基于限制因素的東北林區(qū)縣域耕地質(zhì)量提升潛力分區(qū)：以吉林省圖們市為例

盧心瑜，李淑杰，孫德惠，李鑫蕊

1.吉林大學 地球科學學院，長春 130061；2.四平市自然資源局，吉林 四平 136000

0 引言

城鎮(zhèn)化建設(shè)中耕地資源的占優(yōu)補劣行為是促使中國耕地質(zhì)量結(jié)構(gòu)變化、促使整體耕地資源質(zhì)量下降的主要原因之一，近年來國家陸續(xù)出臺了《關(guān)于加強耕地保護和改進占補平衡的意見》等指導性的綱領(lǐng)文件以及城市周邊永久基本農(nóng)田劃定等相關(guān)切實舉措。中國《質(zhì)量興農(nóng)戰(zhàn)略2018—2022》在東北地區(qū)推行的大規(guī)模耕地質(zhì)量建設(shè)活動，要將耕地質(zhì)量提升一個等級。針對東北糧食主產(chǎn)區(qū)的典型縣級單位進行耕地質(zhì)量提升問題，明確其限制性因素是首要環(huán)節(jié)。

在相關(guān)研究領(lǐng)域，王兆林等[1]從田塊稟賦、設(shè)施配套和投入產(chǎn)出水平等方面識別出影響中國南方低山丘陵區(qū)高標準農(nóng)田建設(shè)的限制性因素，明確了區(qū)域耕地質(zhì)量提升的主要建設(shè)內(nèi)容；宋戈等[2]以大石橋市為例，基于可改良限制因子分析不同尺度耕地質(zhì)量等別提升理論潛力和實際潛力空間分布特征，為加強耕地保護和提升耕地質(zhì)量提供依據(jù)。以上研究采用了潛力提升模型與GIS空間分析等方法，為明確耕地質(zhì)量提升的限制性因素提供了理論依據(jù)。但東北糧食主產(chǎn)區(qū)，針對典型縣域范圍內(nèi)的耕地質(zhì)量提升限制性因素主導類型及其限制程度仍缺乏定量研究[3]，耕地質(zhì)量的提升目標與質(zhì)量建設(shè)時序仍不明確，因此開展基于限制因素的東北林區(qū)縣域耕地質(zhì)量提升潛力分區(qū)研究十分必要。

林區(qū)縣域單位的耕地資源對于當?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展更為寶貴，在當前生態(tài)文明體制改革的前提下，平衡經(jīng)濟發(fā)展-農(nóng)業(yè)生產(chǎn)-生態(tài)保護三者關(guān)系十分重要[4]。因此，在東北林區(qū)，推行耕地質(zhì)量提升、避免農(nóng)業(yè)發(fā)展侵占生態(tài)空間勢在必行。圖們作為一個東北糧食主產(chǎn)區(qū)典型的林區(qū)縣級單位，必須先明確其限制性因素，明確限制程度，才能有針對性、有目的性的因地制宜調(diào)控耕地質(zhì)量，保障整體土地資源與土地系統(tǒng)的平衡。

筆者從耕地限制因素入手，以吉林省延邊州圖們市為研究區(qū)，基于耕地質(zhì)量等別更新與監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，參考新的自然等潛力計算模型，確定耕地主導限制類型及主導限制程度，在此基礎(chǔ)上劃分耕地質(zhì)量提升區(qū)域，計算各質(zhì)量提升區(qū)提升潛力并提出針對性的建議，為圖們市耕地質(zhì)量提升和建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

圖們市位于吉林省東部，長白山脈東麓，圖們江下游，處于129°31′57″～130°12′16″E， 42°46′44″～43°12′19″N之間，東與琿春市接壤，東南與朝鮮隔圖們江相望，西南與龍井市相接，西與延吉市為鄰，北與汪清縣相連。地處長白山余脈低山丘陵區(qū)，屬中溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，具有明顯的溫帶大陸性季風氣候，河流水系發(fā)達。圖們市隸屬于吉林省延邊朝鮮族自治州，人民政府駐圖們市區(qū)，下轄4個鎮(zhèn)和3個街道，50個行政村，20個社區(qū)，1個省級開發(fā)區(qū)(圖1)。

