基于GIS的縣域耕地自然質(zhì)量等空間分異規(guī)律研究*
——以云南省石林縣為例

劉淑霞，張 川，張耿杰，廖麗君，曾維軍，余建新

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，昆明 650201； 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源科學(xué)技術(shù)工程研究中心，昆明 650201；3.國土資源部“土地利用——云南陸良野外基地”，云南昆明 650201； 4.云南省土地資源利用與保護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室，昆明 650201)

·農(nóng)業(yè)區(qū)劃·

基于GIS的縣域耕地自然質(zhì)量等空間分異規(guī)律研究*
——以云南省石林縣為例

劉淑霞1， 2， 3,4，張 川2，4，張耿杰1，2,3，廖麗君1，2,3，曾維軍1，2,4，余建新1，3，4※

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，昆明 650201； 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源科學(xué)技術(shù)工程研究中心，昆明 650201；3.國土資源部“土地利用——云南陸良野外基地”，云南昆明 650201； 4.云南省土地資源利用與保護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室，昆明 650201)

目的通過研究耕地自然質(zhì)量及空間分異規(guī)律，以期對(duì)耕地資源的合理利用與保護(hù)進(jìn)行指導(dǎo)。方法文章以喀斯特巖溶區(qū)域典型縣石林縣為例，在分等數(shù)據(jù)庫與二調(diào)數(shù)據(jù)庫銜接基礎(chǔ)上，采用GIS空間分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，對(duì)表征耕地自然質(zhì)量的因子自然質(zhì)量等的空間分異規(guī)律進(jìn)行探討。結(jié)果(1)不同行政區(qū)域內(nèi)自然質(zhì)量等集中程度差異顯著，分異規(guī)律明顯； 各行政區(qū)域內(nèi)分布規(guī)律高度相似，以中心城鎮(zhèn)為最優(yōu)，呈同心圓向外圍輻射發(fā)散趨劣。平均自然質(zhì)量等由優(yōu)趨劣依次為長湖、鹿阜、圭山、西街口、大可。(2)不同耕地利用類型自然質(zhì)量等分布差異不大； 各耕地利用類型等別集中差異顯著：水田、水澆地等別較高，多集中連片分布在壩區(qū)、河谷沿岸，旱地等別較低，多為零星分散的緩坡耕地。平均自然質(zhì)量等水澆地略優(yōu)于水田，旱地最差。(3)受大尺度光溫、氣候生產(chǎn)潛力指數(shù)影響，自然質(zhì)量等在不同海拔梯度間耕地等別分布差異不大，且等別集中程度高度相似。從整體看，耕地等別隨海拔梯度升高呈現(xiàn)降低趨勢，部分區(qū)域小幅反彈。結(jié)論耕地自然質(zhì)量作為耕地的本底質(zhì)量，在縣域尺度具有獨(dú)特的分異規(guī)律。

自然質(zhì)量等 空間分異 空間行政區(qū)域 耕地利用類型 海拔梯度

0 引言

農(nóng)用地分等是在全國范圍內(nèi)，按照標(biāo)準(zhǔn)耕作制度，在一定的光溫、氣候資源條件和土地條件下，根據(jù)規(guī)定的方法程序進(jìn)行農(nóng)用地(重點(diǎn)是耕地)質(zhì)量綜合評(píng)定和等別劃分[1]。成果反映了耕地的自然質(zhì)量、利用水平和經(jīng)濟(jì)水平。自然質(zhì)量等是其中的重要評(píng)價(jià)結(jié)果之一，描述的是在當(dāng)?shù)毓鉁亍夂蚩刂葡碌母靥镩g條件，包括土壤、地形、排水和灌溉等構(gòu)成的耕地質(zhì)量狀況，即耕地滿足作物生長需要的程度[2]。

