基于變化向量的耕地利用方式變化下耕地質量評價

祝錦霞，徐保根

基于變化向量的耕地利用方式變化下耕地質量評價

祝錦霞，徐保根

（浙江財經大學土地與城鄉發展研究院，杭州 310018）

耕地利用方式變化下耕地質量的變化研究意義重大。該文以浙江省耕地質量監測試點松陽縣為例，以變化向量凸顯耕地利用方式變化，探討基于變化向量的耕地利用方式變化下耕地質量變化的快速評價方法。充分考慮各特征向量之間的聯系以及不同意義不同量綱元素間的共同作用問題，選擇典型相關分析CCA（canonical correlation analysis）構建變化向量；采用CCA為基礎的多元變化檢測MAD（multivariate alteration detection）最大限度的消除相關性影響，以方差最大的形式凸顯耕地利用方式變化下耕地質量的變化；選擇基于高斯混合模型（GMM）的期望最大化算法（EM）快速評價耕地利用方式變化下耕地質量的變化情況。重點分析基于快速評價的耕地利用方式變化下耕地質量變化區域的空間分布及其和傳統因素法的對比分析。結果表明：基于變化向量法得到的耕地質量變化結果與傳統的因素法在監測耕地質量水平不變的吻合度在80%～100%以上，耕地質量水平提高的吻合度在16.6%～50%，耕地質量水平下降的吻合度在66.7%～100%。提出的基于變化向量法的耕地質量變化評價模型能對耕地利用方式變化下耕地的質量變化做出正確的評價，評價方法科學、合理、易操作推廣，為合理優化配置耕地利用方式提供定量數據支撐。

土地利用；等別；變化向量；耕地質量

0 引 言

農業、農村和農民問題始終是中國建設發展的根本問題。鄉村治理作為國家治理體系的重要環節之一，其治理水平直接影響中國治理的現代化水平。作為鄉村現代化重要體現的農業現代化，就要不斷發展效益農業。本質上就是要完善耕地種植結構，合理配置耕地種植利用方式。近年來，以農產品市場為目標導向農業土地利用格局趨勢顯著，農產品市場變化逐漸成為農村耕地種植利用方式變化的重要驅動力之一。糧食種植面積逐年遞減，取而代之的是經濟作物種植面積的不斷上升。2009年浙江和河北兩省進行的農戶調查表明，耕地流轉后用于非糧食作物種植的耕地面積比例分別上升了61.8%和62.9%[1]。作物種植結構的調整會對耕地質量產生較大的影響。土地利用行為的變化使得耕地質量在空間上形成不同的分布特征。在耕地數量有限、后備資源不足的壓力下，耕地數量和質量建設與管理對保障國家糧食安全和維護社會穩定至關重要。迫切需要加強對耕地質量的監測，快速及時掌握耕地質量的動態變化及耕地質量等別演變的方向和特征。

目前耕地質量的研究主要從自然科學角度出發，分析基于農戶土地利用行為的耕地質量評價、耕地質量的變化趨勢、耕地質量變化的驅動機制等方面[2-3]。耕地質量內涵的研究方面，研究者普遍認為耕地質量是土壤質量、地形坡度等自然因素與對耕地投入、管理水平、區位等社會經濟因素共同構成的綜合體[4]；秦靜等提出區域外自然和社會經濟因素對農用地質量的影響也應納入耕地質量的內涵[5]。耕地質量評價的研究方面，金東海等提出了基于農用地分等成果的2層7參數法[6]；吳賽男等提出在經濟等的基礎上通過修正法評定耕地質量的定級[7]。隨著人類活動對耕地利用干預的增加，人文因素成為影響耕地質量變化的另一重要因素[8-9]。徐梓津等提出了綜合農戶投入行為的耕地綜合質量評價方法[10]；張貞等提出了綜合農戶投入行為的耕地質量修正方法[11]；石淑芹等提出了耦合耕地利用質量的耕地質量評價方法[12]。

