鄒宏光，王維瑞，陳弘揚(yáng)，尹 炳，沈 強(qiáng)，卜中原

(1. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 北京市土肥工作站，北京 100029)

自建國(guó)以來(lái)，我國(guó)開(kāi)展了查田定產(chǎn)、第一次土壤普查、第二次土壤普查[1]、耕地地力監(jiān)測(cè)[2]、農(nóng)用地分等定級(jí)[3-5]等眾多耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)工作，對(duì)我國(guó)耕地的類型、分布、性狀、利用情況、障礙因素等多種因子進(jìn)行評(píng)價(jià)和等級(jí)劃分[6-9]。自然資源負(fù)債表是我國(guó)的一項(xiàng)創(chuàng)新制度[10]，相繼有學(xué)者對(duì)其制度本身展開(kāi)研究。文獻(xiàn)[11]認(rèn)為自然資源負(fù)債表是基于環(huán)境承載力、相關(guān)資源功能規(guī)劃、生態(tài)紅線基礎(chǔ)上的相關(guān)平衡性核算。文獻(xiàn)[12]將自然資源負(fù)債表作為一項(xiàng)能夠反映出國(guó)家自然資源“家底”的編報(bào)方法和技術(shù)體系，能夠客觀直接的反響出某一時(shí)期自然資源存量情況。文獻(xiàn)[13]認(rèn)為自然資源負(fù)債表是一種核算報(bào)表，匯總分類反映了自然資源變化和權(quán)益關(guān)系與環(huán)境責(zé)任之間的聯(lián)系。自然資源負(fù)債表的功能主要在于掌握一段時(shí)期內(nèi)自然資源的儲(chǔ)蓄與變動(dòng)，以及體現(xiàn)各經(jīng)濟(jì)主體對(duì)自然資源的消耗、占有和恢復(fù)等的情況[14-15]，這與制定耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)方法體系的目的不謀而合。結(jié)合自然資源負(fù)債表制度的具體要求，開(kāi)展農(nóng)業(yè)農(nóng)村耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)方法與實(shí)證分析對(duì)于完善我國(guó)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)、服務(wù)耕地質(zhì)量提升至關(guān)重要。

因此，本文綜合考慮自然資源負(fù)債表制度的要求，結(jié)合耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)已有研究和不足，從評(píng)價(jià)因子選擇、因子權(quán)重和隸屬度確定、耕地質(zhì)量等級(jí)劃分等方面建立縣域尺度負(fù)債表制度下的耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)方法，并開(kāi)展實(shí)證研究。研究成果為自然資源負(fù)債表編制提供方法支撐。

1 耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)方法

當(dāng)前土地管理由數(shù)量管理為主向數(shù)量質(zhì)量并重管理轉(zhuǎn)變，耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)工作對(duì)我國(guó)實(shí)行最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度具有十分重要的意義。由于評(píng)價(jià)目的不同，截止目前已報(bào)道了眾多耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)方法，也配套出臺(tái)了很多國(guó)家和行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。如《耕地質(zhì)量等級(jí)》(GB/T 33469-2016)、《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》(GB/T 28407-2012)等。不同部門和時(shí)期的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都有所側(cè)重。為了更好地服務(wù)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與方法也應(yīng)隨著時(shí)間和評(píng)價(jià)目的的不同實(shí)時(shí)更新。

(1) 評(píng)價(jià)因子與權(quán)重

根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門自然資源資產(chǎn)負(fù)債表制度的要求，結(jié)合當(dāng)前評(píng)價(jià)因子的不足和當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，確定了縣域尺度涵蓋立地條件、剖面性狀、土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分狀況以及農(nóng)田管理5類17個(gè)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因子。目前確定權(quán)重的方法主要有特爾菲法、層次分析法、主成分分析法和相關(guān)分析法等[16-17]，本研究采用層次分析法和特爾菲法來(lái)確定各評(píng)價(jià)因子權(quán)重。采用特爾斐法時(shí)，根據(jù)20位專家經(jīng)驗(yàn)判斷各評(píng)價(jià)因子對(duì)耕地質(zhì)量的重要程度，構(gòu)造判斷矩陣，再結(jié)合層次分析法，檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性并確定各評(píng)價(jià)因子權(quán)重(見(jiàn)表1)。

表1 耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)因子權(quán)重表

(2) 隸屬度賦分

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，評(píng)價(jià)因子與耕地質(zhì)量之間的關(guān)系分為戒上型函數(shù)、峰型函數(shù)和概念型3種類型的隸屬函數(shù)。戒上型函數(shù)模型適合這種函數(shù)模型的評(píng)價(jià)因子，其數(shù)值越大，相應(yīng)的耕地質(zhì)量水平越高，但到了某一臨界值后，其對(duì)耕地質(zhì)量的正貢獻(xiàn)效果也趨于恒定(如有效土層厚度、有機(jī)質(zhì)含量等)。

(i=1,2,…，m) (1)

