土地是人类赖以生存的基础，耕地是土地的精华，是农业生产最基本的不可替代的生产资料，耕地地力的好坏直接影响到农业的可持续发展和粮食安全。耕地地力是指在当前管理水平下，由土壤本身特性、自然条件和基础设施水平等要素综合构成的耕地生产能力^[1]。耕地地力评价是对耕地的生产能力和土壤适宜性进行综合评价，揭示生物生产力的高低和潜在生产力^[2]。近年来，不少学者在耕地地力评价方面进行了有益的尝试，王瑞燕等^[3]、马培云等^[4]、吴克宁等^[5]分别引入了模糊数学、系统类聚法、层次分析、人工神经网络（Artificial neural network，ANN）-产量模型、洛伦茨曲线和基尼系数等评价方法及评价模型，实现了耕地地力评价工作的自动化、定量化、多元化。赵亮等^[6]借助GIS技术，综合运用模糊评价、专家意见、层次分析等方法和模型对喀斯特地貌区的耕地地力进行了评价与分级。张海涛等^[7]利用GIS，将层次分析的原理和方法引入耕地地力评价以确定参评因子的权重，对江汉平原后湖地区的耕地自然地力进行了综合评价。鲁明星等^[8]以鄂州市为研究试点区域，借助GIS相关空间数据管理技术，综合采用层次分析方法和模糊数学方法进行了耕地地力评价，并就其空间分布进行分析。可见，借助GIS技术对耕地地力现状开展调查评价研究，分析耕地地力与土壤各肥力因子的时空变化特征，及时掌握耕地资源的数量、质量及其分布，对于合理利用耕地，切实保护提高耕地地力具有十分重要的意义。

华北小麦玉米轮作区是我国最重要的粮食生产基地之一，是我国冬小麦夏玉米一年两熟粮食主产区，小麦播种面积和总产量超过全国的1/3，玉米播种面积和总产量约占全国的1/5，粮食产量约占全国粮食总产量的1/6，在保障国家粮食安全方面具有举足轻重的作用^[9]。近年来，在农业产业结构调整、地下水超采严重、生态环境恶化的背景下，该区域部分地区小麦、玉米的种植面积虽有所下降，但是基于国家粮食安全的战略考虑和该地区的农业生产条件、种植历史等多方面的原因，小麦玉米轮作体系仍是本地区未来最主要的种植体系。本文对华北小麦玉米轮作区耕地地力进行评价分析，摸清该区域耕地自然与社会经济条件，评估耕地地力水平，发现耕地利用中的主要问题，提升与改良耕地地力，以期为该区域粮食生产及其经济社会的可持续发展提供科学依据。

华北小麦玉米轮作区主要包括黄河中下游冲积平原、海河平原、晋南盆地，地理坐标介于北纬32°16′~42°40′，东经110°15′~119°50′之间。轮作区划分为东西二个独立的区块。东部区块包括河北、河南和山东3个轮作区，西部区块为山西轮作区。轮作区热量资源比较丰富，在地域上的分布为南高北低、西高东低，年降水量在500~800 mm之间，总体呈东南到西北递减趋势。

轮作区耕地总面积为1 220.42万hm²。其中河北轮作区340.26万hm²，占轮作区耕地总面积的27.88%；河南轮作区414.23万hm²，占33.95%；山西轮作区79.72万hm²，占6.53%；山东轮作区386.21万hm²，占31.64%。主要耕地土壤类型有潮土、褐土、砂姜黑土、棕壤等。其中，潮土854.26万hm²，占轮作区耕地面积的70%；褐土200.48万hm²，占16.4%；砂姜黑土78.88万hm²，占6.5%；棕壤17.34万hm²，占1.4%。

根据代表性、均匀性、一致性和完整性的评价样点筛选原则，在反复试验成图精度的基础上，按照平均667 hm² 1个样点的密度筛选县域耕地地力评价样点。样点筛选时兼顾土壤类型、行政区划、地貌类型、地力水平等因素，对土壤类型及地形条件复杂的区域，适当加大点位密度，共选取评价样点23 862个。

