黃土旱塬區新增耕地質量等別及糧食產能影響因素

周 欣 花

(甘肅省自然資源規劃研究院,甘肅 蘭州 733000)

耕地資源是農業生產的基礎和維護糧食安全的重要保障，中央農村工作會議也明確提出了對現有耕地質量數量加強保護的基本要求[1-2]。而占補平衡項目的實施，既緩解了現有建設用地指標不足帶來的巨大壓力，同時也通過新造耕地，補充了耕地數量、提高了耕地質量，保障了國家1.20×108hm2耕地紅線不動搖戰略決策[3-4]。但根據現實生產實際來看，耕地數量增加已不能完全作為補充耕地的第一要務，對耕地質量的要求已變得越來越舉足輕重，各地區出現了以旱地改水澆地、旱地改水田以及水澆地改水田進而提高耕地質量的舉措[5]。現階段，耕地等別和糧食產能已成為綜合反映和評價耕地質量和數量的重要因素[6]，因此，如何提高新增耕地質量對提高糧食產能具有顯著影響。而對占補平衡項目區開展耕地質量評價，有利于更好的指導占補平衡項目的開展與進行，為占補平衡項目的實施提供耕地質量參考依據。截止目前，已有較多研究從耕地數量[7-8]、耕地質量[9-11]以及耕地資源[12-13]等方面對糧食產能的影響進行了報道，對科技投入、生產條件以及資源配置等[14-16]對耕地質量的影響也進行了研究，同時也利用空間統計分析、加權平均等方法分析了區域耕地質量等別限制因素及其提升對策[17-18]。新增耕地質量影響因素較多，基于糧食安全耕地質量影響因素對糧食產能的影響是目前耕地保護方面研究的熱點和難點。因此，本文以典型的隴中黃土旱塬區甘肅省景泰縣2015—2017年3個年耕地占補平衡項目為例，對新增耕地的質量等別和糧食產能進行計算，并利用計量經濟學Logistic回歸模型，從構成新增耕地質量的主要因素入手分析各因素對糧食產能的影響，為實現黃土旱塬區耕地保護和提高糧食安全保障提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于甘肅省白銀市景泰縣寺灘鄉，地理坐標位于東經103°33′—104°43′，北緯36°43′—37°38′，該區地形復雜多樣，地勢西高東低，項目區為典型的侵蝕堆積黃土丘陵地貌。年平均氣溫10.2 ℃左右，無霜期141 d，年平均日照2 669.7 h，屬溫帶大陸性干旱氣候，海拔在1 485～1 598 m，年平均凍土深度為1 m，年平均降雨量163.7 mm，其中7—9月降雨量約占全年降雨量的70%以上。項目區內土壤以淡灰鈣土為主，土層深厚，耕性良好，熟化層厚30—60 cm，為粉沙輕壤—中壤，土壤養分的平均含量：有機質1.09%，全氮0.06%，速效鉀171.8 ppm，速效磷7.9 ppm，pH值7.5，土壤容重1.4 g/m3，田間持水率24%，pH值8.1左右，土壤肥沃，通透性良好，土質富含農作物生長的各種營養成分。研究區主要種植作物類型為春小麥，熟制為一年一熟。耕地類型以旱地和水澆地為主，其中旱地57.45%，水澆地42.55%，根據《景泰縣2019年耕地質量分等更新項目》內容，研究區國家級耕地質量各等別集中在12—14等。新增耕地采用工程措施主要為將表層0—50 cm深度范圍土壤進行表土剝離，在通過工程機械提高田塊平整度，將原有條件較好的其他草地平整后進行表土回填，最后再通過旋耕施肥。項目區灌溉用水主要來源于引大入秦工程——景泰縣戈壁農業調水工程，通過引大入秦工程東二干渠引水干管引入項目區，設計流量0.42 m3/s，年供水量為4.15×106m3，可以滿足項目區灌溉需求。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

