基于綜合評價模型的區(qū)域耕地質(zhì)量評價與空間集聚研究

陳逸飛 施曉輝 朱春成 王曉瑞

摘要從耕地質(zhì)量的綜合性、生產(chǎn)性、生態(tài)性出發(fā)，界定了耕地質(zhì)量包括自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量、綠色質(zhì)量3個層次的內(nèi)涵，建立了耕地質(zhì)量評價的綜合模型。通過土壤樣品采集與外業(yè)調(diào)查獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)用綜合評價模型評價區(qū)域耕地質(zhì)量，并研究耕地質(zhì)量的數(shù)量及空間分布規(guī)律。結(jié)果顯示，研究區(qū)自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量、綠色質(zhì)量、綜合質(zhì)量分別平均為2.6級、2.4級、2.3級、3.3級，較好地反映了區(qū)域自然條件水平、生產(chǎn)能力水平、作物質(zhì)量水平;評價結(jié)果空間集聚特征明顯，綠色質(zhì)量高等級地主要集聚于西部地區(qū)，自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量、綜合質(zhì)量高等級耕地主要集聚于東南部地區(qū)，各層次的耕地質(zhì)量可為區(qū)域耕地保護(hù)、糧食安全保障及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞耕地質(zhì)量;空間集聚;綜合評價模型;江蘇省東?？h

中圖分類號F301.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611（2020）15-0078-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.023

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Evaluation of Farmland Quality and Spatial Variation Based on Comprehensive Evaluation Model—Taking Donghai County， Jiangsu Province as an Example

CHEN Yifei1，SHI Xiaohui2，ZHU Chuncheng2 et al

（1.Yangzhou University，Yanzhou，Jiangsu 225000;2.Boyuan Planning and Design Group Co.， Ltd.，Nanjing，Jiangsu 210004）

AbstractBased on the comprehensiveness， productivity and ecology of farmland quality， the connotation of farmland quality including natural quality， production quality and green quality was defined， and a comprehensive evaluation model of farmland quality evaluation was established.Relevant data were obtained through soil sample collection and field surveys， a comprehensive evaluation model was used to evaluate regional farmland quality， and the quantity and spatial distribution of farmland quality were studied.The results showed that the natural quality， production quality， green quality and comprehensive quality of the study area averaged 2.6， 2.4， 2.3， and 3.3， respectively， which reflected the average grades of regional natural conditions， productivity and crop quality.The spatial aggregation characteristics of the evaluation results were obvious.The highquality green quality land was mainly concentrated in the western region， and the highquality farmland of natural quality， production quality and comprehensive quality was mainly concentrated in the southeast region.Different levels of farmland quality can provide a scientific basis of regional farmland protection， food safety and sustainable agricultural development.

Key wordsFarmland quality;Spatial cluster;Comprehensive evaluation model;Donghai County of Jiangsu Province

作者簡介陳逸飛（1999—），男，江蘇鹽城人，從事水利工程研究。

收稿日期2019-12-26

耕地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基本的資源，是人們獲取糧食及其他農(nóng)產(chǎn)品不可替代的生產(chǎn)資料，安全、肥沃、協(xié)調(diào)的耕地是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人地矛盾日益突出，耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)問題日益嚴(yán)峻，給生態(tài)環(huán)境、食品安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)帶來了巨大的壓力，切實(shí)保護(hù)耕地對提高耕地綜合生產(chǎn)能力、保障糧食安全有重大意義，而耕地質(zhì)量評價是耕地保護(hù)的基礎(chǔ)[1-3]。

我國自20世紀(jì)50年代開始荒地資源的評價，以合理利用土地為目的的土地評價研究逐漸蓬勃發(fā)展起來，80年代國家土地管理局成立伊始開始了農(nóng)用地分等定級工作[4-6]。近年來，隨著土地管理、農(nóng)業(yè)集約化水平的發(fā)展，耕地質(zhì)量的研究成為土地評價的重點(diǎn)內(nèi)容之一，國內(nèi)外學(xué)者對耕地質(zhì)量的內(nèi)涵界定、評價方法、成果應(yīng)用等多方面進(jìn)行了深入的研究。如Eswaran等[7]分析指出土地質(zhì)量的管理和監(jiān)測將是未來的挑戰(zhàn)，保持并提高土地質(zhì)量是保證區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ);陳朝等[8]研究認(rèn)為耕地質(zhì)量應(yīng)包括本底質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)質(zhì)量和生態(tài)質(zhì)量;聶艷等[9]利用ArcGIS 和模糊物元貼近度聚類分析模型評價耕地質(zhì)量;張廣星等[10]、于東升等[11]研究了BIOM-NORM、NORM、EO耕地質(zhì)量評價方法的科學(xué)合理性;Shao等[12]以農(nóng)用地市場化為目的對耕地進(jìn)行了分等定級研究。

