区域耕地质量变化研究

王自威，王令超，宋艳华，田 燕

(河南省科学院地理研究所，河南 郑州 450000)

0 引言

耕地是粮食生产的基础，耕地的数量、质量及生态安全与国家粮食安全和可持续发展战略密切相关[1-3]。其中，耕地质量的保护与提升是提高粮食生产能力的重要途径[4]。2009年，我国通过全国农用地分等工作，对土壤、气候、设施和利用水平等耕地质量要素进行了综合评定，以分数和等级的形式建立了全国范围大比例尺耕地质量等级数据，并在之后通过逐年开展的耕地质量监测和更新工作，及时掌握耕地数量、质量的变化情况[5]。目前，对于耕地质量变化的研究多以多年期土壤、土地利用及农用地分等结果为主要数据，通过多时点耕地数量、质量数据的对比，对变化情况进行分析[6-11]。宋艳华等[12]使用农用地分等方法对耕地质量变化进行对比研究，将耕地划分为渐变区和突变区，分别分析了其变化原因。慕兰等[13]通过耕地土壤各要素变化分析了耕地质量的演变趋势。李立强等[14]结合多年土地利用现状与耕地分等数据，分析了不同指标区耕地等别的变化特征。可以看出，耕地质量变化的相关研究虽然能够体现出多时点区域耕地平均质量的变化，在分析耕地质量变化原因时多以分等要素或具体土壤各指标为变化原因进行分析，较少从质量变化的类型入手，将耕地划分不同类型区进行分析[15-18]。此外，目前研究中对研究期耕地面积变化导致的区域耕地质量变化分析较少，由于耕地增减带来的区域耕地质量总体变化难以用现有方法进行评估，从而导致结果的失真情况。本文采用《农用地质量分等规程》中的评价方法，在郑州市2011—2017年耕地质量更新评价的基础上，使用耕地地力调查成果对评价因素进行更新，并根据耕地质量变化动因将耕地进行类型区划分，分析不同类型区质量变化对区域整体质量变化的影响，以期能够更深入地揭示区域耕地质量变化的机制，为制定耕地质量提升和保护政策提供技术支撑。

1 研究区概况

郑州市是河南省省会，位于我国中东部地区，黄河中下游，属北温带大陆性季风气候，地势西高东低，西部荥阳、上街、新密和登封等县市地属丘陵地区，其余县市地势平坦，属平原地区。全市土地总面积74万hm2，其中耕地面积32万hm2，耕地面积占全市总面积比例超过40%。近年来，郑州市耕地面积持续减少，为保障区域粮食安全，耕地质量对稳定农业生产具有举足轻重的作用。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 耕地质量评价方法

耕地质量由多种要素共同决定，主要包括气候、土壤、农业设施和管理等多方面要素。本研究采用农用地分等的方法进行耕地质量评价[19]。该方法将耕地质量划分为自然等、利用等和经济等3个层次，分别通过计算对应的等指数确定等别，其结果具有全国可比性，但是，等别是以等指数每200分为间隔进行的划分，对耕地质量小的变化体现不够明显。因此，本文采用农用地分等中国家利用等指数(以下简称等指数)作为耕地质量的指标，能够更为细致地反映耕地质量变化情况，也能够具有更好的适用性。

2.1.2 分类型区耕地质量变化分析方法

根据耕地质量变化的动因，将区域耕地划分为渐变、质量建设、新增和减少共4种类型区。渐变区由于耕地中灌溉、排水、土壤有机质含量、土壤pH值等因素相对较容易改变，在2017年分等成果的基础上，使用地力调查成果对其指标分值进行更新，得到渐变区质量变化情况。质量建设区由于土地整理等建设工程的实施，各要素发生了较大的变化，其中灌排、有机质、pH值等指标同渐变区对指标分值进行更新，其他因素使用建设后分值，计算得到的等指数与建设前等指数进行对比作为质量变化情况。新增或减少耕地直接使用发生变化时的耕地质量作为变化值。

