東北黑土區(qū)耕地系統(tǒng)變化機(jī)理

蘇 浩，吳次芳

·土地保障與生態(tài)安全·

東北黑土區(qū)耕地系統(tǒng)變化機(jī)理

蘇 浩，吳次芳※

（浙江大學(xué)公共管理學(xué)院，杭州，310058）

耕地系統(tǒng)變化直接影響耕地生產(chǎn)能力和國(guó)家糧食安全。該研究以東北黑土區(qū)典型地域克山縣為研究區(qū)，重構(gòu)耕地系統(tǒng)的科學(xué)內(nèi)涵，運(yùn)用GIS、RS手段和Matlab計(jì)算機(jī)編程，采用地理探測(cè)器模型，識(shí)別研究區(qū)1986年、2010年和2018年耕地系統(tǒng)變化關(guān)鍵影響因子，測(cè)算關(guān)鍵影響因子、各因子間交互作用對(duì)耕地系統(tǒng)變化的作用關(guān)系，揭示研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化機(jī)理。結(jié)果表明：1）耕地系統(tǒng)是具有長(zhǎng)、寬、高的有機(jī)立體空間，在一定范圍內(nèi)是所有要素綜合作用結(jié)果，同時(shí)它受周?chē)h(huán)境影響與垂直方向、水平方向因子共同形成一個(gè)微生態(tài)環(huán)境。2）1986年、2010年和2018年影響耕地系統(tǒng)變化的關(guān)鍵影響因子分別為5個(gè)、8個(gè)和6個(gè)。1986—2018年不同時(shí)期耕地系統(tǒng)變化均受系統(tǒng)內(nèi)部因子作用的影響，隨著時(shí)間推移，水平方向作用因子對(duì)耕地系統(tǒng)變化的影響逐年加強(qiáng)，垂直方向作用因子的影響減弱，表現(xiàn)為影響耕地系統(tǒng)變化程度的關(guān)鍵影響因子由自然要素為主，轉(zhuǎn)向自然與人類(lèi)活動(dòng)因素的雙重影響。其他因子影響相對(duì)較弱。3）1986—2018年不同時(shí)期耕地系統(tǒng)內(nèi)部影響因子與垂直和水平方向的其他因子交互作用對(duì)耕地系統(tǒng)變化的影響均為最大，水平方向與垂直方向的交互作用在研究期間影響的顯著性顯化程度不同。與關(guān)鍵單一因子對(duì)耕地系統(tǒng)的影響相比，因子間交互作用后對(duì)研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化空間分異的解釋能力明顯高于單一因子對(duì)其作用，具體表現(xiàn)為雙因子增強(qiáng)或非線性增強(qiáng)的特征。研究結(jié)果較好地反映了不同時(shí)期耕地系統(tǒng)變化空間分異的各因素單一和交互作用關(guān)系，為保護(hù)耕地和保障糧食安全提供了科學(xué)依據(jù)。

土地利用；遙感；耕地；東北黑土區(qū)；微生態(tài)環(huán)境；糧食安全；機(jī)理

0 引 言

耕地系統(tǒng)是糧食生產(chǎn)最基本的載體和生境條件，具有復(fù)雜性、自組織性、時(shí)空動(dòng)態(tài)性、恢復(fù)性和非線性等耗散結(jié)構(gòu)特征[1]。它是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，在一定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)，耕地系統(tǒng)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜進(jìn)行演替，與外界不斷進(jìn)行物質(zhì)和能量交換[2-3]，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部要素和外部環(huán)境共同作用、相互影響，形成了具有自調(diào)節(jié)功能的有機(jī)整體[4-5]。隨著時(shí)間和外界環(huán)境的變動(dòng)，耕地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部因子發(fā)生突變亦或外界因子入侵超過(guò)一定的閾值范圍，耕地系統(tǒng)的生產(chǎn)力、穩(wěn)定性、恢復(fù)力及自組織能力等會(huì)受到嚴(yán)重影響[6-7]，使系統(tǒng)處于無(wú)序狀態(tài)。耕地系統(tǒng)變化研究是研究一切耕地系統(tǒng)問(wèn)題如耕地系統(tǒng)安全[8]、耕地系統(tǒng)預(yù)警[9-10]、耕地系統(tǒng)能值分析[11-12]、耕地質(zhì)量[13]研究的基礎(chǔ)。目前，關(guān)于耕地系統(tǒng)內(nèi)涵的界定學(xué)界尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。研究表明，耕地系統(tǒng)包括能力子系統(tǒng)、容量子系統(tǒng)和效應(yīng)子系統(tǒng)耦合而成[14]，是人類(lèi)活動(dòng)利用的耕地表層及以上和以下的要素相互關(guān)聯(lián)相互制約形成的結(jié)合體[5]。已有研究對(duì)耕地系統(tǒng)的界定側(cè)重于系統(tǒng)和要素的構(gòu)成，在一定程度上較好反映了耕地系統(tǒng)的整體性和要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，但卻未能全面反映耕地系統(tǒng)的內(nèi)涵，尚需進(jìn)一步補(bǔ)充、完善和優(yōu)化。關(guān)于耕地系統(tǒng)變化的研究較少，相關(guān)的研究集中于耕地的數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)變化且研究成果眾多，對(duì)本文研究具有重要的借鑒意義。