土壤pH屬拋物線型隸屬度函數(shù)，其隸屬度函數(shù)如公式（2）：

表層土壤含鹽量屬Z型隸屬度函數(shù)，其隸屬度函數(shù)如公式（3）：

式中，a?1、a?2、a?3、a?4為隸屬度函數(shù)臨界值，根據(jù)已有研究確定各指標(biāo)臨界值如表2所示。

表層土壤質(zhì)地、土壤侵蝕程度、耕地排水條件3個指標(biāo)為定性描述的非數(shù)值型指標(biāo)，根據(jù)這3個指標(biāo)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響程度與方式，參考該區(qū)域的相關(guān)研究結(jié)果對指標(biāo)賦值，賦值標(biāo)準(zhǔn)如表3。

1.5.1.2指標(biāo)權(quán)重確定。

各評價指標(biāo)權(quán)重采用主成分分析的方法計算，通過計算各個公因子方差占公因子方差總和的百分?jǐn)?shù)，將公因子方差轉(zhuǎn)換為0～1的數(shù)值，作為單項(xiàng)評價指標(biāo)的權(quán)重值。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行專家咨詢，最終得到各評價指標(biāo)的權(quán)重值（表4）。

1.5.1.3評價模型。自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量評價采用加權(quán)求和模型，計算公式如下：

式中，NQ為評價單元的自然質(zhì)量指數(shù);OQ為評價單元的生產(chǎn)質(zhì)量指數(shù);W?i 為i指標(biāo)權(quán)重;N?i為自然質(zhì)量i指標(biāo)的隸屬度值;O?i為生產(chǎn)質(zhì)量i指標(biāo)的隸屬度值。

1.5.2綠色質(zhì)量評價。

重金屬污染程度評價運(yùn)用綜合污染指數(shù)法。綜合污染指數(shù)法由土壤重金屬評價標(biāo)準(zhǔn)與元素背景值共同確定各污染元素對土壤環(huán)境的影響程度，由此計算評價區(qū)域內(nèi)多種重金屬的綜合污染水平，能直觀地反映各個重金屬對污染的貢獻(xiàn)率[15]。土壤重金屬評價標(biāo)準(zhǔn)采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）中確定的Ⅱ類土壤環(huán)境質(zhì)量的二級標(biāo)準(zhǔn)，即為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康的土壤限制值，因此該方法較適合對農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境質(zhì)量的評價。評價模型如下：

（1）單因子評價。計算式為：

式中，P?i 為i 污染因子的單因子污染指數(shù);C?i 為i 污染因子的實(shí)測值;S?i 為i 污染因子背景值。

（2）權(quán)重值計算。權(quán)重值根據(jù)污染因子的環(huán)境可容納量來確定，計算式為：

式中，K??i 為i 污染因子的環(huán)境可容納量，B?i為污染因子環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)，S?i為i因子背景值。

（3）評價模型。綠色質(zhì)量評價采用加權(quán)評價模式，其計算式為：

式中，GQ為評價單元的綠色質(zhì)量指數(shù);W?i 為i污染因子的權(quán)重值;P?i為i污染因子的單因子污染指數(shù)。

土壤重金屬元素背景值取江蘇省土壤元素背景值[16]，評價標(biāo)準(zhǔn)采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618-1995）中確定的Ⅱ類土壤環(huán)境質(zhì)量的二級標(biāo)準(zhǔn)（表5）。

1.5.3綜合質(zhì)量評價。

1.5.3.1綜合質(zhì)量分值。

自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量與綠色質(zhì)量是從3個不同的角度對耕地質(zhì)量進(jìn)行衡量，其內(nèi)涵與所反映的內(nèi)容完全不同，評價體系及評價方法也不同，對耕地質(zhì)量的表現(xiàn)沒有交叉重疊，呈垂直關(guān)系，參考矢量求和模式，耕地綜合質(zhì)量分值采用矢量模型計算得到。

