旱塬区新增耕地质量和粮食产能影响因素分析——以占补平衡项目为例

何振嘉，贺伟，李刘荣，张俊,4，李河

(1. 陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075； 2. 西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048； 3. 中交一公局西北工程有限公司，陕西 西安 710199； 4. 陕西地建关天投资建设有限公司，陕西 宝鸡 721000)

耕地是保障粮食生产和粮食安全的重要资源，而保证耕地数量不减少和耕地质量不降低是中央农村工作会议提出的明确要求.根据中国耕地质量评定结果，耕地普遍存在的问题：耕地等别较低、粮食产能较低、土壤有机质不足、基础地力差，且受到不同程度的农业污染、工业污染、土壤污染以及地下水污染等，总体耕地质量较差.在国家“山、水、林、田、湖、草”一体化背景下，生态型土地整治项目已成为有效解决荒地、坡耕地水土流失和土壤侵蚀等现象的有效方式，对于耕地保水保墒和增加作物产量、整合零散破碎的土地资源以及保障中国粮食安全具有重要的推进作用.

占补平衡项目通过机械施工整平未利用土地，有利于消除地形坡度、降低地面径流；同时，配合田间管理和保护性耕种等农艺措施，能有效涵养水土，特别是有利于土壤养分、有机质含量提高.此外，通过相应的水土保持措施，提高耕地抗侵蚀程度，是保障中国粮食安全的一项重要手段[1-2].通过占补平衡项目增加耕地数量、提高耕地地力水平，已初步取得成效，以粮食产能为核心的耕地占补平衡新模式也逐渐被推广.土地整治对新增耕地质量具有显著影响.谢向向等[3]研究了土地整治项目对粮食产能的贡献情况，结果表明粮食产能随着新增耕地面积增加而增加，但受投资强度影响，低投入产生的新增耕地质量较差，会对粮食产能产生负面影响.芦艳艳等[4]研究表明，通过土地整治项目实施，改善了基础设施条件，在对表层土壤质地、有机质含量以及灌溉保证率提升的基础上，有效提高了土地自然等别和利用等别.陈正发等[5]针对云南坡耕地障碍因子进行综合治理，重点对田面坡度、土壤有机质、灌溉保证率、有效磷、速效钾、pH值进行针对性改善，有效提升了耕地质量.赵海乐等[6]对内蒙古河套-土默川平原区耕地整治区域进行划定，优先开展对土地质量提升潜力较高并且集中连片的地块进行整治.邵雅静等[7]对宝鸡地区耕地质量障碍因子进行分析，由土层深度、有机质含量和灌溉保证率等因素限制耕地质量提升的土地，超过了宝鸡市耕地总面积的66.11%.

新增耕地粮食产能影响因素较多，目前已有较多研究从耕地数量变化[8]、耕地资源变化[9]以及耕地质量变化[10]对粮食影响方面进行了研究，也提出了通过科技投入、生产条件改善和资源配置优化等措施[11]提升耕地质量的方法和路径，但其研究多集中于中国东北、华北等粮食生产大省以及平原地区，对于旱塬沟壑区新增耕地对粮食产能影响因素相关研究很少.因此，开展旱塬区粮食产能影响因素研究具有重大意义.文中以典型的旱塬沟壑区千阳县2017年耕地占补平衡项目为例，利用计量经济学Logistic回归模型，从构成粮食产能的主要因素出发，分析不同因素对粮食产能的影响效果；同时，对项目实施前后新增耕地土壤理化性质变化进行分析，为渭北旱塬区耕地保护和粮食产能的提高提供一定借鉴.

1 试验区概况

千阳县位于陕西省宝鸡市西北部，地形地貌为典型的渭北黄土旱塬，地理坐标介于106°56′15″～107°22′31″E，34°34′34″～34°56′56″N，海拔710.0～1 545.5 m.千阳县气候为温带大陆性季风区半湿润气候，年均降雨量627.4 mm.耕地总面积236.52 km2，人均耕地面积0.02 hm2，土壤以黄性土、红土、紫色土和黑垆土的覆盖面积为大，分别占耕地面积的41.2%，12.8%，10.8%和24.7%.土层厚度为10～20 m，土壤pH值为7～8，0～30 cm耕作层平均土壤容重为1.39 g/cm3；平均有机质、土壤氮素、有效磷和速效钾质量比分别为14.02 g/kg，0.68 g/kg，13.87 mg/kg和165.42 mg/kg；土壤疏松，透水、透气性好，蓄水保墒能力强，主要种植小麦、玉米等.2017年千阳县实施并竣工的耕地占补平衡土地整治项目共3个，实施其他草地开发总面积109.74 hm2，实现新增耕地103.73 hm2，其中水浇地70.48 hm2，旱地33.25 hm2，新增耕地等别为10～11等.

