李鵬山 杜振博 張 超 鄖文聚 楊建宇 朱德海

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083； 2.國土資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點實驗室， 北京 100035)

京津冀地區(qū)耕地質(zhì)量等別空間差異分析

李鵬山1杜振博1張 超1鄖文聚2楊建宇1朱德海1

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083； 2.國土資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點實驗室， 北京 100035)

利用2013年耕地質(zhì)量等別縣級年度更新數(shù)據(jù)，采用面積加權(quán)平均法，計算各因素指標(biāo)區(qū)的耕地平均等別；采用均值二分法，計算各指標(biāo)區(qū)內(nèi)各耕地地塊等別與平均等別之間的離差；采用等別方差，計算各縣(區(qū))利用等的離散程度。研究結(jié)果表明：各因素指標(biāo)區(qū)平均等別均低于8等，大部分地區(qū)耕地質(zhì)量等別低于全國平均水平的9.8等，北京平均水平略高于天津與河北；自然等的離差值域為-3.08～4.90，利用等的離差值域為-5.97～5.16，經(jīng)濟(jì)等的離差值域為-5.99～4.24，該地區(qū)80%以上的耕地等離差范圍在±2等；各區(qū)縣的耕地利用等方差值域為0～6.13，平原地區(qū)各區(qū)縣的利用等方差較大，山地丘陵區(qū)和高原地區(qū)的各縣利用等方差較小。通過空間差異分析表明，平原地區(qū)自然條件稍好，但其利用水平和經(jīng)濟(jì)效益差異較大；西部山區(qū)、北部山區(qū)和壩上高原區(qū)的耕地質(zhì)量提升潛力較大，但自然條件和基礎(chǔ)設(shè)施較差。

京津冀地區(qū)； 耕地質(zhì)量等別； 空間差異； 因素指標(biāo)區(qū)； 均值二分法

引言

耕地質(zhì)量建設(shè)與管理對于保障國家糧食安全和維護(hù)社會穩(wěn)定至關(guān)重要[1]，耕地質(zhì)量等別成果在我國耕地保護(hù)中發(fā)揮了重要作用[2]。目前，基于耕地質(zhì)量等別成果在空間分析方面取得了一些研究進(jìn)展[3-4]。在全國范圍，司振中等[5]從分布特點、地類結(jié)構(gòu)和利用水平等方面分析了全國耕地資源的現(xiàn)狀；王洪波等[6]分析了全國耕地等別分異特性及其對耕地保護(hù)的影響；程鋒等[7]分析了全國耕地質(zhì)量等級調(diào)查與評定成果。在區(qū)域尺度上，孔祥斌等[8]分析了中國西部地區(qū)耕地等別空間分布特征；王鳳嬌等[9]分析了西北地區(qū)耕地質(zhì)量等別的數(shù)量特點、空間分異特征和影響因素；魏洪斌等[10]探討了東北和中部糧食主產(chǎn)區(qū)耕地等別空間分布特征；陳建龍等[11]研究了松嫩平原耕地等別的空間分異特征；施冰臣等[12]研究了瀾滄江流域耕地自然等空間分布特征。在省域范圍，任奎等[13]進(jìn)行了江蘇農(nóng)用地質(zhì)量空間格局及影響機(jī)制研究；張青璞等[14]對比了重慶市國家級農(nóng)用地分等匯總前后的分布規(guī)律；張曉燕等[15]對河北農(nóng)用地質(zhì)量空間格局進(jìn)行了計量地理分析；段正松等[16]研究了廣西耕地質(zhì)量空間格局；張耿杰等[17]分析了云南省耕地利用等空間分布特征。在縣級尺度上，張貞等[18]分析了重慶市丘陵山區(qū)耕地質(zhì)量的空間格局；宋戈等[19]分析了黑龍江省黑土區(qū)耕地質(zhì)量空間分異特征；李艷華等[20]對比了西部生態(tài)脆弱區(qū)5個典型縣域農(nóng)用地質(zhì)量等別特征差異。然而，絕大多數(shù)的研究基于耕地質(zhì)量等級調(diào)查與評定工作成果，很少用到補(bǔ)充完善后的成果和年度更新數(shù)據(jù)；此外，省級及更大尺度上的研究全部采用匯總數(shù)據(jù)，未使用縣級分等成果數(shù)據(jù)。

