復墾復耕補充耕地質量評價指標最小數據集構建

顏 芳,朱曾紅,王勝濤,張 蕾,賈小紅,李 萍,王維瑞

(1.北京市耕地建設保護中心耕地信息化管理科,北京 100101;2.安徽理工大學地球與環境學院,安徽 淮南 232001)

耕地質量要科學合理地評定,根據評價結果差別化管理和利用耕地資源對保障國家糧食安全、農產品質量以及農業和農村經濟的可持續發展具有重要的意義[1-2]。2023年中央一號文件強調,加強耕地保護和用途管控,嚴格耕地占補平衡管理,確保補充的耕地數量相等、質量相當、產能不降。因此,研究復墾復耕補充耕地質量評價體系對我國耕地占補平衡工作的高質量推進及耕地土壤的可持續發展至關重要。

當前關于補充耕地質量內涵以及評價指標體系尚未形成統一的認知[3]。文獻[4]在全國“縣域耕地質量評價指標”的基礎上新增剖面構型、有效土層厚度、成土母質和侵入體含量等4個指標建立了耕地質量評價指標體系;文獻[5]分區構建了涵蓋有效土層厚度、表層土壤質地、土壤有機質含量、土壤礫石含量、土壤酸堿度、農業生產投入、生產組織管理等整治后耕地質量評價指標體系;文獻[6]運用專家咨詢法和德爾菲法確定了補充耕地質量評價指標體系,包括剖面性狀、耕層理化性狀、立地條件、養分狀況、健康狀況以及土壤管理6個方面15個指標;文獻[7]從耕地地力水平、耕作條件、土壤健康狀況以及土壤生物特性4個維度選取評價指標,構建評價指標體系。

復墾復耕補充耕地屬于強擾動的特殊國土空間,來源多樣,斑塊較小,且前期利用狀況不清,不適宜采用通常的耕地質量評價體系[8]?；谙嚓P現行標準,緊密結合復墾復耕補充耕地質量特征以及影響因素,采用定量化方法構建最具代表性,且指標數量最少的評價指標體系值得深入研究,主成分分析能將高維降維,具有以少量綜合變量取代原有多維變量,且能客觀賦予變量權重的優勢[9]。國內外有眾多主成分分析針對通常的耕地或耕地土壤質量建立最小數據集的報道。文獻[10]采用主成分分析和相關性分析構建最小數據集,建立土壤質量評價指標體系;文獻[11]綜合考慮土壤立地條件、剖面構型、土壤物理性狀、土壤養分4個方面的指標,通過主成分分析確定了最小數據集。

本研究以復墾復耕補充耕地為對象,結合北京復墾復耕補充耕地工作開展情況,從耕地農業生產屬性出發,采用主成分分析法選取獨立性和穩定性強的14個主要指標作為評價因子,構建的最小數據集能夠真實、客觀而全面地反映出研究區域影響復墾復耕補充耕地質量因素的分異規律,識別復墾復耕補充耕地“障礙”,既能減少人力、物力和財力投入,同時又能最大程度降低原有信息丟失,為我國復墾復耕補充耕地質量評定提供基礎支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于北京市平谷區,地處E116°55′20″～117°24′09″、N40°01′44″～40°22′39″之間。復墾復耕補充耕地來源主要為果園、林地、草地、商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地等。土壤類型為褐土,土壤亞類主要為淋溶褐土、潮褐土、碳酸鹽褐土、粗骨褐土和褐土性土。從2021年平谷區復墾復耕補充耕地中選取28個典型研究地塊,共包括4種不同原土地利用類型(城鎮住宅用地、設施農用地、其他草地和果園),具體采樣點位置分布如圖1所示。

圖1 復墾復耕補充耕地調查點位分布圖

1.2 樣品采集與測定

采用S 型采集土壤樣品,采樣深度為0～20cm,挑除石塊、根莖等雜物后混合均勻,裝入事先準備好的保鮮袋(約1.5kg)。將樣本帶回實驗室進行風干、研磨和過篩后進行土壤理化性質分析:有機質含量分析(soil organic matter,SOM)采用重鉻酸鉀硫酸氧化-硫酸亞鐵滴定法測定;土壤陽離子交換量(cation exchange capacity,CEC)采用乙酸銨交換法;速效鉀(available potassium,AK)采用火焰光度計(M410型、Sherwood公司、英國)法測定;有效磷(available phosphorus,AP)采用NaHCO3-鉬銻抗比色法測定;pH采用酸度計測定;坡度(slope)采用水準儀實地調查;高程(elevation,EL)和坡向(aspect)基于數字高程模型提取;灌溉能力與排澇能力通過實地調查;耕層厚度(thickness of cultivated layer,TCL)與有效土層厚度(soil body thickness,SBT)采用剖面開挖與土鉆結合的方法。