圖1 圖們市位置示意圖Fig.1 Location of Tumen City

對圖們市土地利用數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到各地類數(shù)量以及空間分布情況(表1，圖2)。

圖2 圖們市土地利用現(xiàn)狀圖Fig.2 Present land use map of Tumen City

表1 2017年圖們市土地利用現(xiàn)狀面積統(tǒng)計表Table 1 Statistics of current land use area of Tumen City in 2017

圖們市土地利用現(xiàn)狀類型整體表現(xiàn)為林地為主，耕地次之，其他用地偏少的格局。其中林地分布最廣，面積為88 718.15 hm2，占土地總面積的78.38%，主要分布在東北部地區(qū)；耕地面積為10 614.88 hm2，占土地總面積的9.38%，主要分布在圖們市的西部、南部和中部，其中西部和中部

地區(qū)分布的耕地較多，約占耕地總量的80%；草地5 072.59 hm2，占土地總面積的4.48%，主要分布在西部、中部和南部，其中西部地區(qū)草地分布最為集中；城鎮(zhèn)及村莊密集分布在中部地區(qū)，且主要沿鐵路、公路分布，少量城鎮(zhèn)及村莊分布在南部和西部地區(qū)，位置緊鄰耕地分布。

雖然圖們市土地利用類型多樣，但耕地所占比例較小，耕地后備資源缺乏，耕地數(shù)量潛力有限，圖們市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對耕地的數(shù)量和質(zhì)量需求較大，因此進一步提升耕地質(zhì)量十分重要。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文涉及的研究數(shù)據(jù)主要有耕地數(shù)量、質(zhì)量數(shù)據(jù)以及相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[5]。其中耕地數(shù)量數(shù)據(jù)來自于圖們市2017年度土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫，耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)則來自于圖們市的耕地質(zhì)量等別年度更新評價數(shù)據(jù)庫和耕地質(zhì)量年度監(jiān)測評價數(shù)據(jù)庫，相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自于圖們市統(tǒng)計年鑒、相關(guān)部門官方網(wǎng)站以及政府工作報告。

根據(jù)本文實際需要對所得到的數(shù)據(jù)再進行整理篩選和計算，確保研究能順利進行。

2 研究方法

2.1 選取指標

根據(jù)《農(nóng)用地分等規(guī)程》(GB/T28407—2012)(以下簡稱“規(guī)程”)，在全國標準耕作制度分區(qū)中，圖們市一級區(qū)為東北區(qū)，二級區(qū)為三江平原長白山地區(qū)，分等指定作物為玉米、水稻和大豆，復種類型為一年一熟。按照《規(guī)程》的具體要求，結(jié)合吉林省實際情況和鄰省分等的實踐經(jīng)驗，吉林省農(nóng)用地分等因素確定為9個指標，結(jié)合圖們市實際情況，減少鹽漬化程度、排水條件2個指標，最終選取有效土層厚度、土壤有機質(zhì)含量、表層土壤質(zhì)地、地形坡度、障礙層距地表深度、土壤pH值和剖面構(gòu)型7大指標作為耕地質(zhì)量限制因素指標[6]。

2.2 指標權(quán)重

圖們市耕地分等因素權(quán)重采用特爾菲法和層次分析法，符合地方實際，本文基于研究的穩(wěn)定性以及科學性，沿用《規(guī)程》分等因素權(quán)重作為耕地質(zhì)量限制因素指標權(quán)重值(表2)。

表2 圖們市耕地質(zhì)量限制因素指標權(quán)重表Table 2 Index weight table of limiting factors of cultivated land quality in Tumen City

2.3 確定限制類型

中國耕地質(zhì)量限制類型的篩選是通過參考國內(nèi)外已有的耕地質(zhì)量限制類型的具體指標，基于氣候、水文、土壤和地形地貌的限制因素范圍內(nèi)，最終篩選出14種限制類型，并分別與限制因素指標相對應(yīng)[7]。就本文研究區(qū)圖們市而言，確定限制類型時，應(yīng)結(jié)合本文選取的7大指標，通過限制因素指標和耕地質(zhì)量限制類型相對應(yīng)的關(guān)系(表3)，最終確定圖們市存在土層限制、有機質(zhì)限制、質(zhì)地限制、坡度限制、障礙層次限制、酸堿值限制和剖面構(gòu)型限制共7種限制類型[8]。

