基于LESA綜合評(píng)價(jià)模型的耕地質(zhì)量定級(jí)方法

李卓倩, 趙賢妤, 張莉坤, 吳 天, 孟慶香

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 鄭州 450000; 2.河南省土地整治與生態(tài)重建工程技術(shù)研究中心, 鄭州 450000)

耕地是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，而精確評(píng)價(jià)耕地質(zhì)量是科學(xué)保護(hù)和管理耕地的必要前提。目前，我國(guó)主要采用農(nóng)用地分等體系對(duì)耕地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。但隨著高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)工作的推進(jìn)，當(dāng)前的農(nóng)用地分等體系已不能很好滿足國(guó)家對(duì)耕地統(tǒng)一管理的需要，耕地質(zhì)量定級(jí)的作用則更為突出。耕地定級(jí)是在行政區(qū)(省、縣)范圍內(nèi)，依據(jù)耕地的自然屬性和經(jīng)濟(jì)屬性，對(duì)耕地質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)定，劃分出耕地級(jí)別[1-2]。目前《農(nóng)用地定級(jí)規(guī)程》中規(guī)定的定級(jí)方法有因素法、修正法和樣地法[3-5]，因素法是耕地定級(jí)中常用的方法。但耕地定級(jí)不是在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行，且各地區(qū)選取指標(biāo)因素也并非完全一致，因此規(guī)程法所得到的定級(jí)成果僅在該區(qū)域范圍內(nèi)具有可比性，逐漸無(wú)法滿足跨區(qū)域占補(bǔ)平衡等工作的需求。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者對(duì)耕地定級(jí)提供了新的研究思路和方法：王京濤[6]通過(guò)采用GIS空間分析法，構(gòu)建定級(jí)指數(shù)地價(jià)模型，探索性分析農(nóng)用地樣點(diǎn)地價(jià)；衛(wèi)新東等[1]有效地將因素法和修正法兩種方法進(jìn)行綜合，確定農(nóng)用地級(jí)別；金東海等[7]選用兩層七參數(shù)法，在農(nóng)用地分等成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行農(nóng)用地定級(jí)研究。但隨著跨地區(qū)耕地占補(bǔ)平衡和高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)等工作的持續(xù)推動(dòng)，規(guī)程定級(jí)方法因各區(qū)域之間指標(biāo)選擇的差別及工程指標(biāo)因素欠缺，存在著跨區(qū)域耕地質(zhì)量可比性差及對(duì)土地工程實(shí)施帶來(lái)的提效升級(jí)反映不夠靈敏等問(wèn)題。

19世紀(jì)80年代，美國(guó)土壤保持局首次構(gòu)建土地評(píng)價(jià)與立地條件分析(land evaluation and site assessment，LESA)體系[8-10]。該綜合評(píng)價(jià)體系包括兩個(gè)子系統(tǒng)：土地評(píng)價(jià)(land evaluation，LE)子體系，主要反映耕地自然質(zhì)量水平的高低；立地分析(site assessment，SA)子體系，主要是反映耕地自身?xiàng)l件以外其他的自然屬性和社會(huì)屬性[11]。LESA評(píng)價(jià)體系通過(guò)對(duì)耕地質(zhì)量和立地條件的綜合評(píng)價(jià)分析，更有利于精確評(píng)定耕地質(zhì)量，有效保護(hù)耕地，提高耕地利用效率和可持續(xù)生產(chǎn)能力。本文選取河南省固始縣為研究對(duì)象，以LESA綜合評(píng)價(jià)模型為理論指導(dǎo)，構(gòu)建研究體系，對(duì)農(nóng)用地定級(jí)的理論條件與技術(shù)方法進(jìn)行綜合探討。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

固始縣位于河南省東南部，大別山與淮河之間。地理坐標(biāo)約為東經(jīng)115°24′—115°55′，北緯31°46′—32°35′，屬于亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡帶，四季分明，雨熱同期。固始縣地形復(fù)雜，整體地勢(shì)為西南高東北低，地貌由南向北依次為低山、丘陵、壟崗、平原和洼地。區(qū)域范圍內(nèi)主要有水稻土、黃棕壤、潮土、砂姜黑土4個(gè)土類，11個(gè)亞類，25個(gè)土屬，103個(gè)土種。2017年全縣土地總面積為294 297.16 hm2，其中耕地約156 296.66 hm2，占全縣土地總面積的53.11%。

