大豆種植適宜性精細評價及種植合理性分析*——以東北三省為例

何英彬，姚艷敏，李建平，黃 青，陳佑啟，陳仲新，楊 鵬，于士凱

(1.農業部資源遙感與數字農業重點開放實驗室，北京 100081;2.呼倫貝爾草原生態系統國家野外科學觀測研究站，北京 100081;3.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

1 引言

土地適宜性評價，尤其是糧食作物種植用地適宜性評價已經成為開發與保護、人口與資源關系的重要內容［1］。相關領域研究從大空間尺度到中、小空間尺度過渡的特點仍在延續［2，3］。鄭宇等對山東省土地適宜性做了空間分析及其優化配置研究［4］，邢世和等針對福建省農用地資源進行適宜性評價分析［5］，謝樹春等在進行湘中紫色土丘陵地區土地適宜性評價時，將村級單位作為試點研究［6］。近年來，環境生態脆弱區土地適宜性評價明顯增加:一些研究者在內蒙古地區［7，8］、喀斯特地區［9］、黃土高原地區［10］、黃土丘陵溝壑區［11］等生態脆弱地區都開展了土地適宜性評價。而單一用途土地適宜性評價一個較為明顯的特點是基本都圍繞經濟作物展開［12-17］。國外對這一領域研究也較為深入，Allen等建議土地利用適宜性應從地形、土壤、植被及其內部關系著手研究［18］。Steiner等基于生態調查的方法設計了一個土地適宜性研究框架，框架內生態保護的限制作用及積極因素得以充分體現［19］。還有很多國外學者致力于應用GIS軟件深入評價土地適宜性、開發土地適宜性管理系統及實現可視化功能［20-23］。

目前，作物種植氣候適宜性研究較為集中深入［24-27］。Cutforth和Shay研發了作物反應函數并分析了玉米種植的溫度適宜性［28］。趙峰等運用模糊數學方法，結合河南省冬小麥生理生態特征建立了旬溫度適宜度函數、旬光照適宜度函數和旬降水適宜度函數［29］。何英彬等應用綜合作物反應函數計算了中國北方11個省市大豆種植氣候適宜性［30］。FAO發布了“21世紀全球農業生態評價:方法與結果”，報告中系統的應用AEZ法研究了灌溉作物與旱作作物的種植適宜性［31］。以往作物適宜性研究雖然比較有意義，但通常沒有建立體現研究區各方面綜合情況的指標體系，尤其是缺乏社會經濟因素的定量與空間表達;而對于氣候要素，也通常使用的是全生育期的氣候數據，極少有分生育期研究氣候要素對于種植適宜性影響的案例。

大豆是重要的糧油兼用作物，我國是世界大豆第四生產國，僅次于美國、巴西和阿根廷，我國東北三省大豆播種面積約為全國總播種面積的一半［32］。在過去30年年間，東北三省的大豆播種面積經歷了幾次波動，波動原因極為復雜，但種植適宜性是其中很重要的原因。綜上所述，該文以東北三省為例進行了大豆種植適宜性的研究，建立了一套涵蓋自然和經濟影響因子的大豆適宜性評價綜合指標體系，指標體系中不但綜合考慮自然與社會經濟影響因素，而且還應用作物反應函數計算溫度、降水和日照氣候3個要素在不同生長期對于大豆種植適宜性的影響;在獲取東北三省大豆適宜性等級圖基礎上，將其與東北三省實際大豆種植區域進行對比，以便為農業及相關部門適當調整大豆種植的空間結構而服務，該文也將為其他相關研究提供參考。

2 方法與數據處理

2.1 研究區域

東北三省 (包括遼寧、吉林和黑龍江3省)介于北緯38°43＇～53°24＇、東經115°20＇～135°之間，總面積約為79.18萬km2，人口1.05億人 (圖1)。東北三省地貌類型多樣，地表結構略呈三面環山、平原中開的盆地輪廓，地勢西北、東北高，中南部低，分布具有一定規律;東北三省平原沿著主要山體的走向延伸，主要有三江平原 (包括興凱湖平原)、東北三省中部平原 (以松嫩平原為主)以及周圍的山前臺地平原 (含松遼分水嶺)。氣候屬溫帶大陸性季風氣候，冬季干燥、嚴寒漫長，夏季濕潤、溫暖短促，≥10℃積溫除黑龍江北部外，其余地區均在2 000℃以上;東北三省年降水量為350～1 200mm，大部分地區在450～850mm之間，由東南向西北遞減。東北三省氣候資源比較豐富，具有太陽輻射較強，夏季氣溫高，降水比較適中，雨熱同期，晝夜溫差大等特點，對農作物生長有利［33］。大豆是東北三省主要作物之一，一年一熟制耕作，雖然該區有很多培育的品種，但總體可以歸結為春大豆系列［34］。

