东北典型黑土区耕地地力评价与障碍因素诊断*

张立江，汪景宽，裴久渤，李双异，安婷婷

(沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳 110866)

·资源利用·

东北典型黑土区耕地地力评价与障碍因素诊断*

张立江，汪景宽※，裴久渤，李双异，安婷婷

(沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳 110866)

研究目的：从影响耕地地力的土壤管理、理化性质、土壤养分、剖面性状、立地条件和气候条件等6个方面选取13个评价指标对东北典型黑土区耕地地力进行综合评价，并在评价基础上进行障碍因素诊断，为今后定量化分析耕地地力障碍因素提供方法。研究方法：该研究运用层次分析法和模糊数学法等方法进行耕地地力评价，并引入障碍度模型对影响该区域耕地地力的障碍因素进行定量化分析。研究结果：(1)东北典型黑土区耕地地力整体呈现南高北低的趋势，其中以中等地(四、五、六、七等地)为主，占研究区总耕地面积的64.47%；其次为高等地(一、二、三等地)，占研究区总耕地面积的28.31%；低等地(八、九、十等地)最少，只占研究区总耕地面积的7.22%；(2)对研究区评价指标体系中耕层厚度、有机质、有效磷、pH、灌溉能力、排涝能力6个指标进行障碍度分析，发现除有效磷和pH对耕地地力障碍作用不明显外，其他因素均有明显障碍作用，且障碍程度呈现一定的规律性。研究结论：(1)通过对研究区进行耕地地力评价，对东北典型黑土区的耕地数量和质量在空间分布特征上有了全面掌握，为今后耕地的合理利用提供了依据；(2)障碍度模型的引入为分析影响耕地地力的障碍因素提供了定量化的研究方法，为耕地地力保护和提升研究提供了方法支撑。

东北典型黑土区 地力评价 障碍度模型 障碍因素 定量化

0 引言

耕地是物质生产尤其是农业生产中最重要的生产资料，是文明生存和发展最根本的物质基础，其变化对粮食安全、社会稳定，甚至一个国家或者地区的社会经济可持续发展均有重要影响[1-4]。近几十年来，人口增长、环境恶化、耕地面积减少等因素导致人类与耕地的矛盾越来越明显，耕地潜力的深层次发掘利用已经迫在眉睫[5]。

中国耕地地力评价主要开始于1996年农业部在全国开展10个省的耕地基础地力分等定级试点工作，之后全国如火如荼地开展了县级、市级、省级以及区域耕地地力评价。但是对其研究多集中在地力评价和地力提升两方面，而基于地力评价结果进行深入挖掘影响耕地地力障碍因素的研究较少，且基本以定性分析为主[6-8]。而且这些文章多是独立分析各个障碍因素，没有将各障碍因素对耕地地力的影响进行综合分析[9]。 障碍度模型是建立在综合评价模型基础上的，是用来对影响事物发展的障碍因素进行全面挖掘的一类全新数学模型，能对评价目标水平或者程度进行病理诊断，理清和挖掘出对评价目标影响的主要障碍因子。其作为定量分析障碍因素的模型已经在农业生态安全[10]、 城市土地利用绩效评价[11]、 耕地集约利用评价[12]、 耕地生态安全评价[13]、工业生态安全[14]、 水资源风险评价[15]等方面展开广泛研究并且取得了丰硕成果，但在耕地地力评价方面应用较少。因此，该研究试图利用该模型对耕地地力评价指标进行诊断，挖掘出主要障碍因素，这对今后有针对性地进行耕地地力提升工作将有重要意义。

东北典型黑土区(东北平原中部)不仅是中国的主要商品粮基地，而且是中国甜菜、亚麻、向日葵等经济作物的主产区和畜牧业基地[16]，是影响中国粮食安全的关键地带。但是，由于多年重开发、轻保护，目前黑土区面临严重的土壤侵蚀和养分流失等威胁，致使耕地地力逐渐下降，改造中低产田，培肥、提升耕地地力成为该地区亟需解决的问题[17]。基于此，该研究对该区域进行耕地地力评价，全面掌握该地区耕地地力现状，并应用障碍度模型对影响耕地地力的障碍因素进行诊断，以期为该区域培肥和提升耕地地力工作提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

