侯淑濤, 邸延順, 程光大, 陳建龍, 張羽鑫

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 哈爾濱 150030; 2.黑龍江省國土資源勘測規(guī)劃院, 哈爾濱 150090)

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黑龍江明水縣耕地質(zhì)量綜合評價

侯淑濤1, 邸延順1, 程光大1, 陳建龍2, 張羽鑫1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 哈爾濱 150030; 2.黑龍江省國土資源勘測規(guī)劃院, 哈爾濱 150090)

耕地質(zhì)量評價是改善農(nóng)田質(zhì)量狀況、提高耕地生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)，是基本農(nóng)田保護(hù)與高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)等工作科學(xué)開展的重要前提。在深入剖析耕地質(zhì)量評價理論與方法的基礎(chǔ)上，從質(zhì)地、土層、氣候、地貌、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施和規(guī)模等方面建立評價指標(biāo)體系，運(yùn)用綜合指數(shù)模型、模糊聚類及GIS技術(shù)，從地塊、鄉(xiāng)、縣三個尺度評價該縣耕地質(zhì)量及其空間分布。結(jié)果表明：自然等別中，一類地面積12 832.17 hm2，占8.89%；二類地面積111 269.06 hm2，占77.05%；三類地面積20 301.55 hm2，占14.06%。該縣耕地總體質(zhì)量一般，西部基本為二類地，東部主要為三類地。綜合等別中，一類地面積60 794.01 hm2，占42.10%；二類地面積56 950.72 hm2，占39.44%；三類地面積60 794.01 hm2，占18.45%，一類耕地面積比例比自然質(zhì)量耕地面積比例提高了33.21%，說明耕地質(zhì)量提升潛力較大，農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對提高耕地生產(chǎn)能力作用顯著。

耕地質(zhì)量評價; 多尺度; 模糊聚類; 空間分布; 明水縣

耕地是社會可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基本的資源，其質(zhì)量的好壞直接影響到糧食產(chǎn)量[1]。隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，耕地資源日益減少、質(zhì)量不斷下降，耕地資源稀缺性十分突出，以提高耕地綜合生產(chǎn)能力為目標(biāo)的耕地保護(hù)與建設(shè)已成為我國糧食安全和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)[2-4]。

耕地質(zhì)量評價是改善農(nóng)田質(zhì)量狀況、提高耕地生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)，耕地保護(hù)與建設(shè)的核心是在評價耕地質(zhì)量的基礎(chǔ)上，挖掘耕地生產(chǎn)潛力[5]，因而耕地質(zhì)量評價成為學(xué)術(shù)界熱衷研究的內(nèi)容之一，也是基本農(nóng)田保護(hù)與高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)等工作科學(xué)開展的重要前提。近年來，許多學(xué)者對耕地質(zhì)量評價研究進(jìn)行了積極有益的探索，在評價單元的選擇上，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域多以省、市、縣或以農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域?yàn)榛驹u價單位；國土領(lǐng)域考慮氣候等大尺度因素，多以耕地類型單位或耕地地塊為基本評價單元，不同空間尺度的評價都能為所對應(yīng)層面的政策決策提供支持[6]。在評價方法方面，大部分學(xué)者采用綜合評價與分級賦值分類法、熵值法、主導(dǎo)因素法等方法[7-9]。在評價指標(biāo)的選擇上，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為耕地質(zhì)量受社會經(jīng)濟(jì)條件、土壤條件、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施條件及耕地立地條件等人文與自然因素影響并決定[10]，而耕地質(zhì)量評價指標(biāo)必須能反映耕地質(zhì)量和區(qū)位條件的優(yōu)劣，以期切實(shí)評價耕地質(zhì)量的空間分布[11-12]。以區(qū)域、縣域?yàn)閱卧拇蟪叨雀刭|(zhì)量評價，可為國家、區(qū)域耕地?cái)?shù)量質(zhì)量變化監(jiān)測、完善耕地保護(hù)政策、保障國家糧食安全提供依據(jù)，但評價結(jié)果難以在小尺度耕地保護(hù)與建設(shè)中發(fā)揮作用。黑龍江省是中國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和商品糧基地，中央關(guān)于建立兩大平原現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合配套改革區(qū)既給黑龍江省的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來難得的機(jī)遇，也給糧食產(chǎn)量和耕地質(zhì)量提升提出了更高的要求。兩大平原農(nóng)田規(guī)模較大、耕地自然質(zhì)量較好，但農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施落后是耕地生產(chǎn)能力較低的主要影響因素。綜合耕地自然質(zhì)量、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施及規(guī)模水平的耕地質(zhì)量評價及空間分布研究[13-14]，可為黑龍江省糧食安全保障體系建設(shè)、農(nóng)業(yè)規(guī)模集約經(jīng)營及新時期農(nóng)村建設(shè)規(guī)劃、決策與管理提供依據(jù)。