耕地質量等別評價是對各等別耕地的空間分布、面積以及各分等單元的自然、利用和經濟屬性等的綜合評價，對明確土地整治項目區耕地質量的限制性因素以及項目實施后所要達到的耕地質量級別具有重要作用，因此耕地質量等別評價在土地整治項目中已得到廣泛的應用，可作為土地利用總體規劃的基礎依據和資料。本研究所使用的主要數據來源包括：①景泰縣耕地質量等別評定成果。景泰縣2015—2017年度完成的耕地質量等別補充完善成果，包括圖件、數據庫、表冊和報告等，由此獲得土地利用系數、土地經濟系數、作物產量比系數、光溫生產力潛力指數、氣候生產潛力指數等數據。②土地變更調查數據庫。景泰縣2017年更新評價的土地變更調查數據庫。③土地利用現狀數據。景泰縣自然資源局提供的基于全國第二次土地調查土地利用調查結果的現狀圖、地形圖、等高圖、土壤類型圖等。④土地利用總體規劃數據來源于景泰縣土地利用總體規劃(2006—2020年)。⑤其他資料：包含項目立項、測量、規劃設計、竣工、復核報告、土壤檢測化驗報告、水質監測報告、環境監測報告等相關資料。

2.2 制定作物分等因素及相關參數獲取

依據《甘肅省農用地分等技術規定》，景泰縣屬中黃土高原區隴中青東丘陵農牧區，其標準耕作制度為春小麥，一年一熟。春小麥的光溫生產潛力指數為1 581，氣候生產潛力為262。景泰縣以春小麥為基準作物，其指定作物產量比系數為1.00。有灌溉設施的耕地采用光溫生產潛力，缺乏灌排保障設施的耕地采用氣候生產潛力。依據《農用地質量分等推薦因素及其分級、分值和權重》，匯總出景泰縣農用地分等補充成果中指定作物的限制因子指標值、權重、級別和自然質量分。選取地形坡度(權重為0.27)、地表巖石露頭度(權重為0.05)、有效土層厚度(權重為0.16)、表層土壤質地(權重為0.15)、土壤有機質含量(權重為0.13)、土壤pH值(權重為0.06)以及灌溉保證率(權重為0.18)作為分等因素。

2.3 樣品采集及分析方法

在白銀市景泰縣2015—2017年選取不同耕種年限的3個占補平衡項目〔分別記為Z1(1 a)，Z2(2 a)，Z3(3 a)〕范圍內進行土樣選擇，選擇10個樣地面積為20 m 20 m的研究小區，按對角線法設調查樣方3個(即3次重復)，樣方面積為2 m×2 m，在10塊標準地的30個樣地內，每個樣地采用直徑為10 cm的土鉆在每個樣方中心位置采樣，取土樣深度為0—30 cm，取1 000 g土樣，用四分法將多余的土壤棄去。全氮(TN)采用半微量凱氏法測定；土壤有效磷采用紫外可見分光光度計測定；速效鉀用乙酸銨提取—火焰光度計法；有機質用重鉻酸鉀氧化外加熱法(檢測儀器：油浴鍋DU-30G)。同時對表層0—30 cm范圍內的原狀土樣，并保存其原有結構狀態進行土壤物理性質測定[19-20]。土壤粒度及微團聚體采用粒度分析儀測定。

2.4 研究方法

①獲取2015—2017年度內新增耕地圖斑，將最近一期耕地質量等別圖與最新土地利用現狀圖的耕地圖層進行疊加，提取3個典型新增耕地圖斑，形成年度更新評價數據。②評價新增耕地的質量等別信息通過項目資料、確認新增耕地的質量等別情況及相關屬性信息，再通過外業補充調查進行檢驗，按照《農用地質量分等規程(GB/T28407-2012)》和耕地質量等別補充完善工作確定的技術方法和參數，對新增耕地進行耕地質量等別評定。③對占補平衡項目新增耕地土壤理化特性進行分析，揭示不同占補平衡項目年限對耕地土壤物理性質和化學性質的影響。④對新增耕地糧食產能影響因素進行分析。基于新增耕地糧食產能角度來看，新增耕地面積、新增耕地等別、新增耕地基礎設施(含道路條件、灌排設施等)、新增耕地單位面積投資、新增耕地年限等對新增耕地糧食產能具有較大意義。本文以有序多分類Logistic回歸模型對新增耕地糧食產能進行回歸分析。

2.4.1 新增耕地產能計算方法 新增耕地產能的計算公式為：

糧食產能=新增耕地面積×

(D-新增耕地平均質量等別)×15×100 kg

(1)

