延川县地处黄土高原腹部,位于北纬36°37'15″—37°5'55″,东经109°36'20″—110°26'44″,属陕北黄土丘陵残塬沟壑区。东临黄河,与山西省永和县隔河相望,北接榆林市清涧县,西北毗邻子长县,西连宝塔区,南靠延长县。属温带大陆性季风气候,年平均气温10.6℃,夏季炎热且降雨集中,冬季寒冷干燥。海拔高度508.5～1 402.6 m,地势自西向东倾斜,土壤以黑垆土和黄绵土为主,区域内土层深厚、土质疏松,植被稀疏,是黄河中上游水土流失重点县之一^[25]。长期的流水侵蚀导致延川县粱峁起伏、耕地支离破碎且田面极其不平整,土壤中有机质和养分元素含量较低,土壤贫瘠。县境降水量不足,年降水量为450～550 mm,且时空分布不均。清涧河是黄河在县境内的主要干流,河流总长169.9 km,流经本县4个乡镇。总土地面积1 983.87 km²,其中耕地面积为30 686.54 hm²,粮食产量较低,自然灾害频繁。

研究数据包括:(1)延川县2016年耕地质量等别年度更新数据,获取田面坡度、有效土层厚度、耕层质地、田块状况、灌溉保证程度、土壤侵蚀程度等数据;(2)2019年9月实地调查和取样的51个采样点(图1),实地获取障碍层距地表深度、土壤pH值、土体构型和土壤蚯蚓等数据,实验室土样化验获取有机质含量、土壤容重、土壤养分元素、土壤重金属数据;(3)中国海拔空间分布数据,来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http:∥www.resdc.cn),数据类型为栅格,数据精度为30 m×30 m,并结合实地调研确定地形部位数据;(4)部门走访数据,获取排水条件、灌溉水环境质量数据。田间道路通达度数据利用2016年耕地质量等别年度更新数据库中的道路线状数据和耕地图斑数据进行缓冲区分析获取。依据陕西省延川县2016年耕地质量等别年度更新数据,提取18 817个耕地图斑作为评价单元,总面积30 686.54 hm²,包括旱地30 502.02 hm²、水浇地184.52 hm²。

图1 延川县采样点空间分布

《试用稿》中确定的指标体系融合了现有农用地分等定级指标、耕地地力指标、土壤环境指标和地球化学调查指标等,具体包括耕地的地形特征、土壤性状、耕作条件、健康状况以及生物特性5个方面(表1)。

表1 改进前的黄土高原区耕地质量评价指标体系

土壤性状维度中,延川县2016年耕地质量等别年度更新数据显示,有效土层厚度在149～160 cm且区域分异明显,深厚的土层造成障碍层距离地表深度普遍较深; 实地调查结果表明,障碍层距地表深度普遍在60 cm以上,指标得分为100分,且《农用地分等规程》中并未考虑该指标,因此,剔除了障碍层距地表深度指标。黄土高原区水土流失较严重,延川县作为黄河中上游水土流失重点县之一^[25],长期的水土侵蚀造成土壤中有机质和有益元素大量流失,因此,增加了土壤侵蚀程度指标,表示土壤侵蚀发展相对阶段或相对强度的差异,用单位面积和单位时间内土壤的流失量来表示^[26]。因此,土壤性状维度最终保留有效土层厚度、有机质含量、耕层质地、土体构型、土壤容重、土壤养分状况、土壤pH值、土壤侵蚀程度指标。

耕作条件维度中,田块状况指标包括田块形状指数、田块内部高差和田块规模3个因子,地形特征维度中的田面坡度指标对田块内部高差有较大影响,相关系数为0.54; 田块形状指数对耕作效率影响较小,且延川县田块形状较规整; 地块破碎度表示耕地地块的破碎化程度,黄土高原区耕地支离破碎且延川县耕地破碎化指数(FS)为0.13～0.53,耕地较破碎,因此,将原来的田块状况指标替换为田块规模,并增加地块破碎度指标。区域内排水设施较差,但黄土高原区降雨少,且土质疏松,自然排水能力较强,因此,将排水条件指标替换为排水能力,表示农田保证作物正常生长,及时排除地表积水,有效控制和降低地下水位的能力。耕作条件维度最终包括灌溉保证程度、田块规模、地块破碎度、排水能力、田间道路通达度和耕作距离6个指标。破碎化指数(FS)计算公式如下:

