干旱区耕地质量预警分析

2020-03-07王俊文刘新平

中国农业文摘·农业工程 2020年1期

王俊文刘新平

摘要：[目的]以新疆鄯善县耕地质量为研究对象，构建耕地质量预警指标体系，[方法]运用熵权法和相关性分析筛选出对耕地土壤属性、自然环境条件以及农田基本建设影响比较大的指标作为耕地质量预警的警情指标;阐述了2007-2018年耕地质量存在的警情，在此基础上引入线性回归预测模型对鄯善县2020-2030年耕地质量的警情进行了预测，并进行综合警度的划分。[结果]结果表明：鄯善县耕地质量综合警情朝着恶化的趋向进行。[结论]鄯善县耕地质量恶化。

关键词：耕地质量;预警;鄯善县;熵权法;警度

0 引言

耕地作为一种战略资源，它的各方面指标跟国家粮食安全紧密联系在一起，尤其体现在数量指标和质量指标方面，所以在维护国家粮食安全方面意义重大”^[1]。耕地问题在我国是非常突出的问题，一方面由于总人口数量多，导致每个人的耕地资源量少，另一方面耕地总体质量不容乐观^[2]。耕地数量的变化已经触目惊心了，然而紧接着耕地质量又出现更糟糕的问题。我们要知道，耕地质量的变化不是在表层就可以看出来的，因为它的变化是非常隐形的，不易察觉的，耕地质量的轻微变化都会对社会经济、政治产生广泛影响，甚至存在威胁^[3]。当下随着环境污染的加剧，耕地资源变得非常宝贵，而可开发的和待开发的耕地资源又少之又少，因此，在保障国家粮食机器运行安全的情况下，我们要提高耕地质量的建设。我们现在的任务已经不仅仅是保护耕地数量这样一个简单问题了，而是要在耕地数量保持不变的情况下，向数量、质量并重的方向发展。但是从长期的发展情况来看，各级部门在耕地数量方面一直高度重视，而对耕地质量的关注则严重不足^[4]。我国2019年中央一号文件再次出台关于三农问题的文件，其中就耕地质量问题提出很多具体措施。本文所研究的耕地质量预警就是在国家政策和号召之下，对国家某个具体地区耕地质量进行分析、预测、作出警度预报，为国家治理各地方的耕地提供一个参考。这些年研究耕地质量的也不少，大多是从全国范围内，或者从预警方法方面研究的较多，但是缺少对新疆某些地区耕地质量的预警研究^[5-6]。新疆鄯善县位于中国西北部地区，属于干旱地区，由于受到气候、水资源短缺、村镇建设缺乏合理规划和布局等因素的影响，造成耕地质量非常差，水土矛盾突出，植被稀疏，生态环境恶劣，从而耕地质量没有得到更有效的管理和利用^[7]。本文将结合新疆鄯善县耕地质量的现状，选出对耕地土壤属性、自然环境条件以及农田基本建没影响比较大的指标，对鄯善县耕地质量进行比较细致的研究。

1数据来源与方法

1.1研究区域和数据来源

本文根据2007-2018年的调查数据对新疆鄯善县耕地质量进行研究。鄯善县属于吐鲁番地区，处于库木塔格山北麓，大名鼎鼎的火焰山就在此，当地气候属于温带大陆性气候，降雨量很少，气候干燥。鄯善县土壤资源丰富，共计47万亩，而该地区水资源很少，严重不足，导致灌溉耕地受限，属于干旱地区^[8]。气候条件的不利，导致该地区各种绿色植被非常稀少，土壤荒漠化严重。

鄯善县耕地质量等级变化监测点是全国耕地质量检测布控点之一，如图1，同时在2018年12月，农业农村部把该地区列入农产品优势区名单。本研究所采用的耕地质量相关数据来自《2018午度新疆维吾尔自治区耕地等别监测评价分析报告》《吐鲁番地区统计年鉴》（2007-2018年）。

1.2研究方法

本研究采用熵权法对各项指标进行划分，熵权法的主要步骤：一是对各个数据进行规范化处理，二是把规范好的指标进一步标准化处理，三是计算指标比重，四是最终对数据进行权重的确定^[9]。

明确了熵权法计算的各指标权重，接下来利用相关性分析，挑选更为重要的指标。通过回归预测模型，再根据统计软件分析，以时间为自变量X，通过应用上述模型，对2020-2030年速效钾，有机质，地面坡度，常年降雨量和灌溉保证率进行预测，并且进行警度预报。

