基于質量評價的省域尺度坡耕地質量調控體系構建

陳正發，龔愛民，張劉東，王建雄，相 彪，寧東衛

基于質量評價的省域尺度坡耕地質量調控體系構建

陳正發，龔愛民，張劉東※，王建雄，相 彪，寧東衛

（云南農業大學水利學院，云南省土地資源利用與保護工程實驗室，昆明 650201）

在質量評價基礎上構建坡耕地質量調控體系對區域坡耕地質量保護具有重要指導意義。該研究基于云南坡耕地質量評價結果，建立坡耕地質量因子分析模型，在障礙因子診斷、因子可調控性分析、因子適宜區間確定及調控潛力測算基礎上，提出區域坡耕地質量調控集成模式，據此構建省域尺度坡耕地質量調控體系。結果表明：1）云南坡耕地質量障礙類型以侵蝕退化型、干旱缺水型、養分貧乏型為主，不同分區障礙因子組合及表現存在差異。2）坡耕地質量可調控因子由耕層厚度、土壤容重、pH值、有機質、全氮、有效磷、速效鉀、灌溉保證率、田面坡度9個指標組成，其中，田面坡度、土壤有機質、灌溉保證率、有效磷、速效鉀、pH值為優先調控因子。3）坡耕地質量調控目標是使可調控因子處于適宜范圍，包括理想狀態和實際狀態兩種情景模式；理想狀態下云南坡耕地質量調控潛力為0.347，其質量等級可從現狀的“中等”提升到“高”等級；實際狀態下坡耕地質量調控的潛力為0.198，其質量等級可從現狀“中等”提升到“較高”等級，實際狀態調控潛力可作為坡耕地質量調控的標準。4）依據云南坡耕地質量障礙類型及因子可調控性分析結果，提出“控侵蝕、調水分、培肥力”的區域坡耕地質量調控總體思路，并建立坡耕地質量調控的集成模式。研究可為省域尺度坡耕地質量培育及管理提供科學依據。

模型；評價；坡耕地；耕地質量；障礙因子診斷；調控潛力；調控體系；云南

0 引 言

耕地是人類生存和發展最寶貴的自然資源之一，農業可持續發展首先要確保耕地的數量和質量[1]。作為耕地的重要組成部分，坡耕地是山丘區農業生產的基礎性資源[2]。云南省坡耕地面積為472.55萬hm2，占耕地比例69.79%，坡耕地是當地耕地資源的重要組成部分，其質量狀況與區域糧食安全、鄉村振興戰略實施及水土生態保護密切相關[3]。受自然條件和不合理人為耕作管理等因素影響，坡耕地成為水土流失和面源污染最為嚴重的土地利用類型，由此造成的坡耕地質量退化及生態環境損害等問題亟待研究解決[4]。因此，在質量評價和因子分析基礎上構建坡耕地質量調控體系，對區域坡耕地質量培育和管理具有重要的指導意義。

隨著糧食安全及耕地質量保護越來越受到重視，耕地質量提升已成為國內外研究的熱點課題[5]。國外耕地質量研究主要關注肥料過量使用[6]、土壤污染[7]、土壤質量退化及可持續利用[8]等方面。國內耕地質量研究則包括地塊尺度耕地質量培育和區域尺度耕地質量提升兩個方面。在地塊尺度耕地質量培育方面，大多采用田間定位試驗的手段，從影響耕地質量的耕作管理、土壤培肥、水分調控、生物治理等方面入手，通過改良耕地質量限制因子，達到構建合理耕層、改良土壤結構、保障土壤有機質及養分、調蓄土壤水分、維持或提升土壤質量水平的目的，最終提高耕地的生產保障能力[9-10]。在區域尺度耕地質量提升研究方面，主要服務于區域耕地質量保護和管理需求，在對區域耕地質量時空演變定量評價和障礙因子診斷基礎上，針對性提出耕地質量管理的措施體系[11]。

