趙海樂(lè)，徐 艷，張國(guó)梁，周 翼，常玉旸

·土地保障與生態(tài)安全·

基于限制因子改良與耕地質(zhì)量潛力耦合的耕地整治分區(qū)

趙海樂(lè)，徐 艷※，張國(guó)梁，周 翼，常玉旸

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2. 自然資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

科學(xué)劃定耕地整治重點(diǎn)區(qū)對(duì)于實(shí)現(xiàn)區(qū)域土地資源可持續(xù)利用具有重要意義。該研究以內(nèi)蒙古河套-土默川平原為研究區(qū)，從農(nóng)用地可改良限制因子角度出發(fā)，采取自然等提升潛力指數(shù)模型和局部空間自相關(guān)模型劃分耕地質(zhì)量提升潛力區(qū)，在耦合限制因子改良程度分級(jí)的基礎(chǔ)上，確定耕地整治分區(qū)。研究結(jié)果：1）研究區(qū)耕地質(zhì)量提升主要受限于土壤有機(jī)質(zhì)含量和鹽漬化程度，耕地整治難度整體呈現(xiàn)兩邊高中間低的趨勢(shì)。2）研究區(qū)自然等提升潛力指數(shù)呈現(xiàn)西高東低的分布趨勢(shì)，且耕地質(zhì)量提升潛力空間差異明顯，潛力提升呈現(xiàn)“低-低”聚集特征的耕地多分布在東部，呈現(xiàn)“高-高”聚集特征以及無(wú)聚集特征的耕地多分布在西部。3）研究區(qū)耕地共劃分為4種整治類型，其中重點(diǎn)整治型耕地為0.84萬(wàn)hm2，是實(shí)施耕地整治的重點(diǎn)區(qū)域；選擇整治型耕地為22.22萬(wàn)hm2，應(yīng)選擇其質(zhì)量提升潛力相對(duì)較高且集中連片的地塊進(jìn)行整治；保護(hù)整治型耕地為54.98萬(wàn)hm2，應(yīng)當(dāng)被劃入到基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)內(nèi)；不宜整治型耕地為26.46萬(wàn)hm2，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行有選擇地退出還林還草。該研究提出的研究方法可為細(xì)化限制因子在耕地整治分區(qū)中的應(yīng)用提供參考，同時(shí)研究成果對(duì)半干旱區(qū)耕地整治具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

土地利用；整治；耕地質(zhì)量；限制因子；河套-土默川平原

0 引 言

耕地整治是增加耕地?cái)?shù)量、提高耕地質(zhì)量的重要措施[1-2]。當(dāng)前中國(guó)正處于數(shù)量管控、質(zhì)量管理和生態(tài)管護(hù)“三位一體”的耕地保護(hù)階段，耕地整治也由以增加耕地?cái)?shù)量為主向以提高耕地質(zhì)量、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展的方向轉(zhuǎn)變[3-4]。這一時(shí)期，中國(guó)耕地?cái)?shù)量基本維持在1.35億hm2左右，雖然相較于以前耕地?cái)?shù)量有所增加，但除去重金屬污染、地下水超采和地表層破壞的耕地，中國(guó)適宜耕種的耕地大約有1.2億hm2[5]，其中優(yōu)高等地僅占29.49%，中低等地的比例則達(dá)到了70.51%。因此，在耕地后備資源有限、耕地質(zhì)量總體偏低的形勢(shì)下，要想不斷提升耕地質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略，進(jìn)行土地整治是基本保障和具體途徑[6-7]，這也是農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的必然要求[8]。而深入研究和探討耕地整治分區(qū)與規(guī)劃準(zhǔn)則，明確耕地整治中耕地質(zhì)量等別提升的重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域和不同整治類型區(qū)的主導(dǎo)限制因子，是實(shí)施耕地整治的基礎(chǔ)，對(duì)于保證國(guó)家糧食安全和維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。

近年來(lái)，土地整治的重點(diǎn)在農(nóng)用地，且以改善耕地質(zhì)量為主要目標(biāo)，其中耕地質(zhì)量潛力是耕地整治研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一[9-10]。當(dāng)前關(guān)于耕地質(zhì)量提升潛力的研究大致可分為3方面：一是基于農(nóng)用地分等成果[11-13]，直接將分等因子作為限制因子，以研究區(qū)內(nèi)耕地等別的最大值為目標(biāo)計(jì)算耕地可提升潛力，這類研究的成果可以和農(nóng)用地分等成果有效銜接，但不能完全表征土地整治工程對(duì)耕地質(zhì)量提升的影響；二是采用修正耕地質(zhì)量限制因子評(píng)價(jià)體系的方法[14-16]，依托于土地整治項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)農(nóng)用地分等因子的分值進(jìn)行修正來(lái)測(cè)算潛力，其研究結(jié)果可以為土地整治項(xiàng)目開(kāi)展提供指導(dǎo)作用，但在全國(guó)層面應(yīng)用有一定局限性；三是從土地整治工程角度增加若干評(píng)價(jià)因子[17-18]，進(jìn)行耕地質(zhì)量提升潛力的測(cè)算，這類研究結(jié)果打破了只考慮土壤立地條件以及灌排等基礎(chǔ)設(shè)施影響的傳統(tǒng)農(nóng)用地分等評(píng)價(jià)體系，可以有效地反應(yīng)土地整治工程對(duì)耕地質(zhì)量提升的全面影響，此類研究值得借鑒和參考。當(dāng)前土地整治研究中對(duì)于限制因子的量化分析多用來(lái)計(jì)算耕地質(zhì)量提升潛力以及確定地塊主導(dǎo)限制因子，而且耕地整治分區(qū)的劃定通常只是依據(jù)耕地質(zhì)量提升潛力的大小，這種劃定方法未能考慮到在相同的耕地質(zhì)量提升潛力下，限制因子改良難易程度具有差異，容易造成耕地質(zhì)量提升潛力越大整治重要性越高，而實(shí)際卻難以進(jìn)行整治的誤區(qū)。

