摘 要：耕地是維系人類生存、保障社會持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，其質(zhì)量的好壞直接影響區(qū)域糧食安全與農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。為實現(xiàn)對干旱區(qū)綠洲城市耕地質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測與科學評價，以武威市為研究區(qū)，借助“壓力—狀態(tài)—響應”研究框架，通過多源遙感影像數(shù)據(jù)，利用CRITIC軟件與空間向量模型，分析武威市耕地質(zhì)量的空間分布格局。結(jié)果表明，武威市優(yōu)質(zhì)耕地資源較多，一、二級耕地面積為23.87萬hm2，占研究區(qū)耕地總面積的54.00%，主要分布在涼州區(qū)的東南部，古浪縣的西部、東部及民勤縣的東北部；四、五級耕地面積共10.81萬hm2，占研究區(qū)耕地總面積的24.45%，主要分布在天祝藏族自治縣境內(nèi)。該研究可為區(qū)域耕地資源高效利用與管理、農(nóng)田水肥利用效率提高提供參考。

關(guān)鍵詞：耕地質(zhì)量；多源遙感數(shù)據(jù)；CRITIC軟件；空間向量模型；武威市

中圖分類號：F301.21 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）8-142-6

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.08.034

0 引言

耕地問題事關(guān)國家的糧食生產(chǎn)與安全［1］。在我國現(xiàn)有的耕地資源中，可進行糧食生產(chǎn)的耕地已呈現(xiàn)逐年減少的趨勢［2-3］，迫近耕地紅線［4-5］。耕地土壤鹽堿化、沙漠化，土地污染嚴重等耕地質(zhì)量問題日益嚴峻，打破了糧食產(chǎn)量與耕地之間的平衡［6-8］。在此背景下，深入開展區(qū)域耕地質(zhì)量等級調(diào)查與評價，了解耕地質(zhì)量時空演變格局，對保障我國糧食安全、解決耕地質(zhì)量問題具有重要的現(xiàn)實意義［8］。

耕地質(zhì)量評價是通過科學合理的方法和手段，對耕地多方面狀況進行綜合分析和評價［9-10］。長期以來，耕地質(zhì)量問題一直是學術(shù)界和政府管理部門關(guān)注的熱點，各學者從耕地質(zhì)量分區(qū)評價、耕地產(chǎn)能科學評估、土壤土質(zhì)健康分析等方面開展了一系列探討，并取得了豐碩成果［11-12］。從研究內(nèi)容和對象來看，國內(nèi)外學者關(guān)注耕地自然質(zhì)量，逐步建立了兼顧自然、經(jīng)濟、社會等人地一體化的資源評價體系［13-14］。從研究方法和手段來看，傳統(tǒng)的評價手段多通過實地調(diào)查采樣、查閱統(tǒng)計文本來獲取數(shù)據(jù)［15］。近年來，隨著RS與GIS技術(shù)的快速發(fā)展，基于遙感影像，從對地觀測數(shù)據(jù)中獲取指標內(nèi)容為耕地質(zhì)量評價提供了新途徑。其中，對地觀測數(shù)據(jù)以Landsat和SPOT影像數(shù)據(jù)為主，而國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)應用相對較少［16-17］。Landsat系列影像的空間分辨率相對較低，SPOT影像費用較高，都不能很好地應用于耕地質(zhì)量評估中［17］。目前，學者多采用空間自相關(guān)和景觀生態(tài)學方法，來揭示縣域及較大尺度上耕地質(zhì)量的空間分布狀況，而對精細化、地塊化尺度上耕地的空間分異特征的研究相對較少［18-19］?？傮w來看，國內(nèi)外關(guān)于耕地質(zhì)量的評價方法與指標體系的建設(shè)已基本趨于成熟［20］，但對于典型地域的選取、評估框架的建立、不同指標的組合及微觀尺度的把控等，仍需要進行深入探討和分析。

武威市地處石羊河流域中部，屬于典型的干旱區(qū)綠洲城市［21-22］。境內(nèi)各縣（市、區(qū)）平均海拔在1 247～4 851 m，地勢南高北低，從西南向東北傾斜［23-24］。近年來，干旱區(qū)綠洲城市由于受到自身條件的限制，加之人類不合理的開發(fā)利用，區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了諸多嚴重的生態(tài)環(huán)境問題（如植被退化嚴重，用水矛盾突出，土地沙漠化、鹽堿化程度高等），嚴重威脅到區(qū)域耕地的健康與產(chǎn)出［24-28］。20世紀中后期，石羊河流域由于水土資源的高強度開發(fā)與利用，部分區(qū)域出現(xiàn)了河道干涸、耕地鹽堿化、荒漠入侵等一系列問題［28-30］。

