黃廳廳, 盧德彬, 楊 建

(1.銅仁學院 經濟管理學院, 貴州 銅仁 554300; 2.華東師范大學 地理科學學院,上海 200241; 3.西南大學 經濟管理學院, 重慶 400715)

基于GIS的省級耕地質量綜合評價及時空演變分析
——以貴州省為例

黃廳廳1,3, 盧德彬1,2, 楊 建1

(1.銅仁學院 經濟管理學院, 貴州 銅仁 554300; 2.華東師范大學 地理科學學院,上海 200241; 3.西南大學 經濟管理學院, 重慶 400715)

耕地質量直接關系國家糧食安全、社會經濟及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，對保證國家糧食安全、維系資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，強化耕地質量保護具有十分迫切的現(xiàn)實意義，耕地質量評價及時空演變分析歷來對耕地保護就具有重要指導作用?；谫F州省1989—2010年全省縣域尺度的耕地變化數據，應用GIS空間分析技術構建了耕地質量評價指標體系，通過耕地模糊優(yōu)選模型與理想點法相結合的耕地質量組合評價模型、相對變化率等方法對全省耕地質量及時空演變予以探討。結果表明：1989—2010年，貴州省耕地質量明顯提升，耕地總面積增加了9 202.69 km2，其中優(yōu)等地、中等地、低等地分別增加7 854.11，2 054.80，1 273.09 km2；耕地土層、坡面構型、水土流失、“四化同步”進程、土地開發(fā)、建設用地、耕地保護制度、退耕還林項目、社會輿論導向等自然、經濟及社會因素構成全省耕地質量及時空演變的主要驅動因素。

地理信息系統(tǒng)(GIS); 耕地質量; 時空演變; 模型分析; 貴州省

耕地作為人類賴以生存和發(fā)展的重要物質基礎，在維護國家安全、社會穩(wěn)定方面發(fā)揮著不可取代的重要作用，耕地質量的高低直接影響國家糧食安全、社會協(xié)調、區(qū)域經濟及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。耕地質量評價也一直是土地科學中最為活躍和具有前沿性的重要領域[4]，完善耕地質量評價體系對于指導耕地保護工作具有重要的現(xiàn)實意義與實踐價值。當前，關于耕地質量的研究頗為成熟。倪紹祥[5]在強調耕地質量具有重要意義的同時，認為應樹立耕地質與量統(tǒng)一的觀念，認識提高或恢復耕地質量的艱巨性，制定耕地質量評估制度及相關保護政策法規(guī)以保護耕地。秦元偉[6]、趙建軍[7]等分別基于模糊評判法、層次分析和GIS空間分析方法探索并豐富鄉(xiāng)鎮(zhèn)、省級尺度的耕地質量評價體系與方法。鄧楚雄等[1]基于GIS技術運用變異系數、泰爾指數、相對變化率及主成分分析方法對耕地數量時空變化及其驅動因子進行探討。向云波等[3]從投入強度、利用程度、經濟效益、社會效益和生態(tài)效益等方面構建耕地利用績效綜合評價指標，并對耕地利用績效時空分異特征進行探究。綜上，既有文獻豐富了耕地質量評價研究領域的內容，但針對以縣域為尺度且時間跨度長的耕地質量予以綜合評價的文獻甚少，因而通過耕地模糊優(yōu)選模型與理想點法相結合的耕地質量組合評價模型、相對變化率等方法對全省耕地質量進行評價及時空演變分析，是對已有文獻的一種補充。本研究基于GIS技術構建貴州省耕地質量評價指標體系，對1989—2010年全省縣域尺度的耕地質量演變進行實證分析，以期為全省耕地質量評價理論提升與實踐提供科學依據及新的思路。

1 研究區(qū)概況

貴州省介于東經103°36′-109°35′和北緯24°37′-29°13′，地貌主體為熱帶巖溶化高原山區(qū)，是一個處于云貴高原東側斜坡地段的典型山區(qū)省份，也是全國唯一沒有平原地貌的內陸省份[8]，全省國土總面積17.61萬km2。全省共82個區(qū)縣在1989年、1995年、2000年、2010年的耕地總面積分別為49 632.45，48 534.44，57 883.03，58 835.14 km2，其中2010年坡度<6°，6°～15°，15°～25°，>25°的耕地面積分別為57 459.17，368.56，974.81，32.60 km2。