基于此，本文以內(nèi)蒙古河套-土默川平原為研究區(qū)域，篩選出農(nóng)用地分等因子中可被整治工程改良的限制因子；采取自然等提升潛力指數(shù)模型進(jìn)行自然等提升潛力指數(shù)測(cè)算并應(yīng)用局部空間自相關(guān)模型對(duì)其結(jié)果進(jìn)行聚合分級(jí)，劃分耕地質(zhì)量提升潛力區(qū)；在對(duì)限制因子可改良性質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，耦合限制因子改良程度分級(jí)，確定耕地整治類型分區(qū)。為新一輪耕地整治重點(diǎn)區(qū)域的劃定以及耕地質(zhì)量提升工程的實(shí)施提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古河套-土默川平原北臨陰山山地，南以鄂爾多斯高原降至河套平原的陡坎為界。研究區(qū)位置示意圖如圖1所示。海拔在900～1 100 m之間，地面平坦，其中河套平原是由西南向東北傾斜，土默川平原則由東北向西南傾斜。區(qū)內(nèi)水源充沛，擁有較為完整的引黃灌溉系統(tǒng)和排水系統(tǒng)，是自治區(qū)發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)的重要地區(qū)。但區(qū)內(nèi)存在灌溉水利用效率低下、水資源有效利用率低等問(wèn)題，且由于可用水資源過(guò)度傾向于農(nóng)業(yè)，導(dǎo)致分配在工業(yè)發(fā)展、城鎮(zhèn)生活以及生態(tài)用水的水資源極為貧乏，水土資源利用在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)失衡。根據(jù)2018年農(nóng)用地分等成果，河套-土默川平原區(qū)耕地的國(guó)家自然質(zhì)量等別分布在8～15等，其中8～9等優(yōu)質(zhì)耕地僅有152 337 hm2，占耕地總面積的14.59%；耕地的國(guó)家利用等別分布在6～15等，處于中低等利用水平，其中利用水平較高的6～9等耕地共52 956 hm2，占耕地總面積的5.07%；耕地的國(guó)家經(jīng)濟(jì)等別分布在7～15等，其中經(jīng)濟(jì)效益較好的7～9等耕地共86 607 hm2，占耕地總面積的8.29%。綜上所述，本區(qū)雖然存在部分高質(zhì)量耕地，但是數(shù)量有限，耕地分布以中低等地為主，且本區(qū)耕地過(guò)度利用現(xiàn)象較嚴(yán)重，重開(kāi)發(fā)輕保護(hù)，致使部分耕地質(zhì)量下降，等別偏低，需要通過(guò)耕地整治提升耕地質(zhì)量和改善生產(chǎn)生態(tài)條件，最終實(shí)現(xiàn)利用等和經(jīng)濟(jì)等的提升。

圖1 研究區(qū)域范圍

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括內(nèi)蒙古自治區(qū)2018年耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)庫(kù)、內(nèi)蒙古自治區(qū)縣級(jí)行政區(qū)劃等矢量數(shù)據(jù)，以及《內(nèi)蒙古自治區(qū)2018年耕地質(zhì)量等別調(diào)查評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)工作實(shí)施方案》、《中國(guó)耕地質(zhì)量等級(jí)調(diào)查與評(píng)定（內(nèi)蒙古卷）》等文本圖件數(shù)據(jù)。其中研究區(qū)灌溉保證率、排水條件、鹽漬化程度等分等因子分級(jí)屬性，以及光溫生產(chǎn)潛力指數(shù)、氣候生產(chǎn)潛力指數(shù)、作物產(chǎn)量比系數(shù)等均由耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)庫(kù)中獲??；指定作物分等因子的自然質(zhì)量分計(jì)分規(guī)則和權(quán)重來(lái)源于《中國(guó)耕地質(zhì)量等級(jí)調(diào)查與評(píng)定（內(nèi)蒙古卷）》。

1.2.2 可改良限制因子識(shí)別與獲取

根據(jù)《中國(guó)耕地質(zhì)量等級(jí)調(diào)查與評(píng)定（內(nèi)蒙古卷）》，確定內(nèi)蒙古耕地分等平原指標(biāo)區(qū)的評(píng)價(jià)因子主要為表層土壤質(zhì)地、土壤鹽漬化程度、灌溉保證率、排水條件、障礙層距地表深度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、剖面構(gòu)型和灌溉水源8種限制因子。根據(jù)《土地整治項(xiàng)目驗(yàn)收規(guī)程》（TD/T1013-2013），土地整治項(xiàng)目質(zhì)量驗(yàn)收內(nèi)容為有效土層厚度、鹽漬化程度、灌溉保證率、排水條件、土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)含量和表層土壤質(zhì)地7種因子。這些因子經(jīng)過(guò)土地整治工程改良后，其屬性可以發(fā)生改變，而其余分等因子在整治過(guò)程中，都是在資金、技術(shù)現(xiàn)狀以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)背景下，存在近期開(kāi)發(fā)難度大、生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重、并且不適合大面積推廣等問(wèn)題[19-20]?；诖耍疚母乜筛牧枷拗埔蜃邮侵冈谝欢ǖ慕?jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下，經(jīng)過(guò)土地整治工程的實(shí)施，其自然屬性能發(fā)生正向改良的農(nóng)用地分等因子。因此，本文選取可改良限制因子包括表層土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、灌溉保證率、排水條件和鹽漬化程度5種因子（表1）。

