張 慧, 欒思雨, 叢 蓉

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理與法學(xué)院, 哈爾濱 150000)

消除饑餓,實(shí)現(xiàn)糧食安全,改善營(yíng)養(yǎng)狀況和促進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)是聯(lián)合國(guó)2030年可持續(xù)發(fā)展議程的17項(xiàng)目標(biāo)之一,旨在全球范圍內(nèi)消除一切形式的饑餓,保證所有人享有充足且營(yíng)養(yǎng)的食物[1],可見(jiàn)糧食安全是全球重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一,也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)話題。耕地作為糧食生產(chǎn)的載體,其質(zhì)量的高低與時(shí)空變化決定了全球糧食的供給數(shù)量,從而深刻影響著全球糧食安全的格局。但隨著近幾年新型冠狀肺炎疫情在全球的肆虐,極端氣候天氣的頻發(fā)以及全球范圍內(nèi)糧食競(jìng)爭(zhēng)的加劇[2],嚴(yán)重影響著耕地資源的質(zhì)量與健康,進(jìn)而對(duì)糧食安全造成巨大的威脅。黑土地作為最為優(yōu)質(zhì)的耕地資源,是指擁有黑色或暗黑色腐殖質(zhì)表土層的土地[3-4],相較于其他耕地資源,具有性狀好、肥力高、適宜農(nóng)耕等優(yōu)勢(shì),但其占全球陸地總面積不足7%[5],每形成1 cm厚的黑土需要200～400 a的時(shí)間[6],是十分稀缺且再生能力較弱的土壤與耕地資源,因此保護(hù)黑土耕地資源數(shù)量,提升黑土耕地資源質(zhì)量對(duì)保障國(guó)家糧食安全至關(guān)重要,是目前國(guó)家和科學(xué)界亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題之一。

相關(guān)研究指出,受近些年來(lái)利益的驅(qū)動(dòng),促使有條件的區(qū)域?qū)⒋笠?guī)模的旱地轉(zhuǎn)換為水田[7]。而在耕地水田化的過(guò)程中一方面將深刻影響著耕作土壤的物理、化學(xué)以及生物學(xué)的過(guò)程降低黑土耕地的自然質(zhì)量;另一方面會(huì)通過(guò)工程技術(shù)手段完善耕地的形態(tài)、連通性、灌排設(shè)施等外在利用條件,驅(qū)動(dòng)水平方向上的景觀生態(tài)過(guò)程,從而促進(jìn)黑土耕地人工質(zhì)量的提升。東北黑土區(qū)是世界四大片黑土區(qū)之一,隨著近幾十年來(lái)全球氣候變化和人類(lèi)對(duì)黑土耕地的主觀利用和改造,使開(kāi)墾初期的耕地利用結(jié)構(gòu)和類(lèi)型發(fā)生大規(guī)模的變化,現(xiàn)有研究顯示東北黑土區(qū)典型省域黑龍江省自2000年起耕地水田化現(xiàn)象較為劇烈和普遍[8],在大規(guī)模的水田化過(guò)程中引發(fā)了諸多生態(tài)環(huán)境惡化的問(wèn)題,特別是在旱改水區(qū)域,頻繁出現(xiàn)耕地土壤板結(jié)、土壤鹽漬化、地力下降的質(zhì)量退化的問(wèn)題,給黑土耕地資源的可持續(xù)利用和糧食安全的保障帶來(lái)巨大的危機(jī)與挑戰(zhàn)。本研究旨在探討東北黑土區(qū)耕地水田化過(guò)程中耕地質(zhì)量的空間響應(yīng),優(yōu)化完善黑土區(qū)休耕輪作制度,對(duì)黑土區(qū)耕地質(zhì)量的保護(hù)與提升具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前學(xué)界針對(duì)耕地利用變化對(duì)耕地質(zhì)量的影響研究較為少見(jiàn),多是聚焦于耕地資源的空間分布特征變化[9]、耕地資源與其他地類(lèi)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[10]、新增和流失耕地資源的空間分布等[11]幾方面,對(duì)中國(guó)耕地資源空間分布格局的變化進(jìn)行刻畫(huà),并且進(jìn)一步探討了耕地資源空間格局的改變對(duì)耕地生產(chǎn)能力[12]、耕地生態(tài)水平[13-14]、耕地質(zhì)量[15]之間的作用關(guān)系,為本研究注入了重要的思路。但遺憾的是,既有研究主要是從耕地一級(jí)類(lèi)的視角切入,探討耕地空間格局變化對(duì)耕地產(chǎn)能、質(zhì)量、生態(tài)的影響,而耕地二級(jí)類(lèi)間的轉(zhuǎn)換也深刻影響著耕地生態(tài)水文過(guò)程、耕種強(qiáng)度以及外部的利用條件。因此,亟待從耕地二級(jí)類(lèi)的視角,闡明耕地質(zhì)量對(duì)耕地利用變化的響應(yīng)。值得強(qiáng)調(diào)的是,在影響關(guān)系的分析方面,目前以全局性的靜態(tài)分析為主,但耕地質(zhì)量受耕地立地條件對(duì)應(yīng)的光照、降水、溫度、地形、土壤等多因素影響,具有一定的空間異質(zhì)性,因此耕地利用的變化對(duì)耕地質(zhì)量影響也必然存在一定的地異特征。為此,亟需開(kāi)展空間動(dòng)態(tài)性的研究,彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足,但目前對(duì)該方面的研究卻鮮有報(bào)道。

