黑龍江明水縣耕地質量綜合評價

侯淑濤, 邸延順, 程光大, 陳建龍, 張羽鑫

(1.東北農業大學 資源與環境學院, 哈爾濱 150030; 2.黑龍江省國土資源勘測規劃院, 哈爾濱 150090)

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黑龍江明水縣耕地質量綜合評價

侯淑濤1, 邸延順1, 程光大1, 陳建龍2, 張羽鑫1

(1.東北農業大學 資源與環境學院, 哈爾濱 150030; 2.黑龍江省國土資源勘測規劃院, 哈爾濱 150090)

耕地質量評價是改善農田質量狀況、提高耕地生產能力的基礎，是基本農田保護與高標準基本農田建設等工作科學開展的重要前提。在深入剖析耕地質量評價理論與方法的基礎上，從質地、土層、氣候、地貌、農田基礎設施和規模等方面建立評價指標體系，運用綜合指數模型、模糊聚類及GIS技術，從地塊、鄉、縣三個尺度評價該縣耕地質量及其空間分布。結果表明：自然等別中，一類地面積12 832.17 hm2，占8.89%；二類地面積111 269.06 hm2，占77.05%；三類地面積20 301.55 hm2，占14.06%。該縣耕地總體質量一般，西部基本為二類地，東部主要為三類地。綜合等別中，一類地面積60 794.01 hm2，占42.10%；二類地面積56 950.72 hm2，占39.44%；三類地面積60 794.01 hm2，占18.45%，一類耕地面積比例比自然質量耕地面積比例提高了33.21%，說明耕地質量提升潛力較大，農田基礎設施建設對提高耕地生產能力作用顯著。

耕地質量評價; 多尺度; 模糊聚類; 空間分布; 明水縣

耕地是社會可持續發展和農業生產最基本的資源，其質量的好壞直接影響到糧食產量[1]。隨著城鎮化、工業化進程的加快，耕地資源日益減少、質量不斷下降，耕地資源稀缺性十分突出，以提高耕地綜合生產能力為目標的耕地保護與建設已成為我國糧食安全和經濟社會可持續發展的重要任務[2-4]。

耕地質量評價是改善農田質量狀況、提高耕地生產能力的基礎，耕地保護與建設的核心是在評價耕地質量的基礎上，挖掘耕地生產潛力[5]，因而耕地質量評價成為學術界熱衷研究的內容之一，也是基本農田保護與高標準基本農田建設等工作科學開展的重要前提。近年來，許多學者對耕地質量評價研究進行了積極有益的探索，在評價單元的選擇上，農業領域多以省、市、縣或以農業生態區域為基本評價單位；國土領域考慮氣候等大尺度因素，多以耕地類型單位或耕地地塊為基本評價單元，不同空間尺度的評價都能為所對應層面的政策決策提供支持[6]。在評價方法方面，大部分學者采用綜合評價與分級賦值分類法、熵值法、主導因素法等方法[7-9]。在評價指標的選擇上，學術界普遍認為耕地質量受社會經濟條件、土壤條件、農田基礎設施條件及耕地立地條件等人文與自然因素影響并決定[10]，而耕地質量評價指標必須能反映耕地質量和區位條件的優劣，以期切實評價耕地質量的空間分布[11-12]。以區域、縣域為單元的大尺度耕地質量評價，可為國家、區域耕地數量質量變化監測、完善耕地保護政策、保障國家糧食安全提供依據，但評價結果難以在小尺度耕地保護與建設中發揮作用。黑龍江省是中國重要的糧食主產區和商品糧基地，中央關于建立兩大平原現代農業綜合配套改革區既給黑龍江省的現代農業發展帶來難得的機遇，也給糧食產量和耕地質量提升提出了更高的要求。兩大平原農田規模較大、耕地自然質量較好，但農業基礎設施落后是耕地生產能力較低的主要影響因素。綜合耕地自然質量、農田基礎設施及規模水平的耕地質量評價及空間分布研究[13-14]，可為黑龍江省糧食安全保障體系建設、農業規模集約經營及新時期農村建設規劃、決策與管理提供依據。

本文以明水縣為例，從東北商品糧基地建設及高標準基本農田建設的視角[15]，厘清土壤質地、土層厚度、地形、地貌、氣候、農業基礎設施及耕地規模對耕地質量的影響關系，構建耕地質量評價指標體系，運用綜合指數、模糊聚類及GIS空間疊加技術與方法，從地塊、鄉、縣三級尺度評價該縣耕地質量等級，分析其空間分布特征及主要影響因素，為科學量化耕地質量水平及提升耕地整理潛力提供依據。

