晋南地区小麦—玉米轮作区耕地质量评价研究

崔茜，毕如田，李发志，赵建明

(1.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801；2.山西省土壤肥料工作站，山西 太原 030001)

我国耕地评价有很长的历史，最早可追溯到2000多年前《尚书·禹贡篇》和《管子·地员篇》中关于黄河流域及长江中下游土壤分类评价的记载，但上世纪50年代才进入系统的研究阶段：最初是由政务院在1950年召开的土壤肥料大会，紧接着由财政部在1951年组织调查全国耕地等级评定工作；上世纪80年代末期，随着3S技术的发展应用，耕地质量评价工作得到突飞猛进的发展，并取得一批重大成果[1]。目前耕地质量评价研究的主要方法及成果有：毕如田等[2]以山西省闻喜县为例，基于MAPGIS技术建立了闻喜县耕地地力评价资源数据库系统；刘智超等[3]利用聚类分析法结合地统计学方法，对江苏省赣榆县耕地质量评价进行了实证研究；赵建军等[4]基于AHP和GIS对吉林省耕地质量空间分布进行研究，同时验证了使用遥感数据评价耕地质量的适用性；王建国等[5]研究了模糊数学在耕地质量评价中的应用，以山东泰安山区为例对耕地质量评价模型进行了验证；夏建国等[6]利用主成分分析法对陕北干旱地区旱作耕地土壤的10个样本进行耕地质量评价探索研究；吕焕哲等[7]应用灰色关联分析法研究了湖南省邵阳市5个土地复垦工程项目对耕地质量评价的影响；于东升等[8]以江西省余江县为例，经过BIO-NORM与NORM耕地质量评价方法对比，确定评价指标、指标权重以及隶属度函数对研究区水田进行耕地质量评价研究。

以上研究大多以县域为研究单位，研究区域尺度较小；虽有以市为研究对象的文章，但没有结合当地农作物特点来研究。本文着重建立中大尺度耕地质量评价体系，形成宏观上的评价思想，因此，以晋南地区小麦—玉米轮作区所在的19个县市为研究单位，选取1229个采样点进行耕地质量评价研究，根据各评价指标的综合得分得到19个县市不同耕地等级，比较准确地反映小麦—玉米轮作区的耕地质量分布状况，为轮作区提高综合生产能力、增产增收提供有力的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

晋南地区指山西省西南部，是中华文明的发祥地之一，北与晋中、吕梁接壤；东靠太岳山、中条山,与长治、晋城市为邻；西与陕西相隔黄河而望。研究区涉及运城、临汾两市，包括运城市13个县市与临汾市6个县市，地理坐标东经110°15′～112°34′,北纬34°35′～36°26′，总国土面积19 698.07 km2，其中耕地面积7 886.87 km2，占国土总面积的40.04%，主要种植农作物有小麦、玉米、棉花、谷子、高粱以及油料作物等。研究区域地处晋南盆地，位于汾河下游，是传统的农业区，土壤主要为褐土；气候温和，属于暖温带、温带大陆性气候，夏季高温多雨。

2008～2012年，研究区小麦播种面积范围为475 930～510 502 hm2，总产量1 536 136 ～2 323 907 t，平均每公顷产量3.091～4.582 t，最大产量年为2012年；玉米播种面积范围286 260～392 980 hm2，总产量1 333 726～2 159 729 t，平均每公顷产量为4.659～5.951 t，最大产量年为2010年 (以上数据来源于山西省统计年鉴)。

1.2 数据来源与处理

1.2.1 基础数据

采用2009年第二次土地调查数据库中1∶5万的土地利用现状数据；遥感影像DEM数据为美国SRTM数据；积温采用华北地区小麦—玉米轮作区耕地质量评价数据，利用ArcGIS空间分析功能配准将属性赋值于样点；土壤属性数据来源于耕地质量评价资料中1229个样点分析数据，主要分析项目为有效Zn、pH、有机质、耕层质地、耕层厚度、灌溉保证率和成土母质等，根据研究区地形地貌等实际情况，采样点密度达到平均每600公顷一个样点。由于本文是在中大尺度下进行耕地质量评价研究，样点密度达到评价数据的要求。

1.2.2 耕地质量评价指标的选取与计算方法

目前对数据的标准化处理有3种方法：Min-Max标准化、Z-score标准化以及Decimal scaling小数定标标准化，此处采用Z-score方法进行标准化处理。

(1)耕层质地：土壤耕层质地是土壤的较稳定的物理属性之一，耕层质地的优良对耕地质量的好坏有直接影响。由于耕层质地是概念型评价因子，通过专家打分确定质地对耕地质量的隶属度[2]。