富錦市是我國(guó)重要的商品糧基地,在保障國(guó)家糧食安全方面做出了巨大貢獻(xiàn)。但自2000年開(kāi)始,富錦市連續(xù)多年開(kāi)展了旱地改水田的項(xiàng)目,耕地利用方式發(fā)生了較大的改變,進(jìn)而影響著耕作土壤的物理、化學(xué)以及生物學(xué)的過(guò)程,最終造成區(qū)域耕地質(zhì)量改變,因此有必要明確該階段耕地質(zhì)量對(duì)耕地水田化進(jìn)程的響應(yīng)。鑒于此,本研究以富錦市為研究區(qū),從耕地利用的二級(jí)類(lèi)入手,基于Google Earth高清歷史影響、富錦市2009年國(guó)土資源第二次調(diào)查和2019年第三次調(diào)查矢量數(shù)據(jù)以及土壤數(shù)據(jù),采用CRITIC模型、雙變量局部空間自相關(guān)模型,明確耕地質(zhì)量和耕地利用變化的時(shí)空分異特征,揭示二者在空間上的響應(yīng)關(guān)系,并提出未來(lái)治理的對(duì)策建議。研究打破傳統(tǒng)從耕地一級(jí)類(lèi)視角分析的局限,深入挖掘耕地質(zhì)量與耕地利用變化間的空間動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系,旨在為黑土區(qū)耕地利用方式的調(diào)整以及休耕輪作區(qū)的科學(xué)劃定提供參考與借鑒。

1 研究區(qū)概況

富錦市位于黑龍江省東北部,松花江南岸,三江平原腹地,位于131°25′—133°26′E,46°45′—47°37′N(xiāo),地勢(shì)西高東低、北高南低,形成沖積平原,地形平緩開(kāi)闊,富錦市境內(nèi)有烏蘇里江、松花江等多條河流,交互成網(wǎng),地表水資源極為豐富。境內(nèi)土壤種類(lèi)豐富,主要以黑土、草甸土為主,土壤肥沃,土壤有機(jī)質(zhì)含量為全國(guó)平均水平的6倍,具有水稻生產(chǎn)的良好基礎(chǔ),是我國(guó)重要的商品糧基地。富錦市作為黑土保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域,在保障國(guó)家糧食安全上起到了重要作用,因此,亟需明確富錦市耕地水田化對(duì)質(zhì)量的作用關(guān)系。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于2009年、2019年富錦市第二次和第三次全國(guó)土地調(diào)查矢量數(shù)據(jù)庫(kù),并基于Google Earth高清歷史影像和中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心提供的2000年土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行人工修正。土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心的中國(guó)土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)集(1980—1990年)和中國(guó)高分辨率國(guó)家土壤信息網(wǎng)格基本屬性數(shù)據(jù)集(2010—2018年),1990—2000年富錦市耕地利用強(qiáng)度較弱,土壤理化屬性變化微弱,故利用Envi軟件提取中國(guó)土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)集(1980—1990年)中相關(guān)指標(biāo)表征研究區(qū)2000年土壤理化屬性、提取中國(guó)高分辨率國(guó)家土壤信息網(wǎng)格基本屬性數(shù)據(jù)集(2010—2018年)中相關(guān)數(shù)據(jù)表征研究區(qū)2020年土壤理化屬性[16],并將土壤數(shù)據(jù)重采樣到10 m。另外,本文的研究對(duì)象為研究期初耕地二級(jí)類(lèi)為旱地和水澆地,研究期末耕地二級(jí)類(lèi)為水田的耕地,對(duì)兩期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行相交處理,即為2000—2020年20 a間通過(guò)旱改水工程增加的水田。

