耕地質量多維評價與利用分區
——以黃驊市為例

關 瑜, 陳 影, 葉 靜, 劉 靜, 門明新

(1.河北農業大學 國土資源學院, 河北 保定071000; 2.河北農業大學 資源與環境科學學院, 河北 保定071000)

耕地作為自然資源中的精華，在保證糧食安全和穩固社會安寧方面起到關鍵作用[1-2]，特別是對于濱海平原區而言，耕地的改良利用與保護管理極其重要。受沿海氣候、人為改良修復等綜合作用影響，濱海地區的耕地利用呈現內部相似性和區域差異性等特點[3-4]。推進耕地“三位一體”保護，實施耕地的差別化和精細化管理對于促進耕地提質增效、支撐國家“藏糧于地、藏糧于技”戰略以及指導區域空間有序開發利用具有現實意義[5-6]，而耕地利用分區是達成上述目標的重要路徑之一，是耕地保護工作得以“落地”的重要保證。

從多維度多層次剖析耕地質量為進行耕地利用分區提供理論前提。隨著對耕地多功能價值認知的深入，學者對耕地內涵的挖掘由耕地數量質量、格局變化、用途轉移等顯性內涵[7]逐步過渡到耕地產能[8-9]、潛力[10-11]、產能與健康綜合評價[12-15]、功能表達等[16]隱性內涵；新技術方法的引入使耕地評價更具多元性和豐富性，比如：灰靶決策模型[17]、灰色關聯度法和AHP法結合[18]、三維魔方模型[19]、BP神經網絡模型和SVM模型等[20]；由于數據局限性，相關研究多集中于中小尺度[15,21]。目前，耕地利用分區相關研究主要集中于空間分布特征[22]、聚集性規律[23]、提升潛力[24]、“質量—產出—效率”[25]、質量分維度等[26]角度，多側重于從耕地利用效率、集約度、產能等要素入手進行分區，但往往忽略了耕地各維度質量內部之間的差異以及耕地利用分區單元之間的空間連通性和相關性，這些因素能夠直接影響分區結果和管理效果的好壞[27]。2018年學者郝晉珉提出“三位一體”統一質量觀，認為質量概念包括空間質量、功能質量和環境質量。空間質量指規模、形狀、分布以及空間關系等(區域、農田、地塊)；功能質量指生產功能、生態功能、景觀功能、承載功能等(物質、能量、信息)；環境質量指自然環境和社會環境(土地利用系統)，這樣則將數量、質量和生態統一起來，三位一體并不僅是這3個質量分量，而是將耕地功能性、空間性和價值性在質量維度上進行有機統一，為耕地利用分區提供了新思路。如何剖析不同維度耕地質量，如何在精準定位、合理分類分區的同時兼顧分區單元的空間連通性和相關性，是亟待解決的問題。

本研究以郝晉珉學者的統一質量觀為理論依據，以黃驊市為研究區，并借鑒前人的研究框架，擬構建集成“空間—功能—環境”的耕地質量三維解析評價框架，運用Spearman秩相關系數和G*熱點分析工具表征三維質量的空間相關性，并基于以上成果進行耕地利用分區，提出差別化管理建議，為優化耕地利用布局提供科學借鑒，為實現耕地“三位一體”的管理需求提供有效支撐。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

黃驊市位于河北省東南部，被京津冀和環渤海經濟圈雙重包圍，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，因瀕臨渤海灣略具海洋性氣候特征，地勢平坦，土層深厚，土壤類型主要為潮土，植被覆蓋率低。因其地勢低、海潮咸水侵浸、地下水位高，擁有大量鹽堿荒地，各地類聚集著不同濃度的可溶性鹽類，使得土壤含鹽量偏高，同時黃驊市耕地存在土壤理化性質差、土壤板結等現象，嚴重影響作物的生長發育，導致農業生產力下降。黃驊市常住人口46.7萬人，全市轄3個街道、11個鄉鎮，根據2014年耕地等別更新成果，黃驊市耕地總面積為77 102.93 hm2，占土地總面積的31.07%。