2.2 研究方法

2.2.1 建立適宜性指標體系

評價指標的選取應遵循代表性和全面性的原則，為避免指標高度相關，只需從諸多因子中選取少數幾個能夠真實全面反映土地耕作適宜性的評價指標即可;評價指標的選取并非固定不變，而是因地制宜靈活選取［35］。參考以往的研究結果結合大豆生長的生理物候特征，將影響東北三省大豆種植適宜性的因素分為自然與人文兩大類，包含7個方面:自然因子有氣候因子、地形因子、土壤因子、自然災害影響因子，而社會經濟影響因子包括基礎設施因子、科技進步因子及農民意愿因子［35-38］。各種因子通過可定量化及空間化的指標進行大豆種植適宜性的分析:氣候因子量化為氣候適宜度指標，地形因子量化為坡度和坡向，土壤因子量化為pH值、有機質含量、堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量和表土含鹽量，自然災害因子量化為災害率，基礎設施因子量化為灌溉保證率和農村用電量，科學技術進步因子量化為地膜使用量、化肥使用量、機械化率，農民的意愿量化為耕作半徑長度 (表1)。其中，自然災害率、灌溉保證率、農村用電量、地膜使用量、化肥使用量、機械化率等指標是以社會經濟統計數據為基礎進行量化及空間化計算。

圖1 東北三省地理位置

2.2.2 氣候適宜度的計算

東北大豆雖然品種眾多，但大致可歸結為早熟、中熟和晚熟3大種類，大豆物候期也因不同種類而有所變化［34］，經研究，中熟是東北三省比較適宜種植也是實際種植最為廣泛的品種，因此本研究以中熟種類物候期為基準進行研究區大豆氣候適宜性計算［30］。為了反應氣候因子對于大豆不同生育期的影響，可以將東北大豆分為5個基本的生育階段:種子萌發和出苗期、幼苗生長期、花芽分化期、開花結莢期和鼓粒成熟期［39］。而氣候因子由溫度、降水和日照3要素組成，與以往通常采用作物全生育期的數據作為計算依據不同，該文針對大豆5個不同生育期，應用大豆綜合作物反應函數方法計算氣候3要素不同生育期的適宜度，再通過加權獲得東北大豆全生育期的氣候適宜度，這樣可以反映不同的氣候要素對于大豆生長不同階段的影響，提高評價精度［26］。

2.2.3 權值的獲取

指標權重是指標對研究對象影響程度的體現，基于專家打分并通過德爾菲法求可獲取各指標的權值［33］。選擇土壤學、農學、農業經濟管理、地理學、區域經濟學、生態學、環境科學等領域以及東北三省省級專家23人，采取獨立填表選取權數的形式，請各專家對指標的重要性進行打分;然后將他們各自選取的權數進行整理和統計分析，最后確定出各指標的權數。結合東北的實際情況，對指標的內容和權重進行了調整，將原始海拔、降水及積溫指標統一為氣候適宜度而3個指標的權重統一為一個權重，見表1。

表1 東北三省大豆種植適宜性評價指標體系

2.2.4 大豆種植適宜度等級圖獲取及其與實際種植區域對比分析

將所有量化指標空間化為1km×1km的柵格，并將數據標準化至0～1范圍內［37］，結合表1各指標的權值，進行加權，可以得到東北三省大豆種植適宜度空間分布圖，應用自然斷點法可以將其分為適宜種植區、中間等級區及非適宜種植區，生成大豆種植適宜度等級圖。應用MODIS影像獲得的東北三省大豆種植空間分布圖與等級圖進行對比，可以獲取大豆種植適宜性的空間特征。