1.3鄯善县预警体系构成

1.3.1警情指标的层次结构及指标选取

根据耕地质量预警的内涵，结合鄯善县耕地质量的特点和问题以及专家的建议，选取具有代表性的指标，指标划分包括目标、准则、指标三个层次;目标层是对描述对象作一个说明;准则层通过三个方面，分别是耕地土壤属性、自然环境条件、农田基本建设，对目标层做一个具体的分析;指标层反映准则层3个子系统的狀态^[10]，如表1。

1.3.2警情指标的权重确定及筛选

运用熵权法对预警指标的准则层和指标层各项指标进行权重的确定，并且根据计算的结果对预警指标进行筛选。本文选择的都是权重占比大的指标，以此对鄯善县耕地质量进行预测^[11]，计算结果如表2。

通过相关性分析鄯善县耕地质量预警的9个指标发现：速效钾、常年产量水平、灌溉保证率的显著性值均小于0.01，属于极显著相关;有机质、地面坡度的显著性值介于0.01-0.05之间，属于显著相关;速效磷、耕层厚度、常年降雨量、林网化程度与耕地质量在相关性分析中呈现不相关。所以，选取速效钾、常年产量水平、灌溉保证卒、有机质、地面坡度对鄯善县耕地质量存在的警情进行分析，预报警度。

2结果与分析

2.1鄯善县警情分析

2.1.1警情指标警度划分

警度的划分是一定需要警限来作为一个根据的，这篇文章结合系统化方法，结合多数原则、中数原则、均数原则^[12]，来确定其阈值，继而结合鄯善县的实际情况进行了警度划分，并以鄯善县速效钾变化为例，说明警度、警限确定的原则。鄯善县速效钾数据按由高到低的顺序排列，如表3。

多数原则：根据表中速效钾的时间顺序，总共12个年份，我们从高到低选择其三分之一的部分作为无警警限，因此，选中了2014年的160.22mg/kg作为速效钾的无警警限，剩余其它数值按相等距离进行划分，分别是轻度警告、中度警告、重度警告和巨大警告。

中数原则：就是要从高到低确定中间数值或者中间两位数值的平均值，来作为无警的警限，根据表格数据得到是157.51mg/kg。以157.51mg/kg与最小数值之间按相等距离进行划分，分别是轻度警告、中度警告、重度警告和巨大警告。

均数原则：2007年后速效钾警情指标的平均数是165.50mg/kg。剩余的数值按相等距离划分为轻度警告、中度警告、重度警告和巨大警告。

综合分析以上三种原则，采用三者均值作为无警下限值，对速效钾，有机质，地面坡度，常年产量水平和灌溉保证率的警度划分见表4。

2.1.2耕地质量警情分析

经过警度划分标准，分析得到2007年到2018年鄯善縣速效钾，有机质，地面坡度，常年降雨量和灌溉保证率的警度见表5。

由表5可知：（1）鄯善县耕地中包含的速效钾含量呈曲折减少的趋势，维持在156mg/kg左右浮动，在2007年和2009年一庋出现巨警警度，在2011年和2012年警度稍微降低一些，出现警度减轻的好转局面，然而从2015年到2017年情况继续恶化，出现重度警情，到了2018年，警度再次的降低，出现无警的状态。探究其原因我们可以得知：在国家对新疆建设大力支持的背景下，为新疆经济的发展带来了契机，鄯善县紧紧抓住这个机会，社会经济各方面都有很大的发展，同时还吸引了大量内地的外来人口，然而耕地资源是有限的，不能满足大量的人口涌入，人们不得不大量喷洒农药和化肥，造成土壤质量下降。（2）有机质呈先严重后缓和警情。在监测的早些年份，有机质呈现重警的状态，尤其是2007年和2009年，警度很高。而自从进入2010年以来的近8年，总体情况很乐观，但也偶尔伴随着出现轻警的状态，唯独2018年出现巨警的警度。究其原因是，有机肥投入太少导致耕地质量下降，但是最近几年，测土配方的利用对耕地有很大帮助，土壤有机质含量又有所回升。（3）地面坡度的警情在近12年呈逐渐好转的趋势，警情从巨警到无警的变化，尤其在2015年到2018年呈现无警的状态，警度值低至4.59，4.62，4.62和4.73度，其实从2014出现中警的状态后，就应该敏锐的感觉到有缓解的趋势。从2007年到2013年，总体呈现巨警状态，除了个别年份出现无警之外，其他年份均为巨警状态，如2010年出现4.52度的无警状态。出现这种情况的原因是2015年之前坡度过大，水土流失严重，现如今，国家明确规定不可以对坡度>25°的地面进行开垦。（4）常年产量水平的警情呈现先减缓后加重的状态，从2007年到2010年警度由巨警到轻警的好转，2012年到2015年，警情变为无警，说明这4年的常年产量水平保持不错。是由自然原因和认知原因共同促成的，更多的是人为因素，国家大力支持“三农”的建设，而到了2016年，2017年，2018年警情加剧变为中警，而经营条件，种植习惯等条件都会造成产量水平降低。（5）灌溉保证率总体趋于稳定，基本围绕80%上下波动，波动幅度不大。鄯善县是一个缺水非常严重的地区，出现这种情况的原因是，蓄水工程少，水资源综合效益偏低。为此鄯善县政府提出很多措施，如实施退耕还水，积极推进水权改革，优化用水结构。