矢量求和模型：

由矢量求和模型推出綜合質(zhì)量分值計算模型：

式中，ZH?i為i單元綜合質(zhì)量分值，NQ?i為i單元自然質(zhì)量指數(shù)，OQ?i為i單元生產(chǎn)質(zhì)量指數(shù)，GQ?i為i單元綠色質(zhì)量指數(shù)。

1.5.3.2綜合質(zhì)量指數(shù)與分級。

根據(jù)研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)耕作制度確定該區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)作物為小麥、水稻，熟制為一年兩熟。查詢標(biāo)準(zhǔn)作物光溫生產(chǎn)潛力，并按照作物產(chǎn)量比系數(shù)折算為標(biāo)準(zhǔn)糧光溫生產(chǎn)潛力，求和即得區(qū)域總光溫生產(chǎn)潛力，然后以綜合質(zhì)量分值修正總光溫生產(chǎn)潛力得到綜合耕地質(zhì)量指數(shù)，并按指數(shù)分布情況進(jìn)行分級。

式中，C?i為i單元綜合耕地質(zhì)量指數(shù)，α?1、α?2分別為小麥、水稻光溫生產(chǎn)潛力，β?1、β?2分別為水稻、小麥產(chǎn)量比系數(shù)，ZH?i為i單元綜合質(zhì)量分值。小麥、水稻光溫生產(chǎn)潛力、產(chǎn)量比系數(shù)采用全國《耕地質(zhì)量分等規(guī)程》確定的相關(guān)參數(shù)（表6）。不同層次耕地質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)如表7所示。

1.5.4空間自相關(guān)分析。

空間自相關(guān)分析是探索性空間數(shù)據(jù)分析（exploratoryspatial data analysis，ESDA）研究中的重要方法之一，反映一個區(qū)域單元上某種地理現(xiàn)象或某一屬性與鄰近區(qū)域單元上同一現(xiàn)象或?qū)傩韵嚓P(guān)程度，是空間域內(nèi)聚集程度的一種量度，包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)兩類。全局空間自相關(guān)是對某種地理現(xiàn)象或某屬性在整個區(qū)域的空間特征的描述，進(jìn)而利用Morans I 指數(shù)判斷此現(xiàn)象或?qū)傩灾翟诳臻g上是否存在聚集特性。而局部空間自相關(guān)能夠測度一個局部小區(qū)域單元上的某種地理現(xiàn)象或某一屬性值的空間異質(zhì)性，能夠推算出聚集地的空間位置和范圍，用局域指標(biāo)能夠揭示各個區(qū)域單元空間自相關(guān)的程度。全局空間自相關(guān)計算公式：

局部空間自相關(guān)計算公式：

式中，n 為研究對象的數(shù)目;x?i 為第i 對象（村）觀測值;x?j 為第j對象觀測值; ?為x?i 的平均值;w?ij為研究對象i 與j 之間的空間連接矩陣，表示空間單元間潛在相互作用程度。空間連接矩陣一般表示為N 維的矩陣W（n×n），通過空間相鄰和空間距離來確定。

2結(jié)果與分析

2.1耕地質(zhì)量綜合評價結(jié)果

根據(jù)上述方法，對研究區(qū)耕地自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量、綠色質(zhì)量及綜合質(zhì)量進(jìn)行評價，評價結(jié)果如表8、圖2。

評價結(jié)果顯示，東?？h耕地自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量、綠色質(zhì)量以中、高等級（1～4等級）耕地為主，綜合質(zhì)量以中等級耕地為主，表明東海縣耕地自然條件及資源稟賦較好，在此基礎(chǔ)上人類活動對耕地的改善利用程度較高，耕地生態(tài)環(huán)境亦處于清潔健康水平，耕地質(zhì)量整體較高。以面積加權(quán)平均得到不同層次耕地質(zhì)量的平均級別，其中，自然質(zhì)量平均級別為2.6級，生產(chǎn)質(zhì)量平均級別為2.4級，綠色質(zhì)量平均級別為2.3級，綜合質(zhì)量平均為3.3級。