式中：yi為第i個(gè)因子的隸屬度；ui為樣品實(shí)測(cè)值；ci為標(biāo)準(zhǔn)因子；ai為系數(shù)；ut為因子下限值。

峰型函數(shù)適合這種函數(shù)模型的評(píng)價(jià)因子，其數(shù)值離一特定的范圍距離越近，相應(yīng)的耕地質(zhì)量水平越高(如土壤pH等)。

(2)

實(shí)際操作過(guò)程中，以上非概念型評(píng)價(jià)因子采用特爾斐法對(duì)一組實(shí)測(cè)值評(píng)估出相應(yīng)的一組隸屬度，并根據(jù)這兩組數(shù)據(jù)擬合隸屬度函數(shù)。

概念型指這類因子其性狀是定性的、非數(shù)值性的，與耕地質(zhì)量之間是一種非線性的關(guān)系，如地形部位、質(zhì)地構(gòu)型、質(zhì)地等。這類因子不需要建立隸屬函數(shù)模型。概念型評(píng)價(jià)因子采用專家打分法，最終確定隸屬度。

(3) 插值方法的選取

空間數(shù)據(jù)插值方法種類繁多，比如反距離加權(quán)插值法、多項(xiàng)式插值法、樣條函數(shù)插值法、趨勢(shì)面插值法、克里金插值法、經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金法和多維分形克里格法等[18-23]，結(jié)合實(shí)證研究，本文遴選普通克里金法(Ordinary kriging，OK)、反距離權(quán)重插值法(Inverse distance weight，IDW)和多維分形克里格法(Multidimensional fractal kriging，MK)三種方法進(jìn)行空間插值。

實(shí)際評(píng)價(jià)過(guò)程中，綜合考慮均方根誤差(RMSE)和判定系數(shù)(R2)，選擇不同評(píng)價(jià)因子的最優(yōu)空間插值方法。

(4) 評(píng)價(jià)與等級(jí)劃分

基于各評(píng)價(jià)因子權(quán)重與隸屬度，采用累加法計(jì)算耕地質(zhì)量綜合指數(shù)。累加法公式如下

P=∑(Ci×Fi)

(3)

式中：P為耕地質(zhì)量綜合指數(shù)；Ci為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的組合權(quán)重；Fi第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的分值。

實(shí)證區(qū)隸屬于黃淮海燕山太行山脈平原農(nóng)業(yè)區(qū)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將耕地質(zhì)量劃分為10個(gè)耕地質(zhì)量等級(jí)。耕地質(zhì)量綜合指數(shù)越大，耕地質(zhì)量水平越高。一等地耕地質(zhì)量最高，十等地耕地質(zhì)量最低。

平均耕地質(zhì)量等級(jí)采用面積加權(quán)法計(jì)算，面積加權(quán)法公式如下

(4)

式中：M為平均耕地質(zhì)量等級(jí)；Ki為第i個(gè)耕地質(zhì)量等級(jí)；Si第i個(gè)耕地質(zhì)量等級(jí)所對(duì)應(yīng)的面積。

2 實(shí)證分析

(1) 實(shí)證區(qū)概況和數(shù)據(jù)獲取

實(shí)證區(qū)為北京市東北部的密云區(qū)，屬燕山山地與華北平原交接地，地形地貌總體呈現(xiàn)三面環(huán)山，中部低緩，西南開(kāi)口的簸箕形。實(shí)證區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)大陸性半濕潤(rùn)半干旱氣候，全年四季分明，冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤(rùn)。年平均氣溫10.8℃，年平均降水量約657mm。2018年密云區(qū)耕地總面積為17 447.80hm2，占全區(qū)土地總面積的7.84%，土地利用類型以耕地、園地、林地和草地為主，四者面積之和占全區(qū)土地總面積的80.47%。

采用網(wǎng)格與分層抽樣相結(jié)合的方法實(shí)證區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)采樣點(diǎn)布設(shè)，抽樣時(shí)綜合考慮行政區(qū)劃、土壤類型、土地利用類型、歷史耕地質(zhì)量、歷史評(píng)價(jià)因子變異函數(shù)變程。全區(qū)共布設(shè)采樣點(diǎn)411個(gè)(見(jiàn)圖1)。采樣工作于2018年9月完成，采用 “S”法取樣，取樣深度為0～20cm，取樣重量為2kg左右。各評(píng)價(jià)因子的調(diào)查測(cè)試方法參考《耕地質(zhì)量等級(jí)》(GB/T 33469-2016)。

圖1 實(shí)證區(qū)地理位置和采樣點(diǎn)分布圖

(2) 實(shí)證區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)本文提出的隸屬度賦分方法，對(duì)土壤容重、速效鉀、耕層厚度、酸堿度、有機(jī)質(zhì)、有效磷、有效土層厚度等七個(gè)非概念型評(píng)價(jià)因子進(jìn)行擬合，從而得到各評(píng)價(jià)因子的隸屬度擬合函數(shù)(見(jiàn)圖2)。

