耕地是保障国家粮食安全、实现乡村振兴和 “藏粮于地、藏粮于技”战略部署的基础，但随着对耕地过度利用和开发，耕地质量下降、耕地资源减少、生态环境恶化等制约农业绿色可持续发展的问题日益凸显^[1-2]。为此，中共中央、国务院先后印发了《生态文明体制改革总体方案》《关于保护耕地和改进占补平衡的意见》等文件，提出了常态化开展以绿色发展为导向，以保障国家粮食安全、农产品质量安全与农业生态安全为目标的耕地质量等级评价工作，进一步促进耕地质量提升和资源可持续利用，筑牢国家粮食安全基石^[3]。

随着对耕地质量研究领域深度和广度的不断增加，耕地质量的内涵已逐渐从单一维度的基础地力向生态、经济、自然、利用等多维度综合质量转变^[4-7]。国内外研究学者在农业生产能力、耕地潜力和适宜性评价等方面积累了大量的研究成果，耕地质量评价方法也在不断丰富，以层次分析法 （AHP）^[8]、模糊评价法^[9]、随机森林（RF）^[10]、灰色关联法^[11]、人工神经网络（ANN）和支持向量机（SVM）^[12]等评价方法为主。此类模型虽具有操作方便、兼容性强、应用范围广等特点，但也存在一定不足，如：AHP 在确定评价指标权重方面存在较大主观性^[13]；模糊评价法和灰色关联法容易忽略各评价指标之间的非线性关系，在处理高纬度数据时稳定性较差^[14-15]；RF 和 ANN 都存在过度拟合的风险且评价结果受训练样本选取方法的影响较大，指标权重的合理性有待确定^[16-17]； SVM 则存在样本划分困难、参数选取合理性差等问题^[18]。因此，如何科学确定评价指标权重、将多源化数据有效整合到评价单元图仍是构建耕地质量等级评价体系工作的难点。

客观赋权（CRITIC）法是基于评价指标的对比强度和指标之间的冲突性来综合衡量指标客观权重的赋权法，在考虑指标变异性的同时兼顾指标之间的相关性，更符合耕地质量等级评价高维性、非线性和指标复杂性的客观实际^[19]，但目前将 CRITIC 应用于耕地质量评价的研究较少。因此，本研究参考《耕地质量等级》（GB/T33469—2016）评价指标体系，利用 CRITIC 对 AHP 权重不合理问题加以改进，应用地理信息系统（GIS）优化耕地质量评价指标赋值方法，并以呼和浩特市为例进行实证，为优化耕地资源配置，加强耕地质量保护建设提供重要技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

呼和浩特市隶属于内蒙古自治区，属蒙古高原大陆性气候，年均气温北低南高，北部大青山区年均气温 2℃左右，南部年均气温 6.7℃，年均降水量 335.2～534.6 mm。呼和浩特市以山地和平原两大地形地貌为主，北部大青山和东南部蛮汗山为山地地形，南部及西南部为土默川平原地形，地势由北东向南西逐渐倾斜。全市共辖 4 个市辖区、5 个旗（县、区），总面积 172 万 hm²；耕地面积为 55.62 万 hm²，其中水浇地 34.87 万 hm²，旱地 20.73 万 hm²。境内分布有灰褐土、潮土、沼泽土、草甸盐土等多个土壤类型。

1.2 数据来源

本研究涉及的空间数据主要包括（1）呼和浩特市 2020 年土地利用现状变更调查矢量数据 （1∶10000），主要获取行政区划图、耕地图斑、农村道路、公路、沟渠、河流、水井等；（2）土壤属性和自然因子等相关数据来自 2020 年呼和浩特市耕地质量等级评价数据和呼和浩特市土壤图（1∶50000）； （3）有机质、pH 等相关土壤质量数据来源于 2020 年呼和浩特市耕地质量等级评价数据库中的样点调查数据；（4）呼和浩特市数字高程模型（30 m）来源于地理空间数据云平台，从中获取坡度数据。

1.3 评价指标的选取

耕地是由自然资源、社会生产和人类活动等多种因素综合形成的复杂系统，其耕地质量等级情况受到多种因素影响。在结合相关国家标准和现有研究成果基础上，本研究运用频度分析法和专家咨询法开展评价指标筛选，分别从地形地貌、土壤性状、农田管理和生态安全 4 个方面选取 17 个指标构建该区域的耕地质量等级评价指标体系（表1）。地形地貌是用于评价耕地立地条件的本底情况。土壤性状是用于评价耕地肥力和生产潜力的土壤质量，进一步反映土壤支撑作物生产的基础条件。农田管理是影响耕种效率和农户耕作意愿的重要指标，除了传统的灌排条件等基础设施外，道路通达度和田块面积同样是农田管理的重要组成部分，道路通达度能够直接反映农户的耕作意愿和耕种效率，而大的田块面积更有利于集约化、规模化和机械化种植管理。生态安全包括生物多样性和农田林网化程度，在一定程度上能够反映耕地在生态系统中的稳定能力。