1　研究區概況與數據來源

1.1研究區概況

明水縣位于黑龍江省西部，地理坐標47°01′37″—47°22′58″N，125°16′12″—126°27′00″E，地處松嫩平原東部、小興安嶺西側山前沖積洪積緩傾斜臺地，地勢中部略高，東西兩側漸低，平均海拔249 m。全縣地貌分丘陵崗地、緩坡漫崗、低洼平原及沿河漫灘四種類型。氣候特點冬季漫長寒冷干燥；夏季溫熱多雨；春季降水少，多大風；秋季降水適中，溫涼宜人，霜來早。由于西部和南部是開闊平原，風速大，氣溫偏高，降水偏少；東部和北部是丘陵漫崗地區，風速小，氣溫偏低，降水多。無霜期在124 d左右，平均降水為490 mm。植被條件比較豐富，田間和河邊生長各種楊、柳、槐、松等樹木，西部草原生長牧草、水草等各種草類及龍膽、柴胡等中草藥。土壤資源主要為黑土，土層較厚，耕地肥力較好。主要河流有通肯河及其支流撒拉河。全縣轄5鎮、7鄉、99個行政村，截至2009年底，全縣總人口35萬人，農業人口27.5萬人，占總人口的78.57%；全縣總面積22.97萬hm2，耕地總面積14.44萬hm2，占總面積的62.86%，其中平耕地、坡耕地分別占耕地總面積的85.49%，14.51%。全縣地區生產總值18.6億元，三次產業結構比為39.2∶33.9∶26.9，糧食產量達6.55萬t。

1.2數據來源

本文所用數據包括明水縣2009年1∶1萬土地利用變更數據庫、1∶10萬土壤類型圖、1∶5萬DEM數據、《明水統計年鑒2010》。

2　研究方法

耕地質量不僅表現在土壤、地形、地貌及氣候等自然因素方面，農田基礎設施建設水平及規模經營程度對耕地生產能力提升具有一定的影響。通過定量研究與定性分析相結合，從而厘清耕地質量等別及其空間分異狀況。本文考慮耕地質量影響因素及分等因子差異，從耕地的土壤、土層厚度、有機質含量、地形、氣候等自然因素及基礎設施建設與耕地規模三個方面，在平耕地(<2°)、坡耕地(2°～6°，6°～15°)3個層面確定耕地質量評價指標體系；參考《農用地質量分等規程》及相關文獻，確定指標度量的基準及分值；采用專家咨詢與層次分析法結合確定指標權重，利用綜合指數模型計算評價單元分值；運用模糊聚類得到圖斑尺度上的耕地自然質量及綜合質量等別，分析耕地自然等別及其影響因素；以鄉鎮為單元分析各鄉鎮農田規模、農田基礎設施建設水平及綜合等別狀況，利用統計及GIS疊加分析該縣耕地質量、數量空間分布及未來的建設目標和方向。

2.1評價指標及權重

根據本文界定的耕地質量內涵，結合明水縣實際情況，從耕地自然狀況、農業基礎設施及耕地規模3個方面確定12項耕地質量評價指標，采用理論分析和專家咨詢相結合的方法，以耕地圖斑為評價單元，選取黑土層厚度、有機質含量、土壤質地、距障礙層深度、pH值、坡度、降水7項自然因素指標，田間道路通達度、農田防護林比率、灌排條件3項農業基礎設施因素指標，田塊規模、田塊形狀2項耕地規模因素指標，構建耕地質量評價指標體系，運用專家咨詢與層次分析法相結合確定指標權重(表1)。

表1　明水縣耕地質量評價指標及權重

2.2基于綜合指數模型的耕地質量測算

耕地質量測算采用綜合指數模型法計算耕地自然質量、農田基礎設施水平、耕地規模水平分值及綜合得分。綜合指數采用多目標線性加權函數進行測算，模型如下：

式中：P——耕地圖斑質量綜合指數；bi——第i個單項指標量化值：wi——第i個單項指標的權重。

2.3基于模糊C均值聚類的耕地質量等別劃分

耕地質量等別的劃分大多采用簡單的等間距法、數軸法、總分值頻率曲線劃分等別區間。等間距法不適宜較小數據的分類；基于地塊尺度的全縣上萬個圖斑的耕地質量分值在數軸上點的分布稀疏與集中情況很難觀察和確定各等別分值區間；總分值頻率曲線法雖能很好地觀察各圖斑頻率曲線突變點，但分區組數的確定受判定經驗的限制，且難以驗證分類精度。模糊聚類是一種非監督分類方法，適合大容樣本數據的聚類分析。模糊C均值聚類在類別數較明確的分類中優勢顯著，它通過優化目標函數得到每個樣本點對所有類中心的隸屬度來決定樣本點的類屬，以達到自動對樣本數據進行分類的目的，其目標函數為：