本文以明水縣為例，從東北商品糧基地建設(shè)及高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)的視角[15]，厘清土壤質(zhì)地、土層厚度、地形、地貌、氣候、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及耕地規(guī)模對耕地質(zhì)量的影響關(guān)系，構(gòu)建耕地質(zhì)量評價指標(biāo)體系，運(yùn)用綜合指數(shù)、模糊聚類及GIS空間疊加技術(shù)與方法，從地塊、鄉(xiāng)、縣三級尺度評價該縣耕地質(zhì)量等級，分析其空間分布特征及主要影響因素，為科學(xué)量化耕地質(zhì)量水平及提升耕地整理潛力提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

明水縣位于黑龍江省西部，地理坐標(biāo)47°01′37″—47°22′58″N，125°16′12″—126°27′00″E，地處松嫩平原東部、小興安嶺西側(cè)山前沖積洪積緩傾斜臺地，地勢中部略高，東西兩側(cè)漸低，平均海拔249 m。全縣地貌分丘陵崗地、緩坡漫崗、低洼平原及沿河漫灘四種類型。氣候特點(diǎn)冬季漫長寒冷干燥；夏季溫?zé)岫嘤?；春季降水少，多大風(fēng)；秋季降水適中，溫涼宜人，霜來早。由于西部和南部是開闊平原，風(fēng)速大，氣溫偏高，降水偏少；東部和北部是丘陵漫崗地區(qū)，風(fēng)速小，氣溫偏低，降水多。無霜期在124 d左右，平均降水為490 mm。植被條件比較豐富，田間和河邊生長各種楊、柳、槐、松等樹木，西部草原生長牧草、水草等各種草類及龍膽、柴胡等中草藥。土壤資源主要為黑土，土層較厚，耕地肥力較好。主要河流有通肯河及其支流撒拉河。全縣轄5鎮(zhèn)、7鄉(xiāng)、99個行政村，截至2009年底，全縣總?cè)丝?5萬人，農(nóng)業(yè)人口27.5萬人，占總?cè)丝诘?8.57%；全縣總面積22.97萬hm2，耕地總面積14.44萬hm2，占總面積的62.86%，其中平耕地、坡耕地分別占耕地總面積的85.49%，14.51%。全縣地區(qū)生產(chǎn)總值18.6億元，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比為39.2∶33.9∶26.9，糧食產(chǎn)量達(dá)6.55萬t。

1.2數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)包括明水縣2009年1∶1萬土地利用變更數(shù)據(jù)庫、1∶10萬土壤類型圖、1∶5萬DEM數(shù)據(jù)、《明水統(tǒng)計(jì)年鑒2010》。

2　研究方法

耕地質(zhì)量不僅表現(xiàn)在土壤、地形、地貌及氣候等自然因素方面，農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平及規(guī)模經(jīng)營程度對耕地生產(chǎn)能力提升具有一定的影響。通過定量研究與定性分析相結(jié)合，從而厘清耕地質(zhì)量等別及其空間分異狀況。本文考慮耕地質(zhì)量影響因素及分等因子差異，從耕地的土壤、土層厚度、有機(jī)質(zhì)含量、地形、氣候等自然因素及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與耕地規(guī)模三個方面，在平耕地(<2°)、坡耕地(2°～6°，6°～15°)3個層面確定耕地質(zhì)量評價指標(biāo)體系；參考《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》及相關(guān)文獻(xiàn)，確定指標(biāo)度量的基準(zhǔn)及分值；采用專家咨詢與層次分析法結(jié)合確定指標(biāo)權(quán)重，利用綜合指數(shù)模型計(jì)算評價單元分值；運(yùn)用模糊聚類得到圖斑尺度上的耕地自然質(zhì)量及綜合質(zhì)量等別，分析耕地自然等別及其影響因素；以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元分析各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)田規(guī)模、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平及綜合等別狀況，利用統(tǒng)計(jì)及GIS疊加分析該縣耕地質(zhì)量、數(shù)量空間分布及未來的建設(shè)目標(biāo)和方向。