鑒于此，深入探討干旱區(qū)綠洲城市耕地質(zhì)量的空間分布格局，著力促進現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)迅猛發(fā)展顯得尤為重要。同時，伴隨著國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星的發(fā)射，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以其高分辨率、寬覆蓋、高質(zhì)量和高效成像的特點，為耕地質(zhì)量評估、生態(tài)文明建設(shè)等提供了遙感數(shù)據(jù)支撐［31-32］。在此背景下，筆者以干旱區(qū)綠洲城市——武威市為研究區(qū)，根據(jù)“壓力—狀態(tài)—響應”（Pressure-State-Response，PSR）框架，利用國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星遙感影像，借助空間向量模型與GIS空間分析方法，探討耕地質(zhì)量的空間分布格局與特征，并提出分區(qū)保護的對策與建議，以期為武威市耕地保護和管理提供參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

武威市位于甘肅省西部，河西走廊東段［33］。武威市域總面積約3.32×104 km2，占甘肅省總土地面積的7.32%。境內(nèi)地形復雜多樣，由南向北依次為南部山地、中部綠洲、北部荒漠，構(gòu)成了典型的山地—綠洲—荒漠生態(tài)系統(tǒng)［33-34］。武威市年均降水量為100 mm，年均蒸發(fā)量為2 020 mm，年均氣溫為7.8 ℃，屬典型的溫帶大陸性氣候區(qū)［34-35］。境內(nèi)水源主要來自黃羊、雜木、西營和金塔4條內(nèi)陸河流，徑流總量高達9.4×108 m3［35］。市域內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，現(xiàn)探明的礦種有15種，其中鈦鐵礦和石墨礦儲量位居我國前列［35-36］。武威市現(xiàn)管轄古浪縣、涼州區(qū)、民勤縣、天祝藏族自治縣三縣一區(qū)，是河西地區(qū)重要的商品糧基地，也是“中國葡萄酒的故鄉(xiāng)”“世界白牦牛唯一產(chǎn)地”。

1.2 數(shù)據(jù)及預處理

研究使用的數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù)、坡度及高程數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、行政邊界數(shù)據(jù)。

①遙感影像數(shù)據(jù)：GF-1 WFV影像來自中國資源衛(wèi)星應用中心，空間分辨率為16 m。為保證研究結(jié)果的合理性，4幅影像的拍攝時間均為2022年7—8月，云量均低于2%。通過ENVI 5.3軟件對GF-1 WFV影像進行輻射定標、大氣校正及正射校正等預處理后，再對影像進行鑲嵌和裁剪，以備后續(xù)分析。②坡度及高程數(shù)據(jù)：分別來自地理空間數(shù)據(jù)云SRTMSLOPE坡度數(shù)據(jù)和ASTER GDEM高程數(shù)據(jù)，空間分辨率分別為90 m和30 m。③土地利用數(shù)據(jù)：空間分辨率為30 m，主要來自中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心。④土壤數(shù)據(jù)：來自世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）。⑤行政邊界數(shù)據(jù)：來自國家基礎(chǔ)地理信息中心，數(shù)據(jù)生產(chǎn)比例為1∶1 000 000。

2 研究方法

2.1 評估模型構(gòu)建

為凸顯干旱區(qū)綠洲城市耕地內(nèi)部特征，結(jié)合研究區(qū)的實際情況，并參考前人的研究成果，該研究選用“壓力—狀態(tài)—響應”（PSR）框架來對武威市耕地質(zhì)量的空間分布特征進行探討。PSR框架中的耕地狀態(tài)指數(shù)用來反映耕地的產(chǎn)能、土壤的水分及養(yǎng)分狀況；生產(chǎn)壓力指數(shù)用來反映耕地所面臨的自然和人為活動威脅；社會響應指數(shù)用來反饋社會對造成耕地質(zhì)量狀態(tài)變化的壓力的響應［2，37］。