2.3 數據的收集與整理

該文應用的DEM高程、土壤和自然災害等自然環境數據和社會經濟統計數據均來源于科技部科研院所社會公益研究專項“中國區域性耕地資源變化影響評價及其預警”所建立的“東北三省資源環境基礎數據庫”［33］，此數據庫在相關文獻有詳細敘述，在此不再贅述。而氣象數據來自科技部科技基礎性工作專項“中國農業氣候資源數字化圖集編制——大豆、牧草光溫數據數字化制圖實施方案項目”的數據集，數據為1980～2010年日均氣溫、日降雨量和日照時數的30年日平均值［30］。應用“東北三省資源環境基礎數據庫”中的灌溉面積、糧播面積、鄉村勞力、化肥純量、地膜使用量、農村用電量和農機總動力等社會經濟統計數據，計算出灌溉保證程度 (灌溉面積/糧播面積)、單位面積均化肥施用量 (化肥純量/糧播面積)、機械化程度 (鄉村勞力/農機總動力)、單位面積均地膜使用量、單位面積均農村用電量等指標值;應用GIS軟件將這些屬性數據與縣級行政區劃數據連接形成矢量數據，并將其轉換成1km×1km的柵格數據。其中，農村用電量、機械化程度、單位面積均化肥施用量、地膜使用量等取多年的平均值，以便降低各指標年度波動的不穩定性。根據野外調查記錄的各土壤采樣點社會經濟投入數據、應用地貌類型和土壤類型資料修正縣內社會經濟柵格化的平均數據［33］。應用DEM數據衍生出1km×1km的坡度圖和坡向圖。由此，所有評價要素數據統一為1km×1km的柵格數據，標準化處理后可用于評價。

3 結果與分析

3.1 東北三省大豆適宜性分析

東北三省大豆適宜性等級圖如圖2所示 (森林地區被剔除)，適宜度在大于等于0.41的區域為大豆適宜種植區、大于等于0.36小于0.41之間的區域為中間等級區，而非適宜種植區為適宜度小于0.36的區域。東北三省總體平均的適宜度為0.389，屬于中上水平。從圖2可知，評價結果并為受到指標數據空間化過程中一些以行政單元為基準進行量化指標的限制，而呈現出明顯的行政邊界痕跡。從圖2也可以明顯分辨出:大豆種植適宜區多分布在東北中東部的松嫰平原、遼寧中東部的遼河平原及三江平原東部邊緣地區，總面積約為9.09萬km2，約占東北三省全境總面積的11.5%。吉林省和遼寧省分別有3.32萬km2和3.77萬km2的適宜區，分別占適宜區總面積的36.5%和41.5%;而黑龍江省所擁有的適宜區面積僅占適宜區總面積的22%。

東北三省大豆種植非適宜區總面積約為7.99萬km2，約占東北三省全境面積的10.11%，與適宜區相反，非適宜區主要集中于黑龍江省，該省有6.47萬km2非適宜區，約占非適宜區總面積的81%，且非適宜區集中于三江平原，大小興安嶺山前臺地。而吉林省和遼寧省僅僅有0.54萬km2和0.98萬km2的非種植適宜區，分別占非適宜種植區總面積的6.76% 和12.24%，主要集中于長白山山前臺地地區。

東北三省共有11.45萬km2的中間等級區域，約占東北三省全境的14.49%。中間等級區域主要集中于黑龍江省，面積約為8.48萬km2，約為中間等級區域總面積的74.08%;而吉林和遼寧省擁有的中間等級區域各占總面積的12.55% 和13.37%。中間等級區域分布空間特征很明顯，主要是沿河流分布，雨水較多的年份，河流沿岸土地內澇，使得大豆種植受到影響，這也是這一地帶并非種植大豆適宜區的一個主要原因。

3.2 東北三省大豆適宜性等級區域與實際種植區域對比分析

為了進行東北三省大豆適宜性等級區域與實際種植區域對比研究，作者應用了東北三省大豆種植矢量圖 (圖3)，該圖是由空間分辨率為0.25km×0.25km的MODIS圖像解譯而成，解譯精度為85%以上，符合研究要求［40］。將結果重采樣為1km×1km柵格，以便與東北三省大豆適宜性等級圖進行疊加，結果如圖4。

由圖4可知，大豆種植適宜區與大豆實際種植區相符合區域的面積為1.14萬km2，且符合區主要分布在松遼平原;在相符合的區域中0.28萬km2分布在吉林省，0.19萬km2分布在遼寧省，0.67萬km2分布在黑龍江省。中間等級區域與大豆實際種植區域相符合的區域面積為2.13萬km2，主要分布在山脈與平原之間的臺地和三江平原。大豆不適宜區與大豆實際種植區的符合面積為1.33萬km2，主要分布在吉林省、遼寧省山前臺地及黑龍江的三江平原;符合面積中只有500km2分布在吉林省，289km2分布在遼寧省，而1.25萬km2分布在黑龍江省。對于東北三省研究區整體而言，大豆種植適宜區、中間等級區域及非適宜區域與大豆實際種植區域相符合的面積分別占大豆實際種植面積的24.78%，46.30%和28.92%;如果以省為研究單元，吉林省為73.31%，16.53%，10.16%，遼寧省為62.21%，28.41%，9.38%，黑龍江省為15.39%，51.70%，32.91%;不難看出，相對比于吉林省和遼寧省，黑龍江省大豆種植情況略顯不合理。

