黑龙江省黑土地质量评价指标体系构建

姜 宁，王 斌，谢永刚

（1黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150086；2东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030；3黑龙江大学工商管理学院，哈尔滨 150074）

0 引言

黑土地具有质地疏松、土壤肥力高、供肥能力强等优势。乌克兰的乌克兰平原、美国的密西西比平原、中国的东北平原以及南美洲阿根廷至乌拉圭的潘帕斯草原是全世界仅有的四大黑土区[1]。东北黑土区作为世界四大黑土区之一，以高有机质和高肥力而著称[2]，为中国提供的粮食产量占全国粮食总产的20%以上，商品粮率高达60%以上[3]。东北地区粮食生产地位的大幅度上升，离不开黑土地的支持和承载[4]。经过长期的高强度耕作，缺乏保护措施，导致黑土地质量下降。为了合理利用黑土地，维持黑土地的可持续性，有必要对黑土质量现状进行评价[5]。通过对黑龙江省黑土地开发利用现状调查，筛选适宜黑土地质量的代表性指标，用以反映黑土地质量状况，构建黑土地质量评价指标体系，跟踪黑土地质量变化趋势，在一段时间内，依据评价单元内黑土地质量改善情况，提出相应的黑土地保护措施。目前无论是国家或地方层面的规范条例，还是诸多学者开展的专业研究，土地质量评价涉及的指标已很广泛，指标体系已很完善。然而，在调查过程中，对黑土地保护效果缺少科学评价体系，目标责任难以落实[4]。如果能够建立易获取且可以量化并反映黑土地特性的评价指标体系，评价黑土地的保护状况，落实土地使用者保护黑土地的责任，为黑土地保护有关政策的制定提供科学依据。基于此，本研究以县级行政区划作为评价单元，突出黑土地保护的特点和地区性，构建黑龙江省黑土地质量评价指标体系，以期实现对黑土地质量的全面评价。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑土地资源在我国很多地区均有零星分布，但集中连片分布主要在东北黑土区。黑龙江省黑土主要分布在中北部，总面积大约有4824727 hm2[6]，土壤类型主要有暗棕壤、白浆土、黑钙土、草甸土和典型黑土5种类型，其中暗棕壤土占比最大，约占全省总黑土面积的66%。据有关统计，当今东北黑土区耕作层土壤有机质含量平均减少1/3，局部地区减少幅度达到1/2[7]。黑土地土壤肥力降低、土地生产能力下降等一系列问题，已成为影响中国粮食生产和食品安全的重要影响因子[8]。

目前黑土地质量现状与存在的主要问题有：（1）水土流失严重，导致黑土地质量日趋下降；黑土地在中国所处的地理位置为较高纬度，坡长、坡缓及具有季节性冻融等特点。春季冰雪消融时，在水力、重力与冻融反复作用下，对黑土侵蚀严重[9]。同时黑土地又处于季风气候区，降雨多集中在夏、秋季，暴雨较多且涉及面积广，在坡状耕地上流水侵蚀作用较强，使得水土流失现象严重。第三次全国土壤侵蚀遥感调查结果显示，东北黑土区，水土流失面积已达到整个黑土区的37.9%[10]。（2）耕作方式不科学，导致黑土地物理性状恶化；自从实行家庭联产承包到户责任制以来，实行一家一户小型机械作业，整地深度浅，致使犁底层上移，耕层土壤团粒结构被破坏，孔隙度下降、土壤通气透水能力降低、导致蓄水保墒能力下降，造成土壤板结。土壤的理化性质与生态功能严重退化[11]，阻碍作物根系下扎，使得耕种管理困难，土壤易涝易旱[12]。长期的高强度利用，加之土壤侵蚀，黑土地自然肥力逐年下降[13]。（3）耕作者对黑土地质量保护意识淡薄；耕作者在对黑土地的使用过程中，对黑土地质量保护的认知程度影响到黑土地的保护成效。目前，一方面，在黑土地耕作的农民年龄偏大，受教育水平比较低，而且受到传统农耕思想的束缚，更多的是追求单位土地的收益最大化，很少会考虑黑土地的可持续利用；另一方面，没有建立合理完善的补偿机制去激励积极主动参与黑土地保护行动，进一步制约了耕作者对黑土地保护的积极性。同时，当前土地管理法中对土地保护的责任落实主体为各级人民政府[5]，缺乏对耕作者的责任约束。

中国加强了对黑土地的保护政策，2017年出台了《东北黑土地保护规划纲要（2017—2030年）》；2020年，农业农村部、财政部联合印发《东北黑土地保护性耕作行动计划（2020—2025年）》，逐步形成了黑土地保护的政策氛围，为黑土地保护提供了制度上的保障[7]。黑土地的质量状况不同，采取的保护措施也有所不同，因此建立行之有效黑土地质量评价体系势在必行。

