王策,徐聰,陳亞恒
(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,河北 保定 071000)
洪范八政,食為政首[1]。糧食安全問題始終是中國治國理政的頭等大事[2],保障國家糧食安全的根本在耕地,耕地是糧食生產(chǎn)的命根子[3]。2007年國務(wù)院要求對耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)三位一體加強(qiáng)保護(hù)[4],2018年中央一號文件提出,要深入推進(jìn)農(nóng)業(yè)的綠色化和優(yōu)質(zhì)化,推動農(nóng)業(yè)由增產(chǎn)轉(zhuǎn)向提質(zhì)[5]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人類對耕地的需求從最初的高產(chǎn)向高產(chǎn)高質(zhì)、健康和可持續(xù)利用等綜合需求轉(zhuǎn)變。我國山區(qū)耕地數(shù)量有限、質(zhì)量較差且生態(tài)環(huán)境脆弱,保護(hù)山區(qū)耕地資源迫在眉睫?;诟弋a(chǎn)高質(zhì)、健康和可持續(xù)利用等需求對山區(qū)耕地產(chǎn)能進(jìn)行評價研究滿足新時代生產(chǎn)需求,是保護(hù)山區(qū)耕地資源的重要途徑。
近年來我國開展的一系列產(chǎn)能評價工作多側(cè)重自然要素對產(chǎn)能的影響,極少考慮耕地生態(tài)環(huán)境要素的作用,不能滿足我國對耕地健康可持續(xù)利用的要求?,F(xiàn)有的學(xué)者研究成果中對山區(qū)耕地產(chǎn)能的理論研究較少,對于山區(qū)耕地健康狀況、生態(tài)質(zhì)量的關(guān)注不足,且評價成果時效性弱,難以動態(tài)監(jiān)測和實(shí)時更新耕地質(zhì)量狀況?;谶@些問題,現(xiàn)有的產(chǎn)能理論與評價方法已無法滿足現(xiàn)實(shí)需要,迫切需要建立更加完善、高效的山區(qū)耕地產(chǎn)能評價體系。
本研究基于人類需求同產(chǎn)能影響因素匹配,科學(xué)界定山區(qū)耕地產(chǎn)能內(nèi)涵,據(jù)此構(gòu)建山區(qū)耕地產(chǎn)能評價體系,提出高產(chǎn)高效、綠色健康和可持續(xù)利用3種需求下的山區(qū)耕地產(chǎn)能評價方法,并以河北省的山區(qū)縣淶源為研究對象,對淶源縣的耕地產(chǎn)能水平及空間分布格局進(jìn)行評價分析,為淶源縣及其他山區(qū)的耕地產(chǎn)能評價提供借鑒;為我國耕地產(chǎn)能分維度研究提供依據(jù);為我國耕地產(chǎn)能評價體系構(gòu)建與評價方法研究提供參考;滿足新時代國家耕地生產(chǎn)和耕地保護(hù)的需要。
耕地產(chǎn)能是耕地質(zhì)量的一種功能表現(xiàn)形式,影響耕地生產(chǎn)水平的因素與耕地產(chǎn)能直接相關(guān)。其中,氣候條件是區(qū)域光、溫、水等影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣候資源狀況,是山區(qū)耕地產(chǎn)能的基礎(chǔ)核心;土壤質(zhì)量主要由土壤本身狀態(tài)決定,是山區(qū)耕地產(chǎn)能的基礎(chǔ);空間地理質(zhì)量是地球表面的各種形態(tài),它通過影響物質(zhì)與能量的再分配間接影響山區(qū)的耕地產(chǎn)能[6-9]。
山區(qū)耕地的健康狀況也是耕地質(zhì)量的一個重要方面,耕地的環(huán)境質(zhì)量可以通過反映耕地土壤污染狀況對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響來表征耕地健康,間接限制山區(qū)耕地產(chǎn)能[10]。山區(qū)耕地的可持續(xù)利用指生態(tài)不退化或人為采取措施控制其惡化,使其長期滿足糧食作物生長的需要,提升耕地生產(chǎn)率,保證山區(qū)耕地持續(xù)穩(wěn)定增收。所以耕地生態(tài)穩(wěn)定性和人類管理水平對山區(qū)耕地可持續(xù)利用具有重要意義。耕地生態(tài)質(zhì)量可反映生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,對山區(qū)耕地的可持續(xù)利用具有重要意義。耕地管理質(zhì)量可決定山區(qū)耕地利用效率的高低,進(jìn)而影響農(nóng)戶的耕作意愿,也對山區(qū)耕地的持續(xù)利用具有一定的限制性。因此,基于健康與可持續(xù)需求的山區(qū)耕地產(chǎn)能不僅會受到氣候條件、土壤、地理等自然因素的影響[6-8],還會受到耕地管理、生態(tài)環(huán)境等的影響。
綜上,基于健康與可持續(xù)需求的山區(qū)耕地產(chǎn)能是一個系統(tǒng)的概念:以光、溫、水等天然要素為保障,以土壤等自然要素為基礎(chǔ),以耕地管理水平為支撐,以滿足健康可持續(xù)的生產(chǎn)為核心,在一定時期內(nèi)能夠相對穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)最佳產(chǎn)出水平的能力。也可將其界定為土壤質(zhì)量、空間地理質(zhì)量、管理質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)質(zhì)量5個維度的綜合和集成反映,是影響耕地質(zhì)量內(nèi)在要素及其組合特征綜合作用的結(jié)果[11-14]。