目前，國內耕地質量研究主要集中在地塊尺度耕地質量培育上，對耕地質量形成機理、影響因素及演變趨勢進行了深入探索，并針對不同限制因子類型及耕地利用特征提出了諸多耕地質量培育技術，主要包括耕作管理技術[9]、水分調控技術[10]、土壤培肥技術[12]等。區域尺度耕地質量研究則受限于基礎數據獲取困難等客觀實際，現有研究大多基于農地分等、土壤肥力調查、土地整治、測土配方施肥、高標準農田建設等開展，在此基礎上探討耕地質量分區保護模式。例如，高星等[13]依據農用地分等方法和數據，利用自然等指數、利用等指數構建可實現潛力測算模型，并測算縣域土地整治項目實施后耕地質量提升潛力。李武艷等[14]運用空間自相關分析方法，基于浙江省農地分等數據，分別進行了省市縣區域尺度下空間自相關核算。宋戈等[15]基于縣域農用地分等結果，篩選土地整治工程可改良限制因子，測算了耕地質量自然等、利用等和經濟等指數的理論潛力與實際潛力。趙海樂等[16]采取自然等提升潛力指數模型和局部空間自相關模型劃分耕地質量提升潛力區，在耦合限制因子改良程度分級的基礎上，確定耕地整治分區。Yuan等[17]基于陜西長城沿線砂質農田分等結果，計算確定農業生產的主要限制因素，并據此提出提高耕地質量的調控措施。近年來，隨著國家實施耕地數量、質量、生態“三位一體”保護戰略，針對區域尺度耕地質量的研究不斷加強，但這些研究主要集中在區域耕地質量評價上[18]，而基于質量評價的區域尺度耕地質量分區調控體系建設方面的研究較少?；诖?，本研究在云南坡耕地質量評價基礎上，通過構建因子分析模型，對坡耕地質量障礙因子進行科學診斷，明確各分區坡耕地質量障礙類型及排序，識別坡耕地質量可調控因子及調控優先度、調控目標，測算不同分區坡耕地質量調控潛力，提出坡耕地質量調控模式，為云南坡耕地質量培育和管理提供科學依據。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

云南地處中國西南邊陲、云貴高原西南部，國土面積39萬km2，屬東亞季風和南亞季風交匯區域。區域地勢起伏大，國土面積84%為山區，丘陵僅占總面積的10%，壩區面積僅占6%，地形由山地向喀斯特地貌逐漸演變。云南降雨充沛，河流眾多，但在時空上分布較不均勻，降雨主要集中在夏季，冬季、春季易發季節性干旱。多年平均參考作物蒸發量分布在786.3～1 511.6 mm之間，均值為1 090.4 mm[19]。主要土壤類型為紅壤、赤紅壤、紫色土、黃壤和黃棕壤，其中紅壤分布面積最為廣泛，素有“紅土高原”之稱。研究表明，云南坡耕地分布面積為472.55萬hm2，占耕地的面積比例為69.79%，坡耕地占耕地的面積比例較大，坡耕地農業生產在云南農業生產活動中具有重要地位[3]。為確保耕地質量研究與區域農業區劃保持一致，本研究參照云南省綜合農業區劃，將云南劃分為7個分區。云南高程及坡耕地空間分布詳見圖1。

1.2 數據來源

本研究坡耕地空間分布數據來源于文獻[3]的研究結果，坡耕地質量評價結果數據及其相關基礎數據來源于文獻[18]的研究結果，數據柵格空間分辨率均為30 m×30 m。坡耕地質量評價的總體思路為：在分析坡耕地利用特征及質量內涵基礎上，建立基于“要素-需求-調控”的坡耕地質量評價初選指標體系，并定量篩選云南坡耕地質量評價最小數據集指標體系，采用主成分分析法、層次分析法、熵權法計算的綜合權重作為評價權重，以30 m×30 m柵格（像元）為評價單元，以加權和法為評價模型，基于ArcGIS10.2平臺對云南坡耕地質量進行定量化評價。坡耕地質量評價初選指標體系包括：有效土層厚度、耕層厚度、土壤容重、土壤質地、土壤pH值、有機質、全氮、有效磷、速效鉀、高程、≥10 ℃積溫、田塊規整度、連片度、降雨量、灌溉保證率、田面坡度共16個指標。采用加權和法計算坡耕地質量指數（Slope Farmland Integrated Fertility Index，SIFI）

根據SIFI將坡耕地質量等距劃分為5個等級，劃分標準詳見表1。

表1 坡耕地質量等級劃分標準

2 材料與方法

2.1 障礙因子診斷模型

在耕地質量提升潛力研究中，認為得分最低的指標是制約耕地質量提升的最大限制性因子[20]。因此，為定量評價各評價指標的得分情況，采用指標得分率（The Rate of Indicator Score，TRIS）來表征各評價指標對坡耕地質量指數的綜合效應大小，并采用指標障礙度（Obstacle Degree，OD）來反映各評價指標對坡耕地質量的障礙大小，計算公式如下：

式中TRIS為第個評價指標的得分率，OD為第個評價指標的障礙度，K為評價指標根據第個樣點實測數據計算得到的隸屬度，C為該評價指標的權重，為樣點數。

根據計算結果，TRIS≥60%表示評價指標得分率較高，TRIS<60%表示評價指標得分率較低，該評價指標成為坡耕地質量提升的障礙因子。按照等距法將指標障礙度（OD）劃分為無明顯障礙（0～10%）、輕度障礙（10%～20%）、中度障礙（20%～30%）、強度障礙（30%～50%）、重度障礙（>50%）5個等級。