2.2 研究方法

2.2.1 LESA耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系 LESA體系是由原美國(guó)農(nóng)業(yè)部率先提出的用于農(nóng)地保護(hù)的重要方法,該體系主要由土地評(píng)價(jià)(LE)和立地分析(SA)兩部分構(gòu)成。LESA體系具有綜合性和靈活性的優(yōu)點(diǎn),它既能評(píng)價(jià)耕地的內(nèi)在自然屬性,又能分析外在環(huán)境因素的影響。另一方面,兩系統(tǒng)在可拆分的同時(shí)也可根據(jù)研究目的調(diào)節(jié)LE和SA的指數(shù)進(jìn)行綜合分析。本文參考已有研究成果[17],構(gòu)建耕地自然質(zhì)量(LE)和立地條件(SA)兩個(gè)子系統(tǒng)對(duì)耕地質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。其中,LE子系統(tǒng)從土壤養(yǎng)分狀況、理化性質(zhì)和生物狀況三方面選取土壤全氮含量(TN)、土壤全磷含量(TP)、土壤全鉀含量(TK)、土壤有機(jī)質(zhì)含量(SOM)、土壤酸堿度(PH)和土壤生物多樣性7個(gè)指標(biāo)來(lái)反映耕地自然質(zhì)量的水平高低;SA子系統(tǒng)從耕作條件和區(qū)位條件兩方面選取灌溉能力、排水條件、林網(wǎng)密度、道路通達(dá)性和田塊規(guī)整度5個(gè)指標(biāo)來(lái)反映立地條件的水平。本研究認(rèn)為耕地水田化帶來(lái)的自然環(huán)境質(zhì)量和立地條件變化同等重要,故認(rèn)為L(zhǎng)E和SA的比例為1∶1,即a=b=0.5。

LESA=aLE+bSA

(1)

式中:LESA為耕地質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)得分;LE為耕地自然質(zhì)量得分;SA為耕地立地條件得分;a,b為權(quán)重。

2.2.2 CRITIC模型 CRITIC法是由Diakoulaki提出的客觀賦權(quán)方法,其原理是綜合考慮指標(biāo)的對(duì)比強(qiáng)度和沖突性來(lái)確定權(quán)重[18]。對(duì)比強(qiáng)度通常用指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差的大小進(jìn)行表征,標(biāo)準(zhǔn)差越大,對(duì)比強(qiáng)度越高,權(quán)重越大。沖突性是通過(guò)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)對(duì)其進(jìn)行衡量,相關(guān)系數(shù)越大,反映指標(biāo)間的信息相似度越高,相應(yīng)的沖突程度越低,權(quán)重越小。CRITIC法相比其他的賦權(quán)方法全方位地分析了指標(biāo)間的特征關(guān)系,在考慮指標(biāo)變異性的基礎(chǔ)上加強(qiáng)了指標(biāo)間信息冗余度的考量,突出了指標(biāo)間的協(xié)調(diào)性提高了指標(biāo)權(quán)重測(cè)算的準(zhǔn)確性。本研究基于ArcGIS平臺(tái),以研究時(shí)期內(nèi)土壤及農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施指標(biāo)的變化量為基礎(chǔ),采用CRITIC模型,測(cè)算各指標(biāo)變化量權(quán)重,構(gòu)建研究區(qū)LESA耕地質(zhì)量變化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1),明確研究區(qū)耕地質(zhì)量變化時(shí)空特征。另外,為消除指標(biāo)間的量綱的影響,本研究采用極差標(biāo)準(zhǔn)化將各指標(biāo)均歸并至[-1,1]。

表1 耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Index system for evaluating cultivated land quality

(2)

(3)

Cj=SjRj

(4)

(5)