(1)

模糊C均值聚類通過迭代優化實現分類。首先是對隸屬度矩陣U的初始化，根據公式(2)計算C個聚類中心，由此依據公式(3)計算各個數據點的隸屬度；其次，通過調整隸屬度矩陣，再次計算新的C個聚類中心，然后比較聚類中心的變化；如果兩次循環之間的變化量小于預設的閾值，則停止迭代運算，否則重復前述步驟直至聚類中心變化小于設定的閾值。

(2)

(3)

2.4聚類有效性檢驗

聚類有效性是評價聚類結果清晰與否及優劣的依據，通常采用模糊性能指數或歸一化分類熵來確定合適的聚類數。本文采用模糊性能指數(FPI)檢驗耕地質量等別劃分的有效性。

模糊性能指數(FPI)是數據矩陣X的模糊C分區間分離程度的度量，其定義為：

(4)

FPI的值在0到1之間變動。若該值接近0表示聚類時共用數據較少，類的劃分明顯；若該值接近1則表示具有較多的共用數據，類的劃分不明顯。

3　結果與分析

本文采用綜合指數模型測算圖斑單元耕地質量分值，運用Matlab軟件的模糊C均值聚類出耕地自然質量、基礎設施建設、農田規模及綜合質量分類，GIS支持下分析空間分布。

3.1耕地自然質量及空間分異分析

2009年明水縣耕地自然質量分三類，全縣耕地自然質量聚類分類統計結果如表2所示，耕地總體自然質量中等水平，其中：1類地面積12 832.17 hm2，占耕地總面積的8.89%，主要分布在明水、興仁、永久、永興四鄉鎮；2類地面積111 269.06 hm2，占77.05%，主要分布在崇德、通達、育林、雙興、通泉五鄉鎮；3類地面積20 301.55 hm2，占14.06%。各類耕地在空間分布上主要是，西部基本為2類地，中部有少量質量較高的1類地，東部主要為3類地及部分2類地。由以上數據可知，該縣耕地自然質量總體水平一般，主要集中為2類地，應根據實際需要進行必要的土地平整工程和平衡施肥來改善耕地的自然質量。

3.2農田基礎設施建設水平分析

本文將農田基礎設施條件分為較好、一般及較差三個級別，全縣農田基礎設施建設水平分類統計結果如表3所示，總體來看，全縣農田基礎設施建設水平較好。其中農田基礎設施條件較好的耕地面積為64 210.86 hm2，占耕地總面積的44.46%，主要分布在崇德鎮、明水鎮、永久鄉、育林鄉、通達鎮；農田基礎設施條件一般的耕地面積為48 512.44 hm2，占33.60%，主要分布在興仁鎮、雙興鄉、繁榮鄉、通泉鄉；農田基礎設施條件較差的耕地面積為31 679.48 hm2，占21.94%，其主要分布在光榮鄉、樹人鄉、永興鎮。

3.3農田規模水平分析

本文將農田規模水平分為大規模、規模及農戶規模三個級別，全縣農田規模水平分類統計結果如表4所示。全縣農田規模分布相對比較均衡，各鄉鎮規模化程度趨于接近，大規模農田所占比例較大，占50%左右；規模農田次之，占30%左右；小規模農田所占比例相對較小，占20%左右。

