基于可改良限制因子的耕地質(zhì)量等別提升潛力研究

宋 戈，劉燕妮，張文琦，王思琢

基于可改良限制因子的耕地質(zhì)量等別提升潛力研究

宋 戈，劉燕妮，張文琦，王思琢

（東北大學(xué)土地管理研究所，沈陽 110169）

分析不同尺度耕地質(zhì)量等別提升理論潛力和實(shí)際潛力空間分布特征，為加強(qiáng)耕地保護(hù)和提升耕地質(zhì)量提供依據(jù)。該文以遼寧省大石橋市為研究區(qū)，基于大石橋市農(nóng)用地分等結(jié)果，篩選土地整治工程可改良限制因子，構(gòu)建指數(shù)提升潛力模型測(cè)算研究區(qū)耕地質(zhì)量自然等、利用等和經(jīng)濟(jì)等指數(shù)的理論潛力與實(shí)際潛力。運(yùn)用面積加權(quán)法和局部空間自相關(guān)法，揭示研究區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村級(jí)和地塊不同尺度的耕地質(zhì)量等別提升潛力的空間分布特征。結(jié)果表明：1）各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地質(zhì)量等別提升潛力空間差異明顯，呈現(xiàn)東高西低，依次遞減；2）各行政村耕地質(zhì)量等別提升潛力東部屬于正相關(guān)類型（高-高型）且集中連片，中部正相關(guān)類型（低-低型）面積較小且零星分布，西部為隨機(jī)分布；3）東中部地塊耕地質(zhì)量等別提升潛力較大，東部坡耕地宜實(shí)施土地平整工程，中部耕地宜實(shí)施灌溉與排水工程。研究結(jié)果可為區(qū)域規(guī)劃土地整治重點(diǎn)工程和劃定耕地保護(hù)分區(qū)提供理論與技術(shù)支持。

土地整治；等別；潛力；耕地質(zhì)量；限制因子；多尺度

0 引 言

耕地質(zhì)量是反映耕地生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)國家糧食安全和維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定重要保障[1-4]。2017年中共中央、國務(wù)院出臺(tái)的《關(guān)于加強(qiáng)耕地保護(hù)和改進(jìn)占補(bǔ)平衡的意見》指出實(shí)施耕地質(zhì)量保護(hù)與提升，穩(wěn)步提高糧食綜合生產(chǎn)能力，可為谷物基本自給、口糧絕對(duì)安全提供資源保障。2019年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家發(fā)展改革委等多部門聯(lián)合印發(fā)《國家質(zhì)量興農(nóng)戰(zhàn)略規(guī)劃（2018－2022年）》指出為實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，需深化農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，推進(jìn)農(nóng)業(yè)由增產(chǎn)導(dǎo)向轉(zhuǎn)為提質(zhì)導(dǎo)向，提高農(nóng)業(yè)綜合效益和競(jìng)爭(zhēng)力。在耕地后備資源有限、耕地質(zhì)量總體偏低的形勢(shì)下，不斷提升耕地質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略的基本保障和具體途徑，是農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的必然要求。深入研究和探討耕地質(zhì)量等別提升潛力，明確耕地質(zhì)量等別提升的重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域，是實(shí)施耕地質(zhì)量提升工程的基礎(chǔ)，對(duì)于推動(dòng)落實(shí)耕地占補(bǔ)平衡和促進(jìn)耕地保護(hù)具有重要意義。

近年來，提升耕地質(zhì)量是中國土地整治研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一[5-6]。當(dāng)前關(guān)于耕地質(zhì)量等別提升潛力的研究多直接以農(nóng)用地分等成果中的等別[7-8]或產(chǎn)能[9-11]為依據(jù)，利用區(qū)域內(nèi)耕地等別的最大值[12]為整治目標(biāo)進(jìn)行潛力測(cè)算，也有研究以理論產(chǎn)能和現(xiàn)狀產(chǎn)能之差[13]表示耕地質(zhì)量可提升潛力，此類研究值得借鑒和參考。然而，基于農(nóng)用地分等成果測(cè)算耕地質(zhì)量潛力，體現(xiàn)的是耕地質(zhì)量與最優(yōu)質(zhì)量之間的差別，忽略了耕地整治工程措施可改良的耕地質(zhì)量限制因素與分等因素的非銜接性，測(cè)算結(jié)果將高估耕地整治措施對(duì)潛力提升的能力。在可改良限制因子確定方面，當(dāng)前研究通常采用修正耕地質(zhì)量限制因子評(píng)價(jià)體系的方法[14-15]，重新評(píng)價(jià)土地整治實(shí)施前后的耕地質(zhì)量[16-17]，研究結(jié)果可量化土地整治對(duì)耕地質(zhì)量限制因子可改造程度[18]，但這類研究方法工作量較為繁雜且評(píng)價(jià)結(jié)果不具有全國可比性。在研究尺度方面，通常以區(qū)域土地整治項(xiàng)目為依托[19-20]，分析項(xiàng)目區(qū)影響耕地質(zhì)量提升的限制因子[21-22]，研究結(jié)果可以有針對(duì)性地提出相應(yīng)的土地整治方案[23-25]，遺憾的是目前缺少在不同尺度下對(duì)耕地質(zhì)量提升潛力的系統(tǒng)研究。鑒于此，突破以往土地整治可改良因子與農(nóng)用地分等因子不銜接的障礙，探索可通過土地整治工程提升的實(shí)際潛力，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村以及地塊不同空間尺度下，揭示耕地質(zhì)量可提升實(shí)際潛力的空間分布特征具有理論意義和實(shí)踐參考價(jià)值。