式中：D為指產能計算常數，D≤16(當產能為0時，D=16)。

2.4.2 新增耕地糧食產能影響因素分析 基于新增耕地糧食產能角度來看，新增耕地面積、新增耕地等別、新增耕地基礎設施(含道路條件、灌排設施等)、新增耕地單位面積投資、新增耕地年限等對新增耕地糧食產能具有較大意義。有序多分類Logistic回歸模型通常適用于因變量有序且是多分類的，本文將糧食產能提升情況劃分為3個等級，則該Logistic回歸模型為3分類Logistic回歸模型(見表1)。

表1 模型變量含義及賦值情況

(2)

式中：因變量Y有3個等級，低產能為“1”，中產能為“2”，高產能為“3”。自變量即影響因素有：新增耕地面積X1，新增耕地等別X2，新增耕地基礎設施X3，新增耕地單位面積投資X4，新增耕地年限X5。本研究回歸測算通過SPSS統計軟件完成。

2.5 數據統計分析

采用Excel分析軟件處理試驗數據，同時采用SPSS 11.5軟件進行統計學分析，并對相關指標進行顯著性分析，顯著性水平為(p<0.05)。

3 結果與分析

3.1 景泰縣2015-2017年新增耕地等別計算結果

本文選取景泰縣2015—2017年3個耕地占補平衡項目，整治總面積115.56 hm2，新增耕地105.98 hm2，其中水澆地97.33 hm2，旱地8.65 hm2。本文采取“因素法”對項目新增耕地等別進行評價，采取的評價方式嚴格按照《農用地質量分等規程》進行評價因素指標體系和評價系數沿用耕地質量等級補充完善成果工作中采用的參數。表2為2015—2017年選取的3個景泰縣占補平衡項目國家級自然等指數、利用等指數、經濟等指數計算結果。整體來看，2015—2017年在景泰縣實施占補平衡項目新增耕地平均等別范圍在11—12等之間。根據景泰縣2015—2017年度耕地質量等別年度更新評價成果，景泰縣項目區周邊耕地質量國家級自然等別11—12等，國家級利用等別11—12等，國家級經濟等別12—13等，平均等別為11—12等，因此可以看出，通過占補平衡項目的實施可以將新增耕地提升1—2個等別，此外，根據白銀市耕地占補平衡動態監管系統查詢可知，本文選取的3個補充耕地項目被占用的耕地平均等別為12等，因此占補平衡項目的實施得到新增水澆地等別高于被占用耕地1個等別，旱地等別與被占用耕地等別相同。這主要是在相關工程措施的投入下，增加了有效耕地面積，且提高了田間水利配套設施和改善了道路條件，通過土壤旋耕施肥的進行，增加了土壤養分和改善了土壤理化特性，有利于作物產量的提高，由于耕地等別受耕地面積、有效土層厚度、土壤養分含量、灌溉保證率以及交通條件等因素影響，因此，通過占補平衡項目的實施耕地等別較未實施前顯著提高。此外，可以看到的是，新增耕地地類對耕地等別具有較大的影響，水澆地面積占比與新增耕地等別呈顯著的正相關關系。

表2 景泰縣2017年占補平衡項目國家級自然等指數、利用等指數、經濟等指數計算結果

3.2 景泰縣2015-2017年新增耕地糧食產能計算結果

表3為2015—2017年景泰縣內3個耕地占補平衡項目糧食產能變化情況。由表3可以看出，糧食產能受耕地面積和耕地等別影響較大。2015—2017年耕地占卜平衡項目實現的耕地面積分別為38.51，27.24以及40.23 hm2，糧食產能分別為284.55，202.25以及295.08 t，糧食產能隨新增耕地面積的增大而增大，糧食產能與新增耕地平均等別呈顯著的正相關關系。此外，水澆地項目的糧食產能顯著高于旱地項目的糧食產能，2015—2017年3個項目，占補平衡項目實現的水澆地面積為97.33 hm2，對應實現的產能為729.98 t，而旱地面積為8.65 hm2，對應產能為51.90 t。可以看出，水澆地以占總新增耕地91.84%的面積，創造了占比為93.36%的總糧食產能，旱地以占總新增耕地8.16%的面積，創造了占比為6.64%的總糧食產能。