中國(guó)東北黑土區(qū)作為世界四大黑土區(qū)之一[15]，黑土有機(jī)質(zhì)含量高、土壤理化性質(zhì)優(yōu)良、肥力高，適宜作物生長(zhǎng)，是耕地中的精華[16]。根據(jù)第二次全國(guó)土地調(diào)查數(shù)據(jù)和縣域耕地質(zhì)量調(diào)查評(píng)價(jià)成果，東北典型黑土區(qū)耕地面積約1.85×107hm2，占東北地區(qū)耕地面積66.3%，占全國(guó)耕地面積13.7%。中國(guó)東北黑土區(qū)生產(chǎn)糧食約占全國(guó)糧食總量的1/4，商品糧數(shù)量占全國(guó)總量高達(dá)1/3，是中國(guó)的糧倉(cāng)，更是保障國(guó)家糧食安全的“穩(wěn)壓器”[17]。自然條件變化的不確定性和人類(lèi)活動(dòng)過(guò)度干擾使得東北黑土區(qū)出現(xiàn)利用強(qiáng)度高[18-19]、土壤侵蝕嚴(yán)重[20-21]、土壤養(yǎng)分流失[22]、土壤肥力下降[23]、有機(jī)質(zhì)含量顯著下降[24-25]、耕作層變淺、犁底層變硬，土壤的理化性狀[26]與生態(tài)功能退化[27]等眾多問(wèn)題，嚴(yán)重影響東北地區(qū)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，亟需解決。

綜上，本文重構(gòu)耕地系統(tǒng)理論內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，以東北黑土區(qū)典型地域克山縣為研究區(qū)，從耕地系統(tǒng)內(nèi)部作用、耕地系統(tǒng)垂直方向作用與水平方向作用3個(gè)方面，構(gòu)建影響耕地系統(tǒng)變化指標(biāo)體系，運(yùn)用GIS、RS手段和Matlab計(jì)算機(jī)編程，采用地探測(cè)器模型，識(shí)別1986—2018年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關(guān)鍵影響因子，計(jì)算其對(duì)耕地系統(tǒng)變化的作用程度，同時(shí)測(cè)算因子交互作用對(duì)耕地系統(tǒng)變化的影響，進(jìn)而揭示研究區(qū)耕地系統(tǒng)時(shí)空變化影響因子的作用機(jī)理。研究成果豐富和深化了耕地保護(hù)的內(nèi)容，以期為系統(tǒng)性耕地保護(hù)和保障糧食安全提供科學(xué)依據(jù)。研究成果將對(duì)區(qū)域耕地整體保護(hù)、維持耕地生產(chǎn)力和保障糧食安全具有重要意義。

1 耕地系統(tǒng)內(nèi)涵的界定

耕地系統(tǒng)是一個(gè)與外界不斷進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換的開(kāi)放系統(tǒng)，可以將其視為具有一定范圍的長(zhǎng)、寬、高有機(jī)立體空間，這個(gè)有機(jī)立體空間由反映耕地自身健康屬性的自然本底要素（包括土壤質(zhì)地、土層厚度、土壤條件、地形地貌等自然因子）和作用在這個(gè)立體空間的人文要素（包括技術(shù)、耕作制度、施肥量）構(gòu)成，各要素均有其不可取代的地位和作用，它們之間相互關(guān)聯(lián)、相互依存和相互制約，形成了具有特定功能的有機(jī)整體，耕地系統(tǒng)的特性和功能取決于全部組成要素的綜合作用，是人類(lèi)正反面活動(dòng)累積的結(jié)果，即耕地系統(tǒng)是指作用在這一具有長(zhǎng)、寬、高一定范圍的立體空間內(nèi)所有要素綜合作用結(jié)果。耕地系統(tǒng)的長(zhǎng)、寬由耕地規(guī)模決定，高度由種植作物種類(lèi)和耕層厚度決定。耕地系統(tǒng)這一具有長(zhǎng)、寬、高的有機(jī)立體空間，同時(shí)又受系統(tǒng)外部周?chē)h(huán)境影響，與垂直方向、水平方向因子共同形成一個(gè)微生態(tài)環(huán)境。其中，垂直方向上，耕地系統(tǒng)受上方光照、溫度、降水條件等影響，同時(shí)受下方地下水位、障礙層厚度、母質(zhì)種類(lèi)等影響。這里垂直方向上層至對(duì)流層，下層至土壤母質(zhì)層以上，垂直方向上、下層高度均為與耕地系統(tǒng)有直接聯(lián)系范圍，與耕地系統(tǒng)無(wú)直接聯(lián)系的垂直方向即對(duì)流層以上的地上層（如高空氣候）、耕地土壤母質(zhì)層以下的地下層（如深層巖石）不包括在垂直方向的范圍內(nèi)；水平方向上，耕地系統(tǒng)與周?chē)锢砜臻g（如不同土地利用類(lèi)型）共生，同時(shí)又與其所在地域的自然生態(tài)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素共存，進(jìn)行物質(zhì)能量和信息交換形成微生態(tài)空間。不同土地利用方式形成的物理空間、自然生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素輻射，對(duì)耕地系統(tǒng)的影響程度和影響范圍不同，超過(guò)其影響范圍對(duì)該耕地系統(tǒng)的作用均可以忽略不計(jì)（圖1）。