2.2 相關(guān)指標計算

2.2.1 坡度

坡度是表征土壤侵蝕強弱的重要指標，不同坡度的土壤養(yǎng)分和植被類型具有顯著差異。隨著坡度的增大，耕地的耕作類型和水土保持布設(shè)措施也會受到影響［17］，因此坡度的大小直接影響著耕地質(zhì)量的優(yōu)劣。利用ArcGIS對武威市坡度數(shù)據(jù)進行分類分級后，得到武威市坡度的空間分布圖。

2.2.2 土壤退化指數(shù)

已有研究表明，比值植被指數(shù)（Relative Vegetation Index，RVI）可以用來反映農(nóng)作物所處耕地的生態(tài)環(huán)境脅迫程度［17］。因此，該研究選用RVI來反映土壤退化程度，計算公式見式（1）。

[RVI=NIR/R]" " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：NIR為近紅外波段的反射率，R為紅光波段的反射率。

2.2.3 土壤養(yǎng)分指數(shù)（SNI）

土壤養(yǎng)分指數(shù)是反映土壤肥力的指標，直接決定著耕地的產(chǎn)能和潛在生產(chǎn)力。土壤養(yǎng)分指標主要包括含石量、含沙量、淤泥含量、黏土含量、有機碳含量、pH值、陽離子交換能力、導電率、土壤有效含水量、土壤容重等指標。利用SPSS軟件對以上10個指標進行主成分分析，發(fā)現(xiàn)前3個主成分能解釋總方差的75%以上，因此選擇前3個主成分進行分析；再利用相關(guān)系數(shù)法確定各指標權(quán)重，得到土壤養(yǎng)分指數(shù)，相關(guān)計算公式見式（2）至式（5）。

[Y1=-0.47×X1-0.46×X2+0.42×X3+0.41×]

[X4+0.40×X5+0.12×X6+0.21×X7-0.07×]

[X8+0.03×X9]+0.07[×X10]" " " " " " " " " " " nbsp; " " " "（2）

[Y2=0.01×X1+0.11×X2+0.10×X3-0.18×]

[X4+0.22×X5-0.53×X6+0.51×X7+0.44×]

[X8-0.39×X9+0.08×X10]" " " " " " " " " " " " " （3）

[Y3=-0.10×X1-0.001×X2+0.25×X3-0.16×]

[X4-0.09×X5+0.03×X6+0.07×X7+0.38×]

[X8+0.42×X9-0.75×X10]" " " " " " " " " " " " " "（4）

[SIN=43.86×Y1+18.92×Y2+11.69×Y3] （5）

式中：X1～X10依次為含石量、含沙量、淤泥含量、黏土含量、有機碳含量、pH值、陽離子交換能力、導電率、土壤有效含水量及土壤容重，Y1～Y3依次為第一、二、三主成分，SNI表示土壤養(yǎng)分指數(shù)。

2.2.4 土壤水分指數(shù)

水是植被生長的重要條件，土壤中含水量的多少直接影響著農(nóng)作物的生長與產(chǎn)出狀況。大量研究表明，差值植被指數(shù)（Difference Vegetation Index，DVI）可以反映土壤含水量的多少。因此，該研究選用DVI作為耕地狀態(tài)指數(shù)的一部分，計算公式見式（6）。

[DVI=NIR-R]" " " " " " " " " " " " " "（6）

式中：NIR為近紅外波段的反射率，R為紅光波段的反射率。

2.2.5 植被長勢程度指數(shù)

耕地質(zhì)量的好壞直接決定著耕地糧食產(chǎn)能的高低，植被長勢越好糧食產(chǎn)量越高。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）可以直接反映植被的長勢狀況，常用來計算植被覆蓋度、估產(chǎn)、反演植被理化參數(shù)等。因此，該研究選用NDVI作為耕地狀態(tài)指數(shù)的一部分，計算公式見式（7）。

[NDVI=NIR-RNIR+R]" " " " " " " " " " " " " " （7）

式中：NIR為近紅外波段的反射率，R為紅光波段的反射率。

2.2.6 耕地灌溉程度指數(shù)

除自然因素外，耕地的管理方式也會對耕地質(zhì)量產(chǎn)生影響。已有研究表明，年均土壤濕度指數(shù)能夠反映耕地的灌溉程度及水平。該研究對1982—2020年中國CCI土壤濕度逐月數(shù)據(jù)集進行裁剪，得到研究區(qū)的年均土壤濕度數(shù)據(jù)。中國CCI土壤濕度逐月數(shù)據(jù)集由學者Sun等［38］基于XGBoost算法，以土壤濕度為協(xié)變量，對降水、反射率、地表溫度、空氣溫度等數(shù)據(jù)進行再分析，對原始的由歐洲太空局提供的土壤濕度數(shù)據(jù)進行空間填充，生成該數(shù)據(jù)集。該研究選用年均土壤濕度指數(shù)作為社會響應指數(shù)的一部分。