2 數據獲取及評價指標處理

2.1 數據獲取

基于2015年貴州省社會科學院省領導指示、圈示課題《貴州省耕地質量保護提升研究》項目數據，1989年、1995年、2000年的土地利用現(xiàn)狀數據來源于“寒區(qū)旱區(qū)科學數據中心”，2010年數據集從Globe Land 30項目獲取。

2.2 評價指標處理

評價指標的選取與處理直接影響評價結果的準確性與可靠性。鑒于本研究選取的耕地數據跨年份較長，在綜合考慮相關文獻與全省實際的基礎上，主要遵循評價指標的一致性、完整性、科學性與可獲取性原則，基于反映耕地分布、耕作條件、土地經營規(guī)模程度、土壤肥力水平、農用地利用和水資源集約化程度、土地區(qū)位[9-10]等概況，從而確定高程、坡度、連片性、土壤質地、灌溉保證率、距城鎮(zhèn)(農村居民點)距離和距交通干線距離7項指標來構建貴州省耕地質量評價指標體系。在全省耕地質量評價數據庫建立基礎上，通過ArcGIS 10.2軟件在全省DEM(Digital Elevation Model)數據上直接提取坡度信息，得到坡度分布圖；通過不同年份的貴州省土地利用現(xiàn)狀圖經屬性選擇獲取耕地數據，并將其柵格化，與坡度數據進行疊加分析，采用分區(qū)統(tǒng)計直接獲得每一塊耕地的坡度平均值；通過土地利用現(xiàn)狀圖，應用ArcGIS 10.2軟件分別提取交通干線、農村居民點，最后通過Near工具計算距離。結合全省實際及專家打分，將各項評價指標進行數據標準化處理，從而進行指標分級和量化賦值，得到貴州省耕地質量評價指標權重(表1)。

3 評價模型確定

選用不同評價方法將幾種評價結果進行綜合分析，形成多角度評價后的綜合平衡，避免單一方法評價造成評價結果不夠科學。本研究采用耕地模糊優(yōu)選模型與理想點法組合的耕地質量組合評價模型[11]。

為避免實際問題中因各屬性值背景和量綱不一致難以直接進行比較分析，在數據分析之前將數據進行標準化處理，以保證評價前各屬性值能夠實現(xiàn)規(guī)范化，通常將各屬性值限制在[0，1]內以消去量綱，主要采用以下方法對指標進行標準化[12-13]：

(1)

3.1 耕地模糊優(yōu)選模型

基于耕地質量評價具有決策模糊性特點這一客觀事實，選用模糊數學隸屬度來定量描述復雜的耕地質量評價行為具有針對性和實效性，采用模糊優(yōu)選模型[14]進行耕地質量評價的關鍵在于確定每個耕地地塊aj(j=1,2,3, …,n)對于模糊概念“優(yōu)”的隸屬度，對于所有的耕地用“U”表示，對于“U”中的任意一個元素xj與集合“A”來說，它們之間的關系只有“xj”屬于“A”或者“xj”不屬于“A”，即：

表1 貴州省耕地質量評價指標體系及權重

(2)

(3)

令F[XA(xj)]對XA(xj)的導數為0，解得評價對象xj的隸屬度，即：

(4)

式中：Dyj2為耕地aj與優(yōu)決策間的加權廣義權距離(距優(yōu)距離)；Dgj2為耕地aj與劣決策間的加權廣義權距離(距劣距離)；wi為第i個指標的權重；rji為耕地aj的相對優(yōu)屬度；p為距離參數，取值為2(歐氏距離)或1(海明距離)，本研究采用歐式距離[9]，即p=2。該模型可用于耕地質量評價，XA(xj)越大表示耕地質量越高。

3.2 理想點法

利用理想點法[9-10,16]進行排序，首先計算每個單元距最優(yōu)地塊的距離及最差地塊的距離，然后計算各地塊的相對貼近度，最優(yōu)單元為各指標評價值最大時的評價單元，最差單元為各指標評價值最小時的評價單元，即：

i=1，2，3，…，m； j=1，2，3，…，n

(5)

i=1，2，3，…，m；j=1，2，3，…，n

(6)

式中：di+為第i個評價單元距最優(yōu)地塊的距離；di-為第i個評價單元距最差地塊的距離；wj為第j個衡量指標的權重；kjmax為第j個衡量指標最大標準化后分值；kjmin為第j個衡量指標最小標準化后分值，這樣決策點對理想點的相對貼切度可用Ci表示，即：