1.3 研究方法

1.3.1 評(píng)價(jià)單元的確定

以網(wǎng)格為評(píng)價(jià)單元，可以打破行政區(qū)界線的限制，切實(shí)反映耕地的綜合質(zhì)量狀況，相較于其他評(píng)價(jià)單元更加精確[21-22]，因此本文采用網(wǎng)格作為評(píng)價(jià)單元。由于網(wǎng)格的大小會(huì)影響數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理的結(jié)果，當(dāng)網(wǎng)格過(guò)小時(shí)，會(huì)帶入大量冗余；網(wǎng)格過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致大的異質(zhì)性的出現(xiàn)，故本文主要從不同網(wǎng)格尺度下自然等提升潛力指數(shù)的異質(zhì)性和冗余性兩方面來(lái)綜合衡量網(wǎng)格的適宜性[23-24]。其中異質(zhì)性通過(guò)潛力指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差衡量，冗余性通過(guò)潛力指數(shù)的純網(wǎng)格比例衡量，由于2項(xiàng)指標(biāo)的重要程度相當(dāng)，故權(quán)重統(tǒng)一設(shè)置為0.5，網(wǎng)格的篩選區(qū)間為100～1 000 m，間隔設(shè)置為100 m?！凹兙W(wǎng)格”是指內(nèi)部所有耕地斑塊潛力指數(shù)均一致的網(wǎng)格。標(biāo)準(zhǔn)差越小、純網(wǎng)格比例越低，對(duì)應(yīng)非均質(zhì)性越低、冗余性越低。將2類指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理后，綜合計(jì)算適宜性大小，最終確定最適宜網(wǎng)格為500 m，不同網(wǎng)格適宜性分值如圖2所示。

表1 河套-土默川平原耕地質(zhì)量可改良限制因子參數(shù)

圖2 不同網(wǎng)格尺度下自然等提升潛力指數(shù)適宜性曲線

1.3.2 限制因子改良程度判定標(biāo)準(zhǔn)

由于作物生長(zhǎng)取決于生活環(huán)境對(duì)其最適生長(zhǎng)環(huán)境因子值的滿足程度，滿足程度小的則是影響作物生長(zhǎng)的主要限制因子，也是影響農(nóng)用地生產(chǎn)能力發(fā)揮的主要原因[25-26]。滿足程度最小的為第一限制因子，即最大限制因子，次之為第二限制因子，依次類推[27-28]。根據(jù)這一原則和表1因子分級(jí)分值標(biāo)準(zhǔn)，分等因子得分在50分及以下時(shí)，該因子就會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)有主要限制作用。因此將分等因子分值在0～50分之間的視為高限制因子，分值在50～70分之間的視為中限制因子，分值在70～90分之間的視為低限制因子，分值在90～100分之間的視為無(wú)限制因子。

通常情況下，可改良因子的限制程度達(dá)到中等水平就會(huì)對(duì)耕地質(zhì)量潛力提升有明顯的抑制作用[29]。在可改良限制因子組合類型中，評(píng)價(jià)單元中含有高限制因子個(gè)數(shù)越多，耕地改良的難度相對(duì)就越大。并且耕地整治改良的難度還與限制因子本身性質(zhì)有關(guān)，限制程度相同的單元，由于限制因子的類型的不同，其改良的難度也會(huì)有所不同。例如表層土壤質(zhì)地和土壤有機(jī)質(zhì)含量2個(gè)因子雖然可以進(jìn)行改良提升，但一般需要長(zhǎng)時(shí)間大型土壤改良工程的投入，難度相對(duì)較大；而灌溉保證率、排水條件和土壤鹽漬化程度3個(gè)因子相對(duì)容易改良，可以通過(guò)對(duì)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，時(shí)間和資金成本相對(duì)較低。因此，本文基于評(píng)價(jià)單元內(nèi)因子的限制程度、個(gè)數(shù)以及限制性質(zhì)，將限制因子改良程度由易到難劃分為3個(gè)等級(jí)，具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 限制因子改良程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.3 自然等提升潛力指數(shù)模型

自然等提升潛力指數(shù)模型的構(gòu)建是基于限制性因子指數(shù)模型，其所依據(jù)的限制因子定律最早由德國(guó)化學(xué)家李比西提出，又稱最低定律或最小定律[30]。在耕地質(zhì)量等別提升潛力研究中，認(rèn)為得分最低的指標(biāo)因子實(shí)際上是制約耕地質(zhì)量提升的最大限制性因子[12]。自然等提升潛力指數(shù)模型是在耕地質(zhì)量自然等指數(shù)計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，篩選出評(píng)價(jià)單元內(nèi)影響耕地質(zhì)量提升的指標(biāo)因子，將其最大分值與實(shí)際分值進(jìn)行比較，兩者之間的差值即為各個(gè)指標(biāo)因子可提升的潛力指數(shù)[11]。自然等提升潛力指數(shù)模型的計(jì)算公式為

