耕地質(zhì)量與農(nóng)田固碳能力協(xié)同提升途徑

摘要：為了探索河南省2個(gè)典型區(qū)耕地質(zhì)量及其評(píng)價(jià)因素與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力的關(guān)系，揭示耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的影響程度和機(jī)理，采用相關(guān)分析和情景模擬法，分析各耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳存儲(chǔ)能力的相關(guān)性大小，以及耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)改變后引起的農(nóng)田固碳能力變化幅度。結(jié)果表明，研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)總體表現(xiàn)為碳匯。兩區(qū)耕地碳存儲(chǔ)能力與耕地質(zhì)量之間均存在顯著線性相關(guān)性，豫東平原區(qū)耕地質(zhì)量改變會(huì)引起其固碳能力更大幅度的改變；豫東平原區(qū)和燕山太行山山前平原區(qū)耕地質(zhì)量等別分別為7.91、8.96等時(shí)，耕地碳吸收和碳排放達(dá)到平衡，等別優(yōu)于平衡點(diǎn)時(shí)，耕地碳吸收量大于碳排放量，表現(xiàn)為碳匯，反之為碳源。兩區(qū)多個(gè)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因素與農(nóng)田固碳能力間存在顯著相關(guān)關(guān)系，多個(gè)與農(nóng)田固碳能力顯著相關(guān)的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)耕地質(zhì)量及其固碳能力均有較大影響，具體指標(biāo)及影響程度既有相似之處，又有顯著差別；通過情景模擬對(duì)豫東平原區(qū)耕地質(zhì)量和固碳能力影響顯著的指標(biāo)，依次為反映作物產(chǎn)量水平的利用系數(shù)、灌溉保證率、排水條件，而燕山太行山山前平原區(qū)則依次為灌溉保證率、利用系數(shù)、地形坡度。因此，可以通過采取耕地質(zhì)量建設(shè)措施實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的共同提升，燕山太行山山前平原區(qū)耕地質(zhì)量建設(shè)工程的重點(diǎn)方向應(yīng)依次為農(nóng)田灌溉工程、作物產(chǎn)量提升工程、土地平整工程；豫東平原區(qū)則依次為作物產(chǎn)量提升工程、農(nóng)田灌溉工程、農(nóng)田排水工程。對(duì)確保糧食安全前提下實(shí)現(xiàn)碳中和途徑進(jìn)行有益探索，進(jìn)而為碳中和背景下農(nóng)田建設(shè)工作提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：耕地質(zhì)量；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；固碳能力；協(xié)同提升

中圖分類號(hào)：F323.211；S181" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）13-0241-08

減排固碳和保障糧食安全是當(dāng)前社會(huì)面臨的兩大重要課題，前者是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵，后者則關(guān)乎國家安全、社會(huì)穩(wěn)定［1-2］，眾多學(xué)者對(duì)這2個(gè)課題分別展開了多方位的研究［3-8］。在糧食安全方面，作為糧食生產(chǎn)的載體，耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量是保障糧食安全的前提［9］。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的不斷推進(jìn)，耕地?cái)?shù)量的增長已很難實(shí)現(xiàn)［9］，因此耕地質(zhì)量成為決定其糧食生產(chǎn)能力的關(guān)鍵［10］，多個(gè)研究結(jié)果表明耕地質(zhì)量的提高可以顯著提升現(xiàn)有耕地的糧食生產(chǎn)能力［11］。在減排固碳方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的碳交換［3］，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有巨大的固碳能力［12］，農(nóng)作物吸收了全球年固碳量的47%［13］，但農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在供給糧食產(chǎn)出的同時(shí)，伴隨人類生產(chǎn)活動(dòng)而產(chǎn)生的大量溫室氣體，已成為一個(gè)巨大的碳排放來源［14］。因此，如何在保護(hù)和提高耕地質(zhì)量的同時(shí)減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的碳排放、增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力顯得尤為重要。影響耕地質(zhì)量的因素包括氣候、土壤、地形、耕地利用程度和農(nóng)業(yè)設(shè)施水平等［15］，農(nóng)田固碳能力的影響因素眾多，如農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，耕作、施肥、灌溉、秸稈還田等農(nóng)田管理方式及土地利用/覆被變化等［3-4，16-17］，由此可以看出耕地質(zhì)量與農(nóng)田固碳能力的影響因素存在一定的重疊性，多個(gè)耕地質(zhì)量影響因素同時(shí)也對(duì)農(nóng)田固碳能力產(chǎn)生影響。但已有研究通常將增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力與提升耕地質(zhì)量和產(chǎn)能相互割裂，如提升耕地質(zhì)量的重要手段土地整治等農(nóng)田建設(shè)工程會(huì)加大對(duì)農(nóng)田的擾動(dòng)，增加碳排放；常用的碳增匯措施中，既有對(duì)糧食生產(chǎn)能力和耕地質(zhì)量存在積極影響的措施，又有對(duì)糧食生產(chǎn)能力存在負(fù)面影響的措施，如免耕、休耕等。如何將提高耕地質(zhì)量和農(nóng)田固碳能力相結(jié)合，篩選對(duì)兩者均有影響的因素，準(zhǔn)確制定措施以實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量和農(nóng)田固碳能力的共同提升意義重大。本研究運(yùn)用相關(guān)分析和情景模擬法，分析耕地質(zhì)量以及各耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因素與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的相關(guān)關(guān)系，篩選對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力有顯著影響的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因素，探索顯著因素對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的影響程度和作用機(jī)理，制定不同指標(biāo)區(qū)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目的重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容，以期實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力和耕地質(zhì)量的共同提升。進(jìn)而為河南省不同區(qū)域高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、土地整治等項(xiàng)目的重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容提供參考，為河南省在確保糧食安全前提下的固碳減排途徑的選擇提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇豫東平原區(qū)（簡稱豫東區(qū)）和燕山太行山山前平原區(qū)（簡稱太行山前區(qū)）作為研究區(qū)（圖1），兩區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候，適宜多種農(nóng)作物生長，冬小麥、夏玉米的播種面積最大。豫東平原區(qū)地勢平坦（圖2），農(nóng)田配套設(shè)施較完善，耕作便利，農(nóng)業(yè)機(jī)械化普及程度較高，從耕種、管理、收割、入倉、還田等各個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)均實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化操作，是河南省糧食生產(chǎn)的主產(chǎn)區(qū)。太行山前區(qū)地形地貌條件復(fù)雜，平原、丘陵和山地均有分布，地勢自南向北逐漸升高，受地形地貌條件和田塊破碎度的限制，機(jī)械化水平相對(duì)較低；該區(qū)南部的山前平原區(qū)光溫水土條件較好，是河南省作物產(chǎn)量最高的區(qū)域，自南向北逐漸變差，造成河南省糧食作物最高產(chǎn)量和最低產(chǎn)量均分布在此區(qū)。豫東區(qū)耕地質(zhì)量等別一致性較高，99.73%的耕地等別在6～8等之間，其中7等地占80%以上；太行山前區(qū)耕地質(zhì)量等別范圍較廣，4～12等地均有分布，河南省等別最高和最低均主要分布在此區(qū)。