从2002年开始，农业部在全国范围内启动了耕地地力调查和质量评价工作。2005年以来，结合测土配方施肥项目实施，耕地地力调查与质量评价工作覆盖了所有农业县（场）。本次评价属性数据库所遴选的数据均来自2006—2012年间的县域耕地地力调查与质量评价汇总数据。收集获取的资料主要有：野外调查资料，包括位置、地形地貌、成土母质、土壤类型、立地条件、土层厚度、耕层质地、耕层厚度、耕地利用现状、灌排条件、施肥水平、气候条件、水文、作物产量及管理措施等；分析化验资料，包括有机质、全氮、有效磷、速效钾等；基础及专题图件资料，包括1∶50万比例尺的土壤图、土地利用现状图、地貌图、行政区划图、降雨量图、有效积温图等；补充调查资料，包括障碍层类型、障碍层出现位置、障碍层厚度、盐渍化程度等。

考虑评价区域面积、耕地利用管理及土壤属性的差异性，评价单元的划分采用土壤图、土地利用现状图和行政区划图的组合叠置划分法，相同土壤单元、土地利用现状类型及行政区的地块组成一个评价单元，即“土地利用现状类型－土壤类型－行政区划”的格式。其中，土壤类型划分到土属，土地利用现状类型划分到二级利用类型，行政区划分到县级。通过图件的叠置和检索，共划分评价单元17 945个。通过在点位分布图上进行插值形成栅格图，采用加权统计的方法为评价单元图每个图斑的属性数据赋值。

评价指标的选取主要依据科学性、综合性、主导性、可比性和可操作性原则。本次评价利用SPSS统计软件进行了土壤养分等化学性状的系统聚类，聚类结果为土壤养分等化学性状评价指标的选取提供了依据。如图 1所示，有效铜、有效锰、有效硫、缓效钾、有效铁、全氮、有效钼和有效锌为一组，有效硼、有效磷、有机质和土壤pH为一组，速效钾为一组。采用特尔斐法，最终确定气象因素、立地条件、土壤管理、理化性状等4个方面11个因素作为华北小麦玉米轮作区耕地地力等级划分指标，具体为：降水量、积温、地貌类型、耕层厚度、耕层质地、有机质、有效磷、速效钾、有效锌、盐渍化程度和灌溉能力。

图 1 评价因素聚类分析结果图 Figure 1 The results of clustering analysis of evaluation factors

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采用特尔斐（Delphi）法与层次分析法（AHP）相结合的方法确定各参评因素的权重，由专家对评价指标及其重要性进行赋值，经统计汇总构成判断矩阵，通过矩阵求得各因素的权重（表 1）。从表 1中可以看出，对耕地地力指数的权重较高的指标分别是灌溉能力、地貌类型、耕层质地、降水量、积温、有机质。其中，灌溉能力的权重最高，达到0.142 0，这是由于华北地区地下水超采严重，灌溉能力对于保障耕地综合生产能力具有至关重要的作用；地貌类型权重次之，达到0.114 3，这是由于华北区微地貌类型多且复杂，造成地貌类型对耕地地力有显著影响；降水量和积温的累计权重达到0.211 6。

表 1 耕地地力评价因子及权重 Table 1 Factors and weighting of cultivated land evaluation

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采用模糊评价方法建立各种等级划分指标的隶属度函数，计算其隶属度值。在处理数值型参评因素时，各参评因素的隶属函数综合运用专家意见法与隶属函数法确定（表 2）；在处理非数值型参评因素时，各参评因素的隶属函数采用专家意见法直接给出隶属度（表 3）。通过模拟共得到概念型和戒上型2种类型的隶属函数，其中，地貌类型、耕层质地、盐渍化程度、灌溉能力、降水量、积温值等描述性的因素构建为概念型隶属函数；有机质、有效磷、速效钾、有效锌和耕层厚度等定量因素构建为戒上型隶属函数（表 4）。

表 2 数值型参评因素的分级、分值及其隶属度 Table 2 Evaluation standard of numerical factors

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表 3 非数值型参评因素的分级、分值及其隶属度 Table 3 Evaluation standard of conceptual factors