(2)耕层厚度：玉米对耕层厚度有较严格要求，需在土层深厚、肥力水平高的土壤上种植，才能保证其在较短的生育期内吸收最多的养分与水分。本文根据采样点数据实际情况，将耕层厚度分为3个等级：30～45 cm、20～30 cm、<20 cm。

(3)坡度：坡度数据由SRTM-DEM分析提取，根据全国第二次土地调查标准，利用ARCGIS软件将坡度分为5个等级：一级<2°、二级2～6°、三级6～15°、四级15～25°、五级>25°，得到晋南地区坡度等级分布图。不同坡度级别的耕地对应不同耕作的干扰[9]，地势平坦的耕地方便管理，有利于大面积作物种植，减少水土流失带来的养分流失。

(4)pH值：根据小麦、玉米生长习性，土壤pH值在6.0～8.0内均可种植，但在pH值6.8～7.0的中性土壤上种植最为适宜。由于晋南地区土壤普遍偏碱性，pH值均达到7.0以上，所以此处pH值函数类型属于戒下型[2]，pH值越高，对土壤质量越不利。

(5)有机质：土壤有机质用以表现土壤中有机生命体的物质，可以改善土壤物理性质，促进植物生理活动。有机质是衡量耕地质量的重要因子之一。

(6)有效锌：根据玉米生长特性，其生长期对锌元素较为敏感，在幼苗出土后2 w期间，缺锌叶片即出现“花叶条纹病”，若土壤中有效锌少于0.5 ～1.0 mg·kg-1，即需要施锌肥以保证玉米正常生长。

(7)灌溉保证率：由于玉米生长生育期较短，需水量多，在玉米整个生育期的田间持水量必须保持60%～80%之间，水分不足会出现叶片卷曲现象，引起产量下降。

(8)成土母质：母质是土壤形成最基础的原始物质，决定了土壤质地、矿物成分、酸碱度等各方面属性，影响了土壤的发育和肥力，研究区地处黄土高原，母质主要为黄土。成土母质为概念型评价因子，同样采用专家打分法确定各母质对耕地质量的隶属度[2]。

(9)积温：积温是研究温度与植物生长发育之间关系的指标之一，植物在完成其生命周期时需要一定的积温保障。尤其玉米生长周期短，属喜温作物。研究区积温差异较大，年积温4000～5500℃之间，分布规律为由南向北递减。

综上所述，根据晋南地区的实际情况，结合小麦玉米生长习性以及必须营养元素与敏感因素，选取土壤物理条件、土壤理化性状、气候条件、土壤管理4项因素9项指标构成小麦玉米复播区耕地质量评价指标体系，如表1所示。

表1耕地质量评价指标体系

Table1 Cultivated land quality Evaluation index system

评价因素Evaluationfactors代码The code评价指标The evaluationindex代码The code土壤物理条件A1耕层质地A11耕层厚度A12成土母质A13坡度A14气候条件A2积温A21土壤理化性状A3pHA31有机质A32有效ZnA33土壤管理A4灌溉保证率A41

1.3 评价方法

1.3.1 层次单排序

目前确定权重的方法有很多，层次分析法将因素两两进行比较，具有明显的将定量分析与定性分析相结合的优点，本文将应用层次分析法通过构造判断矩阵得到准则层权重。

(1)构造判断矩阵。设准则层A={A1，A2，…Aj},根据本文4个评价因素：A1=土壤物理条件，A2=气候条件，A3=理化性状，A4=土壤管理，依据1～9标度法得到判断矩阵：

(3)一致性检验。为了确定此矩阵的特征向量是否合理，须对其进行检验核对。

式中：CR-判断矩阵的随机一致性比率，CI-判断矩阵一致性指标,RI-判断矩阵的平均随机一致性指标。由公式可得CI=0.015，RI=0.900，CR=0.017<0.1，通过一致性检验。即特征项量u为各指标权重。

1.3.2 层次总排序

层次总排序是从最高层到最底层逐层进行的过程[10]，上一层元素A1、A2、A3、A4总排序已得到相对应权重值u1、u2、u3、u4，则本层次单次排序结果为(A11,A12,…,Amn)T，此时得到评价因子总排序，如表2所示。

为了验证此排序结果的一致性，进行一致性检验：

由结果可知此层次总排序具有较满意的一致性，通过一致性检验。

各评价因子的权重见表2。

表2 评价因子的权重

1.3.3 对采样点各指标的标准化处理

由于此指标体系中有戒上型与戒下型之分，戒上型指标值越大，代表该指标值越高；相反的，戒下型指标越小，代表其值越高。例如本指标体系中的“坡度”与“pH”值，得到其处理后结果须将正负号对调。标准化处理后得到的样点得分y与相对应的组合权重乘积之和为各指标最终得分z。综合处理得到各行政村样点结果，如表3所示。

