黃河西岸陜西各縣市耕地質量時空變化特征及其分異規律

衛新東, 宋林韓, 王篩妮, 喻 昭, 王 寧

(1.長安大學 土地工程學院, 西安 710054; 2.陜西省土地整治重點實驗室, 西安 710054;3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 西安 710075; 4.陜西國源科技工程有限公司, 西安 710082)

耕地利用系統是由土地的經濟、社會及生態子系統構成的復合系統，其承載的經濟、社會及生態功能具有共生性及協同性[1]。隨著社會、經濟的發展以及國家對耕地保護內涵的不斷深入，我國耕地資源在數量及質量上呈現出不同程度的時空變化。黃河流域作為一個特殊的地理單元以及黃河流域生態保護和高質量發展作為國家重大戰略被提出[2-3]，其耕地質量高水平發展及其尺度效應的研究亟待開展。耕地資源變化研究是從耕地數量保護著手，分析不同尺度耕地面積動態特征，并逐漸從區域耕地數量變化延伸到空間上的質量變化[4]。耕地質量時空變化研究有利于把握在一段時期內耕地質量的變化情況以及空間分布狀況，其研究的關鍵是揭示耕地質量變化特征，進一步剖析耕地質量時空格局關系及分異規律。研究黃河流域耕地質量時空變化特征及其分異規律，對于黃河流域耕地提質以及促進高質量發展有著重要意義，為新時代中國區域發展重大戰略提供決策參考。

目前學者對黃河流域的研究主要集中在水資源變化與治理[5-7]、氣候變化[8-9]、生態環境修復等[10-12]方面，黃河流域耕地質量管護方面研究明顯不足。現階段，學者研究主要集中在行政層面的耕地數量、質量時空變化研究。耕地數量變化方面：姚子燕等[13]研究20世紀80年代以來全球耕地變化的基本特征及空間格局。談明洪等[14]利用歐洲航天局(ESA)提供的最新數據研究在全球范圍內1992—2015年耕地面積時空變化和年度趨勢。耕地質量變化方面：鄖文聚等[15]歸納中國不同空間上耕地所面臨的問題及不健康類型，用數據說明中國耕地質量隨時間的變化程度，通過分析導致耕地不健康的原因，提出維護耕地質量的相關建議。孔祥斌等[16]基于要素—過程—功能角度，構建耕地質量理論框架，進一步研究耕地質量的動態變化性，分析了耕地利用系統本底值的影響因素。衛新東等[17]基于陜西省耕地質量更新數據，從省域、地理區域、市域3個層面對陜西省耕地數量及質量在時間和空間上的動態變化情況進行研究。張志雷[18]、錢鳳魁[19]、魏洪斌[20]等分別對京津冀魯地區、東港市和中國糧食主產區的耕地質量等別空間分布及特征規律進行分析。綜上所述，從研究單元看，目前學者對于耕地質量變化的研究單元較多從行政單元以及國家、全球層面，亟待開展以流域為地理單元的耕地質量變化研究。另一方面，當前學者忽視了將重心模型應用到耕地質量類型的遷移特征研究，重心模型的應用可豐富耕地質量時空變化及其分異規律探究。

本文以黃河西岸陜西各縣市為研究區，分析該流域耕地質量在時間及空間兩個尺度方面的變化、結合耕地數量、質量變化及質量重心遷移特征，總結出黃河西岸陜西各縣市耕地質量時空變化特征及其分異規律，一方面一定程度上推動黃河流域高質量發展，另一方面為陜西省耕地的科學管理決策提供依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