本文以遼寧省大石橋市為例，運(yùn)用指數(shù)提升潛力模型，結(jié)合土地整治可改良的農(nóng)用地分等因素，基于研究區(qū)耕地與坡耕地立地條件不同，分別選取耕地和坡耕地質(zhì)量可改良限制因子，以耕地質(zhì)量自然等、利用等和經(jīng)濟(jì)等指數(shù)理論值為目標(biāo)，測(cè)算提升理論潛力；以其實(shí)際最高值為目標(biāo)，測(cè)算提升實(shí)際潛力。以潛力為空間變量，從鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村級(jí)、地塊尺度分析大石橋市耕地質(zhì)量等別提升潛力的空間特征，為確定土地整治重點(diǎn)和實(shí)行差異化耕地保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

遼寧省大石橋市位于遼河平原最南端，屬遼東山地丘陵區(qū)，地跨122°07′～122°59′E，40°18′～40°56′N，境內(nèi)西部是遼河沖積平原，中部為平原和丘陵的緩沖地帶，東部以山地為主。全市土地總面積1 598 km2，共轄水源鎮(zhèn)、南樓街道、黃土嶺鎮(zhèn)等17個(gè)鎮(zhèn)級(jí)行政單元，258個(gè)村級(jí)行政單元。2017年，大石橋市總?cè)丝?9.5萬人。研究區(qū)主要種植作物類型為水稻和玉米，熟制為一年一熟。大石橋市耕地總面積占全市土地總面積的42.5%，其中坡耕地占耕地總面積的30.6%。大石橋市土壤類型以草甸土和水稻土為主，適宜農(nóng)用物生長(zhǎng)，耕地類型以旱地和水田為主，國家級(jí)耕地質(zhì)量各等別集中在9～12等，耕地質(zhì)量等別有待提升。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：大石橋市農(nóng)用地分等成果及省級(jí)匯總成果（圖件、數(shù)據(jù)庫、測(cè)算表格等）、大石橋市土地利用變更數(shù)據(jù)圖和行政區(qū)劃圖以及相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料。其中，大石橋市灌溉保證率、有效土層厚度、地形坡度等分等因素由農(nóng)用地分等成果獲得；大石橋市土地利用系數(shù)、土地經(jīng)濟(jì)系數(shù)、作物產(chǎn)量比系數(shù)、光溫生產(chǎn)力潛力指數(shù)、氣候生產(chǎn)潛力指數(shù)等從農(nóng)用地分等數(shù)據(jù)庫中提取。數(shù)據(jù)來源于遼寧省大石橋市2012年農(nóng)用地分等數(shù)據(jù)庫及補(bǔ)充完善成果。

1.2.2 可改良限制因子識(shí)別與獲取

根據(jù)《農(nóng)用地分等規(guī)程》（GB/T28407-2012），確定遼東山地丘陵地區(qū)耕地的評(píng)價(jià)因素為表層土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤pH值、灌溉保證率、鹽漬化程度、障礙層距地表深度、排水條件、灌溉水源和剖面構(gòu)型9種限制因子。遼東山地丘陵地區(qū)坡耕地的評(píng)價(jià)因素主要為有效土層厚度、表層土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤pH值、地形坡度、灌溉保證率和地表巖石露頭度7種限制因子。根據(jù)《土地整治項(xiàng)目驗(yàn)收規(guī)程（TD/T1013-2013）》，土地整治項(xiàng)目質(zhì)量驗(yàn)收內(nèi)容為有效土層厚度、鹽漬化程度、灌溉保證率、排水條件、土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)含量和表層土壤質(zhì)地7種因子。當(dāng)前土地整治對(duì)耕地質(zhì)量產(chǎn)生影響的工程為土地平整工程、灌溉與排水工程及其他工程中的土壤改良工程，除驗(yàn)收內(nèi)容外還可以有效地改良耕地質(zhì)量地形地貌條件內(nèi)地表巖石露頭度、地形坡度因子[26]?；诖?，本文耕地質(zhì)量可改造限制因子是指在一定的經(jīng)濟(jì)條件下，經(jīng)過土地整治工程的實(shí)施，其自然屬性能在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生正向改良的農(nóng)用地分等因子。

