袁 媛,胡曉黎,雷 蕾,張鴻雁,常慶瑞
(1.商洛市氣象局,陜西 商洛 726000;2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100)
【研究意義】耕地作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的資源之一,是人類生活及社會(huì)發(fā)展所依賴的物質(zhì)基礎(chǔ),是否有效利用土地資源,對(duì)區(qū)域發(fā)展、人民生活水平的高低都有直接影響[1-2]。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,人們常常忽略耕地質(zhì)量退化、產(chǎn)量變低等不利影響的本質(zhì)原因,這對(duì)我國(guó)糧食生產(chǎn)安全和人們生活質(zhì)量的保障構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3-4]。因此,十分有必要建立區(qū)域內(nèi)科學(xué)的耕地地力水平評(píng)價(jià)體系,為土地利用的合理規(guī)劃和保持生態(tài)平衡提供重要理論依據(jù)?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來(lái),眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究關(guān)于耕地利用變化、耕地?cái)?shù)量變化、耕地潛力等因素與糧食安全之間的關(guān)系,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及“3S”技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用地不斷加深,對(duì)耕地地力調(diào)查與評(píng)價(jià)研究越來(lái)越深入,在該領(lǐng)域研究方法上也不斷更新?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以陜西省商南縣為例,在全國(guó)第二次土壤普查[5-6]基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)研究區(qū)耕地的地貌特征、土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分狀況等的調(diào)查,利用“3S”等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段,選取耕地地力評(píng)價(jià)單元,構(gòu)建耕地資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)及管理系統(tǒng),并劃定等級(jí),評(píng)價(jià)耕地地力水平[7]?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究旨在實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)土地的優(yōu)化布局,進(jìn)而指導(dǎo)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、培肥土壤,提高研究區(qū)耕地資源的可持續(xù)發(fā)展利用[8]。
商南縣座落在陜西省東南部(110°24' ~111°01'E,33°06' ~ 33°44' N),屬秦嶺東段南麓,3省交匯,地聯(lián)8縣,全縣地勢(shì)西南和北部高、東南和中部低,海拔落差較大,最高處2 057 m,最低處僅216.4 m。境內(nèi)有丹江、縣河、滔河、武關(guān)河等6條河流,均屬漢江水系。縣域內(nèi)大部分地區(qū)屬暖溫帶氣候,只有東南部為北亞熱帶氣候,歷年平均氣溫13.9 ℃,境內(nèi)雨量充沛,年降水量862.4 mm,年日照時(shí)數(shù)1 675.5 h。土壤類型有棕壤、黃棕壤、新積土、潮土和紫色土。全縣土地總面積2 307 km2,主要糧食作物為玉米、小麥、和馬鈴薯。
本研究用于評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)資料包括商南縣土地利用現(xiàn)狀圖(1∶50 000)、土壤圖(1∶50 000)、地形圖(1∶50 000)數(shù)據(jù),全國(guó)第二次土壤普查的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)及相關(guān)文字記錄資料,縣域氣候、基本農(nóng)田及水利設(shè)施建設(shè)、土壤肥力、土地資源調(diào)查和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)資料等。同時(shí),結(jié)合商南縣耕地實(shí)際情況,收集野外調(diào)查資料,編制《采樣點(diǎn)基本情況調(diào)查表》《農(nóng)戶收入支出情況調(diào)查表》《農(nóng)戶施肥調(diào)查表》,調(diào)查內(nèi)容主要包括農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施、耕作制度、土壤類型、土壤性狀、農(nóng)民種植業(yè)、作物品種、產(chǎn)量及投入產(chǎn)出等方面的情況。根據(jù)以上調(diào)查內(nèi)容在全縣耕地上共布設(shè)大田采樣點(diǎn)1 444個(gè),采樣時(shí)利用GPS定位儀在取樣點(diǎn)確定經(jīng)緯度,按要求填寫(xiě)調(diào)查表格,并根據(jù)實(shí)地調(diào)查走訪情況,對(duì)采樣點(diǎn)位置不合理的情況進(jìn)行更正。