現有的研究對耕地質量和耕地質量變化的研究大多集中在耕地分等特征研究、耕地質量變化的單因素分析。從單因素方面研究耕地質量的時空間變化，如農戶作物種植行為單一影響因素對耕地質量的影響分析[2-4]。在耕地質量的評價方法上主要圍繞因素法、模糊評價法、層次分析法、主成分分析法、灰色關聯度法、熵權法等。但傳統的因素法基于所有指標統一加權求和，弱化了各分項指標對耕地質量的影響[13-22]。耕地質量變化的研究主要集中在不同年份耕地質量評價結果的時空變化特征。不考慮屬性特征之間統計相關性的傳統差值方，使得絕對值不同的數值相減得到同樣大小的差值，導致潛在可利用信息的丟失[23-28]。

農戶是廣大農村土地生產和經營等經濟活動的主體，是農業土地利用最基本的決策單位，其行為決定著土地資源是否能否合理利用[2]。種植結構的選擇是農戶土地利用方式的直接體現。種植結構的變化影響土壤肥力水平與農業生態系統中的物質循環，最終引發耕地質量變化。因此，從農戶土地利用行為的視角出發研究耕地質量變化，揭示土地利用行為與耕地質量變化之間的邏輯關系[29]。通過集成多學科理論以及遙感與地理信息技術等信息獲取、分析技術，構建基于變化向量的耕地質量變化指數，由此合理配置經濟效益好、可促進或保持耕地質量的耕地利用方式。指導農戶摒棄引起負效應的土地利用行為，把握耕地可持續利用的正效應，對維持耕地穩定和提高耕地質量具有重要意義[30]。

1 研究區域概況及數據來源

1.1 研究區域范圍

松陽縣位于浙江省西南部（圖1），地處119°10′～119°42′E，28°14′～28°37′N。東西最寬處53.7 km，南北最長40.2 km，面積1 406 km2。松陽縣地處上海經濟區的南翼，位于浙、皖、贛、閩經濟協作區的腹地，屬于中國沿海對外開放的經濟發達地區和內陸經濟欠發達地區的交接過渡地帶。全境以中、低山丘陵地帶為主，中部盆地以其開闊平坦稱“松古平原”，為縣內主要產糧區。

松陽縣耕地面積為18 604.16 hm2，占土地總面積比例高達13.28%，其中松古平原作為浙南山地區內規模較大的盆地，是浙南的主要糧食生產區域。低丘緩坡資源豐富，耕地后備資源相對充足。浙江省松陽縣是全國特色產茶縣和綠茶集散地之一，良種茶園覆蓋率90.5%，居全省第二位，被評為“浙江省良種茶之鄉”和“浙江省茶樹良種化先進縣”。茶葉種植集中分布在松古盆地，水稻種植較為分散，全縣都有分布。耕地種植利用方式變化的區域主要集中在松古盆地。

1.2 數據來源與處理

耕地質量的內涵在不斷與時俱進，不斷添加新的內容。從系統學角度講，耕地質量系統是由2個子系統組成，一個是土地利用子系統，一個是土壤子系統。自然因素對耕地質量變化有一定的主導作用，但其在較短時間內相對穩定。隨著人類活動對耕地干預程度的提高，社會經濟等人文因素容易通過土地利用間接促進耕地質量的變化[31]。因此，在充分遵循生產性、可行性、典型性、主導性原則的基礎上，結合松陽縣耕地的特點，對耕地質量評價指標進行初步篩選，從自然要素、人文要素、區位因素等方面建立耕地質量評價體系的目標層，構建以地形、土壤、土地利用、基礎設施、耕作條件、區位條件為基礎的準則層[32-34]。從數據客觀性、可獲得性以及指標量化可行性等原則出發，通過征詢有關專家意見，對指標進行調整最終得到耕地質量評價指標體系（表1）。各指標原始數據均取自2006和2013年《松陽縣統計年鑒》及相關數據分析處理提取。