固始縣于2012年完成耕地質(zhì)量等級(jí)成果補(bǔ)充完善工作。2017年度固始縣耕地等別年度更新成果中，全縣耕地國(guó)家自然等主要為6等，國(guó)家利用等主要為7等，國(guó)家經(jīng)濟(jì)等主要為6等，說(shuō)明該區(qū)域耕地自然質(zhì)量條件尚可，但整體上利用水平較低，耕地所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益較為一般。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于固始縣2017年度土地利用變更調(diào)查成果、固始縣2017年度縣級(jí)耕地質(zhì)量等別更新成果、2017年固始縣統(tǒng)計(jì)年鑒。

2 研究思路和方法

2.1 研究思路

本文以LESA綜合評(píng)價(jià)模型為理論指導(dǎo)，構(gòu)建耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)子體系(LE)和立地條件評(píng)價(jià)子體系(SA)。LE體系依據(jù)農(nóng)用地分等成果要素和耕地地力評(píng)價(jià)要素指標(biāo)選取構(gòu)建，主要反映耕地自然質(zhì)量水平的高低；SA體系由工程指標(biāo)、基礎(chǔ)設(shè)施指標(biāo)等選取構(gòu)成，主要體現(xiàn)土地整治和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)等耕地質(zhì)量改造項(xiàng)目對(duì)耕地的影響。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展耕地質(zhì)量定級(jí)方法研究，綜合探討分析耕地質(zhì)量的空間差異情況。

2.2 研究方法

2.2.1 評(píng)價(jià)單元 評(píng)價(jià)單元是自然屬性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性相對(duì)一致的獨(dú)立耕地，其劃分能夠直觀反映出耕地在質(zhì)量和立地條件等方面的空間差異性[12-13]。本文根據(jù)確立的研究方法及獲取的數(shù)據(jù)資料，結(jié)合固始縣農(nóng)用地分等成果，得到評(píng)價(jià)單元64 390個(gè)。

2.2.2 LESA體系的構(gòu)建 本研究借鑒LESA體系的特點(diǎn)，以綜合屬性特征來(lái)評(píng)價(jià)耕地級(jí)別[14]。該體系由LE子體系和SA子體系兩部分組成，在全面規(guī)范可持續(xù)的原則下，選取耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)和立地條件評(píng)價(jià)指標(biāo)[15]。依據(jù)研究目的及選取研究區(qū)域的實(shí)際情況，本文中構(gòu)建的LE體系包括土壤物理要素指標(biāo)、化學(xué)要素指標(biāo)和環(huán)境要素指標(biāo)，SA體系由基礎(chǔ)設(shè)施條件指標(biāo)、耕作便利條件指標(biāo)和土地利用狀況指標(biāo)、土壤培肥指標(biāo)構(gòu)成。

2.2.3 評(píng)價(jià)因素作用分值計(jì)算 (1) 耕地自然質(zhì)量條件評(píng)價(jià)(LE)因子作用分值計(jì)算。耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)因子包括表層土壤質(zhì)地、土壤酸堿度、地形坡度等指標(biāo)，定性定量綜合評(píng)定耕地自然質(zhì)量。依據(jù)層次分析法、專家打分法確定各評(píng)價(jià)因子權(quán)重。LE評(píng)價(jià)體系中各評(píng)價(jià)因子的等級(jí)及作用分值見(jiàn)表1。

表1 耕地自然質(zhì)量條件評(píng)價(jià)因素因子

(2) 耕地立地條件評(píng)價(jià)(SA)因素作用分值計(jì)算。耕地的基礎(chǔ)設(shè)施條件、田塊狀況和土地培肥狀況越好，生產(chǎn)效率就越高，耕地區(qū)位條件就越優(yōu)。SA評(píng)價(jià)體系中，評(píng)價(jià)因子屬性不同，其作用分賦值方法不同。通過(guò)線性衰減模型計(jì)算道路通達(dá)度、耕作距離等擴(kuò)散性因子作用分值；其他因子則根據(jù)實(shí)際情況將數(shù)據(jù)劃分到不同等級(jí)范圍內(nèi)，再根據(jù)其影響水平的高低對(duì)各個(gè)等級(jí)賦予相應(yīng)的作用分值[16-17]。具體評(píng)價(jià)指標(biāo)因子及權(quán)重詳見(jiàn)表2。

表2 耕地立地條件評(píng)價(jià)因素因子及權(quán)重

2.3 LESA綜合評(píng)價(jià)模型

目前耕地定級(jí)研究中較多選用多因素綜合評(píng)價(jià)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、GIS網(wǎng)絡(luò)分析法和主層次分析法等[18]。本文選用多因素綜合評(píng)價(jià)法，選取多種指標(biāo)因素構(gòu)建LESA綜合評(píng)價(jià)模型，計(jì)算公式如下。

(1)

(2)

LESA=a×LE+b×SA

(3)

a+b=1

(4)

