黃土丘陵區典型縣域耕地健康評價：以河南宜陽縣為例

孟慶香， 張莉坤， 鄖文聚， 吳 天， 陳兵飛， 位賀杰?

(1.河南農業大學資源與環境學院， 450002，鄭州；2.自然資源部農用地質量與監控重點實驗室， 100193，北京；3.自然資源部國土整治中心， 100035，北京；4.西南大學資源環境學院， 400716，重慶)

耕地是人類賴以生存的基本資源，隨著社會經濟的快速發展，人口的增長與環境的退化使耕地的健康問題受到了一定關注，而維持土地資源滿足人類生產生活的需求是21世紀最具有挑戰性的問題之一[1]。我國從改革開放以來，城市的發展擴張占用大量優質耕地，雖有占補平衡政策，但是部分地區存在著“占優補劣”、“占近補遠”的局面，土地利用不當導致耕地的質量問題與糧食安全問題凸顯[2-3]。2019年，中央一號文件進一步提出了在新的戰略背景下穩定糧食產量，推動藏糧于地、藏糧于技和鞏固糧食生產能力的需求。其核心目標是保護和改善耕地的生產能力，在新時代，耕地的健康越來越受到人們的關注和重視。而現有的指標體系難以滿足國家對耕地數量，質量和生態“三位一體”進行精確管理的需求[4]。耕地保護進入到了一個新的時期，有必要開展耕地健康的研究，評價區域的耕地健康狀況，以期為未來的土地管理提供依據，為耕地資源安全政策提供標準。耕地健康就是可以持續生產健康產品的能力，而耕地健康評價是土地類型評價的一種，耕地健康興起于生態健康與土地健康，在國外，耕地健康評價更多是作為一種影響因素參與到土地的各種評價類型當中，耕地健康評價是隨著土地評價研究而發展的[5-6]；在國內，有學者對耕地產能[7]、耕地質量[8]、土壤健康[9]等方面的研究，但在耕地健康上研究較少，所以耕地健康評價的指標體系及模型研究成為土地科學學科領域研究的新熱點，有部分學者使用能值分析法[10]、可拓學理論[11]、模糊物元模型[12]等對耕地健康進行評價研究，目前學術界對耕地健康的評價研究主要還是在農用地分等成果的基礎上的，而且由于不同地區之間有其差異性，所以耕地健康的評價要有其因地制宜的體系，學者余慧敏等[13]和趙瑞等[14]曾分別對南方典型丘陵區和糧食主產區進行了耕地健康評價，但對于生態脆弱的黃土丘陵區還暫無學者研究。

黃土丘陵區是中國典型的生態脆弱區與集中連片貧困區，地形破碎且復雜，耕地的質量及土壤環境空間異質性強，宜陽縣地形特殊，有著“三山六陵一分川，南山北嶺中為灘”之稱。基于此，筆者在參考已有研究的基礎上，將耕地質量、耕地產能及土壤環境指標應用到本文的耕地健康評價指標體系中，創新性的將有益微量元素和土壤侵蝕程度加入到耕地健康的評價指標體系中，避免傳統耕地質量綜合評價下土壤環境狀況不甚明了的狀況，以期為黃土丘陵區耕地資源的分類管護與合理利用提供參考，為促進耕地資源高效可持續利用提供參考。

1 研究區概況

宜陽位于河南省洛陽市西部(E111°45′～112°26′，N34°16′～34°42′)，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，冬長寒冷雨雪少，夏季炎熱雨集中，春秋溫暖季節短，春夏之交多干風，降水分配不均，季節及年際變化較大。宜陽縣處豫西淺山丘陵區，地貌特征為“三山六陵一分川，南山北嶺中為灘，洛河東西全境穿”。年均氣溫14.8 ℃，年降水量500～800 mm，無霜期200 d左右，全年日照時間1 847.1～2 313.6 h，日照率為47%。區域總面積16萬1 687.80 hm2，耕地總面積8萬1 216.78 hm2，其中旱地7萬4 181.90 hm2，水澆地7 029.93 hm2，水田4.95 hm2。