2.2.7 耕地利用類型指數(shù)（CUI）

不同的耕地利用類型也會影響耕地的質(zhì)量狀況。該研究利用耕地利用類型指數(shù)來反映由于農(nóng)戶耕作行為導致的耕地質(zhì)量差異。對不同的耕地利用類型賦予不同的分值，來反映耕地質(zhì)量的空間分布差異。

對各評價因子進行分級，對每一級別的因子賦以一定的分值，各指標的分級及賦值情況見表1。

2.3 權(quán)重賦值方法

CRITIC權(quán)重法是一種基于數(shù)據(jù)波動性的客觀賦權(quán)法，其思想在于波動性（對比強度）和沖突性（相關(guān)性）2項指標。對比強度以標準差的形式表現(xiàn)，數(shù)據(jù)標準差越大說明波動越大，權(quán)重越高；沖突性以相關(guān)系數(shù)的形式表現(xiàn)，指標間相關(guān)系數(shù)越大，說明沖突性越小，其權(quán)重也越低［39］。具體計算步驟如下。

假設(shè)共有m個樣本、n個指標，xij表示第i個樣本的第j個指標的取值，評價矩陣可表示為：

[X=x11" " x12" " …" " x1nx21" " x22" " …" " x2n ?" " ?" " ?" "?xn1" " xn2" " …" " xnn]

①指標歸一化處理。正向指標、負向指標計算公式分別見式（8）、式（9）。

[yij=xij-minj（xij）maxj（xij）-min（xij）]" " " " " " " " " " "（8）

[yij=xijmaxj（xij）-min（xij）]" " " " " " " " " " "（9）

計算得到標準化矩陣Y。

②計算均值[xj]和標準差Sj。均值和標準差計算公式分別見式（10）、式（11）。

[xj=1mi=1mxij]" " " " " " " " " " " " " " （10）

[Sj=1mi=1m（xij-xj）2]" " " " " " " " " " （11）

③計算變異系數(shù)。變異系數(shù)計算公式見式（12）。

[vj=sjxj]" " " " " " " " " " " " " " " " （12）

④計算相關(guān)系數(shù)矩陣。相關(guān)系數(shù)矩陣見式（13）。

[pij=cov（yk，yl）sk·sj（k=1，2，…，n;l=1，2，…，n）] （13）

式中：pij為第i個指標和第j個指標之間的相關(guān)系數(shù)，[cov（yk，yl）]表示第k個指標和第l個指標之間的協(xié)方差。

⑤計算指標所含信息量。指標所含信息量計算公式見式（14）。

[nj=νjn（1-pij）（j=1，2，…，n）]" " " " " （14）

⑥確定各指標權(quán)重。各指標權(quán)重計算公式見式（15）。

[βij=nji=1nnj]" " " " " " " " " " " " " " "（15）

各評價因子的權(quán)重賦值情況見表2。

2.4 綜合評價指數(shù)計算

生產(chǎn)壓力指數(shù)、耕地狀態(tài)指數(shù)、社會響應指數(shù)的計算公式見式（16）至式（18）。

[PI=nWj×Xj]" " " " " " " " " " " " " " "（16）

[CI=nWj×Xj]" " " " " " " " " " " " " " "（17）

[SI=nWj×Xj]" " " " " " " " " " " " " " "（18）

式中：PI為生產(chǎn)壓力指數(shù)，CI為耕地狀態(tài)指數(shù)，SI為社會響應指數(shù)，j為評價因子的個數(shù)，Xj為各評價因子的分值，Wj為各評價因子的權(quán)重。

2.5 耕地質(zhì)量指數(shù)計算

該研究利用空間向量模型來計算耕地質(zhì)量指數(shù)，該模型在空間建立空間直角坐標系，生產(chǎn)壓力指數(shù)、耕地狀態(tài)指數(shù)、社會響應指數(shù)分別表征一個空間平面，按照空間向量的模的計算方法計算出耕地質(zhì)量指數(shù)空間向量的模，其中模的大小即表示耕地質(zhì)量指數(shù)的數(shù)值。具體計算公式見式（19），耕地質(zhì)量的模型示意圖如圖1所示。