利用ArcMap 10.2軟件對(duì)所用的圖件資料進(jìn)行矢量化處理,對(duì)圖片進(jìn)行編輯、轉(zhuǎn)換、空間分析、拓?fù)浞治鲆院?,定性及定量提取商南縣耕地分布、面積等數(shù)據(jù),制作輸出耕地資源管理單元圖;對(duì)整理的各種調(diào)查信息及采樣數(shù)據(jù)、土肥化驗(yàn)結(jié)果等分類錄入Microsoft Office 2010 Access ,統(tǒng)一將這些數(shù)據(jù)使用dbf.格式導(dǎo)入ArcGIS 10.2系統(tǒng)中,最終建立商南縣耕地地力調(diào)查與評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)[9]。
本研究縣域耕地地力評(píng)價(jià)技術(shù)路線見(jiàn)圖1。
圖1 縣域耕地地力評(píng)價(jià)技術(shù)路線圖Fig. 1 Technical roadmap of county-based cultivated land capacity evaluation
1.3.1 確定評(píng)價(jià)因子 耕地地力評(píng)價(jià)是對(duì)研究區(qū)域土壤理化性狀、地形地貌特征等自然條件對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)影響大小程度的評(píng)價(jià)。本研究經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查,根據(jù)可操作性、穩(wěn)定性、相關(guān)性、主導(dǎo)性等原則,聘請(qǐng)省、市、縣三級(jí)農(nóng)業(yè)專家,在全國(guó)耕地地力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系要求下,通過(guò)專家組投票方式確定最終指標(biāo)。選擇12個(gè)對(duì)耕地地力影響較大且適合當(dāng)?shù)赝恋刭Y源實(shí)際情況的因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo),包括與土壤管理相關(guān)的要素(耕地基礎(chǔ)設(shè)施具體灌溉情況)、土壤(結(jié)構(gòu)、類型、質(zhì)地情況)、土壤養(yǎng)分含量(全氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量)以及地形地貌條件(海拔高度、土地坡度、地貌特征)[10]。
1.3.2 劃分評(píng)價(jià)單元 為科學(xué)劃分研究區(qū)耕地地力等級(jí),將商南縣土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖、行政區(qū)劃圖在Arc map10.2軟件中疊加形成的色斑圖作為最終評(píng)價(jià)單元,三類圖形的劃分單元分別為二級(jí)利用類型、土種及鎮(zhèn)一級(jí),通過(guò)疊加,使得同一評(píng)價(jià)單元內(nèi)的行政區(qū)域劃分、土種類別及使用方式均達(dá)到一致,不同評(píng)價(jià)單元之間的可比性和差異性則同時(shí)體現(xiàn)[11-12]。
1.3.3 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重 不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)耕地地力評(píng)價(jià)結(jié)果反映土地質(zhì)量的影響差異較大,各個(gè)因子之間相互影響、互相促進(jìn),因此應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況對(duì)所有選中指標(biāo)賦予相應(yīng)的權(quán)重[13]。為保證評(píng)價(jià)的客觀性、準(zhǔn)確性、真實(shí)性,本研究利用層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià),將所選的12個(gè)評(píng)價(jià)因子按照隸屬關(guān)系排成目標(biāo)層K(耕地地力)、準(zhǔn)則層M(有相似特征的要素)、指標(biāo)層N(參評(píng)因子)3個(gè)層次[14-15]。專家組在層次結(jié)構(gòu)圖中依據(jù)上下兩層對(duì)應(yīng)的重要程度賦予評(píng)估值,再經(jīng)過(guò)計(jì)算分析形成判斷矩陣,根據(jù)矩陣可得到各因子的特征向量(即權(quán)重)[16]。各指標(biāo)的組合權(quán)重為MiNj,Mi為M層中決定矩陣的特征向量(i=1,2,3,4);Nj指N層決定矩陣的特征向量(j=1,2,…12)。經(jīng)計(jì)算,矩陣排列整體一致性較好,層次總排序、單排序及一致性檢驗(yàn)的一致率(CR)均小于0.1。權(quán)重匹配結(jié)果見(jiàn)表1。