1.2 研究方法

1.2.1 固碳能力核算

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳存儲(chǔ)量為其碳吸收量和碳排放量之差。由于研究區(qū)各縣域耕地面積差別較大，各地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳總量對(duì)比意義較小。因此，本研究采用固碳強(qiáng)度即單位面積耕地的碳存儲(chǔ)量來表達(dá)各縣域耕地的固碳能力。

G=KS=C-ES。

式中：G表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳強(qiáng)度；K表示固碳總量；C表示生育期內(nèi)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量；E表示農(nóng)田碳排放總量；S表示某縣（市、區(qū)）耕地總面積。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收總量C采用農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量法計(jì)算［5-6］。

C=∑ki=1Ci×（1-Wi）×YiHi。

式中：Ci表示作物的碳吸收率；Wi表示作物的平均含水率；Yi表示農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；Hi表示作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)；k表示參與計(jì)算的主要農(nóng)作物數(shù)量，個(gè)。研究區(qū)主要農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)、碳吸收率、平均含水率見表1。

農(nóng)業(yè)碳排放量通常從秸稈焚燒、畜禽養(yǎng)殖、作物生產(chǎn)過程、稻田4個(gè)方面進(jìn)行測算，因本研究僅涉及種植農(nóng)作物的耕地，且秸稈焚燒已被禁止，故本研究農(nóng)田碳排放總量E僅包含后2個(gè)部分，即農(nóng)資生產(chǎn)和使用產(chǎn)生的碳排放量、灌溉和農(nóng)機(jī)所消耗的能源產(chǎn)生的碳排放量、稻田CH4排放和農(nóng)田翻耕引起的土壤表層破壞而產(chǎn)生的土壤碳排放量。估算公式如下［5-6］

E=∑ki=1Ei×Ai。

式中：Ei表示農(nóng)作物生產(chǎn)中投入的能源量；Ai表示碳排放轉(zhuǎn)換系數(shù)，其中化肥為0.895 6 kg/kg，農(nóng)藥為4.934 1 kg/kg，農(nóng)膜為5.18 kg/kg，農(nóng)業(yè)灌溉為266.48 kg/hm2，翻耕為3.126 kg/km2，農(nóng)機(jī)動(dòng)力為 16.47 kg/hm2 和0.18 kg/kW［6］。水稻CH4排放的標(biāo)準(zhǔn)碳折算系數(shù)為1 217.05 kg/hm2［5］。

1.2.2 各縣域耕地質(zhì)量等別、耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因素核算

本研究耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)源自河南省耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫中耕地質(zhì)量采用GB/T 28407—2012《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》中的因素法評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)因素指標(biāo)包括氣候條件（光溫或氣候生產(chǎn)潛力）、土壤條件（土壤pH值、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、有效土層厚度、土壤礫石含量、鹽漬化、障礙層深度、剖面構(gòu)型）、地形條件（坡度）、基礎(chǔ)設(shè)施情況（灌溉保證率、排水條件）、耕地利用程度（利用系數(shù)）等指標(biāo)。