FS=1-1/(MSI)(1)

(2)

式中:MSI为地块平均形状指数; J_i为第i个耕地地块的周长; A_i为第i个耕地地块的面积; N为耕地地块数量。

运用层次分析法和专家打分法综合确定指标权重。根据地形特征、土壤性状和耕作条件的相对重要性构建判断矩阵,求取判断矩阵的最大特征值及该特征值所对应的特征向量,该特征向量即为这一层次的元素所对应的权重值^[27]; 再采用两两比较的方式确定各层次内要素相对重要性,从而构建判断矩阵确定评价指标权重; 同时结合专家打分法确定的指标权重对层次分析法获得的量化结果进行修正,最终得到各指标层的权重(表2)。

表2 改进后的黄土高原区地形特征、土壤性状、耕作条件维度评价指标权重

本研究结合黄土高原区实际状况,对《试用稿》中确定的耕地质量评价指标体系进行了改进,指标体系改进后的耕地质量评价结果显示,仍然有12.04%的耕地质量指数出现下降,主要原因是新增指标中的地块破碎化程度较高,田块规模较小,通过纵横对比论证了改进后的评价指标体系能够更加准确地反映区域耕地资源本底状况。这套指标体系从耕地支撑作物生产的保障能力评价了耕地质量,包括地形、土壤、耕作条件、健康和生物5个维度,建立的评价指标体系比较全面,为区域土地资源管理、土地综合整治等提供了基础研究。但是,本研究采用的耕地质量评价方法仍较为综合,无法体现耕地质量单要素特点,未来应该采用更加合理的耕地质量评价方法,能够反映区域耕地质量的要素特征。同时,加强对黄土高原区耕地质量长期定点监测,掌握耕地质量时间变化趋势并精准识别耕地质量限制因子的类型及强度,更好地服务于分区分时序的土地整治工作,实现黄土高原区耕地质量提升、粮食安全和黄河流域高质量发展。

结合黄土高原区土层深厚、粱峁起伏、耕地支离破碎、降雨少且土质疏松、水土流失严重等特点,改进了《试用稿》中的耕地质量评价指标体系:增加了地块破碎度和土壤侵蚀程度指标,删去了障碍层距地表深度指标,将田块状况和排水条件指标替换为田块规模和排水能力。改进后的评价指标体系更加符合黄土高原区典型特征以及研究区实际情况。

纵向对比指标体系改进前后的耕地质量指数及其与国家自然等指数的相关系数可知,耕地质量指数面积加权平均值由19.09增加到19.49,最优相关系数由0.80增加到0.88; 横向对比指标体系改进后的耕地质量指数归一化值和国家自然等指数归一化值的差距,差距主要为极小差距、小差距和中差距,占耕地总面积的比例分别为56.67%,38.87%,4.46%。通过纵横对比分析可知,采用改进后的指标体系测算的耕地质量指数能够更好地反映区域耕地质量状况。

延川县耕地质量指数为16.89～26.28,耕地质量较差。延川县包括中、低2个等别,中等地和低等地的面积分别为358.82,30 327.72 hm²,占总面积的比例分别为1.17%,98.83%。中等地主要分布在地势低平的川地,田面坡度较小,有机质含量高且土壤结构好,农田基础设施较完善、田块规模较大,但生物特性较差; 低等地分布于整个县域,田面坡度较大,土壤贫瘠,灌溉保证程度较差且田间道路通达度低,田块较破碎,不利于农业生产。田面坡度、地形部位、有机质含量、灌溉保证程度、田块规模和生物特性是延川县耕地质量的主要限制因子。未来,应实施土地整治工程来修复耕地质量障碍因子,提升耕地质量。