(7)

因此，Ci值越大則耕地質量越高。

3.3 綜合排序結果

根據組合決策方法的基本原理，分別對耕地模糊優(yōu)選模型和理想點法的排序結果由大到小進行排序，排序第一的記作“1”，以此類推。記耕地模糊優(yōu)選模型的排序結果存于數組X1j(j=1，2，3，…，n)，理想點法的排序結果存于數組X2j(j=1，2，3，…，n)，利用平均值法集結這兩種排序結果[13]，最終結果為：

(8)

因此，Xj越小則耕地質量越高。

3.4 相對變化率

考慮到貴州省各地區(qū)因為自然條件不同，其經濟發(fā)展水平也會各異，耕地面積變化的區(qū)域差異用區(qū)域某種土地利用類型的相對變化率[17]來反映。某一地區(qū)土地利用類型的相對變化率(R)計算如下：

(9)

式中：Ka，Kb為貴州省各區(qū)縣某種土地利用類型研究初期及研究末期的面積；Ca，Cb為全省某種土地利用類型研究初期及研究末期的面積。當某一區(qū)域某種土地利用類型的相對變化率R>1，則該區(qū)域這種土地利用類型的變化較大；若R<1，則該區(qū)域這種土地利用類型的變化較小[8]。

4 耕地質量評價及時空演變分析

根據公式(8)，將指標進行標準化，按照組合評價模型進行耕地質量評價，將最終綜合結果劃分為4個等級，得到4期耕地質量評價結果，并統(tǒng)計各級耕地面積與百分比(表2)。由表2看出，1989—2010年不同等別地的耕地質量面積分布規(guī)律呈現(xiàn)出：優(yōu)等地不斷增加，尤其是在2000—2010年呈快速上升趨勢；高等地從1989—2000年呈上升趨勢變?yōu)?000—2010年有所下降；中等地在1989—1995年和2000—2010年兩個階段有所減少，而在1989—2000年出現(xiàn)增加；低等地總體面積總量相對較少，1995—2010年呈上升趨勢?？傮w而言，貴州省耕地質量呈現(xiàn)上升趨勢。

4.1 耕地質量評價結果

(1) 1989年貴州省優(yōu)等地面積為14 806.00 km2，高等地面積為24 085.11 km2，中等地面積為10 490.34 km2，低等地面積為251.00 km2。其中優(yōu)等地面積最多，主要集中分布在貴州北部的遵義縣、西部的畢節(jié)和大方、中部的安順和貴陽等地，表明以上區(qū)域地勢平坦、交通方便、耕作歷史和條件較好；高等地主要集中分布在貴州西部的畢節(jié)和大方、北部的遵義縣和正安，及西南方向的盤縣等地；中等地主要集中分布在貴州西部、東部及西南方向，如威寧、赫章、黎平、榕江、盤縣等；低等地主要集中分布在貴州西部及東部，如威寧、從江、赫章、榕江、劍河等，表明這些地區(qū)地勢相對陡峭、交通受阻、耕地細碎和耕作條件較差?？傮w來看，高等地面積最多，這關系到貴州地處云貴高原向湘西、桂北丘陵過渡的斜坡地帶，耕地海拔高低相差2 000 m，不同海拔地區(qū)的氣候、土壤、作物種類、耕地制度和產量水平都相差甚遠[9]，耕地成土過程緩慢、耕地土層淺薄、由沖積物形成的具有層理的坡面構型不多、沒有鹽堿地分布是貴州大部分地區(qū)的表征。

(2) 1995年貴州省優(yōu)等地、高等地、中等地、低等地的面積分別為15 593.92，24 640.61，8 168.00，131.92 km2。其中優(yōu)等地主要集中分布在貴州北部的遵義縣、西部的畢節(jié)、大方及中部的安順、貴陽等地，表明這些地區(qū)耕地坡度平緩、土壤質地較優(yōu)、耕地連片性較成規(guī)模、距交通干線較占優(yōu)勢；高等地主要集中分布在貴州西部的畢節(jié)、大方、威寧，西南方向的盤縣，以及東部的黎平等地；中等地集中分布在貴州西部的威寧、赫章、畢節(jié)、水城和東部的榕江等地；低等地主要集中分布在貴州西部的威寧、赫章和東部的從江、榕江、劍河等地，意味著這些地區(qū)耕地坡度較陡峭、土壤質地較差、交通不便、耕地破碎等。1989—1995年，在分布規(guī)律上，優(yōu)等地和低等地分布特征幾乎沒有變化，高等地由貴州的西部、北部、西南方向變化為西部、西南方向及東部集中分布，中等地由西部、東部、西南方向轉變?yōu)槲鞑?、東部集中分布；從面積變化來看，優(yōu)等地和高等地面積明顯增加，中等地和低等地面積減少，以上變化與地方政府采取相應的耕地布局優(yōu)化措施息息相關。