式中T為第個(gè)評(píng)價(jià)單元內(nèi)第個(gè)限制性因子的自然等提升潛力指數(shù)；R為第個(gè)評(píng)價(jià)單元內(nèi)第個(gè)限制性因子在該評(píng)價(jià)單元內(nèi)的最大貢獻(xiàn)值；r為第個(gè)評(píng)價(jià)單元內(nèi)第個(gè)限制性因子在該評(píng)價(jià)單元內(nèi)的實(shí)際貢獻(xiàn)值；w為第種指定作物的第個(gè)限制性因子的權(quán)重；F為第個(gè)評(píng)價(jià)單元內(nèi)第種指定作物的第個(gè)限制性因子的最大質(zhì)量分值；f為第個(gè)評(píng)價(jià)單元內(nèi)第種指定作物的第個(gè)限制性因子的實(shí)際質(zhì)量分值；α為第種指定作物的光溫（氣候）生產(chǎn)潛力指數(shù)；β為第種指定作物的產(chǎn)量比系數(shù)。

1.3.4 空間自相關(guān)分析

根據(jù)地理學(xué)第一定律，地理事物或?qū)傩栽诳臻g分布上都具有關(guān)聯(lián)性，彼此之間的距離越近，其相關(guān)程度越強(qiáng)[31]?？臻g自相關(guān)表征的是地理事物或?qū)傩詽撛诘南嗷ヒ蕾囆?，其空間分布模式表現(xiàn)為聚集、離散和隨機(jī)3種狀態(tài)。而空間自相關(guān)分析則是揭示某一地理事物或?qū)傩栽诳臻g上的關(guān)聯(lián)性程度，通常用空間自相關(guān)系數(shù)來(lái)衡量空間自相關(guān)的程度[32]，其中最常用的就是全局莫蘭指數(shù)（Global Moran’s I）和局部莫蘭指數(shù)（Local Moran’s I）。本文以網(wǎng)格作為空間自相關(guān)分析的評(píng)價(jià)單元，并通過(guò)局部莫蘭指數(shù)來(lái)量化自然等提升潛力指數(shù)的空間分布關(guān)聯(lián)性。采取面鄰接關(guān)系描述研究單元的空間屬性，以Queen's Case鄰接原則確定空間權(quán)重，若存在共享邊或共享角，則權(quán)重為1；否則為0。耕地質(zhì)量提升潛力可按照HH（高-高）型、LL（低-低）型、HL（高-低）型、LH（低-高）型和非顯著型劃分為5種不同類型。局部空間自相關(guān)計(jì)算公式為

3 結(jié)果與分析

3.1 限制因子改良程度分級(jí)

按照限制因子改良程度分級(jí)的判定標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)耕地劃分為3個(gè)等級(jí)區(qū)（表3，圖3）。

一級(jí)區(qū)共230 583.78 hm2，占耕地總面積的22.06%，大部分集中在烏拉特前旗和土默特右旗。該地區(qū)耕地的高限制因子個(gè)數(shù)在2個(gè)及以下，高限制因子數(shù)量少且易改良，耕地整治難度較小。二級(jí)區(qū)共116 229.97 hm2，占耕地總面積的11.12%，是3個(gè)等級(jí)區(qū)中面積最小的區(qū)域，集中分布在五原縣以及烏拉特前旗的西部和中北部。該地區(qū)耕地的可改良因子限制程度多為中等水平，或者只含有1到2個(gè)高限制因子，但由于其可改良限制因子組合類型中含有不易改良的土壤因子（如表層土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量），耕地整治難度相對(duì)較大。三級(jí)區(qū)共698 208.12 hm2，占耕地總面積的66.81%，是3個(gè)等級(jí)區(qū)中面積最大的區(qū)域，主要分布在土默川平原以及河套平原西部的4個(gè)縣旗區(qū)。該地區(qū)的耕地全部都含有高限制因子，而且其高限制因子的類型主要是表層土壤質(zhì)地或土壤有機(jī)質(zhì)含量。耕地自然限制因子數(shù)量較多且限制因子類型不易改良，因此耕地整治難度很大。

表3 限制因子改良程度分級(jí)匯總表

注：白色區(qū)域指研究區(qū)中非耕地的土地利用類型，下同。

3.2 自然等提升潛力指數(shù)分析

基于《中國(guó)耕地質(zhì)量等級(jí)調(diào)查與評(píng)定（內(nèi)蒙古卷）》確定可改良限制因子的權(quán)重，利用面積加權(quán)法計(jì)算得到研究區(qū)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)不同限制因子的自然等提升潛力指數(shù)及其綜合潛力指數(shù)，并且借助ArcGIS10.7的自然斷點(diǎn)法，對(duì)提升潛力指數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分，結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4中可以看出，河套-土默川平原耕地自然等提升潛力指數(shù)在空間上表現(xiàn)出一定的連片分布，潛力指數(shù)整體處于中等偏上的水平，呈現(xiàn)西高東低的分布趨勢(shì)。自然等提升潛力指數(shù)一般和較高的耕地主要分布在河套平原，提升潛力指數(shù)較低的耕地主要分布在土默川平原。其中自然等提升潛力指數(shù)較高的耕地，主要集中在臨河區(qū)、烏拉特前旗的中部和西部以及九原區(qū)、東河區(qū)的南部，這些區(qū)域提升潛力指數(shù)的限制因子主要為有機(jī)質(zhì)含量、排水條件或鹽漬化，在該地區(qū)有針對(duì)性的實(shí)施整治工程，可以有效提升耕地質(zhì)量；自然等提升潛力指數(shù)一般的耕地呈現(xiàn)團(tuán)狀或條狀分布，位于提升潛力指數(shù)較高和較低耕地的周圍，屬于潛力指數(shù)的過(guò)渡區(qū)域，分布的區(qū)域主要包括五原縣、臨河區(qū)、杭錦后旗、磴口縣中西部，以及烏拉特前旗和土默特右旗中部。自然等提升潛力指數(shù)較低的耕地主要分布在土默特左旗、土默特右旗、托克托縣、新城區(qū)，以及烏拉特前旗西部和南部部分區(qū)域，該地區(qū)的光、熱資源充足，有引黃灌溉條件，黃灌與井灌有效結(jié)合，是內(nèi)蒙古自治區(qū)的主要產(chǎn)糧區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度較高，耕地質(zhì)量相對(duì)較好。

