基于空間插值的耕地質(zhì)量差異性分析*
——以甘肅省白銀市為例

汪延彬，米成林，宋啟全，陳亮之，王婭妮

（1.甘肅省國土資源規(guī)劃研究院，甘肅　蘭州 730000；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

基于空間插值的耕地質(zhì)量差異性分析*
——以甘肅省白銀市為例

汪延彬1，米成林1，宋啟全1，陳亮之2，王婭妮2

（1.甘肅省國土資源規(guī)劃研究院，甘肅蘭州 730000；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

利用耕地質(zhì)量等別調(diào)查評價數(shù)據(jù)，采用地統(tǒng)計分析法、泛克里格空間插值法和對比研究法，對甘肅省白銀市耕地自然質(zhì)量等別和利用等別的空間分布特性進(jìn)行深入分析。結(jié)果表明：（1）白銀市中部和北部縣區(qū)的耕地自然質(zhì)量等別普遍高于南部縣區(qū)，中部地區(qū)靖遠(yuǎn)縣的自然質(zhì)量等別最高；（2）白銀市耕地利用等別差異較為明顯，靖遠(yuǎn)縣中北部耕地的利用等別最高，以此區(qū)域為中心向四周逐漸遞減，在全市東部及南部耕地利用等別普遍低于12等，屬低等地；（3）在靖遠(yuǎn)縣和平川區(qū)境內(nèi)存在一個以靖遠(yuǎn)北部為中心的耕地質(zhì)量較高的帶狀區(qū)域，利用等別的區(qū)域中心逐步向靖遠(yuǎn)縣糜灘鄉(xiāng)下灘村和文化村偏移。結(jié)論：（1）基于地統(tǒng)計分析法的空間插值可用于了解區(qū)域耕地質(zhì)量的空間分布特性；（2）平川區(qū)南部、靖遠(yuǎn)縣中北部應(yīng)作為未來耕地產(chǎn)出管理的重點區(qū)域，其他地區(qū)應(yīng)以提高耕地灌溉水平和耕地土壤的蓄水、保墑、保肥能力為主。

耕地質(zhì)量；空間插值；白銀市

嚴(yán)格實行土地管理制度的最終目標(biāo)是實現(xiàn)3個保障：保障糧食安全，保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障生態(tài)安全［1］，其中糧食安全是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全的基礎(chǔ)，耕地產(chǎn)能可量化衡量糧食安全的程度。

國土資源部從1999年至2010年在全國范圍內(nèi)組織了耕地分等調(diào)查評價任務(wù)，并從2012年開始每年進(jìn)行一次更新評價。甘肅省開展的耕地綜合生產(chǎn)能力調(diào)查與評價工作由兩部分組成，一是耕地質(zhì)量等別調(diào)查評價，二是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的產(chǎn)能核算。耕地產(chǎn)能是表征耕地產(chǎn)出的重要指標(biāo)，是耕地單產(chǎn)與其對應(yīng)面積的乘積［2］，產(chǎn)能核算可直接體現(xiàn)耕地產(chǎn)出，是一種將耕地質(zhì)量“精準(zhǔn)化”、確定區(qū)域糧食安全的一種有效方法［3］。目前產(chǎn)能核算的主要方法是通過選取具有代表性的調(diào)查樣點，構(gòu)建耕地自然質(zhì)量等指數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)糧理論單產(chǎn)樣本值、耕地利用等指數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)糧可實現(xiàn)單產(chǎn)樣本值之間的函數(shù)模型，然后將所有耕地分等單元的自然質(zhì)量等指數(shù)與利用等指數(shù)代入模型［4，5］，計算對應(yīng)層級的產(chǎn)能，整個過程中耕地質(zhì)量的分布特性起著重要的作用。基于空間插值方法的耕地質(zhì)量差異性分析采用地統(tǒng)計學(xué)方法，在空間插值的過程中重點考慮了調(diào)查樣點的質(zhì)量等別與樣點之間位置的相關(guān)性，最終通過離散的、不連續(xù)的調(diào)查樣點擬合出具有連續(xù)特性的曲面。利用地統(tǒng)計學(xué)的方法對現(xiàn)有調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值處理，將會為了解整個區(qū)域耕地質(zhì)量的總體分布特征提供極大的幫助。

1　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

甘肅省位于我國西北內(nèi)陸，介于北緯32°31'～42°57'，東經(jīng)92°13′～108°46′之間，地處東部季風(fēng)區(qū)、西北干旱區(qū)和青藏高原區(qū)三大自然交匯處，氣候類型復(fù)雜多樣，可劃分為北亞熱帶、暖溫帶、中溫帶等氣候類型［6］。

白銀市是甘肅省12個地級市之一，位于甘肅省中部，地處黃土高原和騰格里沙漠過渡地帶，包含12個縣，耕地規(guī)模占全省9.57%，耕地質(zhì)量具有隴中地區(qū)典型特征。全市南部為中溫帶半干旱氣候區(qū)，北部為冷溫帶干旱氣候區(qū)，年降水量110～352mm，年蒸發(fā)量2101mm。