2.1.3 区域耕地质量变化分析方法

现有区域耕地质量变化多是以直接对比两个时点平均耕地质量指数或等别，不能反映出等别变化的过程与构成情况，可以用式(1)～(3)计算耕地质量变化情况，以明确不同类型区对整体质量的影响。

研究期初，总面积S1，平均等指数D1。其中渐变区面积Sj，等指数Dj1；质量建设面积SX，等指数DX1；减少耕地规模Sm，等指数Dm。

研究期末，总面积S2，平均等指数D2。其中渐变区面积Sj，等指数Dj2；质量建设面积Sx，等指数Dx2；新增耕地规模Sp，等指数Dp。

(1)

(2)

(3)

可以看出，区域耕地质量与渐变区、整治区、新增减少耕地规模和质量、区域耕地规模变化等多种要素密切相关，是一个动态变化的整体。为分析各类型耕地质量变化对区域耕地质量的影响，将公式按一定情况进行简化。

(1)减少耕地对区域平均质量的影响。

假设没有项目建设，渐变区耕地质量不变，SX=0，Dj1-Dj2=0。式(3)可以化简为

(4)

当仅存在耕地减少时，区域平均耕地质量变化的程度与减少耕地规模和质量相关。当减少的耕地质量低于研究期初耕地平均质量时，ΔD为正值，表明区域耕地质量呈上升趋势，此时出现区域平均耕地质量和产能反向变化的情况，且耕地减少面积越大，ΔD越大，提升态势越显著，此时的区域平均耕地质量提升不具有任何理论和现实意义。当减少的耕地质量高于研究期初耕地平均质量时，ΔD为负值，区域耕地平均质量呈下降态势，且减少耕地面积越大，ΔD越小，下降态势越明显，出现耕地质量和产能同向变化，此时对耕地质量管理有警示意义。

(2)新增耕地对区域平均质量的影响。

同理可得，当仅有耕地增加时，区域耕地质量变化如下

(5)

此时，区域耕地质量变化的程度与新增耕地规模和质量相关，当新增的耕地质量高于研究期初耕地平均质量时，ΔD为正值，表明区域耕地质量呈上升趋势，出现耕地质量和产能同向变化，表明耕地质量管理成效较好。当新增耕地质量低于研究期初耕地平均质量时，ΔD为负值，区域耕地平均质量呈下降态势，此时会出现区域耕地质量和产能的反向变化，此时耕地质量降低的警示意义较小。

由此可以看出，单纯采用两个时点的区域平均耕地质量对比进行耕地质量管理和考核可能会出现“假合格”和“假不合格”。

同样单纯两个时点的区域平均耕地质量对比进行区域耕地质量预警则可能会出现“假警”和“漏报警情”。

当区域仅存在新增和减少耕地，同时耕地质量不变时，ΔD=0，可得

(6)

即每减少Sm，等指数Dm的耕地，需补充质量为Dp的耕地面积为Sp，才能保证区域耕地质量不变。

(3)渐变区或质量建设区对区域耕地质量的影响。

(7)

通过对区域耕地质量变化的分析可以看出，采用两个时点的区域平均耕地质量对比分析时，只有在两个时点耕地面积没有变化时，才能获得科学、可靠的结论。采用两个时点的区域平均耕地质量对比分析时若两个时点的区域耕地面积不同，需要同时对变化的类型区和变化程度进行分析，其结论才具有理论和现实意义。

(4)耕地减少时的耕地质量平衡。

当耕地减少时，仅通过补充耕地维持区域耕地质量不变，此时ΔD=0，ΔDx=0，Sp=0。将式(3)简化后可得

Sp=Sml

(8)

(9)

式中l——耕地减少时需要进行补充耕地的规模系数

当区域耕地减少规模为Sm时，需进行补充耕地规模为Sml，才能使区域的耕地质量保持不变。

当耕地存在减少时，仅通过项目建设保持区域耕地质量不变，假设ΔD=0，ΔDj=0，Sp=0。将式(3)简化后可得

SX=Smk

(10)