京津冀地區(qū)人地矛盾突出，水資源缺乏，旱澇等自然災(zāi)害頻繁；部分區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重的土地退化現(xiàn)象；人均耕地面積低于全國平均水平，后備資源面臨枯竭[21-22]。耕地數(shù)量的減少和耕地質(zhì)量的下降是該區(qū)域最典型的特征，也是該地區(qū)耕地資源保護(hù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的突出問題[23]。本文利用2013年耕地質(zhì)量等別縣級年度更新數(shù)據(jù)，利用面積加權(quán)平均法、均值二分法和等別方差對京津冀地區(qū)的耕地質(zhì)量等別進(jìn)行空間差異分析，以期為該地區(qū)的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、中低等耕地改造提升和農(nóng)用地整治優(yōu)先區(qū)選擇提供科學(xué)支撐，為耕地資源保護(hù)和區(qū)域協(xié)同發(fā)展提供參考，并使基于縣級耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)分析全國耕地質(zhì)量等別的空間分異規(guī)律成為可能。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)概況

1.1 研究區(qū)概況

圖1 京津冀地區(qū)地理位置和耕地資源分布圖Fig.1 Distribution map of cultivated land resources and geographical position of Beijing-Tianjin-Hebei region

京津冀地區(qū)包括北京市、天津市和河北省，區(qū)域總面積2.17×105km2，地理坐標(biāo)36°05′～42°37′N、113°11′～119°45′E。根據(jù)全國第二次土地調(diào)查主要數(shù)據(jù)成果公報，京津冀地區(qū)耕地總面積72 356.89 km2，其中北京市、天津市、河北省耕地面積分別為2 271.70、4 471.66、65 613.53 km2。該地區(qū)的耕地面積約占總土地面積的1/3，主要分布在區(qū)域東南部和中部的平原區(qū)，以及西北部壩上高原區(qū)，冀西北山間盆地和谷地；研究區(qū)西部的太行山山區(qū)、北部的燕山山區(qū)和東部的渤海灣沿岸少量散布，如圖1所示。根據(jù)2013年全國耕地質(zhì)量等級調(diào)查與評定工作成果和耕地質(zhì)量等級成果補(bǔ)充完善數(shù)據(jù)，京津冀地區(qū)大部分耕地質(zhì)量等別低于全國平均水平，無優(yōu)等地分布，高等地較少，中低等地面積比例大，分布范圍廣。其中，北京市耕地質(zhì)量平均利用等為8.73等，高等地面積為1 326.50 km2，中等地面積為885.07 km2；天津市耕地質(zhì)量平均利用等為10.29等，高等地面積為0.25 km2，中等地面積為4 382.65 km2，低等地面積為0.32 km2；河北省耕地質(zhì)量平均利用等為10.82等，高等地面積為12 009.08 km2，中等地面積為34 761.31 km2，低等地面積為18 895.22 km2。

1.2 主要數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)包括：2013年1∶5 000北京市縣級耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)；2013年1∶5 000天津市縣級耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)；2013年1∶10 000河北省縣級耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)，均來自國土資源部農(nóng)用地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)庫。