山區(qū)耕地產(chǎn)能評價研究的理論框架見圖1。
圖1 山區(qū)耕地產(chǎn)能評價理論框架Figure 1 Theoretical framework for the evaluation of cultivated land in mountain regions
由圖1可知,依據(jù)山區(qū)耕地產(chǎn)能新內(nèi)涵,參考加拿大農(nóng)業(yè)環(huán)境評價系統(tǒng)[15],以氣候條件為基礎(chǔ),從土壤質(zhì)量、管理質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)質(zhì)量、空間地理質(zhì)量5個維度構(gòu)建山區(qū)耕地產(chǎn)能評價理論框架,并遵循綜合性、全面性等原則進(jìn)行評價指標(biāo)初選[16]。
以穩(wěn)定的氣候條件為基礎(chǔ),以山區(qū)的土壤質(zhì)量、空間地理質(zhì)量、管理質(zhì)量為限制要素,以山區(qū)環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)質(zhì)量為修正系數(shù),利用限制系數(shù)逐級修正的方法計算耕地產(chǎn)能指數(shù)。
1.3.1 計算土壤質(zhì)量/空間地理質(zhì)量/管理質(zhì)量指數(shù) 采用以下模型:
(1)
t=T/100
(2)
k=K/100
(3)
g=G/100
(4)
式中:Tij/Kij/Gij表示第i個評價單元第j個指標(biāo)的山區(qū)土壤質(zhì)量/空間地理質(zhì)量/管理質(zhì)量分值;t、k、g分別表示山區(qū)土壤質(zhì)量、空間地理質(zhì)量、管理質(zhì)量系數(shù);i表示評價單元編號;j表示評價指標(biāo)編號;m為評價指標(biāo)數(shù)目;Hij表示第i個評價單元的第j個土壤質(zhì)量/空間地理質(zhì)量/管理質(zhì)量評價指標(biāo)的量化值;Wij表示第i個評價單元的第j個山區(qū)土壤質(zhì)量/空間地理質(zhì)量/管理質(zhì)量評價指標(biāo)的權(quán)重。
1.3.2 計算耕地環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)質(zhì)量系數(shù) 一定范圍內(nèi)的耕地環(huán)境、生態(tài)質(zhì)量改變并不會使山區(qū)的作物產(chǎn)量產(chǎn)生較大波動,但會降低作物品質(zhì)。因此,耕地環(huán)境質(zhì)量系數(shù)(h)、生態(tài)質(zhì)量系數(shù)(s)采用“1±X”的累加模型,根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)累加計算。
1.3.3 耕地產(chǎn)能指數(shù)核算
1.3.3.1 高產(chǎn)高效需求 高產(chǎn)高效需求的山區(qū)耕地產(chǎn)能評價,主要考慮山區(qū)的土壤質(zhì)量、空間地理質(zhì)量、管理質(zhì)量3個維度,通過綜合算法,把區(qū)域光溫(氣候)生產(chǎn)潛力指數(shù)作為山區(qū)耕地產(chǎn)能的理論值,用各個維度系數(shù)和產(chǎn)量比系數(shù)修正得到基于高產(chǎn)高效的山區(qū)耕地產(chǎn)能指數(shù)(Q1)[16]。計算公式為:
Q1=α×β×(t+k+g)
(5)
式中:α為光溫(氣候)生產(chǎn)潛力指數(shù);β為作物產(chǎn)量比系數(shù);Q1為高產(chǎn)高效需求的山區(qū)耕地產(chǎn)能指數(shù)。
1.3.3.2 綠色健康需求 綠色健康需求的山區(qū)耕地產(chǎn)能評價,主要考慮山區(qū)土壤質(zhì)量、管理質(zhì)量、空間地理質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量4個維度,計算公式為:
Q2=α×β×(t+k+g)×h
(6)
式中:Q2為綠色健康需求的山區(qū)耕地產(chǎn)能指數(shù)。
1.3.3.3 健康可持續(xù)需求 健康可持續(xù)需求的山區(qū)耕地產(chǎn)能評價,主要考慮山區(qū)土壤質(zhì)量、管理質(zhì)量、空間地理質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)質(zhì)量5個維度,計算公式為:
Q3=α×β×(t+k+g)×h×s
(7)
式中:Q3為健康可持續(xù)需求的山區(qū)耕地產(chǎn)能指數(shù)。