本文分析數(shù)據(jù)來自2014年甘肅省耕地質(zhì)量等別調(diào)查評價項目，樣本的自然質(zhì)量等別為考慮光、溫、水、土自然條件因素評價得出的等別，利用等別在自然質(zhì)量等別基礎(chǔ)上考慮土地利用系數(shù)后計算得出。項目共收集樣本996個，通過等別數(shù)據(jù)與相應(yīng)等指數(shù)的對比統(tǒng)計，使用方差剔除法將樣本中部分異常值和錯誤值剔除，最終得到樣本971個，全市各縣樣本具體數(shù)據(jù)見表1，如圖1所示。

表1　白銀市樣本統(tǒng)計

圖1　白銀市耕地質(zhì)量樣本分布圖

2　研究方法與數(shù)據(jù)驗證

2.1地統(tǒng)計方法

本文使用的地統(tǒng)計學(xué)是統(tǒng)計學(xué)的分支，其以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為基本工具，研究在空間分布上既具有隨機(jī)性又具有結(jié)構(gòu)性的自然現(xiàn)象［7］。凡是研究數(shù)據(jù)空間分布的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性、空間相關(guān)性和依賴性、空間格局與變異，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行無偏、最優(yōu)估計，或模擬這些數(shù)據(jù)的離散性、波動性時，均可應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)的理論及相應(yīng)的方法［8］，所以耕地質(zhì)量的空間差異性分析是其應(yīng)用之一。

地統(tǒng)計學(xué)與經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)都是在大量采樣的基礎(chǔ)上，通過對樣本屬性值的頻率分布、均值、方差等關(guān)系及其相應(yīng)規(guī)則進(jìn)行分析，確定其空間分布格局與相關(guān)關(guān)系［9］。但地統(tǒng)計學(xué)重視樣本空間位置及樣本間的距離，彌補了經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)忽略空間位置的缺陷。

基于地統(tǒng)計學(xué)的插值方法最常用的是克里格插值，其通過對已知樣本點賦權(quán)重來求得未知樣本點的值，計算公式可統(tǒng)一表示為［9］：

上式中，Z（x0）為未知點的值，Z（xi）為未知樣點周圍的已知樣本點的值，λi為第i個已知樣本點對未知樣點的權(quán)重，n為已知樣本點的個數(shù)。在克里格插值方法中，采樣點數(shù)值的分布及半變異函數(shù)情況對插值結(jié)果影響較大。

2.2樣本數(shù)據(jù)有效性驗證

應(yīng)用克里格空間插值方法的前提是樣本服從正態(tài)分布，本文利用直方圖工具和正態(tài)QQPlot工具，首先對采樣點等別數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，進(jìn)而分析采樣點的半變異函數(shù)情況，根據(jù)分布特性確定插值模型參數(shù)。

白銀市樣點自然質(zhì)量等別、利用等別有效性驗證結(jié)果如圖2、3所示。從直方圖、正態(tài)QQPlot圖及正態(tài)分布中值、均值可以看出，樣本等別呈正態(tài)分布。在本文中，筆者分析了不同模型產(chǎn)生的檢驗方差，發(fā)現(xiàn)對于自然質(zhì)量等別和利用等別，圓形模型結(jié)果最優(yōu)。但在半變異函數(shù)圖中，樣點自然質(zhì)量等別方向效應(yīng)不明顯，使用各向同性建模方式，利用等別使用各向異性建模方式。

圖2　樣本自然質(zhì)量等別直方圖、正態(tài)QQPlot圖

圖3　樣本利用等別直方圖、正態(tài)QQPlot圖

3　耕地質(zhì)量空間差異性分析

3.1耕地自然質(zhì)量等別空間差異性分析

耕地自然質(zhì)量等別是從自然狀態(tài)下評價耕地質(zhì)量，反映耕地土壤、地理條件、氣候等自然條件的好壞。通過數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用泛克里格空間插值方法得到白銀市耕地自然質(zhì)量等別空間分布狀況如圖4所示。

圖4　白銀市耕地自然質(zhì)量等別空間分布

通過圖4可以看出：

1）白銀市中部和北部縣區(qū)的耕地自然質(zhì)量等別普遍高于南部縣，中部地區(qū)的自然質(zhì)量等別最高，這與該地區(qū)年降水量等值線的分布一致。其中平川區(qū)南部、靖遠(yuǎn)縣北部的自然質(zhì)量等別在10～11等，超過了全省耕地平均自然質(zhì)量等別13等，屬中等地；景泰縣西部、會寧縣大部、白銀區(qū)西部及靖遠(yuǎn)縣東部耕地自然質(zhì)量等別較低，多在13等以下。