东北典型黑土区地处北纬42°23′～51°00′，东经123°32′～128°19′。位于东北平原中部，纵贯黑吉辽3省，主要包括黑龙江省的嫩江县、五大连池市等25个县，吉林省农安县、梨树县等13个县以及辽宁省昌图县在内的共计39个县(图1)。土壤类型主要是黑土和少量暗棕壤。地貌类型以平原为主。东北典型黑土区位于亚洲大陆东部，大陆性强，冬夏温差大，属于温带季风性气候。可分为寒温带、温带和暖温带。春季大风，干燥少雨； 夏季受东南季风影响，湿润多雨； 秋季在南部海洋湿润气流和西北、北部西伯利亚极地气流影响下，常发生阴雨天气，但风速较春季小； 冬季西伯利亚大陆气团控制全区。天气变化主要取决于西风带低压槽，随着西风带低压槽自西北蒙古东移，冷空气随之自西北向东南推进，气温急降，局部地区出现大风和雪暴。

1.2 数据来源与处理

在进行采样时充分考虑广泛代表性、兼顾均匀性、时效一致性、数据完整性原则，兼顾土壤类型、行政区划、地貌类型、地力水平等因素，最终共筛选出7 447个样点用于典型黑土区耕地地力评价。筛选出的样点信息主要包括样点编号、位置、采样时间等基本信息，以及立地条件、理化性状、耕作管理等方面数据。同时，考虑相关数据的现势性要求，根据拾漏补缺的原则，开展了实地补充调查，其中补充调查内容包括：规范原调查项目的填写、增加调查项目、完善点位各种养分资料等。

对土壤养分等数值型数据，采用空间插值提取的方法，为各评价单元赋值； 对灌溉能力、耕层质地等定性因子，采用“以点代面”方法，将点位中的属性联入分配给评价单元图； 地貌类型、降水量、积温等专题图形式的因子，则直接将专题图与评价单元图进行叠加，获取相应数据。

2 研究方法

2.1 地力评价指标体系构建

构建指标体系是进行耕地地力评价的关键，涉及土壤管理、土壤养分、气候条件等各个方面。本研究应用特尔菲法[19]， 从全国64个耕地地力评价指标中筛选出对该区域耕地有较大影响的6类共13个评价指标组成评价指标体系(表1)。其中根据植物生长规律在土壤养分中选出有效磷和有机质2个评价指标； 在土壤管理中选择灌溉能力和排水能力2个评价指标； 成土母质影响土壤形成的方向、性质和速度，并且由不同成土母质发育而来的土壤间的养分、质地、微量元素、机械构成等都有差别，对土壤肥力影响较大。所以在理化状况这一类中选择pH值和质地2个评价指标，在立地条件这一类中选择成土母质、地貌类型2个评价指标。

表1 研究区耕地地力评价指标体系及其权重

目标层准则层指标层权重东北典型黑土区耕地地力土壤管理排涝能力0.0514灌溉能力0.0718理化性质pH值0.0589土壤质地0.0766土壤养分有效磷0.0568有机质0.0881剖面形状剖面构型0.0581耕层厚度0.0628有效土层厚度0.0673立地条件成土母质0.0912地貌类型0.1003气候条件年降水量0.1022有效积温0.1145

2.2 指标权重确定与地力等级划分

本次评价采用了特尔斐(Delphi)法与层次分析法(AHP)[20]相结合的方法确定权重，首先采用Delphi法，由专家对评价指标极其重要性进行赋值。在此基础上，利用层次分析法将耕地地力评价指标按照它们之间隶属关系分层，然后对各层进行相对重要性的比较，利用判断矩阵计算得出量化关系，从而确定其权重(表1)。通过专家打分法将概念型指标标准化同时运用隶属度函数将数值型指标标准化[19]。 利用加权求和计算耕地地力综合指数(IFI)，并利用累积频率曲线法进行耕地地力分等[21]， 分等标准详见表2，共划分为十等[22]。

表2 研究区耕地地力分等

耕地地力等级耕地地力综合指数(IFI)耕地地力等级耕地地力综合指数(IFI)一等>0.818464六等0.6620265～0.693314二等0.7871765～0.818464七等0.630739～0.6620265三等0.755889～0.7871765八等0.5994515～0.630739四等0.7246015～0.755889九等0.568164～0.5994515五等0.693314～0.7246015十等≤0.568164

2.3 耕地地力障碍因素诊断

该研究引入障碍度模型来定量化研究影响东北典型黑土区耕地地力的障碍因素。模型主要变量包括“因子贡献率”、“指标偏离度”和“障碍度”。其中，因子贡献率(Vij)表示准则层i中单项指标j对评价体系的作用程度[23]， 即评价体系中指标j的权重； 指标偏离度(Bij)表示准则层i中单项指标j与该指标理想值的差距，即评价体系中指标隶属度与1(100%)之差； 障碍度(Mij)表示第i项准则层中第j项指标对耕地地力的障碍作用程度，即障碍因素诊断的目标与结果。计算公式如下：

