耕地質量監(jiān)測漸變分布范圍確定方法研究*

任 艷，陳蘭康，尹秋月，段正松，尹晉磊

(廣西壯族自治區(qū)國土測繪院，南寧 530023)

·技術方法·

耕地質量監(jiān)測漸變分布范圍確定方法研究*

任 艷，陳蘭康※，尹秋月，段正松，尹晉磊

(廣西壯族自治區(qū)國土測繪院，南寧 530023)

開展耕地質量監(jiān)測，對全面掌握耕地質量動態(tài)變化，實現耕地數量質量并重管理具有重要意義，而如何合理確定耕地質量監(jiān)測漸變分布范圍是當前土地工作者的一個難點。文章以扶綏縣為例，將時序比較法引入耕地質量監(jiān)測漸變分布范圍的確定，通過對一定時間段的耕地質量分等因素變化進行對比分析，找出引起耕地質量等別漸變的主導因素分布范圍作為監(jiān)測漸變分布范圍，并與組合類型法比較，分析兩種方法優(yōu)劣，以期為優(yōu)化監(jiān)測漸變分布范圍確定提供參考。研究結果表明：將時序比較法引入監(jiān)測漸變分布范圍確定，得到了精度較高的監(jiān)測漸變分布范圍。該方法較組合類型法在監(jiān)測漸變分布范圍確定上采用了Kriging插值技術，提高了確定監(jiān)測漸變分布范圍的精度，工作效率較高，具有一定的先進性，但該方法對數據源要求較高，需有一定時段的數據源；組合類型法應用范圍廣，不受數據源限制，但在確定監(jiān)測分布范圍上有一定的模糊性，需進行大量的實地核實工作才能最終確定分布范圍，增加了人為工作量。因此，在實際工作過程中，可綜合兩種方法的優(yōu)缺點，根據實際情況選擇合適的監(jiān)測分布范圍確定方法。

耕地質量 監(jiān)測評價 漸變類型分布 時序比較法 Kriging

0 引言

耕地是人類賴以生存與發(fā)展的基礎，合理利用和保護好耕地資源、提高糧食生產能力，是我國長期面臨的重大課題[1]。目前，我國已完成了全國耕地質量分等和耕地地力調查工作，建立了比較完善的耕地質量基礎數據[2]。由于耕地條件受自然環(huán)境因素和宏觀經濟政策因素影響，耕地等別及產能相對穩(wěn)定或緩慢變化，通過現有耕地質量等別成果，開展耕地質量動態(tài)監(jiān)測，為全面掌握耕地質量動態(tài)變化，實現耕地數量質量并重管理，意義重大[3]。耕地質量監(jiān)測主要包括選取監(jiān)測主導因素類型、合理確定監(jiān)測漸變類型分布范圍及布設監(jiān)測樣點等3方面工作，其中如何合理確定耕地質量監(jiān)測漸變分布范圍，是耕地質量動態(tài)監(jiān)測重要的基礎工作，能從全局的角度指導監(jiān)測點布設[4]。

目前，已有不少學者對監(jiān)測漸變類型分布范圍的確定方法進行了研究，彭磊等利用聚類分析方法和GIS 空間疊加分析功能對化州市耕地質量監(jiān)測進行了分區(qū)劃定[4]； 孫亞彬、吳克寧等提出“自然等別-主導因素”潛力組合模型來確定監(jiān)測范圍區(qū)域[5]； 馬建輝等提出耕地等別限制系數高低來劃分監(jiān)測范圍區(qū)域[6]。但目前耕地質量監(jiān)測范圍的研究大多都是在當前自然社會及經濟水平或分等因素限制水平等基礎上確定的，由于耕地受自然環(huán)境影響的變化趨勢是緩慢進行的，很少有將監(jiān)測范圍劃分放到5年前、10年前甚至20年前，這種長遠的發(fā)展趨勢上來確定耕地質量監(jiān)測漸變分布范圍，保證分布范圍的合理性與科學性。為探討耕地質量監(jiān)測漸變分布范圍的確定方法，找出適合各個區(qū)域較優(yōu)的確定方法，筆者提出將時序比較法引入耕地質量等別監(jiān)測漸變分布范圍的確定，以扶綏縣為例，進行了實證分析，并與“自然等別-主導因素”組合類型法進行比較，以期為優(yōu)化監(jiān)測區(qū)域選擇方法、開展耕地質量等別年度監(jiān)測工作提供技術參考。