式中:m為評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù);n為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù);Sj為第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差;Ri為第i個(gè)指標(biāo)與其他指標(biāo)的沖突性;rij為指標(biāo)i和j之間的相關(guān)系數(shù);Cj為信息量;Wj為j指標(biāo)的權(quán)重。

2.2.3 雙變量局部空間自相關(guān) 空間自相關(guān)是一種分析變量在空間上的分布特征以及變量間聚集程度的方法,可識(shí)別出一定空間范圍內(nèi)地理要素屬性值的空間分布模式,包括全局自相關(guān)和局部空間自相關(guān)[19]。雙變量局部空間自相關(guān)模型是由Anselin提出的,用來(lái)揭示同一地理單元不同變量間的空間關(guān)聯(lián)特征。本文利用GeoDa空間統(tǒng)計(jì)軟件,基于耕地水田化規(guī)模和耕地質(zhì)量變化數(shù)據(jù),運(yùn)用雙變量空間自相關(guān)模型,探究耕地質(zhì)量與耕地水田化的空間響應(yīng)關(guān)系。

(7)

式中:Ipq為分析單元耕地水田化面積p和耕地質(zhì)量變化q的雙變量全局自相關(guān)系數(shù);pi和qi為第i個(gè)分析單元的耕地水田化面積和耕地質(zhì)量變化量(提升/下降),σp,σq為方差。為了更為詳細(xì)具體地展示各分析單元之間的空間關(guān)系,采用LISA測(cè)度局部空間自相關(guān)關(guān)系,并將其分別分為高—高聚集(H—H)、高—低聚集(H—L)、低—低聚集(L—L)和低—高聚集(L—H)4個(gè)類(lèi)型區(qū),另外本研究根據(jù)發(fā)生水田化耕地的平均規(guī)模,構(gòu)建300 m地理網(wǎng)格作為分析基本單元。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地水田化時(shí)空特征

2000—2020年富錦市耕地水田化現(xiàn)象強(qiáng)烈且空間差異顯著,耕地水田化面積共2 691.14 km2,占研究區(qū)耕地總面積的42.92%,年均變化量為134.56 km2/a。從空間上來(lái)看,富錦市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均發(fā)生了耕地水田化現(xiàn)象,其中,研究區(qū)東部耕地水田化現(xiàn)象最為明顯,西部次之,中部地區(qū)水田化現(xiàn)象相對(duì)較弱(圖1)。

圖1 2000-2020年富錦市耕地水田化空間分布

研究區(qū)東部地區(qū)耕地水田化程度最高,其中農(nóng)墾建三江分局耕地水田化面積和比重最大,水田化面積為1 544.182 km2,占?jí)▍^(qū)耕地總面積的74.39%;宏勝鎮(zhèn)耕地水田化面積為137.32 km2,占鎮(zhèn)域耕地總面積的63.92%;二龍山鎮(zhèn)耕地水田化面積為186.56 km2,占鎮(zhèn)域耕地總面積的48.87%;兩鎮(zhèn)一農(nóng)墾耕地水田化面積占耕地總面積的平均比例約為70%,遠(yuǎn)超過(guò)研究區(qū)平均水平。研究區(qū)西部耕地水田化規(guī)模處于中等水平,其中紅興隆分局耕地水田化規(guī)模最高,水田化面積為81.77 km2,占?jí)▍^(qū)耕地總面積的51.40%;上街基鎮(zhèn)耕地水田化規(guī)模次之,水田化面積為118.21 km2,占鎮(zhèn)域耕地總面積的50.17%;長(zhǎng)安鎮(zhèn)耕地水田化面積為115.78 km2,占鎮(zhèn)域耕地總面積的49.69%;錦山鎮(zhèn)耕地水田化面積為188.50 km2,占鎮(zhèn)域耕地總面積的48.18%;富錦鎮(zhèn)耕地水田化程度最低,水田化面積為21.06 km2,占鎮(zhèn)域耕地總面積的39.48%,四鎮(zhèn)一農(nóng)墾耕地水田化面積占耕地總面積的48.99%,略高于研究區(qū)平均水平。研究區(qū)中部耕地水田化規(guī)模最低,其中,硯山鎮(zhèn)耕地水田化規(guī)模最高,水田化面積為74.12 km2,占鎮(zhèn)域耕地總面積的47.37%;大榆樹(shù)鎮(zhèn)耕地水田化面積為61.27 km2,占鎮(zhèn)域耕地總面積的21.99%;興隆崗鎮(zhèn)耕地水田化面積為78.78 km2,占鎮(zhèn)域耕地總面積的21.93%;向陽(yáng)川鎮(zhèn)耕地水田化面積為70.84 km2,占鎮(zhèn)域耕地總面積的21.63%;頭林鎮(zhèn)耕地水田化面積最低,水田化面積為12.52 km2,占鎮(zhèn)域耕地總面積的10.27%;五鎮(zhèn)耕地水田化面積占耕地總面積的23.92%,遠(yuǎn)低于研究區(qū)平均水平。

