黑龍江省黑土地質量評價指標體系構建

姜 寧，王 斌，謝永剛

（1黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150086；2東北農業大學水利與土木工程學院，哈爾濱 150030；3黑龍江大學工商管理學院，哈爾濱 150074）

0 引言

黑土地具有質地疏松、土壤肥力高、供肥能力強等優勢。烏克蘭的烏克蘭平原、美國的密西西比平原、中國的東北平原以及南美洲阿根廷至烏拉圭的潘帕斯草原是全世界僅有的四大黑土區[1]。東北黑土區作為世界四大黑土區之一，以高有機質和高肥力而著稱[2]，為中國提供的糧食產量占全國糧食總產的20%以上，商品糧率高達60%以上[3]。東北地區糧食生產地位的大幅度上升，離不開黑土地的支持和承載[4]。經過長期的高強度耕作，缺乏保護措施，導致黑土地質量下降。為了合理利用黑土地，維持黑土地的可持續性，有必要對黑土質量現狀進行評價[5]。通過對黑龍江省黑土地開發利用現狀調查，篩選適宜黑土地質量的代表性指標，用以反映黑土地質量狀況，構建黑土地質量評價指標體系，跟蹤黑土地質量變化趨勢，在一段時間內，依據評價單元內黑土地質量改善情況，提出相應的黑土地保護措施。目前無論是國家或地方層面的規范條例，還是諸多學者開展的專業研究，土地質量評價涉及的指標已很廣泛，指標體系已很完善。然而，在調查過程中，對黑土地保護效果缺少科學評價體系，目標責任難以落實[4]。如果能夠建立易獲取且可以量化并反映黑土地特性的評價指標體系，評價黑土地的保護狀況，落實土地使用者保護黑土地的責任，為黑土地保護有關政策的制定提供科學依據?；诖?，本研究以縣級行政區劃作為評價單元，突出黑土地保護的特點和地區性，構建黑龍江省黑土地質量評價指標體系，以期實現對黑土地質量的全面評價。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黑土地資源在我國很多地區均有零星分布，但集中連片分布主要在東北黑土區。黑龍江省黑土主要分布在中北部，總面積大約有4824727 hm2[6]，土壤類型主要有暗棕壤、白漿土、黑鈣土、草甸土和典型黑土5種類型，其中暗棕壤土占比最大，約占全省總黑土面積的66%。據有關統計，當今東北黑土區耕作層土壤有機質含量平均減少1/3，局部地區減少幅度達到1/2[7]。黑土地土壤肥力降低、土地生產能力下降等一系列問題，已成為影響中國糧食生產和食品安全的重要影響因子[8]。

目前黑土地質量現狀與存在的主要問題有：（1）水土流失嚴重，導致黑土地質量日趨下降；黑土地在中國所處的地理位置為較高緯度，坡長、坡緩及具有季節性凍融等特點。春季冰雪消融時，在水力、重力與凍融反復作用下，對黑土侵蝕嚴重[9]。同時黑土地又處于季風氣候區，降雨多集中在夏、秋季，暴雨較多且涉及面積廣，在坡狀耕地上流水侵蝕作用較強，使得水土流失現象嚴重。第三次全國土壤侵蝕遙感調查結果顯示，東北黑土區，水土流失面積已達到整個黑土區的37.9%[10]。（2）耕作方式不科學，導致黑土地物理性狀惡化；自從實行家庭聯產承包到戶責任制以來，實行一家一戶小型機械作業，整地深度淺，致使犁底層上移，耕層土壤團粒結構被破壞，孔隙度下降、土壤通氣透水能力降低、導致蓄水保墑能力下降，造成土壤板結。土壤的理化性質與生態功能嚴重退化[11]，阻礙作物根系下扎，使得耕種管理困難，土壤易澇易旱[12]。長期的高強度利用，加之土壤侵蝕，黑土地自然肥力逐年下降[13]。（3）耕作者對黑土地質量保護意識淡?。桓髡咴趯谕恋氐氖褂眠^程中，對黑土地質量保護的認知程度影響到黑土地的保護成效。目前，一方面，在黑土地耕作的農民年齡偏大，受教育水平比較低，而且受到傳統農耕思想的束縛，更多的是追求單位土地的收益最大化，很少會考慮黑土地的可持續利用；另一方面，沒有建立合理完善的補償機制去激勵積極主動參與黑土地保護行動，進一步制約了耕作者對黑土地保護的積極性。同時，當前土地管理法中對土地保護的責任落實主體為各級人民政府[5]，缺乏對耕作者的責任約束。

