耕地是农业生产的基础，也是人类生存和发展不可或缺的资源。随着社会、经济的发展以及人口数量的增加，耕地面积不断减少，耕地质量也在发生变化^[1]。为了掌握耕地土壤养分变化、摸清耕地生产潜力，进行耕地地力评价具有重要意义^[2]。

耕地地力是指耕地的基础能力，是在特定气候区域由耕地土壤的地形、地貌、成土母质特征、土壤理化性状、农田基础设施及培肥水平等要素综合构成的耕地生产能力，耕地地力的高低直接影响农产品的供应。耕地地力评价是指以利用方式为目的，估计耕地生产潜力和土地适宜性的过程，揭示生物生产力的高低和潜在生产力^[3]。我国耕地地力评价始于1996年农业部在全国开展的10个省的耕地基础地力分等定级试点工作，之后全国相继开展了省、市、县级和区域耕地地力评价，不少学者在耕地地力评价方法方面进行了有益探索^[4]。如王瑞燕等^[5]、张海涛等^[6]、刘东海等^[7]分别在GIS的支持下，引入系统聚类、层次分析、模糊评价等数学方法及数学模型，成功实现了不同县市及区域耕地地力的自动化、定量化评价。总体看，前人的研究大多是对某一区域内的耕地进行地力评价和分等定级，较少针对特定地貌类型、利用方式、土壤类型等开展专题性评价研究，刘国彬等^[8]、付金霞等^[9]、谢叶伟等^[10]曾分别针对黄土丘陵区、低山茶园和典型黑土区等特定地貌类型、利用类型和土壤类型的耕地进行了地力评价，但专门针对特定土壤类型进行的耕地地力评价分析研究仍较为少见，因此，开展特定土壤类型耕地地力的评价研究将有助于补充和完善耕地地力评价工作，同时其评价成果的应用亦更具针对性和实用性。

棕壤是我国北方分布广泛的一种地带性土壤类型，主要分布于我国辽东半岛、山东半岛和山东中、南部等地，以及黄棕壤和褐土区的垂直带上。棕壤是重要的农业土壤和森林土壤。棕壤分布区的平原农田，大多是粮食单位产量领先的高产稳产田，山地丘陵则是花生和水果等经济作物的主要产地，林地也占有一定比重。但是，由于多年重开发、轻保护，耕地地力逐渐下降，改造中低产田，提高耕地质量成为目前亟需解决的问题。近年来，也有不少学者对棕壤理化相关特性进行了研究探索，如张桂山等^[11]对山东棕壤土壤酶活性的重金属污染效应进行了研究，提出了土壤酶的预警指标和阈值；兰宇等^[12]研究了不同施肥条件下棕壤有机碳的变化特征及土壤固碳速率；王亮等^[13]探讨了施肥与地膜覆盖对棕壤中交换性钙、镁含量的影响。总体看，对棕壤区进行耕地地力评价并进行特征分析的研究尚未见报道，基于此，本研究运用GIS软件，结合现代统计分析技术，对山东棕壤区耕地地力进行评价与分析，旨在全面摸清棕壤区耕地地力现状，以期为该地区耕地地力提升和持续利用提供参考。

山东省是我国棕壤的集中分布区之一，全省棕壤面积177.74万hm²，占土壤总面积的11.34%，仅次于潮土和粗骨土，其中耕地面积128.15万hm²，占全省耕地面积的15.01%。在鲁东丘陵区，棕壤大面积集中分布；在鲁中南山地丘陵区，棕壤常与褐土成复区分布。

棕壤分布区属暖温带湿润半湿润季风气候，年平均降水量为782 mm，超过全省年平均降水量（719 mm）；年平均气温为11.1~12.6 ℃，低于全省年平均气温；干燥度0.85~1.32。地貌类型主要有山丘区微倾斜平地、缓坡地、洪积扇、高丘、低山、低丘、谷地等。棕壤的成土母质主要为酸性岩浆岩和富硅铝变质岩的风化物，其次是洪积物，砂页岩和基性岩风化物面积较少。棕壤土类共分为棕壤、潮棕壤、白浆化棕壤、酸性棕壤和棕壤性土5个亚类、12个土属、40个土种。山东省棕壤受人为因素影响较大，70%以上的面积都已被垦殖，耕作历史悠久。