1.4.1 研究區(qū)概況 淶源縣是隸屬河北省保定市的一個全山區(qū)縣,縣域內(nèi)群山起伏,1 000 m以上的山有115座。該縣位于河北省保定地區(qū)西北部,太行山北端兩省三市交界處,介于東經(jīng)114°20′~115°05′,北緯39°01′~39°40′之間,全縣總面積2 448 km2,轄17個鄉(xiāng)鎮(zhèn),285個行政村。平均海拔1 000 m左右,境內(nèi)高差較大,整體地勢為西北高,東南低。研究區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均降雨量551 mm。全縣土壤包括棕壤、褐土、潮土等6個大類,耕地中以棕壤和褐土的分布面積最大,農(nóng)業(yè)為一年一熟或兩年三熟制,耕地面積為30 371.335 1 hm2,占土地總面積的12.49%,比較敏感脆弱。
1.4.2 數(shù)據(jù)來源 各評價指標(biāo)數(shù)據(jù)的具體來源詳見表1。
由表1可知,淶源縣耕地產(chǎn)能評價體系中的指標(biāo)數(shù)據(jù)主要是從遙感數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)資料、野外調(diào)查及數(shù)據(jù)收集4個方面獲取的。
1.4.3 數(shù)據(jù)處理 利用ArcGIS10.2軟件對淶源縣耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)庫中的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,可得到土體構(gòu)型、有效土層厚度等指標(biāo)數(shù)據(jù);利用ArcGIS10.2軟件使用空間插值的方法將樣點(diǎn)數(shù)據(jù)賦到整個研究區(qū)域,可得到農(nóng)田防洪標(biāo)準(zhǔn)、農(nóng)機(jī)化水平等指標(biāo)數(shù)據(jù),由此建立涵蓋9 649個耕地斑塊的數(shù)據(jù)庫,總面積30 371.335 1 hm2。
1.4.4 評價單元劃分 淶源縣耕地產(chǎn)能評價的研究對象是行政區(qū)域內(nèi)的所有耕地。綜合考慮評價資料的承接性、可獲取性、代表性和成果應(yīng)用的便利性,將淶源縣最新耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)庫中的耕地圖斑作為本次評價單元。
1.4.5 指標(biāo)體系的構(gòu)建及權(quán)重確定 基于以上分析,結(jié)合淶源縣實(shí)際情況,運(yùn)用頻度分析法和專家咨詢法對評價指標(biāo)進(jìn)行篩選[17]。依據(jù)《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》、《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》等制定了各指標(biāo)分級及賦分標(biāo)準(zhǔn)[18]。采用層次分析法與專家打分相結(jié)合的方法[19-21],確定耕地產(chǎn)能評價指標(biāo)體系的指標(biāo)因素權(quán)重。
各指標(biāo)權(quán)重和內(nèi)涵見表2。
表2 淶源縣耕地產(chǎn)能評價指標(biāo)權(quán)重匯總表Table 2 Weight summary of Laiyuan county cultivated land productivity evaluation index
由表2可知,最終選取了19個指標(biāo),其中土壤質(zhì)量的權(quán)重為0.4、空間地理質(zhì)量的權(quán)重為0.12、管理質(zhì)量的權(quán)重為0.48。
2.1.1 等別劃分 根據(jù)公式(5)計算各評價單元的耕地產(chǎn)能指數(shù),可得淶源縣耕地產(chǎn)能指數(shù)介于797.46~1 148.88之間。按照[750,1 200]等間距法將耕地產(chǎn)能劃分為3個等級,耕地產(chǎn)能指數(shù)[1 050,1 200)、[900,1 050)、[750,900),分別是優(yōu)等地、良等地和低等地。
2.1.2 結(jié)果分析 淶源縣良等地面積最大,總共22 578.53 hm2,占全縣耕地總面積的64.34%。淶源縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同等別差異不明顯。其中,淶源鎮(zhèn)、白石山鎮(zhèn)、南屯鄉(xiāng)等12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的良等地占比最高。留家莊鄉(xiāng)、上莊鄉(xiāng)等5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)低等地最多。
基于高產(chǎn)高效需求的淶源縣耕地產(chǎn)能等級空間分布情況見圖2。
圖2 基于高產(chǎn)高效需求的耕地產(chǎn)能等級空間分布Figure 2 Spatial distribution of cultivated land productivity grade based on high yield and high efficiency demand