河南省耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)庫以耕地圖斑為評(píng)價(jià)單位，本研究采用面積加權(quán)平均法獲取各縣域耕地質(zhì)量平均等指數(shù)和等別以及各耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因素的平均標(biāo)準(zhǔn)化分值。

D=15-Y/200；

Y=∑ki=1Yi×SiS；

Fj=∑ki=1Fij×wij。

式中：D表示某縣（市、區(qū)）耕地平均質(zhì)量等別；Y表示某縣（市、區(qū)）耕地平均質(zhì)量等指數(shù)；Yi表示i地塊耕地質(zhì)量等指數(shù)；Si表示地塊i的耕地面積；S表示某縣（市、區(qū)）耕地總面積；Fj表示某縣（市、區(qū)）j因素的平均分值；Fij表示i地塊j因素的分值；wij表示i地塊j因素的權(quán)重。

1.2.3 耕地質(zhì)量等別及其評(píng)價(jià)因素對(duì)農(nóng)田固碳能力影響分析

根據(jù)各縣域耕地質(zhì)量等別成果和農(nóng)田碳存儲(chǔ)量估算結(jié)果，運(yùn)用回歸分析法建立耕地質(zhì)量等別指數(shù)與單位面積固碳量之間的回歸關(guān)系模型。再結(jié)合耕地利用等別的等指數(shù)區(qū)間值估算各等別耕地的碳存儲(chǔ)能力。

采用相關(guān)分析法篩選出影響河南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳存儲(chǔ)能力耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因素及各因素對(duì)耕地碳存儲(chǔ)能力的相關(guān)性大小和影響方向。

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究主要農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、播種面積、灌溉面積數(shù)據(jù)、農(nóng)藥、化肥、農(nóng)機(jī)、農(nóng)膜等投入數(shù)據(jù)來源于《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒（2021年）》（以下簡稱《年鑒》）。研究區(qū)共涉及10個(gè)省轄市1個(gè)縣級(jí)市，共31個(gè)市轄區(qū)和39個(gè)縣（市），因《年鑒》中各市所有轄區(qū)的作物種植和產(chǎn)量數(shù)據(jù)未作區(qū)分，且通常市轄區(qū)耕地面積較小，本研究將各省轄市的市轄區(qū)作為1個(gè)縣級(jí)單元進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究區(qū)共包含49個(gè)縣級(jí)評(píng)價(jià)單元（統(tǒng)稱縣）。根據(jù)上述相關(guān)公式和參數(shù)，結(jié)合49個(gè)縣2021年主要農(nóng)作物播種面積、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量數(shù)據(jù)、農(nóng)藥、化肥等各種投入數(shù)據(jù)，測算出2021年各縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的碳吸收、碳排放、碳存儲(chǔ)量及強(qiáng)度。

耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)以河南省2019年耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，結(jié)合2020、2021年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫及耕地資源質(zhì)量分類更新數(shù)據(jù)庫，采用農(nóng)用地分等法對(duì)2019—2021年新增和質(zhì)量建設(shè)耕地質(zhì)量等別進(jìn)行更新，獲得各縣2021年耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)耕地碳存儲(chǔ)能力

2021年研究區(qū)耕地總體碳吸收量大于碳排放量，分別為3 350.13萬、2 006.48萬t，固碳量為 1 343.65萬t（表2）。

由圖3可以看出，研究區(qū)碳吸收強(qiáng)度具有東高西低、北高南低的趨勢，與河南省糧食產(chǎn)量的分布趨勢較一致，反映出碳吸收能力與糧食產(chǎn)能的高度相關(guān)性。農(nóng)田碳排放強(qiáng)度則整體呈現(xiàn)出自西向東、從北向南逐漸降低的趨勢，對(duì)各縣各項(xiàng)農(nóng)田投入進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)豫東平原區(qū)單位面積耕地農(nóng)膜用量高于豫北，北部縣的農(nóng)機(jī)投入高于東部，農(nóng)藥投入無顯著趨勢，豫北化肥投入最高，豫北灌溉投入高于豫東平原。農(nóng)田投入?yún)^(qū)域差異的原因主要為豫北黃河沿線是河南省傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)之一，化肥、灌溉等投入量較大；豫東部平原區(qū)地表和地下水資源相對(duì)豐富，灌溉投入相對(duì)較少，山地丘陵區(qū)旱地居多，灌溉投入較少；山區(qū)受地形限制，農(nóng)機(jī)投入偏低，東部平原區(qū)因地勢平坦、集中連片等降低了農(nóng)機(jī)的燃油投入量。

耕地固碳強(qiáng)度則存在平原縣較高、山地丘陵區(qū)縣較低的趨勢，對(duì)比圖3-d可見兩者的分布趨勢相似度較高，反映出耕地質(zhì)量與其固碳強(qiáng)度之間存在相關(guān)性。

2.2 典型區(qū)域耕地質(zhì)量與碳存儲(chǔ)能力關(guān)系分析

2個(gè)指標(biāo)區(qū)之間地形地貌、氣候等自然條件存在顯著差異，耕地質(zhì)量分等因素也各不相同。因此，本研究分別建立了2個(gè)指標(biāo)區(qū)耕地質(zhì)量與碳存儲(chǔ)能力之間的關(guān)系模型。