2.2 坡耕地質量因子可調控性劃分

土壤特征響應時間（Characteristic Response Time，CRT）指當外界環境條件變化時，該土壤參數發生變化且達到準平衡狀態所需時間，其單位用年來表示[21]。在耕地質量提升研究中，大多直接將農地分等成果中的因子作為評價指標來測算耕地質量提升潛力，忽略了耕地整治可改造限制因子的影響[15]。由于坡耕地質量影響因子眾多，且各因子在調控過程中的特征響應時間不同，導致因子的可調控性也存在較大差別。在坡耕地質量調控過程中，有些因子可在短期內得到改變，而有些因子則難以在短期內改變。為定量表征坡耕地質量因子隨時間的變化特征，本研究引入坡耕地質量因子特征響應時間（CRT），將因子劃分為可調控因子、不可調控或難以調控2類。在當前經濟、技術、生態環境等約束條件下，將特定時間內（CRT<102a）可實現調控目標的因子定義為可調控因子；反之，在當前經濟、技術、生態環境等約束條件，不能在特定時間內實現調控目標的因子定義為不可調控因子（或難以調控因子）。通過上述方法，實現了對坡耕地質量因子可調控性的定量化分類。

2.3 坡耕地質量因子適宜區間確定

坡耕地質量調控過程中，首先要明確可調控因子的適宜區間，并將其作為調控目標。根據坡耕地質量與因子隸屬函數的對應關系，認為坡耕地質量等級處于“較好”及以上等級（SIFI≥0.6）時，坡耕地生產力及其環境效應處于相對合理狀態[22]。評價指標的隸屬函數（()）表示該指標與坡耕地質量指數之間的一元函數關系，因此當SIFI≥0.6時，對應于隸屬函數值≥0.6，從而可依據隸屬函數()反推計算對應評價指標的適宜范圍臨界值。對于隸屬函數為S型的坡耕地質量指標，=0.6對應的坡耕地質量指標數值可作為適宜范圍下限，指標數值越大，對坡耕地質量提升的貢獻率也越大；對于隸屬函數為反S型的坡耕地質量指標，隸屬度＝0.6對應的指標數值可作為適宜范圍上限，指標數值越大，對坡耕地質量提升的貢獻率越??；對于隸屬函數為拋物線型的坡耕地質量指標，隸屬度=0.6對應的參數值包括適宜范圍下限和適宜范圍上限，下限和上限區間（閉區間）構成參數的適宜范圍。本研究坡耕地質量因子隸屬函數詳見文獻[18]。

2.4 調控潛力測算模型

參照土地整治工程耕地質量提升潛力的定義，將坡耕地質量調控潛力定義為：在當前狀態下通過對坡耕地實施調控措施可以達到的質量水平[13]，可用坡耕地質量指數或質量等級提升的幅度表示，坡耕地質量調控潛力計算公式如下：

式中P為第個評價單元的調控潛力值，SIFI為實施調控措施后第個評價單元的坡耕地質量指數，SIFI為實施調控措施前第個評價單元的坡耕地質量指數，K為實施調控措施后第個評價單元上第個評價指標的隸屬度值，C為第個評價單元上第個評價指標的權重。

在坡耕地質量調控過程中，受各種條件限制，通過調控措施使障礙因子得到改良或提升的幅度并不是無限的。根據坡耕地質量因子所處的狀態，坡耕地質量調控目標可分為理想狀態和實際狀態兩種情景模式[23]。理想狀態指不可調控因子保持不變，而可調控因子均處于最佳取值范圍時所對應的狀態。在理想狀態下，有效土層厚度、土壤質地、高程、≥10 ℃積溫、降雨量、規整度、連片度、有效降雨量等不可調控指標均保持穩定，而土壤容重、耕層厚度、土壤pH值、有機質、有效磷、速效鉀、灌溉保證率、田面坡度等可調控指標均達到最佳取值范圍，此時這些指標的障礙度（OD）為0。在實際調控過程中，受技術經濟及自然因素限制，實際上不可能達到調控的理想狀態，或達到理想狀態的成本不可承受。因此，理想狀態的調控潛力僅具有參考意義?？紤]當前自然因素、人為因素、技術水平、投入產出等條件下，坡耕地質量調控存在某一最優狀態，這一狀態即為實際狀態下可實現的最優調控目標[15]。通過文獻分析表明，在當前技術經濟條件下，可通過耕作管理、土壤培肥、水分調控等調控措施，使研究區坡耕地耕層土壤容重保持在1.15～1.20 g/cm3的適宜范圍，耕層厚度≥20 cm，耕層土壤pH值保持在6.0～6.5的適宜區間，有機質、有效磷、速效鉀在現狀水平下提升45%，作物需水得到有效供給，田面坡度≤10°，該狀態對應于實際能達到的最優質量狀態[11]。實際狀態是通過人為調控可實現的最優質量狀態，可作為坡耕地質量調控的標準。