綜合考慮限制因子經(jīng)過土地整治后自然屬性能否發(fā)生正向突變、土源情況及客土的經(jīng)濟(jì)可行性、土壤性質(zhì)的特征響應(yīng)時(shí)間和改良耗時(shí)長(zhǎng)短等前提條件，最終識(shí)別出可改良因子為鹽漬化程度、灌溉保證率、地表巖石露頭度、排水條件、有效土層厚度、灌溉水源和地形坡度因子[27]。因此，本文選取耕地的可改良限制因子為灌溉保證率、灌溉水源、排水條件和鹽漬化程度，坡耕地的可改良限制因子為有效土層厚度、地形坡度、灌溉保證率和地表巖石露頭度。

1.2.3 作物生產(chǎn)潛力及因子參數(shù)獲取

依據(jù)《全國各省作物生產(chǎn)潛力指數(shù)速查表》，大石橋市水稻的光溫生產(chǎn)潛力指數(shù)為1 965，玉米的光溫生產(chǎn)潛力指數(shù)為2 862，玉米的氣候生產(chǎn)潛力指數(shù)為2 177。大石橋市屬于遼東山地丘陵區(qū)二級(jí)區(qū)，以玉米為基準(zhǔn)作物，其指定作物產(chǎn)量比系數(shù)為水稻1.25，玉米1.00。有灌溉設(shè)施的耕地采用光溫生產(chǎn)潛力，缺乏灌排保障設(shè)施的耕地采用氣候生產(chǎn)潛力。依據(jù)《農(nóng)用地質(zhì)量分等推薦因素及其分級(jí)、分值和權(quán)重》，匯總出大石橋市農(nóng)用地分等補(bǔ)充成果中指定作物的可改造限制因子指標(biāo)值、權(quán)重、級(jí)別和自然質(zhì)量分（表1）。

表1 大石橋市耕地和坡耕地可改良因子參數(shù)

1.3 研究方法

1.3.1 自然等指數(shù)提升潛力模型

自然等指數(shù)提升潛力模型是在農(nóng)用地自然質(zhì)量等指數(shù)計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，通過將評(píng)價(jià)單元耕地質(zhì)量等別指標(biāo)因素的滿分值或?qū)嶋H最高分值分別與其實(shí)際分值進(jìn)行比較，兩者之差為提升潛力指數(shù)，從而分別得到各指標(biāo)因素的理論潛力與實(shí)際潛力[28]。當(dāng)滿分值與實(shí)際最高分值一致時(shí)，該因素的自然等指數(shù)提升理論潛力和實(shí)際潛力在數(shù)值上保持一致。本文結(jié)合土地整治可改良的灌溉保證率、灌溉水源、排水條件、鹽漬化程度、有效土層厚度、地形坡度和地表巖石露頭度7種農(nóng)用地分等因素，通過加權(quán)計(jì)算以耕地或坡耕地為評(píng)價(jià)單元的土地整治潛力水平。自然等指數(shù)提升潛力模型的計(jì)算公式為

式中P為第個(gè)分等單元內(nèi)第個(gè)分等因素的自然等指數(shù)提升潛力，R為第個(gè)分等單元內(nèi)第個(gè)分等因素在該分等單元自然等指數(shù)的目標(biāo)貢獻(xiàn)值；r為第個(gè)分等單元內(nèi)第個(gè)分等因素在該分等單元自然等指數(shù)的實(shí)際貢獻(xiàn)值；w為第種指定作物的第個(gè)分等因素的權(quán)重；F為第個(gè)分等單元內(nèi)第種指定作物的第個(gè)分等因素的目標(biāo)質(zhì)量分值；f為第個(gè)分等單元內(nèi)第種指定作物第個(gè)分等因素的實(shí)際質(zhì)量分值；為第種作物的光溫（氣候）生產(chǎn)潛力指數(shù)；為第種作物的產(chǎn)量比系數(shù)；為分等因素編號(hào)。

1.3.2 利用等指數(shù)提升潛力模型

在自然等指數(shù)提升潛力計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合土地利用系數(shù)，得到利用等指數(shù)提升潛力模型。其計(jì)算方法與《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》中計(jì)算利用等指數(shù)原理相同，計(jì)算公式如下