總之，耕地系統(tǒng)周?chē)怪焙退椒较虻淖饔脤?shí)質(zhì)上是耕地系統(tǒng)外部性的影響，在一定程度上決定耕地生產(chǎn)能力的上限。耕地系統(tǒng)具有區(qū)域性、復(fù)雜性、不確定性、開(kāi)放性、整體性、動(dòng)態(tài)性等特征，在生態(tài)環(huán)境變化不確定的大背景下，適當(dāng)改變耕地系統(tǒng)所處的微生態(tài)可以改善耕地系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高耕地生產(chǎn)力水平。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和理論方法

2.1 研究區(qū)概況

本研究以東北黑土區(qū)典型地域黑龍江省克山縣為研究區(qū)，地處125°10′57″～126°08′18″E，47°50′51″～48°33′47″N之間，克山縣位于黑龍江省齊齊哈爾市境內(nèi)，地處東北典型黑土區(qū)，地勢(shì)東北高西南低。克山縣是全國(guó)產(chǎn)糧大縣、國(guó)家重要商品糧基地縣，黑土覆蓋面積最廣，約占81%（圖 2）。2018年，克山縣轄15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、1個(gè)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)和122個(gè)村，土地總面積為3 186 km2，縣域土地利用類(lèi)型包括耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和其他土地，其中耕地面積為2 501 km2，占克山縣土地面積的79%，克山縣總?cè)丝?6萬(wàn)，農(nóng)業(yè)人口10萬(wàn)，僅占總?cè)丝?2%[28]。克山縣是大豆、馬鈴薯之鄉(xiāng)，作物對(duì)土壤條件尤其是土壤養(yǎng)分、黑土層厚度、土壤質(zhì)地的要求較高。近年來(lái)，研究區(qū)受自然、人文要素的綜合作用，耕地利用過(guò)程中黑土區(qū)的土壤性能在一定程度上發(fā)生了改變，黑土層變薄、土壤質(zhì)地變化、土壤養(yǎng)分流失，對(duì)黑土區(qū)耕地資源可持續(xù)利用產(chǎn)生了一定的影響，直接威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和耕地產(chǎn)能的穩(wěn)定。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1986年研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于第一次全國(guó)土地調(diào)查原始成果圖，通過(guò)對(duì)該成果圖進(jìn)行掃描、糾正、矢量化、檢驗(yàn)，獲得1986年研究區(qū)土地利用矢量數(shù)據(jù)庫(kù)；2010年研究區(qū)土地利用矢量數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源于第二次全國(guó)土地調(diào)查成果數(shù)據(jù)庫(kù)；2018年研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于克山縣土地利用變更數(shù)據(jù)庫(kù)。糧食實(shí)際產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于《克山統(tǒng)計(jì)年鑒（2017—2018）》。農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力、耕地投入數(shù)據(jù)均為結(jié)合中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)和《克山統(tǒng)計(jì)年鑒（2017—2018）》篩選計(jì)算所得。全年日照時(shí)數(shù)、溫度、降水量主要來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院信息化建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)“人地系統(tǒng)主題數(shù)據(jù)庫(kù)”和“Worldclim數(shù)據(jù)庫(kù)”。土地利用多樣性指數(shù)利用Matlab計(jì)算機(jī)編程，利用Gibbs-Martin指數(shù)計(jì)算獲取[29]。1986年、2010年和2018年歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)分別來(lái)源于Landsat MSS遙感影像（80 m×80 m）、Landsat TM遙感影像（30 m×30 m）、Landsat8 TM遙感影像（30 m×30 m），根據(jù)研究區(qū)氣候特點(diǎn)，選擇6—9月遙感影像以確保影像清晰。地貌類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)源于“國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”DEM數(shù)據(jù)，本文提取研究區(qū)高程、坡度和坡向數(shù)據(jù)，對(duì)原始地貌類(lèi)型圖進(jìn)行掃描、糾正、矢量化、檢驗(yàn)，獲得研究區(qū)地貌類(lèi)型圖。1986—2018年研究區(qū)有機(jī)質(zhì)、有效磷、有效鉀、有效氮、pH值、旱季地下水位數(shù)據(jù)來(lái)源于克山縣第二次土壤普查成果、克山縣土肥站、克山縣農(nóng)業(yè)推廣中心實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。土壤質(zhì)地、黑土層厚度、距障礙層深度、施肥量土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于和克山縣農(nóng)用地分等地級(jí)成果等。水土保持系數(shù)由克山縣農(nóng)用地分等定級(jí)數(shù)據(jù)和《克山縣土壤》中土壤侵蝕指數(shù)取倒數(shù)后重分類(lèi)獲得。研究期間研究區(qū)采樣點(diǎn)的耕地土壤均為黑土，其中1986年采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)利用ArcGIS手段，將耕地矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行面轉(zhuǎn)點(diǎn)處理，獲得2 173個(gè)采樣點(diǎn)，經(jīng)篩選并剔除未在耕地上的采樣點(diǎn)，有效采樣點(diǎn)為2 022個(gè)。2010年選用克山縣土肥站實(shí)地采樣點(diǎn)1 961個(gè)，經(jīng)篩選處理因GPS偏離等問(wèn)題未在耕地上的采樣點(diǎn)，有效采樣點(diǎn)為1 851個(gè)。2018年選用克山縣土肥站實(shí)地采樣點(diǎn)1 961個(gè)，經(jīng)篩選處理獲得有效采樣點(diǎn)為1 880個(gè)（圖2）。