1.3 主成分分析法

主成分分析是將多個指標重新轉換為一組新的互相無關的幾個綜合指標的一種方法[12]。選取特征值大于1的主成分(principal component,PC),計算所有指標在特征值大于1的PC上的載荷,選取同一PC下最高載荷值和最高載荷值90%以內指標進入最小數據集;再對同一PC下的指標進行相關性分析,若指標高度相關,則保留Norm值最高的指標,若不相關,則保留所有指標[13]。計算公式如下

(1)

式中,Nik為第i個指標在特征值大于1的前k個PC上的綜合載荷;uik為第i個指標在第k個PC上的載荷;λk為第k個PC的特征值。

1.4 復墾復耕補充耕地質量評價方法

耕地質量綜合指數能夠對耕地質量進行定性和定量的評價,結果能夠反映耕地的關鍵信息,符合農業生產的需要[14]。綜合指數的計算公式如下

IFI=∑(Fi×Ci)

(2)

式中,IFI為復墾復耕補充耕地質量綜合指數(Integrated Fertility Index);Fi為第i個評價指標的評分;Ci為第i個評價指標的權重。

1.5 數據分析

采用IBM SPSS 27進行數據的基本統計學分析、方差分析、相關性分析及主成分分析,圖形繪制在origin 2022中完成。

2 結果與分析

2.1 復墾復耕補充耕地生產屬性分析

開展不同來源復墾復耕補充耕地農業生產條件分析,土壤有機質、速效鉀、有效磷、pH和CEC等指標方差分析結果如圖2所示。

注:圖中不同小寫字母表示在不同來源復墾復耕補充耕地屬性差異顯著(P<0.05)。

結合圖2分析結果和《土地質量地球化學評價規范》分級標準[15],不同來源的復墾復耕補充耕地土壤有機質含量介于8.40～37.40g·kg-1,平均值為 16.14g·kg-1,主要處于四等(較缺乏)水平,這與2022年北京市已驗收的1 119塊復墾復耕補充耕地調查結果也是相互印證的。城鎮住宅用地的復墾復耕補充耕地有機質含量均值為7.88g·kg-1。有效磷含量介于4.3～90.9mg·kg-1,平均值為24.80mg·kg-1,基本處于三等(中等)水平。速效鉀含量介于121.00～1 310mg·kg-1,平均值為304.22mg/kg, 大部分處于極高水平。 pH介于5.20～9.05,平均值為7.97,38%地塊土壤pH值大于8.5。CEC含量介于1.2～10.03cmol(+)/kg,平均值為5.36cmol(+)/kg。方差分析結果顯示,不同來源補充耕地的有機質、有效磷、速效鉀和CEC無顯著差異,果園、其他草地和城鎮住宅用地土壤的pH顯著高于果園。

研究區地塊高程介于25.12～105.96m、坡度0.10°～25.07°、坡向55.39°～269.77°。復墾復耕補充耕地有效土層厚度平均為58cm,28塊復墾復耕補充耕地中12個地塊有效土層厚度低于60cm;不同來源差異明顯,來源于果園和草地的補充耕地土層厚度明顯較厚,城鎮住宅用地和設施農用地復耕復墾為耕地土層比較薄。研究區地塊灌溉能力大部分為滿足,排水能力大部分為較為滿足。經整治后的大部分復墾復耕補充耕地其灌溉保證率和排水條件都可以基本滿足,但存在部分補充耕地零星分散、單塊面積相對較小,配套設施不完善。

2.2 基于最小數據集的指標體系構建方法

1)指標體系選取 根據《耕地地力評價技術規程》[16],結合《耕地質量等級》[17]等相關標準,綜合考慮復墾復耕補充耕地質量評價結果的科學、準確性,選取立地條件、土壤化學性狀、土壤物理性狀、土壤管理4項一級指標,高程、有機質、灌溉保證率等12個二級指標用于進行最小數據集分析(見表1)。

表1 復墾復耕補充耕地質量評價的指標體系選取

2)基于主成分分析最小數據集構建 將選取的立地條件,化學、物理性質數值型指標引入最小數據集,去除共線性冗余數據,使用最少最優的參評指標滿足復墾復耕補充耕地質量評價的需求。對選取的指標進行皮爾森相關分析顯示(見圖3),部分指標(如有效磷與速效鉀、有機質與陽離子交換量)之間呈極顯著相關關系,若引入最小數據集,則會造成數據的冗余,因此對各指標進行主成分分析,剔除冗余。

圖3 復墾復耕補充耕地土壤指標皮爾森相關性分析

對各指標進行主成分分析。前4個主成分特征值均大于1,累積貢獻率達到76.97%。PC1、PC2、PC3、PC4分別解釋了24.5%、20.24%、17.50%和14.73%的方差變化(見表2)。

表2 載荷矩陣

根據主成份載荷矩陣(見表2和圖4),按照將每個特征值≥ 1的PC中因子荷載≥ 0.5分為一組的原則,PC1中pH值與耕層厚度呈顯著相關,因而保留Norm值較大的pH值,最終PC1保留有機質和pH,PC2保留AP和CEC,PC3保留有效土層厚度,PC4保留坡向。進入最小數據集的指標有:有機質、pH、有效磷、CEC、有效土層厚度和坡向(見表3)。