1.3.4 擬合隸屬函數(shù) 根據(jù)所選的商南縣耕地地力評(píng)價(jià)因子,結(jié)合模糊數(shù)學(xué)法,確定3種參評(píng)指標(biāo)與耕地生產(chǎn)關(guān)系的函數(shù)模型,分別為概念型(耕地基礎(chǔ)設(shè)施、灌溉水平、土壤結(jié)構(gòu)、類型、質(zhì)地、地形地貌)、戒上型(全氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、有效磷)、直線型(海拔高度和坡度),將后兩種模型的因子進(jìn)行回歸分析,建立擬合函數(shù)模型,通過(guò)精度檢驗(yàn),置信水平達(dá)到顯著的可進(jìn)行隸屬度計(jì)算(表2)。同時(shí),通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法給出評(píng)價(jià)因素相應(yīng)的指標(biāo)值與評(píng)估值[17-19],結(jié)果見(jiàn)表3 。最后,
根據(jù)不同評(píng)價(jià)因子與耕地地力等級(jí)的相關(guān)性,對(duì)概念型因子直接賦予隸屬度值[20](表4)。
表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重匹配結(jié)果Table 1 Matching results of evaluation index combination weight
表2 所選因子類型及其隸屬函數(shù)Table 2 Types of selected factors and the membership function
表3 數(shù)量型參評(píng)因子專家評(píng)估值Table 3 Expert evaluation value of quantitative participation factors
表4 專家組評(píng)估非數(shù)量型參評(píng)因子隸屬度值Table 4 Membership value of non-quantitative type factors evaluated by expert group
1.3.5 耕地地力綜合指數(shù)(IFI)的計(jì)算 本研究利用加法模型計(jì)算IFI[21],對(duì)商南縣耕地地力進(jìn)行評(píng)價(jià),公式如下:
式中,F(xiàn)i為第i個(gè)指標(biāo)的隸屬度,Ci為第i個(gè)指標(biāo)的組合權(quán)重。最后,利用耕地資源管理信息系統(tǒng)中的模塊,計(jì)算得出商南縣IFI最小值為0.5261703,最大值為0.862222。
在商南縣耕地地力評(píng)價(jià)中,根據(jù)IFI累積頻率曲線圖與實(shí)際樣點(diǎn)數(shù),將累積曲線波動(dòng)劇烈的拐點(diǎn)值作為各個(gè)等級(jí)的分級(jí)指標(biāo)[22],將商南縣耕地地力分為5個(gè)等級(jí):一級(jí)地,IFI>0.75;二級(jí)地,0.7<IFI≤0.75;三級(jí)地,0.65 <IFI≤0.7;四級(jí)地,0.6<IFI≤0.65;五級(jí)地,IFI≤0.6。
基于耕地地力評(píng)價(jià)手段,利用Arcmap10.2軟件的反距離加權(quán)法(IDW)對(duì)采樣點(diǎn)的IFI進(jìn)行空間插值,并根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)從土地利用現(xiàn)狀圖中提取的耕地進(jìn)行計(jì)算,獲取各評(píng)價(jià)等級(jí)耕地的面積及空間分布情況[23]。
商南縣及各鎮(zhèn)不同耕地地力水平面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。研究區(qū)總耕地面積24 848.26 hm2,占全縣土地面積的10.77%,其中一級(jí)地2 286.97 hm2、占總耕地面積的12.19%,二級(jí)地4 666.79 hm2、占17.49%,三級(jí)地8 733.13 hm2、占32.28%,四級(jí)地6 320.22 hm2,占25.10%,五級(jí)地2 841.16 hm2、占12.93%。