圖1 松陽縣行政區劃

表1 松陽縣耕地質量評價指標體系

共計2006年松陽縣共有耕地土壤樣本1 408個，其中茶葉種植利用方式的樣本441個，水稻種植利用方式的樣本595個。2014年測得樣本數相對較少，只有408個。其中，其中茶葉種植利用方式的樣本119個，水稻種植利用方式的樣本181個。通過分析樣本的耕地利用方式變化及樣本數據的科學性，選擇耕地利用方式變化類型“茶葉-水稻”18對，“水稻-茶葉”33對作為研究數據對象。圖2為松陽縣2006和2013年采樣點的耕地利用方式分布圖。農戶作物種植方式在空間上呈現明顯的分化，其中松古盆地主要種植經濟作物茶葉，水稻種植較為分散，全縣都有分布。耕地種植利用方式變化的區域主要集中在松古盆地。根據浙江省目前茶樹栽培品種的實際情況，本文以灌木中小葉型品種為代表。

圖2 松陽縣不同耕地利用方式的土壤樣本分布

2 研究方法

2.1 多變量變化檢測MAD

假設特征向量分別用隨機變量和表示，期望值均為0，維數表示特征個數。然后對和進行典型變換，尋找相關性最小的針對原始變量的線性組合對，使得它們之間的差值包含最大的差異信息。即尋找向量和使得變換后得到的和相關系數最大，向量和限定約束條件

式中，和分別代表2個時期耕地質量的屬性特征。在這些約束條件下，最大化差異的方差等價于最小化典型相關分析中和的正相關性。MAD結果中數值越接近于0，說明對應位置上的兩時期耕地質量之間的差異越小，耕地質量越有可能沒有發生變化；反之，MAD結果越遠離0，即絕對值越大，對應位置上的不同時相之間的耕地質量等指數差異越大，耕地質量越有可能發生變化。

2.2 基于高斯混合模型（GMM）的期望最大化算法（EM）

3 結果與分析

松陽縣pH值、有機質等土壤單因子肥力的局部空間插值結果[38]、農田水利基礎設施的排水條件、灌溉保證率等量化的結果[38]都很好的體現了耕地的空間穩定性。

3.1 耕地利用方式變化下耕地質量變化的快速評價

3.1.1 水稻改種茶葉

1）耕地質量多特征變化向量的構建

松陽縣耕地質量評價指標體系中2006和2013兩個年份的12個屬性特征變量經過典型變換CCA得到相關性最小的線性組合對，同時通過MAD變換得到相應組合對的最大差值信息，即12個MAD變量。相關性越大的典型變量包含的原始數據信息更為豐富，即原始數據中大部分的耕地質量信息集中表現在了相關性大的典型變量對之間，相關性較小的典型變量包含較小的原始屬性信息。本研究得到，12組原始變量的線性組合對中，第三組和第九組（MAD3和MAD9）的耕地質量指數差值變量與原始耕地質量屬性變量間的相關性較高（表2），其他MAD變量與原始耕地質量屬性變量的相關性較低。因此在研究中選擇與原始耕地質量屬性變量的相關性較大的MAD3和MAD9進行分析，其他MAD變量未錄入表格。

表2 耕地利用方式變化下MAD和耕地質量評價指標相關性分析

2）耕地質量多特征變化向量（MAD3，MAD9）的正態分布檢驗

MAD3樣本值的-正態分布檢驗得到均值0.000 001 2，標準差1.055 5，最大絕對差值為0.083，最大正值0.083，最小負值為-0.057，值為0.827>0.05，接受原假設，即MAD3服從正態分布。MAD9樣本值的-正態分布檢驗得到均值0.000 000 2，標準差0.225 72，最大絕對差值為0.141，最大正值0.141，最小負值為-0.093，值為0.205>0.05，顯著性水平0.05下，MAD9服從正態分布。