2.1評價指標(biāo)及權(quán)重

根據(jù)本文界定的耕地質(zhì)量內(nèi)涵，結(jié)合明水縣實(shí)際情況，從耕地自然狀況、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及耕地規(guī)模3個方面確定12項(xiàng)耕地質(zhì)量評價指標(biāo)，采用理論分析和專家咨詢相結(jié)合的方法，以耕地圖斑為評價單元，選取黑土層厚度、有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地、距障礙層深度、pH值、坡度、降水7項(xiàng)自然因素指標(biāo)，田間道路通達(dá)度、農(nóng)田防護(hù)林比率、灌排條件3項(xiàng)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施因素指標(biāo)，田塊規(guī)模、田塊形狀2項(xiàng)耕地規(guī)模因素指標(biāo)，構(gòu)建耕地質(zhì)量評價指標(biāo)體系，運(yùn)用專家咨詢與層次分析法相結(jié)合確定指標(biāo)權(quán)重(表1)。

表1　明水縣耕地質(zhì)量評價指標(biāo)及權(quán)重

2.2基于綜合指數(shù)模型的耕地質(zhì)量測算

耕地質(zhì)量測算采用綜合指數(shù)模型法計(jì)算耕地自然質(zhì)量、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施水平、耕地規(guī)模水平分值及綜合得分。綜合指數(shù)采用多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)進(jìn)行測算，模型如下：

式中：P——耕地圖斑質(zhì)量綜合指數(shù)；bi——第i個單項(xiàng)指標(biāo)量化值：wi——第i個單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

2.3基于模糊C均值聚類的耕地質(zhì)量等別劃分

耕地質(zhì)量等別的劃分大多采用簡單的等間距法、數(shù)軸法、總分值頻率曲線劃分等別區(qū)間。等間距法不適宜較小數(shù)據(jù)的分類；基于地塊尺度的全縣上萬個圖斑的耕地質(zhì)量分值在數(shù)軸上點(diǎn)的分布稀疏與集中情況很難觀察和確定各等別分值區(qū)間；總分值頻率曲線法雖能很好地觀察各圖斑頻率曲線突變點(diǎn)，但分區(qū)組數(shù)的確定受判定經(jīng)驗(yàn)的限制，且難以驗(yàn)證分類精度。模糊聚類是一種非監(jiān)督分類方法，適合大容樣本數(shù)據(jù)的聚類分析。模糊C均值聚類在類別數(shù)較明確的分類中優(yōu)勢顯著，它通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)得到每個樣本點(diǎn)對所有類中心的隸屬度來決定樣本點(diǎn)的類屬，以達(dá)到自動對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的目的，其目標(biāo)函數(shù)為：

(1)

模糊C均值聚類通過迭代優(yōu)化實(shí)現(xiàn)分類。首先是對隸屬度矩陣U的初始化，根據(jù)公式(2)計(jì)算C個聚類中心，由此依據(jù)公式(3)計(jì)算各個數(shù)據(jù)點(diǎn)的隸屬度；其次，通過調(diào)整隸屬度矩陣，再次計(jì)算新的C個聚類中心，然后比較聚類中心的變化；如果兩次循環(huán)之間的變化量小于預(yù)設(shè)的閾值，則停止迭代運(yùn)算，否則重復(fù)前述步驟直至聚類中心變化小于設(shè)定的閾值。

(2)

(3)

2.4聚類有效性檢驗(yàn)

聚類有效性是評價聚類結(jié)果清晰與否及優(yōu)劣的依據(jù)，通常采用模糊性能指數(shù)或歸一化分類熵來確定合適的聚類數(shù)。本文采用模糊性能指數(shù)(FPI)檢驗(yàn)耕地質(zhì)量等別劃分的有效性。

模糊性能指數(shù)(FPI)是數(shù)據(jù)矩陣X的模糊C分區(qū)間分離程度的度量，其定義為：

(4)