2.3 影響研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化的指標(biāo)體系的構(gòu)建

依據(jù)耕地系統(tǒng)的內(nèi)涵，結(jié)合研究區(qū)耕地利用的特點(diǎn)，從耕地系統(tǒng)內(nèi)部作用、垂直與水平方向作用3個(gè)方面，通過(guò)篩選和比對(duì)選取20個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建影響耕地系統(tǒng)變化的指標(biāo)體系（表1）。

表1 影響研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化指標(biāo)體系

2.4 耕地系統(tǒng)變化影響因子作用機(jī)理模型建立

地理探測(cè)器是用來(lái)研究空間分異性及其驅(qū)動(dòng)力的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，該方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠檢驗(yàn)單變量的空間分異性，探測(cè)兩變量之間可能存在的因果關(guān)系，可以避免因變量之間的共線性[30]。地理探測(cè)器包括4個(gè)探測(cè)器，分別為分異及因子探測(cè)、交互作用探測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)探測(cè)及生態(tài)探測(cè)，被廣泛應(yīng)用到自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域。地理探測(cè)器假設(shè)某個(gè)自變量對(duì)某個(gè)因變量有重要影響，其自變量和因變量應(yīng)該具有相似的空間分布，該方法恰好符合耕地系統(tǒng)變化與其影響因子對(duì)系統(tǒng)的作用機(jī)理研究，因此本文運(yùn)用地理探測(cè)器中分異及因子探測(cè)模型識(shí)別研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關(guān)鍵單一影響因子，用交互作用探測(cè)模型分析因子交互作用對(duì)耕地系統(tǒng)變化的影響。

分異及因子探測(cè)模型用于探測(cè)耕地系統(tǒng)變化的空間分異性及耕地系統(tǒng)變化影響因子解釋耕地系統(tǒng)變化的空間分異的程度，值表示其影響程度值的度量，表達(dá)式為式（1）和式（2）。

式中為耕地系統(tǒng)變化或耕地系統(tǒng)變化影響因子的分層，稱(chēng)為分類(lèi)或分區(qū)；N和分別為層和全區(qū)的單元數(shù)；σ和σ分別是層和全區(qū)的耕地系統(tǒng)變化值的方差；SSW和SST分別為層內(nèi)方差之和和全區(qū)總方差；單因子作用的值域?yàn)閇0, 1]，值越大說(shuō)明耕地系統(tǒng)變化影響因子對(duì)耕地系統(tǒng)變化的解釋力越強(qiáng)，值越小則說(shuō)明耕地系統(tǒng)變化影響因子對(duì)耕地系統(tǒng)變化的解釋力越弱，值表示解釋了100%的。耕地系統(tǒng)最重要的功能是糧食生產(chǎn)，耕地的產(chǎn)量能較好地反映耕地系統(tǒng)狀態(tài)的變化，本文選取1986—2018年研究區(qū)實(shí)際產(chǎn)量作為耕地系統(tǒng)變化因變量。選取農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力、耕地投入、土地利用多樣性指數(shù)、土地利用類(lèi)型、植被指數(shù)、溫度、降水量、全年日照時(shí)數(shù)、距障礙層深度、旱季低下水位、土壤質(zhì)地、黑土層厚度、地貌類(lèi)型、施肥量、pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、有效磷、水土保持系數(shù)20個(gè)因子。由于自變量應(yīng)為類(lèi)型量，本文將20個(gè)因子利用自然斷點(diǎn)法分為5類(lèi)后進(jìn)行空間探測(cè)分析，計(jì)算得到各因子對(duì)耕地系統(tǒng)變化的作用大小值，對(duì)影響研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化的關(guān)鍵單一因子和關(guān)鍵交互因子進(jìn)行識(shí)別與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關(guān)鍵影響因子作用機(jī)理

3.1.1 關(guān)鍵單一影響因子的識(shí)別

在20個(gè)耕地系統(tǒng)變化影響因子中，依據(jù)關(guān)鍵因子識(shí)別模型解釋變量的原理，將值大于0.05的因子作為影響耕地系統(tǒng)變化及地理空間分異的關(guān)鍵影響因子（表2）。

表2 研究區(qū)1986—2018年影響耕地系統(tǒng)變化的關(guān)鍵影響因子

注：值表示各指標(biāo)對(duì)耕地系統(tǒng)變化的影響程度，單因子作用值大于0.05表示對(duì)應(yīng)因子作用顯著，交互作用值大于5.0表示交互作用顯著。

Note: Thevalue indicates the degree of influence of an index on the cultivated land system change. Thevalue that is higher than 0.05 for single effect or higher than 5.0 for interaction indicates its significant influence.