3 結果與分析

3.1 坡耕地質量障礙因子診斷

障礙因子診斷是聚焦坡耕地質量培育存在問題和短板，針對性開展坡耕地質量調控的基礎和前提。表2為坡耕地質量評價指標得分率和障礙度，從表中可看出，指標得分率分布在40.78%～87.85%之間，不同評價指標的得分率差異較大。在14個評價指標中，有效土層厚度、土壤容重、耕層厚度、≥10 ℃積溫、連片度5項指標平均得分率較大，均超過了70%，表明上述5個指標在坡耕地質量評價中的總體得分較高，指標對區域坡耕地質量提升的限制作用較??；pH值、規整度、有機質3項指標得分率均大于60%，指標得分率也相對較高，該指標對坡耕地質量提升的限制作用相對較小。而降雨量、灌溉保證率、田面坡度、耕層質地、有效磷、速效鉀6項指標得分率小于60%，表明這些指標對區域坡耕地質量提升的限制作用較為明顯；其中，降雨量、田面坡度、有效磷含量3項指標的得分率均小于50%，表明這3項指標是區域坡耕地質量提升的關鍵性限制因子，在坡耕地質量調控中應予以重點關注。

表2 坡耕地質量因子平均得分率和障礙度

從障礙度來看，大部分指標障礙度均處于中度及以上等級。其中，處于輕度障礙（障礙度10%～20%）的指標僅有連片度，處于中度障礙（障礙度20%～30%）的指標包括：有效土層厚度、土壤容重、耕層厚度、≥ 10 ℃積溫，處于強度障礙（障礙度30%～50%）的指標包括：灌溉保證率、耕層質地、pH值、速效鉀、有機質、規整度，處于重度障礙（障礙度>50%）的指標包括：降雨量、田面坡度、有效磷。在坡耕地質量調控過程中，處于強度及以上障礙等級的評價指標應作為重點關注對象。從障礙因子的表現形式來看，處于強度障礙的指標中，耕層質地的障礙作用主要表現為耕層土壤黏重，pH值表現為較強的土壤酸性特征，速效鉀表現為土壤速效鉀含量偏低，有機質表現為土壤有機質含量較低，田塊規整度表現為坡耕地田塊形狀不規則，灌溉保證率則表現為坡耕地作物需水供給保證率不高；處于重度障礙的指標中，障礙作用主要表現為：田面坡度較大、易導致嚴重的土壤侵蝕，降雨量不足或分布不均導致坡耕地水分蓄持及供應能力不足，以及坡耕地有效磷含量偏低。

在坡耕地質量障礙因子診斷的基礎上，根據評價指標在各分區的均值變化情況，可進一步對各分區坡耕地質量障礙因子組合及障礙類型進行劃分。表3為不同分區坡耕地質量障礙因子的診斷矩陣，從表中可看出，不同分區坡耕地質量障礙因子分布存在一定的差異性。根據坡耕地質量障礙因子診斷結果，可進一步歸納和分析坡耕地質量的障礙因素，并對障礙類型進行劃分。對于田面坡度較大，土壤侵蝕導致的坡耕地有效土層厚度和耕層厚度減小、土壤侵蝕性退化的坡耕地，其障礙類型歸入侵蝕退化型；對于降雨不足、時空分布不均或灌溉保證率低導致農業干旱的坡耕地，其障礙類型歸入干旱缺水型；對于土壤有機質和N、P、K等養分含量不足的坡耕地，其障礙類型歸入養分貧乏型；對于空間分布破碎化導致的田塊規整度小、集中連片度差的障礙類型，其障礙類型歸入空間破碎型。

根據障礙因子診斷及障礙類型劃分結果，對不同分區坡耕地質量障礙類型進行排序，并提取前3個關鍵障礙類型進行排序，排序結果見表4。從表中可看出，云南坡耕地質量障礙類型以侵蝕退化型、干旱缺水型、養分貧乏型為主，不同分區坡耕地質量的障礙類型及排序存在一定的差異，坡耕地質量障礙類型也表現出多重性特征。例如，滇中區坡耕地質量障礙類型排序結果依次為：干旱缺水型、侵蝕退化型、養分貧乏型，從障礙類型及排序結果來看，干旱缺水及土壤侵蝕是制約滇中區坡耕地質量提升的主要因素，土壤養分和有機質不足也成為制約滇中區坡耕地質量提升不可忽視的因素。坡耕地質量調控過程中應針對關鍵性障礙因素安排措施體系，以確保取得較好的調控成效。