圖2 非概念型評(píng)價(jià)因子隸屬度擬合曲線

以圖2擬合的函數(shù)，確定土壤容重等7個(gè)指標(biāo)的隸屬度。對(duì)于概念型評(píng)價(jià)因子，參照本文提出的賦分方法，確定隸屬度(見(jiàn)表2)。

表2 概念型評(píng)價(jià)因子隸屬度表

耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因子權(quán)重采用本文所給出的權(quán)重。

采用OK法、MK法和IDW法三種方法對(duì)有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀等評(píng)價(jià)因子進(jìn)行空間插值，得到不同評(píng)價(jià)因子不同插值方法的均方根誤差(RMSE)和判定系數(shù)(R2)(見(jiàn)圖3)。

圖3 不同評(píng)價(jià)因子不同插值方法的精度和擬合效果對(duì)比

由圖3可知，不同方法對(duì)于不同評(píng)價(jià)因子的空間預(yù)測(cè)精度不同，三種插值方法對(duì)于所有評(píng)價(jià)因子的RMSE均小于0.5。綜合考慮均方根誤差(RMSE)和判定系數(shù)(R2)，有機(jī)質(zhì)、酸堿度、耕層厚度和土壤容重采用MK法、有效磷、速效鉀分別采用OK、IDW法。

采用各評(píng)價(jià)因子上述確定的權(quán)重與隸屬度，基于ArcGIS平臺(tái)，采用累加法計(jì)算耕地質(zhì)量綜合指數(shù)。

(3) 實(shí)證區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)劃分

根據(jù)本文提出的耕地質(zhì)量等級(jí)劃分方法，繪制耕地質(zhì)量等級(jí)圖(見(jiàn)圖4)。

圖4 實(shí)證區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)圖

由圖4可知，實(shí)證區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)分布與自然條件密切相關(guān)?？傮w來(lái)看，西南部平原區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)較高，北部和東部山區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)較差。說(shuō)明自然資源資產(chǎn)負(fù)債表制度框架下的縣域尺度耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)方法體系能較好的表征耕地質(zhì)量的空間分布規(guī)律。

實(shí)證區(qū)絕大多數(shù)耕地質(zhì)量等級(jí)在六等及以上，占實(shí)證區(qū)總耕地面積的84.40%，主要分布西南部平原區(qū)。西南部平原區(qū)地勢(shì)平坦，農(nóng)田集中連片，土地肥沃，水源充足和道路通達(dá)程度較高。耕地質(zhì)量等級(jí)在七等以下的地區(qū)主要分布在北部山區(qū)，耕地面積占比不足2%。該地區(qū)耕地田塊小、分布零散和基礎(chǔ)設(shè)施條件差。實(shí)證區(qū)平均耕地質(zhì)量等級(jí)為5.3。

(4) 耕地質(zhì)量等級(jí)驗(yàn)證

為驗(yàn)證實(shí)證區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果，基于采樣調(diào)查獲得的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，擬合劃定的耕地質(zhì)量等級(jí)與對(duì)應(yīng)產(chǎn)量間關(guān)系(見(jiàn)圖5)。

圖5 產(chǎn)量與耕地質(zhì)量等級(jí)擬合圖

由圖5可知，耕地質(zhì)量等級(jí)與實(shí)證區(qū)玉米產(chǎn)量呈正相關(guān)，R2大于0.8，擬合程度較好。玉米產(chǎn)量驗(yàn)證結(jié)果與耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果和實(shí)證區(qū)自然地理?xiàng)l件相符合，說(shuō)明應(yīng)用本文構(gòu)建的自然資源資產(chǎn)負(fù)債表制度框架下的縣域尺度耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)方法體系是可行的。

3 結(jié)論

本文在自然資源資產(chǎn)負(fù)債表制度框架下構(gòu)建了縣域尺度耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)方法體系，并以北京市密云區(qū)為例進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與采樣調(diào)查獲得的產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行耕地質(zhì)量等級(jí)驗(yàn)證，研究結(jié)論如下：

(1)評(píng)價(jià)方法體系的構(gòu)建是耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，本文綜合考慮自然資源負(fù)債表制度要求，建立了涵蓋耕地質(zhì)量指標(biāo)體系(5類17個(gè)因子)以及指標(biāo)權(quán)重確定、單元賦分等耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)方法體系；

(2)評(píng)價(jià)結(jié)果是對(duì)評(píng)價(jià)方法體系的有效反映，實(shí)證區(qū)絕大多數(shù)地區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)在六等及以上，占實(shí)證區(qū)總耕地面積的84.40%。實(shí)證區(qū)平均耕地質(zhì)量等級(jí)為5.3。通過(guò)與實(shí)證區(qū)玉米產(chǎn)量驗(yàn)證可知，耕地質(zhì)量等級(jí)與玉米產(chǎn)量呈正相關(guān)，R2大于0.8，擬合程度較好，說(shuō)明本文構(gòu)建的自然資源資產(chǎn)負(fù)債表制度框架下的縣域尺度耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)方法體系是可行的。