1.2 數據來源與處理

耕層質地和土體構型數據來源于黃驊市2014年度耕地等別更新成果和實地調查。有機質含量和土壤容重來源于黃驊市農業局2015年耕地地力評價成果。行政區劃、線狀道路和耕地圖斑來自黃驊市2017年土地利用變更調查數據。土壤蚯蚓數據來自2017年的實地調查取樣。土壤含鹽量來自黃驊市農業局測土配方數據。土壤重金屬和土壤總有機碳含量來自黃驊市土壤質量地球化學調查評價樣點數據成果。作物產量、人口數據和農村居民恩格爾系數均來自于統計年鑒、統計局網站和實地調研。在耕地壓力指數計算中設定人均糧食需求量和糧食自給率分別為400 kg和95%。形狀、密度、破碎度、分離度、耕地吸引力指數和人口承載比均通過相關模型和公式計算獲得。本文考慮分區空間內部差異及連通性，將分區單元確定為391個行政村，在小尺度上進行從耕地圖斑到行政村耕地質量的轉換。

2 研究方法

2.1 耕地質量三維解析框架

耕地隱性內涵的體現在于系統內部要素的復雜組合及相互影響，對多維度耕地質量進行深入解析可充分挖掘耕地的潛在屬性[28-31]。為了全面解析耕地資源的隱性內涵及要素相互作用關系，在借鑒前人提出的三維框架的基礎上[23]，本研究根據黃驊市地域特點做出一定改進，提出集成“空間—功能—環境”視角的耕地質量三維解析框架(圖1)。

耕地要素組成與人類功能需求的綜合疊加與相互作用凸顯耕地質量在不同維度層面上的差異。耕地空間質量反映區域耕地的空間規模、空間形態等狀況，受自然和社會要素的直接影響，優化耕地的空間利用結構應從“田水路林村”的全域角度來考慮。系統理論認為要素結構對整體功能的發揮具有決定作用，因此耕地空間質量對功能質量具有直接決定性。耕地功能質量是以自然要素作用為基礎的本底質量、以工程要素作用為保障的追加質量以及受自然社會要素管理的景觀生態、人文生活質量等的作用集合，是耕地質量管理的核心內容，對增加經濟收益、保障糧食安全及提高耕地產能起到關鍵作用，同時與耕地環境質量存在強烈的空間關聯效應。耕地環境質量是以自然要素為載體，受社會要素變化趨勢影響所呈現的結果，伴隨著耕地利用歷史的推進，其變化呈現動態性和適應性，今后的保護重點應是提高耕地資源本身的可持續利用水平及維持土地生態系統的健康安全。由于自然要素及社會生產力變革很難在短時間內呈現顯著變化，因此耕地利用空間內部的環境質量存在相對穩定性。

圖1 耕地質量三維解析框架

2.2 基于三維解析的耕地質量評價指標體系構建

本研究以耕地“三位一體”統一質量觀為理論依據，在參考相關研究成果的基礎上[17-19,23,25]，根據黃驊市的地形地貌、土壤氣候、農業生產等特點，遵循科學性、可行性、地域性、主導性和綜合性等原則，從“空間—功能—環境”3個維度要素入手，構建耕地三維質量評價指標體系，并采用層次分析法結合熵權法的方式確定各指標權重(表1)，并制定了各維度指標的賦值規則(表2)。

耕地空間質量考慮耕地的數量規模、地塊形狀、空間區位、空間結構、空間關系等多個方面，采用典型景觀指數綜合表達耕地系統在空間尺度上的質量水平。耕地功能質量從物質生產、景觀生態和社會保障3個方面展開評價，其中物質生產功能從耕地本底要素入手來評估耕地生產潛力；景觀生態功能考慮了耕地景觀吸引力和農田生態健康水平兩方面，從景觀美學和生態安全角度綜合評估耕地能夠滿足人類福祉的程度；社會保障功能則考慮了農業增產性投入及人口承載對耕地造成的壓力，從而衡量耕地保證糧食自給與消費水平的能力。耕地環境質量將土壤自然環境要素和社會管理環境要素進行整合，綜合評估耕地系統的環境適應性以及耕地資源變化激化社會矛盾的程度。

