基于農(nóng)用地分等的耕地質(zhì)量主導(dǎo)限制型研究*

呂慧敏，吳克寧※，周 勇，魏洪斌，辛亮亮

(1．中國地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083;2．國土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035;3．華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430079)

1 引言

耕地作為最基本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，是農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要保障，其質(zhì)量高低直接關(guān)系到國家糧食安全。2013年，我國糧食生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了“十連增”，但是在這喜人成績的背后，我國仍然面臨著耕地?cái)?shù)量下降、耕地質(zhì)量總體不高的嚴(yán)峻問題，中低等地產(chǎn)能低且存在限制因子，在很大程度上制約了糧食持續(xù)增產(chǎn)［1］。

隨著土地管理制度改革不斷深入，耕地質(zhì)量管理已逐步成為國內(nèi)外政府決策者和學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)［2-5］?！秶临Y源部關(guān)于提升耕地保護(hù)水平全面加強(qiáng)耕地質(zhì)量建設(shè)與管理的通知》 (國土資發(fā) ［2012］108號(hào))中指出，耕地質(zhì)量建設(shè)與管理是落實(shí)最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度的重要內(nèi)容，是提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力、確保國家糧食安全的根本保障，是優(yōu)化利用土地資源、構(gòu)建國家生態(tài)安全屏障的有效途徑。當(dāng)前國內(nèi)的相關(guān)研究主要集中在論述耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)選取［6-7］、耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系建立［8-9］、耕地質(zhì)量的動(dòng)態(tài)平衡［10］和耕地質(zhì)量改良［11］等方面，對(duì)于耕地質(zhì)量限制因素的研究多使用回歸分析的方法從產(chǎn)能角度入手［12-13］。國際上通過對(duì)耕地、土壤以及自然資源的監(jiān)測(cè)和對(duì)土地資源的調(diào)查來實(shí)現(xiàn)對(duì)耕地質(zhì)量變化的評(píng)價(jià)與研究，并在科學(xué)選取土壤質(zhì)量指標(biāo)［14］和改良土壤質(zhì)量［15-17］方面取得一定成效。以上研究使得耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的建立和應(yīng)用趨于完善，但是通過耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)尋找限制因子方面的研究還較少。

因此，該文以湖北省公安縣為研究區(qū)，在農(nóng)用地分等成果的基礎(chǔ)上，通過自然等提等潛力指數(shù)模型求出耕地質(zhì)量主導(dǎo)限制型，依據(jù)自然等別的限制型有針對(duì)性地確定耕地質(zhì)量提升措施，透過表象看本質(zhì)，以期為耕地質(zhì)量建設(shè)與管理提供決策依據(jù)。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

公安縣是國土資源部首批耕地等級(jí)監(jiān)測(cè)試點(diǎn)之一，坐落于湖北省中南部，位于111．48°～111．25°E，29．37°～30．19°N，地處江漢平原，平均海拔36m左右，地勢(shì)平坦，湖泊棋布，河流縱橫，屬平原湖濱地區(qū)，河流過境長422．84km，外江河流14條。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，具有霜期短、日照長、雨量充沛特點(diǎn)。

公安縣轄14個(gè)鎮(zhèn)，2個(gè)鄉(xiāng)，328個(gè)行政村，轄區(qū)總面積22．54萬hm2。2010年，耕地面積13．93萬hm2，占土地總面積的61．78%。其中，水田7．76萬hm2，水澆地5．68萬hm2，旱地0．49萬hm2。全縣實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值78．92億元，糧食總產(chǎn)量59．58萬t。公安縣位于我國長江中下游平原湖濱稻棉區(qū)，以農(nóng)業(yè)為特色產(chǎn)業(yè)，土地適宜性廣，種植條件好，是我國中部糧食主產(chǎn)區(qū)應(yīng)用示范縣之一，研究該區(qū)域耕地質(zhì)量限制型有較強(qiáng)的代表性。

2.2 數(shù)據(jù)來源

文章數(shù)據(jù)來源主要包括湖北省公安縣2010年農(nóng)用地分等補(bǔ)充完善成果，2010年耕地質(zhì)量等級(jí)監(jiān)測(cè)野外調(diào)查采樣數(shù)據(jù)，近年湖北省公安縣相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料以及實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 確定自然等別

依據(jù)《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》(GB/T 28407-2012)阿拉伯?dāng)?shù)字1～15表示耕地自然等別的1～15等，其中1等耕地質(zhì)量最高不存在限制型。

湖北省公安縣共有耕地圖斑2．873 9萬個(gè)，總面積13．928 774萬hm2。根據(jù)農(nóng)用地分等更新成果確定耕地的自然等別為2～7等，分布情況見圖1。