Bij=1-Aij

(1)

(2)

式中，Mij—指标障碍度；Bij—指标偏离度；Vij—因子贡献率；Aij—指标隶属度。按照等距法将指标障碍度分为无障碍(0)轻度障碍(0%～10%)、中度障碍(10%～20%)和重度障碍(>20%)4个等级[23]。

3 结果与分析

3.1 耕地地力等级数量分析

如表3 所示，东北典型黑土区耕地地力等级中一等质量最好，十等质量最差。研究区总耕地面积约为825.39万hm2，其中，以三、四、五、六等地为主，分别占总耕地面积的15.57%、15.18%、24.13%、17.59%，总计占总耕地面积的72.47%； 一、二、七、八等地所占比例相差不多，约占总耕地面积的4%～7%左右； 九、十等地面积最少，只占总耕地面积的1.19%和1.68%。

将东北典型黑土区耕地地力等级按高(一、二、三等地)、中(四、五、六、七等地)、低(八、九、十等地)分析发现，高等地总耕地面积为233.66万hm2，约占总耕地面积的28.31%； 中等地总耕地面积为532.14万hm2，约占总耕地面积的64.47%； 低等地总耕地面积约为59.58万hm2，占总耕地面积的7.22%。

表3 东北典型黑土区耕地地力等级面积与比例

地力等级面积(万hm2)比例(%)地力等级面积(万hm2)比例(%)一等47.195.72七等62.487.57二等57.957.02八等35.954.36三等128.5215.57九等9.791.19四等125.2715.18十等13.841.68五等199.1724.13总计825.39100.00六等145.2217.59

图2 东北典型黑土区耕地地力空间分布

3.2 耕地地力等级空间分布特征

从研究区耕地地力等级的空间分布来看(图2)，高等地主要集中于五常市至昌图县的狭长平原区域内，该区域是东北平原(松嫩平原和松辽平原)的主体，地势平坦、土壤肥沃、水资源丰富、耕作条件好； 中等地主要分布于五常市以北至嫩江县的广大区域，这与该地区丘陵分布较多有关，此外有效积温和年降水量也是导致该地区中等地分布较多的原因； 低等地分布较少，且分布不集中，主要分布在嫩江县北部地区。此地区以山地为主，耕地土层薄等是导致地力等级低的主要原因。此外，在依安县西部、兰西县西北部、公主岭市西部均有少量分布，这可能与耕地的过度利用有关。

3.3 障碍因素诊断

运用障碍度模型对研究区耕地地力评价指标进行障碍因素诊断。由于有效积温、降水量、土壤质地、剖面构型、成土母质、地貌类型、有效土层厚度等指标不易于改良，因此该研究只对有机质、有效磷、pH、灌溉能力、排涝能力和耕层厚度6个评价指标进行障碍度诊断。

表4为各耕地地力评价指标障碍因素障碍度情况。耕层厚度主要存在轻度障碍和中度障碍，耕地面积约为703.77万hm2，约占总耕地面积的85.26%。其中无障碍的耕地面积约为118.06万hm2，约占总耕地面积的14.30%，主要集中分布于北安市、五大连池市和嫩江县的大部分区域以及昌图县和铁东区； 存在轻度障碍的耕地面积为321.44万hm2，约占总耕地面积的38.94%，主要集中分布于典型黑土区北部地区的克东县、克山县、讷河市以及嫩江北部，中部地区的望奎县、兰西县北部、呼兰区、松北区、双城市和宾县等，其他地区分布较为分散(图3a)； 存在中度障碍的耕地面积最大，耕地面积为382.33万hm2，约占总耕地面积的46.32%，广泛分布于克山县以南，昌图县以北地区； 存在重度障碍的耕地只有非常小的比例，耕地面积约为3.56万hm2，约占总耕地面积的0.43%，主要集中分布在农安县部分地区，公主岭也有小范围分布。

图3 各障碍因素障碍程度空间分布特征

有机质的障碍程度呈现出由北向南逐渐加重的趋势(图3b)。其中，有机质无障碍的耕地面积为249.53万hm2，占总耕地面积的30.23%，主要集中分布于海伦市-克东县-克山县-讷河沿线及以北地区； 存在轻度障碍的耕地面积为275.05万hm2，占总耕地面积的33.32%，集中分布在海伦市-克东县-克山县-讷河沿线以南至五常市以北地区； 中度和重度障碍分别占总耕地面积的22.47%和13.97%，其中存在中度障碍的耕地主要分布在双城市以南，昌图县以北地区； 而存在重度障碍的耕地则主要分布于榆树市和德惠市以及公主岭市以南，昌图县以北的广大区域。