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及参数确定

研究中所使用的主要数据来源：农用地分等数据来源于1∶10 000陕西省县级耕地质量等别年度更新数据(耕地质量利用等数据)[12]、千阳县自然资源局提供的基于《农用地质量分等规程》(GB/T 28407—2012)以及《陕西省高标准农田新增耕地和新增产能工作技术指南》(试行)[13]的耕地质量等别评定报告[14]以及2017年项目耕地土壤检测报告[15].技术依据：《陕西省耕地质量等别年度更新评价县级技术手册》[16]，千阳县2017年耕地质量等别数据库[17]，千阳县2017年土地利用现状图和影像图[12].依据《耕地质量等级》(GB/T 33469—2016)，千阳县属黄土高原区—渭北陇东黄土旱塬区，其标准耕作制度为春玉米和冬小麦，二年三熟.中春玉米光温生产潜力指数和气候生产潜力指数分别为2 346和1 968，冬小麦光温生产潜力指数和气候生产潜力指数分别1 077和784，指定作物产量比系数为1.选取地形坡度、土壤侵蚀度、有效土层厚度、表层土壤质地、土壤有机质含量以及灌溉保证率作为分等因素.

粮食产能计算式[12]为

Y=Sn(D-Kn)×15×100，

(1)

式中：Y为粮食产能，kg；Sn为新增耕地面积；D为产能计算常数，D≤16(当产能为0时，D=16)；Kn为新增耕地平均质量等别.

新增耕地平均质量等别计算公式

(2)

式中：Kn为项目区内耕地平均质量等别；n为项目区内核定单元总个数；Ki为第i个核定单元的耕地质量利用等别；Si为第i个核定单元的耕地面积.

2.2 样品采集和数据计算

在千阳县2017年3个占补平衡项目(分别记为A1，A2，A3)范围内进行土样采集；分别采集项目实施前、后以及项目实施1 a后和3 a后的土壤数据.利用直径6 cm的土钻按对角线法设在面积为1 m×1 m的样方内分层取土样3个，取土样深度为0～30 cm，每层为10 cm，试验做3次重复.土壤粒度及微团聚体采用MS3000型粒度分析仪测定.土壤氮素含量采用UDK129型凯氏定氮仪测定；有机质含量采用DU-30G油锅法测定；有效磷含量采用752N紫外可见分光光度计测定；速效钾含量采用M420火焰光度计测定[18].

土壤分散系数计算公式[19]为

(3)

式中：M为土壤分散系数，%；a为土壤微团聚体分析黏粒含量；b为土壤机械分析黏粒含量.

土壤结构系数计算公式[19]为

N=(1-M)×100%，

(4)

式中：N为结构系数，%.

土壤结构破坏率计算公式[19]为

P=[(mf-mw)/mf]×100%，

(5)

式中：P为结构破坏率，%；mf，mw分别为>0.25 mm粒度的力稳性团聚体和水稳性团聚体的质量，g.

采用环刀法测定土壤容重及孔隙度，土壤总孔隙度计算公式[20]为

Q=[(ds-rs)/ds]×100%，

(6)

式中：Q为总孔隙度，%；ds为土粒密度，g/cm3；rs为土壤容重，g/cm3.