3）耕地質量變化與否的閾值分析

包含更多原始信息的MAD3和MAD9變量對應的EM-GMM分析得到，MAD9的正態分布檢驗有異常值出現，最終選擇MAD3變量分析水稻變茶葉這一耕地種植利用方式變化對耕地質量的影響（圖3）。通過EM-GMM閾值計算得到正態曲線下耕地利用方式由水稻改種茶葉后耕地質量不變、耕地質量提升、耕地質量下降的3個類別各自的面積，分別是44.02%，22.55%，33.43%。查詢正態曲線下面積附表，得到33個水稻變茶葉的樣本中耕地質量不變的樣本20個，占60.6%；耕地質量水平提升的樣本6個，占18.2%；耕地質量水平下降的樣本7個，占21.2%。

注：A1: MAD3；A2: MAD9 ；B: 耕地質量不變；C: 耕地質量提升；D: 耕地質量下降。下同。

3.1.2 茶葉改種水稻

1）耕地質量多特征變化向量的構建

MAD1和MAD7這2個耕地質量指數差值變量與原始耕地質量屬性變量間的相關性較高（表2），而其他MAD變量與原始耕地質量屬性變量的相關性比較低。表明典型變量（CV1、CV7）集中了大部分的原始耕地質量屬性變量信息。選擇MAD1和MAD7構建耕地質量變化的多特征向量。

2）耕地質量變化特征向量的正態分布檢驗

MAD1樣本值的-正態分布檢驗得到均值0.000 003 2，標準差1.392 85，最大絕對差值為0.068，最大正值0.068，最小負值為-0.064，值為0.954>0.05，接受原假設，即MAD1服從正態分布。同時，MAD7樣本值的-正態分布檢驗得到均值0.000 000 3，標準差0.493 85，最大絕對差值為0.082，最大正值0.082，最小負值為-0.052，值為0.828>0.05，顯著性水平0.05下MAD7服從正態分布。

3）基于EM-GMM的差值MAD1和MAD7的閾值提取

MAD1和MAD7變量的EM-GMM分析結果得到，MAD1的混合高斯分布圖更為穩定，選擇MAD1變量分析茶葉變水稻這一耕地種植利用方式的變化對耕地質量的影響（圖4）。EM-GMM閾值計算得到正態曲線下耕地利用方式由茶葉改種水稻后耕地質量不變、耕地質量水平提升、耕地質量水平下降3個區間的面積，其中耕地質量水平不變的面積占71.21%，耕地質量水平提升的占14.31%，耕地質量水平下降的占14.48%。得到18個茶葉變水稻的樣本中，耕地質量水平不變的樣本14個，占77.8%；耕地質量水平提升的2個樣點，占11.1%；耕地質量水平下降的2個樣點，占11.1%。

圖4 耕地質量多特征變化向量MAD的正態分布檢驗（茶葉改種水稻）

3.2 基于變化向量的耕地質量變化與傳統因素法的比較

通過構建變化向量模型對耕地利用方式變化下松陽縣耕地質量的變化進行預測，得到茶葉改種水稻后耕地質量水平下降的樣點集中在松古盆地的望松鄉。基于變化向量法得到的耕地質量變化指數和原始變量的相關性分析得到，作物種植結構發生變化對耕地質量影響最大的還是耕地的基礎地力，耕地的耕層厚度、pH值、有機質含量的變化最為顯著（表2，表3）。在其他條件不變的情況下，與不種植經濟作物的耕地地塊相比，種植經濟作物的耕地地塊上土壤有機質含量顯著降低[9]，主要是因為研究區域基本上不施用費時費力的農家肥，而是以化肥（尿素、二銨等）為主，勢必造成土壤有機質下降，土壤板結。因此選擇農用地分等的自然等成果用于比較驗證基于變化向量法的耕地質量變化評定結果。圖5a～5d得到，農用地分等成果中國家自然等變化集中在松陽縣的古市鎮、望松鄉和三都鄉，圖5e～5f得到基于變化向量法得到的耕地質量水平變化集中的樣點也集中分布在望松鄉和三都鄉。