式中：LE為耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)分值；Wij為耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)過(guò)程中第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j個(gè)評(píng)價(jià)因素的權(quán)重；Uij為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j個(gè)評(píng)價(jià)因素的作用分值；SA為耕地立地條件評(píng)價(jià)分值；Hij為耕地立地條件評(píng)價(jià)過(guò)程中第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j個(gè)評(píng)價(jià)因素的權(quán)重；Fij為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j個(gè)評(píng)價(jià)因素的作用分值；LESA為耕地評(píng)價(jià)單元綜合分值；a，b分別為L(zhǎng)E分值和SA分值所占的權(quán)重值[19]。

LESA綜合評(píng)價(jià)模型的靈活性使其服務(wù)于不同的管理目標(biāo)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整和確定LE和SA的比例關(guān)系[20-23]。固始縣為河南省糧食主產(chǎn)區(qū)，因此耕地自然因素條件對(duì)耕地級(jí)別的影響更大，a∶b值確定為3∶2。

3 結(jié)果與分析

3.1 固始縣耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)公式(1)計(jì)算固始縣各評(píng)價(jià)單元的自然質(zhì)量分值，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表3)。從表3中可以看出，固始縣耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的LE分值介于45～94分之間加權(quán)平均值為87分，且LE分值介于81～90分和91～94分區(qū)間占全部耕地面積的比重達(dá)到94.85%，5.15%的耕地自然質(zhì)量分值低于80分，這從一定程度上表明固始縣耕地整體自然質(zhì)量較優(yōu)，利于耕種產(chǎn)糧。

表3 耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)情況統(tǒng)計(jì)

從LE分值的空間分布來(lái)看，固始縣的耕地自然質(zhì)量整體較優(yōu)越。LE分值介于81～94分的耕地，主要位于固始縣的北部淺丘區(qū)、西部丘陵壟崗區(qū)和東部平原區(qū)，分值介于40～60分和61～80分區(qū)間的耕地主要位于固始縣的南部低山丘陵區(qū)，說(shuō)明耕地自然質(zhì)量的差異性主要受地形坡度影響。LE分值較高的耕地表層土壤質(zhì)地多為壤土和黏土，土壤有機(jī)質(zhì)含量高，整體質(zhì)量條件較優(yōu)(圖1A)。

3.2 固始縣立地條件評(píng)價(jià)

根據(jù)公式(2)計(jì)算固始縣立地條件評(píng)價(jià)分值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。51～60分和61～68分區(qū)間的耕地面積約占總耕地面積90.17%，說(shuō)明固始縣耕地整體生產(chǎn)效率較高，區(qū)位條件較優(yōu)越。

從圖1B的SA分值空間分布來(lái)看，分值較低的區(qū)域多分布在南部低山丘陵區(qū)，主要是受到地形地貌的影響導(dǎo)致地塊形狀不規(guī)則、集中連片度低、不利于機(jī)械作業(yè)等。西北部也分布著一部分分值較低的耕地，這些耕地多為零星分布于城鎮(zhèn)中的菜地，因其面積較小，灌排水設(shè)施不完善，無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械作業(yè)等得到SA分值較低。

表4 耕地立地條件評(píng)價(jià)情況統(tǒng)計(jì)

3.3 固始縣耕地質(zhì)量定級(jí)結(jié)果與分析

由圖1C可知，北部、中部和東部的平原區(qū)、淺丘區(qū)耕地質(zhì)量級(jí)別較高，西部丘陵區(qū)耕地質(zhì)量級(jí)別一般，南部山區(qū)耕地質(zhì)量最差。表明基于LESA綜合評(píng)價(jià)模型所確定的固始縣耕地質(zhì)量級(jí)別在分布上與自然質(zhì)量條件明顯相關(guān)，該定級(jí)方法能夠有效分析耕地質(zhì)量空間分布規(guī)律。

圖1 固始縣耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)(LE，SA)分值及級(jí)別空間分布

據(jù)公式(3)計(jì)算結(jié)果表明固始縣分值介于44～79分之間，加權(quán)平均值為73分，級(jí)別間距為150。在自然質(zhì)量方面，級(jí)別為9—13的耕地表層土壤質(zhì)地多為黏土或砂質(zhì)土，有效土層厚度大，土壤有機(jī)質(zhì)含量及地形坡度等條件較適宜，整體自然質(zhì)量水平較優(yōu)；耕地立地條件方面，級(jí)別較高的耕地一般分布離城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)，地塊形狀規(guī)則、平整度及集中連片度高，臨近有交通主干道，利于機(jī)械作業(yè)。級(jí)別為6—8的耕地中，一部分耕地的土壤物理因素、化學(xué)因素及環(huán)境因素等各項(xiàng)指標(biāo)分值較低，整體自然條件較差，多屬于坡耕地；或者是在立地條件方面，一部分耕地為分布在城鎮(zhèn)周邊或以內(nèi)的零碎菜地和水澆地，處于多農(nóng)戶種植經(jīng)營(yíng)狀態(tài)，耕作便利度低，無(wú)機(jī)械作業(yè)條件，利用效率低下。