水稳性团聚体按照湿筛法测定，采用2 000，250和53 μm的分样筛，分别获得>2 000，(250，2 000]，(53,250]和≤53 μm的土壤团聚体和黏粉粒含量.称取土样50 g，在室温下将土样放在2 000 μm的套筛上，使桶内的去离子水量刚好淹没土样，保持浸泡5 min；利用自动筛分仪上下振动筛分，每次振动幅度为3 cm，频率为30次/min，上下振荡5 min.分别将2 000，250和53 μm筛子上的部分用去离子水冲洗到已烘干称重的铝盒中；筛分2 000，(250,2 000]，(53,250] μm土壤团聚体时，去掉水表面漂浮的植物残体等，于60 °C下烘干至恒重；≤53 μm部分则在4 000 r/min下使用离心机离心5 min后收集，将样品烘干后称重，记录各粒级团聚体质量，再分别计算各粒级土壤团聚体质量所占比例.其中：>2 000和(250,2 000] μm为水稳性大团聚体，(53,250]和≤53 μm为水稳性微团聚体.

2.3 研究方法

为综合考虑耕地占补平衡对粮食产能的影响，以千阳县主要作物冬小麦和夏玉米作为量化标准，评价千阳县耕地占补平衡新增耕地的粮食产能.新增耕地平均耕地等别采用项目区所在千阳县2017年度耕地质量等别年度更新评价相关参数，以新增耕地面积、新增耕地等别、新增耕地基础设施(含道路条件、灌排设施等)、新增耕地单位面积投资、新增耕地年限等为新增耕地粮食产能影响因素.

利用Logistic回归模型分析各因素对粮食产能的影响，计算式为

(7)

因变量为新增耕地产能Y；自变量即影响因素：新增耕地面积X1、新增耕地等别X2、新增耕地基础设施X3、新增耕地单位面积投资X4、新增耕地年限X5.各变量含义及赋值情况见表1，预期影响“+”表示因变量和自变量间存在正向关系.

采用Excel 2007处理数据，对相关试验数据进行Pearson相关检验，当显著性低于0.05时，认为存在显著相关关系.

表1 变量含义及赋值情况Tab.1 Variable meaning and assignment

3 结果分析

3.1 千阳县2017年新增耕地等别和粮食产能计算

表2为2017年千阳县内新增耕地粮食产能Y变化(A为耕地面积，B为平均耕地等别)，2017年实施的3个耕地占补平衡项目实现的耕地面积分别为：A1项目(63.830 6 hm2：其中水浇地60.976 1 hm2，旱地2.854 5 hm2)、A2项目(水浇地9.509 5 hm2)以及A3项目(旱地33.253 8 hm2).分析可知，新增耕地等别和面积对粮食产能具有较大影响.A1，A2及A3项目的粮食产能分别为570.19，85.58以及249.40 t，可以看出粮食产能随新增耕地面积增大而增大，但受新增耕地地类影响较大.水浇地项目的粮食产能显著高于旱地项目的粮食产能，A1项目中，新增水浇地面积占比为新增耕地的95.53%，而创造的粮食产能占比为96.25%.由项目A2和A3比较分析可知，新增水浇地单位面积粮食产能为9.0 t/hm2，而新增旱地单位面积上粮食产能为7.5 t/hm2，单位面积上水浇地较旱地的粮食产能增加率提高25%.这是由于通过占补平衡项目的实施，增加了资金和技术投入，改善了原有土地土壤、水源以及生产条件，促进了新增耕地等别的提高，新增耕地土壤地力条件不断加强，进而促进了新增耕地产能的提升.

表2 千阳县2017年占补平衡项目粮食产能计算Tab.2 Calculation of grain production capacity of Qianyang County′s 2017 complementary balance project

3.2 占补平衡项目对新增耕地土壤理化性质的影响

项目实施完成后项目区种植冬小麦和夏玉米，两年三熟制.表3为占补平衡项目实施不同年限后，新增耕地土壤物理性质变化情况，表中物理量为质量分数ω、土壤分散系数M、土壤结构系数N、土壤结构破坏率P.分析可知，土壤总孔隙度、大团聚体、水稳性团聚体和微团聚体均随着项目实施年限增加而显著变大(P<0.05)，土壤结构破坏率显著降低(P<0.05)，抗侵蚀能力得到显著提高(P<0.05).土壤总孔隙度表征土壤疏松程度，可为微生物提供良好的生产环境，有利于促进作物根系生长发育.