(11)

式中k——耕地减少时需要进行质量建设耕地的规模系数

当区域耕地减少规模为Sm时，需进行质量建设规模为Smk，才能使区域的耕地质量保持不变。

(5)耕地减少时的产能平衡。

耕地产能可以用如下公式计算：

C1=D1S1a

(12)

C2=D2S2a

(13)

式中C1、C2——研究期初和期末区域粮食产能

S1、S2——区域耕地面积

a——耕地质量对应的产能指数

假设耕地减少，试图通过质量建设区建设保持区域粮食产能不变，简化后可得

(14)

满足式(14)时，当区域耕地减少，通过质量建设区建设提升耕地质量能够保持区域的耕地产能保持不变。

假设耕地存在减少，试图通过新增耕地保持区域粮食产能不变时，简化后可得

(15)

满足式(15)时，区域耕地减少，通过新增耕地能够保持区域的耕地产能保持不变。区域耕地产能保持平衡。

2.2 数据来源

2.2.1 2011年与2017年耕地质量评价数据来源

2011年耕地质量评价成果是在2002年首次分等调查成果的基础上，通过土地利用变更调查和补充调查，依照《农用地质量分等规程》进行了补充完善，并建立了以耕地图斑为分等单元的等别数据库。

2017年分等数据是在2011年成果的基础上，逐年对发生质量改变的区域(新增、减少、质量建设)进行更新累加，并保持其他区域不变的方式获得的。

2.2.2 耕地质量变化更新数据来源

耕地质量变化数据在2017年分等数据的基础上，按照不同类型区分别获取：通过对2011—2017年分等数据库逐年对比提取出新增、减少和质量建设耕地。对新增耕地采用与2011年分等相同的方法进行全面调查和评价，获取耕地质量情况；对减少耕地直接使用减少时点的耕地质量。质量建设区和渐变区耕地是在2017年分等数据基础上，通过收集郑州市各县耕地地力调查和河南省土壤地球化学评估资料，对灌溉、排水、土壤有机质含量、土壤pH值等指标数据进行了更新。

3 研究结果

3.1 郑州市2011—2017年耕地质量变化情况

2011—2017年郑州市全市耕地质量变化情况如图1和表1所示。2011年，郑州市耕地总面积33 485 hm2，平均等指数1 613.17。至2017年，耕地总面积变化至320 068 hm2，平均等指数1 632.84。

图1 郑州市耕地质量变化类型区分布

表1 郑州市耕地质量变化情况

新增耕地集中分布在研究区北侧黄河滩区和中牟、新郑等县市，其他县市分布较为零散，共新增耕地规模9 518 hm2，平均等指数1 671。减少耕地在各区县都有分布，以中牟、新郑和市区居多，共减少耕地24 335 hm2，平均等指数1 638。质量建设耕地集中分布在中牟、新郑、荥阳和巩义等县市，研究期内共有项目建设耕地13 804 hm2，经过建设后，其平均等指数由建设前的1 702提升至1 732，提升幅度为30。除以上3类外的其他耕地均为渐变区耕地，规模共296 746 hm2，通过对有机质、pH值等因素进行更新后，其平均等指数由2011年的1 707提升至1 727，提升了20。

3.2 各类型耕地质量变化对区域质量变化的影响

根据计算公式及郑州市实际情况，可以计算获得郑州市新增、减少、质量建设和渐变区各单项耕地类型质量变化对区域质量变化的结果，如表2所示。

表2 郑州市各类型耕地质量变化对区域质量影响情况

2011—2017年，郑州市减少耕地规模24 335 hm2，平均等指数1 638，根据式(9)可得，减少耕地使区域平均利用等指数降低了2。新增耕地规模为9 518 hm2，平均等指数1 671，根据式(10)可得，新增耕地使区域平均利用等指数提升了1.6。