從評(píng)價(jià)結(jié)果(表5)可以看出,商南縣耕地地力等級(jí)與坡度、土壤構(gòu)造、地貌類型均密切相關(guān),具有明顯的地域分布特征。隨著地力水平的變化,地貌類型從較為平坦的坡塬地和在溝底的溝谷地過(guò)渡到高程較高的山地和洪積(或新沖積)形成的灘地,不同類型地貌上各地力等級(jí)的耕地面積及占比見(jiàn)表6。
從表7可以看出,商南縣一級(jí)地面積2 286.97 hm2,占研究區(qū)耕地面積的12.19%,全縣各鎮(zhèn)均有分布,主要集中在城關(guān)鎮(zhèn)和試馬鎮(zhèn)。地貌類型分布特征是主要集中在河谷川塬上,其余則在淺山丘陵上,其中河谷川塬上的一級(jí)地有1 760.76 hm2、占一級(jí)地總面積的76.99%,淺山丘陵有526.30 hm2、占24.03%;面積較大的土壤類型為黃棕壤,有1 753.31 hm2、占一級(jí)地的76.67%;且一級(jí)地坡度較小,大多分布在15°以下,僅有少量地塊坡度略超過(guò)15°,無(wú)明顯土壤侵蝕現(xiàn)象,土壤養(yǎng)分含量較高。一級(jí)地地勢(shì)平坦、土層深厚、土壤養(yǎng)分含量高、水土流失較輕,多數(shù)地區(qū)灌溉條件好,有較高生產(chǎn)力,適宜多種作物的生長(zhǎng)。但部分地方易受干旱威脅,在生產(chǎn)上存在肥力后勁不足問(wèn)題,因此應(yīng)增施有機(jī)肥料,提高土壤抗旱續(xù)墑和保肥能力,改善土質(zhì)結(jié)構(gòu)。在耕種過(guò)程中,出現(xiàn)重復(fù)開(kāi)墾、不注重養(yǎng)護(hù)等問(wèn)題,建議合理規(guī)劃輪作制度、科學(xué)使用配方施肥、改善和加強(qiáng)土壤肥力。
商南縣二級(jí)地面積4 666.79 hm2,占研究區(qū)耕地面積的17.49%,各鎮(zhèn)均有分布,主要集中在城關(guān)鎮(zhèn)和富水鎮(zhèn)。其中,分布在淺山丘陵上的面積有4 502.19 hm2、占二級(jí)地96.47%,河谷川塬有156.63 hm2、占3.36%,中山地貌中的二級(jí)地占比最小、只有7.96 hm2,占0.17%;土壤類型主要為黃棕壤,面積為4 340.03 hm2,占二級(jí)地的93.00%,土壤養(yǎng)分含量仍較高(表7)。分布在二級(jí)地的地勢(shì)也比較平緩,坡度落差不大,土體較厚,水土流失較輕,但部分田塊灌溉條件欠佳,生產(chǎn)性能比一級(jí)地低。部分地塊的土種(如泥潮土),質(zhì)地粘重、通透性較差,在干旱時(shí)節(jié)常出
現(xiàn)龜裂、雨季積水成澇、耕種易起泥條、限制生產(chǎn)力等問(wèn)題。因此,需要設(shè)法排水除澇,摻沙改善土壤構(gòu)造,加施有機(jī)肥,增強(qiáng)團(tuán)粒結(jié)構(gòu),進(jìn)行土壤培肥與改良等[24]。
表5 商南縣不同地力等級(jí)的耕地面積及占比Table 5 Cultivated land area and proportion of different land grades in Shangnan county
表6 商南縣不同類型地貌上各地力等級(jí)耕地面積及占比Table 6 Cultivated land area and proportion of different land grades in different geomorphic types in Shangnan county
表7 商南縣不同地力等級(jí)耕地土壤養(yǎng)分含量Table 7 Soil nutrient content of different land grades in Shangnan County
商南縣三級(jí)地面積8 733.13 hm2,占研究區(qū)耕地面積的32.28%,各鎮(zhèn)均有分布,主要集中在城關(guān)鎮(zhèn)、富水鎮(zhèn)和金絲峽鎮(zhèn)。其中,分布在淺山丘陵上的有三級(jí)地 8 619.75 hm2、占98.70%,中山地貌93.36 hm2、占1.07%,河谷川塬僅20.02 hm2、占0.23%;土壤類型主要為黃棕壤,面積為7 724.66 hm2、占88.45%,土壤養(yǎng)分含量略低于前一、二級(jí)地(表7)。三級(jí)地的坡地耕地面積較前一、二級(jí)增多,坡度和水土流失增大,土壤腐殖質(zhì)層、有效土層的厚度有所降低,且無(wú)灌溉能力的耕地面積增加,耕地生產(chǎn)力因此下滑,可通過(guò)平整土地、改善土體厚度、增強(qiáng)土壤肥力、提高蓄水保墑能力、防止水土流失、增建灌溉設(shè)施等措施,逐步建成高產(chǎn)旱作基本農(nóng)田。
商南縣四級(jí)地面積6 320.22 hm2,占研究區(qū)耕地面積的25.10%,各鎮(zhèn)均有分布,主要集中在試馬鎮(zhèn)、金絲峽鎮(zhèn)和富水鎮(zhèn)。其中,分布在淺山丘陵上的面積最大、有5 399.22 hm2、占四級(jí)地85.43%,中山地貌有917.52 hm2、占14.52%,河谷川塬的分布最少、只有3.48 hm2、占0.05%;土壤類型主要是黃棕壤,面積為4 964.54 hm2、占四級(jí)地的78.55%(表7)。四級(jí)地的生產(chǎn)性能中等,耕地坡度、水土流失情況繼續(xù)增強(qiáng),肥力減弱,土層變薄,大部分耕地?zé)o灌溉能力,嚴(yán)重影響生產(chǎn)性能。因此,可進(jìn)行修建梯田、引水防旱、培肥土壤,提高灌溉能力及土壤濕度,逐步建成穩(wěn)產(chǎn)旱作基本農(nóng)田。