中國加強了對黑土地的保護政策，2017年出臺了《東北黑土地保護規劃綱要（2017—2030年）》；2020年，農業農村部、財政部聯合印發《東北黑土地保護性耕作行動計劃（2020—2025年）》，逐步形成了黑土地保護的政策氛圍，為黑土地保護提供了制度上的保障[7]。黑土地的質量狀況不同，采取的保護措施也有所不同，因此建立行之有效黑土地質量評價體系勢在必行。

1.2 評價單元劃分

黑土地質量評價是以黑土地資源持續保護為目的，即在一段時間內，作為評價耕地、林地、草地、濕地等土地利用方式下的黑土地質量改善情況的依據。評價單元是黑土地質量評價的基礎。黑土地保護是一項長期工程，既要評價各種保護技術措施的長期實施效果，也要考慮各種保護措施的年度落實情況。因此，以縣域作為一個評價單元，可以保證評價結果能夠落實到一定的區域內，通過對這個縣域內黑土地質量進行鑒定、評估，反饋黑土地保護措施實施結果。

以縣級行政區劃作為評價單元，在縣域內布設監測點位，監測點數目隨經濟水平提高可以加密，使監測數據更加精準。每個縣級政府負責本縣內監測點位黑土地質量監測。以縣級行政區劃作為評價單元的優勢在于：（1）有利于覆蓋全省各種土地利用方式的黑土類型；（2）在全省范圍看，所獲得黑土地質量指標數據在各縣域均有分布，當站點布設密度相近時，可以打破站點空間分布的不均勻性，避免指標數據在全省布局的聚集或稀疏現象；（3）有利于與國內氣象、地形、土壤、土地利用/覆被等數據融合。

1.3 評價指標

1.3.1 指標選取原則 黑土地評價指標選取可遵循如下原則：1）實用性、有效性原則。選取的指標能正確反映黑土地的基本特征和功能，根據現有儀器和測量設備能達到較高的精度水平；2）代表性、簡易化原則。指標選取對于黑土地質量評價中具有主要的、代表性強且簡易化的指標，尤其是各個縣級監測點容易提取和監測的指標，避免指標體系過于復雜，提取難度大和不容易定量測定的指標；3）因地制宜地選取對環境變化敏感性強的因素指標。指標選取時要考慮對黑土地的耕作方式、秸稈還田、氣候變化等有較強的敏感反應，同時還要體現因地制宜和不同地域特性。

1.3.2 指標選取注意事項 根據黑龍江省黑土地分布廣、面積大、地形地貌復雜等特征，包括黑土地作為稀缺資源的重要性和戰略性以及考慮今后大規模布點的實際評價監測需求，除了遵循上述原則，實際操作過程中還需要考慮以下因素：（1）選取的指標應兼顧中國已開展過的、未來可能開展的全國土壤普查工作，避免重復工作，浪費資源；（2）在空間方面，適當兼顧全國及區域的主體功能區規劃、農業可持續發展規劃、流域水系等；（3）在時間方面，充分考慮到黑龍江是中國最北最冷省份、冬季寒冷漫長等自然地理特點，年內黑土地質量監測應兼顧季節變化，長期黑土地質量監測應兼顧國家五年規劃等。