通過對基于變化向量法預測的結果進行耕地質量變化水平的分級劃分，從數量角度對耕地質量水平變化的數量占比進行了對比分析。兩者在監測耕地質量水平不變的吻合度在80%～100%，耕地質量水平提高的吻合度在16.6%～50%，耕地質量水平下降的吻合度在66.7%～100%（表4）。說明提出的基于變化向量法的耕地質量變化評價模型能對耕地利用方式發生變化下耕地的質量變化做出正確的評價。基于變化向量法的耕地質量變化評價方法相比較傳統的因素法結果雖然存在一定的差異，但其各項指標精度以及檢驗數據的相對誤差都在可接受的范圍，表明基于變化向量法的耕地質量變化評價具有一定的可行性和準確性，適于耕地質量變化的評價工作。這主要因為以典型相關分析CCA（canonical correlation analysis）為基礎構建的變化向量，充分考慮各特征向量之間的聯系，通過協方差矩陣的形式做了一個標準化，從理論上很好的解決不同意義不同量綱元素間的共同作用問題。實現耕地質量變化的評價與原始屬性指標的尺度無關，對參與變換的向量各組成屬性元素的量綱、尺度等均沒有要求[37]。同時，以CCA為基礎的多元變化檢測MAD（Multivariate Alteration Detection）能最大限度的消除相關性影響，將兩時期的耕地質量變化信息集中于一個向量，以方差最大的形式表現，得到多特征空間的變化向量，實現耕地質量變化向量構建。

表4 變化向量法與傳統農用地分等后比較的對比結果

3.3 耕地質量保護的引導政策

1）搞好“藏糧于土”戰略的規劃設計。在不影響耕地質量、或已影響耕地質量但容易恢復的前提下，允許農民根據市場需求在耕地上種植經濟作物。這不僅有利于農民增收，也有利于農民保護耕地積極性的提高。同時，在積極開展耕地質量監測與評價、耕地質量變化的影響因素分析等工作基礎上，以耕地質量保護的提升、耕地單位面積收入的增加、農民增收為目標，切實做好“藏糧于土”戰略實施的規劃設計，為農民提供更多的適宜耕地質量保護的經濟作物類型和品種，并根據市場需求為農民提供種植計劃建議。

2）制定調控政策，引導農民合理輪作與間作。建立耕地保護資金、農業補貼資金的制度，積極支持農民在耕地上種植糧食或其他不對耕地質量造成破壞的經濟植物。對于農民種植對耕地質量有一定程度破壞、但可以修復的經濟植物，要交納耕地質量修復保證資金，確保在農民增收的同時耕地質量不僅不降低而且有提高。制定調控政策，引導農民合理輪作與間作。

3）制定“藏糧于土”和耕地質量保護的實施辦法。應根據區域實際，在開展耕地質量監測與評價、作物種植適宜性評價等工作基礎上，從經濟種類與品種選擇、耕種方式、土壤保護與破壞后的修復等方面制定“藏糧于土”和耕地質量保護的實施辦法，促進農民增收和耕地質量保護建設。應研究制定不同耕地利用方式對耕地質量影響的定期評價制度和獎懲制度，使耕地質量保護與農民增收實現雙贏。

4 結 論

通過集成多學科理論以及遙感與地理信息技術等信息獲取、分析技術，以綜合耕地質量內涵為基礎，提出基于多特征變化向量的耕地質量變化的評定方法。通過監測對浙江省耕地質量監測試點縣——松陽縣耕地利用方式變化引起的土壤、農業生產條件的變化，選擇多變量變化檢測方法MAD構建多特征變化向量，基于高斯混合模型選擇合理的閾值快速評價耕地質量的變化。并在此基礎上對比分析基于變化向量法和傳統因素法的耕地質量變化評定結果，兩者在監測耕地質量水平不變的吻合度在66.7%以上，耕地質量水平提高的吻合度在16.6%～50%，耕地質量水平下降的吻合度在66.7%～100%。提出的基于變化向量法的耕地質量變化評價模型能對耕地利用方式變化下耕地的質量變化做出正確的評價，提高耕地質量變化評價的精度和效率，為合理優化配置耕地利用方式的選擇提供定量數據支撐，對維持耕地質量穩定和耕地的可持續發展具有重要意義。