富錦市地形自西北向東南傾斜,市域范圍內(nèi)水資源豐富,擁有松花江、七星河、撓力河以及季節(jié)性河流別拉洪河、蓮花河等水系,因此研究區(qū)東部的低洼平原面臨著農(nóng)業(yè)澇災(zāi)的威脅。研究區(qū)耕地開(kāi)墾初期多數(shù)為旱地,但隨著全球氣候的變化,降水量持續(xù)增加,東北低洼處耕地時(shí)常出現(xiàn)內(nèi)澇問(wèn)題,造成糧食產(chǎn)量發(fā)生下降。為此2000年以來(lái),黑龍江墾區(qū)提出“以稻治澇”的發(fā)展理念,大力推行作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整,通過(guò)工程技術(shù)手段開(kāi)展旱改水工程,以確保糧食產(chǎn)量的穩(wěn)定與提高,所以隸屬于黑龍江墾區(qū)的東部低洼平原發(fā)生了大規(guī)模旱地向水田轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。另外,由于水稻市場(chǎng)價(jià)值的提高,種植水稻的利益高于其他作物,進(jìn)而增強(qiáng)了農(nóng)民對(duì)水稻種植的意愿,間接驅(qū)動(dòng)著水田化進(jìn)程,最終造成研究區(qū)耕地水田化的時(shí)空分異格局。

3.2 耕地質(zhì)量時(shí)空變化特征

2000—2020年富錦市水田化耕地質(zhì)量變化顯著,耕地質(zhì)量提升的面積高于質(zhì)量下降的面積,質(zhì)量提升的耕地面積為1 825.21 km2,占水田化耕地總面積的67.95%,質(zhì)量下降的耕地面積為856.68 km2,占耕地水田化總面積的31.89%,質(zhì)量未發(fā)生變化的耕地面積為4.27 km2,占耕地水田化總面積的0.16%。從空間上來(lái)看,富錦市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水田化耕地均發(fā)生了質(zhì)量變化,富錦市中部地區(qū)耕地質(zhì)量下降比重最高,西部地區(qū)次之,東部地區(qū)量下降比重最低(圖2)。

圖2 2000-2020年富錦市耕地質(zhì)量變化空間分布

研究區(qū)中部耕地質(zhì)量下降比重最高,耕地質(zhì)量提升比例最低,且二者占比相當(dāng)。其中,大榆樹(shù)鎮(zhèn)耕地質(zhì)量提升的面積為27.89 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的45.52%,耕地質(zhì)量下降的耕地面積為33.38 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的54.48%;硯山鎮(zhèn)耕地質(zhì)量提升的面積為55.10 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的74.35%,耕地質(zhì)量下降的面積為18.99 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的25.63%;向陽(yáng)川鎮(zhèn)耕地質(zhì)量提升的面積為32.32 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的45.63%,耕地質(zhì)量下降的面積為37.64 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的53.14%;頭林鎮(zhèn)耕地質(zhì)量提升的面積為7.37 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的58.89%,耕地質(zhì)量下降的面積為5.15 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的41.11%;興隆崗鎮(zhèn)耕地質(zhì)量提升的面積為51.04 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的64.79%,耕地質(zhì)量下降的面積為27.52 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的34.93%;五鎮(zhèn)耕地質(zhì)量提升與下降的面積分別占水田化耕地總面積的58.39%和41.23%。