耕地地力评价是以耕地的各性状要素为基础，因此必须广泛收集与评价有关的各类自然和社会经济因素资料，为评价工作做好数据准备。

本研究数据主要来源于山东省测土配方施肥项目，基础资料有已完成的山东省耕地地力评价相关数据、土壤野外调查资料、室内化验分析资料和社会经济统计资料等；专题图件资料有1:50万比例尺的山东省土壤图、土地利用现状图、地形图、地貌图、行政区划图等相关资料。

对于地形图、地貌图、土壤图等专题图件，直接用于与评价单元叠加来获取各参评因素信息；对于耕层质地、土体构型等定性因素，采用“以点代面”的方式，将点位的属性分配给评价单元；对于土壤养分数据，则采用空间插值方法为各评价单元赋值。

本研究采用土壤图、土地利用现状图、行政区划图叠加方法生成评价单元，共划分评价单元3124个。单元内土壤类型相同、利用方式相同、所属行政区相同，主要自然及社会经济因素等基本一致，不同评价单元之间既有差异性，又有可比性。

评价指标体系的构建是进行耕地地力评价的关键，涉及立地条件、土壤养分等各个方面。本研究采用特尔菲法（Delphi）^[14]和系统聚类相结合的方法，根据山东棕壤的实际情况，选取立地条件、物理性状和化学性状3个方面的8个因子构成评价指标体系。在专家打分的基础上，利用层次分析法，构造判断矩阵得出量化关系，从而确定各因子的组合权重^[15]（表 1）。

表 1　山东棕壤耕地地力评价指标体系及其组合权重 Table 1　Evaluation indices and their combination weights of brown soil cultivated land productivity in Shandong Province

表选项

用指数和法来确定耕地的综合指数，公式为：

式中：IFI（Integrated fertility index）代表耕地地力综合指数；F_i为第i个评价因素；C_i为第i个因素的组合权重。

利用累积曲线分级法，根据曲线斜率的突变点（拐点）确定等级数目和划分综合指数的临界点，将山东棕壤耕地地力划分为十级，各等级耕地地力综合指数见表 2。

表 2　山东棕壤耕地地力等级综合指数 Table 2　The comprehensive index of different fertility grades of brown soil cultivated land in Shandong Province

表选项

一方面，根据耕地地力评价结果，分析各等级耕地的面积、比例和分布情况；另一方面，在评价的基础上，将山东棕壤十级耕地又分为高级（一、二、三级地）、中级（四、五、六级地）、低级（七、八、九、十级地）3个等级进行分析。通过各专题图件与评价单元图的叠加，分析不同等级耕地的空间分布特征、属性特征、利用方式特征和养分特征等。

山东棕壤耕地总面积为128.15万hm²，按高等级（一、二、三级地）、中等级（四、五、六级地）、低等级（七、八、九、十级地）分，高等级地面积为42.96万hm²，占棕壤耕地总面积的33.52%；中等级地面积为52.53万hm²，占棕壤耕地总面积的41.00%；低等级地面积为32.66万hm²，占棕壤耕地总面积的25.48%。其中面积比例较大的耕地为六级地、三级地和四级地，分别占棕壤耕地总面积的19.22%、17.95%和12.14%；九、十级地面积最少，只占棕壤耕地总面积的3.45%和2.64%。山东棕壤各等级耕地面积与比例见表 3。

表 3　山东棕壤耕地地力等级面积与比例 Table 3　The area and proportion of different fertility grades of brown soil cultivated land in Shandong Province

表选项

山东棕壤耕地地力等级分布情况见图 1。总体看，高等级地主要分布于鲁中南山地区的西侧和东侧外缘，以及东部丘陵区西南、东北侧，地貌类型以山丘区微倾斜平地、缓坡地为主。该区域耕地肥力状况较好，农业基础设施均配套成型，测土配方施肥工程也首先在这一区域展开。中等级地主要分布于鲁东西部、中东部和鲁中南东部、东北部部分地区，与高等级地相连接，地貌类型以低丘、高丘、低山为主。该区域基础设施不够完善，生产条件较差，影响耕地质量和农产品产量，但有一定的开发潜力。低等级地分布比较分散，主要分布于鲁东和鲁中南地区中部，地貌类型以低山、高丘为主。此地区有效耕层薄、土壤肥力低、灌溉条件差，是导致其耕地地力等级普遍较低的重要原因。