FPI的值在0到1之間變動。若該值接近0表示聚類時共用數(shù)據(jù)較少，類的劃分明顯；若該值接近1則表示具有較多的共用數(shù)據(jù)，類的劃分不明顯。

3　結(jié)果與分析

本文采用綜合指數(shù)模型測算圖斑單元耕地質(zhì)量分值，運(yùn)用Matlab軟件的模糊C均值聚類出耕地自然質(zhì)量、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、農(nóng)田規(guī)模及綜合質(zhì)量分類，GIS支持下分析空間分布。

3.1耕地自然質(zhì)量及空間分異分析

2009年明水縣耕地自然質(zhì)量分三類，全縣耕地自然質(zhì)量聚類分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，耕地總體自然質(zhì)量中等水平，其中：1類地面積12 832.17 hm2，占耕地總面積的8.89%，主要分布在明水、興仁、永久、永興四鄉(xiāng)鎮(zhèn)；2類地面積111 269.06 hm2，占77.05%，主要分布在崇德、通達(dá)、育林、雙興、通泉五鄉(xiāng)鎮(zhèn)；3類地面積20 301.55 hm2，占14.06%。各類耕地在空間分布上主要是，西部基本為2類地，中部有少量質(zhì)量較高的1類地，東部主要為3類地及部分2類地。由以上數(shù)據(jù)可知，該縣耕地自然質(zhì)量總體水平一般，主要集中為2類地，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行必要的土地平整工程和平衡施肥來改善耕地的自然質(zhì)量。

3.2農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平分析

本文將農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施條件分為較好、一般及較差三個級別，全縣農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，總體來看，全縣農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平較好。其中農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施條件較好的耕地面積為64 210.86 hm2，占耕地總面積的44.46%，主要分布在崇德鎮(zhèn)、明水鎮(zhèn)、永久鄉(xiāng)、育林鄉(xiāng)、通達(dá)鎮(zhèn)；農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施條件一般的耕地面積為48 512.44 hm2，占33.60%，主要分布在興仁鎮(zhèn)、雙興鄉(xiāng)、繁榮鄉(xiāng)、通泉鄉(xiāng)；農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施條件較差的耕地面積為31 679.48 hm2，占21.94%，其主要分布在光榮鄉(xiāng)、樹人鄉(xiāng)、永興鎮(zhèn)。

3.3農(nóng)田規(guī)模水平分析

本文將農(nóng)田規(guī)模水平分為大規(guī)模、規(guī)模及農(nóng)戶規(guī)模三個級別，全縣農(nóng)田規(guī)模水平分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。全縣農(nóng)田規(guī)模分布相對比較均衡，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)?；潭融呌诮咏?，大規(guī)模農(nóng)田所占比例較大，占50%左右；規(guī)模農(nóng)田次之，占30%左右；小規(guī)模農(nóng)田所占比例相對較小，占20%左右。

表2　明水縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)各類耕地質(zhì)量面積及變化統(tǒng)計(jì)　hm2

表3　明水縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平面積統(tǒng)計(jì)

表4　明水縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)田規(guī)模水平面積統(tǒng)計(jì)

3.4耕地綜合質(zhì)量分析

全縣耕地綜合質(zhì)量聚類分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。其中：1類地面積60 794.01 hm2，占耕地總面積的42.10%，主要分布在育林、通達(dá)、崇德、明水四鄉(xiāng)鎮(zhèn)；2類地面積56 950.72 hm2，占39.44%，主要分布在通泉、繁榮、崇德、雙興、樹人五鄉(xiāng)鎮(zhèn)；3類地面積26 658.05 hm2，占18.46%。各類耕地空間分布由圖1可知，西部主要為1類耕地，中部主要為2類耕地，東部主要為3類耕地，耕地綜合質(zhì)量由西向東總體呈遞減趨勢。由表2可以看出：耕地綜合質(zhì)量與自然質(zhì)量相比，1類地面積增加了47 961.84 hm2，二類地面積減少了54 318.34 hm2，表明自然質(zhì)量一般的耕地由于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及農(nóng)田規(guī)模水平較高，其綜合質(zhì)量提升顯著；綜合質(zhì)量為3類地略有增加，反映了基礎(chǔ)設(shè)施及農(nóng)田規(guī)模水平較差。耕地綜合質(zhì)量總體一般，整個研究區(qū)內(nèi)存在一定影響耕地綜合質(zhì)量的限制因素，考慮基本農(nóng)田劃定的目標(biāo)和方向，根據(jù)該區(qū)域土地整理可改造的難易程度，對綜合質(zhì)量較差的區(qū)域開展土地平整、植樹造林、田間生產(chǎn)道路建設(shè)、完善水利設(shè)施等土地整理工程以達(dá)到基本農(nóng)田劃定的要求。