1.2 评价单元划分

黑土地质量评价是以黑土地资源持续保护为目的，即在一段时间内，作为评价耕地、林地、草地、湿地等土地利用方式下的黑土地质量改善情况的依据。评价单元是黑土地质量评价的基础。黑土地保护是一项长期工程，既要评价各种保护技术措施的长期实施效果，也要考虑各种保护措施的年度落实情况。因此，以县域作为一个评价单元，可以保证评价结果能够落实到一定的区域内，通过对这个县域内黑土地质量进行鉴定、评估，反馈黑土地保护措施实施结果。

以县级行政区划作为评价单元，在县域内布设监测点位，监测点数目随经济水平提高可以加密，使监测数据更加精准。每个县级政府负责本县内监测点位黑土地质量监测。以县级行政区划作为评价单元的优势在于：（1）有利于覆盖全省各种土地利用方式的黑土类型；（2）在全省范围看，所获得黑土地质量指标数据在各县域均有分布，当站点布设密度相近时，可以打破站点空间分布的不均匀性，避免指标数据在全省布局的聚集或稀疏现象；（3）有利于与国内气象、地形、土壤、土地利用/覆被等数据融合。

1.3 评价指标

1.3.1 指标选取原则 黑土地评价指标选取可遵循如下原则：1）实用性、有效性原则。选取的指标能正确反映黑土地的基本特征和功能，根据现有仪器和测量设备能达到较高的精度水平；2）代表性、简易化原则。指标选取对于黑土地质量评价中具有主要的、代表性强且简易化的指标，尤其是各个县级监测点容易提取和监测的指标，避免指标体系过于复杂，提取难度大和不容易定量测定的指标；3）因地制宜地选取对环境变化敏感性强的因素指标。指标选取时要考虑对黑土地的耕作方式、秸秆还田、气候变化等有较强的敏感反应，同时还要体现因地制宜和不同地域特性。

1.3.2 指标选取注意事项 根据黑龙江省黑土地分布广、面积大、地形地貌复杂等特征，包括黑土地作为稀缺资源的重要性和战略性以及考虑今后大规模布点的实际评价监测需求，除了遵循上述原则，实际操作过程中还需要考虑以下因素：（1）选取的指标应兼顾中国已开展过的、未来可能开展的全国土壤普查工作，避免重复工作，浪费资源；（2）在空间方面，适当兼顾全国及区域的主体功能区规划、农业可持续发展规划、流域水系等；（3）在时间方面，充分考虑到黑龙江是中国最北最冷省份、冬季寒冷漫长等自然地理特点，年内黑土地质量监测应兼顾季节变化，长期黑土地质量监测应兼顾国家五年规划等。

1.3.3 指标选取依据 对于省域大尺度的黑土地质量评价，选取的指标不仅适用于耕地，同时还应该拓展到林地、草地、湿地等土地利用方式和土地等级及评价。参考2016年，国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会[14]联合发布《耕地质量等级》国家标准GB/T 33469—2016，和全国土壤普查办公室[15]著《中国土壤普查技术》中关于等级分类及分级区间的确定，根据指标选择原则及注意事项，笔者制定了黑龙江省黑土地质量评价指标与分级标准，见表1。黑龙江省黑土地质量评价指标中，土壤物理、化学指标是在有关文献中筛选的常规易测指标[16-17]，其中一级指标4个，二级指标23个。

表1 黑龙江省黑土地质量评价指标与分级标准

1.3.4 不同土地利用类型评价指标 黑土地质量监测指标应随土地利用类型的不同而有所差别。依据黑龙江省主体功能区规划对黑龙江省土地利用类型的划分，分别制定了耕地（包括旱地和水田）、林地、草地等几种主要土地利用类型的评价指标，并将选取的二级指标设为必选指标和可选指标2种（见表2～5），在统一监测必选指标外，各地可根据实际情况，在可选指标中增设适宜指标。

表2 旱地土地质量评价指标

表3 水田土地质量评价指标

表4 林地土地质量评价指标

从表2～5可以看出，对于各种类型的土地，土地或黑土层厚度、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、有效钾、pH均设为必选指标，这些指标基本能够反映黑土地质量下降、黑土层变薄、土壤酸化、耕作层变浅等问题，如果辅以部分可选指标，可以全面评价各地、各种土地利用方式下的土地质量状况。

表5 草原土地质量评价指标

1.4 评价方法

1.4.1 评价方法选择原则 目前土地质量评价方法多种多样，其中确定评价因子权重的方法主要有主成分分析法、层次分析法和模糊综合评判法，评定等级有权重指数和法、模糊神经网络模型等[18]。这些评价方法各有优缺点，并不完全适用于黑土地质量评价。由于黑土地质量评价涉及到空间范围划分、大量测点布设、人员参与以及大量监测数据汇总的量化工作，因此，选择评价方法应该遵循以下原则：（1）具备一定的数学机理，尽量避免人为经验因素过多参与评价过程，以保证评价结果的客观性和科学性；（2）为了便于基层科技人员理解，理论方面尽量简单易懂，避免复杂和深奥；（3）操作和实现过程简便明了，以便基层科技人员能够熟练应用；（4）不需要提供监测指标体系之外其他资料，能够对黑土地质量进行量化分级。