1.3.3 指標選取依據 對于省域大尺度的黑土地質量評價，選取的指標不僅適用于耕地，同時還應該拓展到林地、草地、濕地等土地利用方式和土地等級及評價。參考2016年，國家質量監督檢驗檢疫總局、國家標準化管理委員會[14]聯合發布《耕地質量等級》國家標準GB/T 33469—2016，和全國土壤普查辦公室[15]著《中國土壤普查技術》中關于等級分類及分級區間的確定，根據指標選擇原則及注意事項，筆者制定了黑龍江省黑土地質量評價指標與分級標準，見表1。黑龍江省黑土地質量評價指標中，土壤物理、化學指標是在有關文獻中篩選的常規易測指標[16-17]，其中一級指標4個，二級指標23個。

表1 黑龍江省黑土地質量評價指標與分級標準

1.3.4 不同土地利用類型評價指標 黑土地質量監測指標應隨土地利用類型的不同而有所差別。依據黑龍江省主體功能區規劃對黑龍江省土地利用類型的劃分，分別制定了耕地（包括旱地和水田）、林地、草地等幾種主要土地利用類型的評價指標，并將選取的二級指標設為必選指標和可選指標2種（見表2～5），在統一監測必選指標外，各地可根據實際情況，在可選指標中增設適宜指標。

表2 旱地土地質量評價指標

表3 水田土地質量評價指標

表4 林地土地質量評價指標

從表2～5可以看出，對于各種類型的土地，土地或黑土層厚度、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、有效鉀、pH均設為必選指標，這些指標基本能夠反映黑土地質量下降、黑土層變薄、土壤酸化、耕作層變淺等問題，如果輔以部分可選指標，可以全面評價各地、各種土地利用方式下的土地質量狀況。

表5 草原土地質量評價指標

1.4 評價方法

1.4.1 評價方法選擇原則 目前土地質量評價方法多種多樣，其中確定評價因子權重的方法主要有主成分分析法、層次分析法和模糊綜合評判法，評定等級有權重指數和法、模糊神經網絡模型等[18]。這些評價方法各有優缺點，并不完全適用于黑土地質量評價。由于黑土地質量評價涉及到空間范圍劃分、大量測點布設、人員參與以及大量監測數據匯總的量化工作，因此，選擇評價方法應該遵循以下原則：（1）具備一定的數學機理，盡量避免人為經驗因素過多參與評價過程，以保證評價結果的客觀性和科學性；（2）為了便于基層科技人員理解，理論方面盡量簡單易懂，避免復雜和深奧；（3）操作和實現過程簡便明了，以便基層科技人員能夠熟練應用；（4）不需要提供監測指標體系之外其他資料，能夠對黑土地質量進行量化分級。

1.4.2 黑土地質量評價方法 根據評價方法選擇原則，特別注重黑土地質量評價的目標，本研究提出一個黑土地質量綜合評價指數BSQI(Black Soil Quality Index)，作為黑土地保護的土地質量評價方法如式(1)所示。

式中：n為選取的黑土地質量評價指標數量，j=1,2,…,n；Wj為第j個評價指標權重，采用主成分分析法確定；Gj為第j個評價指標等級量化結果，依據該指標的土地質量監測數據和指標等級標準確定。

利用BSQI綜合評價黑土地質量等級主要步驟如下：

（1）構建監測數據標準化矩陣。將黑土地質量監測數據表視為m行（m個監測點）n列（n個評價指標）矩陣，為消除各指標數量級和量綱不同帶來的影響，將該矩陣進行標準化處理得到標準化矩陣X。標準化方法見式(2)。

式中：x*ij為標準化矩陣X第i個樣點的第j個指標數據，i=1,2,…,；xij為第i個樣點第j個指標的原始監測數據；、Sj分別為第j個指標原始監測數據的平均值和標準差。