3.2 坡耕地質量調控優先度及調控目標

3.2.1 坡耕地質量因子調控優先度劃分

根據因子可調控性劃分方法，有效土層厚度、土壤質地、高程、≥10 ℃積溫、田塊規整度、連片度、降雨量7項因子主要反映坡耕地成土特征、立地條件、氣象條件及空間形態特征，這些因子難以在特定時間內通過人為作用發生顯著變化（也即因子CRT>102），屬于不可調控因子（或難以調控因子）；而耕層厚度、土壤容重、pH值、有機質、全氮、有效磷、速效鉀、灌溉保證率、田面坡度9個因子可通過耕作管理、土壤培肥、土地整治等途徑，在特定時間內（CRT∈10-1～102）實現調控目標，因此屬于可調控因子。

表3 不同分區坡耕地質量障礙因子診斷矩陣

注：“√”表示存在該項障礙因子，“×”表示不存在該項障礙因子。

Note: “√”indicates that the obstacle factor exists, and “×”indicates that the obstacle factor does not exist.

表4 不同分區坡耕地質量障礙類型及排序

在坡耕地質量調控過程中，為優化調控效果，針對可調控因子實施的調控優先順序也不一致。根據坡耕地質量因子的障礙度（OD）大小，對坡耕地質量因子的調控優先度進行分級，據此將調控優先度劃分為“高優先度”、“中優先度”、“低優先度”三個等級。從障礙因子分析結果來看，田面坡度、土壤有機質、灌溉保證率、有效磷、速效鉀、pH值6個可調控因子對坡耕地質量提升的障礙作用較大，是坡耕地調控中需要優先解決的短板，因此列入“高優先度”調控因子；耕層厚度、土壤容重、全氮對坡耕地質量提升的障礙作用相對較小，將其列為“中優先度”調控因子；其他不可調控因子（或難以調控因子）均列為“低優先度”調控因子。

坡耕地質量因子可調控性及調控優先度劃分結果見表5。在坡耕地質量調控中，應圍繞可調控因子實施相應的調控措施，并根據因子的調控優先度分級，合理安排調控措施及優先順序，據此集成坡耕地調控模式，以提高坡耕地質量調控的針對性和科學性。

表5 坡耕地質量因子可調控性及調控優先度分析結果

注：“+”表示該指標取值越大，越有利于坡耕地質量的提升；“-”表示該指標取值越大，越不利于坡耕地質量的提升；“∩”表示該指標取值只有在合理區間時，才有利于坡耕地質量提升。

Note: “+” means that the larger the value of this index, the more conducive to the improvement of the quality of slope farmland; “-”means that the larger the value of this indicator is, the less conducive to the improvement of the quality of slope farmland; “∩” means that the index value is only in a reasonable range, which is conducive to the improvement of slope farmland quality.

3.2.2 坡耕地質量調控目標

坡耕地質量調控的目的是提升坡耕地質量水平，但由于坡耕地質量內涵的多重性和影響因子的復雜性，坡耕地質量難以直接被準確、快速測度，這不利于及時對調控效應進行監測和反饋。為直觀反映關鍵影響因子變化范圍，實時對調控效應做出反饋，坡耕地質量調控目標可進一步分解為可調控質量因子的適宜范圍（區間），在生產實踐中可依據各調控因子是否處于適宜區間作為調控效應的控制目標，也即調控目標。根據云南坡耕地質量評價指標（因子）的隸屬函數，以坡耕地質量SIFI≥0.6作為診斷標準，計算坡耕地質量可調控指標（因子）的適宜范圍，計算結果詳見表6。從表中可看出，云南坡耕地質量可調控因子適宜范圍為：耕層厚度≥17.35 cm，土壤有機質≥28.89 g/kg，土壤有效磷≥ 32.44 mg/kg，土壤速效鉀≥137.81 mg/kg，灌溉保證率≥73.33%，土壤容重≤1.31 g/cm3，田面坡度≤12.87°，pH值6.06～8.06。坡耕地質量調控的目的即為通過各種調控措施，使影響坡耕地質量的可調控指標處于適宜范圍，從而達到提高坡耕地質量水平、保持良好的坡耕地水土生態環境的目的。

表6 坡耕地質量可調控因子適宜范圍

3.3 坡耕地質量調控潛力

表7為不同狀態下坡耕地質量調控潛力和質量等級變化，從表中可看出，理想狀態下坡耕地質量調控潛力均值為0.347，比現狀水平提升了58.81%。各分區理想狀態下的調控潛力均大于0.3，表明理想狀態下坡耕地質量調控潛力總體較高。實際狀態的調控潛力為0.198，盡管該調控潛力值小于理想狀態下的調控潛力，但比現狀水平提升了33.56%，表明實際狀態下坡耕地質量調控的潛力也相對較大。從各分區實際狀態調控潛力來看，滇西北區可實現的調控潛力最高，坡耕地質量調控潛力為0.243，南部邊緣區可實現的調控潛力最低，坡耕地質量調控潛力為0.158，其他各分區調控潛力介于二者之間，表明通過實施合理的調控措施，各分區坡耕地質量在在現狀水平上均可實現較大幅度的提升。實際狀態下的坡耕地質量潛力具有可實現性，在開展坡耕地質量調控過程中，可將實際狀態調控潛力作為坡耕地質量調控效果評估的基準值。