表1 基于三維解析的耕地質量評價指標體系

2.3 基于耕地質量三維評價及相關性分析的耕地利用分區

2.3.1 各維度耕地質量的權衡與協同關系確定 地理要素在空間上通常呈現非線性和非正態的分布狀態，因此有必要采用非參數相關性分析方法，其中Spearman秩相關是分析權衡與協同關系的常用方法，相比傳統相關系數公式來說，這一方法引入“編秩”步驟，將變量大小及排列順序考慮在內。若相關系數為正，則說明指標之間存在空間協同，即在同一空間內，兩種指標呈同向變化；若相關系數為負，則說明指標之間存在空間權衡，即在同一空間內，兩種指標呈反向變化；若相關系數為0，則說明指標之間呈現空間兼容。相關性強度則通過相關系數絕對值高低來區分，[0，0.1)為不相關，[0.1，0.2)弱相關，[0.2，0.4)中等相關，[0.4，1]強相關。

表2 基于三維解析的耕地質量評價指標賦值規則

(1)

(2)

(3)

2.3.3 耕地利用分區方案確定 以耕地質量三維評價結果和各維度質量的空間相關性分布結果為依據進行耕地利用分區，充分考慮了研究單元各維度質量之間的空間關聯性和集聚度，對于增強區域耕地差別化和統一化管理的可實施性具有重要實踐意義，具體分區框架見圖2。

功能質量是三維質量中的核心和關鍵，是人類利用耕地的最終目標。因此將功能質量二級指標的冷熱點重疊程度作為耕地利用初步分區的主要依據，當兩個及以上的熱點重合于同一研究單元，則以顯著性高的功能質量為耕地利用的主導方向，分別劃分為：生產優勢保護區、休閑農業發展區和規模效益提升區；兩個及以上的冷點重合區域為休耕區；3種功能都不顯著的重合區域為潛在功能挖掘區，得到初步分區方案。再考慮空間和環境質量二級指標的冷熱點分布及與其他指標的權衡與協同關系的強弱，將生產優勢保護區中的空間和環境質量的冷點區域劃分為整治改良區，并與休耕區合并為休耕整治區，最后進行布局和環境的整體修正和區域合并，得到最終分區方案，這樣能夠保證分區結果的精細度和全面性。

圖2 耕地利用分區框架

3 結果與分析

3.1 黃驊市耕地質量三維評價結果

采用自然間斷點分級法將各維度質量分值劃分為4個區間，對黃驊市耕地質量三維評價結果進行統計分析(表3—6，圖3)。

黃驊市各維度耕地質量分值存在空間分異。空間質量和功能質量較高的耕地分布在西部和東北部地區，此區域耕地以壤土為主，鹽漬化程度相對較低，有機質含量較高，有較好的連片度和規整度；中部地區的空間和功能質量較低，而環境質量較高，此區域耕地土壤蚯蚓和微生物活性均高于全市均值，耕地非農化強度較低，但耕地資源匱乏，人地關系緊張；而西南和東南部地區的功能、環境質量較低，此區域土壤蚯蚓和微生物活性均低于全市均值，耕地非農化強度較大。綜合質量較高的耕地分布于黃驊市北部，該區域的空間、功能和環境三大維度質量均處于良好狀態，是全市耕地的精華，應高效利用。

從各維度質量分值區間分布來看，空間質量分值主要集中于(93.49～100]，占耕地總面積的82.39%，主要分布于南大港管理區、常郭鎮、滕莊子鄉和齊家務鄉；功能質量分值主要集中于(65.39～70.35]，占耕地總面積的41.61%，主要分布于舊城鎮、羊二莊回族鎮和常郭鎮；環境質量分值主要集中于(61.49～80.84]，占耕地總面積的60.14%，主要分布于國營中捷友誼農場、南大港管理區、呂橋鎮和滕莊子鄉；綜合質量分值主要集中于(70.36～83.04]，占耕地總面積的64.36%，主要分布于南大港管理區、呂橋鎮和齊家務鄉。