黃河處于北半球中緯度地帶，其中的上、中游處于我國西北干旱地區。黃河，自府谷縣進入陜境，南流經神木、佳縣、吳堡、綏德、清澗、延川、延長、宜川、韓城、合陽、大荔縣，至潼關折向東出境，共經過13個地(市)(圖1)。全長715.6 km，在陜境內黃河流域面積13.33萬km2。黃河西岸13個地(市)中人口總數為379.77萬人，生產總值為2931.92億元。陜西全境處于黃河“幾”字型的中心區，屬黃河中游的一個特殊區。境內自北向南分布屬于不同的氣候帶，陜北北部地區屬溫帶，陜北南部、關中地區屬暖溫帶[21]，陜南屬于北亞熱帶。黃河西岸陜西各縣市地勢大致為西高東低，地貌大致分為三大區：基巖山地區、黃土高塬溝壑區與長城沿線及其以北風沙區[22]。由于從北到南跨越約7個緯度，再加上季風和西高東低地形地勢的影響，氣溫則由東南向西北逐漸降低的趨勢，降水由南向北遞減。且從耕地分等指標區來看，從南至北依次為關中渭河平原區、渭北黃土旱塬區、陜北黃土丘陵溝壑區、陜北長城沿線風沙區[23]。

圖1 黃河西岸陜西各縣市位置

根據陜西省2018年土地利用現狀變更調查，黃河西岸陜西各縣市經過13個地(市)的土地利用現狀見圖2。

圖2 黃河西岸陜西各縣市土地利用類型面積占比

黃河西岸陜西各縣市所經過的13個地(市)中，水田占耕地總面積的0.29%，主要分布在合陽縣，大荔縣、韓城市和潼關縣也有少量分布；水澆地占22.29%，主要分布在大荔縣；旱地占77.41%，主要分布在神木市、府谷縣和綏德縣(見表1)。

1.2 數據來源

陜西省2005—2007年開展了第一次農用地分等工作，此后進行了耕地質量等別補充完善以及耕地質量等別年度更新評價工作。本文耕地質量基期數據來源于2005年、2010年、2015年、2018年1∶10 000陜西省縣級耕地質量等別數據庫；土地利用現狀數據來源于陜西省2018年土地利用現狀變更調查數據庫；社會經濟統計數據來源于《陜西統計年鑒2 019》。

1.3 研究方法

1.3.1 動態度模型法 利用動態度模型法計算耕地多年平均變化率，能夠直觀量化研究時段內的變化程度[24]，耕地資源多年平均變化率是指研究時間段內耕地資源平均變化的比率，其計算公式為

(1)

式中：P為耕地資源的多年平均變化率(%)；Sa為研究時間段初期研究區耕地面積(hm2)；Sb為研究時間段末期研究區耕地面積(hm2)；T為研究時段長(a)。

表1 黃河西岸陜西各縣市地(市)耕地面積匯總 hm2

1.3.2 面積加權平均法 在計算平均等別時，采用面積加權平均法，即在統計出各等別總面積前提下，進行各等別面積加權計算區域內耕地質量平均等別[25]。其計算公式為

(2)

式中：Y為耕地等別平均值；i為耕地等別；imin為最低耕地等別值；imax為最高耕地等別值；Fi為第i等耕地的面積(hm2)；F總為所有等別耕地的總面積(hm2)。

1.3.3 耕地質量區位指數分析法 耕地各空間尺度利用等等別的分布狀況，可以用耕地利用等等別的區位指數表示。耕地質量的區位指數，指某一地區耕地利用等等別在全省耕地利用等等別的聚集程度[26]，其計算公式為

(3)

式中：Qij為第i個區域第j利用等等別的耕地質量的區位指數；Dij為第i個區域第j利用等等別的耕地面積(hm2)；n為黃河西岸陜西各縣市的區域個數；Si為第i個區域的耕地面積(hm2)。

1.3.4 重心遷移模型法 重心模型是研究區域發展過程中要素空間變動的重要分析工具。由于區域發展是要素集聚與擴散的過程，各要素的重心位置處于不斷變動之中，要素重心的移動客觀地反映了區域發展諸要素空間集聚及其位移規律[27]。利用重心遷移模型計算不同時期各耕地質量類型(優等地、高等地、中等地、低等地)的重心坐標，直觀地表達耕地質量空間格局變遷的過程。t時期耕地質量類型為j的重心坐標計算公式為：

(4)

(5)

式中：X(j,t),Y(j,t)為t時期耕地質量類型為j的重心經度和緯度坐標；n為t時期耕地質量類型為j的斑塊總數；LA(j,t)為t時期耕地質量類型為j的第i個圖斑的面積(hm2)；X(i,t),Y(i,t)為t時期耕地質量類型為j的第i個圖斑的幾何中心經度坐標和幾何中心緯度坐標。