1 研究區(qū)概況與數據準備

1.1 研究區(qū)概況

扶綏縣屬廣西壯族自治區(qū)崇左市，全縣總面積2 836km2，下轄8鎮(zhèn)3鄉(xiāng)?？h南寬北窄，略呈葫蘆形，南北兩面地勢較高，腹部是波狀盆地和帶狀沖積小平原，由西向東略有傾斜。地處北回歸線以南，緊鄰熱帶北緣，屬南亞熱帶季風氣候左江谷地干熱氣候區(qū)，生物種植資源豐富，農業(yè)種植結構以糧食和甘蔗為主。全縣農作物播種面積11.388 1萬hm2，其中糧食作物播種面積1.595 6萬hm2，占全縣農作物播種面積的22.32%，甘蔗播種面積7.148 4萬hm2，占全縣農作物播種面積的62.77%，是我國甘蔗的主產區(qū)。

1.2 數據準備

該研究采用的空間基礎數據主要有扶綏縣耕地地力評價成果、耕地質量分等數據庫，其他資料主要包括縣農業(yè)區(qū)劃、地形、水資源分布等資料，用于對縣級耕地分等因素(土壤類型、土壤肥力、理化指標)分析整理，輔助劃分監(jiān)測控制分區(qū)及確定監(jiān)測類型分布范圍。

2 研究方法

2.1 時序比較法

時序比較法是通過比較具備一定時間跨度的耕地質量主導因素變化情況，采取定量分析的方法將耕地質量主導因素存在緩慢變化的區(qū)域提取出來作為監(jiān)測區(qū)域范圍的一種耕地質量等別監(jiān)測漸變分布范圍的劃分方法。Kriging插值是一種基于空間位置以已知樣點預測未知樣點的無偏最優(yōu)估計方法，其前提假設為樣點具有二階平穩(wěn)性，該方法在土壤肥力評價方面應用較多，評價結果較精確[7-9]。耕地質量分等主導因素中，如土壤有機質含量、土壤酸堿度等在空間上具有二階平穩(wěn)性[10-12]，因此，可應用Kriging插值法對影響土壤肥力的主導因素進行插值分析，確定不同時間在相同空間上的主導因素分布范圍，再通過時序比較確定這一時序主導因素類型漸變分布范圍區(qū)。目前耕地質量等別評價成果是通過對農用地分等成果補充完善形成與最新土地利用現狀數據一致的等別成果，但其分等主導因素和評價依據均為20世紀90年代形成的土壤調查數據； 農業(yè)部門于2008年開展了耕地地力評價，并得到最新的耕地地力評價成果數據庫，該成果基期年為2008年，包含耕地質量分等常規(guī)的土壤肥力因素值。因此，基于耕地質量分等成果和地力評價成果采用Kriging插值法生成的區(qū)域分布圖，具備空間時序比較的基礎，通過對2套成果的對比分析，找出主導因素發(fā)生變化的區(qū)域作為耕地質量監(jiān)測漸變分布范圍。

2.2 組合類型法

“自然等別-主導因素”組合類型法是將影響耕地質量的主要指標因素與自然質量等別進行組合，自然質量等別越高表明指標因素對耕地質量的限制程度越低[5]，通過分析不同組合類型中的耕地質量主導因素對耕地質量變化趨勢的限制程度，從而確定耕地質量等別漸變分布范圍的一種定量結合定性的方法。其思路為將影響耕地質量的指標因素實際分值與耕地質量等別成果中相同指標的滿分值進行比較，同時考慮自然等別測算中該因素的權重，確定該指標因素對自然等別的限制程度，然后計算各因素的限制程度對自然等別總限制程度的影響大小，將計算得到的各項因素指標的影響程度大小從高到低進行排列組合，最后統(tǒng)計出“自然等別-主導因素”組合類型，根據組合類型劃分監(jiān)測漸變分布范圍。

3 實證研究

研究首先通過相關資料收集分析來選取該區(qū)域的主導因素指標； 然后根據該區(qū)域自然狀況、耕地利用水平和效益水平來確定監(jiān)測控制區(qū)，在監(jiān)測控制區(qū)基礎上，分別采用時序比較法和組合類型法勾繪耕地質量監(jiān)測漸變分布范圍； 最終，將兩種方法結果進行專家咨詢和實地調查核實，對比分析兩種方法的優(yōu)劣，找出適合于區(qū)域的耕地質量漸變分布范圍確定方法。