從坡耕地質量調控的質量等級變化來看，理想狀態下坡耕地質量等級均達到了“高”等級，相比現狀坡耕地質量等級平均提高了2個等級。實際狀態下，通過各種調控措施，可實現坡耕地質量等級從目前的“中等”等級向“較高”等級躍升，相比現狀平均提升了1個等級，表明該狀態下坡耕地質量等級調控的潛力也相對較大。從各分區調控潛力等級變化來看，滇中區、滇東南區、滇西南區、滇東北區、滇西北區在實際最優狀態下可實現坡耕地質量等級從“中等”向“較高”等級提升，滇西區在實際最優狀態下實現坡耕地質量等級從“較高”向“高”提升，而現狀水平下坡耕地質量等級較高的南部邊緣區保持“較高”等級不變。

表7 不同狀態下坡耕地質量調控潛力和質量等級變化

3.4 坡耕地質量調控模式

坡耕地質量障礙因子診斷結果表明，侵蝕退化、干旱缺水、養分貧乏是云南坡耕地質量提升的主要制約因素。從坡耕地質量調控優先度分析結果來看，坡耕地質量可調控因子由耕層厚度、土壤容重、pH值、有機質、全氮、有效磷、速效鉀、灌溉保證率、田面坡度組成，其中田面坡度、土壤有機質、灌溉保證率、有效磷、速效鉀、pH值為優先調控因子。因此，區域坡耕地質量調控應圍繞土壤侵蝕、干旱缺水、養分缺乏三大關鍵性制約因素展開，通過實施針對性的調控措施，使坡耕地田面坡度、土壤有機質、灌溉保證率、有效磷、速效鉀、pH值等因子處于適宜范圍。云南坡耕地質量調控的總體思路可概括為“控侵蝕、調水分、培肥力”?！翱厍治g”，即控制坡耕地土壤侵蝕，通過實施各種水土保持措施，降低坡耕地坡面土壤侵蝕強度和養分流失負荷；“調水分”，即提升坡耕地水分調蓄能力，通過實施以降雨資源化利用為核心的坡面徑流調控措施、土壤水分調蓄措施和灌溉排水措施，提高坡耕地灌溉保證率和土壤水庫調蓄能力；“培肥力”，即培育坡耕地土壤肥力，通過實施土壤保育和培肥措施，提升坡耕地土壤有機質含量和土壤肥力水平。

坡耕地質調控措施可劃分為耕作措施、土壤培肥措施、工程措施、種植模式措施、林草措施5類，不同類別的措施又包括若干具體的單項措施。針對區域坡耕地質量障礙特征，結合各項措施的調節效應及適用條件差異，圍繞“控侵蝕、調水分、培肥力”的總體思路，建立云南坡耕地質量調控集成模式如下：（1）在耕作措施中，積極引導農戶轉變傳統耕作習慣，推廣壟作、等高耕作、反坡耕作等水土保持耕作模式和旋耕、深松耕、免耕+深耕等保護性耕作方式，改善坡耕地耕層土壤結構和水分蓄持性能，減小坡耕地坡面土壤、水分、養分流失，提高坡耕地蓄水保土能力；（2）在工程措施中，結合區域農業發展規劃、土地整治、高標準農田建設以及綠色農田建設計劃，以實施坡面水系、坡改梯為主體，興建坡耕地排水溝渠、蓄水池、儲水窖、田間道路、小型水庫等集水設施，具備條件的高原特色農業生產區可推廣滴管、微噴灌等高效節水措施，提高灌溉保證率，增強坡耕地抵御季節性干旱的能力；（3）在土壤培肥措施中，針對坡耕地土壤養分不足的問題，推廣秸稈還田、綠肥還田、增施有機肥、平衡施肥、測土配方施肥等措施，增加坡耕地土壤有機質含量，改善坡耕地耕層土壤結構性和養分供應能力。由于不同分區坡耕地質量障礙因素和調控潛力存在較大的差異性，各分區坡耕地質量調控的措施類型及優先順序也存在不同，導致坡耕地質量調控模式也存在一定的差異性，在實踐中應結合各分區障礙因素的差異性合理構建調控模式。