图 1 山东棕壤耕地地力等级分布图 Figure 1　Distribution map of different fertility grades of brown soil cultivated land in Shandong Province

图选项

一级至十级地在山东各地市的分布状况见表 4。从表 4中可以看出，高等级地所占比例较高的地市为青岛市、潍坊市、泰安市、济宁市、枣庄市，分别为63.92%、63.34%、59.18%、49.34%、43.95%，该类地市的棕壤耕地均为区域综合性能最好的耕地，各项评价指标均属良好型，农业基础设施配套完善，是山东省的丰产地市；中等级地所占比例较高的地市有济南市、威海市、临沂市、烟台市，分别为65.42%、62.14%、55.56%、47.25%，该类地市棕壤耕地的生产条件相对较差，基础设施不够完善，属于只要加大投入，完善基础设施和改善生产条件，产量可大幅提高的中产田地市类型；低等级地所占比例较高的地市有淄博市、莱芜市、日照市，分别为70.69%、56.43%、43.93%，该类地市棕壤耕地总体土壤肥力和设施条件差，地力存在较多限制。

表 4　山东棕壤耕地地力等级行政区域分布面积占比（%） Table 4　Fertility grades area proportion of different administrative regions of brown soil cultivated land in Shandong Province(%)

表选项

山东棕壤各等级耕地属性状况见表 5。通过分析看出，高等级地土壤耕层质地主要为轻壤，兼有少许中壤。土体构型以夹粘、壤体为主，土层深厚，土层厚度大于100 cm的耕地占一半以上，土壤理化性状良好，可耕性强。农田水利设施完善，灌排条件较好，灌溉保证率均在75%以上，部分地区达到100%。可见，高等级地综合性能好，应优先发展高产、优质、高效农业，如无公害蔬菜基地、设施农业、反季节瓜果栽培等。

表 5　山东棕壤不同等级耕地属性状况 Table 5　Properties of different fertility grades of brown soil cultivated land in Shandong Province

表选项

中等级地土壤耕层质地主要为轻壤和砂壤。土体构型主要是中层和薄层等类型。土层较深厚，大多在15~60 cm之间，可耕性较好。灌溉保证率在50%以上，部分地区接近75%。因此，该等级地应大力完善农田基本建设，提高灌溉保证率，推广节水灌溉，同时平田整地，深翻改土，加深耕层厚度，改善土壤物理性状。

低等级地土壤耕层质地以砾质砂土、砂质砾石土为主。土体构型大多是薄层和砾体。土层厚度基本小于30 cm，可耕性较差，且大部分地区无灌溉能力，只有极少部分地区灌溉保证率在25%左右。这部分耕地近年来一直是山东棕壤区中低产田改造的重点，利用方向是整修梯田，提高综合控制水土的能力，发展节水灌溉，种植耐旱耐贫瘠作物。

表 6为山东棕壤主要耕地利用方式的耕地地力等级分布状况，可以看出，水浇地主要分布于一、二、三级地，该区域地势平坦，耕作条件好，灌溉水平高，主要种植小麦、玉米等粮食作物，且产量较高。宜进一步加强农田水利工程建设，扩大水浇地面积，并推广应用秸秆还田、平衡施肥、节水增效等农业技术，保持和提升耕地地力；旱地类型的地力等级分布较为分散，从三级至八级，以六级地和三级地居多，除种植小麦玉米等粮食作物外，多种植花生、蔬果等经济作物和部分耐旱作物，应不断培肥地力，提高灌排能力，加大投入力度；灌溉水田则集中分布在五级地和四级地，其总体面积较小，以水稻种植为主，应保证充足的水源和灌溉设施，不断提高作物产量。

表 6　山东棕壤耕地主要利用方式地力等级分布状况（%） Table 6　Fertility grades of main land use types of brown soil cultivated land in Shandong Province(%)

表选项

选取土壤有机质、pH值、全氮、有效磷（P₂O₅）和速效钾（K₂O）5种养分及性状进行各等级耕地的养分特征分析。各等级耕地土壤有机质、pH值及养分含量状况见表 7。

表 7　山东棕壤各等级耕地土壤养分含量状况 Table 7　Soil nutrient contents of different fertility grades of brown soil cultivated land in Shandong Province