2.2鄯善县耕地质量利用的警度预报

本文将从耕地质量的耢地土壤属性、自然环境条件和农田基本建设三方面对鄯善县耕地质量进行预警，对耕地速效钾，有机质，地面坡度，常年产量水平和灌溉保证率进行预测，并且在预测的基础上进行警度的预报。

在2007-2018年间，鄯善县耕地质量的耕地土壤属性、自然环境条件和农田基本建设的警情指标中，速效钾，有机质，地面坡度，常年产量水平和灌溉保证率的数值总的来说呈线性下降状态，采用回归模型来预测，预测模型见表6，共线性检验如表7。

通过应用上述模型，对2020-2030年速效钾、有机质、地面坡度、常年产量水平和灌溉保证率进行预测，并且进行警度预报，警度预报见表8。

表8中的数据分别表明了耕地质量的耕地土壤属性、自然环境条件和农田基本建设预报警度，但不能说明耕地质量的总体状况警情，需要进行综合警度的预报，因而根据各个警情指标的警度值，赋予不同的权重来求总警度。关于总警度，无警的警度规定为0，轻警的警度规定为1，中警的警度规定为2，重警的警度规定为3，巨警的警度规定为4。

由于影响耕地质量警情的指标主要为耕地土壤属性、自然环境条件和农田基本建设指标，根据耕地土壤属性、自然环境条件和农田基本建设指栎对耕地质量安全的影响因素不同，分别设定耕地土壤属性指标、自然环境条件指标和农田基本建设指标的影响力各为0.5、0.3和0.2，然后再来确定各指标的权重1;结合熵权法，确定速效钾的权重值为（0.3），有机质的权重值为（0.2），地面坡度的权重值为（0.2），常年产量水平的权重值为（0.1）和灌溉保证率的权重值为（0.2）。

总警度公式为：

式中：D是总警度，W_i是第i个指标警度确定值，λ_i是第i个指标权重确定值。如果D碰巧是小数，则要对总警度修正，修正的原则是依据四舍五入。总警度预报如表9所示，另外根据总警度预报表格制作了趋势图如图2所示。

由表中的数据可知以下的结论：（1）速效钾的警情总体来说呈现警情加重的趋势，2023年警情达到最高峰为巨警的警情状态，从2023年以后虽然警情有所缓解，但总体鄯善县耕地质量速效钾元素严重不足，一是随着生产发展，休耕不及时，土壤中的钾元素越来越少，二是化肥施用结构不合理。三是钾肥投入不足。（2）有机质呈先严重后缓和警情，从2020年到2025年警情呈现波动上升趋势，而到了2026年，一直到2030年渐渐的呈现无警的警情状况。因此，政府及有关部门要不遗余力的加强耕地质量建设，有机质是土壤养分的主要来源，土壤肥力很重要的组成部分来自有机质含量的多少。（3）地面坡度呈现一个由巨警到中警再到无警的状况变化，2020年到2022年，地面坡度呈现巨警状态，2024年到2026年，也是巨警状态，而到了2027年呈现中警的警情，随后三年是无警的警情。坡面幅度越高，土壤侵蚀肯定会愈发严重，因此，有关部门要明确规定不可以对坡度>25°的地面进行开垦，保护地面坡度。（4）常年产量水平总体情况不乐观，在未来的11年，大部分时间警度都比较高，警情比较严重，偶尔出现情况好转的2022年和2023年，但很快又迎来了情况恶化的形势，化肥利用不合理，土壤板结，是造成鄯善县耕地常年产量水平下降的很重要的原因。（5）灌溉保证率总体情况比较复杂，大部分地区都缺水，农作物很难获得足够水资源的灌溉，表格中呈现中警及巨警的情况比较多，新疆鄯善县总体情况处于缺水地带，为干旱地区，极度干旱的气候，较少的降水量，灌溉设施老化，地表水的缺乏，都会阻碍耕地水资源的灌溉，进而降低粮食产量，影响经济发展。（6）鄯善县耕地质量整体情况不容乐观。速效钾整体呈现一个轻警的警情状况，有机质和地面坡度总体情况都是从恶化逐渐转向好转，但情况也不容乐观，当地政府要加强管理，保护耕地。灌溉保证率的情况也不乐观，当地各方面资源都比较少，导致的这种情况发生，而以上几个因素的不佳，也导致了常年产量水平没有达到理想的结果。因此，要积极迎接挑战。