4 討 論

耕地利用過程中，在障礙因子制約下耕地質量等級較低，其生產和生態功能受到限制。耕地質量障礙因子診斷是科學實施土地整理工程、提高整治成效的基礎[24]。國內耕地質量研究大多基于耕地質量評價結果，按照耕地質量空間分布和主導性影響因子，提出耕地質量保護分區[25]；也有學者在障礙因子診斷、組合排序分析基礎上，提出土地整治措施[26-27]。目前障礙因子診斷研究主要集中在土地整治、高標準農田建設等方面，針對省級區域尺度的耕地質量障礙因子診斷的研究還較少。坡耕地作為耕地資源的重要組成部分，其質量受多重因子影響，是各因子耦合作用的結果，使得坡耕地質量調控需要針對障礙因子采取針對性的調控措施，才能實現最佳調控效果。近年來針對不同區域坡耕地質量障礙因子方面的研究得到了重視。李丹等[28]研究表明，氮肥、磷肥施用量是限制西藏“一江兩河”地區耕地生態安全的主要障礙因素。趙素霞等[29]研究表明，新鄭市高標準農田建設的主要障礙因子是灌溉保證率、排水條件、有機質含量和土壤污染。金慧芳等[30]研究認為，江西紅壤坡耕地耕層質量主要障礙因素表現為土壤黏粒含量多、pH 值小、耕層薄化和土壤抗剪強度小，并據此將耕層類型劃分為6類。本文將坡耕地質量分區保護與障礙因子診斷結合起來，在障礙因子排序基礎上，歸納出坡耕地質量障礙類型，其中侵蝕退化型、干旱缺水型、養分貧乏型是云南坡耕地質量主要障礙類型。上述分析表明，受立地條件、人為耕作管理差異性的影響，不同區域坡耕地質量障礙因子組合及表現形式存在較大差異，需要針對區域實際情況開展坡耕地質量障礙因子研究，以為坡耕地質量管理提供科學依據。

耕地質量提升潛力測算是耕地質量培育和管理的基礎，對提高耕地質量、改善生態環境和保證糧食安全具有重要指導意義。耕地質量提升潛力測算最初來源于土地整治工程，通過將評價單元耕地質量等別指標的滿分值或實際最高分值與實際分值進行比較，兩者之差即為提升潛力[23]。國內研究集中在耕地整治工程對耕地數量和質量提升潛力的測算上[13]，或基于農地分等成果，在耕地質量限制因素分析基礎上，設計土地整治耕地質量提升方案，對耕地質量提升潛力或產能提升潛力進行估算[15]。目前在土地整治耕地質量提升潛力測算方面已取得了一些研究成果，但在區域尺度坡耕地質量障礙因子可調控性和調控優先度分析基礎上的調控提升潛力估算方面的研究仍然較少。本文借鑒土地整治工程質量提升潛力測算方法，在障礙因子診斷及可調控性分析基礎上，構建了一套適宜于區域尺度坡耕地質量調控潛力的計算模型，可為區域坡耕地質量調控潛力測算及質量管理提供科學依據。

坡耕地質量評價及其障礙因子診斷、調控潛力測算的目的是為建立坡耕地質量調控模式提供科學依據和技術支持。由于不同區域坡耕地質量等級、障礙因子、調控潛力等均存在較大差異，導致調控的措施體系、組合模式也并不一致。本文在云南不同分區坡耕地質量評價、障礙因子診斷和調控潛力測算基礎上，試圖建立一套坡耕地質量調控體系，為區域坡耕地質量調控提供參考。由于坡耕地質量因子的多重性和影響因素的復雜性，加之坡耕地質量調控措施涉及到耕作措施、土壤培肥措施、工程措施、生物措施等多方面，不同區域調控措施配置的優先順序及調控效益監測方面有待進一步研究。

5 結 論

1）云南坡耕地質量的障礙類型以侵蝕退化型、干旱缺水型、養分貧乏型為主，不同分區障礙因子組合及其表現程度存在差異。

2）坡耕地質量可調控因子由耕層厚度、土壤容重、pH值、有機質、全氮、有效磷、速效鉀、灌溉保證率、田面坡度組成，其中田面坡度、土壤有機質、灌溉保證率、有效磷、速效鉀、pH值為優先調控因子。坡耕地質量調控的目標是通過實施調控措施使可調控因子處于適宜范圍，該因子適宜范圍分別為：耕層厚度≥17.35 cm，土壤有機質≥28.89 g/kg，土壤有效磷≥32.44 mg/kg，土壤速效鉀≥137.81 mg/kg，灌溉保證率≥73.33%，土壤容重≤1.31 g/cm3，田面坡度≤12.87°，pH值6.06～8.06。

3）坡耕地質量調控可達到的目標包括理想狀態和實際狀態兩種情景模式，理想狀態下云南坡耕地質量調控潛力為0.347，可從現狀的“中等”提升到“高”等級；實際狀態下坡耕地質量調控的潛力為0.198，其質量等級可從現狀“中等”提升到“較高”等級，實際狀態調控潛力可作為坡耕地質量調控的標準。