1986年，研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關(guān)鍵單一影響因子有3個(gè)，其值由大到小依次為耕地系統(tǒng)垂直方向作用因子溫度（0.074）、降水量（0.064）和水平方向作用因子耕地投入（0.058），其中溫度的值最高。可見(jiàn)，耕地系統(tǒng)變化受系統(tǒng)水平和垂直方向作用的個(gè)別因子影響，即溫度是最主要的影響因子，其次是降水量和耕地投入。

2010年，研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關(guān)鍵單一影響因子有6個(gè)，其值由大到小依次為耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子有效磷（0.399）、有機(jī)質(zhì)（0.391）、速效鉀（0.236）、水土保持系數(shù)（0.234）以及耕地系統(tǒng)水平作用因子農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力（0.234）、耕地投入（0.052）。可見(jiàn)，2010年耕地系統(tǒng)變化主要受耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子作用和系統(tǒng)水平方向因子作用，且系統(tǒng)內(nèi)部作用因子有效磷和有機(jī)質(zhì)的影響較為顯著。

2018年，研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關(guān)鍵單一影響因子有5個(gè)，其值由大到小依次為系統(tǒng)水平作用因子農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力（0.449）及耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子黑土層厚度（0.352）、有機(jī)質(zhì)（0.301）、全氮（0.209）和土壤質(zhì)地（0.164），其中系統(tǒng)水平方向作用因子農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力值最高。可見(jiàn)，2018年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化受系統(tǒng)內(nèi)部因子作用和系統(tǒng)水平方向因子作用顯著，最主要的影響因子是水平方向作用因子農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力，其次是耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子黑土層厚度、有機(jī)質(zhì)、全氮和土壤質(zhì)地。

除此之外，值在0～0.05之間的單一影響因子對(duì)研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化的影響較弱，可以不考慮在內(nèi)。

3.1.2 關(guān)鍵單一影響因子對(duì)耕地系統(tǒng)變化的作用機(jī)理

依據(jù)地理探測(cè)器模型原理，值的大小為因子對(duì)耕地系統(tǒng)變化的作用程度。通過(guò)計(jì)算得出：1986—2018年影響研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關(guān)鍵因子的作用大小在不同時(shí)期有所差異：

1）1986年耕地系統(tǒng)變化受系統(tǒng)水平和垂直方向因子綜合作用。垂直方向作用因子溫度是影響耕地系統(tǒng)變化的最大限制因子，是眾多因子中作用強(qiáng)度最大的指標(biāo)，其次是垂直方向作用因子降水和水平方向作用因子耕地投入。1986年克山縣開(kāi)始了耕地綜合治理與生態(tài)建設(shè)，同時(shí)耕地系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)的自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)政策環(huán)境下，既有旱災(zāi)、冷凍和風(fēng)雹等自然災(zāi)害影響，又有社會(huì)經(jīng)濟(jì)政策環(huán)境的影響，出現(xiàn)系統(tǒng)垂直和水平方向的個(gè)別關(guān)鍵因子影響顯著性加強(qiáng)，與實(shí)際相符。

2）2010年耕地系統(tǒng)變化主要受耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子作用和系統(tǒng)水平方向因子作用顯著，且系統(tǒng)內(nèi)部作用因子主要受有效磷、有機(jī)質(zhì)、速效鉀和水土保持系數(shù)的影響，且有效磷和有機(jī)質(zhì)處于主導(dǎo)地位。20世紀(jì)80年代克山縣開(kāi)始注重對(duì)土壤修復(fù)與治理，2010年研究區(qū)開(kāi)展耕地地力調(diào)查與評(píng)價(jià)工作，對(duì)于研究區(qū)耕地系統(tǒng)內(nèi)部作用因子產(chǎn)生了重要影響，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，耕地系統(tǒng)水平方向作用因子農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力大小和耕地投入對(duì)系統(tǒng)變化也產(chǎn)生了重要的影響。

3）2018年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化受系統(tǒng)內(nèi)部因子作用和系統(tǒng)水平方向因子共同作用，影響最大的是水平方向作用因子農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力，其次是耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子黑土層厚度、有機(jī)質(zhì)、全氮和土壤質(zhì)地。隨著黑土區(qū)的不斷退化，東北黑土區(qū)耕地保護(hù)問(wèn)題逐漸受到關(guān)注，政府加大了對(duì)黑土區(qū)耕地資金、技術(shù)的投入和政策上支持，使得黑土區(qū)耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子性能有所改善，但內(nèi)部因子仍然是引起耕地系統(tǒng)變化的重要影響因子，同時(shí)隨著新型城鎮(zhèn)化步伐的加快，系統(tǒng)水平方向作用即人類(lèi)活動(dòng)對(duì)耕地系統(tǒng)的影響不可小視。

分別將1986—2018年在水平、垂直、系統(tǒng)內(nèi)部3個(gè)維度顯著影響耕地系統(tǒng)變化影響因子的影響大小進(jìn)行計(jì)算。可見(jiàn)，1986—2018年耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子對(duì)耕地系統(tǒng)變化均有不同程度的影響，水平方向作用因子對(duì)耕地系統(tǒng)變化的影響逐年加強(qiáng)，垂直方向作用因子的影響減弱（圖4）。