從空間分布來看，自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量中東部地區(qū)高于西部地區(qū)，絕大部分中、低等級（2～5等級）耕地分布于西部，東部地區(qū)主要為高等級（1等級）耕地，該空間分布特征與東?？h地形、地貌、土壤等農(nóng)業(yè)種植條件相一致。而綠色質(zhì)量空間分布與此正好相反，高等級耕地主要分布于中西部地區(qū)，低等級（5等級）耕地主要分布于東南部，中西部地區(qū)耕地質(zhì)量健康無污染，東南部地區(qū)部分耕地受到一定程度的污染影響，其可能原因是由于連云港市區(qū)在東?？h東南方向，受到連云港市區(qū)工業(yè)、交通的污染影響，致使其東南部地區(qū)耕地質(zhì)量存在一定的污染。綜合質(zhì)量中東部地區(qū)整體優(yōu)于西部地區(qū)，東?？h中東部地區(qū)是地勢平坦的優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)區(qū)，土壤肥力狀況較好，同時該區(qū)域以及周邊地區(qū)較少分布污染企業(yè)，土壤環(huán)境狀況優(yōu)良，因此中東部地區(qū)耕地綜合質(zhì)量較好;西部地區(qū)是崗丘地區(qū)，地勢起伏不平，土質(zhì)以砂土為主，農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)量較低，雖然該地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量狀況較好，但自然條件、利用水平較差，導(dǎo)致綜合耕地質(zhì)量較低。

2.2耕地質(zhì)量空間集聚性判定

由Morans I指數(shù)判定研究區(qū)耕地質(zhì)量空間集聚程度，東海縣耕地自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量、綠色質(zhì)量及綜合質(zhì)量的Morans I指數(shù)分別為0.551 4、0.747 6、0.952 7、0.835 0，顯著性檢測P≤0.05。集聚性判定結(jié)果顯示各層次耕地質(zhì)量的空間集聚性都較好，其中綠色質(zhì)量的空間集聚程度最為顯著，而自然質(zhì)量的空間集聚格局較為分散，這是因?yàn)闁|?？h自然條件復(fù)雜，自然質(zhì)量在空間上的分異明顯，而該地區(qū)工業(yè)活動尚不發(fā)達(dá)，耕地環(huán)境水平較好，綠色質(zhì)量整體較好，空間集聚明顯。

Moran散點(diǎn)圖4個象限反映觀測單元的空間相關(guān)性，可定量分析高值聚集區(qū)的觀測單元和低值聚集區(qū)的觀測單元。H-H（High-High空間關(guān)聯(lián)區(qū)）和L-L（Low-Low空間關(guān)聯(lián)區(qū)）象限的空間單元觀測值存在較強(qiáng)的空間正相關(guān)，單元具有均質(zhì)性;H-L（High-Low空間關(guān)聯(lián)區(qū)）和L-H（Low-High空間關(guān)聯(lián)區(qū)）象限的空間單元觀測值存在較強(qiáng)的空間負(fù)相關(guān)，單元具有異質(zhì)性。由圖3可知，耕地自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量、綠色質(zhì)量、綜合質(zhì)量位于H-H高值聚集區(qū)的單元分別占樣本總數(shù)的18.73%、27.09%、30.84%、21.90%，這是東海縣高質(zhì)量耕地的數(shù)量分布情況;位于L-L低值聚集區(qū)的單元分別占樣本總數(shù)的12.97%、21.90%、21.04%、25.36%，這是東?？h低質(zhì)量耕地的數(shù)量分布情況。

2.3耕地質(zhì)量空間集聚格局

根據(jù)Moran散點(diǎn)圖，在5%顯著性水平下繪制LISA集聚圖，分析東?？h耕地質(zhì)量的空間集聚格局（圖4）。從圖4可以看出，自然質(zhì)量高等級耕地主要集聚于東南部地區(qū)及中部個別區(qū)域，高等級集聚區(qū)平均級別為1.4級;低等級耕地主要集聚于西部地區(qū)，低等級聚集區(qū)平均級別為4.1級，該空間集聚特征反映了東?？h農(nóng)業(yè)種植的自然條件水平。生產(chǎn)質(zhì)量高等級耕地主要集聚于東南部及北部地區(qū)，高等級聚集區(qū)平均級別為1.1級;低等級耕地主要集聚于西部地區(qū)，低等級聚集區(qū)平均級別為3.5級;該空間集聚特征反映了東?？h農(nóng)業(yè)種植的生產(chǎn)能力狀況。