表3 占补平衡项目对新增耕地土壤物理性质的影响Tab.3 Impact of complementary balance project on soil physical properties of newly increased cultivated land

由表3可以看出，在项目实施后，土壤总孔隙度首先出现了一定程度的下降，降幅为1.56%，而在项目实施1 a和3 a后，出现显著提高(P<0.05)，分别较项目实施前提高8.19%和9.36%.这主要是由于项目实施过程中对地块进行了机械压实，休耕时期在降雨作用下增强了土壤紧实度.而随着耕种和土壤翻耕等农业措施的进行，导致耕作层土壤质地疏松，总孔隙度变大.土壤团聚体是构成土壤结构的基础，其数量和稳定性也是土壤熟化程度的重要表现之一.分析可知，土壤大团聚体与项目实施年限呈显著正相关关系(P<0.05)，而微团聚体与项目实施年限呈显著负相关关系(P<0.05)，且均为项目实施后变化幅度最大，项目实施1 a和3 a后变化幅度较低.经过长期耕种、施肥等措施，水稳性团聚体随项目实施年限的增加显著增加(P<0.05)，与项目实施前相比，各年度增幅分别达到0.48%，5.71%和7.18%，说明土壤养分状况也不断得到改善.土壤结构系数是指参与团聚化的黏粒与黏粒总量的比值，结构系数越大，微团聚体的水稳性越强，土壤结构的养分状况也越好.分析可知，在项目实施前后，土壤结构系数表现为先降低后增加规律，在项目实施3 a后达到最大，为19.13%；土壤分散系数则表现为相反的变化规律.结合土壤结构破坏率观察，土壤耕作年限越久、土壤熟化程度越高，土壤结构破坏率也越低，这主要由于土壤翻耕和水肥施入使得土壤有机质和养分不断积累，促进了土壤颗粒团聚作用.与项目实施前相比，土壤结构破坏率仅在项目实施后出现了一定程度的增大，在项目实施1 a和3 a后显著降低(P<0.05)，分别较项目实施前降低0.89%和1.44%，土壤抗侵蚀能力得到显著改善.

3.3 占补平衡项目对新增耕地土壤养分的影响

项目实施后，通过旋耕施加生物有机肥进行土壤培肥，施肥量为3 000 kg/hm2.表4为项目实施后不同年份新增耕地土壤养分变化情况，表中ρ为质量比.分析可知，经过占补平衡项目实施，土壤养分含量整体呈良性变化，均在项目实施3 a后达到较高水平.土壤有机质质量比在项目实施后显著提高(P<0.05)，较项目实施前提高10.20%，这主要是由于项目实施完成后，会通过客土培肥等措施增大有机质质量比，而随着耕种、施肥行为的开展和持续进行，土壤熟化程度不断提升，导致有机质质量比逐渐增大，在实施3 a后达到最大值15.78 g/kg，但增加幅度逐渐趋于缓和.全氮质量比是土壤氮素供应能力的重要体现，随着项目实施年限增加，土壤全氮质量比也逐年增加，并于项目实施3 a后达到最大值0.92 g/kg.与项目实施前相比，全氮质量比在项目完成各阶段增幅分别为19.11%，3.70%和3.57%，项目实施完成后增量最大，这主要是由于项目实施完成后，会通过客土培肥等措施补充氮素，且项目实施后普遍会存在一定的休耕期，使得土壤氮素得到一定积累，分析可知，全氮质量比变化规律与有机质变化规律相似.土壤有效磷质量比在项目实施后出现一定程度的降低，较项目实施前降低4.47%，而实施1 a和3 a后得到逐步提升，分别较项目实施前提高10.45%和13.05%，这主要是由于项目实施中所采用的培肥材料一般为尿素和生物有机肥，其中所含磷肥较低，且随着土壤有机质质量比增加，加剧了土壤微生物活动强度，肥料中的部分磷肥被吸附固定.另外，由于项目区土质为黄绵土，土壤中较高的碳酸钙含量也会对施入磷肥产生一定固定作用，而随着耕种和土壤翻耕的田间管理措施的介入，土壤中有效磷质量比逐渐得到显著提高(P<0.05).整体上，土壤速效钾质量比变化在项目实施后有所提高，较项目实施前提高5.59%(P<0.05)，但随着实施年限提升，速效钾质量比虽略有提高，但均处于相对稳定的状态，占补平衡项目的实施可有效改善土壤养分状况.