研究區(qū)西部耕地質(zhì)量下降比重與耕地質(zhì)量提升比例均為次高,但耕地質(zhì)量提升比例遠(yuǎn)高于耕地質(zhì)量下降的比例。其中,上街基鎮(zhèn)耕地質(zhì)量提升的面積為84.00 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的71.06%,耕地質(zhì)量下降的面積為33.85 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的28.64%;富錦鎮(zhèn)耕地質(zhì)量提升的面積為13.99 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的66.42%,耕地質(zhì)量下降的面積為6.72 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的31.91%;紅興隆分局耕地質(zhì)量提升的面積為59.50 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的72.76%,耕地質(zhì)量下降的面積為21.88 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的26.76%;錦山鎮(zhèn)耕地質(zhì)量提升的面積為102.01 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的54.12%,耕地質(zhì)量下降的面積為86.08 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的45.66%;長(zhǎng)安鎮(zhèn)耕地質(zhì)量提升的面積為88.15 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的76.13%,耕地質(zhì)量下降的面積為27.25 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的23.53%;四鎮(zhèn)一農(nóng)墾耕地質(zhì)量提升與下降的面積分別占水田化耕地總面積的66.18%和33.46%。

研究區(qū)東部耕地質(zhì)量下降比重最低,耕地質(zhì)量提升比例最高,耕地質(zhì)量提升比例遠(yuǎn)高于耕地質(zhì)量下降比例。其中,二龍山鎮(zhèn)耕地質(zhì)量提升的面積為156.55 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的83.92%,耕地質(zhì)量下降的面積為28.76 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的15.41%;農(nóng)墾總局建三江分局耕地質(zhì)量提升的面積為1 060.77 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的68.69%,耕地質(zhì)量下降的面積為478.65 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的31.09%;宏勝鎮(zhèn)耕地質(zhì)量提升的面積為86.51 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的63.00%,耕地質(zhì)量下降的面積為50.81 km2,占鎮(zhèn)域耕地水田化總面積的37.00%;兩鎮(zhèn)一農(nóng)墾耕地質(zhì)量提升與下降的面積分別占水田化耕地總面積的69.80%和29.88%。

當(dāng)前國(guó)家對(duì)耕地保護(hù)的認(rèn)知已從初期的數(shù)量保護(hù)向數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”保護(hù)的理念轉(zhuǎn)變,在近幾十年實(shí)施了多項(xiàng)耕地保護(hù)對(duì)策。研究區(qū)多年來(lái)分別實(shí)施了永久基本農(nóng)田劃定、耕地占補(bǔ)平衡、城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤、土地綜合整治以及高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)等項(xiàng)目,對(duì)耕地的數(shù)量保護(hù)、質(zhì)量的提升、生態(tài)的改善均具有積極正向作用。在很大程度上完善了農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施,提高了耕地的灌排條件,打造了旱澇保收且與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)模式相吻合的農(nóng)田。特別是在東部墾區(qū)系統(tǒng)化、科學(xué)化、規(guī)?；剡M(jìn)行耕地建設(shè)與利用和管理的條件下,使該地區(qū)耕地質(zhì)量發(fā)生大規(guī)模提高。但仍然值得我們關(guān)注的是,部分水田化的耕地也發(fā)生了質(zhì)量下降的問(wèn)題,且在全域范圍內(nèi)分布較為普遍和廣泛。探其原因主要在于,研究區(qū)常年以高物質(zhì)投入為理念的集約化農(nóng)業(yè),增加了耕地的負(fù)荷,重用輕養(yǎng)的種植模式使耕地?zé)o法得到休養(yǎng),同時(shí)以化肥、農(nóng)藥、地膜等大量投入為特點(diǎn)的化石農(nóng)業(yè),改變了土壤的理化性質(zhì)以及各種循環(huán)過(guò)程,最終引致研究區(qū)普遍發(fā)生耕地質(zhì)量下降的問(wèn)題。

3.3 耕地質(zhì)量對(duì)耕地水田化的空間響應(yīng)

研究區(qū)耕地質(zhì)量提升和下降與耕地水田化規(guī)模具有正、負(fù)雙重空間響應(yīng),二者均以H—H正相關(guān)和H—L負(fù)相關(guān)為主并零星伴有L—L正相關(guān)和L—H負(fù)相關(guān)的空間響應(yīng)模式(圖3),并且存在東部耕地質(zhì)量對(duì)水田化的空間響應(yīng)程度高于其他區(qū)域的空間格局。除此之外,研究區(qū)耕地水田化面積與耕地質(zhì)量提升和下降的雙變量局部空間自相關(guān)系數(shù)分別為0.042,0.102,且在1%的顯著性水平下通過(guò)檢驗(yàn),表明耕地水田化與耕地質(zhì)量提升和下降均存在顯著的空間正相關(guān),具有雙重空間響應(yīng),且耕地水田化與耕地質(zhì)量下降間的空間關(guān)聯(lián)性較高,敏感性更強(qiáng)。