3.2 因子交互作用對(duì)耕地系統(tǒng)變化的影響機(jī)理

利用地理探測(cè)器中的交互作用探測(cè)器模型，將1986年、2010年、2018年影響研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化的20個(gè)因子進(jìn)行空間分異的交互作用分析，計(jì)算耕地系統(tǒng)內(nèi)部、水平方向和垂直方向各因子與其他因子交互作用（值）之和，作為因子間交互作用對(duì)研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化影響的大小和程度，交互作用值大于5.0說(shuō)明交互作用顯著（表 2）。

1986年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化交互作用值大于5.0關(guān)鍵因子有5個(gè)，分別為溫度（10.598）、有效磷（9.206）、降水量（8.148）、耕地投入（7.547）、全氮（5.679）。其中，溫度、降水量、耕地投入為單一因子作用中的關(guān)鍵因子，有效磷和全氮單一因子影響不顯著但交互作用影響顯著。可見(jiàn)，溫度是這一時(shí)期研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化交互作用最關(guān)鍵影響因子；有效磷雖然在單一因子影響中不顯著，但在交互作用中極為顯著，說(shuō)明有效磷這一時(shí)期在該地區(qū)也具有一定的影響；降水量和耕地投入在交互作用中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，是這一時(shí)期較為關(guān)鍵的交互影響因子；全氮在單一因子作用中不顯著，在交互作用中較為顯著，是研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關(guān)鍵交互作用因子。

2010年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化交互作用值大于5.0的關(guān)鍵因子有8個(gè)，分別為有效磷（12.117）、有機(jī)質(zhì)（10.569）、速效鉀（9.688）、水土保持系數(shù)（9.643）、農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力（8.204）、耕地投入（7.764）、全氮（6.158）、pH值（5.168）。其中，有效磷、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、水土保持系數(shù)、農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力、耕地投入為單一因子作用中的關(guān)鍵因子，全氮和pH值影響不顯著但交互作用影響顯著。可見(jiàn)，有效磷、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、水土保持系數(shù)仍然是這一時(shí)期研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化的關(guān)鍵影響因子；全氮在單一因子作用中不顯著，在交互作用中較為顯著，是研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關(guān)鍵交互作用因子。

2018年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化交互作用值大于5.0的關(guān)鍵因子有6個(gè)，分別為農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力（12.549）、有機(jī)質(zhì)（10.192）、全氮（10.063）、黑土層厚度（8.679）、耕地投入（8.307）、土壤質(zhì)地（7.484）。其中，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力、黑土層厚度、有機(jī)質(zhì)、全氮、土壤質(zhì)地為單一因子作用中的關(guān)鍵因子，有機(jī)質(zhì)和全氮的單一因子作用低于黑土層厚度，但交互作用影響高于黑土層厚度，耕地投入為單一因子影響不顯著交互作用影響顯著。可見(jiàn)，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力是這一時(shí)期研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化最關(guān)鍵影響因子；有機(jī)質(zhì)、全氮的交互作用影響極為顯著，是耕地系統(tǒng)變化的重要的交互作用影響因子，黑土層厚度和土壤質(zhì)地也是耕地系統(tǒng)變化的關(guān)鍵影響因子；耕地投入在單一因子作用中不顯著，在交互作用中較為顯著，是研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關(guān)鍵交互作用因子。

由此可見(jiàn)，1986年、2010年、2018年耕地系統(tǒng)內(nèi)部的影響因子與垂直和水平方向的其他因子交互作用對(duì)耕地系統(tǒng)變化的影響均為最大。全氮在研究期間均為關(guān)鍵交互作用影響因子，有機(jī)質(zhì)在2010年和2018年為關(guān)鍵交互作用影響因子，有效磷在1986和2010年為關(guān)鍵交互作用影響因子，速效鉀、水土保持系數(shù)在2010年為關(guān)鍵交互作用影響因子，土壤質(zhì)地、黑土層厚度在2018年為關(guān)鍵交互作用影響因子。克山縣土壤板結(jié)和水土流失問(wèn)題持續(xù)發(fā)生，土壤侵蝕問(wèn)題凸顯，肥沃土壤表層流失，黑土層變薄，土壤質(zhì)地變黏，土壤養(yǎng)分大量流失，影響耕地系統(tǒng)變化。

水平方向作用中，1986年只有耕地投入與其他因子的交互作用顯著，對(duì)耕地系統(tǒng)變化影響較小；2010年水平方向除了耕地投入外，另有農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力與其他因子的交互作用顯著，水平方向交互作用對(duì)耕地系統(tǒng)變化影響增強(qiáng)；2018年仍為耕地投入和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力2個(gè)影響因子與其他因子的交互作用顯著，交互作用進(jìn)一步加大。克山縣以農(nóng)業(yè)為主，耕地面積占縣域面積79%，農(nóng)民收入來(lái)源主要依賴(lài)于土地的耕種經(jīng)營(yíng)，耕地系統(tǒng)在一定程度上承擔(dān)著農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)職能，水平方向因子農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力和耕地投入對(duì)耕地系統(tǒng)變化響應(yīng)較敏感，與其他因子交互作用對(duì)耕地系統(tǒng)變化起著關(guān)鍵性影響。