綠色質(zhì)量空間集聚格局與自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量相反，高等級耕地地聚集區(qū)主要分布于西部地區(qū)，平均級別為2.0級;低等級耕地聚集區(qū)主要分布于東南部地區(qū)，平均級別為3.1級;該空間集聚特征反映了東海縣農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)出的質(zhì)量狀況。綜合質(zhì)量高等級耕地主要集聚于東南部地區(qū)，平均級別為1.9級;低等級耕地地主要集聚于西部地區(qū)，平均級別為4.6級;該空間集聚特征表明東?？h東南部地區(qū)農(nóng)業(yè)種植的自然條件較好，生產(chǎn)能力較高，而作物產(chǎn)出質(zhì)量相對安全的區(qū)域，是耕地保護(hù)與糧食生產(chǎn)的重點(diǎn)區(qū)域;西部地區(qū)雖然耕地環(huán)境水平較好，但自然條件差、糧食生產(chǎn)能力差，綜合來看該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)較差，是未來耕地質(zhì)量提升的重點(diǎn)區(qū)域，也是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)以改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀的重點(diǎn)區(qū)域。

該研究結(jié)果從3個不同的角度綜合評價了區(qū)域耕地質(zhì)量，并分析了耕地質(zhì)量的空間集聚特征，反映了耕地本身所固有的氣候、土壤、地形等自然條件的資源稟賦水平，以及人類利用管理、生態(tài)環(huán)境對耕地的影響程度。自然質(zhì)量可指導(dǎo)農(nóng)業(yè)種植的區(qū)位選擇，生產(chǎn)質(zhì)量可反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)出效益，而綠色質(zhì)量可反映農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)劣程度，綜合質(zhì)量全面反映區(qū)域耕地的總體質(zhì)量狀況，因此，綜合評價模型可為耕地質(zhì)量的評價、管理及應(yīng)用提供很好的科學(xué)手段。

3結(jié)論

通過界定綜合耕地質(zhì)量的內(nèi)涵，建立不同層次耕地質(zhì)量的評價模型，評價區(qū)域耕地綜合質(zhì)量，分析了耕地質(zhì)量的空間集聚格局，得出以下結(jié)論：

（1）提出耕地質(zhì)量的綜合評價模型。耕地質(zhì)量具有綜合性、生產(chǎn)性、層次性，以光溫生產(chǎn)潛力為基礎(chǔ)，包括自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量、綠色質(zhì)量3個方面的內(nèi)容，反映了耕地本身所固有的氣候、土壤、地形等自然條件的資源稟賦水平，以及人類利用管理、生態(tài)環(huán)境對耕地的影響程度。

（2）建立綜合耕地質(zhì)量評價模型。自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量與綠色質(zhì)量是從3個不同的角度對耕地質(zhì)量進(jìn)行衡量，其內(nèi)涵與所反映的內(nèi)容完全不同，對耕地質(zhì)量的表現(xiàn)沒有交叉重疊，呈垂直關(guān)系，參考矢量求和模式，以自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量、綠色質(zhì)量為基礎(chǔ)建立綜合耕地質(zhì)量評價模型。

（3）評價區(qū)域綜合耕地質(zhì)量。評價研究區(qū)綜合耕地質(zhì)量，結(jié)果顯示東?？h自然質(zhì)量平均級別為2.6級，生產(chǎn)質(zhì)量平均級別為2.4級，綠色質(zhì)量平均級別為2.3級，綜合質(zhì)量平均級別為3.3級;空間分布上，中東部地區(qū)自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量、綜合質(zhì)量優(yōu)于西部地區(qū)，綠色質(zhì)量西部地區(qū)優(yōu)于中東部地區(qū)。

（4）分析耕地質(zhì)量空間集聚格局。綠色質(zhì)量高等級耕地主要集聚于西部地區(qū)，低等級耕地主要集聚于東南部地區(qū);自然質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量、綜合質(zhì)量高等級耕地主要集聚于東南部地區(qū)，低等級耕地主要集聚于西部地區(qū)。

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