式中P為第個(gè)分等單元內(nèi)第個(gè)分等因素的利用等指數(shù)提升潛力；k為分等單元所在等值區(qū)的第種指定作物的土地利用系數(shù)。

1.3.3 經(jīng)濟(jì)等指數(shù)提升潛力模型

在利用等指數(shù)提升潛力計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合土地經(jīng)濟(jì)系數(shù)，得到經(jīng)濟(jì)等指數(shù)提升潛力模型。其計(jì)算方法與《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》中計(jì)算經(jīng)濟(jì)等指數(shù)原理相同，計(jì)算公式如下

式中P為第個(gè)分等單元內(nèi)第個(gè)分等因素的經(jīng)濟(jì)等指數(shù)提升潛力；k為分等單元所在等值區(qū)的第種指定作物的土地經(jīng)濟(jì)系數(shù)。

1.3.4 耕地質(zhì)量等別提升潛力指數(shù)面積加權(quán)法

耕地質(zhì)量等別提升潛力和面積屬性是耕地重要的空間屬性。為探究縣域不同研究尺度對(duì)耕地質(zhì)量等別提升潛力的影響，本文采用自然等指數(shù)、利用等指數(shù)和經(jīng)濟(jì)等指數(shù)提升潛力分別與研究區(qū)（鎮(zhèn)、村）耕地面積進(jìn)行加權(quán)平均，以研究大石橋市耕地自然質(zhì)量、利用質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)質(zhì)量提升潛力的總體狀況及空間分異規(guī)律。耕地質(zhì)量等別提升潛力指數(shù)計(jì)算公式如下[29]

式中P為第個(gè)行政區(qū)（鎮(zhèn)、村）的省級(jí)平均耕地質(zhì)量（自然等、利用等、經(jīng)濟(jì)等）指數(shù)提升潛力；P為第個(gè)行政區(qū)（鎮(zhèn)、村）中第個(gè)耕地圖斑的（自然等、利用等、經(jīng)濟(jì)等）指數(shù)提升潛力；S為第個(gè)行政區(qū)（鎮(zhèn)、村）中第個(gè)耕地圖斑的面積，hm2。

1.3.5 局部空間自相關(guān)

本文的研究單元以行政村為主體，因此采用面鄰接關(guān)系。試驗(yàn)后采用Rook鄰接原則確定空間權(quán)重，若邊相鄰，則w=1；否則w=0。局部空間自相關(guān)可以測(cè)度耕地地塊單元空間分布的關(guān)聯(lián)特性。本文以大石橋市村級(jí)耕地質(zhì)量等別提升潛力為變量，進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析，結(jié)果采用耕地質(zhì)量提升潛力LISA（local indicators of spatial association）集聚圖分析集聚或離散的空間位置。耕地質(zhì)量等別提升潛力按HH（高－高）型、LL（低－低）型、HL（高－低）型、LH（低－高）型、非顯著型劃分為5種類型[30]。LISA統(tǒng)計(jì)量的Local Moran’s I指數(shù)范圍為[-1，1]，計(jì)算公式為

一般通過標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Z值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，確定對(duì)某一區(qū)域編號(hào)的區(qū)域確定是否存在空間相關(guān)性。Z值的計(jì)算公式為

式中Z為標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量的閾值；()為理論期望；()為理論方差。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地質(zhì)量等別提升潛力空間分布特征

大石橋市耕地等別采用等間距法進(jìn)行劃分，耕地省級(jí)自然等、利用等和經(jīng)濟(jì)等分別以150、100和100為等別間距。大石橋市耕地省級(jí)自然等、利用等、經(jīng)濟(jì)等理論潛力指數(shù)平均值分別為200.55、109.43、62.61，實(shí)際潛力指數(shù)平均值分別為171.93、87.84、51.87。其中黃土嶺鎮(zhèn)、建一鎮(zhèn)、青花街道、南樓街道內(nèi)耕地經(jīng)過土地整治可改造因子的理論潛力指數(shù)和實(shí)際潛力指數(shù)數(shù)值相同，說明該區(qū)域內(nèi)部分耕地的可改良因子在實(shí)際中最高級(jí)別等于理論目標(biāo)級(jí)別。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地平均土地利用系數(shù)范圍為0.41～0.77，平均土地經(jīng)濟(jì)系數(shù)范圍為0.48～0.77（表2）。

表2 大石橋市鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地質(zhì)量等別提升潛力值

耕地質(zhì)量自然等指數(shù)提升理論潛力和實(shí)際潛力空間分布為從東向西依次遞減。東部建一鎮(zhèn)、黃土嶺鎮(zhèn)和周家鎮(zhèn)提升潛力值相對(duì)較大，中部虎莊鎮(zhèn)、官屯鎮(zhèn)、湯池鎮(zhèn)等部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)次之，西部所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及中部所有街道相對(duì)較少。大石橋市西部地勢(shì)平坦，土質(zhì)肥沃，田塊集中連片；東部地形起伏較大，地塊分割破碎。因此，大石橋市西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)耕地宜優(yōu)先進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)，東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)坡耕地宜優(yōu)先建設(shè)土地整治工程提升耕地自然質(zhì)量。