表3 景泰縣2015-2017年占補平衡項目糧食產能

3.3 占補平衡項目對新增耕地土壤理化性質的影響

土壤物理性質是土壤最基本的性狀和指標，也是土壤質量評價的重要參數。表4反映了不同年限占補平衡項目新增耕地土壤物理性狀統計情況。由表4可以看出，新增耕地總孔隙度、大團聚體、水穩性團聚體和土壤團聚度隨新增耕地年限的增長而增加，到新增耕地3 a時，漲幅分別為3.15%，1.51%，35.23%和23.96%，而<1 μm微團聚體隨新增耕地年限增長表現為顯著的降低趨勢，經過3 a的變化，降幅達8.65%。旱塬區地形復雜，土壤結構輸松，土壤結構破壞率最高，隨著新增耕地年限的增加，提高了保水保土的能力，部分物理特性得到有效改善，土壤抗侵蝕能力也得到一定提升。我國目前主要采用土壤結構系數或分散系數評價土壤結構性指標，結構系數是指參與團聚化的黏粒與黏粒總量的比值，結構系數越大，微團聚體的水穩性越強，形成團聚體的潛在能力越大。土壤結構系數在新增耕地年限時間不斷增大在3 a時達到18.47%，土壤分散系數隨增耕地年限時間逐漸減小，在3 a時為81.53%。從土壤結構破壞率來看，新增耕地年限越長，其破壞率則越低，新增耕地年限3 a時的結構破壞率較1 a時降低了2.05%。主要由于新增耕地年限的增加，在經過不斷的土壤翻耕和培肥等基礎上，土壤水肥逐漸得到積累，促進了土壤顆粒的團聚作用，土壤中水穩性團聚體也越來越穩定，土壤水肥氣熱條件也得到有效改善，土壤抗侵蝕能力得到顯著提高。

表4 不同年限占補平衡項目新增耕地土壤理化性質情況

3.4 占補平衡項目對新增耕地土壤養分的影響

土壤化學性質是土壤質量的重要表征，對土壤營養狀況和作物生長潛力有重要影響。表5反映了不同年限新增耕地土壤化學性狀。由表5可以看出，隨新增耕地年限的增加，全氮、有機質含量、速效磷含量等均表現為在新增耕地年限3 a時達到最大，全氮、有機質及速效鉀分別較新增耕地年限1 a時提高了10.67%，15.39%以及13.62%。速效鉀含量表現為先增大后減小的趨勢，在新增耕地年限2 a時達到最大為199.21 mg/kg。土壤化學性質的改變受自然環境因素和人為因素影響較大，全氮、有效磷和速效鉀的變化范圍分別在0.75～0.83 g/kg，13.58～15.67 mg/kg以及178.62～199.21 mg/kg之間。占補平衡項目的實施，降低了水土流失和土壤侵蝕現象，水肥可以在垂直方向入滲及運移，再加上耕作過程中進行的土地翻耕、有機肥和無機肥的施用、合理灌溉和田間管理，促進了土壤中營養元素的積累，氮磷鉀元素和有機物含量顯著增加，土壤化學性質也得到了有效改善。

表5 不同年限占補平衡項目新增耕地土壤養分情況

3.5 實證檢驗

土地生產能力是自然條件與土地開發利用程度共同作用的結果，糧食產能高低也是新增耕地質量各因素綜合作用的結果，本文采用Logistic回歸模型對新增耕地面積、新增耕地單位面積投資、新增耕地年限、新增耕地等別以及新增耕地基礎設施等對新增耕地糧食產能的影響進行模型檢驗，結果詳見表6。由表6可以看出，新增耕地面積越大，創造的糧食產能也越高，二者間顯著性水平為0.021，雖然新增耕地面積是影響糧食產能提高的重要因素，但需要看到的是單位耕地面積上糧食產能的增量是有限的，因此，要依據當地土地質量的自然、經濟因素優化作物種植結構，切實做好耕地保護，同時，結合當地氣候條件等，適宜的提作物高復種比例，也有利于糧食產能的提高。另外，由于農業從業人員數量的不斷減少，出現了耕地撂荒和棄荒等消極管理等現象，也會造成新增耕地糧食產能的降低。因此要做好項目后期管護工作，落實主體責任并提高農業種植積極性，避免出現耕地撂荒和棄荒現象。新增耕地單位面積投資的高低，一方面體現了項目的實施難度，另一方面也反映了項目技術手段和工程措施投入的多少。一般而言，項目單位面積投資越大，新增耕地糧食產能也越高，從分析結果來看，單位面積投資對新增耕地糧食產能的影響系數為0.193，低于新增耕地面積，但其顯著性達到0.042，高于新增耕地面積。新增耕地年限對糧食產能的影響程度為0.038，是5項影響因素中數值最低，這是由于經過必要的工程施工，雖然對新增耕地進行了土壤翻耕、土壤培肥等措施以熟化土壤，但由于熟化過程存在一定的滯后性，部分營養物質和有機質含量未能在第一年就進行較好的分布，因此表現為新增耕地年限對糧食產能的影響程度較低。