表3 圖們市耕地質(zhì)量限制類型與限制因素指標對應(yīng)表Table 3 Correspondence table of types and factors of cultivated land quality restriction in Tumen City

2.4 計算限制譜序

限制譜序是指將各個限制類型按其限制性的大小進行排序。限制譜序是利用改進的自然等提等潛力指數(shù)模型確定的，該模式分別計算各耕地圖斑的自然等指數(shù)實際分值和自然等指數(shù)最大值，將其作差，并求出兩者差值與自然等指數(shù)最大值的百分比，即為該項指標的自然等提等潛力指數(shù)[9]。具體計算公式為：

(1)

(2)

(3)

式中:Qik為第i個耕地圖斑內(nèi)第k個因素指標的自然等提等潛力指數(shù)；yik為第i個耕地圖斑內(nèi)第k個因素指標對應(yīng)的該圖斑自然等指數(shù)的實際分值；Yik為第i個耕地圖斑內(nèi)第k個因素指標對應(yīng)的該圖斑自然等指數(shù)的最大值；wjk為第j種作物第k個因素指標的權(quán)重；fjk為第i個耕地圖斑內(nèi)第j種作物第k個因素指標對應(yīng)的質(zhì)量分值；αj為第j種作物對應(yīng)的光溫生產(chǎn)潛力指數(shù)；βj為第j種作物對應(yīng)的產(chǎn)量比系數(shù)；k為因素指標編號。

根據(jù)計算結(jié)果，自然等提等潛力指數(shù)Q值越大，該耕地可提升的潛力越大，在限制譜序中越靠前，其限制性也越強，Q值最大項即為耕地自然等質(zhì)量主導限制類型。

2.5 確定主導限制程度

基于公式得出的主導限制類型，能夠確定該限制類型的主導限制程度，主導限制類型是由自然等提等潛力指數(shù)大小確定的，其數(shù)值越大，表明限制程度越高[10]。依托ArcGIS平臺，利用相等間隔法對其主導限制程度進行劃分，并結(jié)合計算得到的自然等提等潛力指數(shù)值，最終確定4個等級：無限制(P=0)、低限制(15%≥P>0)、中限制(40%≥P>15%)和高限制(P>40%)。

結(jié)合研究區(qū)實際情況，利用改進的自然等提等潛力指數(shù)的計算公式，分別計算圖們市6 625個耕地圖斑中7個因素指標的自然等提等潛力指數(shù)[11]，得出各耕地圖斑的主導限制類型以及主導限制程度(表4)。

表4 圖們市各耕地圖斑自然等提等潛力指數(shù)表Table 4 Potential index table of various cultivated land in Tumen City

3 結(jié)果與分析

3.1 主導限制類型

圖們市耕地存在37種主導限制類型。統(tǒng)計結(jié)果顯示，圖們市大部分的耕地圖斑只存在一種主導限制，一部分耕地圖斑存在兩種或三種主導限制，少部分耕地圖斑存在四種、五種或六種主導限制。有機質(zhì)限制(B)是圖們市最主要的主導限制類型，占圖們市耕地總面積的20.38%；其次是剖面構(gòu)型限制(G)和障礙層限制(E)，分別占圖們市耕地總面積的14.25%和15.39%；在各主導限制類型中，土層-有機質(zhì)-障礙層-剖面構(gòu)型限制(A-B-E-G)所占比重最小，僅有一塊圖斑，面積為0.09 hm2(表5)。

表5 圖們市耕地主導限制型匯總表Table 5 Summary table of leading restricted types of cultivated land in Tumen City

3.2 主導限制程度與主導限制類型組合

通過主導限制程度與主導限制類型的對應(yīng)關(guān)系將其結(jié)合得到表6，可以得出圖們市6 625個耕地圖斑中，存在45種不同組合，組合中主導限制程度為高等的耕地圖斑共有3 496個，面積為6 123.65 hm2，共占圖們市耕地總面積的57.76%，包含19種組合；組合中主導限制程度為中等的耕地圖斑共有3 130個，面積為4 477.67 hm2，共占圖們市耕地總面積的42.24%，包含26種組合；由表可知，圖們市內(nèi)無低等限制耕地。