2 研究方法

首先，采用耕地質(zhì)量等別面積加權(quán)平均法，計算京津冀地區(qū)各因素指標(biāo)區(qū)的平均自然等、平均利用等和平均經(jīng)濟(jì)等，分析各指標(biāo)區(qū)的平均水平和空間差異。其次，采用耕地質(zhì)量等別均值二分法，計算各個指標(biāo)區(qū)所有耕地圖斑的質(zhì)量等別與平均等的離差，繼而采用等間距分級，得出各指標(biāo)區(qū)自然條件、利用水平和經(jīng)濟(jì)效益的空間分異規(guī)律。最后，采用耕地質(zhì)量等別方差分析，得到各縣(區(qū))利用等的離散程度，通過對比分析確定農(nóng)用地整治優(yōu)先區(qū)。

2.1 面積加權(quán)平均法

面積加權(quán)平均法用來計算區(qū)域耕地質(zhì)量的總體平均水平。本文采用面積加權(quán)平均法計算京津冀地區(qū)各指標(biāo)區(qū)的平均自然等、平均利用等和平均經(jīng)濟(jì)等，用以分析該地區(qū)的耕地質(zhì)量狀況，并為進(jìn)一步計算等別離差奠定基礎(chǔ)。計算公式為

(1)

2.2 等別均值二分法

耕地質(zhì)量等別均值二分法即計算各個因素指標(biāo)區(qū)內(nèi)所有耕地與該區(qū)域平均等別之間的離差。以指標(biāo)區(qū)內(nèi)的平均等別為分割閾值，小于平均等別的耕地以高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)為目標(biāo)，大于平均等別的耕地以中低等耕地改造提升為目標(biāo)。計算公式為

(2)

式中Dd——耕地質(zhì)量等別離差

2.3 耕地等別方差

采用京津冀地區(qū)各個區(qū)縣耕地質(zhì)量等別的方差表示耕地質(zhì)量等別的離散程度，并進(jìn)一步反映耕地整治優(yōu)先程度。計算式為

(3)

式中D(x)——區(qū)域耕地質(zhì)量等別方差

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地質(zhì)量平均等別分析

采用面積加權(quán)平均法計算得到京津冀地區(qū)的平均自然等、平均利用等和平均經(jīng)濟(jì)等，結(jié)果如表1和圖2所示。從國家級平均自然等、平均利用等和平均經(jīng)濟(jì)等計算結(jié)果分析，各指標(biāo)區(qū)平均等別均低于8等。冀魯豫低洼平原區(qū)和燕山太行山山前平原區(qū)各指標(biāo)區(qū)的平均等別稍高，遼吉西蒙東南冀北山地和后山壩上高原各指標(biāo)區(qū)的平均等別偏低。就平均利用等而言，僅北京平原區(qū)和西部山地區(qū)、延慶山間平原以及太行山南段冀南山前平原冬小麥夏玉米一年兩熟區(qū)、冀南低平原冬小麥夏玉米一年兩熟區(qū)和冀南漳衛(wèi)河沖積平原冬小麥夏玉米一年兩熟區(qū)高于全國平均等，大部分地區(qū)低于全國平均水平。對比京津冀三地的耕地質(zhì)量，北京的平均水平略高于天津與河北。

圖2a顯示，涿鹿懷來山地丘陵盆地春麥兩年三熟區(qū)(Ⅱ101)、張宣盆地春玉米一年一熟區(qū)(Ⅱ102)、冀北中山春玉米一年一熟區(qū)(Ⅱ201)和太行山北段中山春玉米一年一熟區(qū)(Ⅱ301)自然等的平均值接近于各區(qū)的最大值，這說明在上述各區(qū)中，自然等較低的耕地所占面積比例較大。壩東高原春麥一熟區(qū)(Ⅲ101)自然等的平均值接近于該區(qū)的最小值，說明其自然等較高的耕地所占面積比例較大。

圖2b顯示，燕北低山丘陵盆地春玉米一年一熟區(qū)(Ⅱ202)、太行山北段中山春玉米一年一熟區(qū)(Ⅱ301)、壩東高原春麥一熟區(qū)(Ⅲ101)和壩西高原春麥一熟區(qū)(Ⅲ102)利用等別的平均值接近于各區(qū)的最大值，說明在上述各區(qū)中，利用等較低的耕地所占面積比例較大。北京延慶山間平原(Ⅵ101)利用等的平均值接近于該區(qū)的最小值，說明其利用等較高的耕地所占面積比例較大。