3.1 主導因素選取

主導因素是在一定分布范圍內，決定耕地質量等別漸變趨勢或漸變程度，起主要作用的耕地質量分等因素，該次通過定量和定性相結合的方法確定。扶綏縣耕地質量分等因素主要有表層土壤質地、土壤有機質含量、土壤酸堿度、地下水埋深、灌溉保證率和排水條件[13]，結合農業(yè)氣象、土地利用規(guī)劃、水資源空間分布和農業(yè)調查等資料，以及進行實地調查分析，扶綏縣耕地質量存在漸變趨勢的主導因素為土壤有機質含量和土壤酸堿度。本次監(jiān)測研究土壤有機質含量和土壤酸堿度兩種主導因素變化引起的耕地質量漸變區(qū)域。其中，由于土壤有機質含量緩慢提高的稱為肥力提升型，土壤有機質含量緩慢降低的稱為肥力衰退型，土壤酸化度緩慢酸化的稱為酸化型。

3.2 確定監(jiān)測控制區(qū)

監(jiān)測控制區(qū)是在給定的時空尺度下，自然和社會屬性具有一致性的均質區(qū)域，監(jiān)測控制區(qū)內氣候、地形地貌、耕地利用水平、投入產出水平和耕地利用方式應具有相對一致性，不同監(jiān)測控制區(qū)之間的上述綜合屬性應具有明顯區(qū)別[11]。

在縣域范圍內，影響耕地質量并具有區(qū)域變化的自然條件主要是地形因素和土壤因素，按照縣域地形地貌和土壤類型進行自然質量分區(qū)劃定(圖1)，采用耕地質量分等成果中的土地利用系數和土地經濟系數等值區(qū)分別劃定利用水平控制區(qū)和收益水平控制區(qū)，然后將3個控制區(qū)進行疊加，并將空間上相對孤立、零散的分區(qū)域臨近分區(qū)進行合并后，扶綏縣最終劃定23個監(jiān)測控制區(qū)(圖2)，監(jiān)測控制區(qū)編號從JCQ01到JCQ23)。確定監(jiān)測控制區(qū)是為了使劃定的漸變類型分區(qū)在驅動因子上具備自然和社會經濟條件的一致性，因此在劃分監(jiān)測漸變類型分布范圍時將以監(jiān)測控制區(qū)為基礎，同一主導因素漸變分布范圍盡量不突破監(jiān)測控制區(qū)，以保證監(jiān)測區(qū)域范圍內自然社會經濟條件一致。

圖1 自然因素分區(qū)分布 圖2 監(jiān)測控制區(qū)分布

3.3 監(jiān)測漸變類型分布范圍確定

3.3.1 時序比較法

研究收集到了扶綏縣2008年完成的耕地地力評價成果和2004年完成的耕地質量分等成果，為實現主導因素在這一時段的變化分析來提取漸變類型分布范圍，分別對2套成果中土壤有機質含量和pH值因素，運用ArcGIS空間分析功能和普通Kriging插值法，生成有機質含量分布圖和pH值分布圖，對比這一時段的數據變化情況，提取變化區(qū)域作為監(jiān)測漸變分布范圍。由于監(jiān)測控制區(qū)是根據氣候、地形地貌、利用水平及投入產出水平的不同劃分而來，因此，在提取變化區(qū)域時以監(jiān)測控制區(qū)為控制，漸變類型分布范圍盡量不破監(jiān)測控制區(qū)邊界，保證漸變分布范圍的準確性。基于Kriging插值的時序比較法結果如下：

(1)土壤有機質含量漸變類型分布范圍勾繪

采用Kriging插值后，下圖顏色由淺到深有機質含量逐漸提高(圖a、b)，相比分等成果，地力評價成果顯示該區(qū)域土壤有機質含量近年來在整體上有所降低，尤其是北、中南、東部較為明顯，而肥力有所提升區(qū)域主要分布在南部和東北部。通過ArcGIS的疊加分析功能，找出這一時間段肥力逐步提高和逐步降低的區(qū)域(圖c)，作為初步劃定的有機質含量漸變分布范圍。