2）在靖遠(yuǎn)縣和平川區(qū)境內(nèi)存在一個以靖遠(yuǎn)北部為中心的耕地自然質(zhì)量等別較高的帶狀區(qū)域，這說明該區(qū)域光、溫、水、土等自然資源條件較好，理論上具有較高的糧食生產(chǎn)能力。

3.2耕地利用等別空間差異性分析

耕地利用等別在土地自然質(zhì)量狀況基礎(chǔ)上考慮了區(qū)域農(nóng)耕水平、用地強(qiáng)度、種植技能等因素，反映了耕地的平均利用水平。白銀市耕地利用等別空間分布狀況如圖5所示。

圖5　白銀市耕地利用等別空間分布

通過圖5可以看出：

1）白銀市耕地利用等別差異較為明顯，以靖遠(yuǎn)縣中部為中心，大致可以分為三個等級：

？靖遠(yuǎn)縣中北部耕地的利用等別最高，最高值為10等地；

靖遠(yuǎn)縣大部、平川區(qū)南部耕地的利用等別介于10～12等，屬中等質(zhì)量耕地；

其余區(qū)域的利用等別較低，普遍低于12等，屬低等地。

2）靖遠(yuǎn)縣、平川區(qū)境內(nèi)耕地質(zhì)量較高的區(qū)域更為明顯，這與該區(qū)域自然質(zhì)量等別分布圖中的結(jié)果較一致，且區(qū)域中心較自然質(zhì)量等別向西南偏移約13.8km，對應(yīng)的行政區(qū)為靖遠(yuǎn)縣糜灘鄉(xiāng)下灘村和文化村；同時也與靖遠(yuǎn)縣、平川區(qū)的地形匹配程度較高，表明這一區(qū)域耕地在自然條件較好的基礎(chǔ)上有較好的投入和利用水平，應(yīng)作為后續(xù)開展工作或研究的重點對象。

4　結(jié)論與展望

4.1結(jié)論

利用甘肅省白銀市971個耕地質(zhì)量等別調(diào)查樣本，運用地統(tǒng)計學(xué)方法，得到了耕地自然質(zhì)量等別和利用等別空間分布結(jié)果，從宏觀方面分析掌握了該區(qū)域耕地質(zhì)量水平，結(jié)果表明：

1）利用地統(tǒng)計分析的空間插值方法可以得出耕地自然質(zhì)量等別和利用等別的空間分布曲面，這為了解整個區(qū)域耕地質(zhì)量的空間分布特性及評價區(qū)域間差異提供了有力工具。

2）白銀市靖遠(yuǎn)縣中北部的耕地自然質(zhì)量等別和利用等別相對較高，應(yīng)重點加強(qiáng)該區(qū)域的耕地管理水平以提高耕地產(chǎn)出水平，避免工程建設(shè)對較優(yōu)質(zhì)耕地的占用。對于全市東部及南部縣區(qū)質(zhì)量較低的耕地，應(yīng)從提高耕地本底質(zhì)量方面采取措施，一是通過平整田地、增加肥源等方式增強(qiáng)耕地土壤的蓄水、保墑、保肥能力；二是改善耕地的外部環(huán)境條件，通過引水、調(diào)水、蓄水解決灌溉水源，大力推廣節(jié)水灌溉，擴(kuò)大保灌面積，切實提高土地的灌溉保證率；三是增加有機(jī)肥，合理施用化肥，提高土壤肥力，增加糧食產(chǎn)量。

4.2展望

1）空間插值方法與模型種類較多，插值精度取決于樣點的具體數(shù)值。本文的插值模型參數(shù)還有調(diào)整的空間，未來可進(jìn)一步優(yōu)化插值模型，修正、補充相關(guān)參數(shù)，提高插值精度，進(jìn)而得到耕地質(zhì)量等別的等值分布區(qū)，為分析耕地質(zhì)量等別影響因素提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并逐步開展定量分析工作。

2）空間插值方法是研究區(qū)域變量空間分布的基本方法，各種方法都有其特定假設(shè)、適用范圍和優(yōu)缺點［10］。影響耕地自然質(zhì)量等別和利用等別空間插值結(jié)果的因素主要來自兩方面，第一是插值方法本身引起的誤差，如插值模型的選擇、插值過程各種參數(shù)的選取等；第二是外界因素對等別影響引起的誤差，盡管對于單一地塊的評價，已考慮灌溉保證率、土壤有機(jī)質(zhì)含量等因素，但對區(qū)域降水、地形、光照強(qiáng)度、氣溫、土壤其他屬性的影響，還有待更進(jìn)一步的研究。為了得到更加精確的空間插值模型或定量分析結(jié)果，不能只考慮空間位置的相關(guān)性，需引入地形、降水等環(huán)境因素。

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甘肅省耕地質(zhì)量等別調(diào)查評價匯總分析項目。（2014-02-01-28-01）