[CLI=OM=OA+OB+OC=x2+y2+z2]" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （19）

式中：CLI為耕地質(zhì)量指數(shù)，[OM]為向量模長。

3 結(jié)果分析

3.1 各評價因子空間分布格局

武威市耕地質(zhì)量的7個評價因子空間分布狀況各具特征，其中坡度和年均土壤濕度指數(shù)的空間分布呈現(xiàn)出南高北低的分布格局：高值區(qū)主要分布在南部的天祝藏族自治縣，涼州區(qū)的西部、南部，及古浪縣的南部區(qū)域；低值區(qū)主要分布在北部的荒漠及中部的綠洲區(qū)域。土壤養(yǎng)分指數(shù)、RVI、DVI及NDVI的空間分布格局大致相似，高值區(qū)主要分布在石羊河、雜木河、洪水河沿岸的耕地、林地及植被生長狀況較好的區(qū)域，低值區(qū)主要分布在以荒漠、裸土地和建設(shè)用地為主的區(qū)域。武威市水澆地主要分布在涼州區(qū)和古浪縣的中部，以及民勤縣的西北部區(qū)域；旱地主要分布在南部的天祝藏族自治縣。

3.2 耕地質(zhì)量空間分布格局

研究區(qū)耕地質(zhì)量的空間分布狀況特征明顯，其中一、二級耕地面積共23.87萬hm2，占研究區(qū)耕地總面積的54.00%，主要分布在涼州區(qū)東南部的金河、黃羊河、長城、吳家井、謝河，古浪縣中部的大靖、裴家營、海子灘，民勤縣東北部的收成、西渠、泉山、紅沙梁等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該區(qū)域土壤養(yǎng)分、水分含量高，環(huán)境脅迫度小，耕地質(zhì)量最好；在后期的耕作中應加強土地集約化利用，注意保護耕地質(zhì)量，提高肥料利用率，科學合理灌溉。

三級耕地面積為9.53萬hm2，占研究區(qū)耕地總面積的21.55%，主要分布在民勤縣西南部的夾河、東壩、紅砂崗，涼州區(qū)的鄧馬營生態(tài)指揮部等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該區(qū)域土壤養(yǎng)分條件、水分條件較好，旱澇鹽漬化威脅較小，耕地質(zhì)量較好。該類耕地后期應以保持土壤肥力、優(yōu)化農(nóng)田水利設(shè)施為主，通過多種渠道保護耕地，防止其進一步退化。

四、五級耕地面積共10.81萬hm2，占研究區(qū)耕地總面積的24.45%，主要分布在古浪縣的民權(quán)鎮(zhèn)、新堡鄉(xiāng)、直灘鎮(zhèn)，天祝藏族自治縣的旦馬鄉(xiāng)、華藏寺鎮(zhèn)、賽什斯、松山鎮(zhèn)的南部等區(qū)域。該區(qū)域土壤肥力及水分含量較低，水土流失的風險較大，耕地質(zhì)量較差；后期應采取水土保持措施，培育地力，因地制宜發(fā)展林業(yè)，增加居民收入。

4 結(jié)論與討論

該研究以干旱區(qū)綠洲城市——武威市為研究區(qū)，根據(jù)“壓力—狀態(tài)—響應”框架，從3個方面共選取7個評價因子，利用ENVI 5.3及ArcGIS軟件對評價因子進行計算，再借助CRITIC軟件進行賦權(quán)，通過空間向量模型對武威市的耕地綜合質(zhì)量進行評估。結(jié)果表明，武威市優(yōu)質(zhì)耕地資源較多，其中一、二級耕地面積占總耕地面積的一半以上，而四、五級耕地面積比重相對較大，耕地質(zhì)量有待進一步提高。該研究可為干旱區(qū)綠洲城市耕地質(zhì)量評價提供新思路、新方法，同時為區(qū)域耕地保護與環(huán)境治理提供理論依據(jù)。

該研究雖采用了高精度、高時效的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，但由于空間分辨率不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)來源不一致、數(shù)據(jù)獲取難度較大等，會導致評價結(jié)果精度不夠理想。因此，在今后的學習和研究中，應進一步完善評價指標體系，通過多渠道獲取高精度的遙感數(shù)據(jù)，以獲得更加理想的評價結(jié)果。

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作者簡介：馬健行（1991—），男，本科，工程師，研究方向：遙感與GIS應用。