表3 復墾復耕補充耕地質量評價指標體系

圖4 主成分載荷圖

(a)土壤質量指數變化

在對復墾復耕補充耕地野外調研和驗收過程中發現,對于復墾復耕補充耕地這種擾動性土地資源,由于來源復雜,復墾復耕補充耕地土體中常存在植物根系(直徑>100 mm)、瓦片、磚塊等,這種侵入體會對復墾復耕補充耕地高效可持續利用起到限制作用,需要將“土壤侵入體含量”納入質量評價指標體系,以探索土壤的形成和過去的利用情況;2022年北京市驗收的1 119塊地中有0.7%地塊重金屬超標,由于復墾復耕補充耕地來源多樣,且前期利用復雜,存在一定的環境風險,耕地環境安全關系到糧食安全,復墾復耕補充耕地后的質量評價指標體系應考慮土壤環境指標。

基于以上分析,確定的復墾復耕補充耕地質量評價最小數據集的指標如表3所示。

2.3 最小數據集準確性驗證

根據以上研究,本文形成最小數據集(見表3)以及全指標(表1指標、土壤入侵體含量和土壤清潔度指標)兩套指標體系。參照《耕地地力評價技術規程》、《耕地質量等級》和《農用地定級規程》[18]等,采用特爾菲法和主成分分析,確定指標權重。采用隸屬度函數確定各指標評分。采用綜合指數法計算對比兩套指標體系復墾復耕補充耕地IFI。

全量指標下的復墾復耕補充耕地質量綜合指數介于0.65～0.83之間,平均值為0.75,標準偏差為0.04,最小數據集下復墾復耕補充耕地質量綜合指數介于0.62～0.86之間,平均值為0.74,標準偏差為0.05,平均值與標準差均十分接近。最小數據集指標的復墾復耕補充耕地質量綜合指數曲線的變化趨勢與全指標數據集的復墾復耕補充耕地質量綜合指數曲線變化趨勢相同。通過兩套指標體系質量綜合指數擬合可知,兩者呈線性關系,R2=0.78。最小數據集指標的復墾復耕補充耕地質量綜合指數與全指標數據集的復墾復耕補充耕地質量綜合指數呈極顯著正相關關系。這說明建立的復墾復耕補充耕地質量評價指標最小數據集能夠較準確、客觀地反映全量數據集對復墾復耕補充耕地耕層土壤質量評價的信息及復墾復耕補充耕地質量,具有較好的代表性。

3 討論

研究區域不同和評價的目不同,評價的指標體系的選取存在很大的差異。文獻[19]為評價紅壤坡耕地耕層土壤質量特征,采用聚類分析法和主成分分析法最終確定土壤飽和導水率、砂粒、土壤貫入阻力、土壤有機質等7個指標進入最小數據集。文獻[20]等發現影響河谷草地土壤質量的最小數據集(Minimum data set, MDS)指標包括非毛管孔隙度、土壤容重、有機質和碳氮比。文獻[21]等運用多因素法確定了涵蓋有效土層厚度、表層土壤質地、土壤鹽漬化程度等補充耕地質量評價指標體系,對補充耕地質量等別進行了評價。建立補充耕地合理土壤質量評價最小數據集指標應該針對研究區的特點和主要評價目的進行具體的分析和選擇。

對復墾復耕補充耕地土壤質量進行評價,所選取的指標應該對補充耕地質量有較大的影響,指標間相互獨立的,具有實際意義和較好的操作性。本研究以立地條件、土壤化學性狀、土壤物理性狀、土壤管理衡量耕層土壤質量,并利用主成分分析篩選指標。由于復墾復耕補充耕地土體中常存在植物根系等侵入體,并且來源多樣、前期利用復雜,存在一定的環境風險,故將土壤侵入體含量和土壤清潔度加入最小數據集指標。本研究針對研究區的特點和主要評價目的進行具體的分析和選擇,確定了復墾復耕補充耕地質量評價最小數據集的指標為坡向、pH、CEC、有效土層厚度等14個指標。在后續研究中,可增加北京市復墾復耕補充耕地樣本量,進一步篩選出對生產屬性敏感的指標,提高最小數據集的普適性和實踐價值。

4 結論

(1)無論何種生產屬性,復墾復耕補充耕地質量相對較差,不同來源補充耕地的有機質、有效磷、速效鉀和CEC無顯著差異,其他草地和城鎮住宅用地土壤的pH顯著高于果園。

(2)針對復墾復耕補充耕地特征,結合相關標準,采用主成分分析法構建了涵蓋立地條件、土壤化學性狀、土壤物理性狀、土壤管理以及土壤清潔度復墾復耕補充耕地質量評價的最小指標體系。

(3)最小數據集在保留原有信息的基礎上,剔除相關指標冗余,簡化復墾復耕補充耕地質量評價指標體系結構。驗證結果表明,本文建立的最小數據集能準確客觀地反映復墾復耕補充耕地的綜合質量狀況,揭示區域耕地綜合質量限制性因素。