新疆阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量評價及障礙因素診斷

張智斌，范燕敏，武紅旗，董 通，劉 靜，李昱朋，谷海斌

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/新疆草地修復(fù)與環(huán)境信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】耕地質(zhì)量決定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全[1-3]。對耕地的不合理利用，將直接導(dǎo)致各類障礙因素的產(chǎn)生[4-5]。新疆鹽漬化、沙化、貧瘠化等障礙因素均會造成耕地質(zhì)量下降[6-8]。研究新疆阿勒泰地區(qū)耕地基本情況，挖掘其耕地生產(chǎn)潛能，對實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量的提升具有重要意義[9]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】張立江等[10]，韓宗偉等[11]，王慧慧等[12]，馬瑞明等[13]在研究尺度、方法和指標(biāo)的選取等方向?qū)Ω刭|(zhì)量進(jìn)行評價，進(jìn)一步豐富了耕地質(zhì)量評價的內(nèi)容。王雪梅等[14]，胡志朋等[15]從地力評價、地力提升和耕地集約利用方向以定性化為主對耕地質(zhì)量進(jìn)行評價。秦偉霞等[16]，金慧芳等[17]，韓株桃等[18]通過建立決策矩陣、指數(shù)法、障礙度模型和多功能評價等方法進(jìn)行定量分析。障礙度模型是用來對影響事物發(fā)展的障礙因素進(jìn)行全面挖掘的數(shù)學(xué)模型[19]，目前已在農(nóng)業(yè)、工業(yè)等多方面應(yīng)用并取得成果，但對耕地質(zhì)量等級評價方面研究較少[20-22]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】當(dāng)前，國內(nèi)對阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量等級評價的研究較少，對耕地中的障礙因素診斷大都停留在定性化階段，未準(zhǔn)確掌握耕地質(zhì)量的分布情況，導(dǎo)致阿勒泰地區(qū)耕地現(xiàn)狀較模糊[23]。需評價阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量等級?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以阿勒泰地區(qū)耕地為研究對象，利用特爾斐法、層次分析法和模糊綜合評價法，從立地條件、理化性質(zhì)和耕地管理3個方面選取13個指標(biāo)進(jìn)行耕地質(zhì)量等級評價，通過障礙度模型對低等地進(jìn)行障礙因素診斷，為阿勒泰地區(qū)耕地的高效利用提供科學(xué)支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

阿勒泰地區(qū)位于我國新疆最北端，E85°31' ～ 91°01'、N45°00' ～ 49°10'。總面積1.15×104km2，區(qū)內(nèi)轄1個縣級市，6個縣。北依阿爾泰山脈，南臨準(zhǔn)噶爾盆地，氣候條件特殊，是典型的溫帶亞干旱區(qū)，冬季漫長而寒冷，夏季短促，南北差異較大。年日照時數(shù)為2 779.5 h，平均無霜期為151 d，平均溫度為5.2℃，平均降水量為225.2 mm，平均≥10℃積溫為2 712℃。研究區(qū)耕地面積為26.62×104hm2，水澆地面積占比達(dá)到98.81%，地形部位多分布于沖積洪積扇，耕地土壤類型主要為栗鈣土、草甸土、棕鈣土和潮土等。圖1

注：該圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載，審圖號為新S(2021)023號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改，下同。

野外調(diào)查：在測土配方數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，自2015年開始收集耕地質(zhì)量評價共497個采樣點(diǎn)，包括地形部位、耕層質(zhì)地、質(zhì)地構(gòu)型、有效土層厚、坡度、是否沙化、農(nóng)田林網(wǎng)化和灌溉能力等基礎(chǔ)資料和耕層含鹽量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀等化驗(yàn)分析資料，包含阿勒泰地區(qū)7個縣市的所有土壤類型。

圖件資料：包括新疆土壤圖、耕地分布圖和行政區(qū)劃圖。圖1

高程數(shù)據(jù)獲取自中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)，分辨率為30 m × 30 m。

文獻(xiàn)資料：第二次土壤普查報(bào)告、新疆統(tǒng)計(jì)年鑒等[24]。

1.2 方 法

1.2.1 評價單元

通過ArcGIS 10.2將新疆土壤圖、耕地分布圖和行政區(qū)劃圖疊加形成評價單元，采用克里金法[25]將土壤點(diǎn)位養(yǎng)分信息插值為柵格數(shù)據(jù)疊加到評價單元上。由于阿勒泰地區(qū)耕地破碎程度較高，將耕地面積小于1 hm2的圖斑進(jìn)行細(xì)小圖斑合并，最終生成26 316個評價單元。

阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量評價依據(jù)《耕地質(zhì)量等級》國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T33469-2016)[26]，參照各學(xué)者研究方法與成果。主要包括模糊綜合評價法[27]、特爾菲法(Delphi)[28]、層次分析法(AHP)[29]和障礙度模型[19]，在立地條件、理化性質(zhì)和耕地管理的基礎(chǔ)上，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)[30]，通過空間分析、層次分析等研究耕地質(zhì)量、障礙因素診斷。