1.4 土壤样品采集与指标检测

2020 年在呼和浩特市典型农田地块共布设 850 个取样点位，如图1 所示，在作物收获后统一开展土壤样品取样工作。按照“S”形或“梅花形”取样方法，每个取样点位采集 5～15 个 0～20 cm 土壤样品混合，利用四分法保留 1 kg 土壤样品进行检测化验，采用 GPS 进行坐标定位，同时调查记录其他属性信息。生物多样性通过土壤微生物碳的量计算获得，微生物碳采用氯仿熏蒸法测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤有效磷采用 0.5 mol/L NaHCO₃ 浸提-分光光度法测定；土壤速效钾采用 1 mol/L NH₄OAC 浸提-火焰光度法测定； 土壤 pH 采用电位法（土水比 1∶5）测定；土壤容重通过环刀法测定。

1.5 数据处理

数据处理均在 ArcGIS 10.2 中完成。地形地貌中评价指标通过相关数据库提取、结合实地调查信息综合确定，通过叠加分析、消除空值、相交分析和统计链接等方式整合至评价单元图中。土壤性状中有机质、有效磷和速效钾等指标通过克里金插值法统计至评价单元图中；pH 和容重等具有空间区域性分布特征的指标通过 Nibble 邻近值替换计算获取。农田管理中灌溉能力（排水能力）通过提取灌渠、水井（沟渠）与耕地图斑进行邻近分析计算获得；道路通达度通过提取农村道路、公路利用缓冲区分析功能计算；田块面积采用耕地图斑面积表示。生态安全指标中，生物多样性指标赋值方法参照 pH 进行，农田林网化通过提取林地图斑利用缓冲区分析功能计算获得。

1.6 客观赋权法

CRITIC 法是一种比熵权法和标准离差法更好的方法，它以指标之间的对比强度和冲突性综合决定^[19]。对比强度指同一个评价指标各个评价方案之间取值差距的大小，以标准差表示，标准差越大则所占权重越高；冲突性以相关系数表示，如两个评价指标间具有较强的相关性，则说明冲突性越小，所占权重越低。

CRITIC 法表达式为：

式中，P_j 表示第 j 个指标在评价指标体系中的信息量；S_j 为第 j 个指标的标准差；r_ij 表示第 i 个评价指标和第 j 个评价指标的相关系数。

客观权重表达式为：

式中，W_j 为第 j 个指标的客观权重。

2 结果与分析

2.1 评价指标隶属度的确定

根据相关国家标准及现有研究成果，本研究将 17 项评价指标划分为定性指标和定量指标。定性指标的隶属度采用特尔菲法获得（表2）；定量指标根据指标性质划分为峰型函数和戒上型函数，隶属度通过隶属函数计算获得（表3）。

2.2 评价单元和评价指标权重的确定

本研究评价单元为呼和浩特市行政区划内所有耕地，根据提取的耕地图斑显示，全市评价单元共有 166499 个。根据上述评价指标隶属度构建评价矩阵并进行无量纲化处理，各指标权重采用 CRITIC 法[式（1），式（2）]计算获得，结果如表4 所示。

2.3 耕地质量评价指数及等级划分

根据相关国家标准，采用累加法计算耕地质量评价指数，计算公式：

式中，E 表示耕地质量评价指数；C_i 表示第 i 个指标的组合权重；F_i 表示第 i 个指标的隶属度。

根据上式获得耕地质量评价指数曲线，采用自然断点法将耕地质量划分为 10 个等级，耕地质量评价指数越高，耕地质量水平越高，详情如表5 所示。

2.4 评价结果分析与对比

根据图2 显示，呼和浩特市平均耕地质量等级为 5.84 等，各旗（县、区）平均耕地质量等级以玉泉区、托克托县、赛罕区和回民区较高，土默特左旗、武川县和新城区次之，和林格尔县和清水河县最低，总体表现为呼和浩特市中部耕地质量等级较高，北部次之，南部最低。