2011—2017年，郑州市进行质量建设耕地13 804 hm2，通过各类质量建设活动，该类型区耕地平均等指数由1 702增加至1 732，根据式(11)可得，质量建设耕地使区域平均利用等指数提升了1.23。渐变区耕地等指数由1 607增加至1 627，根据式(11)可得，渐变区耕地质量变化对区域等指数变化影响为17.72。

区域耕地质量是渐变、新增减少、质量建设等各类型耕地的综合体现，某一类型耕地对区域耕地质量的影响大小也会受到其他类型耕地规模和质量的影响，表2仅计算了其他因素不变时单一类型耕地质量变化对区域耕地质量的影响，因此表2中所有影响程度之和与表1中末列不相等。

3.3 耕地质量与产能平衡

耕地的数量、质量和生态保护是耕地保护的核心，其中耕地质量保护是实现“藏粮于地”的重要手段，而耕地产能保护是保障粮食安全的重要体现。以下对各类型耕地质量变化时区域耕地质量与产能平衡情况进行探讨。

3.3.1 区域质量平衡

我国通过实行耕地占补平衡政策，加强耕地数量保护工作，保证了耕地数量的动态平衡，但是对于耕地质量平衡研究较少。通过计算在减少耕地时，维持耕地质量不变所需要补充耕地的数量，可以为新增耕地规模和质量提供一定的标准。

2011—2017年，郑州市减少耕地平均等指数1 638，新增耕地平均等指数1 671，以郑州市情况计算，补充耕地系数为0.74，即每减少1 hm2耕地，补充0.74 hm2即可达到质量平衡，研究期间郑州市共减少耕地24 335 hm2，需要补充18 060 hm2耕地才能保障区域耕地质量不变。而郑州市在研究期内新增耕地规模仅9518 hm2，不管从数量上还是质量上，都未能达到平衡。

除了补充耕地外，项目建设也是提升耕地质量的重要途径，2011—2017年，郑州市项目建设耕地平均等指数提升了30，以此计算，郑州市质量建设耕地系数为0.83，即减少1 hm2耕地，需要进行项目建设规模为0.83 hm2即可达到质量平衡，研究期共需开展质量建设规模为20 240 hm2，郑州市在研究期实际项目建设耕地规模为13 804 hm2，距离达到质量平衡的规模还有一定差距。

郑州市的补充耕地规模系数略小于项目建设规模系数，说明对郑州市而言，为达到同样的耕地质量保护效果，补充耕地所需要的规模更小，通过郑州市耕地质量平衡计算可以看出，不论是补充耕地还是项目建设，单一措施都未能维持区域耕地质量平衡，但是二者结合使区域耕地质量有所上升。

3.3.2 区域产能平衡

粮食产能是区域粮食安全的重要参考，通过计算耕地减少时通过新增耕地或项目建设增加产能来达到产能平衡的情形，能够为区域粮食生产能力稳定提供建议。若按照前文所得公式进行计算，郑州市研究期内由于耕地减少而损失的产能，若通过项目建设进行补充，需要进行耕地整治规模达132万hm2，方能满足产能平衡，远大于郑州市全部耕地面积。若按照补充耕地进行计算，新增耕地规模为23 854 hm2时，就能满足产能平衡，理论所需补充耕地面积是目前郑州市新增耕地的2倍以上。

与耕地质量有所不同，由于耕地规模的下降，即使通过补充耕地和项目建设，郑州市的耕地产能依然呈下降态势。

4 结论与讨论

4.1 不同类型区质量变化对郑州市耕地质量的影响

2011—2017年,郑州市耕地总面积由33.4万hm2降低至32万hm2，减少了1.4万hm2，虽然耕地数量减少，但是由于各类型耕地质量变化，全市耕地的平均国家利用等指数提升了19.67等。