2 結果與分析

2.1 耕地數量變化特征

2.1.1 數量分布情況 潼關縣、韓城市、延長縣、延川縣、宜川縣、吳堡縣耕地資源數量本身較少，合陽縣、府谷縣、綏德縣、佳縣、清澗縣的耕地資源數量相對較豐富，大荔縣和神木市是黃河西岸陜西各縣市中耕地資源數量最多的地區(圖3)。

圖3 黃河西岸陜西各縣市各地(市)耕地面積變化

2.1.2 數量變化情況 利用動態度模型法分別計算黃河西岸陜西各縣市在2005—2010年、2010—2015年、2015—2018年以及2005—2018年4個時間段內的耕地資源平均變化率(表2)。

在2005—2010年黃河西岸陜西各縣市耕地資源數量呈顯著下降變化，2010—2015年耕地數量呈增加趨勢，2015—2018年耕地資源數量略有下降。耕地面積的減少主要發生在2005—2010年期間，在此期間，大荔縣、合陽縣、韓城市、延長縣、宜川縣、佳縣和清澗縣的耕地資源均有不同程度的下降，其中，韓城市下降率最高，達到11.74%，這是因為《陜西省城鎮體系規劃2006—2020》明晰了韓城市作為縣域中心城市的地位和作用，規劃到2020年將韓城市建設成中等城市(區)，在一定程度上加快了韓城市的耕地向建設用地轉變速度。潼關縣、延川縣、神木市、府谷縣、綏德縣、吳堡縣存在不同程度的耕地面積增加；在2010—2015年黃河西岸陜西各縣市耕地資源數量增加，表明耕地數量的減少趨勢已經得到遏制，耕地數量保護政策發揮作用，其他各地(市)變化幅度不大，延長縣耕地數量增長相對較大，為1.82%；2015—2018年黃河西岸陜西各縣市耕地資源數量稍有下降。各地(市)耕地數量比較平穩，韓城市相對有較大的減少，年平均減少率為1.18%。總的來說，2005—2018年，黃河西岸陜西各縣市耕地資源數量表現下降趨勢，且年平均下降率為5.86%。在2005—2010年、2010—2015年、2015—2018年為先下降、后上升、再下降的變化態勢。

表2 黃河西岸陜西各縣市耕地資源多年平均變化率 %

2.2 耕地質量變化特征

2.2.1 利用等耕地面積變化情況 根據《中國耕地質量等級調查與評定(全國卷)》中對中國耕地質量等別類型的劃分，分別把1—4等、5—8等、9—12等、13—15等耕地劃分為優等、高等、中等和低等4個類型[28]。利用面積加權平均法對黃河西岸陜西各縣市耕地利用等的面積變化情況結合優等、高等、中等、低等4個類型進行分析(圖4)。

利用動態度模型法，結合黃河西岸陜西各縣市耕地質量利用等別的優等、高等、中等、低等4個類型的耕地面積，分析其在2005—2010年、2010—2015年、2015—2018年、2005—2018年的平均變化率。由于在黃河西岸陜西各縣市內不存在優等地，故本研究不對優等地做分析。

圖4 黃河西岸陜西各縣市利用等耕地面積變化

從圖5可以看出，在2005—2010年，黃河西岸陜西各縣市的高等、中等、低等均呈下降變化，其中高等地有明顯減少，這是由于在2005—2010年，為了發展經濟、提高城鎮化水平，不可避免地將耕地轉為建設用地，而耕地利用等別為高等類型的耕地往往存在于區位等條件較好的地塊，由此造成在此期間高等地面積大幅度減少；在2010—2015年，高等地和中等地面積均增加，在此期間嚴格的耕地數量、質量占補平衡政策以及土地整治工程的結果；在2015—2018年，3種類型的耕地利用等別面積浮動較平穩，證明近年來黃河西岸陜西各縣市耕地資源在數量及質量上基本平穩。總的來說，在2005—2018年，高等地和低等地成不同水平減少，減少率分別為1.96%，0.31%，中等地面積略有增長，增長率為0.24%。