表6 新增耕地糧食產能影響因素分析情況

耕地等別受當地土壤、氣候、水分條件以及社會經濟條件等綜合因素影響程度較大，從分析結果可以看出，新增耕地等別由14等到11等的回歸系數不斷增大，而Wald值逐漸降低，以耕地等別11等為參照，14級=1的優勢比OR值為0.089，13級=2的優勢比OR值為0.134，較14級高50.56%，12級=3的優勢比OR值為0.266，較13級高98.51%，優勢比OR值與耕地等別呈顯著的正相關關系，也就是說，耕地等別越高，對應新增耕地的糧食產能也越大。另外可以看到的是，新增耕地道路和水利配套設施通達、完善與否對新增耕地糧食產能的提高具有十分顯著的影響。

新增耕地基礎設施與糧食產能產生負向影響，隨著基礎設施完善程度的提高，道路和排灌設施完善程度對新增耕地糧食產能的影響系數為呈正相關關系，優勢比OR值也不斷增大，說明道路和排灌設施越完善，新增耕地糧食產能越大。這主要是由于道路的通達和配套設施的完善，提供了農業生產的基礎保障，有利于機械化耕種，增強了群眾耕作的意愿，且極大的節約了生產實踐成本，因此對糧食產能的提高具有顯著的促進作用。項目實施前種植玉米，耕地單位面積產能為7.65 t/hm2，經過3～5 a種植后，在土壤熟化和肥料施用以及集約管理的基礎上，耕種5 a，4 a和3 a的項目單位面積產能分別達到8.85，8.40，7.95 t/hm2，較未實施時糧食產能分別提高15.69%，9.80%和3.92%。根據分析結果來看，在5項對新增耕地糧食產能影響較為突出的因素排序為：新增耕地等別>新增耕地基礎設施>新增耕地面積>新增耕地單位面積投資>新增耕地年限。

4 結 論

(1) 占補平衡項目的實施將新增耕地等別提升了1～2個等別，且水澆地面積占比與新增耕地等別呈顯著的正相關關系。糧食產能隨新增耕地面積的增大而增大，糧食產能與新增耕地平均等別呈顯著的正相關關系。水澆地以占總新增耕地91.84%的面積，創造了占比為93.36%的總糧食產能。

(2) 占補平衡項目對新增耕地土壤理化性質和養分積累具有顯著的改善作用，新增耕地總孔隙度、大團聚體、水穩性團聚體和土壤團聚度隨新增耕地年限的增長而增加，到新增耕地3 a時，漲幅分別為3.15%，1.51%，35.23%和23.96%。新增耕地年限越長，其破壞率則越低，新增耕地年限3 a時的結構破壞率較1 a時降低了2.05%，土壤抗侵蝕能力得到顯著提高。新增耕地年限3 a時，土壤全氮、有機質及速效鉀分別較新增耕地年限1 a時提高了10.67%，15.39%以及13.62%。

(3) 經過3～5 a種植后，耕種5 a，4 a和3 a的項目單位面積產能較未實施時糧食產能分別提高15.69%，9.80%和3.92%，對新增耕地糧食產能影響較為突出的因素排序為：新增耕地等別>新增耕地基礎設施>新增耕地面積>新增耕地單位面積投資>新增耕地年限，因此要將新增耕地糧食產能提高的著力點放在耕地等別的提高。