有效磷对耕地地力基本无障碍作用，有效磷无障碍的耕地面积占总耕地面积的92.43%； 轻度障碍的耕地占总耕地面积的7.59%，零星分布于典型黑土区的中南部地区，以公主岭市至昌图县之间分布最多(图3c)。

pH主要以轻度障碍为主，占了总耕地面积的96.68%，其他均为中度障碍，存在中度障碍的耕地主要分布在九台市、农安县和梨树县(图3d)。

灌溉能力无障碍的耕地面积约为67.93万hm2，占总耕地面积的8.23%，主要分布于五常市至九台市之间的部分区域； 存在轻度障碍的耕地，面积约为88.83万hm2，占总耕地面积的10.76%，主要分布在克山县与讷河县的交界区域以及农安县和梨树县等地区； 存在中度障碍的耕地最多(图3e)，面积约为644.46万hm2，占总耕地面积的78.08%，空间分布特征为北部相比南部更为集中； 存在重度障碍的耕地只占总耕地面积的2.93%，零星分布在明水县、榆树市和昌图县。

排涝能力主要以轻度障碍为主(图3f)，耕地面积约为487.61万hm2，占总耕地面积的59.08%，其中北部区域基本都存在排涝能力轻度障碍，南部区域较为分散； 其次为中度障碍，存在中度障碍的耕地面积约为247.35万hm2，占总耕地面积的29.97%，主要分布在梨树县以南地区、德惠市周边地区以及双城市以北至望奎县地区，其他地区有零星分布； 其余为存在重度障碍的耕地，主要分布在梨树县、昌图县的部分区域。

4 讨论

(1)该文对跨行政区东北典型黑土区的耕地地力情况进行了评价，分析了研究区的耕地地力面积、比例以及各等级耕地的分布特征。同时引入障碍度模型，对影响耕地地力的障碍因素进行诊断，分析了各障碍因素的障碍程度，在针对某种属性的地域耕地地力评价及耕地地力障碍因素定量分析方面进行了有益探索。

(2)东北典型黑土区土地肥沃，地势平坦，土壤类型主要为黑土和暗棕壤，地貌类型以平原为主，因此耕地质量较好，以中高等地为主，低等地很少。耕地地力空间分布特征可能受积温、降水等因素影响呈现出南高北低的分布趋势。已有文献专门对典型黑土区研究较少，因此，该文针对东北典型黑土区进行地力评价并研究其障碍因素对东北典型黑土区的耕地利用、保护与提升具有重要的现实意义和参考价值。

(3)近些年来由于连续过量施用磷肥等可能是磷在典型黑土区中含量普遍较高的原因；pH值以轻度障碍为主说明东北典型黑土区土壤酸碱化的情况不严重，对耕地地力影响较小； 由于人为过度开发利用、水土流失等原因容易造成耕层厚度下降，有机质流失等问题； 灌溉能力和排涝能力障碍程度在一定程度上反映了对耕地的建设投入，对于存在较大障碍程度的耕地今后应当加强基础设施建设投入。此外，该文没有对有效积温、年降水量、地貌类型、成土母质、有效土层厚度、剖面构型、土壤质地等7个指标进行障碍度诊断，并非这些指标对耕地地力没有障碍作用，而是这些障碍因素不太容易改良，且分析方法与其他指标相同。因此该文只进行了其他6类指标的障碍度诊断，既是本着为地力提升服务的思想，同时也探索了耕地地力障碍因素分析方法。

(4)该文运用障碍度模型对影响耕地地力的障碍因素进行了综合分析，今后可以依据障碍度诊断结果进行耕地地力提升方面的研究。此外，深入研究障碍度模型的应用方面，将障碍度模型与耕地地力提升相结合，挖掘出障碍因素与耕地地力提升难易程度的深层联系，为耕地地力提升工作提供依据也将成为今后研究的热点问题。

表4 研究区耕地地力评价障碍因素障碍度分析

障碍障碍度(%)面积(万hm2)比例(%)障碍程度耕层厚度0118.0614.3无0～10321.4438.94轻度10-20382.3346.32中度>203.560.43重度有机质0249.5330.23无0～10275.0533.32轻度10-20185.522.47中度>20115.313.97重度有效磷0762.992.43无0～1062.197.53轻度10-200.30.04中度pH0～10797.9896.68轻度10-2027.43.32重度灌溉能力067.938.23无0～1088.8310.76轻度10-20644.4678.08中度>2024.172.93重度排涝能力074.218.99无0～10487.6159.08轻度10-20247.3529.97中度>2016.221.97重度