圖4 不同限制因子的自然等提升潛力指數(shù)分布

3.3 耕地質(zhì)量提升潛力分級(jí)

本文利用局部自相關(guān)模型對(duì)自然等提升潛力指數(shù)的空間分布特征進(jìn)行整體描述并劃分耕地質(zhì)量提升潛力級(jí)別。其中耕地質(zhì)量提升潛力數(shù)量結(jié)構(gòu)特征從表4中可以看出，研究區(qū)66 471個(gè)網(wǎng)格中，有17 135個(gè)網(wǎng)格呈現(xiàn)“HH”型分布，占比為25.78%；有30個(gè)網(wǎng)格呈現(xiàn)“HL”型分布，占比0.05%；有135個(gè)網(wǎng)格呈現(xiàn)“LH”型分布，占比0.20%；有21 009個(gè)網(wǎng)格呈現(xiàn)“LL”型分布，占比31.61%；有28 162個(gè)網(wǎng)格呈現(xiàn)“NN”型分布，占比42.37%。通過(guò)進(jìn)一步分析各個(gè)縣旗區(qū)耕地質(zhì)量提升潛力的空間聚集程度可以看出，“HH”型網(wǎng)格主要分布在河套平原的臨河區(qū)、五原縣、磴口縣、烏拉特前旗，以及土默川平原的九原區(qū)、東河區(qū)；“LL”型網(wǎng)格主要分布在河套平原的烏拉特前旗西部和南部，以及土默川平原的土默特左旗、土默特右旗、托克托縣、新城區(qū)；“HL”型和“LH”型網(wǎng)格數(shù)量較少且分布零散，主要位于青山區(qū)、土默特右旗、烏拉特前旗。

表4 自然等提升潛力指數(shù)局部空間自相關(guān)分析

注：HH、HL、LH、LL、NN分別表示高-高、高-低、低-高、低-低、非顯著。

Note: HH, HL, LH, LL, and NN refer to high-high, high-low, low-high, low-low and non-significant, respectively.

根據(jù)耕地質(zhì)量提升潛力的空間分布特征，將研究區(qū)耕地按其質(zhì)量提升潛力的空間分布狀況進(jìn)行劃分，其中耕地質(zhì)量提升潛力一級(jí)區(qū)為“HH”型和“HL”型網(wǎng)格區(qū)域、耕地質(zhì)量提升潛力二級(jí)區(qū)為“LH”型和“LL”型網(wǎng)格區(qū)域、耕地質(zhì)量提升潛力三級(jí)區(qū)為“NN”型網(wǎng)格區(qū)域（圖5）。

圖5 內(nèi)蒙古河套-土默川平原耕地質(zhì)量提升潛力分級(jí)

3.4 耕地整治類型分區(qū)

將限制因子改良程度分級(jí)和耕地質(zhì)量提升潛力分級(jí)進(jìn)行空間疊加，把河套平原區(qū)的耕地分為重點(diǎn)整治型、選擇整治型、保護(hù)整治型、不宜整治型4種類型（圖6），在綜合考慮耕地質(zhì)量提升潛力大小和限制因子可改良難易程度的基礎(chǔ)上，分析整治工程的理論收益和實(shí)際整治難度，確保實(shí)現(xiàn)耕地整治效益最大化。

圖6 內(nèi)蒙古河套-土默川平原耕地整治類型分區(qū)

重點(diǎn)整治型的耕地是耕地整治的重點(diǎn)區(qū)域，該類型區(qū)的耕地總體上可提升潛力較大且整治難度低。該類型區(qū)是限制因子改良程度一級(jí)區(qū)與耕地質(zhì)量提升潛力一級(jí)區(qū)的耦合區(qū)域，共0.84萬(wàn)hm2，占耕地總面積的0.80%，主要分布在烏拉特前旗和五原縣。該類型區(qū)的耕地質(zhì)量提升平均潛力為567且限制因子相對(duì)容易改良，整治后可提升的潛力空間較大，呈“HH”型分布耕地的比例達(dá)到了99.40%，耕地質(zhì)量提升潛力呈高高聚集狀態(tài)分布，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田連片區(qū)域進(jìn)行整治，滿足農(nóng)田連片種植的要求。該類型區(qū)的耕地質(zhì)量限制因子以單因子限制為主，有0.72萬(wàn)hm2耕地鹽漬化程度為重度或中度，限制等級(jí)為高限制，占本類型耕地總面積的86.08%，表明鹽漬化是占主導(dǎo)地位的限制因子，而以排水條件作為高限制因子的耕地僅占此類型耕地的35.65%。未來(lái)耕地整治的方向主要以典型區(qū)域鹽漬化治理為主，排水條件次之。具體整治措施主要包括：1）加大農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，維護(hù)灌區(qū)內(nèi)排干系統(tǒng)，加大節(jié)水灌溉等技術(shù)的推進(jìn)；2）針對(duì)不同鹽漬化程度的耕地，因地制宜地采取綜合措施，在低洼易澇和鹽堿嚴(yán)重的地區(qū)設(shè)置排澇泵站，排除多余的地面水和過(guò)多的土壤水分；3）控制地下水位，加速土壤脫鹽，改善土壤的鹽漬化條件。