3结论与讨论

3.1结论

（1）通过对2007-2018午新疆鄯善县耕地质量存在的警情探究，分析耕地质量警情逐渐恶化的原因，当下耕地地力下降和耕地污染较严重^[13-14]。由于长时间地对土地的浅层利用，对土壤表层造成破坏，使得耕地所必要的营养元素陆续丢失，从而造成产量降低。同时，耕地长时间的耕种肯定对耕地破坏严重，再加上农民自身素质较低，不能科学的利用土地，反而愿意多增加化肥来提高产量，不愿意大量使用有机肥，导致长期以来耕地质量越来越差。

（2）在对鄯善县耕地质量耕地土壤属性、自然环境条件和農田基本建设警情分析的基础上，运用线性回归预测模型，预测2020-2030年鄯善县耕地质量警情，结果表明速效钾的警情总体来说呈现警情加重的趋势;有机质呈先严重后缓和警情，从2020年到2025年警情呈现波动上升趋势，而到了2026年，一直到2030年渐渐的呈现无警的警情状况;地面坡度也呈先严重后缓和警情;常年产量水平总体情况不乐观，在未来的11年，大部分时间警度都比较高，警情比较严重;灌溉保证率总体情况比较复杂，呈现中警及巨警的情况比较多。

3.2讨论

鄯善县耕地质量从耕地土壤属性、自然环境条件和农田基本建设角度分析警情有逐渐加重的趋势，耕地质量存在安全隐患。因此，①加强耕地质量相关法律法规的建设，对耕地的保护不能只靠道德宣传和人员素质提高来实现，而要通过法律来加以规范^[15]。②应该建设完整的评价体系，而且要长期监控，要把耕地质量的掌控具体到每个月、每一天，时效性要强，一旦发现耕地质量出现不良苗头，及时预防和处理。③要积极落实耕地占补平衡政策，尤其对耕地质量的平衡提出更加严格的管理，要合理施用农药和化肥，鼓励鄯善县当地农民使用有机肥代替化肥来提升耕地质量并减少对土壤的污染^[16]。④要对耕地质量保护做出突出贡献的科技人员和劳动者给予适当的奖励和补贴，广泛调动农业劳动者的生产积极性。

参考文献

[1]姜广辉，赵婷婷，段增强，等.北京山区耕地质量变化及未来趋势模拟[J].农业工程学报，2010，26（10）：304-311.

[2]葛向东.耕地质量变化的临界警戒和评价指标体系研究[J].皖西学院学报，2001（02）：50-54.

[3]张鸿辉，刘友兆，曾永年，等.耕地质量预警系统设计与实证[J].农业工程学报，2008，24（8）：74-79.

[4]沈斌强.县域农用地标准样地体系构建与耕地质量监控研究[D].南京：南京农业大学，2007.

[5]茜向东，彭补拙，濮励杰，等.耕地总量动态平衡的监测和预警研究[J].自然资源学报，2002（1）：35-41.

[6]吴文盛，朱军.耕地资源的安全评价与预警[J].国土经济，2002（11）：20-22.

[7]刘新平.干旱区土地资源可持续利用的终极目的选择[C] //中国科协2005年学术年会第38分会场、科学发展与土地资源节约和集约利用论文集，中国乌鲁木齐，2005：184-189.

[8]刘萍，高敏华，苏静，等.新疆鄯善县土地利用/覆盖变化及驱动力分析[J].资源环境与工程，2007（5）：632-635.

[9]郭亚军.综合评价理论与方法[M].北京：科学出版社，2002：71-74.

[10]陶青山，李江风，王建龙，等.土地可持续利用预警研究[J].安徽农业科学，2007（2）：508-509+511.

[11]邢萍，刘新平.新疆阿勒泰市耕地资源预警分析[J].干旱医地理，2013，36（6）：1177-1184.