圖5 黃河西岸陜西各縣市利用等耕地面積變化率

2.2.2 利用等別變化情況 運用面積加權平均法計算黃河西岸陜西各縣市各地(市)2005年、2010年、2015年、2018年耕地利用等別，并對4個時間點求平均值，分析其利用等別及其變化情況，計算結果見表3。

2005年、2010年、2015年、2018年，黃河西岸陜西各縣市的耕地平均利用等變化較平穩，且呈現自南向北逐漸降低的分異規律。耕地利用等別最高為潼關縣和大荔縣，潼關縣和大荔縣處于關中渭河平原區，自然資源匹配較好，土地平坦，土壤肥沃，光照充足，水熱條件與水利化程度均較高；其次較高的為合陽縣、韓城市、宜川縣，該地區為渭北黃土旱塬區土層深厚、富含鉀質，加之光照充足，晝夜溫差大，雨熱同季，因此耕地利用等別相對陜北地區較高；余下的地(市)耕地平均利用等為13等左右，由于分布在陜北黃土丘陵溝壑區和陜北長城沿線風沙區，土壤較貧瘠、熱量較差，降水稀少，存在一定的生態脆弱性，耕地質量普遍較低。相比2005年耕地利用等別，2018年延長縣、延川縣、宜川縣、神木市、府谷縣、綏德縣、佳縣、吳堡縣、清澗縣十個區域上屬于陜北地區的地(市)耕地利用等別均有提升，這是由于近些年來陜北地區積極開展土地整治工程，并進行生態建設，提高了部分低等地的耕地質量。韓城市的平均耕地利用等有所提高，因韓城市是承擔2016年耕地保護與質量提升項目的試點縣、市之一，開展了耕地質量提質建設工程，對耕地利用等提升具有積極作用。而潼關縣、大荔縣、合陽縣耕地利用等有不同程度降低。潼關縣和大荔縣地處關中地區，近年來開展城市建設占用優質耕地，補充一般耕地，造成耕地質量有所下降。總體來看，耕地平均利用等在空間分布上按照分等指標區大致可分為關中渭河平原區>渭北黃土旱塬區>陜北長城沿線風沙區、陜北黃土丘陵溝壑區。

表3 黃河西岸陜西各縣市耕地利用等別變化

2.2.3 區位指數變化情況 利用耕地質量區位指數分析法，分析黃河西岸陜西各縣市在2005年、2010年、2015年、2018年的耕地質量聚集情況，計算結果見表4。

結果顯示，中、高等地主要分布在黃河西岸陜西南部各縣市，而北部縣市中、低等地聚集程度較高。從時間推移來看，南部縣市耕地質量有所下降，北部縣市耕地質量提高。潼關縣和大荔縣的高等地和中等地的聚集程度較高，潼關縣耕地利用等分布在8—12等，大荔縣處于6—11等。這是由地理環境所致，關中平原的地勢平坦、氣候適宜，耕地質量較高。潼關縣2005年8等地區位指數較高，2010年、2015年、2018年9等地區位指數最高，再次證明了潼關縣耕地質量有所下降；大荔縣區位指數由2005年7—10等變為2010年、2015年、2018年的6—11等，高等地聚集程度較高，變化較平穩；合陽縣2005年利用等分布在10—12等，11等地區位指數最高，2015年、2018年10等地聚集度較高，但同時存在13等地；韓城市通過耕地保護及提質工程，區位指數向高等地聚集，耕地質量提高。延長縣、延川縣、宜川縣、神木市、府谷縣、綏德縣、佳縣、吳堡縣、清澗縣位于陜北地區，由于自然條件的限制，耕地質量普遍不高，耕地利用等區位指數聚集在中、低等地。

2.3 耕地質量重心遷移特征

將重心遷移模型運用到耕地質量重心遷移中，并結合優、高、中、低的耕地利用等別，計算2005年、2010年、2015年以及2018年不同質量類型的耕地重心坐標，分析黃河西岸陜西各縣市耕地質量利用等的重心遷移軌跡，見圖6。