圖3 分等有機質含量分布(a)、地力有機質含量分布圖(b)和有機質含量漸變分布范圍(c)

(2)土壤pH值漸變類型區(qū)勾繪

采用Kriging插值后(圖d、e)，下圖顏色由淺到深土壤pH值逐漸提高(由酸性趨于中性)，可見近年來該區(qū)域土壤酸堿度整體上有所降低，存在酸化現象的區(qū)域主要集中在中部區(qū)域。通過ArcGIS的疊加分析功能，結合劃定的監(jiān)測控制區(qū)，提取土壤酸堿度逐漸酸化的區(qū)域作為土壤酸化型漸變分布范圍(圖f)。

圖4 分等pH值分布(d)、地力pH值分布(e)和pH值漸變類型分布范圍(f)

3.3.2 組合類型法

“自然等別-主導因素”組合類型法的核心是自然等別的提等潛力指數[5]，根據每個地塊計算其主導因素對自然等別的限制程度，選出對自然等別限制程度最大的因素作為其漸變主導因素[5]，將自然質量等別與主導因素進行組合，選取相同組合類型集中連片的區(qū)域勾繪出來作為漸變類型分布范圍，以保證監(jiān)測范圍的全面性和準確性。具體計算過程如下。

(1)計算因素指標限制程度

Dik=100-Pik

(1)

Gik=Dik·Wk

(2)

其中，Dik為第i個分等單元內第k個分等因素指標限制分值； Pik為耕地質量等級補充完善成果中第i分等單元內第k個分等因素指標實際分值； Gik為第i個分等單元內第k個因素指標限制程度； Wk為第k個分等因素的權重，由分等參數確定。

(2)計算因素指標影響大小

Yik=Gik/∑Gik

(3)

其中，Yik為第i個分等單元內第k個分等因素指標影響大?。?Gik含義同上； ∑Gik為各因素指標限制程度之和。

(3)統(tǒng)計“自然等別-主導因素”組合類型

根據各因素對自然等別的影響大小，統(tǒng)計扶綏縣耕地“自然等別-主導因素”的組合類型，最終對各組合類型集中連片的區(qū)域勾繪出來，作為監(jiān)測漸變類型分布范圍區(qū)，見圖5h。

4 對比分析

將兩種方法得到的耕地質量等別監(jiān)測漸變分布范圍反饋到國土資源局、農業(yè)局和水利局等相關部門，由各部門熟悉本縣實際情況的專家或技術人員針對監(jiān)測類型及范圍的合理性、準確性提出建議，并根據意見通過實地調查后確定最終監(jiān)測漸變分布范圍。在監(jiān)測控制區(qū)的基礎上，最終確定27個耕地質量監(jiān)測漸變分布范圍。下圖為兩種方法得到的監(jiān)測漸變類型分布(圖g、h)及專家咨詢實地調查確定的漸變類型分布結果(圖i)，其中，肥力提升型共8個(FLTS01-FLTS08)、肥力衰退型共9個(FLST01-FLST09)和酸化型共10個(TRSH01-TRSH10)。

圖5 時序比較法(g)、組合類型法(h)和經專家咨詢后(i)漸變類型分布范圍

從圖5可看出，通過時序比較法所確定的分布范圍相對集中連片且覆蓋范圍較少，而組合類型法比較分散零碎但覆蓋范圍較大，時序比較法經與最終確定的分布范圍相似度高。主要原因是由于組合類型法缺少直接變化數據的對比，分布范圍根據主導因素的限制程度進行劃分，具有一定的預測性質，即限制程度高不能等同于實際發(fā)生了變化，輸出的覆蓋范圍較大，如根據分等數據、渠舊鎮(zhèn)、山圩鎮(zhèn)主要為肥力提升型和酸化型，而經專家咨詢和實地調查后這些區(qū)域無該類型； 其次，組合類型法主要考慮主導因素中限制性較強及最有可能發(fā)生漸變的區(qū)域，但實際中限制性較弱的區(qū)域也會存在主導因素漸變的情況，通過組合類型法則很難確定。如圖d中岜盆鄉(xiāng)周邊地區(qū)，土壤pH值大多為弱酸性，通過組合類型法計算限制性居于中位數附近，但是通過時序比較法發(fā)現，部分區(qū)域存在酸化現象，屬于酸化型。時序比較法有一定時段數據變化的比較，在確定漸變分布范圍時精度相對較高，而組合類型法是基于數據分析基礎上的預測性分析，覆蓋范圍較大，增加實地核查的工作量。因此，當有多時段數據時，建議優(yōu)先選用時序比較法。