圖1　明水縣耕地綜合質(zhì)量空間分布

4　結(jié) 論

耕地質(zhì)量是反映農(nóng)田質(zhì)量狀況、耕地生產(chǎn)能力重要的基礎(chǔ)。本文在利用多因素綜合指數(shù)模型測算耕地自然質(zhì)量、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施、規(guī)模及綜合質(zhì)量分值的基礎(chǔ)上，利用模糊聚類與GIS技術(shù)劃分耕地質(zhì)量類別及其空間分布，不僅得到最佳耕地質(zhì)量分類結(jié)果，同時反映出耕地自然屬性、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施及規(guī)模在耕地總體質(zhì)量中的影響水平。耕地自然質(zhì)量與綜合質(zhì)量類別的轉(zhuǎn)移表明農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施對提高耕地生產(chǎn)能力作用顯著；全縣耕地中大規(guī)模經(jīng)營斑塊比例占55.68%，規(guī)模經(jīng)營比例占26.62%，十分有利于開展農(nóng)業(yè)規(guī)模集約經(jīng)營。

黑龍江省是國家重要的商品糧生產(chǎn)基地，本文以小尺度的縣域?yàn)檠芯繉?shí)體，以耕地圖斑為單元，從地塊、鄉(xiāng)、縣三級尺度，研究耕地質(zhì)量及空間分異特征，較好地反映了耕地質(zhì)量的客觀情況，研究成果為黑龍江省兩大平原農(nóng)業(yè)工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、土地整治規(guī)劃及高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)提供依據(jù)。

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Comprehensive Evaluation of Cultivated Land Quality in Mingshui County, Heilongjiang Province

HOU Shutao1, DI Yanshun1, CHENG Guangda1, CHEN Jianlong2, ZHANG Yuxin1

(1.School of Resources and Environmental Sciences, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China;2.InstituteofSurveyingandPlanningonLandandResourcesinHeilongjiangProvince,Harbin150090,China)

The evaluation of cultivated land quality is the important basis to improve the quality of farmland and production capacity, it is also the important premise of the basic farmland protection and scientific construction of high standard basic farmland works carried out. Based on the in-depth analysis of cultivated land quality evaluation, the basis of the theory and method, and the basis of the quality of material, soil, climate, landscape, infrastructure, and scale of farmland, etc., the evaluation index system was established. The cultivated land quality and its spatial distribution were evaluated on the land unit, township and county scales using composite index, fuzzy clustering and GIS . The results show that in nature categories the first kind of cultivated land was 12 832.17 hm2, accounting for 8.89%; the second kind of cultivated land area was 111 269.06 hm2, accounting for 77.05%; the third kind of cultivated land area was 20 301.55 hm2, accounting for 14.06%. Overall quality of cultivated land was average, it was mainly the second category in the west and the third was mainly in the east. In comprehensive categories, the first kind of cultivated land area was 60 794.01 hm2, accounting for 42.10%; the second category was 56 950.72 hm2, accounting for 39.44%; the third type was 60 794.01 hm2, accounting for 18.45%. Comprehensive classification of the first kind of arable land proportion compared with the natural quality of cultivated land area ratio increased by 33.21%, the cultivated land quality improvement potential is greater, farmland infrastructure construction to improve the production capacity of cultivated land was significant.

cultivated land quality evaluation; multi-scale; fuzzy clustering; space distribution; Mingshui County

2014-06-12

2014-07-08

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“規(guī)?；巨r(nóng)田集中建設(shè)與保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究”(201311002-02)

侯淑濤(1965—),女,黑龍江樺川人,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橥恋乩?。E-mail:houst129@126.com

陳建龍(1973—),男,黑龍江哈爾濱人,高級工程師,主要研究方向?yàn)橥恋乩门c規(guī)劃。E-mail:13354508860@126.com

F301.21

A

1005-3409(2015)04-0232-05