从耕地质量等级来看（表6），呼和浩特市 1～4 等级耕地面积为 11.19 万 hm²，占比 20.13%，主要分布在呼和浩特市中、北部区域，其中玉泉区、回民区、赛罕区和托克托县耕地占比较多，其耕地多为低、中阶平原区域，田面坡度较小，田块集中连片，生物多样性丰富，灌水条件较好，土壤质地以中、轻壤土为主，有机质和养分含量较高，除托克托县耕地有少量轻度盐渍化外，其他区域耕地无明显障碍因素，整体耕地质量处于中上水平 （图3）。

注：式中 y 为隶属度；a 为系数；c 为标准指标；u 为实测值。当隶属函数为峰型，u 小于等于下限值或 u 大于等于上限值时，y=0。当隶属函数为戒上型，u 小于等于下限值时，y=0；u 大于等于上限值时，y=1。

注：a 为客观赋权法耕地质量等级空间分布图；b 为国标法耕地质量等级空间分布图；c 为评价结果差异对比图。

呼和浩特市 5～7 等级耕地面积最大，为 35.67 万 hm²，占全部耕地的 64.14%。土默特左旗、和林格尔县、新城区和武川县此类耕地占比较大。土默特左旗耕地多为低阶平原且有充足的灌溉水源，土壤本底条件较好，但由于排水不畅，其土壤盐渍化问题逐年加剧，导致土壤肥力下降；和林格尔县、武川县和新城区耕地多为山地或丘陵，田面坡度较大，灌溉水源难以保障，其中和林格尔县、耕地土壤养分瘠薄，肥力水平较低，总体耕地质量处于中等偏低水平。

呼和浩特市 8～10 等级耕地面积占比最小，为 8.75 万 hm²，占全部耕地的 15.73%，主要分布在呼和浩特市南部区域，以清水河县耕地占比最多，和林格尔县和武川县也有分布。清水河县耕地多为山地、伴有少量丘陵区，耕地地块破碎化程度高，土壤质地主要为砂壤、黏土，土壤养分瘠薄且存在少量土壤盐渍化问题，总体耕地质量处于较低水平。

总体来看，呼和浩特市耕地质量处于中等水平，除立地条件等自然因素外，土壤贫瘠、盐渍化和灌排设施不完善成为该区域耕地质量提升的关键问题。建议进一步加强高标准农田建设，整合平整土地，完善灌排等基础设施配套；优化种植结构，因地制宜开展土壤盐渍化治理和土壤培肥示范技术。

为衡量本研究耕地质量等级评价方法的准确性，将评价结果与 2020 年呼和浩特市国标法耕地质量等级评价结果（图3b）进行定量对比。根据耕地质量等级差值的绝对值大小，利用自然断点法将差值划分为无差异、略有差异、中等差异和较大差异四类（图3c）。根据结果显示，2020 年国标法呼和浩特市平均耕地质量等级为 6.32，其中 1～4 等较高水平耕地面积为 5.48 万 hm²，占比 9.86%，主要分布在呼和浩特市中部的托克托县、玉泉区、赛罕区，土默特左旗和武川县有零散分布。5～7 中等质量耕地面积为 38.67 万 hm²，占比最大，为 69.53%，各旗（县、区）均有分布，其中以武川县、土默特左旗耕地占比最大。8～10 等较低质量耕地面积为 11.47 万 hm²，占比为 20.62%，主要分布在清水河县的大部分区域和和林格尔县北部的部分区域，武川县北部和土默特左旗也有少量分布。从评价结果差异对比图来看，无差异的耕地占总面积的 38.82%；略有差异的耕地占总面积的 57.07%； 中等差异和较大差异耕地占总面积的 4.11%。从耕地质量空间分布的宏观规律和差异占比数据来看，两者评价结果趋势较为一致。

3 讨论

3.1 客观赋权法耕地质量等级评价方法与国标法评价结果的对比分析

本研究采用的 CRITIC 耕地质量等级评价方法与国标法评价结果存在差异的主要原因就是评价指标选取与确权的不同。在评价指标选取方面，为了能够直观反映耕地土壤肥力、粮食生产潜力和耕地保育等需求目标，更侧重于耕地地力的评价，在指标选取上更多考虑地形地貌和土壤性状等指标；在农田管理方面，国标法仅考虑了灌溉条件、排水条件和农田林网化 3 项指标，忽略了田块面积和道路通达度等指标对集约化、规模化种植便利程度的影响；在生态安全方面，国标法生物多样性是通过现场调查确定的定性指标，而本研究中生物多样性是采用土壤微生物碳量化的指标，更能直观表达生物多样性的丰富程度。在权重确定方面，CRITIC 法相比于 AHP 能够规避不同领域专家对耕地质量等级评价指标权重确定的主观性，同时更直观地反映评价指标之间的复杂性和非线性关系，突出不同区域间制约耕地质量提升的障碍因素。