圖2c顯示，太行山北段中山春玉米一年一熟區(qū)(Ⅱ301)、壩東高原春麥一熟區(qū)(Ⅲ101)和壩西高原春麥一熟區(qū)(Ⅲ102)經(jīng)濟(jì)等的平均值接近于各區(qū)的最大值，說明在上述各區(qū)中，經(jīng)濟(jì)等較低的耕地所占面積比例較大。

此外，燕山太行山山前平原區(qū)(Ⅱ1)和冀魯豫低洼平原區(qū)(Ⅱ2)的各指標(biāo)區(qū)、遼吉西蒙東南冀北山地(Ⅵ 1)的燕山長城兩側(cè)低山丘陵冬小麥兩年三熟區(qū)(Ⅱ203)、太行山西部低山冬小麥夏玉米套種一年兩熟區(qū)(Ⅱ302)和太行山東部低山丘陵冬小麥夏玉米一年兩熟區(qū)(Ⅱ303)以及天津所處的華北平原區(qū)(Ⅱ2)耕地質(zhì)量等別最小值和最大值之間的差異較大。

表1 各因素指標(biāo)區(qū)耕地質(zhì)量等別面積加權(quán)平均值Tab.1 Area-weighted averages of cultivated land quality grade in factor index areas

注：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅵ表示全國標(biāo)準(zhǔn)耕作制度一級分區(qū)；其后加1位數(shù)字表示二級分區(qū)，加3位數(shù)字表示三級分區(qū)，即因素指標(biāo)區(qū)代碼。

圖2 京津冀地區(qū)各因素指標(biāo)區(qū)耕地質(zhì)量最高等別、最低等別和平均等別Fig.2 Cultivated land quality grade of Beijing-Tianjin-Hebei region

3.2 耕地質(zhì)量等別離差分析

在計算出各指標(biāo)區(qū)平均等別后，采用均值二分法計算各指標(biāo)區(qū)內(nèi)所有耕地與指標(biāo)區(qū)平均等別之間的離差，繼而采用等間距分級，其結(jié)果見表2和圖3。

京津冀地區(qū)耕地質(zhì)量自然等高于指標(biāo)區(qū)平均等的值域范圍(-3.08～0)，低于平均等別的值域范圍(0～4.90)。利用等高于指標(biāo)區(qū)平均等別的值域范圍(-5.97～0)，低于平均等別的值域范圍(0～5.16)。經(jīng)濟(jì)等高于指標(biāo)區(qū)平均等別的值域范圍(-5.99～0)，低于平均等別的值域范圍(0～4.24)。自然等、利用等和經(jīng)濟(jì)等的離差計算結(jié)果顯示，該地區(qū)80%以上的耕地等別離差范圍在±2等。根據(jù)目前土地整治項目和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)情況，通過項目實施后可提升的平均耕地質(zhì)量等別為1～2等，說明可以采用均值二分法設(shè)置土地整治目標(biāo)，適用于高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)和中低等耕地提升質(zhì)量潛力測算。

對于京津冀三地，北京市和天津市的耕地質(zhì)量等別差異較小，僅北京西北山間盆地和天津西南平原的耕地等別離差大于0，其余大部分地區(qū)的離差小于0。河北省因范圍大、耕地分布廣、類型多等，無論是耕地等別離差還是空間分布上的差異均較大。太行山山前平原區(qū)和燕山山前平原區(qū)自然等離差較小，但是利用等和經(jīng)濟(jì)等離差較大，表明其自然條件良好且差異不大，但是利用水平和經(jīng)濟(jì)效益參差不齊。海河沖積平原區(qū)自然條件優(yōu)越，但是冀南地區(qū)和冀東地區(qū)的耕地質(zhì)量等別離差較大，其利用水平和經(jīng)濟(jì)效益可提升的空間較大。燕山山地丘陵區(qū)、太行山山地丘陵區(qū)、壩上高原區(qū)和濱海平原區(qū)生產(chǎn)條件和利用水平較差，潛力大，應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)展特色農(nóng)業(yè)。