4）圍繞“控侵蝕、調水分、培肥力”的調控總體思路，建立云南坡耕地質量調控集成模式如下：在耕作措施中推廣壟作、等高耕作、反坡耕作等水土保持耕作模式和旋耕、深松耕、免耕+深耕等保護性耕作方式，在工程措施中重點實施坡面水系工程、坡改梯工程和高效節水措施，在土壤培肥措施中積極推廣秸稈還田、施用綠肥、增施有機肥、測土配方施肥等措施，以增加坡耕地土壤有機質和養分含量。

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Construction of the quality regulation system for provincial scale slope farmland based on quality evaluation

Chen Zhengfa, Gong Aimin, Zhang Liudong※, Wang Jianxiong, Xiang Biao, Ning Dongwei

(,,,650201,)

A slope farmland has been one of the most serious land-use types of soil and water loss, as well as the non-point source pollution. Natural conditions and unreasonable farming have also posed great damage to the ecological environment, particularly on the quality degradation of slope farmland. Therefore, it is very necessary to construct the quality control system of slope farmland in recent years. Taking sloping farmland in Yunnan province of China as a research object, a factor analysis model was first established to diagnose the quality obstacle factors of slope farmland. The types of quality obstacles were then ranked to define in each region, thereby identifying the controllable factors, the regulation priority, and objectives of slope farmland quality. The quality regulation potential of slope farmland was calculated to determine the zoning regulation mode in different regions. The results showed that: 1) The main types of quality obstacles were erosion degradation, drought, and water shortage, as well as the nutrient poverty type in the sloping farmland. There was some difference in the combination and performance of obstacle factors in different regions. 2) The adjustable factors of slope farmland quality included the thickness of arable layer, soil bulk density, pH value, organic matter, the total nitrogen, available phosphorus, available potassium, irrigation assurance rate, and field slope, among which the field slope, soil organic matter, irrigation assurance rate, available phosphorus, available potassium and pH value were the priority adjustment and control factors. The goal of quality control in the sloping farmland was to make the controllable factors in the appropriate range under various control measures. An optimal range of factors were achieved, where the thickness of plough layer ≥17.35 cm, soil organic matter ≥28.89 g/kg, soil available phosphorus ≥32.44 mg/kg, soil available potassium ≥137.81 mg/kg, irrigation assurance rate ≥73.33%, soil bulk density ≤1.31 g/cm3, field slope ≤12.87°, and pH value 6.06-8.06. 3) The objectives of quality control in the sloping farmland included the ideal and actual state. In an ideal state, the potential of quality control in the sloping farmland was 0.347, indicating an upgrade from the "medium" to the "higher" level. In the actual state, the potential of quality control in the sloping farmland was 0.198, indicating that the quality level was improved from the current "medium" to "high". The potential of actual state control was used as the standard quality control of slope farmland. 4) According to the general idea of "erosion control, water regulation, and fertility enhancement", the integrated mode of quality control in the sloping farmland was constructed as follows. The tillage modes were utilized to promote soil and water conservation, such as ridge, contour, and reverse slope tillage, as well as the conservation tillage (rotary, subsoiling, and no tillage + deep tillage) in farming measures. The water engineering slope to ladder project and high-efficiency water-saving measures can be implemented to actively promote the straw returning, green and organic fertilizer application. The soil testing and formula fertilization among soil fertility measures can be used to increase the content of soil organic matter and nutrients in the slope cultivated land. This finding can provide a scientific guide for the quality cultivation and management of regional slope farmland at a provincial scale.

models; evaluation; slope farmland; farmland quality; obstacle factor diagnosis; regulatory potential; regulation system; Yunnan

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.015

F323.21

A

1002-6819(2021)-20-0136-10

陳正發，龔愛民，張劉東，等. 基于質量評價的省域尺度坡耕地質量調控體系構建[J]. 農業工程學報，2021，37(20)：136-145.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.015 http://www.tcsae.org

Chen Zhengfa, Gong Aimin, Zhang Liudong, et al. Construction of the quality regulation system for provincial scale slope farmland based on quality evaluation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(20): 136-145. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.015 http://www.tcsae.org

2021-04-29

2021-08-09

云南農業大學引進人才科研啟動項目（A2032021031）；公益性行業（農業）科研專項（201503119-01-01）

陳正發，博士，講師，研究方向為：水土生態工程、水土資源高效利用與保護。Email：chenzhengfa2013@126.com

張劉東，博士，副教授，研究方向為：農業水土資源與環境。Email：zld8066@163.com

中國農業工程學會會員：陳正發（E042500009M）