垂直方向作用中，1986年溫度和降水量與其他因子的交互作用顯著，對(duì)耕地系統(tǒng)變化有一定的影響；2010年和2018年均未有顯著的垂直方向交互作用影響因子。1986年克山縣出現(xiàn)大旱天氣、降水量驟減、灌排設(shè)施的落后使得降水量在成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素的短板，有限的降水沒(méi)有得到充分的利用，垂直方向上的外部環(huán)境條件嚴(yán)重影響著耕地系統(tǒng)的變化。20世紀(jì)90年代，克山全縣域開(kāi)始興修小型農(nóng)田排水設(shè)施：挖溝排水，修筑條田，高臺(tái)壟作等措施，對(duì)防治內(nèi)澇、干旱有良好作用。由于克山縣在垂直方向上各因子差異性較小，在研究區(qū)內(nèi)對(duì)耕地系統(tǒng)變化無(wú)顯著影響。

總之，1986—2018年耕地系統(tǒng)內(nèi)部影響因子與其他因子交互作用影響合力最強(qiáng)，其次是垂直方向的交互作用合力，最后是水平方向的交互作用合力。耕地系統(tǒng)內(nèi)部影響因子與其他因子交互作用影響合力在1986—2010年增強(qiáng)，2018年有所減弱；1986—2018年水平方向上的影響因子與其他因子交互作用影響合力越來(lái)越強(qiáng)，垂直方向上的交互影響合力減弱（圖5）。

4 討 論

一定區(qū)域內(nèi)的耕地是一個(gè)復(fù)雜的開(kāi)放系統(tǒng)，它與外界不斷進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換[2-3]。東北黑土區(qū)經(jīng)過(guò)大規(guī)模開(kāi)發(fā)和高強(qiáng)度的利用，同時(shí)受自然條件的制約和人文因素的影響[4-5]，導(dǎo)致黑土區(qū)的耕地水土流失、有機(jī)質(zhì)下降、土壤的理化性能發(fā)生改變、耕地土壤侵蝕等各種問(wèn)題，引發(fā)了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，這些問(wèn)題的研究為進(jìn)行耕地系統(tǒng)變化影響因子選擇及關(guān)鍵因子的識(shí)別奠定了基礎(chǔ)[8-13]。東北黑土區(qū)是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)區(qū)、最大的商品糧生產(chǎn)基地，在保障國(guó)家糧食安全中具有舉足輕重的地位。耕地系統(tǒng)變化關(guān)鍵影響因子的識(shí)別及其作用機(jī)理分析是耕地系統(tǒng)變化研究的基礎(chǔ)，已有研究尚缺少這方面的系統(tǒng)研究。

本文以東北黑土區(qū)典型地域克山縣為研究區(qū)，將耕地系統(tǒng)界定為具有一定長(zhǎng)寬高的有機(jī)立體空間，它受周?chē)怪狈较蚝退椒较蛞蜃佑绊懚纬傻囊粋€(gè)微生態(tài)環(huán)境，擴(kuò)寬了耕地保護(hù)研究的視野，具有一定的創(chuàng)新性。研究運(yùn)用多年的土地利用變更數(shù)據(jù)、耕質(zhì)地量數(shù)據(jù)、自然生態(tài)數(shù)據(jù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等人文數(shù)據(jù)，以縣域鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本單元，在研究期間運(yùn)用了研究區(qū)大量采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，能夠準(zhǔn)確反映耕地系統(tǒng)變化的真實(shí)狀況，改變已有研究區(qū)域尺度過(guò)大針對(duì)性和可操作性弱的局限。盡管本文運(yùn)用了大量的矢量數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，但仍然有些人文因素如農(nóng)戶(hù)土地利用行為、政策及耕作制度尚未考慮，如何量化此類(lèi)要素一直是當(dāng)前的難點(diǎn)。同時(shí)鹽漬化程度、母質(zhì)類(lèi)型、灌溉排水條件在本研究區(qū)內(nèi)無(wú)明顯劃分，其實(shí)際差異也不大，因此未做參考，若在大區(qū)域尺度上研究耕地系統(tǒng)變化問(wèn)題仍然需要考慮這些要素的影響和作用。本文以研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化值為基礎(chǔ)，利用地理探測(cè)模型，闡明這些關(guān)鍵因子單一作用和交互作用對(duì)耕地系統(tǒng)變化的影響程度，但如何更加深入分析影響耕地系統(tǒng)變化多種因子共同作用，在研究方法手段上仍需深入研究。

5 結(jié) 論

本文以東北黑土區(qū)典型地域克山縣為研究區(qū)，科學(xué)界定了耕地系統(tǒng)的內(nèi)涵，運(yùn)用GIS、RS手段和Matlab計(jì)算機(jī)編程，運(yùn)用地理探測(cè)器中不同模塊模型功能，對(duì)1986—2018年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關(guān)鍵影響因子進(jìn)行識(shí)別并確定其作用程度，解釋1986—2018年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化各因子交互作用關(guān)系。通過(guò)研究得出以下研究結(jié)論：