表3 黃驊市空間質量各分值區間分布面積hm2

表4 黃驊市功能質量各分值區間分布面積hm2

表5 黃驊市環境質量各分值區間分布面積hm2

圖3 黃驊市耕地各維度質量分值

3.2 基于黃驊市耕地質量三維評價及相關性分析的耕地利用分區結果

3.2.1 各維度耕地質量的權衡與協同關系分析 以耕地三維質量評價結果為依據，運用Spearman秩相關系數方法得到黃驊市耕地質量各指標的權衡與協同關系(表7)。從相關性性質來看，21組關系中有15組顯著正相關，1組不顯著，5組顯著負相關。具體而言，除自然環境與規模、空間特征、物質生產功能、社會保障功能和社會環境呈現權衡關系以外，其余指標相互之間均呈現協同關系；環境質量與空間質量、功能質量之間權衡與協同關系并存，而空間質量與功能質量之間只存在協同關系。從相關性程度來看，21組關系中有3組強相關，10組中等相關，7組弱相關和1組不相關。具體而言，空間特征與規模、物質生產功能，自然環境與社會環境為強相關，其相關系數分別為0.452，0.624和-0.429；社會保障功能與其余6個指標均為中等相關，物質生產功能與規模、自然環境，空間特征與景觀生態功能、自然環境均為中等相關；自然環境與景觀生態功能不相關；其余指標之間為弱相關。

表7 各維度耕地質量指標Spearman秩相關

3.2.2 各維度耕地質量的空間冷熱點分析 以耕地質量二級指標的評價結果為依據，利用G*熱點分析工具，得到黃驊市耕地質量7個二級指標的冷熱點空間分布圖(圖4)，為耕地利用分區提供依據。結果顯示：部分維度質量的冷熱點分布相似，例如空間特征和景觀生態功能的空間分布格局相似，熱點區主要分布于西北部和東北部，冷點區主要分布于中部和東南部，但兩者的冷熱程度和分布范圍卻不完全一致；部分維度質量的冷熱點分布存在很大差異，例如物質生產功能和社會環境呈正相關，但冷熱點在空間上沖突較大，社會環境圖中的西北部為不顯著區域，但物質生產功能的為極熱點區域。同一維度質量的冷熱點分布格局差異較大，例如社會環境的不顯著區域是自然環境的極熱點區域，自然環境的冷點區域是社會環境的熱點區域。

圖4 耕地質量各維度指標冷熱點空間分布

3.2.3 耕地利用分區結果 以耕地質量三維評價結果和各維度質量的空間相關性分布結果為依據，通過初步、修正和合并分區等步驟，將黃驊市最終劃分為生產優勢保護區、休閑農業發展區、規模效益提升區、潛在功能挖掘區和休耕整治區5個區域(圖5)，并將各類型區中各維度質量分值制成雷達圖(圖6)，便于提出耕地的差別化利用與管理建議。

耕地生產優勢保護區面積為11 740.27 hm2，占全區耕地總面積的15.23%，綜合質量較高，為73.25，主要分布于國營中捷友誼農場、官莊鄉和呂橋鎮。該區域的物質生產功能質量是所有類型區中最高的，但景觀生態功能和社會保障功能質量在所有區域中分值最低。因此，該區具有土壤鹽漬化程度較低，養分含量較高，基礎配套設施較完善，綜合質量較高等特點。應利用其耕地資源稟賦優勢，因地制宜種植經濟作物，培育綠色有機農產品，實現增產增收，同時維持現有耕地質量，加強耕地定期監管和基礎設施的維護。

耕地休閑農業發展區面積為14 025.38 hm2，占全區耕地總面積的18.19%，綜合質量較高，為73.78，主要分布于南大港管理區和滕莊子鄉。該區域的規模、空間特征、景觀生態功能和社會環境質量是所有類型區中最高的，但物質生產功能質量在所有區域中分值最低。因此該區域耕地具有總體面積大、地塊連片度和規整度較高，吸引力較高的特點，重點依托其區位和景觀資源良好的先天優勢，大力發展農村一、二、三產業融合，并以特色休閑農業和生態農業為先導產業，對其他類型區的耕地利用起到示范作用，同時應強化自然保護區的建設管理，確保自然生態系統安全穩定。

耕地規模效益提升區面積為12 189.37 hm2，占全區耕地總面積的15.81%，綜合質量一般，為70.94，主要分布于齊家務鄉、官莊鄉和國營中捷農場。該區域的空間特征和社會保障功能質量是所有類型區中較高的，但物質生產功能和自然環境質量在所有區域中分值均偏低。因此，該區的地塊連片度和規整度雖然較高，但其本身的土壤污染較嚴重，土壤自然生態環境較差。應進行耕地污染修復，查找并阻斷污染源，同時調整耕地生產要素投入方式，提升耕地利用的規模效益和競爭優勢，發展精細化農業，充分發揮各方力量保障耕地的健康利用管護。