表6 主導限制程度與主導限制型組合表Table 6 Combination table of degree of dominance and dominant constraining type

3.3 提升潛力測算

參考得到的圖們市各耕地圖斑的主導限制類型和主導限制程度，可以更有效地進行劃分耕地質(zhì)量提升分區(qū)，使得土地整治更加合理，提升耕地質(zhì)量[12]。

在質(zhì)量提升分區(qū)中，其限制程度越高，耕地質(zhì)量提升越難，反之則越容易[13]。而在各種主導限制類型中，因素指標分為不易改良指標和易改良指標，其中，有機質(zhì)含量和土層厚度屬于易改良指標，當前改良土壤中有機質(zhì)含量的技術(shù)方法較多，可以通過物理、生物、化學等方法，在有機質(zhì)含量較低的耕地施加有機肥、綠肥等方式以提高其土壤中的有機質(zhì)含量[14]；而改良土層厚度的方法多為物理方法，土層厚度較低的區(qū)域大多是新增耕地以及土壤質(zhì)量較差的劣質(zhì)耕地區(qū)域，在這些區(qū)域采用機械將深層的土壤翻上來，再把淺層的土壤移下去，這樣做就能改變區(qū)域的土層物理構(gòu)成，有效的土層厚度就會增加[15]。其余因素指標則為不易改良指標，改造難度相對較大，需要投入更多的時間和精力，需要做長期計劃。

按照以上分析，可將低、中以及高限制中包含土層限制的部分劃分為短期質(zhì)量提升區(qū)；將中以及高限制中包含有機質(zhì)限制的部分劃分為中期質(zhì)量提升區(qū)；其余部分劃分為長期質(zhì)量提升區(qū)[14]。圖們市耕地質(zhì)量提升分區(qū)結(jié)果見表7。

表7 圖們市耕地質(zhì)量提升分區(qū)Table 7 Partition of land quality improvement in Tumen City

參照圖們市耕地質(zhì)量限制因素指標權(quán)重表，分別對短、中和長期質(zhì)量提升區(qū)進行潛力測算。先根據(jù)各限制因素指標的權(quán)重，分別與各指標的分值相乘，進行求和，與各圖斑對應(yīng)的面積相乘，進行求和，最后除以該質(zhì)量提升區(qū)的面積得到的值即是質(zhì)量提升區(qū)的潛力值[15]。

根據(jù)計算可得短期質(zhì)量提升區(qū)提升潛力值為237.87；中期質(zhì)量提升區(qū)提升潛力值為96.17；長期質(zhì)量提升區(qū)為34.49?？梢钥闯龆唐谫|(zhì)量提升區(qū)提升潛力值最大，其區(qū)域內(nèi)耕地質(zhì)量提升最為容易，長期質(zhì)量提升區(qū)提升潛力值最小，其區(qū)域內(nèi)耕地質(zhì)量提升最為困難，需要投入大量時間、精力以及有效的技術(shù)方法支持。

4 結(jié)論

(1)確定圖們市存在土層限制、有機質(zhì)限制、質(zhì)地限制、坡度限制、障礙層次限制、酸堿值限制和剖面構(gòu)型限制共7種限制類型。

(2)利用改進的自然等提等潛力指數(shù)的計算公式，分別計算圖們市6 625個耕地圖斑中7個因素指標的自然等提等潛力指數(shù)，得出各耕地圖斑的主導限制類型以及主導限制程度，匯總得知圖們市耕地存在37種主導限制類型，45種主導限制程度與主導限制類型組合。

(3)通過主導限制類型中限制因素指標和主導限制程度的分析，對圖們市耕地質(zhì)量提升區(qū)進行劃分，分為短期質(zhì)量提升區(qū)、中期質(zhì)量提升區(qū)和長期質(zhì)量提升區(qū)。根據(jù)指標權(quán)重和面積計算得出各質(zhì)量提升區(qū)提升潛力，短期質(zhì)量提升區(qū)提升潛力為237.87，中期質(zhì)量提升區(qū)提升潛力為96.17，長期質(zhì)量提升區(qū)提升潛力為34.49。