圖3 2000-2020年富錦市耕地質(zhì)量對(duì)耕地水田化空間響應(yīng)

耕地水田化與耕地質(zhì)量提升之間的響應(yīng)關(guān)系以H—H和H—L型為主,以L—L和L—H型為輔。耕地大規(guī)模水田化與耕地質(zhì)量提升顯著區(qū)域,即H—H集聚區(qū),主要分布在東北部墾區(qū),且大多以團(tuán)塊狀分布在距離居民點(diǎn)較近的區(qū)域,其地形等自然條件和管理等社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件都相對(duì)較為優(yōu)越,耕地水田化面積的增大,極大促進(jìn)了耕地質(zhì)量的提升。耕地大規(guī)模水田化與小幅度耕地質(zhì)量提升區(qū)域,即H—L集聚區(qū),分布在農(nóng)墾建三江分局以外的其他地區(qū),耕地水田化的過(guò)程使得土地更為平整,水利設(shè)施建設(shè)更為完善,在一定程度上提升了耕地質(zhì)量,但提升的幅度低于墾區(qū),因此地方農(nóng)區(qū)應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),完善耕地利用與保護(hù)政策。耕地水田化與耕地質(zhì)量下降之間的響應(yīng)關(guān)系仍以H—H和H—L型分布為主,并零星伴有L—L和L—H型分布。耕地大規(guī)模水田化與耕地質(zhì)量小幅度下降的區(qū)域,即H—L集聚區(qū),在富錦市全域均有分布,表明耕地水田化引致耕地質(zhì)量發(fā)生小幅度下降的現(xiàn)象在研究區(qū)內(nèi)較為普遍。耕地大規(guī)模水田化與耕地質(zhì)量顯著下降的區(qū)域,即H—H集聚區(qū),在研究區(qū)東部以塊狀離散分布,其根源在于墾區(qū)部分耕地的長(zhǎng)期和大規(guī)模的種植水稻,強(qiáng)烈擾動(dòng)了土壤的理化性質(zhì),使耕地質(zhì)量發(fā)生大程度的下降,因此墾區(qū)仍需加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)期種植水稻的地塊進(jìn)行質(zhì)量定位的監(jiān)測(cè)與保護(hù),精準(zhǔn)實(shí)施水田的休耕制度,使質(zhì)量退化的耕地得以恢復(fù),走用養(yǎng)結(jié)合的農(nóng)業(yè)永續(xù)發(fā)展道路,實(shí)現(xiàn)耕地資源的可持續(xù)利用。

在耕地“旱改水”即耕地水田化的進(jìn)程中,改變了耕地所處的外部環(huán)境,長(zhǎng)期的淹水狀態(tài)對(duì)區(qū)域地表溫度產(chǎn)生了顯著的降溫效應(yīng),相關(guān)研究已明確指出三江平原水田地表溫度與旱田相比平均溫差為-7.8℃[20],因此水田的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用深刻影響著區(qū)域熱環(huán)境和氣候并且降低了耕作土壤微生物的活性、阻礙了土壤碳氮和代謝過(guò)程。與此同時(shí),水田的種植強(qiáng)度遠(yuǎn)高于旱田種植,頻繁的灌溉和翻耕旋耕等耕作模式,破壞了土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分輸送能力,增加了耕地質(zhì)量退化的風(fēng)險(xiǎn)。需要說(shuō)明的是,盡管研究區(qū)東北部耕地水田化現(xiàn)象較為劇烈,但并未對(duì)耕地質(zhì)量造成影響,反而卻起到了提升的作用,其主要原因是墾區(qū)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、現(xiàn)代化和科學(xué)化的種植模式,保護(hù)性耕作技術(shù)和休耕制度已得到全面推廣,地區(qū)土壤養(yǎng)分含量和蓄水能力明顯提升,有效減少了土壤侵蝕和水蝕現(xiàn)象的發(fā)生。并且墾區(qū)在耕地布局上更為規(guī)整、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上也更為完善,對(duì)耕地質(zhì)量保護(hù)均起到了積極作用。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論與對(duì)策