表3 样点综合得分表

2 结果与分析

中大尺度下耕地质量评价结果按照乡级行政区分等归类即可足够表现，将1229个样点在GIS中按照乡级行政区分等，乡镇得分为各行政村得分的平均数。综合评价分数越高，等级越高，分数越低，等级越低。评价结果按照县级行政区统计结果见表4，共分为6个等级，等级分布统计图如图1所示。

表4 晋南地区耕地质量分级表

图1 晋南地区小麦—玉米轮作区耕地质量等级图Fig.1 Distribution map of the cultivated land quality of wheat and corn multiple cropping areas in Jinnan

(1)由晋南地区小麦—玉米轮作区耕地质量等级图得到，研究区一、二等地集中分布于两大区域：汾河流域下游与涑水河流域中下游区，占总面积的30.10%。涑水河流域与汾河流域都是山西省重要的粮食生产区域，两大区域地势平坦，平均海拔300～500 m，地貌类型多为低海拔河流阶地与冲洪积平原，立地条件优越；年降水量在500～600 mm之间，且汾河流域与涑水河流域为附近的农业生产提供得天独厚的水源条件；该区总体土壤条件优越，质地均匀，耕层厚度为最适宜玉米种植厚度40 cm左右，虽然西南部土壤有不同程度盐渍化，但该区光热条件突出，全年有光照近200 d，积温达到5500℃，为该区小麦、玉米的生长提供了充足光温条件。

(2)三、四等级耕地空间分布均匀，主要为中部低山丘陵区，平均海拔500～700 m，坡度在6～25°级之间，占总研究区面积的44.39%。该区地貌类型多样，地形高度起伏不一，既有冲积平原，也有中低海拔侵蚀堆积黄土和河漫滩等。自然条件水平相对较低，土壤中营养元素处于中等水平，质地良好，耕层厚度20～30 cm之间；年降水量虽达到500～600 mm，但灌溉保证率多为50%～80%，缺少充足的水源保障，限制了该区农业的发展；年积温4500～5000℃，相对两大流域区其光温条件稍欠。

(3)五、六等地各区均有分布，总体趋势为西北部火焰山区、东部中条山区以及西部孤峰山区，占总面积的25.51%。该区地貌类型复杂，有中海拔侵蚀堆积黄土、喀斯特侵蚀的中大起伏山以及黄土覆盖的中小起伏山，海拔700～1300 m，地形坡度大，立地条件无明显优势；土壤养分含量普遍较低，山地远多于丘陵与盆地，自然条件与耕地条件均比较差，降水偏少并且灌溉设施落后，部分地区无灌溉保证措施；积温多小于4000℃，不利的自然环境条件制约着当地粮食的生产力。

3 结论与讨论

本文在中大尺度下研究晋南地区小麦—玉米轮作区的耕地质量，结合当地实际情况，按照区域性大尺度原则选取适宜小麦、玉米生长的评价因子，运用层次分析法确定各指标权重，专家打分法确定概念型评价因子的隶属度，结合SPSS软件与GIS软件分析，得到晋南地区小麦—玉米轮作区以乡级行政区为单位的耕地质量分等图。结果表明晋南地区耕地质量最优区域分布于汾河下游与涑水河中下游地区，低山丘陵区次之，高山区最差，造成研究区耕地质量显著差异的原因主要表现为水源与以坡度为主的立地条件差异。

(1)两大流域附近耕地质量虽然最高，但该区土地复种指数高，地力消耗过大，导致部分区域土壤肥力不足，土壤肥力与高产高效的需求仍不适应，化肥与有机肥施用量不平衡，容易引起土壤板结；该区域应精耕细作，讲究用养结合原则，合理间作、套种，实行秸秆还田等措施，提高土壤肥力。

(2)低山丘陵区总体土壤肥力不足，氮、磷、钾比例失调，并且土体干旱，灌溉条件差成为作物高产的限制因子；虽然本区农业生产水平属中上等，但受干旱影响并没有充分发挥耕地生产能力，因此需降低干旱影响，增施有机肥提高土壤有机质含量、改善土壤理化性能，充分发挥土壤的丰产性能。

(3)高山区由于受地理环境影响，气候制约因素较大，因此地形坡度是影响农业生产的主要因素，并且土层薄，有机质含量低，抗旱能力差；该区应以通过农田基本建设、坡改梯等加强坡耕地改造提高土壤保墒能力，部分坡度过大耕地应退耕还林。

评价结果较符合晋南地区耕地质量等级分布，可为晋南地区耕地的合理利用与改善提供参考。

参 考 文 献

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