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表 4 参评定量因素类型及其隶属函数 Table 4 Function of the evaluation factors

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用累加法确定耕地地力的综合指数，具体公式为：

式中：IFI（Integrated Fertility Index）为耕地地力综合指数；F_i为第i个评价因子的隶属度；C_i为第i个评价因子的组合权重。

应用耕地资源管理信息系统中“专题评价”模块，录入各项评价因子的隶属函数和因子权重，对华北小麦玉米轮作区耕地地力进行评价，用样点数与耕地地力综合指数制作累计频率曲线，采用等距分级法^[1]分别用耕地地力综合指数IFI≥0.91、0.89≤IFI < 0.91、0.87≤IFI < 0.89、0.85≤IFI < 0.87、0.83≤IFI < 0.85、IFI < 0.83将华北小麦玉米轮作区耕地地力划分为6个等级。

华北小麦玉米轮作区耕地面积1 220.43万hm²，其中一等地137.75万hm²，占总耕地面积的11.29%；二等地235.57万hm²，占19.30%；三等地342.43万hm²，占28.06%；四等地263.19万hm²，占21.57%；五等地146.28万hm²，占11.99%；六等地95.21万hm²，占7.80%。一等地和五等地、六等地所占比例较低，二等地、三等地和四等地比例较高。耕地资源以三、四等地为主，达578万hm²，占总耕地面积的47.36%；其次为一、二等地，达373.32 万hm²，占总耕地面积的30.59%；五、六等地最少，仅占总耕地面积的19.79%（图 2）。

图 2 华北小麦玉米轮作区耕地地力等级分布图 Figure 2 Spatial distribution of cultivated land productivity grade for winter wheat-summer maize rotation system in North China

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从地力等级的分布地域特征可以看出，高、低地力等级耕地呈条带状相间分布，部分地区呈交叉分布特征（图 2）。一、二等地主要分布在冀中平原、鲁中南山前平原、豫中南淮河流域冲积平原、豫北太行山山前平原，以及晋南临汾、运城盆地中心地带。一、二等地的耕地地力整体水平较高，集中连片，地势平坦，积温充足。这些区域灌溉条件能够得到充分保障，地貌类型主要分布在冲积海积平原、冲积洪积平原、冲积湖积平原、冲积平原、海积冲积平原。土壤质地以壤土为主，耕层厚度主要集中在20~25 cm和25 cm以上两个区间，无明显的土壤盐渍化倾向。

三、四等地主要分布在冀中冀南低平原区、鲁西北黄河冲积平原、豫中豫东冲积平原、豫东南黄河泛区、豫南湖积平原砂姜黑土区以及晋南汾河、涑水河两岸丘陵地带。三、四等地地势较平坦，地貌类型主要为冲积平原，侵蚀丘陵、侵蚀剥蚀山间平原、侵蚀剥蚀丘陵有零星分布。耕层土壤质地适中，耕性良好，土壤养分含量多属于中等或较丰富水平，但农田基础设施略差，部分土壤砂性大或偏粘重，灌溉保证率偏低，干旱年份灌溉无保证。

五、六等地主要分布在冀中海河低平原区、鲁中南丘陵区、豫中郑州－兰考一线黄河古道地区及黄泛地区，以及晋南中低山区。五、六等地地貌类型相对复杂，灌溉能力为一般满足、不满足的比重超过70%，部分耕地有轻、中度甚至重度盐渍化现象，耕层厚度多在20 cm以下。此类耕地应尽可能发展节水灌溉、实施秸秆还田、测土配方施肥、增加有机肥的使用量、进行深耕改土。

如表 5所示，与20世纪80年代第二次土壤普查时相比，土壤有机质含量明显增加。经过30多年的土壤培肥管理，尤其是近年来秸秆还田的推广，华北小麦玉米轮作区耕层土壤有机质含量有明显上升，有机质>30 g·kg^-1的比例由第二次土壤普查0.51%下降到0.04%；10~15、15~20、20~30 g·kg^-1区间的比例由第二次土壤普查时的43.98%、1.23%和0.25%分别上升到61.15%、32.92%和3.15%，其中，15~20 g·kg^-1区间的比例增幅最大，达31.69%；6~10 g·kg^-1区间的比例由第二次土壤普查时的45.31%下降到2.72%。