通過檢驗(yàn)，2個(gè)指標(biāo)區(qū)各縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳強(qiáng)度和耕地質(zhì)量等指數(shù)符合正態(tài)分布，且兩者之間均具有顯著相關(guān)性。豫東區(qū)和太行山前區(qū)耕地質(zhì)量與碳存儲(chǔ)能力之間的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.801、0.789，故本研究分別建立2個(gè)指標(biāo)區(qū)耕地質(zhì)量與碳存儲(chǔ)能力之間的線性回歸模型（圖4）。模型r2分別為0.642、0.622，模型系數(shù)也均通過顯著性檢驗(yàn)，P值均lt;0.001，回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差符合正態(tài)分布，說明模型可信度和有效性均較高，可以進(jìn)行回歸分析。

根據(jù)模型，2個(gè)指標(biāo)區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力與等指數(shù)間均存在顯著正線性相關(guān)關(guān)系，等別越高，固碳能力越強(qiáng)，反之越低。但豫東區(qū)線性回歸模型斜率高于太行山前區(qū)，反映出與后者相比，豫東區(qū)耕地質(zhì)量的改變會(huì)引起更大幅度固碳能力的改變。

豫東區(qū)當(dāng)?shù)戎笖?shù)為1 417.20（7.91等）時(shí)，耕地碳吸收和碳排放達(dá)到平衡，固碳量為0；等別高于7.91等時(shí)，耕地碳吸收量大于碳排放量，固碳量大于0，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳匯；反之等別低于7.91等時(shí)，耕地碳吸收量小于碳排放量，表現(xiàn)為碳源。當(dāng)太行山前區(qū)等指數(shù)為1 208.40（8.96等）時(shí)，耕地碳吸收和碳排放達(dá)到平衡，固碳量為0；等別高于8.96等時(shí)，耕地碳吸收量大于碳排放量，固碳量大于0，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳匯；反之等別低于8.96等時(shí)，耕地碳吸收量小于碳排放量，表現(xiàn)為碳源。說明不同質(zhì)量等別耕地面積的變化會(huì)顯著影響耕地碳存儲(chǔ)量的變化，因此在耕地面積一定的情況下，通過高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、土地綜合整治等提高耕地質(zhì)量，增加高等別耕地面積可以提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力。

2.3 不同區(qū)域耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因素對(duì)固碳能力的影響程度和機(jī)理

農(nóng)田固碳能力的影響因素包括影響農(nóng)田碳排放、碳吸收或?qū)烧咄瑫r(shí)產(chǎn)生影響的因素。其中，農(nóng)田碳排放的影響因素主要有氣候條件、土壤條件、農(nóng)田投入和人類活動(dòng)，農(nóng)田碳吸收的影響因素主要包括農(nóng)作物種類、產(chǎn)量等［4，8-13］。根據(jù)GB/T 28407—2012《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》，河南省耕地質(zhì)量的評(píng)價(jià)因素指標(biāo)包括氣候條件（光溫或氣候生產(chǎn)潛力）、土壤條件（土壤pH值、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、有效土層厚度、土壤礫石含量、鹽漬化、障礙層深度、剖面構(gòu)型）、地形條件（坡度）、基礎(chǔ)設(shè)施情況（灌溉保證率、排水條件）、耕地利用程度（利用系數(shù)）共5類13項(xiàng)指標(biāo)，不同指標(biāo)區(qū)評(píng)價(jià)因素各不相同，豫東區(qū)包含除有效土層厚度、土壤礫石含量之外的11項(xiàng)指標(biāo)，太行山前區(qū)包含除排水條件、鹽漬化、障礙層深度、剖面構(gòu)型之外的9項(xiàng)指標(biāo)。

可見，研究區(qū)多個(gè)耕地質(zhì)量的評(píng)價(jià)因素也同時(shí)會(huì)影響農(nóng)田的固碳能力，如代表氣候條件的光溫以及氣候生產(chǎn)潛力代表農(nóng)田的溫度和水分狀況，溫度影響有機(jī)質(zhì)分解的速度，土壤水分含量影響土壤碳排放量；土壤肥力狀況、疏松程度、熱量狀況、酸堿度等性質(zhì)都會(huì)影響作物光合作用，進(jìn)而影響農(nóng)作物的碳排放量和碳吸收量；土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)隨坡度增加而加大，土壤有機(jī)碳集中在土壤表層，容易流失，因此耕地坡度也會(huì)對(duì)土壤碳匯效應(yīng)產(chǎn)生影響；灌溉和排水等基礎(chǔ)設(shè)施水平會(huì)影響土壤濕度，土壤濕度增加有利于有機(jī)碳的保存；利用系數(shù)是耕地農(nóng)作物產(chǎn)量與區(qū)域最高產(chǎn)量的比值，代表耕地的農(nóng)作物產(chǎn)出能力，農(nóng)作物產(chǎn)出能力對(duì)農(nóng)田碳吸收有顯著影響。