圖中顯示，2005年、2010年、2015年、2018年4個時期高等地和中等地耕地質量重心均向北遷移，低等地重心先向南，后向北遷移。高等地的重心在2005年、2010年、2015年、2018年4個時期均在大荔縣，大荔縣地處關中平原，自然條件有利于農業種植，耕地質量高。其中，2005—2010年，重心遷移幅度最大，經向向西移動0.012 4°，緯向向北移動0.012 6°，向西北方遷移。2010—2015年，遷移幅度有所減小，經向向東移動0.001 7°，緯向向北移動0.003 8°，向東北方移動。2015—2018年，重心遷移方向繼續向東北方移動，經向移動0.001 3°，緯向移動0.002 8°。總的來說，2005—2018年期間，高等地重心向東北方向遷移，經度移動0.009 4°，緯度遷移0.019 2°；中等地由2005年所在的合陽縣經過2010年、2015年、2018年遷移至黃龍縣，主要處于關中平原與陜北黃土高原地過渡地帶，在2005—2010年遷移距離最大，經向向東移動0.005 0°，緯向向北移動0.401 1°。2010—2015年以及2015—2018年遷移幅度均較小。總體來說，2005—2018年中等地重心向東北方移動，經度遷移0.010 6°，緯度遷移0.397 0°；低等地重心在2005年處于佳縣，2010年遷移至米脂縣，位于陜北地區。2015年、2018年再次轉移至佳縣，遷移主要發生在2005—2010年和2010—2015年內，2015—2018年期間重心遷移量微小，2005—2018年重心向東北方移動，經度遷移0.013 6°，緯度遷移0.001 1°。耕地質量的重心遷移是相對于整個研究區而言，由于近年來耕地占補平衡以及土地整治工程，耕地重心處于不斷遷移中，遷移幅度相對不大，且中等地重心坐標遷移量>低等地重心坐標遷移量>高等地重心坐標遷移量。

表4 黃河西岸陜西各縣市各地(市)耕地利用等別的區位指數

圖6 2005-2018年黃河西岸陜西各縣市耕地質量重心坐標遷移

3 討論與結論

3.1 討 論

黃河生態系統是一個有機整體，推動黃河流域生態保護與高質量發展，要注重保護和治理的系統性、整體性、協同性，僅從耕地數量及耕地質量兩方面進行分析，忽略耕地生態特征，今后在耕地質量評價等研究中應構建生態評價指標模型，實現耕地三位一體保護，響應國家生態文明建設以及生態修復治理；針對耕地質量的時空分布特征進行研究，未來應補充驅動因素及耕地質量預測等方面，充分利用耕地等別空間分布來進一步研究流域范圍耕地保護分區，為更加全面認識黃河流域耕地質量提供科學依據。

3.2 結 論

(1) 時間上，2005—2018年黃河西岸陜西各縣市耕地資源數量上表現下降趨勢，質量上平均利用等別不高且變化不大。數量方面：年平均下降率為5.86%，在2005—2010年、2010—2015年、2015—2018年為先下降、后上升、再下降的變化態勢，平均年變化率分別為17.46%，3.58%，1.60%，耕地數量變化更加平穩；質量方面：2005年、2010年、2015年、2018年平均利用等別不高且變化不大，分別為12.46，12.60，12.50，12.50。相比全國平均耕地利用等9.96，黃河西岸陜西各縣市耕地利用等處于較低水平，相比陜西省平均利用等11.34，耕地利用等約低于省內一個等。

(2) 空間上，2005—2018年黃河西岸陜西各縣市耕地質量大致呈現自南向北逐漸降低的分異格局。區位指數角度：位于關中平原的潼關縣和大荔縣耕地利用等較高，為高等地的聚集區，但開展城市建設占用優質耕地，補充一般耕地，造成耕地質量有所下降。陜北地區耕地質量較差，中、低等地的區位指數較高，由于積極開展土地整治工程耕地利用等別均有提升。重心遷移角度：高等地重心在2005—2018年期間處于大荔縣，中等地重心由合陽縣向黃龍縣遷移，低等地重心由佳縣遷向米脂縣，再遷回佳縣。且中等地重心坐標遷移量>低等地重心坐標遷移量>高等地重心坐標遷移量。