5 結論與討論

該研究結合GIS空間分析技術、Kriging插值法及數據挖掘等理論方法，提出了基于Kriging插值的時序比較法確定監(jiān)測漸變類型分布范圍，并以扶綏縣為例，分別采用時序比較法和組合類型法對耕地質量監(jiān)測類型分布范圍的確定進行了實證研究，并對兩種方法結果進行了比較分析。

時序比較法是通過對比具備一定時間跨度的空間數據成果，直接找出耕地質量主導因素發(fā)生變化的區(qū)域，準確性和效率極高。但是不同年代的數據成果比例尺不一致，空間框架不同、數據格式不同不具備可比性，該研究使用Kriging插值將不同時序、不同比例尺的數據統(tǒng)一到相同空間數據基礎上，使其具備了空間分析和對比的可行性。因此，時序比較法適合有多時段數據時確定耕地質量監(jiān)測漸變分布范圍，其缺點是Kriging插值法是一種基于空間位置以已知樣點預測未知樣點的無偏最優(yōu)估計方法，前提假設為樣點具有二階平穩(wěn)性，對于在空間上不具有二階平穩(wěn)性的主導因素不宜使用kriging插值，需找尋其他方法進行數據分析和處理。

組合類型法是以耕地等別受耕地質量分等因素的限制程度為基礎，根據其限制的強弱，將限制性較大并具有相同主導因素的集中連片區(qū)域為監(jiān)測漸變分布范圍。該方法適用于基礎資料不全的區(qū)域開展相關基礎工作，降低了對基礎資料和其他部門相關研究成果的依賴型，其局限性在于由于沒有外部數據的對比，精度不高，需要開展大量的外業(yè)和實地調查工作，增加了工作量和成本。

在實際工作過程中，可結合兩種方法的優(yōu)缺點，選擇適合區(qū)域實際情況的監(jiān)測漸變類型分布范圍確定方法，精確和高效確定監(jiān)測分布范圍，為開展耕地質量等別年度監(jiān)測工作，科學合理確定監(jiān)測分布范圍提供思路及技術參考。

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[13]GB/T 28407-2012，農用地質量分等規(guī)程

GRADIENT DISTRIBUTION OF CULTIVATED LAND QUALITY MONITORING*

Ren Yan, Chen Lankang※, Yin Qiuyue， Duan Zhengsong, Yin Jinlei

(Guangxi Bureau of Surveying and Mapping，Nanning 530023， China)

Cultivated land quality monitoring is of great significance to fully grasp the dynamic changes of cultivated land quality and realize the quantity and quality management of cultivated land. How to reasonably determine the quality monitoring gradient distribution of cultivated land has become a problem. Taking Fusui county as an example, the paper introduced sequence comparison method to determine the cultivated land quality monitoring gradient distribution. The method compared and analyzed the factor change of cultivated land quality classification in a certain period, and found the distribution of the dominant factor of the cultivated land quality. The results showed: the method to determine the monitoring gradient distribution range promoted the precision of the distribution range. Compared to the combination type method, the method which used the Kriging interpolation technology improved the monitoring accuracy of gradient distribution range and work efficiency. However, the method needed higher data source. The combination type method could be used more widely and had less restriction of data source, which needed a large number of field verification to determine the distribution range. Therefore, the two methods can be integrated to determine the scope of monitoring the distribution according to the actual situation.

cultivated land quality; monitoring evaluation; gradient distribution; sequence comparison method; Kriging

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170107

2016-08-31 作者簡介：任艷(1988—)，女，四川廣元人，碩士。研究方向：土地評價與地理信息技術。※通訊作者：陳蘭康(1979—)，女，廣西玉林人，高級工程師。研究方向：耕地質量調查評價與地理信息技術。Email： 370119606@qq.com *資助項目：廣西壯族自治區(qū)國土資源廳“廣西耕地質量等級成果補充完善項目”(GXKIJ20133073-E)

F301.2

A

1005-9121[2017]01038-07