耕地休耕整治區面積為21 204.37 hm2，占全區耕地總面積的27.50%，綜合質量最低，為66.98，主要分布于常郭鎮、黃驊鎮和羊二莊回族鎮。該區域除物質生產功能質量處于全市一般水平以外，其余指標在所有區域中分值均最低。因此，該區域具有耕地利用低效、布局不規范、綜合質量低的特點，應嚴格控制地下水的開采，實行輪作休耕制度，并將土壤改良工程與綜合整治工程相結合構建健康合理的田間路網系統，實現耕地利用價值的綜合提升。

耕地潛在功能挖掘區面積為17 943.54 hm2，占全區耕地總面積的23.27%，綜合質量較低，為70.04，主要分布于呂橋鎮和滕莊子鄉。該區域空間特征和自然環境處于較高水平，其余指標均偏低，耕地功能特色不明顯，可以結合黃驊市的發展需求，在保持其生態環境良好的基礎上，充分挖掘該區域的內在優勢，提升耕地開發利用程度。

圖5 黃驊市耕地利用分區

圖6 黃驊市各類型區中各維度質量分值

4 討論與結論

4.1 討 論

本研究圍繞耕地三維質量角度對黃驊市耕地質量進行解析與評價，并通過權衡與協同分析和冷熱點分析進一步挖掘各維度質量之間的空間關聯效應，以此為分區依據劃分耕地利用區，但仍存在幾點不足：(1) 受數據等因素影響，本研究只進行了耕地質量靜態研究，缺乏耕地三維質量在不同時間階段的波動和演替趨勢分析，未能識別不同時期的障礙因素及驅動機制；(2) 耕地三維質量評價指標的選取將直接影響分區結果的合理性和科學性，受社會經濟相關資料的限制，本研究未考慮政策實施、文化活動等對耕地質量的影響，后續研究應圍繞重點區域的內部條件差異和外部環境響應等，深入開展耕地質量與人文活動、政策實施等的響應機制和協調耦合關系研究；(3) 本研究提出的分區優化措施側重于各區域耕地利用的宏觀導向性，未對區內每一個村莊及農戶經營組織等制定精確詳細的操作指南，今后應探討更微觀、具體的措施便于實施。

4.2 結 論

(1) 黃驊市各維度耕地質量分值存在空間分異，具有內部差異性。高值區主要分布于黃驊市西部和北部，低值區主要分布于黃驊市西南部，中部地區空間質量和功能質量均較差，但環境質量卻較高。空間質量高的耕地適宜大型農業機械化作業；功能質量高的耕地應在保護其生產優勢的同時，發展二三產業融合，反之應進行輪作休耕和綜合整治；環境質量高的耕地應提升農產品的綠色化、優質化、特色化和品牌化水平，反之應實行就地保護或花卉培育等措施；綜合質量高的耕地應劃入永久基本農田。

(2) 黃驊市各維度耕地質量之間存在強烈的空間關聯效應。自然環境除了與景觀生態功能為不顯著關系外，與其余指標均存在權衡關系，其中與社會環境呈現強權衡關系；其余指標相互之間均呈現協同關系，其中空間特征與規模、物質生產功能呈現強協同關系；環境與空間、功能質量之間權衡與協同關系并存，而空間與功能質量之間只存在協同關系。不同維度質量的冷熱點分布格局可能相似，但冷熱程度和分布范圍卻不完全一致；同一維度質量的冷熱點分布格局也可能存在空間沖突。

(3) 黃驊市各耕地利用區特點各異，應因地制宜進行耕地差別化利用與管護。生產優勢保護區的土壤本底質量較高，應維持現有耕地質量，以增產增收和綠色健康為目標進行管控；休閑農業發展區的地塊規整度、連片性較好，更易吸引人群，應利用其景觀資源優勢發展旅游產業；規模效益提升區的耕地資源緊張，且人口密集，應優化耕地生產要素投入結構，以提高人口承載力；休耕整治區在各方面均處于劣勢，需從多方面改善耕地利用方式；潛在功能挖掘區的功能特色不明顯，可根據黃驊市具體發展需求充分挖掘該區域的內在優勢。