因此，本研究根據(jù)2021年河南省耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)庫，計(jì)算研究區(qū)各縣所有耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)量化分值的面積加權(quán)平均值，分別將其與縣碳吸收強(qiáng)度、碳排放強(qiáng)度和固碳強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)分析，得到各縣耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因素對(duì)耕地固碳能力的相關(guān)水平（表3）。

可見，研究區(qū)多個(gè)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因素均與農(nóng)田固碳水平有顯著相關(guān)關(guān)系，但對(duì)不同指標(biāo)區(qū)農(nóng)田固碳能力有影響的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因素卻有顯著差別。豫東區(qū)對(duì)農(nóng)田固碳能力影響較大的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因素依次為排水條件、灌溉保證率、利用系數(shù)、土壤質(zhì)地、地形坡度、有機(jī)質(zhì)含量、剖面構(gòu)型；而太行山前區(qū)依次為地形坡度、生產(chǎn)潛力、利用系數(shù)、灌溉保證率、土層厚度。灌溉保證率、地形坡度和利用系數(shù)對(duì)2個(gè)指標(biāo)區(qū)的農(nóng)田固碳能力均有顯著相關(guān)性，但除這3個(gè)因素外， 對(duì)豫東區(qū)農(nóng)田固碳能力有顯著影響的因素還有排水條件、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤剖面構(gòu)型，而對(duì)太行山前區(qū)農(nóng)田固碳能力有顯著影響的因素還有生產(chǎn)潛力和土層厚度。

研究區(qū)糧食產(chǎn)量受灌溉保證率影響較大，農(nóng)田灌溉保證率越高，糧食產(chǎn)量越高，糧食產(chǎn)量又直接決定了農(nóng)作物的碳吸收能力，因此2個(gè)指標(biāo)區(qū)灌溉保證率與農(nóng)田固碳強(qiáng)度相關(guān)性均高于0.6，顯著相關(guān)。利用系數(shù)可以反映糧食生產(chǎn)能力，因此與農(nóng)田固碳強(qiáng)度間也有顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.6左右。地形坡度的不同會(huì)導(dǎo)致水熱條件和土壤條件存在差異，對(duì)作物產(chǎn)量有重要影響，地形坡度越大，作物產(chǎn)量越低，因此地形坡度與農(nóng)田固碳能力間有極顯著的相關(guān)性，但太行山前區(qū)的地形坡度與耕地固碳能力的相關(guān)系數(shù)更高，接近0.80，原因是該區(qū)有坡度的耕地相對(duì)較多，而豫東區(qū)耕地以平地為主，造成的地形坡度對(duì)耕地固碳能力的影響相對(duì)減弱，但也達(dá)到0.529。排水條件對(duì)豫東區(qū)農(nóng)田固碳能力影響最大，但對(duì)太行山前區(qū)無影響。雖然2個(gè)指標(biāo)區(qū)年降水量均在500～900 mm之間，但降水時(shí)段相對(duì)集中，50%～75%的降水集中在6—9月，且常有暴雨，良好的農(nóng)田排水能力會(huì)減少農(nóng)田漬澇脅迫，降低農(nóng)田澇災(zāi)和鹽漬化的發(fā)生，提升作物產(chǎn)量，同時(shí)土壤水分狀況還直接影響土壤有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，排水條件變化對(duì)有機(jī)碳（SOC）儲(chǔ)量有一定影響，高效的排水能力能有效降低土壤呼吸速率、減少碳排放、增加農(nóng)田有機(jī)碳［18］，有利于發(fā)揮農(nóng)田碳匯作用［19］。河南省農(nóng)田排水通常以非動(dòng)力排水為主，豫東區(qū)地勢平坦，雨季農(nóng)田排水不暢時(shí)有發(fā)生，因此與固碳強(qiáng)度之間也存在一定的相關(guān)性，而太行山前區(qū)地勢自然起伏相對(duì)較大，農(nóng)田排水能力較高，不會(huì)對(duì)作物生產(chǎn)產(chǎn)生制約。生產(chǎn)潛力反映了糧食生產(chǎn)的光溫水條件，對(duì)作物生長起重要作用，太行山前區(qū)地形復(fù)雜，耕地的光溫水條件差異顯著，而豫東區(qū)地勢平坦，水熱條件無明顯差異，因此生產(chǎn)潛力對(duì)太行山前區(qū)耕地的固碳強(qiáng)度有顯著影響，對(duì)豫東區(qū)無明顯影響。

土壤類因素中，太行山前區(qū)除土層厚度外，耕地的土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地一致性較高，而豫東區(qū)則相反，區(qū)域內(nèi)土層厚度無明顯差別，但土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤質(zhì)地、剖面構(gòu)型存在一定差別。土層厚度指能生長植物的實(shí)際土層厚度，會(huì)制約土壤蓄水、抗旱、保水保肥能力，土層越厚，土壤中氮磷等各元素含量越高，進(jìn)而產(chǎn)量越高。太行山前區(qū)受地形影響，耕地土層厚度多樣，而豫東區(qū)土層厚度普遍較厚，不會(huì)對(duì)耕地質(zhì)量和作物生產(chǎn)產(chǎn)生制約，因此太行山前區(qū)有效土層厚度與固碳強(qiáng)度之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.534。土壤有機(jī)質(zhì)含量在一定程度上可以反映農(nóng)田的肥力狀況，土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加可降低土壤容重，同時(shí)還可以提高土壤田間持水量和飽和含水量，進(jìn)而增加產(chǎn)量，因此豫東區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量與固碳強(qiáng)度之間也存在顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.475。土壤質(zhì)地和土壤剖面構(gòu)型會(huì)影響土壤的保水保肥能力，進(jìn)而影響產(chǎn)量，因此豫東區(qū)這2個(gè)指標(biāo)與農(nóng)田固碳能力間也有顯著相關(guān)性。研究區(qū)耕地土壤pH值一致性較高，以中偏堿性為主，基本不存在鹽漬化情況，障礙層不明顯、含有礫石的耕作土壤也極少見，故4個(gè)指標(biāo)與農(nóng)田固碳能力間無相關(guān)關(guān)系。