3.3 耕地質(zhì)量等別方差分析

利用等最能反映耕地實際產(chǎn)能狀況[5]，國土資源部對外公布的耕地質(zhì)量等級調(diào)查與評定工作結(jié)果均為國家利用等。因此，本文計算京津冀地區(qū)所有區(qū)縣(不包括北京、天津城區(qū))的耕地質(zhì)量利用等方差，采用自然斷點法分級后的結(jié)果見表3。

表2 京津冀地區(qū)耕地質(zhì)量等別離差分級Tab.2 Deviation classification of cultivated land quality grade of Beijing-Tianjin-Hebei region

各區(qū)縣的耕地質(zhì)量等別方差可反映其離散程度，用以表明耕地質(zhì)量等別可提升的程度。圖4顯示，方差較大的區(qū)縣主要集中在京津冀地區(qū)中、南部平原區(qū)和燕山山前平原東部，這些區(qū)縣基礎(chǔ)條件較好，耕地所占面積比重大，是今后農(nóng)用地整治的重點區(qū)域。方差較低的區(qū)域主要是壩上高原、燕山山區(qū)和太行山山區(qū)，壩上高原耕地集中，但是，生產(chǎn)條件和利用水平較差，建議農(nóng)牧結(jié)合；北部山區(qū)和西部山區(qū)，雖然潛力較大，但是自然條件和基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，分布零散，建議農(nóng)林結(jié)合。此外，北京市和天津市隨著城市擴(kuò)張，耕地的生產(chǎn)功能逐漸弱化，建議從多功能的角度重新審視耕地質(zhì)量，為環(huán)首都綠色經(jīng)濟(jì)圈提供生態(tài)屏障和綠色農(nóng)副產(chǎn)品。

本文對《全國土地整治規(guī)劃(2011—2015年)》中確定的高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田示范縣以及《北京市土地整治規(guī)劃(2011—2015年)》、《天津市土地整治規(guī)劃(2011—2015年)》和《河北省土地整治規(guī)劃(2011—2020年)》中確定的農(nóng)用地整治重點區(qū)域進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。其中，有3/4的示范縣利用等別方差大于1.23，農(nóng)用地整治重點區(qū)域約2/3的縣(區(qū))處于優(yōu)先程度中等及以上地區(qū)(圖4)。說明利用耕地質(zhì)量利用等方差，可以為農(nóng)用地整治優(yōu)先區(qū)選擇提供科學(xué)參考。

圖3 京津冀地區(qū)耕地質(zhì)量等別離差Fig.3 Deviations of cultivated land quality grade of Beijing-Tianjin-Hebei region

優(yōu)先程度低較低適中較高高方差0～0.540.54～1.231.23～2.132.13～3.643.64～6.13縣(區(qū))數(shù)量/個6443433821農(nóng)用地整治重點區(qū)(縣)數(shù)量/個1224232813高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)示范縣數(shù)量/個2712115

圖4 京津冀地區(qū)農(nóng)用地整治優(yōu)先區(qū)布局Fig.4 Spatial layout of agricultural land consolidation priority for Beijing-Tianjin-Hebei region

4 結(jié)論

(1)采用耕地質(zhì)量等別面積加權(quán)平均法計算了京津冀地區(qū)各因素指標(biāo)區(qū)的國家級平均自然等、平均利用等和平均經(jīng)濟(jì)等，各指標(biāo)區(qū)平均等別均低于8等，大部分地區(qū)耕地等別低于全國平均水平的9.8等，北京平均水平略高于天津與河北。