大石橋市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均耕地利用系數(shù)在空間上呈現(xiàn)東低西高的特征，耕地質(zhì)量利用等指數(shù)提升理論潛力和實(shí)際潛力的空間分布上呈現(xiàn)從東向西依次遞減的趨勢(shì)。由于耕地基礎(chǔ)設(shè)施以平原建設(shè)為主，故耕地利用水平西部高于東部。因此，大石橋市運(yùn)用技術(shù)和管理措施，發(fā)揮土地整治效益，著重提高東部土地利用水平，并實(shí)行用養(yǎng)結(jié)合、防治水土流失方面措施，逐步提高中部土地利用水平。

大石橋市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均耕地經(jīng)濟(jì)系數(shù)在空間上呈現(xiàn)中部高，東西低的特征，耕地質(zhì)量經(jīng)濟(jì)等指數(shù)提升理論潛力和實(shí)際潛力在空間分布上呈現(xiàn)東高，中、西部低的趨勢(shì)。結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大石橋市中部地區(qū)為城鎮(zhèn)人口密集區(qū)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)迅速，交通發(fā)達(dá)，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)完善。高山和人口較少的平原區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)滯后，地形復(fù)雜，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施不足。因此，大石橋市應(yīng)提高東西部農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資金投入。

2.2 村級(jí)耕地質(zhì)量等別提升潛力空間分布特征

在ARCGIS10.3軟件中分別繪制耕地質(zhì)量自然等、利用等和經(jīng)濟(jì)等指數(shù)經(jīng)土地整治后提升理論潛力和實(shí)際潛力局部空間聚集圖。在95%的置信度下，分別統(tǒng)計(jì)村級(jí)行政區(qū)提升理論潛力和實(shí)際潛力聚集類型和數(shù)量占比。結(jié)果顯示，各類型分布圖占比80%以上的行政村未通過顯著型檢驗(yàn)，在空間上均呈隨機(jī)分布；其次為HH型（表3）。

表3 大石橋市耕地質(zhì)量指數(shù)提升潛力空間自相關(guān)類型與行政村個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)

注：H-H型為高-高型；H-L型為高-低型；L-H型為低-高型；L-L型為低-低型。下同。

Note: H-H type is High-High type; H-L type is High-Low type; L-H type is Low-High type; L-L type is Low-Low type. The same below.

2.2.1 村級(jí)耕地質(zhì)量等別提升理論潛力局部空間自相關(guān)結(jié)果

耕地質(zhì)量自然等指數(shù)提升理論潛力為HH、HL和非顯著型。HH型主要集中在東部區(qū)域，具體為建一鎮(zhèn)內(nèi)所有行政村、黃土嶺鎮(zhèn)除虎頭山村以外其他行政村、周家鎮(zhèn)內(nèi)東金寺村、湯家村、腰屯村、馮家堡村、張家村和宮屯鎮(zhèn)內(nèi)石硼峪村。HL型位于中部鋼都街道內(nèi)和平村。結(jié)合大石橋市實(shí)際地形地貌，東部以山地為主，耕地類型主要為旱地，自然條件較差，與局部空間集聚圖基本符合（圖1a）。

耕地質(zhì)量利用等指數(shù)提升理論潛力為HH、HL、LL和非顯著型。HH型集中分布在東部區(qū)域，主要為建一鎮(zhèn)、黃土嶺鎮(zhèn)除土坡村和虎頭山村以外行政村以及周家鎮(zhèn)三道嶺村、湯家村、東金寺村等部分行政村。HL型為南樓街道鞭桿村和鋼都街道內(nèi)和平村。LL型集中分布在中部區(qū)域，主要為金橋街道李屯村、東窯村、岳州村等、鋼都街道鋼都村和南樓街道后百村、徐家村、長(zhǎng)官村等。結(jié)合大石橋市實(shí)際社會(huì)效益，中部城鎮(zhèn)化水平較高，交通可達(dá)性、地勢(shì)平緩等優(yōu)勢(shì)促使耕地利用水平高，故LL型集中分布在中部區(qū)域。東部土地利用系數(shù)均處于中等水平，故總體呈現(xiàn)HH型，與局部空間集聚圖基本符合（圖1b）。