3 討論

3.1 耕地質(zhì)量建設(shè)情景對(duì)其固碳能力影響程度預(yù)測

為了驗(yàn)證與各區(qū)耕地固碳能力顯著相關(guān)的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因素對(duì)固碳能力的影響程度，預(yù)測在各指標(biāo)區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)顯著提升的情景下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳量和耕地質(zhì)量的提升幅度。本研究依據(jù)耕地質(zhì)量影響因素對(duì)2個(gè)指標(biāo)區(qū)固碳能力的相關(guān)性大小，結(jié)合各指標(biāo)改善的可能性和可操作性，設(shè)定5種耕地質(zhì)量建設(shè)的理想情景：情景1，土地平整工程全面開展，耕地坡度均≤2°；情景2，農(nóng)田水利建設(shè)大力推進(jìn)，農(nóng)田灌溉用水能充分滿足作物生長需求；情景3，多種舉措并舉，指標(biāo)區(qū)糧食產(chǎn)量提升幅度較全省高2.5%；情景4，豫東平原區(qū)排水條件顯著改善，無澇災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；情景5，上述4種情景中的參數(shù)同時(shí)提升。因生產(chǎn)潛力無法改變、土壤類因素改變較困難，故未設(shè)定相關(guān)情景。模擬結(jié)果見表4、圖5。

由表4、圖5可知，各模擬情景下2個(gè)指標(biāo)區(qū)耕地質(zhì)量和固碳能力的4個(gè)模擬指標(biāo)均有提升，但提升幅度有顯著差別。多個(gè)參數(shù)同時(shí)提升情景（情景5）下， 2個(gè)指標(biāo)區(qū)各模擬指標(biāo)提升幅度均最高。 單個(gè)指標(biāo)提升情景下，太行山前區(qū)各模擬情景下指標(biāo)提升幅度順序?yàn)榍榫?gt;情景3gt;情景1，即灌溉條件的改善對(duì)該區(qū)耕地質(zhì)量和固碳能力提升的影響程度最高，其次是糧食產(chǎn)量的提升，耕地坡度的改善對(duì)各模擬指標(biāo)提升的影響程度最低；而豫東區(qū)為情景3gt;情景2gt;情景4gt;情景1，即糧食產(chǎn)量的提升對(duì)該區(qū)耕地質(zhì)量和固碳能力提升的影響程度最高，其次是灌溉條件的改善，再次是排水條件的改善，耕地坡度的改善對(duì)各模擬指標(biāo)提升的影響程度最低。

對(duì)2個(gè)指標(biāo)區(qū)分等參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)太行山前區(qū)有28%的耕地?zé)o灌溉，作物生長需水無法保障，16%的耕地灌溉條件一般，僅能部分滿足作物生長的用水需求，僅有56%的耕地灌溉設(shè)施相對(duì)較好；而豫東區(qū)所有耕地均具有灌溉條件，其中94%的耕地灌溉設(shè)施相對(duì)較好，能夠充分或基本滿足作物生長的用水需求。因此，灌溉條件的改善可以顯著改善太行山前區(qū)的耕地質(zhì)量、糧食產(chǎn)能，并能顯著提高農(nóng)田固碳能力和固碳量；而對(duì)豫東區(qū)的4項(xiàng)模擬指標(biāo)雖然也有明顯提升，但幅度遠(yuǎn)小于太行山前區(qū)。

糧食產(chǎn)量方面，豫東區(qū)作為河南省糧食主產(chǎn)區(qū)，無論是作物產(chǎn)量還是播種面積均高于太行山前區(qū)，因此在情景3兩區(qū)作物產(chǎn)量提升幅度相同的情況下，因前者產(chǎn)量基數(shù)較大，故作物產(chǎn)量的絕對(duì)增幅大于后者，使得該區(qū)固碳強(qiáng)度和固碳量顯著提升，提升幅度遠(yuǎn)大于太行山前區(qū)。