表2　明水縣各鄉鎮各類耕地質量面積及變化統計　hm2

表3　明水縣各鄉鎮基礎設施建設水平面積統計

表4　明水縣各鄉鎮農田規模水平面積統計

3.4耕地綜合質量分析

全縣耕地綜合質量聚類分類統計結果如圖1所示。其中：1類地面積60 794.01 hm2，占耕地總面積的42.10%，主要分布在育林、通達、崇德、明水四鄉鎮；2類地面積56 950.72 hm2，占39.44%，主要分布在通泉、繁榮、崇德、雙興、樹人五鄉鎮；3類地面積26 658.05 hm2，占18.46%。各類耕地空間分布由圖1可知，西部主要為1類耕地，中部主要為2類耕地，東部主要為3類耕地，耕地綜合質量由西向東總體呈遞減趨勢。由表2可以看出：耕地綜合質量與自然質量相比，1類地面積增加了47 961.84 hm2，二類地面積減少了54 318.34 hm2，表明自然質量一般的耕地由于基礎設施建設及農田規模水平較高，其綜合質量提升顯著；綜合質量為3類地略有增加，反映了基礎設施及農田規模水平較差。耕地綜合質量總體一般，整個研究區內存在一定影響耕地綜合質量的限制因素，考慮基本農田劃定的目標和方向，根據該區域土地整理可改造的難易程度，對綜合質量較差的區域開展土地平整、植樹造林、田間生產道路建設、完善水利設施等土地整理工程以達到基本農田劃定的要求。

圖1　明水縣耕地綜合質量空間分布

4　結 論

耕地質量是反映農田質量狀況、耕地生產能力重要的基礎。本文在利用多因素綜合指數模型測算耕地自然質量、農田基礎設施、規模及綜合質量分值的基礎上，利用模糊聚類與GIS技術劃分耕地質量類別及其空間分布，不僅得到最佳耕地質量分類結果，同時反映出耕地自然屬性、農田基礎設施及規模在耕地總體質量中的影響水平。耕地自然質量與綜合質量類別的轉移表明農田基礎設施對提高耕地生產能力作用顯著；全縣耕地中大規模經營斑塊比例占55.68%，規模經營比例占26.62%，十分有利于開展農業規模集約經營。

黑龍江省是國家重要的商品糧生產基地，本文以小尺度的縣域為研究實體，以耕地圖斑為單元，從地塊、鄉、縣三級尺度，研究耕地質量及空間分異特征，較好地反映了耕地質量的客觀情況，研究成果為黑龍江省兩大平原農業工程基礎設施建設、土地整治規劃及高標準基本農田建設提供依據。

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Comprehensive Evaluation of Cultivated Land Quality in Mingshui County, Heilongjiang Province

HOU Shutao1, DI Yanshun1, CHENG Guangda1, CHEN Jianlong2, ZHANG Yuxin1

(1.School of Resources and Environmental Sciences, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China;2.InstituteofSurveyingandPlanningonLandandResourcesinHeilongjiangProvince,Harbin150090,China)

The evaluation of cultivated land quality is the important basis to improve the quality of farmland and production capacity, it is also the important premise of the basic farmland protection and scientific construction of high standard basic farmland works carried out. Based on the in-depth analysis of cultivated land quality evaluation, the basis of the theory and method, and the basis of the quality of material, soil, climate, landscape, infrastructure, and scale of farmland, etc., the evaluation index system was established. The cultivated land quality and its spatial distribution were evaluated on the land unit, township and county scales using composite index, fuzzy clustering and GIS . The results show that in nature categories the first kind of cultivated land was 12 832.17 hm2, accounting for 8.89%; the second kind of cultivated land area was 111 269.06 hm2, accounting for 77.05%; the third kind of cultivated land area was 20 301.55 hm2, accounting for 14.06%. Overall quality of cultivated land was average, it was mainly the second category in the west and the third was mainly in the east. In comprehensive categories, the first kind of cultivated land area was 60 794.01 hm2, accounting for 42.10%; the second category was 56 950.72 hm2, accounting for 39.44%; the third type was 60 794.01 hm2, accounting for 18.45%. Comprehensive classification of the first kind of arable land proportion compared with the natural quality of cultivated land area ratio increased by 33.21%, the cultivated land quality improvement potential is greater, farmland infrastructure construction to improve the production capacity of cultivated land was significant.

cultivated land quality evaluation; multi-scale; fuzzy clustering; space distribution; Mingshui County

2014-06-12

2014-07-08

國土資源部公益性行業科研專項經費項目“規模化基本農田集中建設與保護關鍵技術研究”(201311002-02)

侯淑濤(1965—),女,黑龍江樺川人,副教授,碩士生導師,主要研究方向為土地利用。E-mail:houst129@126.com

陳建龍(1973—),男,黑龍江哈爾濱人,高級工程師,主要研究方向為土地利用與規劃。E-mail:13354508860@126.com

F301.21

A

1005-3409(2015)04-0232-05