商南縣五級(jí)地面積2 841.16 hm2,僅占研究區(qū)耕地面積的12.93%,各鎮(zhèn)均有分布,但主要集中在十里鋪鎮(zhèn)。其中,分布在中山地貌上有2 123.62 hm2、占74.75%,淺山丘陵分布的五級(jí)地有717.53 hm2、占25.25%;土壤類型主要是黃棕壤,面積為1 742.37 hm2、占61.33%(表7)。五級(jí)地所處的坡度多數(shù)較大,土壤表層質(zhì)地疏松,易導(dǎo)致水土流失,土體厚度、腐殖質(zhì)層厚度均較低,生產(chǎn)性能中等偏下。對(duì)于小于15°的坡耕地,可通過(guò)糧草輪作、增施有機(jī)肥,提高土壤養(yǎng)分,防止水土流失,建設(shè)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施,提高耕地生產(chǎn)能力,逐步改良為旱作基本農(nóng)田。對(duì)于大于15°的坡耕地,應(yīng)全部退耕還林還草。
本研究在保護(hù)秦嶺生態(tài)和發(fā)展高效農(nóng)業(yè)、助力脫貧攻堅(jiān)的大背景下,以地處秦嶺東段南麓的陜西省商南縣作為研究區(qū),建立秦嶺山區(qū)縣域耕地地力評(píng)價(jià)體系,通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重匹配結(jié)果的分析比較,發(fā)現(xiàn)灌溉能力、地貌類型、有機(jī)質(zhì)、坡度為影響商南縣耕地地力評(píng)價(jià)的主要因子。這些自然條件會(huì)限制土層結(jié)構(gòu)、土壤蓄水能力,影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性能,因此,改善這些因素是提高本區(qū)耕地生產(chǎn)地力主要途徑。研究表明,商南縣地力較好的耕地主要集中分布在低海拔(800 m)以下較平坦的川道、丘陵地帶,此區(qū)土層深厚,土壤養(yǎng)分含量高,水土流失較輕,多數(shù)地區(qū)灌溉條件好,是商南縣高產(chǎn)田的主要分布區(qū)域,也是科管條件較好,人為干預(yù)較多的地區(qū)。三、四級(jí)耕地多分布在海拔800~1 200 m之間的中高山區(qū),此區(qū)海拔較高,坡度增大,水分涵養(yǎng)能力較差,土壤肥力脊薄,交通不便,人為管理難度大的區(qū)域。后期可通過(guò)加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),加大科技投入,提高科管水平,更換種植方式(間作、輪作、套種等),改善土體結(jié)構(gòu),增強(qiáng)土壤肥力,增建灌溉設(shè)施等措施提高耕地地力生產(chǎn)水平。五級(jí)地所處坡度較大,一般海拔在1 200 m以上、交通極為不便、人為影響較小的區(qū)域,此區(qū)土壤表層板結(jié),土層薄、腐殖質(zhì)層厚度均較低,無(wú)灌溉條件,管理難度較大,只能采取自然耕作的方式,靠天吃飯。大于15°的坡耕地已不適合耕種,應(yīng)全部退耕還林還草。分析發(fā)現(xiàn)縣域耕地地力固然與海拔、地形地貌等自然因素有關(guān),但可以通人工干預(yù)改變或提高地力,隨著現(xiàn)代科學(xué)管理水平的提高,耕作方式、種植制度等人為因素對(duì)耕地地力也存在一定影響,本研究沒(méi)有作深入探討,這為以后研究提出了新的方向。
本研究選取土壤管理相關(guān)的要素、土體構(gòu)造、土壤養(yǎng)分含量以及地形地貌條件等4個(gè)方面中與耕地地力相關(guān)性大且可操作性、穩(wěn)定性和主導(dǎo)性都較好的12個(gè)指標(biāo)作為參評(píng)指標(biāo),構(gòu)建耕地地力優(yōu)劣評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)陜南山區(qū)縣域耕地地力進(jìn)行分級(jí)。結(jié)果表明,商南縣耕地總面積24 848.26 hm2,1~5級(jí)耕地面積分別為 2 286.97、4 666.79、8 733.13、6 320.22、2 841.16 hm2。其中一、二級(jí)耕地主要集中分布在海拔800 m以下的河谷川塬和淺山丘陵地帶,三、四級(jí)耕地多分布在海拔800~1 200 m之間的淺山丘陵和中山地貌上,而五級(jí)地位于海拔1 200 m以上的山坡或高山上。建議通過(guò)改善影響地力的主要因子來(lái)提高地力,為區(qū)域內(nèi)土地合理利用規(guī)劃、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、生態(tài)平衡保護(hù)、耕地資源的可持續(xù)發(fā)展提供保障。