選擇整治型的耕地可以對(duì)其進(jìn)行有選擇地整治，該類型區(qū)的耕地總體上可提升潛力一般但整治難度低。該類型區(qū)是限制因子改良程度一級(jí)區(qū)與耕地質(zhì)量提升潛力二級(jí)區(qū)、三級(jí)區(qū)的耦合區(qū)域，共22.22萬(wàn)hm2，占耕地總面積的21.26%，集中分布在烏拉特前旗和土默特右旗。該類型區(qū)的耕地質(zhì)量提升平均潛力為232，和重點(diǎn)整治型相比有明顯地下降，但本類型耕地的高限制因子數(shù)量少且限制程度低，高限制因子屬于相對(duì)最易改良的類型，基本通過(guò)對(duì)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維護(hù)實(shí)現(xiàn)，時(shí)間成本相對(duì)較低。該類型區(qū)有83.95%的耕地限制因子水平為中等及以下，其余耕地限制因子以單因子限制為主，高限制因子類型為灌溉保證率、排水條件和鹽漬化程度，分別占本類型耕地的2.18%、1.98%和12.07%。其中有58.28%的耕地呈現(xiàn)“LL”型分布，這部分耕地質(zhì)量潛力均值為154，相對(duì)偏低但連片性高，便于大規(guī)模整治工程的實(shí)施；有41.66%的耕地呈現(xiàn)“NN”型分布，這部分耕地質(zhì)量潛力均值為340，雖無(wú)明顯的集聚特征但潛力值總體偏高，經(jīng)過(guò)整治后可獲得較大的收益。本類型耕地整治的方向主要是加強(qiáng)灌排等基礎(chǔ)水利設(shè)施的建設(shè)以及對(duì)表層土壤含鹽量高的區(qū)域進(jìn)行改良。具體整治措施主要包括：1）因地制宜地采用地面引水和打井開(kāi)采地下水相結(jié)合的方法增加水源，以提高抗旱能力；2）綜合考慮地形坡度、水源位置以及土壤質(zhì)地等條件，合理設(shè)計(jì)引水模式以及溝渠布局體系，提高灌溉保證率；3）同時(shí)適度開(kāi)溝挖排水溝，防止雨后和灌溉后積水受漬，合理安排灌排設(shè)施的布局。

保護(hù)整治型的耕地應(yīng)當(dāng)被劃入到基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)內(nèi)，該類型區(qū)的耕地總體上可提升潛力一般且整治難度高。該類型區(qū)是限制因子改良程度二級(jí)區(qū)、三級(jí)區(qū)與耕地質(zhì)量提升潛力二級(jí)區(qū)、三級(jí)區(qū)的耦合區(qū)域，共54.98萬(wàn)hm2，占耕地總面積的52.62%，為耕地面積最大的類型，在研究區(qū)15個(gè)縣旗區(qū)內(nèi)均有分布。該類型區(qū)的耕地質(zhì)量提升平均潛力為315，整治后可獲得的效益較少，且能有效提升該地區(qū)耕地質(zhì)量潛力的有機(jī)質(zhì)改良需要長(zhǎng)時(shí)間大型土壤改良工程的投入，時(shí)間和資金成本較高，再加上本區(qū)域耕地的自然質(zhì)量等別較高、自然條件較好等因素，因此本類型的耕地不宜實(shí)施大規(guī)模的整治工程，應(yīng)以耕地保護(hù)為主。該類型區(qū)有96.23%耕地的高限制因子數(shù)量在2個(gè)及以下，其中單項(xiàng)高限制因子以有機(jī)質(zhì)為主，有39.23萬(wàn)hm2耕地的有機(jī)質(zhì)含量低于2.0%，占本類型耕地總面積的71.35%；組合高限制因子以有機(jī)質(zhì)-灌溉為主，有4.60萬(wàn)hm2耕地的有機(jī)質(zhì)含量低于2.0%且灌溉保證率低于40%，占本類型耕地面積的8.37%。其中本類型區(qū)提升潛力值呈“LL”型分布的耕地面積為20.70萬(wàn)hm2，該區(qū)域是高質(zhì)量耕地的聚集區(qū)，區(qū)域內(nèi)限制因子分布較少，區(qū)域自然條件較好，耕地集中連片分布，區(qū)域內(nèi)優(yōu)質(zhì)耕地占比高，為耕地利用提供了良好的基礎(chǔ)，可以將該區(qū)域的耕地劃入重點(diǎn)保護(hù)區(qū)，盡量避免經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)耕地質(zhì)量的影響。具體整治措施主要包括：1）加強(qiáng)農(nóng)田基本建設(shè)，建設(shè)抗旱高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田；2）增施有機(jī)肥，注重培肥土壤，提高土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；3）平整土地，深耕翻土，改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤肥力。

不宜整治型的耕地應(yīng)當(dāng)有選擇地實(shí)行退耕，該類型區(qū)的耕地總體上可提升潛力較高但整治難度高。該類型區(qū)是限制因子改良程度二級(jí)區(qū)、三級(jí)區(qū)與耕地質(zhì)量提升潛力一級(jí)區(qū)的耦合，其涵蓋的耕地面積為26.46萬(wàn)hm2，占耕地總面積的25.32%，主要分布在研究區(qū)的中西部。該類型區(qū)的耕地質(zhì)量提升平均潛力為615，是潛力提升最大的類型區(qū)，其呈“HH”型分布的耕地面積為26.43萬(wàn)hm2，占本類型耕地的99.90%，耕地質(zhì)量潛力呈現(xiàn)高高聚集分布，從理論上來(lái)講是整治后可獲得最大收益的區(qū)域，但是由于其組合限制因子類型中含有不宜改良的土壤因子，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期的大型土壤改良和綜合整治工程才能克服，成本高且難度大。再綜合考慮該區(qū)域耕地的自然質(zhì)量等別一般、限制因子數(shù)量多且主要限制因子類型不易改良等因素，因此本類型區(qū)的耕地不宜進(jìn)行耕地整治。為了緩解當(dāng)?shù)厮临Y源矛盾，減輕水資源利用壓力，應(yīng)當(dāng)將本類型中自然質(zhì)量等別較低的耕地進(jìn)行有序地退出還林還草，提高當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)空間和生活空間的可利用水資源量。