3.2 選取評(píng)價(jià)指標(biāo)

在符合穩(wěn)定性原則、生產(chǎn)性原則、綜合性原則和空間變異性原則的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取采用薈萃分析法，綜合農(nóng)用地分等規(guī)程中推薦分等指標(biāo)和耕地等級(jí)變化野外監(jiān)測(cè)中建議增加監(jiān)測(cè)指標(biāo)?！掇r(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》(GB/T 28407-2012)中推薦了表層土壤質(zhì)地、有效土層厚度、剖面構(gòu)型、鹽漬化程度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤酸堿度 (pH值)、障礙層距地表深度、排水條件、地形坡度、灌溉保證率、地表巖石露頭度和灌溉水源等12個(gè)分等指標(biāo);耕地等級(jí)變化野外監(jiān)測(cè)結(jié)合全國各省 (市、區(qū))的實(shí)際情況增加了土壤侵蝕程度、礫石含量、灌溉水質(zhì)、地下水埋深、海拔高度、土壤污染狀況和田塊破碎度等指標(biāo)。

湖北省公安縣所屬標(biāo)準(zhǔn)耕作制一級(jí)區(qū)為長江中下游區(qū)，二級(jí)區(qū)為沿江平原區(qū)，耕作制度為一年兩熟或一年三熟，基準(zhǔn)作物為中稻，指定作物為中稻和油菜。根據(jù)《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》 (GB/T 28407-2012)公安縣農(nóng)用地分等所采用的指標(biāo)有7個(gè)，分別為表層土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、灌溉保證率、土壤酸堿度、障礙層距地表深度、排水條件和剖面構(gòu)型;結(jié)合耕地等級(jí)變化野外監(jiān)測(cè)和研究區(qū)的實(shí)際情況，增加土壤污染狀況和地下水埋深兩項(xiàng)指標(biāo)。綜上，公安縣耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)選取表層土壤質(zhì)地、土壤污染狀況等9個(gè)指標(biāo)。

3.3 確定限制類型

自1961年美國的土地生產(chǎn)潛力評(píng)價(jià)開始，加拿大、澳大利亞、英國、荷蘭、聯(lián)合國糧農(nóng)組織、蘇聯(lián)和中國等國家或組織相繼建立了涉及耕地質(zhì)量限制型的土地評(píng)價(jià)體系，限制型的劃分從土壤、水分等綜合指標(biāo)逐步發(fā)展至土層厚度、肥力狀況、排水條件、灌溉水源等具體指標(biāo)。

結(jié)合國內(nèi)外限制型研究進(jìn)展，確定耕地質(zhì)量的限制型需綜合考慮影響耕地本底質(zhì)量的氣候、土壤、水文和地形地貌等因素。《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》(GB/T 28407-2012)通過劃分標(biāo)準(zhǔn)耕作制度區(qū)規(guī)避氣候因素對(duì)農(nóng)用地分等結(jié)果的影響。因此，該文主要從土壤、水文和地形地貌等各方面研究耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取。

在確定限制因素范圍的基礎(chǔ)上，應(yīng)用薈萃分析的方法將國內(nèi)外采用的耕地質(zhì)量限制型進(jìn)行綜合分析，可以確定中國耕地質(zhì)量限制型，主要包括:排水限制、鹽堿限制、土層限制、質(zhì)地限制、裸巖限制、坡度限制、侵蝕限制、水分限制、障礙層次限制、污染限制、酸堿度限制、有機(jī)質(zhì)限制、灌溉限制和剖面構(gòu)型限制。

圖1 2010年度公安縣耕地自然質(zhì)量等別

通過建立耕地質(zhì)量限制型與農(nóng)用地分等指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 (表1)，可以依托評(píng)價(jià)指標(biāo)在農(nóng)用地分等中的分值量化表征限制型對(duì)耕地質(zhì)量的影響程度，具體分級(jí)方法同《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》和 (GB/T 28407-2012)“農(nóng)用地質(zhì)量分等推薦因素及其分級(jí)、分值和權(quán)重”，文中不再贅述。水分限制 (地下水埋深)、侵蝕限制 (土壤侵蝕程度)和污染限制 (土壤污染狀況)3項(xiàng)并沒有對(duì)應(yīng)的分等指標(biāo)可供選擇，其數(shù)據(jù)可以從耕地等級(jí)變化野外監(jiān)測(cè)指標(biāo)中提取信息，也可以從研究區(qū)土地調(diào)查、變更調(diào)查、土地整治規(guī)劃、土壤普查、統(tǒng)計(jì)年鑒和土壤侵蝕資料或數(shù)據(jù)庫中獲取，分級(jí)方法同地區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)補(bǔ)充完善綜合報(bào)告一致。