與其余參數(shù)相比，坡度對(duì)2個(gè)指標(biāo)區(qū)各模擬指標(biāo)提升的貢獻(xiàn)度均最不明顯，對(duì)2個(gè)指標(biāo)區(qū)耕地坡度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)目前豫東區(qū)僅有不足0.5%的耕地坡度gt;2°，99.5%以上的耕地為平地，說明該指標(biāo)區(qū)現(xiàn)有耕地基本實(shí)現(xiàn)了平整，有坡度的耕地面積極小，造成耕地坡度的改變對(duì)該區(qū)耕地質(zhì)量和固碳能力提升幅度影響不明顯；太行山前區(qū)坡度≤2°的耕地占81%，19%的耕地坡度gt;2°～6°，10%的耕地坡度在6°以上，坡度改善后善耕地質(zhì)量和固碳能力的提升幅度顯著高于豫東區(qū)，但由于坡耕地面積占比僅為19%，固碳對(duì)耕地質(zhì)量和固碳能力的改善程度相對(duì)較小。

豫東平原區(qū)排水條件的改善也會(huì)對(duì)耕地質(zhì)量和固碳能力產(chǎn)生顯著影響，且對(duì)固碳能力的影響程度遠(yuǎn)高于對(duì)耕地質(zhì)量的影響。

3.2 高固碳目的下不同區(qū)域耕地質(zhì)量建設(shè)重點(diǎn)內(nèi)容

高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、土地綜合整治等耕地質(zhì)量建設(shè)工程被認(rèn)為是可以短時(shí)間內(nèi)顯著改善耕地質(zhì)量、提高耕地產(chǎn)能的有效途徑［7，11］。根據(jù)相關(guān)性分析和情景模擬結(jié)果，多個(gè)與農(nóng)田固碳能力顯著相關(guān)的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)耕地質(zhì)量及其固碳能力均有較大的影響，可以此為基礎(chǔ)制定不同指標(biāo)區(qū)耕地質(zhì)量建設(shè)項(xiàng)目的重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容，通過項(xiàng)目實(shí)施可以實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量的提升，更能增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力。2個(gè)指標(biāo)區(qū)對(duì)固碳能力的顯著影響指標(biāo)和影響程度各不相同，因此在提高耕地固碳能力的目的下，兩區(qū)耕地質(zhì)量建設(shè)工程的重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容有相同之處，但也各有側(cè)重。

太行山前區(qū)耕地質(zhì)量建設(shè)工程的重點(diǎn)方向應(yīng)依次為農(nóng)田灌溉工程、作物產(chǎn)量提升工程、土地平整工程。第一，重點(diǎn)應(yīng)聚焦在農(nóng)田灌溉工程上，并改變傳統(tǒng)的灌溉模式，實(shí)施規(guī)?；咝Ч?jié)水灌溉技術(shù)，除了可以在節(jié)水的前提下完全滿足作物生長需水要求外，還可以顯著提高作物產(chǎn)量［20］、改善局部生態(tài)環(huán)境［21］、減少灌溉能源投入［22］，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能、低碳、高產(chǎn)的目標(biāo)。第二，要采用多種措施提高作物產(chǎn)量，農(nóng)作物產(chǎn)量的提升有多種途徑，如良種培育，科學(xué)的農(nóng)田管理措施，規(guī)模種植，智能高效的灌溉和施肥，完善政府補(bǔ)貼、收購和農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)政策，提高農(nóng)民種糧積極性等。耕地坡度的改善雖然在3個(gè)單指標(biāo)模擬情景中對(duì)耕地質(zhì)量和固碳能力的提升幅度最小，但也能對(duì)耕地質(zhì)量和固碳能力產(chǎn)生顯著影響。因此，土地平整工程也可以作為該區(qū)耕地質(zhì)量建設(shè)較重要的措施。

豫東平原區(qū)耕地質(zhì)量建設(shè)工程的重點(diǎn)方向應(yīng)首先在作物產(chǎn)量提升工程，其次是農(nóng)田灌溉，最后還需要重點(diǎn)開展農(nóng)田排水工程，推廣暗管排水技術(shù)，以提高排水效率，減少澇漬脅迫，進(jìn)而提升作物產(chǎn)量和耕層固碳速率。

4 結(jié)論

第一，研究區(qū)45個(gè)縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)總體表現(xiàn)為碳匯，2021年耕地總固碳量為1 343.65萬t。豫東平原區(qū)固碳強(qiáng)度為2.31 t/hm2，低于燕山太行山山前平原區(qū)的2.58 t/hm2，但由于前者耕地面積較大，故總固碳量高于后者，分別為1 004.61萬、339.04萬t。第二，兩區(qū)耕地質(zhì)量等別和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力之間均存在顯著線性相關(guān)性，豫東區(qū)兩者的線性回歸模型斜率高于太行山前區(qū)，反映出與太行山前區(qū)相比，該區(qū)內(nèi)耕地質(zhì)量的改變會(huì)引起更大幅度的固碳能力改變；豫東區(qū)和太行山前區(qū)耕地質(zhì)量等別分別為7.91、8.96等時(shí)，耕地碳吸收和碳排放達(dá)到平衡，等別優(yōu)于平衡點(diǎn)時(shí)，耕地碳吸收量大于碳排放量，表現(xiàn)為碳匯，反之為碳源。第三，兩區(qū)多個(gè)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因素與農(nóng)田固碳能力間存在顯著相關(guān)關(guān)系，具體指標(biāo)及影響程度既有相似之處，又各有差別；通過情景模擬對(duì)豫東區(qū)耕地質(zhì)量和固碳能力影響顯著的指標(biāo)，依次為反映作物產(chǎn)量水平的利用系數(shù)、灌溉保證率、排水條件，而太行山前區(qū)依次為灌溉保證率、利用系數(shù)、地形坡度。第四，可以采取耕地質(zhì)量建設(shè)措施實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的共同提升，建議太行山前區(qū)耕地質(zhì)量建設(shè)工程的重點(diǎn)方向應(yīng)依次為農(nóng)田灌溉工程、作物產(chǎn)量提升工程、土地平整工程；豫東區(qū)則依次為作物產(chǎn)量提升工程、農(nóng)田灌溉工程、農(nóng)田排水工程。