若仅考虑某一类型耕地变化对区域整体耕地质量的影响，减少耕地、新增耕地、质量建设及渐变区耕地对区域等指数影响分别为-2、1.6、1.23、17.72。

项目建设区耕地等指数平均提升了30，通过土壤改良、灌排设施建设等综合改造，项目建设能够有效地提高耕地质量，由于规模占比不大，对区域整体影响较小。渐变区耕地等指数提升了20，提升程度较项目建设区小，由于仅存在简单的农户行为和自然变化，渐变区耕地质量变化周期长，波动小，但是所占规模比例大，因此对区域耕地质量的影响远大于其他类型区。

在耕地保护过程中，一方面应通过综合整治措施提升低质耕地质量，增加耕地产能，与此同时也应当通过种植结构调整、农艺农技改良等措施，在日常耕作中对渐变区耕地质量进行维护，保持渐变区耕地质量稳定，才能够维持区域耕地质量的平衡。

4.2 占补平衡对耕地质量(产能)变化的重要性

通过案例分析可以看出，土地整治和补充耕地都是提升耕地质量的重要措施，趋于耕地质量不变时，补充耕地的规模系数(0.74)较项目建设(0.83)小，说明补充耕地对维持耕地质量的效果更好，通过补充耕地更易实现区域耕地质量平衡，虽然郑州市未能通过单项措施维持耕地质量，二者结合能够使区域耕地质量有所上升。

通过项目建设可以在一定程度上弥补补充耕地质量较低和面积减少带来的产能变化，但是若单纯依靠项目建设来弥补减少耕地所带来的产能缺口，则需要巨大规模的项目建设，在目前条件下，还难以实现。而通过占补平衡措施来弥补耕地减少带来的质量与产能下降，其数值在可实现范围内。故占补平衡不仅仅是维持耕地数量的重要手段，对于区域耕地质量与粮食产能都有着不可替代的补充作用。

4.3 使用时点数据进行耕地质量管理和预警存在“失真”

耕地保护的根本目标是粮食安全，因此不论是质量、数量保护，都会最终体现在产能变化上。区域耕地质量与渐变区、质量建设区、新增减少耕地的规模和质量、区域耕地总规模变化等多种要素密切相关，是一个动态变化的整体。只有在两个时点耕地面积没有变化时，才能获得科学、可靠的结论。若忽略耕地面积变化原因，简单以两个时点的耕地质量进行对比，难以体现出区域耕地质量变化的内在原因，可能会出现产能上升、质量下降或产能下降、质量上升的“失真”情况。因此，若单纯采用两个时点的区域平均耕地质量对比进行耕地质量管理和考核可能会出现“假合格”和“假不合格”。目前，耕地质量预警多采用两个时点的区域平均耕地质量对比进行区域耕地质量预警，可能会出现“假警”和“漏报警情”。只有在研究耕地质量变化时，综合考虑不同类型区规模、质量的变化情况和对区域耕地质量的影响，才能准确反映区域耕地保护效果。

4.4 应加强渐变区耕地质量变化的管理与考核

目前，我国在新增、质量建设、减少等突变区域耕地质量的管理与考核方面已构建了较为完善的管理体系和考核方法，但缺少对渐变区耕地质量的管理与考核措施，在近几年自然资源部(原国土资源部)部署进行的耕地质量年度更新中也只是对突变区的耕地质量进行评价更新，对渐变区的监测由于监测方法尚待完善、监测体系不健全，所以，还无法依据目前的监测进行渐变区耕地质量管理和考核。由于渐变区耕地规模巨大、一般在区域耕地面积中占主导地位，因而其质量的变化对区域耕地质量整体水平具有显著影响，同时，由于其质量变化周期较长，一旦出现下降其恢复难度大、时间长，有时甚至出现难以逆转的情况，故在注重新增、质量建设、减少等突变区域耕地质量的管理与考核的同时，还应当对渐变区耕地质量的管理和考核给予足够的重视，确保渐变区耕地质量不下降，才能够使区域耕地质量稳中有升，确保我国粮食安全。