2 數據和方法

2.1 數據來源

采用地塊法劃分評價單元，將宜陽縣2018年耕地質量等別更新數據中的1萬9 119個耕地圖斑作為評價單元。數據主要來源于宜陽縣耕地質量等別更新數據、宜陽縣農用地耕地質量定級成果、土地利用變更調查成果、宜陽縣耕地地力評價成果、宜陽縣土壤志、宜陽縣統計年鑒及土地利用現狀圖等。

2.2 耕地健康的評價體系構建

2.2.1 指標體系構建 國內關于耕地健康的研究較少，關于耕地健康內涵的界定也不一，李強等[15-16]認為耕地健康診斷的評價是對耕地能夠實現質量、產能和土壤環境等目標的實現程度的一種評價，鄖文聚等[17]定義了1個大尺度的概念并分析了中國整體的耕地健康趨勢并提出相應的管理建議。單美[18]將耕地健康定義為“土地肥力高、土壤無污染、結構合理、資源量豐富、產量高等，足以能夠維持一個動態平衡的生態系統。”總體來說，耕地健康可以表述為基于耕地質量、耕地產能與土壤環境而形成的土地高效、綠色、可持續生產健康產品的綜合能力。耕地質量反映的是耕地滿足農作物生長的適宜程度、基礎設施建設水平；耕地產能反映的是其產出水平；而土壤環境則反映保持耕地可持續利用的能力。

對耕地健康進行合理評價關鍵在于評價指標的選擇，耕地健康評價的指標種類項目繁多，涉及到多個領域和多種學科，指標選擇要以需求為導向，一方面能完整準確的反映耕地健康情況，另一方面是選擇的指標概念明確及指標數量盡可能少，保證資料的可獲取性強及指標體系的優化。本研究以土壤肥力理論、生產力理論、生態系統健康理論及可持續發展理論為基礎，本著協同包容的原則，運用專家咨詢法和文獻總結法及研究區的實際情況確定本研究的耕地健康評價指標體系。借鑒辛蕓娜等[19]和歐陽真[20]的研究成果，并在其基礎上進行改進。在滿足耕地資源高產高效、綠色健康和可持續利用的需求下，以宜陽縣為例，構建基于耕地質量、耕地產能及土壤環境的耕地健康評價指標體系，評價指標體系上剔除耕作層厚度、大氣干濕沉降度和灌溉水環境質量等在空間上幾乎沒有太大差異的指標，評價體系采用16個指標，具體如圖1所示。

圖1 宜陽縣耕地健康評價指標體系Fig.1 Health evaluation index system for cultivated land in Yiyang county

2.2.2 評價方法及權重確定 依據《農用地質量分等規程》等相關研究成果確定指標分級及賦分規則，結合本研究案例黃土丘陵區的特點，采用層次分析法和專家打分法結合來確定各評價指標的權重，耕地質量、耕地產能和土壤環境3個準則層權重分別為：0.327 8、0.261 1和0.411 0。評價體系因素層的16個指標組合權重如表1所示。

1)耕地質量綜合評價。由于耕地質量和耕地產能的參評因子的性質各不相同，本研究用[0,100]的閉合區間來對屬性分值進行定量化的賦值，分值的高低表示評價因子對耕地健康的影響大小，耕地質量的優劣與分值大小成正比，宜陽縣耕地質量評價指標量化參考標準如表2所示。

2)耕地產能綜合評價。計算耕地產能指數，進行量綱歸一化處理比較不同地塊的指數大小，指數越大，耕地狀況越好。耕地產能評價的公式為

Yi=Di/Dmax。

(1)

式中：Yi為第i個評價單元的耕地產能指數；Di為第i個評價單元的糧食單產量，kg；Dmax為相同類型的糧食最高單產量,kg。

表1 宜陽縣耕地健康評價指標權重

3)土壤環境綜合評價。土壤環境評價主要考慮有益微量元素對耕地健康影響，該指標根據木桶原理，采用最小因子計算有益系數，評價單元的得分受最低分值因子的限制作用，將多個評價因子得分中的最小值作為評價單元的土壤有益系數(B) 。有益微量元素隸屬度的計算式為