(3) 2000年貴州省優(yōu)等地面積為16 817.71 km2，高等地有27 323.95 km2，中等地為13 400.56 km2，低等地面積有340.81 km2。其中優(yōu)等地主要集中分布在貴州的西部、北部及中部，如畢節(jié)、遵義縣、大方、安順、綏陽等，說明以上區(qū)域地勢平坦、交通較發(fā)達、土壤條件好；高等地主要集中分布在貴州的西部和北部，如大方、威寧、黔西、遵義縣、畢節(jié)等；中等地主要集中分布在貴州的西部和東部，如威寧、赫章、大方、黎平、畢節(jié)等；低等地主要集中分布在貴州的西部和東部，如威寧、赫章、劍河、榕江、黎平等，表明這些地區(qū)地勢陡峭、交通不便、耕作條件較差。1995—2000年，從分布特征來看，優(yōu)等地、中等地和低等地分布特征幾乎沒有變化，高等地由貴州的西部、西南方向、東部變化為西部和北部集中分布；在耕地面積上，各級耕地的耕地面積明顯大幅增加，這些變化離不開全國實行最嚴格的耕地保護制度與占補平衡的要求，土地開發(fā)、土地整理與復墾項目，及退耕還林還草項目推動實施的積極促進作用。

表2 貴州省1989-2010年耕地質量等級分布

(4) 2010年貴州省優(yōu)等地面積為22 660.11 km2，高等地面積為22 105.80 km2，中等地面積為12 545.14 km2，低等地面積為1 524.09 km2，其中優(yōu)等地主要集中分布在貴州的中部、西部及北部，如貴陽、六盤水、正安、畢節(jié)、綏陽等，意味著這些地區(qū)地理位置優(yōu)越、自然耕作歷史和條件較好；高等地主要集中分布在貴州的北部、西部和西南方向，如遵義縣、大方、六枝、余慶、盤縣等；中等地主要集中分布在貴州的西部、東部和東北方向，如水城、黎平、大方、威寧、松桃等；低等地主要集中分布在貴州的北部和西部，如務川、道真、沿河、榕江、威寧等，表明這些地區(qū)區(qū)位條件較差、自身耕作條件較差。2000—2010年，在分布規(guī)律上，優(yōu)等地分布特征幾乎沒有變化，高等地由貴州的西部、北部變化為北部、西部和西南方向集中分布，中等地由貴州的西部、東部轉變?yōu)槲鞑?、東部和東北方向集中分布，低等地由貴州的西部、東部變化為北部和西部集中分布；在耕地面積上，優(yōu)等地和低等地快速上升，高等地明顯下降，中等地有所減少，發(fā)生這些演變，一方面與“四化同步”效益快速推動農業(yè)現(xiàn)代化水平的提高有關，進而大力助推貴州農村交通發(fā)達程度、機械化作業(yè)水平、耕地經營管理質量的快速進步，及社會輿論關于保護生態(tài)環(huán)境、促進資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的積極引導與正確導向作用，另一方面也與貴州水土流失現(xiàn)象較為嚴重、建設用地占用、貴州地形和氣候等因素密切關聯(lián)。

4.2 耕地質量的時空演變

根據公式(9)，貴州省耕地相對變化率較大的地區(qū)分布在大方、貴陽、黃平、江口、開陽、凱里、六盤水、六枝、石阡、水城、松桃、綏陽、臺江、銅仁、息烽、興義、余慶、玉屏、正安、遵義市、遵義縣，其中六盤水的相對變化率最高，為99.94，其次是遵義市的64.53，江口的17.81，余慶的17.60，貴陽的16.93；除以上區(qū)縣的耕地相對變化率較大之外，貴州省其余區(qū)縣的耕地相對變化率都較小，其中清鎮(zhèn)的相對變化率最小，為-4.37，其次甕安為-4.35，平壩為-4.03。