耕地質(zhì)量經(jīng)濟(jì)等指數(shù)提升理論潛力為HH、HL、LL和非顯著型。HH型集中分布在東部區(qū)域，主要為虎莊鎮(zhèn)虎莊村、建一鎮(zhèn)內(nèi)除板長(zhǎng)峪村的行政村、黃土嶺鎮(zhèn)除四道溝村、下仙峪村、湯而溝村、虎頭山村以外的行政村以及周家鎮(zhèn)青石嶺村、湯家村、車家村等部分行政村。HL型為鋼都街道鋼都村和南樓街道和平村。LL型集中分布在中部區(qū)域，主要為金橋街道金屯村、李屯村、黃大村和南樓街道的陳家村、張官村、高莊村等部分行政村。結(jié)合大石橋市經(jīng)濟(jì)投入情況，中部行政村地形起伏相對(duì)較低，人口分布密集，道路交通網(wǎng)可達(dá)性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出率較高。東部行政村地勢(shì)起伏較大，道路交通網(wǎng)相對(duì)稀疏，西部行政村地勢(shì)平緩，但人口較為稀疏，東西部耕地的投入產(chǎn)出率相對(duì)較低，與局部空間集聚圖基本符合（圖1c）。

圖1 大石橋市耕地質(zhì)量省級(jí)等指數(shù)提升理論潛力局部空間聚集分布

2.2.2 村級(jí)耕地質(zhì)量等別提升實(shí)際潛力局部空間自相關(guān)結(jié)果

耕地質(zhì)量自然等指數(shù)提升實(shí)際潛力為HH、非顯著型。HH型主要集中在東部地區(qū)，主要為建一鎮(zhèn)內(nèi)各行政村、黃土嶺鎮(zhèn)除土坡村和虎頭山村以外的行政村以及周家鎮(zhèn)東部的部分村莊湯家村、馮家堡村、腰屯村、東金寺村、張家村。位于大石橋市中部偏東的官屯鎮(zhèn)石硼峪村和大嶺村也為HH型。以大石橋市耕地質(zhì)量自然等指數(shù)提升實(shí)際潛力為整治目標(biāo)，東部區(qū)域HH型行政村耕地自然條件水平較低且聚集分布，應(yīng)進(jìn)行土地整治項(xiàng)目，如配置專業(yè)化大型深松破土裝備、鋪設(shè)暗管排灌水道、修建和完善農(nóng)田水利設(shè)施等（圖2a）。

耕地質(zhì)量利用等指數(shù)提升實(shí)際潛力為HH、HL、LL和非顯著型。HH型主要分布在東部地區(qū)建一鎮(zhèn)內(nèi)各行政村、黃土嶺鎮(zhèn)除土坡村和虎頭山村以外的行政村以及周家鎮(zhèn)內(nèi)臨近鎮(zhèn)界的部分村莊如青石嶺村、湯家村、猞猁村等。中部行政村HH型為官屯鎮(zhèn)內(nèi)石硼峪村。HL型行政村分布在中部地區(qū)鋼都街道內(nèi)和平村。LL型行政村分布在北部旗口鎮(zhèn)二道村。耕地利用等指數(shù)提升實(shí)際潛力高值集聚的地區(qū)，應(yīng)作為提升土地利用水平的重點(diǎn)區(qū)域（圖2b）。

耕地質(zhì)量經(jīng)濟(jì)等指數(shù)提升實(shí)際潛力為HH、HL、LL和非顯著型。HH型集中分布在東部地區(qū)，建一鎮(zhèn)內(nèi)除板長(zhǎng)峪村以外的行政村、黃土嶺鎮(zhèn)內(nèi)除湯而溝村、下仙峪村、虎頭山村以外的行政村以及周家鎮(zhèn)內(nèi)除戴家村、馮家堡村、于家村、大金寺村、東金寺村以外的行政村。中部地區(qū)虎莊鎮(zhèn)內(nèi)虎莊社區(qū)以及官屯鎮(zhèn)石硼峪村也為HH型。HL型分布在鋼都街道內(nèi)和平村。LL型分布在旗口鎮(zhèn)的二道村。耕地經(jīng)濟(jì)等指數(shù)提升實(shí)際潛力高值聚集區(qū)域宜增加耕作投入成本，調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)。同時(shí)旗口鎮(zhèn)內(nèi)二道村為L(zhǎng)L型低值聚集，應(yīng)作為耕地重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域（圖2c）。

圖2 大石橋市耕地質(zhì)量省級(jí)等指數(shù)提升實(shí)際潛力局部空間集聚分布

2.3 地塊耕地質(zhì)量等別提升潛力空間分布特征

2.3.1 坡耕地地塊可改良因子提升預(yù)評(píng)價(jià)