由圖2可知,淶源縣產(chǎn)能等級空間分布格局為中部和南部高、北部低。優(yōu)等地主要分布在淶源鎮(zhèn)、走馬驛鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn),這些地區(qū)土壤條件相對較好,基礎(chǔ)條件較優(yōu)。良等地分布相對均勻,在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布。低等地主要在淶源縣北部的上莊鄉(xiāng)、東團(tuán)堡鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布。這些地區(qū)土壤貧瘠,交通不發(fā)達(dá),故其耕地產(chǎn)能等別較低。
2.2.1 等別劃分 根據(jù)公式(6)計算各評價單元的耕地產(chǎn)能指數(shù),可得淶源縣耕地產(chǎn)能指數(shù)介于398.73~1 052.91之間。按照[300,1 200]等間距法將耕地產(chǎn)能劃分為3個等級,耕地產(chǎn)能指數(shù)[900,1 200)、[600,900)、[300,600),分別是優(yōu)等地、良等地和低等地。
2.2.2 結(jié)果分析 淶源縣的耕地產(chǎn)能指數(shù)在[600,900)區(qū)間段內(nèi)面積最大,共16 075.60 hm2,占全縣耕地總面積的比重為52.93%。淶源縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同等別差異不明顯。其中,淶源鎮(zhèn)、白石山鎮(zhèn)、南屯鄉(xiāng)、銀坊鎮(zhèn)、走馬驛鎮(zhèn)等12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的良等地占比最高。北石佛鄉(xiāng)、水堡鎮(zhèn)、金家井鄉(xiāng)、留家莊鄉(xiāng)、上莊鄉(xiāng)這5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)低等地最多。
基于綠色健康需求的耕地產(chǎn)能等級空間分布情況見圖3。
圖3 基于綠色健康需求的耕地產(chǎn)能等級空間分布Figure 3 Spatial distribution of cultivated land productivity grade based on green and healthy demand
由圖3可知,淶源縣產(chǎn)能等級空間分布格局整體呈現(xiàn)為中部高、西北部低。優(yōu)等地主要分布在淶源鎮(zhèn)、走馬驛鎮(zhèn)、白石山鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn),這些地區(qū)土壤條件相對較好,土壤質(zhì)地為壤土,無污染。良等地的耕地分布相對均勻,在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布,其中淶源鎮(zhèn)的良等地分布占比最大。低等地主要分布在淶源鎮(zhèn)、北石佛鄉(xiāng)、金家井鄉(xiāng)、上莊鄉(xiāng)、東團(tuán)堡鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn),主要因?yàn)檫@5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤健康狀況相對較差,耕地存在輕微污染。
2.3.1 等別劃分 根據(jù)公式(7)計算各評價單元的耕地產(chǎn)能指數(shù),由結(jié)果可得淶源縣耕地產(chǎn)能指數(shù)介于292.69~843.87之間。按照[250,850]等間距法將耕地產(chǎn)能劃分為3個等級,耕地產(chǎn)能指數(shù)[650,850)、[450,650)、[250,450),分別是優(yōu)等地、良等地和低等地。
2.3.2 結(jié)果分析
2.3.2.1 數(shù)量分析結(jié)果 淶源縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地產(chǎn)能等別對比見圖4。
由圖4可知,淶源縣的良等地面積最大,共17 223.27 hm2,占全縣耕地總面積的比重高達(dá)49.71%。淶源縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同等別差異顯著。其中,淶源鎮(zhèn)、白石山鎮(zhèn)、南屯鄉(xiāng)、銀坊鎮(zhèn)等11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中的良等地占比最高。水堡鎮(zhèn)、金家井鄉(xiāng)、留家莊鄉(xiāng)等6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的低等地占比最高。
2.3.2.2 空間分布特點(diǎn)和規(guī)律 基于健康可持續(xù)需求的耕地產(chǎn)能等級空間分布情況見圖5。