表 5 第二次土壤普查和本次评价中耕地土壤养分变化分析 Table 5 Comparison of nutrient factors in cultivated land soils of this evaluation with that of the second soil survey

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土壤有效磷含量明显增加（表 5）。有效磷含量在20~25、25~40 mg·kg^-1和>40 mg·kg^-1区间的比例由第二次土壤普查时的10.25%、1.37%和0.12%分别上升到21.19%、18.69%和2.74%，其中，20~25 mg·kg^-1区间的比例增幅超过100%； < 10、10~15 mg·kg^-1和15~20 mg·kg^-1区间的比例均有一定程度下降，其中，< 10 mg·kg^-1区间的比例仅为3.86%，较第二次土壤普查时减少了21.6个百分点。

土壤速效钾含量大幅增加，速效钾在>150、120~150 mg·kg^-1区间的比例由第二次土壤普查时的8.37%、16.82%分别上升到20.54%、31.41%，分别上升了12.17%、14.59%；80~100、100~120 mg·kg^-1区间的比例由第二次土壤普查时的31.24%、40.15%分别下降到18.15%、23.67%，分别下降了16.48%、13.09%；<50 mg·kg^-1区间的比例大幅下降，仅为0.05%。

华北小麦玉米轮作区一、二等级耕地地面平坦或稍有倾斜，土层深厚，排水良好，易于耕作，土壤养分水平高，保水保肥性能好，利用上几乎没有限制因素，适宜于各种植物生长，是本区高产、稳产农田，也是高标准农田建设和高产创建集中分布区。三、四等级耕地表层存在部分地区耕层较浅、质地不良、农田基础设施较落后等问题，今后应大力实施深耕深松，逐步加深耕作层，实行秸秆还田，改良土壤，在有条件的区域积极发展节水农业，减少灌溉定额，提高水分生产效率。五、六等地改良利用，要结合主要限制因素，区别对待。一是改变利用方式。对中低山地区，受水资源和地形制约而难以实施一般性农田水利设施建设的，可适当采取滴灌形式。黄河故道区土体过砂是最主要的限制因素，可以种植花生等作物，或发展节水灌溉；二是加强基础建设。建议对平原区灌溉能力低的，加强农田基础设施建设，积极发展灌溉设施，提高灌溉能力；三是实行耕地定向培育。对耕层浅、养分低的地区，积极推行深耕深松制度，逐步加深耕层厚度、增加活土层，采取增施有机肥、秸秆还田、测土配方施肥等综合培肥措施，培肥耕地土壤，有效增加土壤养分含量。

Lu等^[10]研究表明秸秆还田是增加土壤碳库最有效的措施之一。本次评价与第二次土壤普查相比，耕地土壤有机质含量有明显的增加，这与已有的研究结果一致^{[11, 12, 13, 14]}。分析原因主要是近年来华北地区实施土壤有机质提升项目，推广秸秆间接或直接还田，增加了土壤碳库。此外，该区域耕地土壤有效磷、速效钾含量也有明显增加，这与农户普遍重视磷肥、钾肥的施用有关。由此可见，第二次土壤普查以来，秸秆还田、测土配方施肥、增施有机肥等措施对提升土壤养分水平起到了很好的作用。

运用特尔斐法、模糊评价、层次分析等方法，选取降水量、积温、地貌类型、耕层厚度、耕层质地、有机质、有效磷、速效钾、有效锌、盐渍化程度、灌溉能力等因素对耕地地力进行评价。华北小麦玉米轮作区耕地地力分为6个等级。其中，三等地耕地面积最大，占总耕地面积的28.06%，其次是四等地，占21.57%，二等地耕地面积略低于四等地，占19.30%，一、五、六等地面积相对较小，分别占11.29%、11.99%、7.80%。与第二次土壤普查结果相比，华北小麦玉米轮作区耕地地力水平整体上升，具体表现为耕层土壤有机质、有效磷、速效钾含量显著提高。其中，有机质含量在15~20 g·kg^-1区间增幅最大。