(2)

表2 宜陽縣耕地質量評價指標量化參考標準

式中：bi1、bi2為指標的上、下限值；ai為常數；bi為評價因子值；ci為指標的最優取值。有益微量元素隸屬度分級標準見表3。

4)耕地健康評價模型。研究耕地健康的綜合情況，量綱歸一化處理后根據各評價指標的權重及評價單元的綜合分值來確定其健康等級，應用模型為

表3 有益微量元素隸屬度分級標準[13]

(3)

式中：Y為耕地健康綜合指數；Xj為第j個因素層標準化值(分別為表2耕地質量因素層標準化分值，耕地產能和土壤侵蝕度標準化值均為1，以及表3土壤環境因素層隸屬度標準化值)；Rj為第j個因素因素層權重；Wi為第i個評價指標的準則層權重。

3 結果與分析

3.1 耕地質量評價

通過計算得出宜陽縣耕地質量綜合評價結果(圖2)，宜陽縣耕地質量分值在62.7～100.0之間，利用ArcGIS相等間距分類，將宜陽縣耕地質量評價劃分為4等，分別為一等地(90，100]、二等地(80，90]、三等地(70，80]和四等地(60，70]，一至四等的面積占比為16.38%、75.88%、7.62%和0.12%。以洛河為界，宜陽縣耕地質量評價具有明顯的分異差異，洛河2側的耕地質量最好，河流北側的耕地質量等別整體高于南側。一等地主要分布在沿河兩側的鄉鎮，高村鄉也有較多的一等地存在，是由于韓城鎮向西北方向高村鄉有支流流入，其流域附近的耕地的排水條件與灌溉保證率為優等，土壤質地較好，剖面構型為通體壤，有機質含量較高，耕性良好，儲水保肥能力強。宜陽縣的耕地質量等別主要以二等地為主，二等地占比最大，分布較廣且交錯分布。主要集中在河流北部的柳泉鎮、鹽鎮鄉及香鹿山鎮，南部的白楊鎮。這些區域整體耕作條件較好，但部分地區受土壤質地及剖面結構的影響導致此耕地質量等別稍低。三、四等別耕地大多分布在宜陽縣西南方向，主要在上觀鄉和花果山鄉和錦屏鎮等區域，錦屏鎮中部地區的坡度較高以及灌溉設施條件差是錦屏鎮耕地質量評價較差的主要原因，而花果山鄉及上觀鄉地處丘陵，本身坡度較高外，土壤有機質質量分數也較低，障礙層距地表的深度較淺，農業生產條件落后，土壤灌溉設施條件差，保水保肥能力低。

3.2 耕地產能評價

依據宜陽縣的目標產量樣點數據，利用地統計分析計算預測各個評價單元的目標產量，通過模型計算求出各評價單元的耕地產能指數，在利用自然斷點法對耕地產能指數進行分級，得到宜陽縣耕地產能指數圖(圖3)，耕地產能指數在0.18～1.00之間，產能級別的面積比例由低到高分別為2.87%、21.89%、46.12%、21.25%和7.87%。產能指數較高的區域為沿洛河2側的耕地，其區域地勢較平坦，土層深厚，灌溉排水等能力良好，土壤肥沃，耕地質量較高。耕地產能差的區域為上觀鄉、花果山鄉及董王莊鄉，受地形條件的影響較大，地形坡度大，耕作不方便，耕地受到不利的限制因素較多。宜陽縣西北區域耕地產能指數較低，其最主要的原因是該區域灌溉條件較差，容易發生干旱，存在產量低且不穩定的現象，需要進行土壤改良和基礎條件建設。鹽鎮鄉區域內出現相對高的耕地產能指數，其原因是這些評價單元周圍有水庫水面的存在。而白楊鎮東南方向的耕地產能指數較高，對比其他評價單元發現，產能指數較高區域內坑塘和水庫較多，并且該區域的坡度也要低于白楊鎮的西北區域，因而耕地產能指數高于周圍地塊。