表选项

从表 7中可以看出，棕壤区耕地土壤有效磷（P₂O₅）含量整体较高，平均为33.42 mg·kg^-1，高于山东省平均水平，但其有机质、全氮和速效钾（K₂O）含量均较低，分别为11.72、0.83 g·kg^-1和101 mg·kg^-1，均低于全省平均水平，且各等级含量差异显著。其pH值平均为6.06，整体较低，显示出山东棕壤区土壤整体偏酸性特征。因此，在棕壤耕地利用管理过程中，应注重增施有机肥和钾肥，补充氮肥，不断提高耕地地力水平，同时应针对其pH值状况配合施用生理碱性肥料。

依据农业部《全国中低产田类型划分与改良技术规范》，综合考虑山东棕壤耕地地力、土壤养分等相关要素，确定灌溉保证率、耕层质地、土层厚度、土体构型、有机质、pH值、全氮、有效磷（P₂O₅）、速效钾（K₂O）等9种因子作为耕地地力的限制性因素，划分各限制因子标准，并统计分析得山东棕壤各等级耕地主要限制因素状况（表 8）。

表 8　山东棕壤各等级耕地主要限制因素状况 Table 8　Main restrictive factors of different fertility grades of brown soil cultivated land in Shandong Province

表选项

可以看出，高等级地除土壤速效钾（K₂O）含量较低外，各项条件总体较好，无其他限制因素；中等级地除土壤速效钾（K₂O）含量偏低外，土壤质地较差也是影响其耕地质量的一个限制因素；低等级地限制因素则包括耕层质地和土体构型等土壤物理性状差、土壤养分含量低、几乎无灌溉能力等，总体生产条件较差。

由此，高等级地综合性能好，应增施钾肥，发展优质、高产、高效农业，平衡施肥，防止土壤污染；中等级地除增施钾肥外，宜不断培肥地力，并采取深耕等措施，破除犁底层，改良土壤质地；低等级地则应增加各土壤养分含量，改善土壤物理性状，并根据实际情况调整农业种植结构，因地制宜，发展经济林果，实行多种经营。

本文针对山东棕壤的耕地地力状况进行了评价，系统分析了山东棕壤各等级耕地的面积、比例及分布情况和各等级耕地的地形地貌特征、属性特征、利用特征、养分特征和限制因素特征等。山东棕壤区耕地土壤磷素含量较高、有机质及氮钾含量较低、pH值明显较低，其原因一方面与其所处自然环境条件，特别是相对较高的降水量有关，使土体淋溶作用较强，养分淋失、酸性增强、磷素活性增加^[16-18]，另一方面也与棕壤区耕地施肥和利用管理等人为影响有关。本研究山东棕壤区土壤养分及理化性状特点与前人的相关研究结果一致^[19-21]。棕壤耕地区是山东省农业和果木发展的重要基地，具有良好的生态条件，针对不同等级耕地存在的养分、质地、土层及灌溉能力等问题，宜根据其区域分布和等级特点，采取针对性措施和持续利用方式。高等级地可在保证平衡施肥的基础上，加大检测力度，发展无公害生产，注重加强耕地保护，做到用地养地和持续利用；中、低等级地应不断增施有机肥，在培肥地力的基础上改善土壤结构，加强基础设施建设，提高灌溉能力，不断保护和提升耕地地力水平。同时因地制宜，发展优质特色生态农业，提高耕地利用的综合效益。

（1）本文运用特尔菲法、层次分析和综合指数等方法，基于GIS技术，针对山东棕壤区耕地，较好进行了山东棕壤耕地地力状况的评价，并对其特征进行了全面分析，对同类研究有参考意义。

（2）山东棕壤耕地质量总体较好，中高等级地面积约占3/4，其中中等级地占棕壤总耕地面积的41.00%，主要分布于鲁东西部、中东部和鲁中南东部、东北部地区；高等级地占33.52%，主要分布于鲁中南山地区的西侧和东侧外缘，以及东部丘陵区西南、东北侧；低等级地面积较少，零散分布于鲁东和鲁中南地区中部。

（3）各等级棕壤耕地地力水平与其地形地貌、区域分布、理化属性、利用方式及限制因素特征差异明显。高等级耕地宜注意钾肥的施用，中等级耕地应在补充钾肥的同时注意培肥深耕，改善土壤质地，低等级耕地则应完善其农田基础设施条件，因地制宜发展林果业。