4 討 論

河套-土默川平原位于黃河流域范圍內(nèi)，是內(nèi)蒙古自治區(qū)優(yōu)質(zhì)耕地的集中分布區(qū)。本文從網(wǎng)格尺度揭示了影響區(qū)域耕地質(zhì)量的限制因子，并在此基礎(chǔ)上劃分了4類耕地整治類型區(qū)，不僅拓寬了耕地質(zhì)量研究的內(nèi)容，而且為當(dāng)?shù)卣喂こ痰木珳?zhǔn)實(shí)施提供了參考。

本文以網(wǎng)格作為評(píng)價(jià)單元，可以將耕地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，實(shí)現(xiàn)耕地的多級(jí)層次化管理，提高信息檢索與更新效率，有利于利用3S等技術(shù)對(duì)耕地定位與現(xiàn)場(chǎng)檢查，易于與遙感圖像像元匹配，有助于當(dāng)?shù)鼗巨r(nóng)田朝規(guī)整化方向建設(shè)。除此之外，本文通過(guò)改進(jìn)的分等因子組合法，準(zhǔn)確識(shí)別出研究區(qū)農(nóng)用地分等因子中可被整治工程改良的限制因子，克服了傳統(tǒng)分等因子組合法中農(nóng)用地分等因子和土地整治工程不銜接的障礙，減少了對(duì)土地整治難以改良的分等因子的重復(fù)組合計(jì)算，提高了方法的適用范圍，有助于明確整治工程方向。

耕地自然質(zhì)量水平可以定性定量地評(píng)價(jià)耕地整治潛力大小，但是由于缺乏對(duì)整治難度和可實(shí)現(xiàn)性的考慮，在當(dāng)前技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展條件下，潛力大的地區(qū)往往很難通過(guò)整治達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量目標(biāo)，甚至有些土地不適合整治成耕地，潛力往往被高估。本文將限制因子改良程度分級(jí)和耕地質(zhì)量提升潛力分級(jí)進(jìn)行空間疊加，在綜合考慮耕地質(zhì)量提升潛力大小和限制因子可改良難易程度的基礎(chǔ)上，分析整治工程的理論收益和實(shí)際整治難度，確保耕地整治效益能夠最大化。其中制定限制因子改良程度判定標(biāo)準(zhǔn)，能夠明確識(shí)別不同耕地的整治難易程度，找出整治難度相對(duì)較小的分布區(qū)；另外采取自然等提升潛力指數(shù)模型，可以準(zhǔn)確劃分出不同耕地自然等提升潛力指數(shù)水平，找出潛力指數(shù)相對(duì)較大的分布區(qū)，再結(jié)合局部空間自相關(guān)模型，對(duì)區(qū)域內(nèi)耕地潛力指數(shù)集聚程度進(jìn)行分析，二者的耦合能夠很好地指導(dǎo)土地整治工程的實(shí)施。

為了使研究成果與耕地質(zhì)量分等成果相互銜接，文中在選擇限制因子時(shí)主要考慮農(nóng)用地分等中的因子，未考慮影響耕地質(zhì)量的其他因子。但是農(nóng)用地分等因子中只包含了土壤立地條件以及灌排基礎(chǔ)設(shè)施等影響因子，未充分涵蓋土地整治工程措施對(duì)耕地生產(chǎn)條件改善等方面帶來(lái)的影響，也即《農(nóng)用地分等規(guī)程》中所提到的土地利用系數(shù)。因此在進(jìn)一步的研究中需要結(jié)合已有整治工程對(duì)耕地利用質(zhì)量的影響，補(bǔ)充耕地整治可改造的生產(chǎn)環(huán)境條件因子，構(gòu)建基于耕地生產(chǎn)條件可改善和綜合考慮生產(chǎn)、生活、生態(tài)作用的土地利用系數(shù)指標(biāo)體系，以此來(lái)修訂已有土地利用系數(shù)，使得評(píng)價(jià)更為全面客觀。

5 結(jié) 論

本研究從農(nóng)用地可改良限制因子角度出發(fā)，構(gòu)建自然等提升潛力指數(shù)模型和空間自相關(guān)分析模型，在耕地質(zhì)量提升潛力分級(jí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行限制因子改良程度分級(jí)與耦合分析，從網(wǎng)格尺度分析不同整治類型區(qū)內(nèi)耕地質(zhì)量提升潛力的空間格局、主導(dǎo)限制因子的分布特征以及未來(lái)耕地整治的重點(diǎn)方向，主要得到以下結(jié)論。

1）研究區(qū)耕地質(zhì)量提升主要受限于土壤有機(jī)質(zhì)含量和鹽漬化程度，屬于限制因子改良程度一級(jí)區(qū)的耕地主要集中在研究區(qū)的中部，而屬于限制因子改良程度二級(jí)區(qū)和三級(jí)區(qū)的耕地主要集中在東部和西部，耕地整治難度整體呈現(xiàn)兩邊高中間低的趨勢(shì)，其中烏拉特前旗內(nèi)耕地的整治難度處于研究區(qū)最低水平，未來(lái)可將該地區(qū)耕地作為耕地整治優(yōu)先考慮的區(qū)域。