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Evaluation of cultivated land quality under changed cultivated land use pattern based on change vector analysis

Zhu Jinxia, Xu Baogen

(-,,310018,)

The quantity and quality of cultivated land plays an important role in our country's food security and the long-term stability of the community. It is important to assess the change of cultivated land quality under the changed cultivated land use pattern. This study aims to explore an effective method for detecting the changed information of cultivated land quality at county-level. Songyang County, Zhejiang province was selected as the study area to evaluate the cultivated land quality based on change vector analysis. The evaluation method was supported by Remote Sensing data and spatial analysis of GIS. There are obvious differentiation in space of cultivated land use patterns of Songyang County between 2006 and 2013. Among them, the Songgu Basin mainly planted economic crop tea, while the rice planting was scattered around the whole county. The areas where the cultivated land use pattern changed significantly were mainly concentrated in the Songgu Basin. 18 pairs of “tea-to-rice” types and 33 pairs of “rice-to-tea” were selected to analyze the changes of cultivated land quality. Combined with the characteristics of Songyang county cultivated land， the object evaluation index system was constructed from the aspects of natural factors, human factors and location factors with the principles of productivity, feasibility, typicality and dominance. In this study, the change vector was used to highlight the change information of cultivated land quality. At the same time, the proposed canonical correlation analysis (CCA)based multivariate alteration detection (MAD) method was applied to minimize the correlation effect to the greatest extent, and highlight the changing of cultivated land quality under the changed cultivated land use pattern in the form of maximizing variance. It was a feasible way for monitoring the change of cultivated land quality. In addition, expectation maximization algorithm based on Gaussian mixture model (EM-GMM) was used to label the change of cultivated land quality. The results of MAD demonstrated the change information of cultivated land quality. The closer the value of the MAD result is to 0, the smaller the difference between the cultivated land quality between 2006 and 2013. The greater the difference of the index of cultivated land quality between different phases, the more likely the quality of cultivated land changes. The variables of MAD3 and MAD1 were used to analyze the effects of changed cultivated land use pattern on the quality of cultivated land, such as rice-to-tea and tea-to-rice. The quantitative proportion of the changed cultivated land quality level was compared by using two different methods, change vector analysis (CVA) and agricultural land classification method (national grade). The agreement between two methods in monitoring the quality of cultivated land was more than 80%-100%, the matching degree of increased cultivated land quality was 16.6%-50%, and the matching degree of declined cultivated land quality was66.7%-100%. Results demonstrated that the proposed change vector based change detection of cultivated land quality provide a quantitative data support for the rational optimization and allocation of cultivated land use pattern, which is significantly maintaining the stable quality and the sustainable development of cultivated land. Further research is needed on other scales, such as city, province. The proposed method should be further tested in other regions containing more complex conditions.

land use; grade; change vector; quality of cultivated land

祝錦霞，徐保根. 基于變化向量的耕地利用方式變化下耕地質量評價[J]. 農業工程學報，2020，36(2)：292－300. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.2.034 http://www.tcsae.org

Zhu Jinxia, Xu Baogen. Evaluation of cultivated land quality under changed cultivated land use pattern based on change vector analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 292－300. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.2.034 http://www.tcsae.org

2019-05-19

2019-12-20

浙江省哲學社會科學一般項目（20NDJC139YB）；浙江省自然科學基金（LY20D010007）；國家自然科學基金（41501190）；浙江省軟科學重點項目（2017C25010）；全國統計科學研究重點項目（2017LZ33）；教育部人文社會科學研究規劃基金項目（12YJA630159）

祝錦霞，博士，副研究員。主要研究方向為環境遙感與土地資源管理。

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.2.034

F301.21

A

1002-6819(2020)-2-0292-09