3.4 固始縣耕地級(jí)別驗(yàn)證

為了確保該評(píng)價(jià)方法劃分出土地級(jí)別的合理性，需要驗(yàn)證其結(jié)果是否符合實(shí)際情況。考慮到耕地糧食生產(chǎn)能力是其質(zhì)量水平的直接體現(xiàn)，選擇分析定級(jí)級(jí)別與調(diào)查樣點(diǎn)中小麥、水稻單產(chǎn)的關(guān)系，以對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證方法主要是將級(jí)別和調(diào)查樣點(diǎn)單產(chǎn)進(jìn)行對(duì)比，以揭示二者的聯(lián)系。由圖2可知，耕地質(zhì)量級(jí)別與小麥和水稻的單產(chǎn)產(chǎn)量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，耕地級(jí)別越高，糧食產(chǎn)量越高，表明定級(jí)評(píng)價(jià)成果能夠全面反映固始縣耕地質(zhì)量差異性。

由表5可以看出，原分等成果計(jì)算的全縣總產(chǎn)能為174.79萬(wàn)t，用定級(jí)成果計(jì)算的全縣總產(chǎn)能為174.67萬(wàn)t，二者數(shù)值較接近。說(shuō)明產(chǎn)量和定級(jí)指數(shù)的關(guān)系較為密切，也表明級(jí)別能較好地反映耕地產(chǎn)能的實(shí)際情況。

圖2 調(diào)查樣點(diǎn)產(chǎn)量與定級(jí)成果對(duì)比

表5 定級(jí)成果全縣總產(chǎn)能

4 討論與結(jié)論

(1) 本研究在固始縣耕地分等成果的基礎(chǔ)上，以LESA綜合評(píng)價(jià)模型為指導(dǎo)，從自然質(zhì)量和立地條件兩方面對(duì)耕地進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，劃分耕地級(jí)別，并以耕地的糧食產(chǎn)能情況為依據(jù)對(duì)級(jí)別劃分成果進(jìn)行驗(yàn)證，證明該成果可較好地顯化耕地糧食生產(chǎn)水平。本研究中所選取的耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)、調(diào)查樣點(diǎn)中小麥水稻單產(chǎn)數(shù)據(jù)等均來(lái)源于固始縣耕地分等成果，立地條件因素選取主要考慮了工程條件、田塊狀況、生產(chǎn)效率、土壤培肥和區(qū)位條件5個(gè)主要因素。因此建立的LESA綜合評(píng)價(jià)模型在繼承并轉(zhuǎn)化應(yīng)用固始縣耕地分等成果的基礎(chǔ)上，又通過(guò)工程指標(biāo)的選取在級(jí)別劃分上體現(xiàn)了高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、土地整治等工程成效，打破了原有規(guī)程定級(jí)方法僅在縣域內(nèi)可比的局限，更有利于永久基本農(nóng)田劃定、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、耕地占補(bǔ)平衡考核、土地整治成效分析等工作的推進(jìn)，同時(shí)為耕地定級(jí)方法創(chuàng)新研究提供思路。

(2) 結(jié)合已有的耕地質(zhì)量定級(jí)研究成果來(lái)看，定級(jí)指標(biāo)因素的選擇及其權(quán)重的確定對(duì)最終定級(jí)成果有較大影響，地形地貌的不同會(huì)導(dǎo)致指標(biāo)選擇的差異性[24]，本研究?jī)H以固始縣為代表進(jìn)行探討，研究方法對(duì)其他地形是否適用尚未進(jìn)行驗(yàn)證；同時(shí)，本研究對(duì)耕地級(jí)別與耕地等別之間的關(guān)系討論較少，如何在延續(xù)耕地分等成果的基礎(chǔ)上對(duì)耕地級(jí)別進(jìn)行劃分并且提高耕地質(zhì)量評(píng)定的精確性還需進(jìn)一步研究；此外，采用LESA綜合評(píng)價(jià)模型劃分耕地級(jí)別的過(guò)程中僅考慮了其自然質(zhì)量、區(qū)位條件等因素，對(duì)耕地的景觀價(jià)值、文化價(jià)值等考慮不足，在后續(xù)的研究過(guò)程中應(yīng)進(jìn)一步完善評(píng)價(jià)體系，更加科學(xué)管理耕地。