1.2.2 評價指標(biāo)和權(quán)重確定

采用特爾菲法與層次分析法相結(jié)合的方法確定權(quán)重，并建立目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個層次，目標(biāo)層即耕地質(zhì)量等級評價，準(zhǔn)則層為立地條件、理化性質(zhì)和耕地管理3個方面，指標(biāo)層選取對地區(qū)影響力大、差異性顯著、穩(wěn)定性高的13個指標(biāo)[31]。表1

表1 阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量等級評價指標(biāo)權(quán)重

1.2.3 隸屬函數(shù)構(gòu)建

通過模糊子集、隸屬函數(shù)與隸屬度的概念建立不同類型的隸屬函數(shù)關(guān)系，包括戒上型、戒下型、直線型、峰型和概念型5種[32]。對于概念型直接采用特爾菲法給出隸屬度。表2，表3

表2 阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量等級評價函數(shù)型指標(biāo)及其隸屬函數(shù)

表3 阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量等級評價概念型指標(biāo)及其隸屬度

1.2.4 耕地質(zhì)量綜合指數(shù)

使用累加法模型計(jì)算耕地質(zhì)量綜合指數(shù)(IFI)，等距離法劃分質(zhì)量等級[31-32]。

IFI=ΣFi×Ci.(i=1，2，……，n)

(1)

式中：IFI代表耕地質(zhì)量綜合指數(shù)；Fi為i個因素的評價語；Ci為i個因素的組合權(quán)重。

1.2.5 障礙因素診斷

劃分阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量等級后，針對低等地中障礙程度占比靠前的有機(jī)質(zhì)、灌溉能力、有效磷和有效土層厚度等四個指標(biāo)，進(jìn)一步進(jìn)行障礙因子診斷。即引入因素貢獻(xiàn)率、指標(biāo)偏離度和障礙度，其中，因素貢獻(xiàn)率(Vij)是準(zhǔn)則層i中單項(xiàng)指標(biāo)j對耕地質(zhì)量的影響程度，即評價體系中指標(biāo)j的權(quán)重。指標(biāo)偏離度(Bij)是準(zhǔn)則層i中單項(xiàng)指標(biāo)j與本指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的差距，即評價體系中的指標(biāo)隸屬度與1(100%)的差值。障礙度(Mij)是第i項(xiàng)準(zhǔn)則層中第j項(xiàng)指標(biāo)對耕地質(zhì)量的障礙程度，即障礙因素診斷的結(jié)果[33]。

Bij=1-Aij.

(2)

(3)

式中，Mij為指標(biāo)障礙度；Bij為指標(biāo)偏離度；Vij為因子貢獻(xiàn)率；Aij為指標(biāo)隸屬度。按照等距法將障礙度劃分無障礙(0)輕度障礙(0%～10%)、中度障礙(10%～20%)和重度障礙(>20%)4個等級。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地質(zhì)量等級劃分及空間分布

研究表明，阿勒泰地區(qū)耕地面積約為26.62×104hm2，利用等距離法將耕地質(zhì)量由高至低劃分為一至十共10個等級，阿勒泰耕地質(zhì)量平均等級為5.24等。其中，四、五、六等地面積較大，占比分別為20.19%、25.66%、16.99%，一等地占比最少，為0.27%。表4，圖2

表 4 阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量等級分布

圖2 阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量等級分布

選擇質(zhì)量最高的一至三等地為優(yōu)等地，面積3.28×104hm2，占地區(qū)總耕地面積的12.30%。耕地灌溉能力有保證，有機(jī)質(zhì)等土壤養(yǎng)分含量高，土壤類型以潮土和棕鈣土為主，耕作性強(qiáng)，無明顯的障礙因素。一等地只分布在阿勒泰市和富蘊(yùn)縣，二、三等地以阿勒泰市和富蘊(yùn)縣為主，其他縣市零星分布，其中富蘊(yùn)縣的優(yōu)等地面積占比達(dá)到該縣耕地面積的46.27%。

四至六等地為中等地，且分布最廣，面積為16.73×104hm2，占地區(qū)總耕地面積的62.84%。這一類耕地主要分布在沖積洪積扇中、下部，土壤類型以棕鈣土為主，存在一部分沙土，農(nóng)田林網(wǎng)化屬中等水平，耕地的生產(chǎn)水平有待提高。吉木乃縣、福?？h和阿勒泰市的中等地面積占比較高，分別占該縣耕地面積的84.35%、74.82%和70.44%。

評價結(jié)果七至十等地為低等地，面積為6.62×104hm2，占地區(qū)總耕地面積的24.86%。主要集中在青河縣、哈巴河縣西南部和布爾津縣南部，其中青河縣面積占比最大，為58.59%。阿勒泰地區(qū)低等地土壤養(yǎng)分較低，質(zhì)地構(gòu)型多為漏砂型和底礫型，耕地中存在有效土層厚度較薄、鹽漬化和沙化等現(xiàn)象。

阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量受海拔的影響有從東北向西南方向遞減的趨勢，海拔越高降水越豐沛，灌溉有保障，有機(jī)質(zhì)含量高，鹽堿、沙化等障礙隨之下降。阿勒泰市和富蘊(yùn)縣耕地質(zhì)量較高，布爾津縣、青河縣和哈巴河縣耕地質(zhì)量較低。耕地主要以中等地為主，優(yōu)等地較少。表5

2.2 障礙因素診斷

研究表明，阿勒泰地區(qū)低等地面積為6.62×104hm2，引入障礙度模型對阿勒泰地區(qū)低等地中各指標(biāo)進(jìn)行障礙因素診斷，選擇障礙程度占比較高的有機(jī)質(zhì)、灌溉能力、有效磷和有效土層厚度4個指標(biāo)，障礙度分別為16.30%、13.41%、12.27%、8.32%。

表 5 阿勒泰地區(qū)各縣市耕地質(zhì)量等級面積統(tǒng)計(jì)

阿勒泰地區(qū)有機(jī)質(zhì)主要存在輕度和中度障礙，其障礙面積為6.24×104hm2，占低等地面積的94.27%，主要分布在布爾津縣、福?？h和青河縣，其中青河縣面積最大，占低等地面積的29.85%，其他縣市分布較少，富蘊(yùn)縣和吉木乃縣不存在中度及以上障礙。重度障礙面積0.38×104hm2，僅占低等地面積的5.73%，只在布爾津縣、福海縣和哈巴河縣有分布。

有效磷輕度、中度和重度障礙面積分別為1.49×104hm2、4.32×104hm2和0.80×104hm2，占阿勒泰地區(qū)低等地面積的22.54%、65.33%和12.13%。其中，輕度障礙主要分布在布爾津縣南部、哈巴河縣中部和青河縣，其他縣市零星分布；有效磷以中度障礙為主，中度和重度障礙在布爾津縣、福海縣、哈巴河縣和青河縣分布較多，其他縣市不存在重度障礙。

灌溉能力以輕度障礙為主，面積為6.37×104hm2，占比達(dá)到96.22%，主要分布在布爾津縣、青河縣和福?？h全部。無障礙面積0.11×104hm2，占比1.73%，零星分布在阿勒泰市、布爾津縣和青河縣；重度障礙只在哈巴河縣有分布，面積為0.14×104hm2，占比2.05%。

有效土層厚度輕度障礙面積占低等地面積的98.02%，其他均為無障礙，無障礙耕地面積為0.13×104hm2，主要分布在布爾津縣和哈巴河縣。圖3，圖4

圖3 阿勒泰地區(qū)低等地各障礙因素等級空間分布

圖4 阿勒泰地區(qū)低等地各障礙因素診斷面積占比

3 討 論

研究基于《耕地質(zhì)量等級》國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T33469-2016)[26]對新疆阿勒泰地區(qū)進(jìn)行耕地質(zhì)量等級評價，通過障礙度模型對低等地進(jìn)行障礙因素診斷[33]。阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量呈現(xiàn)東北向西南方向遞減的趨勢，有機(jī)質(zhì)、有效磷對耕地產(chǎn)生的障礙因素較為突出。

耕地質(zhì)量等級評價在多尺度方面均有研究[10-13]，但針對阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量的研究較少，且多數(shù)研究僅停留在定性方面。王雪梅等[14]對阿克蘇地區(qū)進(jìn)行了耕地地力評價，阿克蘇地區(qū)耕地大部分處于中上等水平，與研究的結(jié)果一致。與韓株桃等[18]研究不同，其評價指標(biāo)分為生產(chǎn)、社會和生態(tài)功能，沒有對耕地土壤本身的屬性進(jìn)行研究。

4 結(jié) 論

4.1阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量等級由高至低劃分為一至十共10個等級，一至三等地為優(yōu)等地，四至六等地為中等地，七至十等地為低等地。按照等距離法，優(yōu)等地、中等地、低等地占比分別為12.30%、62.84%、24.86%。發(fā)現(xiàn)阿勒泰地區(qū)耕地質(zhì)量現(xiàn)狀良好，平均等級為5.24等，有從東北向西南方向遞減的趨勢，優(yōu)等地主要分布在阿勒泰市和富蘊(yùn)縣，低等地主要分布在青河縣、哈巴河縣和布爾津縣。

4.2阿勒泰地區(qū)有機(jī)質(zhì)、有效磷、灌溉能力和有效土層厚度障礙程度較明顯，分別為16.30%、13.41%、12.27%和8.32%。障礙度均以輕度和中度為主，主要分布在布爾津縣、福?？h和青河縣，富蘊(yùn)縣的耕地質(zhì)量較高，障礙因素不明顯。