(2)采用耕地質(zhì)量等別均值二分法，計算京津冀地區(qū)各指標(biāo)區(qū)內(nèi)耕地與平均等別之間的離差，分析可知研究區(qū)利用等的離差最大，自然等離差最??；平原地區(qū)自然條件稍好，但是其利用水平和經(jīng)濟(jì)效益差異較大；西部山區(qū)、北部山區(qū)和壩上高原區(qū)的耕地質(zhì)量潛力較大，但是自然條件和基礎(chǔ)設(shè)施較差。

(3)采用耕地質(zhì)量等別方差分析，表征京津冀地區(qū)各縣(區(qū))耕地質(zhì)量利用等的離散程度，平原地區(qū)各縣的利用等方差較大，山地丘陵區(qū)和高原地區(qū)的各縣利用等方差較??；通過與高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田示范縣、農(nóng)用地整治重點區(qū)域?qū)Ρ确治?，可知采用耕地質(zhì)量等別方差可以確定農(nóng)用地整治優(yōu)先區(qū)。

(4)采用均值二分法設(shè)置土地整治耕地質(zhì)量等別提升目標(biāo)，適用于高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)和中低等耕地質(zhì)量提升；采用耕地質(zhì)量等別方差分析確定農(nóng)用地整治優(yōu)先區(qū)，具有較好的科學(xué)參考價值。此外，通過本文的研究，可為進(jìn)一步在耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺下，基于全國縣級年度更新數(shù)據(jù)，分析全國耕地質(zhì)量等別的空間分異規(guī)律提供借鑒。

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Space Difference Analysis of Cultivated Land Quality Grade in Beijing-Tianjin-Hebei Region

LI Pengshan1DU Zhenbo1ZHANG Chao1YUN Wenju2YANG Jianyu1ZHU Dehai1

(1.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.KeyLaboratoryforAgriculturalLandQualityMonitoringandControl,MinistryofLandandResources,Beijing100035,China)

Analyzing the characters of spatial distribution in cultivated land quality of Beijing-Tianjin-Hebei region is important to protect and coordinate the development of regions. The mean grade in each index area was calculated with annual database of 2013 about the cultivated land quality by using the weighted average method. Moreover, the deviation between grades was calculated by mean dichotomy method and grade dispersions in each counties by variance. The results showed that the mean grades were under 8 and the cultivated land qualities were lower than the national average of 9.8. Particularly, the average grade of Beijing was slightly higher than those of Tianjin and Hebei. Physical quality grade deviation was ranged from -3.08 to 4.90, and utilization quality grade was ranged from -5.97 to 5.16, economic quality composition grade was ranged from -5.99 to 4.24. The deviation of cultivated land quality grade for more than 80% of the region was within ±2. The utilization quality grade variance was ranged from 0 to 6.13. The plain areas had large variances and the plateau areas had small changes. The results of space difference analysis showed that the physical quality of cultivated land was slightly better than that of plain areas, but its utilization level and economic efficiency were obviously different. The western mountains area, northern mountains area and Bashang Plateau area had high potential to increase the cultivated land’s qualities, although the natural condition and infrastructure should be enhanced. The mean dichotomy was proposed to set cultivated land quality goals after land consolidation. And the variance was put forward to divide land consolidation region, which can be a reference for choosing priority zoning. The research could be referred for well-facilitated farmland construction, improvement of medium or low-yield cultivated land and selection of priority zone.

Beijing-Tianjin-Hebei region; cultivated land quality grade; space difference; factor index area; mean dichotomy

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.020

2016-07-04

2016-08-29

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(201511010-06)

李鵬山(1985—)，男，博士生，主要從事3S在土地和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，E-mail： targetlps@gmail.com

張超(1972—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事遙感在土地和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，E-mail： zhangchaobj@cau.edu.cn

Q149; F301.23

A

1000-1298(2017)02-0150-08