表4 占补平衡项目对新增耕地土壤养分的影响Tab.4 Impact of complementary balance project on soil nutrients of newly increased cultivated land

3.4 新增耕地粮食产能影响因素

根据构成影响粮食产能的重要因素，对新增耕地面积、新增耕地单位面积投资、新增耕地年限、新增耕地等别以及新增耕地基础设施等进行Logistic回归模型验证.表5为不同因素对新增耕地粮食产能的影响情况，表中Wald值表示卡方值，OR值表示优势比.通过计算，平行线检验中卡方为29.6，显著性为0.253，大于0.05，说明Logistic回归模型可进行各因素对粮食产能的影响模拟，通过似然比检验，模型具有较高的精度.

表5 新增耕地粮食产能影响因素分析Tab.5 Analysis of factors affecting grain production capacity of newly increased cultivated land

新增耕地面积与粮食产能之间呈现显著的正相关关系(P<0.05)，显著性水平为0.013，影响系数为0.134，说明新增耕地面积越大所创造的粮食产能也越高.但值得注意的是，单位耕地面积上的粮食产量是有限的，由于粮食产量受耕地面积或实际播种面积影响较大，因此，在实际粮食产能的估算中要做好后期移交管护工作，确保新增耕地不出现撂荒等现象，切实保证新增耕地粮食产能提高.新增耕地单位面积投资额的高低综合体现了耕地开发难度和投入程度，一般而言，单位面积投资的提高主要是由于提高耕地基础地力(例如土壤翻耕和土壤培肥等)、配套完善田间灌排系统，增大水浇地开发面积，因此有利于产能提高.从分析结果观察，粮食产能随新增耕地单位面积投资提高而增大，影响系数为0.183，高于新增耕地面积影响系数，且具有统计学意义(P<0.05).新增耕地年限与粮食产能成正向影响(P<0.05)，这是由于新增耕地土壤熟化程度不高，且土壤中有机质和其他营养元素缺乏，但随着年限增加，土壤地力条件得到改善，会逐渐促进粮食产能提高.

耕地等别是气候、地貌、土壤、植被、水文等以及与耕地利用有关社会经济条件的综合反映，对新增耕地粮食产能的影响具有统计学意义(P<0.01).以耕地等别9级为参照，可以看出，10级=2的优势比OR值为0.169，11级=1的优势比OR值为0.127，呈显著降低趋势，说明新增耕地等别越高，粮食产能也越大.由于耕地等别能综合反映宏观尺度上的耕地质量，可直接与粮食产能相挂钩，因此，现有自然资源系统对于粮食产能的计算均以单位面积上的新增耕地等别为依据，估算精度也较高.

新增耕地基础设施完善情况是提高粮食产能的有力保障.由于千阳县地处旱塬丘陵地带，可开发后备资源分布环境较差，水源保障率低，交通不便，尤其是田间道路基础较差，不仅难以满足耕作，更易增加各种耕种材料运输成本，极大地阻碍了机械化进程和当地群众的耕作意愿.因此，新增耕地基础设施的配套完善也是促进粮食产能提高的重要影响因素.从结果可见，基础设施对粮食产能的影响系数为负值，新增耕地基础设施与粮食产能产生负向影响，且随着基础设施完善程度的提高，其影响系数逐渐增大，说明道路条件和灌排设施完善程度与新增耕地粮食产能呈显著正相关关系(P<0.05).综合分析，各因素对新增耕地粮食产能影响程度由大到小依次是等别，面积，基础设施，年限和单位面积投资.通过占补平衡项目实施可使耕地等别提升1～2等.