大石橋市坡耕地有效土層厚度實(shí)際有1、2、3、4和5級(jí)，其中第1級(jí)的地塊面積占比為37.0%，分布較為分散。坡耕地地形坡度實(shí)際有1、2、3、4和5級(jí)，其中第1級(jí)的地塊面積占比為26.9%，集中在中部區(qū)域，其余等級(jí)地塊主要集中在東部區(qū)域。坡耕地灌溉保證率實(shí)際有1、2和3級(jí)，其中第2和3級(jí)的地塊面積占比超過半數(shù)，主要集中在中部和東部區(qū)域。坡耕地地表巖石露頭度實(shí)際有1和2級(jí)，其中第2級(jí)的地塊面積占比小，為3.2%，零碎地分布在東部。提升有效土層厚度和地形坡度因子等級(jí)的自然等提升潛力大于提升灌溉保證率因子等級(jí)的自然等提升潛力。因此，大石橋市坡耕地應(yīng)以有效土層厚度和地形坡度改造為主，灌溉保證率次之（表4）。

表4 大石橋市坡耕地可改良限制因子分級(jí)方法、面積占比、提升方案與自然等提升潛力

土地平整工程主要包括耕作田塊修筑工程和耕作地力保持工程。對(duì)于坡度較小地區(qū)，耕作田塊修筑工程可以按照農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的需求，將田塊的大小、形狀、規(guī)格和平整度進(jìn)行調(diào)整；對(duì)于坡度較大地區(qū)，耕作田塊修筑工程可以進(jìn)行梯田化建設(shè)，將丘陵區(qū)水平梯田率達(dá)到一定規(guī)模。對(duì)于耕作層較薄的田塊，耕作地力保持工程可以選擇就地深耕松土、下層松動(dòng)爆破或客土等措施增加作物生長(zhǎng)可使用的土層厚度。因此，選用土地平整工程作為大石橋市東部坡耕地的土地整治項(xiàng)目。

2.3.2 耕地地塊可改良因素提升預(yù)評(píng)價(jià)

大石橋市耕地灌溉保證率實(shí)際有1、2和3級(jí)，其中第2、3級(jí)的地塊面積占比為10.2%，主要分布在中部地區(qū)。耕地鹽漬化程度實(shí)際有1、2、3和4級(jí)，其中第1級(jí)的地塊面積占比為25.4%，且分布較為零散。耕地排水條件實(shí)際有2和3級(jí)，其中第3級(jí)的地塊面積占比為17.4%，主要分布在中部區(qū)域。由于實(shí)際排水條件缺乏第1級(jí)，因此以水稻為標(biāo)準(zhǔn)作物的地塊將排水條件因子第2級(jí)提升至第1級(jí)的理論潛力為61.406，第3級(jí)提升至第1級(jí)的理論潛力為184.219，第3級(jí)提升至第2級(jí)的實(shí)際潛力為122.813；以玉米為標(biāo)準(zhǔn)作物的地塊，將排水條件因子第2級(jí)提升至第1級(jí)的理論潛力為54.425，第3級(jí)提升至第1級(jí)的理論潛力為163.275，第3級(jí)提升至第2級(jí)的實(shí)際潛力為108.85。耕地灌溉水源均為第1級(jí)。因此，大石橋市耕地應(yīng)以鹽漬化程度和排水條件改造為主，灌溉保證率次之（表5）。

灌溉與排水工程包括水源工程、輸水工程、噴灌工程、排水工程、渠系建筑物工程和泵站。其中排水工程包括排水溝工程、暗管（溝）排水工程等，排除多余的地面水和過多的土壤水分，控制地下水位，與渠系建筑物配套使用，可以提高灌溉保證率、排水條件，控制土壤的鹽漬化條件。因此，選用灌溉與排水工程作為大石橋市中部耕地的土地整治項(xiàng)目。

表5 大石橋市耕地可改良限制因子分級(jí)方法、面積占比、提升方案與自然等提升潛力

3 結(jié)論與討論

本研究從土地整治工程改造耕地限制因子角度出發(fā)，構(gòu)建耕地質(zhì)量可提升理論潛力和實(shí)際潛力的測(cè)算模型，從鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村級(jí)、地塊尺度分析耕地質(zhì)量自然等、利用等和經(jīng)濟(jì)等指數(shù)可提升理論潛力和實(shí)際潛力的空間格局和分布特征，得到以下結(jié)論：

1）本研究潛力測(cè)算是在農(nóng)用地分等成果基礎(chǔ)上，結(jié)合土地整治工程對(duì)耕地質(zhì)量限制因子的影響，識(shí)別出土地整治可改造的農(nóng)用地分等因子，依據(jù)可改良因子現(xiàn)實(shí)級(jí)別提升幅度，可以預(yù)估耕地質(zhì)量提升理論和實(shí)際潛力。