5 结论

该文通过运用特尔斐法和模糊数学法等方法对东北典型黑土区进行耕地地力评价，掌握了东北典型黑土区的耕地各等级面积以及空间分布特征。同时引入障碍度模型对影响东北典型黑土区耕地地力的障碍因素进行了定量化诊断，对今后在耕地地力方面的研究也作了展望。主要结论如下。

(1)东北典型黑土区耕地地力等级以中高等地为主，其中中等地(四、五、六、七等地)占总耕地面积的64.47%，高等地(一、二、三等地)占总耕地面积的28.31%，低等地(八、九、十等地)最少，占总耕地面积的7.22%。

(2)东北典型黑土区耕地地力空间分布特征主要表现为：五常市以南以高等地(一、二、三等)为主，以北以中等地(四、五、六、七等)为主，低等地(八、九、十等)耕地面积较少，在全区的西部和北端有零星分布。

(3)应用障碍度模型对东北典型黑土区耕地地力评价指标进行障碍度分析表明：有效磷对研究区耕地地力基本没有障碍作用；pH主要为轻度障碍，而在梨树县、五常市等地分布少量重度障碍耕地； 耕层厚度以轻度障碍和中度障碍为主，其中轻度障碍耕地主要分布于研究区北部的克东县、克山县、讷河市以及嫩江北部，以及中部地区的望奎县、兰西县北部、呼兰区、松北区、双城市和宾县等地，中度障碍耕地广泛分布于克山县以南，昌图县以北地区； 有机质呈现出由北向南障碍度逐渐增大的趋势，而海伦市-克东县-克山县-讷河沿线及以北地区有机质基本无障碍，双城市以南、昌图县以北地区耕地主要存在中度障碍，榆树市和德惠市以及公主岭市以南、昌图县以北的广大区域的耕地主要存在重度障碍； 灌溉能力主要以中度障碍为主，集中分布于双城市以北地区； 排涝能力基本以轻度障碍为主，其次为中度障碍，主要分布于公主岭市以南地区。

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EVALUATION OF CULTIVATED LAND FERTILITY AND ITS OBSTACLE FACTORES DIAGNOSIS IN THE TYPICAL BLACK SOIL AREA OF NORTHEAST CHINA*

Zhang Lijiang，Wang Jingkuan※，Pei Jiubo，Li Shuangyi，An Tingting

(College of Land and Environment, Shenyang Agriculture University, Shenyang，Liaoning 110866,China)

This paper selected 13 evaluation indicators from the six aspects influencing cultivated land fertility, i.e., the soil management, physical and chemical properties, soil nutrient, soil profile character, site conditions and climate conditions to evaluate the fertility of cultivated land in typical northeast black soil area comprehensively, and then analyzed the obstacle factors on the basis of the evaluation using the methods such as Analytic Hierarchy Process (AHP) , fuzzy mathematics method, and obstacle degree model. The results showed that: (1) The cultivated land fertility of the typical black soil area of northeast China overall was low in north and high in south area. The level of cultivated land in the typical northeast black soil area was mainly middle (from fourth level to the seventh level), which accounted for 64.47% of the total cultivated land. While the high level cultivated land accounted for 28.31% of the total cultivated land; the area of the low level cultivated land accounted for 7.22% of the total cultivated land. (2)By analyzing the obstacle degree of the six indexes, i.e., the thickness of the middle layer cultivated land, organic matter, available P, pH value, irrigation, drainage in the study area, the effects of available p and pH were not obvious in typical black soil area. However, the other four factors had significant influences. It concluded that: the spatial distribution characteristics of the quantity and quality of the cultivated land in typical black soil of northeast area were found, which provided a basis for the rational utilization of cultivated land in the future. The obstacle degree model which was introduced in the research provided a quantitative analysis method in the cultivated land fertility protection and promotion in the future.

typical black soil area in northeast China; evaluation of cultivated land fertility; obstacle degree model; obstacle factors; quantitative

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170117

2016-06-24 作者简介：张立江(1989—)，男，河北邢台人，硕士。研究方向：土地资源管理与保护。※通讯作者：汪景宽(1963—)，男，辽宁丹东人，教授、博士生导师。研究方向：土壤肥力和土地资源管理。Email：j-kwang@163.com *资助项目：农业部耕地质量保护项目“东北黑土区耕地地力数据汇总及评价”； 国家自然科学基金项目“东北地区主要旱田土壤有机碳动态演变、平衡点预测及固碳潜力估算”(41171237)

S155.2+7;F

A

1005-9121[2017]01110-08