圖2 宜陽縣耕地質量評價級別分布圖Fig.2 Distribution map of assessment level for cultivated land quality in Yiyang county

圖3 宜陽縣耕地產能指數分布圖Fig.3 Distribution map of cultivated land productivity index in Yiyang county

3.3 土壤環境評價

對有益微量元素分別進行克里金差值，對研究區內未采樣的評價單元的有益微量元素進行無偏差最優估計，將其差值的預測結果賦到研究區的所有評價單元上，再根據其權重算出宜陽縣的各個評價單元的土壤環境指數，得到宜陽縣土壤環境指數圖(圖4)。土壤環境指數由低到高的面積比例為2.99%、36.69%、47.76%和12.56%。由圖可知，宜陽縣土壤環境評價整體等級為中等偏低，分布情況為洛河流域2側較高，東北高于西南，坡度高的低于坡度低的。張塢鎮、蓮莊鎮、香鹿山鎮及樊村鎮的整體土壤環境狀況在中等偏上水平，且張塢鎮土壤環境最好；上官鄉、花果山鄉及高村鄉在中等偏下水平，且花果山鄉土壤環境最差。土壤微量元素的含量及其分布受到土壤類型、地形、人類活動等多種因素的影響。而土壤被侵蝕的程度又與氣候、地形、土壤、植被、地質、人為活動等有關。

圖4 宜陽縣土壤環境指數分布圖Fig.4 Distribution map of soil environmental index in Yiyang county

3.4 耕地健康綜合評價

對宜陽縣耕地健康評價指數的計算，得出宜陽縣的評價單元的健康指數在46.02～88.03之間(圖5)，利用自然斷點法進行分級形成宜陽縣的耕地健康評價標準(表4)，依據分級標準，得出各評價單元的耕地健康級別。宜陽縣耕地健康評價狀況差異較大，健康、輕度亞健康、中度亞健康和不健康面積比例分別為16.08%、33.54%、45.47%和4.91%。由宜陽縣耕地健康評價等級圖可以看出，宜陽縣整體耕地健康狀況一般，大部分面積處于輕度亞健康和中度亞健康狀態，洛河2側的耕地健康狀況最佳；趙保鎮和白楊鎮中部也出現了耕地健康最佳區域，趙保鎮耕地健康區域雖灌溉條件并不佳，但是其地形坡度、有機質質量分數量和土壤質地都要優于周圍評價單元，白楊鎮耕地健康區域灌溉條件極佳，有機質質量分數相對較高，耕地產能指數較大。宜陽縣耕地健康等級最差的區域集中在西南區域的花果山鄉和上官鄉，這部分區域地形條件和產能較低，影響耕地的可持續的利用。

圖5 宜陽縣耕地健康級別分布圖Fig.5 Distribution map of cultivated land health grade in Yiyang county

表4 宜陽縣耕地健康評價分級標準

4 結論

1)選取包含耕地質量、耕地產能和土壤環境3個方面16個指標，并在此基礎上，構建了耕地健康評價體系和分級標準，創新了已有耕地質量和耕地健康的評價體系，避免了傳統的耕地質量綜合評價下土壤環境狀況不甚明了的狀況。

2)經過模型計算后的宜陽縣耕地健康評價結果表明：宜陽縣耕地健康評價狀況差異較大，健康、輕度亞健康、中度亞健康和不健康面積比例分別為16.08%、33.54%、45.47%和4.91%。宜陽縣大部分面積處于輕度亞健康和中度亞健康狀態，洛河2側的耕地健康狀況最佳，花果山鄉和上官鄉為耕地健康最差的區域。

3)根據黃土丘陵區的特點并結合人類對耕地的需求情況，打破常規的綜合方法模型，對宜陽縣有針對性的進行耕地健康評價，為未來的土地管理提供依據，為土地整治工程提供參考，為耕地資源安全政策提供標準。