2）以大石橋市為例開展模型的實(shí)證研究，大石橋市耕地質(zhì)量自然等、利用等、經(jīng)濟(jì)等提升理論和實(shí)際潛力在空間上均呈現(xiàn)東高西低，依次遞減的特征。東部坡耕地主要限制因子為有效土層厚度和地形坡度，中部耕地主要限制因子為鹽漬化程度和排水條件。

3）本研究構(gòu)建的耕地質(zhì)量等別提升理論和實(shí)際潛力模型，既可以體現(xiàn)耕地質(zhì)量提升的可能性，又可以體現(xiàn)耕地質(zhì)量提升的實(shí)際性，為土地整治規(guī)劃提供技術(shù)參考，具有一定的理論和實(shí)際指導(dǎo)意義。

本研究篩選耕地可改良因子是依據(jù)實(shí)施土地整治主要工程后自然屬性在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生正向變化，未考慮改良耗時(shí)久且難度大的土壤有機(jī)質(zhì)、土壤pH值和特征響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的表層土壤質(zhì)地、剖面構(gòu)型、障礙層距地表深度對(duì)耕地質(zhì)量提升潛力測(cè)算的影響，需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)一步增強(qiáng)耕地質(zhì)量提升目標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性。

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Potential of cultivated land quality grade improving promoted by improvable limiting factors

Song Ge, Liu Yanni, Zhang Wenqi, Wang Sizhuo

(,110169,)

It is important to calculate the theoretical and realistic potential of cultivated land quality and protect cultivated land. Land consolidation is an effective way to promote quality of cultivated land by improving limiting factors. To definite the role of land consolidation in arable land quality grade, choosing some agricultural land grading factors which land consolidation can improve in time and positively is principle. Setting the theoretical top and realistic top score of different crop classification factors as targets respectively, calculating theoretical and realistic potential of cultivated land by the potential index model of the agriculture land natural quality grade is basic. Making realistic potential of cultivated land as the aim of land consolidation project would be more scientific and objective. The utilized grades could be calculated based on the natural grade by ability coefficient of land use. The economic grades could be calculated based on the utilized grades by land economic coefficient. According to the distribution of theoretical and realistic potential of natural, utilized and economic grades from townships, villages and plots, land projection project can be planned, designed and arranged in advance. The first step is to determine the improvable limiting indexes of agricultural land classification. Dashiqiao county of Liaoning province was taken as the study area based on the complement of arable grade in 2012. The study area has arable land and slope arable land which have respective improvable limiting indexes. Arable land has thickness of soil layer, terrain slop, irrigation guarantee ratio and degree of surface rock outcrop. While slope arable land has irrigation guarantee ratio, degree of salinity, drainage conditions and irrigation water source. Afterwards, we calculated the improvable theoretical and realistic degree of each selected indexes by land consolidation project based on plot respectively. Then utilized and economic grades would be calculated later. Finally with the area weighing method to summarize the results into villages and townships, we analyzed the character of theoretical and realistic potential of arable land on different scales. In villages scale we used local spatial auto-correlation method specially. The results showed that 1) Under the township scale, the theoretical and realistic potential of cultivated land quality improvement was obvious, showing high in the east and low in the west, decreasing in turn; 2) At the village level, the potential of cultivated land quality in eastern was High-High type and concentrated, in the middle was Low-Low type and distributed separately with small area, and in the west was random distribution; 3) Under the plot scale, potential of arable land quality had great promotion in eastern and middle of research area. Thickness of soil layer and terrain slope of eastern slope farmland should be improved by implementing land leveling project. Degree of salinity and drainage condition of middle farmland could be promoted by irrigation and drainage works. In conclusion, theoretical and realistic potential of arable land of research area have significant distinctions on different scales obviously, which provides the basis and technological support for developing a key cultivated land consolidation project and demarcating the boundaries of protection of cultivated land.

land consolidation; grading;potential; quality of cultivated land; limiting factors; multi-scale

2019-01-28

2019-03-31

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41571165，41071346）；遼寧省自然資源科技創(chuàng)新項(xiàng)目（19LNZRZY28）

宋 戈，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥恋刭Y源利用與管理。Email：songgelaoshi@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.033

F301.21

A

1002-6819(2019)-14-0261-09

宋 戈，劉燕妮，張文琦，王思琢. 基于可改良限制因子的耕地質(zhì)量等別提升潛力研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(14)：261－269. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.033 http://www.tcsae.org

Song Ge, Liu Yanni, Zhang Wenqi, Wang Sizhuo. Potential of cultivated land quality grade improving promoted by improvable limiting factors[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 261－269. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.033 http://www.tcsae.org