4 讨 论

粮食产能高低是新增耕地质量各因素综合作用的结果，由于粮食产能是单产与其对应耕地面积的乘积，因此各新增耕地面积的大小对粮食产能大小有着重要的影响.在各外部影响因素相同的情况下，新增耕地粮食产能随新增耕地面积增加而增大，但由于不同占补平衡项目实施区域存在的问题以及针对不同情况进行土地整治的模式有所不同，导致各区域提高新增耕地粮食产能的途径也有所不同.根据项目实施区域的土壤理化特性、土壤剖面构型、地形坡度、水源情况以及道路通达情况等条件的不同，对有效提高耕地粮食产能的途径主要有通过改造、消除耕作中的限制因素以提高耕地生产能力，通过完善基础设施提高耕地生产能力，以及通过增加对新增耕地的投入引导农户对耕地的投入、经营以提高耕地生产能力.恶劣的土壤条件是限制作物增产、提高生产能力最重要的因素，例如有效耕作土层较薄、土壤有机质含量不足、氮磷钾等营养成分较少，以及土壤存在侵蚀度较高和盐碱化等情况，均会对粮食产能的提高产生不利影响，因此要根据不同区域的土壤情况，进行针对性的土壤翻耕、培肥等措施以提高其土地生产能力.新增耕地农田水利灌溉排水设施对新增耕地粮食产能的提高具有显著影响，水利设施完善，可提高农田灌溉保证率，既有利于增加水浇地面积，又能通过配套的田间水利工程以及水土保持措施提高新增耕地抗旱、固沙以及减少水土流失的能力，极大地降低了新增耕地减产风险.而道路通达情况，有利于促进农业机械集约化、规模化生产，也便于提高土地的经营管理和集中流转.

占补平衡项目实施前后，会有大量的资金和技术等投入到新增耕地建设中.而随着新增耕地单位面积投资的提高，原有的土壤条件、水源条件以及其他生产条件均能得到很大的改善，形成了良好的耕地基础，并通过向完成项目的镇、村移交等工作，明确权属和后期管护责任，促进了土地所有人对新增耕地的重视程度，能有效影响其增加对耕地的投入和集约经营.此外，通过土地整治能显著提高耕地质量，且随着土地整治年限的延长，土壤理化特性和生物性特性均会显著改善，土壤抗蚀性能也可得到显著提高.耕地自然属性的重点在于土壤质量，而社会经济属性包括耕地的管护质量和土地利用质量.耕地自然属性受作物种植区域水文气候条件、地形地貌条件、土壤理化性质和土壤养分等影响，但更重要的是，农业生产投入、耕地利用方式、田间灌排设施、道路通达程度、农业科技投入以及后期管护等措施，均会对耕地的社会经济属性产生重要影响，进而对粮食产能的提升产生显著推进作用.中国现有耕地资源约1.28亿hm2，但其中仍有70%以上属于中低产田，为耕地资源保护和粮食安全保障带来了巨大压力.耕地质量对粮食产量的提高具有决定性影响，因此要在符合实际情况的前提下，通过土壤翻耕、培肥等基础地力提升措施改善土壤条件，通过提高单位面积投资，配套完善田间水利设施等方式，尽可能通过水利设施建设来提升灌溉保证率以提高粮食产能.

耕地等别虽对粮食产能的影响最大，但由于单位耕地面积上的粮食产量是有限的，因此实际耕作面积是制约粮食产能提高的一项重要因素.另外，新增耕地在建设完成初期，理论产量和实际产量均会处于相对较低水平，是否能随着耕作年限的延长得到有效保护和利用将是提高粮食产能的关键，因此要在做好工程措施提高耕地等别的基础上，切实落实好项目后期管护工作，并加大政策扶持，避免出现新增耕地撂荒现象，提高新增耕地利用效率.

5 结 论

以典型的黄土旱塬丘陵沟壑区千阳县2017年占补平衡项目为例，以冬小麦和夏玉米为量化标准，对新增耕地粮食产能的影响因素了进行分析，并利用Logistic回归模型分析了新增耕地各因素对粮食产能的影响.得到以下主要结论.

通过占补平衡项目实施可使耕地等别提升1～2等,且新增耕地中的水浇地面积占比越大，新增耕地等别越高；水浇地项目的粮食产能显著高于旱地项目的粮食产能，单位面积上水浇地较旱地的粮食产能增加率提高25%.土壤总孔隙度、大团聚体、水稳性团聚体和微团聚体均随着项目实施年限增加而显著变大(P<0.05)，土壤结构破坏率显著减小(P<0.05)，抗侵蚀能力得到显著提高(P<0.05).土壤耕作年限越久、土壤熟化程度越高，土壤结构破坏率也越低，土壤抗侵蚀能力得到有效改善.通过项目实施，土壤有机质和土壤养分含量较项目实施前不断改善.整体而言，文中试验条件下，对新增耕地粮食产能影响程度按因素排序由大到小表现为新增耕地等别，新增耕地面积，新增耕地基础设施，新增耕地年限，新增耕地单位面积投资.