2）研究區(qū)自然等提升潛力指數(shù)整體處于中等水平，且呈現(xiàn)西高東低的分布趨勢(shì)。耕地質(zhì)量提升潛力空間差異明顯，其中東部土默川平原內(nèi)耕地質(zhì)量提升潛力主要呈現(xiàn)“LL”聚集型分布，屬于正相關(guān)類型且集中連片；而西部河套平原內(nèi)耕地質(zhì)量提升潛力呈現(xiàn)“HH”聚集型的耕地主要分布在中部區(qū)域，“LL”聚集型的耕地面積較少且零星分布，其余耕地為“NN”型分布。

3）根據(jù)耦合分析結(jié)果，研究區(qū)耕地共劃分為4種整治類型，其中重點(diǎn)整治型內(nèi)耕地質(zhì)量提升潛力呈現(xiàn)高高聚集分布且整治難度小，是建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田和耕地近期整治的重點(diǎn)區(qū)域；選擇整治型內(nèi)耕地質(zhì)量提升潛力整體偏低，但限制因子數(shù)量少且限制程度低，高限制因子屬于相對(duì)易改良的類型，可以選擇耕地質(zhì)量潛力相對(duì)較高且集中連片的地塊作為耕地中長(zhǎng)期整治的重點(diǎn)區(qū)域；保護(hù)整治型內(nèi)耕地質(zhì)量提升潛力較低且整治難度大，進(jìn)行整治后效益較低，但該區(qū)域是高質(zhì)量耕地的聚集區(qū)，區(qū)域內(nèi)優(yōu)質(zhì)耕地占比高，可以將該區(qū)域耕地劃入重點(diǎn)保護(hù)區(qū)；不宜整治型內(nèi)耕地自然質(zhì)量等別一般且主要限制因子屬于不易改良類型，耕地整治的難度大且效益低，不宜開(kāi)展耕地整治，應(yīng)當(dāng)將本類型中自然質(zhì)量等別較低的耕地進(jìn)行有序地退出還林還草。

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Farmland consolidation zoning based on coupling of improved limiting factors and farmland quality potential

Zhao Haile, Xu Yan※, Zhang Guoliang, Zhou Yi, Chang Yuyang

(1. College of Land Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Key Laboratory for Agricultural Land Qualify, Monitoring and Control, Ministry of Natural Resources, Beijing 100193, China)

Sustainable utilization of regional land resources requires to scientifically delimit the key areas of farmland consolidation. In this study, taking the Hetao-Tumechuan plain of Inner Mongolia as the research area, the zoning type of farmland consolidation was determined via coupling the limiting factors on the improvement degree of classification, particularly from the improvable limiting factors of farmland. The promotion potential index model of quality grades, and the local spatial auto correlation model were adopted to divide the improvement potential area of farmland quality. The results showed that: 1) the improvement of farmland quality was mainly limited by the content of soil organic matter and the degree of salinization. The farmland in the grade one of improvement degree for the limiting factors was mainly concentrated in the middle region of study area, while, that of grade two and three was in the eastern and western area. The difficulty of farmland consolidation behaved a trend of “high on both sides but low in the middle”. 2) The distribution of promotion potential index in the physical quality grade was high in the West but low in the East. There were obvious spatial differences in the improvement potential of farmland quality. In the eastern Tumechuan plain, the improvement potential of farmland quality mainly presented the “l(fā)ow-low” aggregation distribution, indicating the positive correlation type and concentrated contiguous distribution. In the Western Hetao Plain, the improvement potential of farmland quality with “high-high” aggregation type was mainly distributed in the central region, and the farmland area with the “l(fā)ow-low” aggregation type was less and sporadic, as well as the rest of farmland behaved the non-aggregation type. 3) The farmland in the study area was divided into four types. The farmland of key-consolidation type was 0.84×104hm2. The promotion potential of farmland quality in this type was higher, while, the difficulty of its consolidation was low, indicating the preferred area of farmland consolidation. The farmland of select-consolidation type was 22.22×104hm2. The promotion potential of farmland quality in this type was general overall, but the difficulty of its consolidation was relatively low, where the land with the relatively high potential for the quality improvement and concentrated contiguous can be chosen to implement the land consolidation. The farmland of protected-consolidation type was 54.98×104hm2. The promotion potential of farmland quality in this type was general overall, and the difficulty of its consolidation was high, which can be included in the protective zone of prime farmland. The farmland of unsuitable-consolidation type was 24.46×104hm2. The promotion potential of farmland quality in this type was higher overall, but the difficulty of its consolidation was high, which can be selectively returned to forest and grassland. The proposed method can provide a sound reference for the application of some limiting factors in farmland consolidation zoning in semi-arid areas.

land use; consolidation; farmland quality; limiting factors; Hetao-Tumechuan Plain

趙海樂(lè)，徐艷，張國(guó)梁，等. 基于限制因子改良與耕地質(zhì)量潛力耦合的耕地整治分區(qū)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(21)：272-282. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.033 http://www.tcsae.org

Zhao Haile, Xu Yan, Zhang Guoliang, et al. Farmland consolidation zoning based on coupling of improved limiting factors and farmland quality potential[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 272-282. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.033 http://www.tcsae.org

2020-09-23

2020-10-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41301614）；國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201411009）

趙海樂(lè)，研究方向?yàn)橥恋乩迷u(píng)價(jià)。Email：s20193030514@cau.edu.cn

徐艷，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橥恋乩迷u(píng)價(jià)和土地整治。Email：xyan@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.033

F301.21

A

1002-6819(2020)-21-0272-11