結(jié)合公安縣耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)選取的9個(gè)指標(biāo)，與表1對(duì)照可知，公安縣耕地質(zhì)量限制型為排水限制 (d)、質(zhì)地限制 (t)、水分限制 (m)、障礙層次限制 (h)、污染限制 (c)、酸堿度限制 (p)、有機(jī)質(zhì)限制 (o)、灌溉限制 (i)以及剖面構(gòu)型限制 (s)。

表1 耕地質(zhì)量限制型與農(nóng)用地分等指標(biāo)對(duì)應(yīng)

3.4 計(jì)算限制譜序

將限制型按限制性大小進(jìn)行排序，稱之為限制譜序［18］。在農(nóng)用地分等成果的基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)的自然等提等潛力指數(shù)模型［19］計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)限制型的提升潛力，可以確定限制型譜序，進(jìn)而得出耕地質(zhì)量主導(dǎo)限制型。

自然等提等潛力指數(shù)模型是在農(nóng)用地自然質(zhì)量等指數(shù)計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，將影響耕地質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)在農(nóng)用地分等成果中可達(dá)到的最大值與該項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際分值進(jìn)行比較，兩者差額占最大值的百分比即為該項(xiàng)指標(biāo)的提等潛力指數(shù)，具體計(jì)算公式為:

其中Pik為第i個(gè)分等單元內(nèi)第k個(gè)分等因素的自然等提等潛力指數(shù);Rik為第i個(gè)分等單元內(nèi)第k個(gè)分等因素對(duì)該分等單元自然等指數(shù)的最大貢獻(xiàn)值;rik為第i個(gè)分等單元內(nèi)第k個(gè)分等因素對(duì)該分等單元自然等指數(shù)的實(shí)際貢獻(xiàn)值;wjk為第j種指定作物第k個(gè)分等因素的權(quán)重;fijk為第i個(gè)分等單元內(nèi)第j種指定作物第k個(gè)分等因素的質(zhì)量分值;αj為第j種作物的光溫 (氣候)生產(chǎn)潛力指數(shù);βj為第j種作物的產(chǎn)量比系數(shù);k為分等因素編號(hào)。

根據(jù)求得的自然等提等潛力指數(shù)P，其值越大，可提升潛力越大，限制譜序越靠前，限制性越強(qiáng)，P值最大項(xiàng)即為耕地自然等質(zhì)量主導(dǎo)限制型。

結(jié)合公安縣實(shí)際情況，根據(jù)式 (1)(2)(3)計(jì)算28 739個(gè)耕地圖斑中9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)限制型的自然等提等潛力指數(shù)，可以得出各耕地圖斑主導(dǎo)限制型 (表2)。如，圖斑編號(hào)為1的地塊自然等別為3等，最大提等潛力指數(shù)為27．03%，所以主導(dǎo)限制型為障礙層次限制 (h)。

表2 公安縣全因素自然等提等潛力指數(shù)

4 結(jié)果與分析

4.1 主導(dǎo)限制型組合類型

根據(jù)求得的全因素自然等提等潛力指數(shù)和主導(dǎo)限制型，可以統(tǒng)計(jì)出公安縣共有12種耕地質(zhì)量主導(dǎo)限制型的組合類型 (表3)，部分地塊存在兩種或兩種以上主導(dǎo)限制型。酸堿度限制-水分限制 (p-m)和水分限制 (m)為公安縣耕地自然等質(zhì)量占比重最大的主導(dǎo)限制型，分別占耕地總量的32．12%和31．92%，酸堿度限制 (p)和障礙層次限制 (h)次之，分別占耕地總量的12．82%和12．48%，主導(dǎo)限制型中酸堿度限制-障礙層次限制 (p-h)所占比重最小，為0．29%。

表3 耕地質(zhì)量主導(dǎo)限制型組合類型

4.2 主導(dǎo)限制型分布情況

由公安縣耕地圖斑中主導(dǎo)限制型的分布情況 (圖2)，可以看出其中分布范圍最廣的限制型為酸堿度限制-水分限制 (p-m)，處于公安縣東部、西部、中南部和北部，包括萬眾村、飛躍村、荊華村等224個(gè)行政村;水分限制 (m)次之，廣泛分布在縣域的中部、南部和西北部，包括協(xié)力村、新生村、曾埠頭村等227個(gè)行政村;酸堿度限制 (p)零散分布在東部、西部和北部，包括七臺(tái)寺村、東風(fēng)村、楊家咀村等146個(gè)行政村;障礙層次限制 (h)主要分布在南部、中部和東南部，包括沿江村、荊中村、北閘村等114個(gè)行政村;其余8個(gè)主導(dǎo)限制型也基本以連片的方式分布在縣域范圍內(nèi)，多數(shù)行政村同時(shí)存在兩種或兩種以上限制型。