1.4.2 黑土地质量评价方法 根据评价方法选择原则，特别注重黑土地质量评价的目标，本研究提出一个黑土地质量综合评价指数BSQI(Black Soil Quality Index)，作为黑土地保护的土地质量评价方法如式(1)所示。

式中：n为选取的黑土地质量评价指标数量，j=1,2,…,n；Wj为第j个评价指标权重，采用主成分分析法确定；Gj为第j个评价指标等级量化结果，依据该指标的土地质量监测数据和指标等级标准确定。

利用BSQI综合评价黑土地质量等级主要步骤如下：

（1）构建监测数据标准化矩阵。将黑土地质量监测数据表视为m行（m个监测点）n列（n个评价指标）矩阵，为消除各指标数量级和量纲不同带来的影响，将该矩阵进行标准化处理得到标准化矩阵X。标准化方法见式(2)。

式中：x*ij为标准化矩阵X第i个样点的第j个指标数据，i=1,2,…,；xij为第i个样点第j个指标的原始监测数据；、Sj分别为第j个指标原始监测数据的平均值和标准差。

（2）推求标准化矩阵的协方差矩阵。采用式(3)推求标准化矩阵X的协方差矩阵：

式中：V为X的协方差矩阵；XT为X的转置矩阵。

（3）求协方差矩阵的特征值和特征向量。在主成分分析方法中，与主成分对应的特征向量各元素（即特征向量各分量）可以反映“指标对主成分作用的相对大小和作用方向”[19-20]。因此，本研究采用协方差矩阵最大特征值对应特征向量分量的绝对值计算评价指标权重，如式(4)所示。

式中：aj为最大特征值对应的特征向量分量。

对于采样点单个指标等级评价，可由黑土地保护质量评价指标与分级标准直接查得，将单个指标的权重与其评价等级的乘积加和，即可得到最终的综合评价指数。可见，本研究采用主成分分析方法确定指标权重，不依赖主观经验，可以保证评价结果的客观性和科学性，评价过程易于理解，简便易行。

2 黑土地质量评价指标体系的应用

2.1 建立监测数据库

由于缺少完整的县市土壤质量监测数据，为了展示黑土地质量等级评价方法与评价过程，对张兴义等[21]著《黑土地利用与保护》第106～107页数据进行了随机化增大及缩小处理，并增加了土体厚度、pH等资料，从而模拟了某县5个乡镇（分别命名甲、乙、丙、丁、戊）的旱地土壤质量监测数据见表6。

表6 某县5个乡镇旱地土壤质量监测结果

2.2 数据分析

利用表6数据，采用上述主成分分析方法，求得的协方差矩阵最大特征值为4.9037，对应的特征向量分量及确定各评价指标的权重见表7。

2.3 计算黑土地质量综合评价指数(BSQI)

根据表6数据和表7指标权重，计算某县5个乡旱地土壤质量评价的结果，见表8。依据最终的综合评价指数，评价该县5个乡镇各监测点的黑土地质量等级。

表7 某县5个乡旱地土壤质量评价指标权重

由表8可见，采用本文提供方法，可以利用多种指标通过综合评价获得各样点的土壤质量等级，可以克服采用单个指标的评价结果互补相容的缺陷。另外，需要说明的是，本文的算例对各乡镇单个采样点的土壤质量评价可以拓展到更多的点位，当全省大量布点后，通过对各点位的长期连续观测，可以构建覆盖全省范围的黑土地质量动态监测数据库，利用本文的提供的黑土地质量评价体系（评价指标与评价方法）可以实现对全省范围的黑土地质量等级进行实时评价。

表8 某县5个乡镇旱地土壤质量等级综合评价结果

3 结论

笔者在对黑龙江省黑土地质量目前存在的问题进行系统分析的基础上，遵循实用性、有效性、代表性、连续性和简易化等原则，选取了土壤厚度、土壤养分、土壤酸碱度和土壤侵蚀4个一级指标，土体厚度、黑土层厚度、有机质含量、全氮含量、全磷含量、pH等23个二级指标反映黑龙江黑土地质量状况，以县级行政区作为评价单元，利用黑土质量综合评价指数(BSQI)确定各种土地利用类型的质量等级，以方便黑土地使用者进行全面、深入地土地保护考核。

笔者的创新点在于考虑到黑土地质量评价体系的最终目标是用于指导决策黑土地保护政策，因此评价指标的选取既要反映土地质量同时兼顾可操作易量化且连续性，真实地客观反映土地质量状况。

4 讨论

为了加强黑土地保护，保证黑土地质量评价体系的顺利实施，提出以下建议：建立长期监测点布局，增加监测点分布，使得监测指标多样化，掌握黑土地质量的动态变化；评价单元数据监测时做到监测采样标准化、采样方法一致性；根据黑土地质量等级，制定详细、合理的保护政策，实施一段时间以后，根据黑土地质量评价体系进行评价，对评价以后的结果予以公布和反馈，奖优罚劣，进一步发挥评价体系的作用。