（2）推求標準化矩陣的協方差矩陣。采用式(3)推求標準化矩陣X的協方差矩陣：

式中：V為X的協方差矩陣；XT為X的轉置矩陣。

（3）求協方差矩陣的特征值和特征向量。在主成分分析方法中，與主成分對應的特征向量各元素（即特征向量各分量）可以反映“指標對主成分作用的相對大小和作用方向”[19-20]。因此，本研究采用協方差矩陣最大特征值對應特征向量分量的絕對值計算評價指標權重，如式(4)所示。

式中：aj為最大特征值對應的特征向量分量。

對于采樣點單個指標等級評價，可由黑土地保護質量評價指標與分級標準直接查得，將單個指標的權重與其評價等級的乘積加和，即可得到最終的綜合評價指數。可見，本研究采用主成分分析方法確定指標權重，不依賴主觀經驗，可以保證評價結果的客觀性和科學性，評價過程易于理解，簡便易行。

2 黑土地質量評價指標體系的應用

2.1 建立監測數據庫

由于缺少完整的縣市土壤質量監測數據，為了展示黑土地質量等級評價方法與評價過程，對張興義等[21]著《黑土地利用與保護》第106～107頁數據進行了隨機化增大及縮小處理，并增加了土體厚度、pH等資料，從而模擬了某縣5個鄉鎮（分別命名甲、乙、丙、丁、戊）的旱地土壤質量監測數據見表6。

表6 某縣5個鄉鎮旱地土壤質量監測結果

2.2 數據分析

利用表6數據，采用上述主成分分析方法，求得的協方差矩陣最大特征值為4.9037，對應的特征向量分量及確定各評價指標的權重見表7。

2.3 計算黑土地質量綜合評價指數(BSQI)

根據表6數據和表7指標權重，計算某縣5個鄉旱地土壤質量評價的結果，見表8。依據最終的綜合評價指數，評價該縣5個鄉鎮各監測點的黑土地質量等級。

表7 某縣5個鄉旱地土壤質量評價指標權重

由表8可見，采用本文提供方法，可以利用多種指標通過綜合評價獲得各樣點的土壤質量等級，可以克服采用單個指標的評價結果互補相容的缺陷。另外，需要說明的是，本文的算例對各鄉鎮單個采樣點的土壤質量評價可以拓展到更多的點位，當全省大量布點后，通過對各點位的長期連續觀測，可以構建覆蓋全省范圍的黑土地質量動態監測數據庫，利用本文的提供的黑土地質量評價體系（評價指標與評價方法）可以實現對全省范圍的黑土地質量等級進行實時評價。

表8 某縣5個鄉鎮旱地土壤質量等級綜合評價結果

3 結論

筆者在對黑龍江省黑土地質量目前存在的問題進行系統分析的基礎上，遵循實用性、有效性、代表性、連續性和簡易化等原則，選取了土壤厚度、土壤養分、土壤酸堿度和土壤侵蝕4個一級指標，土體厚度、黑土層厚度、有機質含量、全氮含量、全磷含量、pH等23個二級指標反映黑龍江黑土地質量狀況，以縣級行政區作為評價單元，利用黑土質量綜合評價指數(BSQI)確定各種土地利用類型的質量等級，以方便黑土地使用者進行全面、深入地土地保護考核。

筆者的創新點在于考慮到黑土地質量評價體系的最終目標是用于指導決策黑土地保護政策，因此評價指標的選取既要反映土地質量同時兼顧可操作易量化且連續性，真實地客觀反映土地質量狀況。

4 討論

為了加強黑土地保護，保證黑土地質量評價體系的順利實施，提出以下建議：建立長期監測點布局，增加監測點分布，使得監測指標多樣化，掌握黑土地質量的動態變化；評價單元數據監測時做到監測采樣標準化、采樣方法一致性；根據黑土地質量等級，制定詳細、合理的保護政策，實施一段時間以后，根據黑土地質量評價體系進行評價，對評價以后的結果予以公布和反饋，獎優罰劣，進一步發揮評價體系的作用。