圖2 東北三省大豆種植適宜性等級

圖3 東北三省大豆種植區

圖4 東北三省大豆適宜性等級區域與實際種植區域對比

4 討論

(1)在文章中討論的適宜性等級是相對概念，黑龍江省很多地區被定性為不適宜區并不是指黑龍江省不適宜種植大豆，而是相對于吉林省和遼寧省，其適宜性等級稍低;更具體地說，相對于松遼平原，黑龍江三江平原山前臺地地區種植適宜性略差。適宜性評價與評價空間尺度及評價指標體系是否統一息息相關，如果在大空間尺度上，如全國尺度，黑龍江省的大豆適宜性未必為非適宜。東北三省作為我國最重要的糧食主產區之一及商品糧基地，其作物種植結構的合理性直接關切到該區域的糧食生產效率及我國糧食安全。因此，在研究區域僅限于東北三省的前提下，其又是比較典型的完整的研究區域，研究大豆種植空間結構相對合理性有其必然意義。

(2)從全球空間尺度到農地空間尺度，無法應用統一的適宜性評價體系，原因大致可以歸為兩點:一是數據無法獲取，二是評價體系指標面臨尺度推繹過程中的一致性問題。不同的指標在不同的空間尺度上對于適宜性的影響有所不同。因此，在評價作物種植適宜性時，不但要用到自然領域通用的因子如土壤、地形因子，而且要根據實際情況提出相應的社會經濟影響因子。該文提出應用大豆反應函數計算氣候三要適宜度并加權獲取氣候適宜度，可以精確評價氣候因子的影響;在此基礎上，綜合考慮農民意愿(農民耕作半徑)、自然災害率及其他社會經濟指標，可以為大豆種植適宜性精細評價提供有益參考。在研究中一些以行政區域邊界空間化的指標無疑將會對評價結果產生一定的影響，為提高空間數據準確度，未來社會經濟指標空間化問題依然是地理科學研究的重點問題和熱點。

(3)平原地區通常是作物種植適宜區，例如松嫩平原，而山區或山前臺地很多為不適宜種植區域，例如吉林省山區為不適宜區域。但是根據圖2，發現非常有趣的現象是:三江平原是大豆種植非適宜區的集中地帶，這主要是因為大豆是光感作物，三江平原地區在大豆第一階段種子萌發和出苗期、第二階段幼苗生長期和第五階段鼓粒成熟期日照不充足有關，這對于大豆種植的適宜性產生了不良的影響，另外灌溉條件、農民耕作意愿及表土含鹽量也是大豆種植適宜性的負面影響因素。

(4)從圖4可以看出，松嫩平原很多大豆種植適宜區并沒有種植大豆，而黑龍江很多相對不適宜種植大豆的地區種植了大豆，大豆種植適宜度的高低并不能決定大豆空間分布和結構。大豆種植從20世紀80年代到目前，面積波動較大，主要由農民利益最大化的思維驅動，而農民利益最大化的思維通常受到大豆價格與耕作成本的左右，而這一因素又受到大豆種植政策、市場、原油價格甚至國內外游資對大豆種植的影響。在不同年份比較效益發生波動及基本農田保護的嚴厲政策執行的前提下，農民根據盈利的需要播種不同的作物，致使作物種植空間競爭較為激烈。該文分析大豆種植適宜性目的在于為未來合理的作物結構調整提供思路和參考，但并不主張在未考慮農民種植意愿前提下改種或不種大豆，只有在農民意愿得到充分滿足的提前下，作物結構調整才能得以順利實施。

5 結論

該文建立了一套涵蓋自然和經濟影響因子的大豆適宜性評價指標體系，并以東北三省為例進行了大豆種植適宜性的研究;指標體系中不但考慮了溫度、降水和日照氣候三個要素在不同生長期對于大豆種植適宜性的影響，而且還引進了自然災害率作為自然評價指標;此外，在社會經濟因子類別中還應用了基礎設施、科技進步及農民意愿等因子，進行大豆適宜性評價。在獲取東北三省大豆適宜性等級圖基礎上，將其與東北三省實際大豆種植區域進行對比，結果發現松嫩平原是最適合于大豆生長的區域，黑龍江大豆種植略欠合理性，而三江平原由于日照等因素并非大豆種植的絕佳地帶。在研究結果基礎上，建議農業及相關部門在保護農民切身利益的情況下適當調整大豆種植的空間結構;該文也為其他相關研究提供參考。

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