由圖5可知,淶源縣不同耕地產(chǎn)能等別整體空間分布格局為中部高、南北部低。優(yōu)等地主要分布在淶源鎮(zhèn)、白石山鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)大多處于淶源盆地,地勢平坦海拔低,土壤質(zhì)量等自然因素優(yōu)良,接近淶源縣城,交通等管理設(shè)施完備,生物特性狀況良好。
圖5 基于健康可持續(xù)需求的耕地產(chǎn)能等級空間分布Figure 5 Spatial distribution of cultivated land productivity based on healthy and sustainable demand
良等地的耕地分布相對均勻,在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布,在淶源鎮(zhèn)分布面積最大。這些區(qū)域的管理質(zhì)量與生態(tài)質(zhì)量相對較好,土壤質(zhì)量略低,如部分地區(qū)為砂質(zhì)土,蓄水保肥能力相對較差,因此耕地產(chǎn)能等級稍低。
低等地主要分布在淶源縣西北部的北石佛鄉(xiāng)、上莊鄉(xiāng)、東團(tuán)堡鄉(xiāng)、金家井鄉(xiāng)、留家莊鄉(xiāng)等大部分地區(qū)。這些地區(qū)耕地主要分布在溝谷中,面積相對較小,田間交通條件相對較差,土層厚度較薄,土壤質(zhì)地多為砂質(zhì),蓄水保肥能力差,有機(jī)質(zhì)含量較低,不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),另外,耕地生物特性狀況較差,故其耕地產(chǎn)能等別較低。
不同需求條件下的淶源縣耕地產(chǎn)能評價研究結(jié)果見表3。
表3 不同需求條件下耕地產(chǎn)能評價結(jié)果Table 3 Evaluation results of cultivated land productivity under different demand conditions %
由表3可知,通過比較不同需求下的淶源縣耕地產(chǎn)能評價結(jié)果可得:高產(chǎn)高效需求下,淶源縣耕地產(chǎn)能主要以良等地最多,占耕地總面積的64.34%。在綠色健康需求條件下,雖也以良等地最多,但其占耕地總面積的比例比高產(chǎn)高效下的比例減少了11.41%,這說明耕地環(huán)境對淶源縣耕地產(chǎn)能有比較明顯的影響。健康可持續(xù)需求下的結(jié)果與綠色健康、高產(chǎn)高效需求下的結(jié)果相比,優(yōu)等地和良等地比例都有所下降,低等地比例升高。表明在現(xiàn)代農(nóng)藥化肥高用量和生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化的情況下,山區(qū)耕地的生態(tài)和環(huán)境質(zhì)量對耕地產(chǎn)能的影響較大,并且已經(jīng)是約束山區(qū)耕地產(chǎn)能提升的重要因素。
立足于當(dāng)今時代發(fā)展及現(xiàn)有研究成果,基于人類需求與產(chǎn)能影響因素匹配,科學(xué)界定了山區(qū)耕地產(chǎn)能新內(nèi)涵,確定了3種需求層次的山區(qū)耕地產(chǎn)能評價方法,并將淶源縣行政區(qū)內(nèi)的所有耕地作為研究對象,應(yīng)用ARCGIS10.2等軟件確定了淶源縣耕地產(chǎn)能水平及空間分布情況,具體結(jié)論如下:
(1)高產(chǎn)高效需求下,淶源縣耕地產(chǎn)能評價結(jié)果主要以良等地為主,占耕地總面積的64.34%,綠色健康需求下也以良等地最多,占耕地總面積的52.93%;兩種需求條件下的產(chǎn)能空間分布相似,優(yōu)等地大多分布在淶源縣中部和西南部地區(qū),良等地在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布,低等地主要分布在淶源縣北部地區(qū)。
(2)健康可持續(xù)需求下,淶源縣主要以良等地為主,占耕地總面積的49.71%。從空間分布上看,淶源縣不同耕地產(chǎn)能等別交錯分布,整體呈現(xiàn)出中部高、南北部低的空間分布格局。優(yōu)等地集中分布在淶源縣的中部和西南部,涉及淶源鎮(zhèn)、白石山鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。良等地的耕地分布相對均勻,在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布,在淶源鎮(zhèn)分布面積最大。低等地主要分布在淶源縣西北部的上莊鄉(xiāng)、東團(tuán)堡鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。
(3)3種需求條件下淶源縣耕地產(chǎn)能評價結(jié)果表明,山區(qū)耕地的環(huán)境和生態(tài)質(zhì)量已成為影響耕地產(chǎn)能的重要因素,對山區(qū)耕地產(chǎn)能的提升具有重要影響。從5個維度,3種需求層次進(jìn)行山區(qū)耕地產(chǎn)能評價,滿足人類健康可持續(xù)利用山區(qū)耕地的需求,對國家耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”管理具有重要意義。