zhì)量退化的時(shí)空格局。但研究在耕地質(zhì)量退化作用機(jī)制方面上的探討略顯不足，缺少定量化的分析，為此下一步將從影響耕地質(zhì)量變化的突變性因素和漸變性因素入手，進(jìn)一步探討耕地質(zhì)量退化的動(dòng)力機(jī)制，明確人類活動(dòng)的突變性因素以及自然條件變化的漸變性因素對耕地質(zhì)量退化的具體作用過程，旨在構(gòu)建黑土區(qū)退化耕地的治理模式，為實(shí)現(xiàn)黑土區(qū)耕地的永續(xù)利用提供理論和實(shí)踐上的支撐。