參考文獻(xiàn)：

［1］王小彬，武雪萍，趙全勝，等. 中國農(nóng)業(yè)土地利用管理對(duì)土壤固碳減排潛力的影響［J］. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，44（11）：2284-2293.

［2］全世文. 中國糧食安全戰(zhàn)略及其轉(zhuǎn)型［J］. 華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2022（3）：112-121，207.

［3］張雄智，李帥帥，劉冰洋，等. 免耕與秸稈還田對(duì)中國農(nóng)田固碳和作物產(chǎn)量的影響［J］. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，25（5）：1-12.

［4］張 國，逯 非，王效科. 保護(hù)性耕作對(duì)溫室氣體排放和經(jīng)濟(jì)成本的影響：以山東滕州和兗州為例［J］. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，46（5）：34-37.

［5］曹志宏，秦 帥，郝晉珉. 河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯的演變趨勢及其集聚特征分析［J］. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2018，26（9）：1283-1290.

［6］呂斯涵，張小平. 山東省農(nóng)業(yè)凈碳匯時(shí)空演化特征分析［J］. 水土保持學(xué)報(bào)，2019，33（2）：227-234.

［7］匡麗花，葉英聰，趙小敏，等. 基于農(nóng)用地分等修正的土地整治項(xiàng)目對(duì)耕地質(zhì)量的影響評(píng)價(jià)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（17）：198-205.

［8］陳學(xué)砧，高 星，趙華甫. 土地整治項(xiàng)目區(qū)耕地質(zhì)量提升評(píng)價(jià)［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（12）：405-410.

［9］肖衛(wèi)東，杜志雄. 抓住耕地和種子“兩個(gè)要害”夯實(shí)糧食安全根基：現(xiàn)實(shí)問題與政策建議［J］. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2023，44（2）：196-204.

［10］宋艷華. 河南省農(nóng)用地產(chǎn)能影響因素評(píng)價(jià)研究［J］. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2011，25（9）：1-5.

［11］許曉婷，韓申山，趙敏寧，等. 高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)對(duì)耕地產(chǎn)能的提升能力研究［J］. 國土資源科技管理，2019，36（5）：89-96.

［12］徐 麗，于貴瑞，何念鵬.1980s—2010s中國陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)量的變化［J］. 地理學(xué)報(bào)，2018，73（11）：2150-2167.

［13］羅海秀，王龍昌. 基于ArcGIS的重慶市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯特征研究［J］. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，40（3）：91-97.

［14］石岳峰，吳文良，孟凡喬，等. 農(nóng)田固碳措施對(duì)溫室氣體減排影響的研究進(jìn)展［J］. 中國人口·資源與環(huán)境，2012，22（1）：43-48.

［15］劉慧芳，畢如田，郭永龍，等. 晉中市耕地質(zhì)量空間分異格局與影響因素研究［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，52（12）：216-224，289.

［16］王曉嬌，蔡立群，齊 鵬，等. 培肥措施對(duì)旱地農(nóng)田土壤CO2排放和碳庫管理指數(shù)的影響［J］. 草業(yè)學(xué)報(bào)，2021，30（2）：32-45.

［17］阿依吐爾遜·沙木西，艾力西爾·亞力坤，劉曉曼，等. 烏魯木齊土地利用碳排放強(qiáng)度時(shí)空演變研究［J］. 中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2020，41（2）：139-146.

［18］周文昌，索郎奪爾基，崔麗娟，等. 排水對(duì)若爾蓋高原泥炭地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響［J］. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，36（8）：2123-2132.

［19］羅 紈，蔡思成，李印娟，等. 江蘇沿海墾區(qū)暗管排水農(nóng)田輪作對(duì)土壤有機(jī)碳的影響模擬［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38（18）：138-146.

［20］張 晶，黨建友，張定一，等. 節(jié)水灌溉方式與磷鉀肥減施對(duì)小麥產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用效率的影響［J］. 水土保持學(xué)報(bào)，2020，34（6）：166-171.

［21］蔣光昱，王忠靜，索 瀅. 西北典型節(jié)水灌溉技術(shù)綜合性能的層次分析與模糊綜合評(píng)價(jià)［J］. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，59（12）：981-989.

［22］索 瀅，孟彤彤，馬海峰，等. 水聯(lián)網(wǎng)智慧灌區(qū)節(jié)水灌溉技術(shù)綜合水效率評(píng)價(jià)研究［J］. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2021，40（7）：138-144.