1）1986—2018年耕地系統(tǒng)變化不同時(shí)期均受系統(tǒng)水平方向作用的影響。且隨著時(shí)間推移，水平方向作用因子對(duì)耕地系統(tǒng)變化的影響逐年加強(qiáng)。同時(shí)，在研究期間表現(xiàn)為影響耕地系統(tǒng)變化程度的關(guān)鍵因子以溫度、降水、有效磷、有機(jī)質(zhì)等自然要素為主，轉(zhuǎn)向自然與人類(lèi)活動(dòng)因素（農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力、耕地投入等）的雙重影響，其他因子影響相對(duì)較弱。1986—2018年，研究區(qū)實(shí)施耕地綜合治理與生態(tài)建設(shè)、開(kāi)展耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)工作以及政府加大了對(duì)黑土區(qū)耕地保護(hù)的各項(xiàng)投入，耕地系統(tǒng)變化機(jī)理響應(yīng)與反饋與實(shí)際相符。

2）1986—2018年耕地系統(tǒng)內(nèi)部影響因子與垂直和水平方向的其他因子交互作用對(duì)耕地系統(tǒng)變化的影響均為最大。水平方向作用中，1986年只有耕地投入與其他因子的交互作用顯著，對(duì)耕地系統(tǒng)變化影響較小；2010年水平方向除了耕地投入外，另有農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力與其他因子的交互作用顯著，水平方向交互作用對(duì)耕地系統(tǒng)變化影響增強(qiáng)；2018年仍為耕地投入和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力兩個(gè)影響因子與其他因子的交互作用顯著，交互作用進(jìn)一步加大。垂直方向作用中，1986年降水量與其他因子的交互作用顯著，對(duì)耕地系統(tǒng)變化有一定的影響；2010年和2018年均未有顯著的垂直方向交互作用影響因子。

3）耕地系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)論是單一因子作用還是交互作用，其影響耕地系統(tǒng)變化貢獻(xiàn)率均高于水平和垂直方向因子作用結(jié)果。可見(jiàn)，其因子內(nèi)部作用影響耕地系統(tǒng)變化最重要的原因。就單一關(guān)鍵因子作用與因子交互作用相比，不同影響因子交互作用后對(duì)研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化空間分異的解釋能力，明顯高于單因素對(duì)耕地系統(tǒng)變化空間分異的作用，具體表現(xiàn)為雙因子增強(qiáng)或非線性增強(qiáng)的特征。研究結(jié)果較好地反映了不同時(shí)期耕地系統(tǒng)變化空間分異的各因素單一和交互作用關(guān)系，為保護(hù)耕地和保障糧食安全提供了科學(xué)依據(jù)。

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Mechanism of cultivated land system change in black soil areas of Northeast China

Su Hao, Wu Cifang※

(,,310058,)

Black soil region in northeast China is one of the four largest black soil areas in the world, serving as an important grain production base with a commodity rate of more than 70%. Production capacity depends directly on the cultivated land system. Taking Keshan County in northeast China as the research area, geo-detector models were used to identify the key influencing factors of cultivated land system changes in 1986, 2010, and 2018. Mechanism of cultivated land system change was also clarified using GIS, RS, and Matlab programming, including the weight and interaction of key influencing factors. The results showed that: 1) A cultivated land system was a three-dimensional organic space with a length, width, and height, where the comprehensive action of all elements was within a certain range. The length and width were determined by the scale of cultivated land, while the height was determined by the types of crops and the thickness of the cultivated layer. Each element of the cultivated land system had an irreplaceable position and function. A micro-ecological environment also dominated the surrounding vertical and horizontal factors. 2) A total of five, eight and six key factors were found to have important influence on the changes of cultivated land systems in 1986, 2010, and 2018, respectively. All cultivated land system changes were affected by the internal factors of the system from 1986 to 2018. The influence of horizontal factors on the cultivated land system changes strengthened year by year, whereas, the influence of vertical factors weakened as time went by. The key factors were dominated from natural factors to the dual influence of natural and human activities in recent years. The influence of other factors was relatively weak. 3) There was the greatest impact of the interaction between the internal influencing factors of the cultivated land system and others in the vertical and horizontal directions on the cultivated land system change from 1986 to 2018. There was also different significance in the interaction between the horizontal and vertical directions. The interaction between factors had significantly higher spatial differentiation of cultivated land system changes in the study area than the single factors, indicating a double-factor or nonlinear enhancement. There was a relatively significant influence of single and interactive partial factors on the cultivated land system change. Combining with two parts of the factors, some single factors had no significant impact on the cultivated land system change, but the interaction effect was significant. The sensitivity of internal and external factors can also be objectively revealed via the single and interactive factors in the spatial differentiation of cultivated land system change. The finding can provide a scientific basis to protect cultivated land for food security.

land use; remote sensing; cultivated land; northeast black soil area; micro-ecological environment; food security; mechanism

蘇浩，吳次芳. 東北黑土區(qū)耕地系統(tǒng)變化機(jī)理[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(6)：243-251.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.030 http://www.tcsae.org

Su Hao, Wu Cifang. Mechanism of cultivated land system change in black soil areas of Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 243-251. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.030 http://www.tcsae.org

2021-01-27

2021-03-01

國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金重大項(xiàng)目（14ZDA039）

蘇浩，主要研究方向?yàn)橥恋刭Y源利用與管理、國(guó)土空間規(guī)劃。Email：suhao@zju.edu.cn

吳次芳，主要研究方向?yàn)閲?guó)土空間規(guī)劃、土地利用與生態(tài)。Email：wucifang@zju.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.030

F302.2

A

1002-6819(2021)-06-0243-09