3.2 耕地质量等级评价体系的构建与探讨

随着国内外对耕地质量研究的不断深入，耕地质量评价方法、指标体系构建以及确权方法也呈现出由主观方式向客观方式转变的趋势，其评价体系的内在合理性成为客观、准确评价耕地质量情况的基础。在现有研究成果中，耕地质量等级评价方法可以分为两大类，第一类是以特定评价体系为基础，基于主观经验确定指标权重，对评价单元指标加权评分划分等级，主要有 AHP、模糊评价法和灰色关联法：如何新莹等^[11]通过改进灰靶模型的评价方法对赤壁市耕地开展了等级评价，并与其他评价结果进行了定量对比研究；江文娟等^[20]等应用 AHP 研究分析了宣城市土壤养分空间分布特征及土壤肥力演变规律。第二类是基于人工智能的概念，通过机器学习算法突出评价指标的非线性关系，其算法主要包括 RF、SVM 和 ANN 等：如王丽等^[10]等运用 RF 模型，从土壤条件、地形地貌、社会经济和生态安全 4 个方面对襄州区耕地进行了等级划分；张朝晖^[21]通过因素法和 ANN 模型对襄阳市耕地评价结果进行了对比研究；朱暇等^[22] 基于 SVM 模型对奉新县耕地质量进行了评价划分。以上评价方法各有特点和适用情况，但也存在一定不足，如 RF 模型具有较强的地域性，大范围推广应用较难，同时缺乏不同地域耕地质量的可比性； AHP 和模糊评价法的评价结果受限于评价指标体系构建的内在合理性，具有较大的主观因素；灰色关联法和 ANN 等以纯数学方法构建的评价体系，若不考虑评价指标的独立性则较难构建评价结果与耕地质量内涵之间的对应关系^[23]。

在当前众多的耕地质量等级评价方法研究中，无论是评价方法还是指标选取都缺乏空间尺度的概念。耕地质量等级评价中的空间尺度效应不是将一个点或小尺度范围的内在规律直接带入到大尺度中应用，而是应该强调不同评价指标空间尺度的特有规律和时空变异性^[24]。如前人对耕地质量等级评价的研究中，多以克里金插值法将土壤理化性状等微观因子赋值到评价单元图中，忽略了不同指标空间分布的逻辑变化规律，导致空间差异性一定程度被掩盖^[8，13]。同时受空间尺度效应的影响，不同尺度的耕地质量等级评价体系可比性仍然不足，对具体指导区域间耕地质量提升和资源持续利用工作参考意义不大。

本研究以呼和浩特市为研究区域，在评价指标筛选方面运用频度分析法和专家咨询法从地形地貌、土壤性状、农田管理和生态安全 4 个方面选取了 17 项指标。在指标确权方面采用了 CRITIC 法，能够客观反映不同区域评价指标的复杂性和非线性关系。在评价指标数据赋值方面，地形地貌、农田管理等大尺度评价指标通过高分辨率数据库提取和实地调研综合确定；小尺度指标中，如有机质、有效磷和速效钾等养分指标通过克里金插值法赋值到评价单元图中，pH、容重和生物多样性等具有区域性空间分布特征的指标通过“以点带面”的方式整合至评价单元图中，从一定程度上削弱了空间尺度差异。然而本研究中土壤性状的样点数目较少，导致部分区域土壤理化性状数据不够准确；其次，评价指标中存在不同年份的问题，导致评价结果的现势性和客观性稍有不足；同时还需进一步深入研究不同尺度评价指标转换和体系构建等问题，加快完善 CRITIC 耕地质量等级评价体系，提高区域间普遍适用性和评价精度，这也将是下一步的研究重点。

4 结论

本研究构建了基于 CRITIC 法的耕地质量等级评价体系，并将其应用于呼和浩特市 2020 年耕地质量评价。总体来看，呼和浩特市耕地质量处于中等水平，评价耕地质量等级为 5.84，以 5～7 等级耕地为主，累计占比为 64.14%。呼和浩特市耕地质量空间分布存在明显的地域分异规律，高质量耕地主要分布在中部地区，而中、低等耕地主要分布在西北部和东南部区域；除地形地貌等环境因素影响外，土壤养分贫瘠、盐渍化和灌排设施不完善成为制约该区域耕地质量提升的关键问题。相比于国标法，CRITIC 耕地质量等级评价体系能更准确、客观地反映评价指标的复杂关系，科学定量分析各评价指标对耕地质量的贡献关系，同时有效运用于其他地区耕地质量等级评价研究，也可为其他类似地区耕地质量等级评价研究提供支持和参考。

参考文献