圖2 公安縣耕地質(zhì)量主導(dǎo)限制型分布

4.3 主導(dǎo)限制型與耕地自然等別對(duì)應(yīng)情況及改良建議

公安縣耕地等別總體上呈規(guī)則區(qū)片狀分布，將公安縣耕地自然等別與主導(dǎo)限制型對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì) (表4)可知各等別耕地的主導(dǎo)限制型，以便有針對(duì)性的采取耕地質(zhì)量提升措施。

2等地首要主導(dǎo)限制型為酸堿度限制，次要主導(dǎo)限制型為酸堿度-水分限制。公安縣水資源豐富，地表徑流量大，水土流失現(xiàn)象頻現(xiàn)，應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)，改善灌排條件，降低地下水位，施以土壤改良劑改良土壤酸堿度。

表4 耕地自然等與限制型對(duì)應(yīng)面積與比例

3等地首要主導(dǎo)限制型為酸堿度-水分限制，次要主導(dǎo)限制型為水分限制;4等地則恰好相反，首要主導(dǎo)限制型為水分限制，次要主導(dǎo)限制型為酸堿度-水分限制;5等地首要主導(dǎo)限制型為酸堿度限制，次要主導(dǎo)限制型為水分限制。改良方法與2等地相似，采取土壤改良劑改良土壤酸堿度和相應(yīng)農(nóng)田水利工程降低地下水位。

6等地首要主導(dǎo)限制型為酸堿度限制，次要主導(dǎo)限制型為灌溉限制。公安縣農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)較少，田間灌溉工程不配套，針對(duì)此情況可以施用土壤改良劑改良土壤酸堿度，建設(shè)水利設(shè)施渠系配套和渠道防滲工程，采用移動(dòng)軟管灌溉方式可節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)條件較好的地區(qū)也可采用噴灌技術(shù)，提高區(qū)域灌溉保證率。

7等地首要主導(dǎo)限制型為排水限制，次要主導(dǎo)限制型為酸堿度限制。公安縣受地形地勢(shì)和湖泊圍墾等原因面臨嚴(yán)重的水患洪澇災(zāi)害，現(xiàn)有大型溝渠分布不均，針對(duì)此情況可配以相應(yīng)排水工程，完善農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)整治，并施以相應(yīng)的改良劑提升耕地質(zhì)量。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

(1)在農(nóng)用地分等成果的基礎(chǔ)上，建立耕地質(zhì)量限制型與農(nóng)用地分等指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以確定公安縣耕地質(zhì)量存在排水限制、質(zhì)地限制、水分限制等9種限制型。

(2)自然等提等潛力指數(shù)模型計(jì)算的耕地質(zhì)量限制型譜序，以全局可比的無量綱形式反映出限制型的制約程度和自然等別提升潛力，得到公安縣12種耕地質(zhì)量主導(dǎo)限制型組合類型，其中2～5等地以酸堿度限制、酸堿度-水分限制和水分限制為主，6～7等地以酸堿度限制、灌溉限制和排水限制為主。

(3)依據(jù)公安縣的耕地自然等質(zhì)量主導(dǎo)限制型，可以有針對(duì)性的采取提升耕地質(zhì)量的措施。同時(shí)，結(jié)合限制譜序的制約程度，為耕地質(zhì)量等級(jí)監(jiān)測(cè)工作和土地整治項(xiàng)目重點(diǎn)區(qū)域的劃定提供理論依據(jù)，便于做出合理的空間時(shí)序安排。

5.2 討論

湖北省公安縣為平原地區(qū)，對(duì)此研究區(qū)域進(jìn)行討論，確定出了耕地自然等質(zhì)量的主導(dǎo)限制型，但平原與山地所涉及的質(zhì)量指標(biāo)具有一定差異，所以山地丘陵地區(qū)的限制型確定方法有待新的研究區(qū)域驗(yàn)證。文中自然等指數(shù)是基于《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》(GB/T 28407-2012)計(jì)算的，耕地自然等質(zhì)量提升的重點(diǎn)影響因素是耕地本底質(zhì)量，但利用方式對(duì)于耕地質(zhì)量的提升也有一定影響，是否考慮農(nóng)用地定級(jí)因素尚需進(jìn)一步探討和研究。

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