本研究從耕地利用變化將深刻影響耕作土壤理化性質(zhì)和外在利用條件的視角入手,運(yùn)用LESA耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系、CRITIC模型以及雙變量局部空間自相關(guān)模型,明確了研究區(qū)耕地水田化和耕地質(zhì)量的時(shí)空變化特征,揭示和刻畫(huà)出了耕地質(zhì)量對(duì)耕地水田化的空間響應(yīng),結(jié)果表明耕地水田化對(duì)耕地質(zhì)量具有正、負(fù)兩方面的效應(yīng)?；诖?本文提出以下兩點(diǎn)治理對(duì)策。

在耕地水田化促進(jìn)耕地質(zhì)量提升方面,對(duì)耕地大規(guī)模水田化促進(jìn)質(zhì)量大幅度提升區(qū)域(H—H區(qū)域)應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾痈厮锘?guī)模,積極地進(jìn)行“旱改水”項(xiàng)目,改善耕地的形態(tài)以及農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施,提升耕地質(zhì)量;針對(duì)耕地大規(guī)模水田化促進(jìn)質(zhì)量小幅度提升區(qū)域(H—L區(qū)域)應(yīng)限制耕地水田化過(guò)程,提高旱改水項(xiàng)目的提質(zhì)效率,準(zhǔn)確診斷質(zhì)量提升的限制性因子,以全域土地綜合整治和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)為主要手段,突破限制性因子的約束,提高區(qū)域耕地質(zhì)量。

在耕地水田化誘致耕地質(zhì)量下降方面,對(duì)耕地大規(guī)模水田化造成質(zhì)量大幅度下降區(qū)域(H—H區(qū)域)應(yīng)禁止耕地旱改水項(xiàng)目,并對(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)水田化的耕地進(jìn)行休耕,利用“天—空—地”立體監(jiān)測(cè)技術(shù),對(duì)該類(lèi)耕地進(jìn)行長(zhǎng)期定量監(jiān)測(cè),組織建立專(zhuān)家智庫(kù),對(duì)耕地質(zhì)量作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià),及時(shí)修正休耕年限;對(duì)質(zhì)量難以得到提升的耕地可對(duì)其進(jìn)行水改旱和退耕,減少人類(lèi)耕種活動(dòng)對(duì)耕地的擾動(dòng)。針對(duì)耕地大規(guī)模水田化導(dǎo)致質(zhì)量小幅度下降區(qū)域(H—L區(qū)域)應(yīng)繼續(xù)推進(jìn)保護(hù)性耕作制度,使質(zhì)量輕度下降的耕地得以恢復(fù),并且積極探索更符合研究區(qū)域的保護(hù)性耕作模式,改善耕作土壤的理化性質(zhì)以及外在利用條件,增強(qiáng)耕地抗御外界不利因素的能力,提高耕地系統(tǒng)韌性,實(shí)現(xiàn)黑土耕地的永續(xù)利用。

4.2 結(jié) 論

(1) 研究期內(nèi)富錦市耕地水田化現(xiàn)象強(qiáng)烈且空間差異顯著,耕地水田化面積共2 691.14 km2,占研究區(qū)耕地總面積的42.92%,年均變化量為134.56 km2/a。其中,東部地區(qū)耕地水田化現(xiàn)象最為顯著,西部次之,中部相對(duì)較弱。

(2) 研究期內(nèi)富錦市水田化耕地質(zhì)量變化顯著,質(zhì)量提升的耕地面積占耕地水田化總面積的67.95%,質(zhì)量下降的耕地面積占耕地水田化總面積的31.89%,質(zhì)量未發(fā)生變化的耕地面積占耕地水田化總面積的0.16%;在空間維度上,富錦市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地水田化過(guò)程均引發(fā)耕地質(zhì)量改變,其中中部地區(qū)耕地質(zhì)量下降比例最高,西部地區(qū)次之,東部地區(qū)下降比例最低。

(3) 富錦市耕地質(zhì)量對(duì)耕地水田化具有雙重響應(yīng),耕地質(zhì)量下降對(duì)耕地水田化的響應(yīng)更為敏感,研究區(qū)整體呈現(xiàn)出東部墾區(qū)耕地質(zhì)量對(duì)耕地水田化響應(yīng)程度高于其他地方農(nóng)區(qū)的空間格局。