貴州省耕地面積增加了9 202.69 km2，其中優(yōu)等地面積增加了7 854.11 km2，高等地面積減少了1 979.31 km2，中等地面積增加了2 054.80 km2，低等地面積增加了1 273.09 km2?？傮w來看，優(yōu)等地增加面積的幅度最大，主要集中分布在貴州的中部、西部及北部；高等地面積呈下降趨勢，主要集中分布在貴州的西部、北部和西南方向；中等地與低等地面積有所增加，主要集中分布在西部和東部。以上演變表明貴州省優(yōu)等地的面積呈逐漸擴大趨勢，這與近年來貴州省出臺和落實的諸多耕地保護政策有著密切的聯(lián)系，全省加強生態(tài)建設和提高農業(yè)生產效益，并對很多質量較差的坡耕地進行退耕或者農業(yè)結構調整，從而使得劣質耕地逐漸減少，促進了耕地布局整體上的優(yōu)化，在一定程度上提高了耕地總體質量。

5 結 論

(1) 根據模型公式，按照耕地質量組合評價模型將最終綜合得分劃分為低等地(≤0.25)、中等地(0.25～0.50)、高等地(0.50～0.75)、優(yōu)等地(>0.75)4個等級。根據評價結果得出1989—2010年全省低等地、中等地、高等地、優(yōu)等地的分布情況，并基于GIS技術對全省縣域尺度耕地質量進行時空演變分析，總體上，全省低等地、中等地、優(yōu)等地面積呈上升趨勢，高等地面積有所下降，全省耕地總量與質量明顯提高。

(2) 1989—2010年，貴州省耕地質量明顯提升，耕地總面積增加了9 202.69 km2，其中優(yōu)等地面積增加了7 854.11 km2，高等地面積減少了1 979.31 km2，中等地面積增加了2 054.80 km2，低等地面積增加了1 273.09 km2。

(3) 總體來看，貴州省在1989—2010年里優(yōu)等地增加面積的幅度最大，主要集中分布在貴州的中部、西部及北部；高等地面積呈下降趨勢，主要集中分布在貴州的西部、北部和西南方向；中等地與低等地面積有所增加，主要集中分布在西部和東部。

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ComprehensiveEvaluationandAnalysisonSpatiotemporalVariationofCultivatedLandonProvincialScaleBasedonGIS—ACaseStudyinGuizhouProvince

HUANG Tingting1,3, LU Debin1,2, YANG Jian1

(1.InstituteofEconomicsandManagement,TongrenUniversity,Tongren,Guizhou554300,China; 2.SchoolofGeographicalSciences,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China; 3.CollegeofEconomicsandManagement,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China)

Cultivated land quality is essential to national food safety, as well as the sustainable development of social economy and eco-environment.Thus, strengthening cultivated land protection plays a significant role in reality. Typically, the protection is conducted by two techniques, as cultivated land evaluation and space-time evolution analysis. An empirical research had been done on the change of cultivated land in Guizhou Province from 1989 to 2010 through the application of GIS spatial analysis technology which involved in the evaluation index system of cultivated land quality, the combination of cultivated land optimization model and ideal point method, relative change rate was used to explore the quality and spatiotemporal evolution of cultivated land. The results showed that during that period, the quality of cultivated land in Guizhou was improved obviously and the area of which increase to 9 202.69 km2including the first-class cultivated Land 7 854.11 km2, the second-class cultivated Land 2 054.80 km2and the third-class cultivated land 1 273.09 km2. Moreover, it was pointed out that farmland soil, slope configuration, water loss and soil erosion, ‘Four Modernization’ process, land exploitation, construction, cultivated land protection, returning farmland to forest project, public opinion and natural, economic and social factors were the main elements to drive the change on cultivated land quality and spatiotemporal form.

GIS; cultivated land quality; spatiotemporal variation; model analysis; Guizhou Province

2016-04-24

：2016-06-06

2015年貴州省社會科學院省領導指示、圈示課題“貴州省耕地質量保護提升研究”(QS2015024-2)

黃廳廳(1991—),女,貴州平壩人,碩士研究生,研究方向為農村區(qū)域發(fā)展規(guī)劃與可持續(xù)發(fā)展。E-mail:Sherohtt@foxmail.com

盧德彬(1987—),男,貴州荔波人,博士研究生,副教授,主要從事土地生態(tài)系統(tǒng)模擬與規(guī)劃研究。E-mail:sooluo@163.com

F301.21

：A

：1005-3409(2017)03-0253-05