1 研究區(qū)域概況

石林縣地處滇東高原南部，昆明市東南部，地理坐標(biāo)東經(jīng)103°10′～103°41′，北緯24°30′～25°03′之間，屬滇中高原腹心地帶。其東北部與曲靖市的陸良縣接壤，西部和北部與宜良縣相連，東部和南部與紅河州的瀘西、彌勒兩縣毗鄰，為云南省糧食主產(chǎn)區(qū)。石林縣為典型的喀斯特巖溶地貌，境內(nèi)地勢東北高西南低，山地、丘陵、壩區(qū)、河谷交錯(cuò)分布，山地69%，丘陵15.2%，壩區(qū)14.7%，河谷1.1%。從整體地貌而言，東部為山丘，中部為山丘-壩子過渡帶，西北為河流水系沖積形成的壩子。石林縣屬低緯高原山地季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.3℃，年平均降雨量939.5mm。境內(nèi)紅壤發(fā)育廣泛。

截止2013年底，石林縣下轄1街道3鎮(zhèn)1鄉(xiāng)，分布有漢、彝、白等26個(gè)民族，人口合計(jì)24.16萬。全縣幅員面積1680km2，耕地面積5.812 773萬hm2，占縣域土地總面積的34.6%。各類耕地中，水田7767.56hm2，水澆地583.92hm2，旱地4.977 625萬hm2，是典型以坡旱地為主要耕地類型的山區(qū)縣[9]。

2 材料與研究方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

為保證分等成果的現(xiàn)勢性，該文綜合采用GIS空間分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以ArcGIS10為構(gòu)建平臺(tái)，將分等數(shù)據(jù)庫與第二次土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)庫進(jìn)行銜接：(1)實(shí)現(xiàn)耕地地類轉(zhuǎn)換； (2)對(duì)因比例尺改變導(dǎo)致數(shù)量增加的圖斑進(jìn)行相關(guān)屬性賦值； (3)對(duì)因工程項(xiàng)目實(shí)施引發(fā)耕地質(zhì)量發(fā)生突變的圖斑進(jìn)行自然質(zhì)量等重新評(píng)定。為體現(xiàn)等別間的梯度性，該文以縣級(jí)自然質(zhì)量等別開展研究。[10， 11]

2.2 自然質(zhì)量等計(jì)算方法

石林縣自然質(zhì)量等采用綜合指數(shù)法計(jì)算，即在標(biāo)準(zhǔn)耕作制度控制下，從指定作物光溫、氣候潛力出發(fā)，經(jīng)產(chǎn)量比系數(shù)折算成可比的標(biāo)準(zhǔn)糧[12]。在參評(píng)因素指標(biāo)、分值獲取及權(quán)重確定的基礎(chǔ)上，計(jì)算各耕地圖斑的自然質(zhì)量分，利用自然質(zhì)量等指數(shù)計(jì)算模型計(jì)算各耕地圖斑的自然質(zhì)量等指數(shù)，在此基礎(chǔ)上劃分和確定耕地自然質(zhì)量等。石林縣耕地自然質(zhì)量等別劃分采用等間距法，根據(jù)各耕地圖斑的自然質(zhì)量等指數(shù)值，以200分為一個(gè)等別間距進(jìn)行劃分，自然質(zhì)量等別結(jié)果取整數(shù)值。

2.3 平均自然質(zhì)量等計(jì)算方法

分析不同尺度下平均自然質(zhì)量等，其計(jì)算采用面積加權(quán)平均法[13]，即在統(tǒng)計(jì)出各等別總面積前提下，進(jìn)行研究區(qū)域內(nèi)各等別面積加權(quán)：

(1)

式中，Yi為研究第i個(gè)研究子區(qū)域平均自然質(zhì)量等；j為耕地自然質(zhì)量等；Sj為j等耕地面積；Si為第i個(gè)研究子區(qū)域耕地總面積。

3 自然質(zhì)量等分異規(guī)律研究

3.1 成果整理與分析

石林縣耕地自然質(zhì)量等介于5～17等之間，耕地自然質(zhì)量隨等別增大趨好，各地類及等別面積詳見表1。結(jié)合圖1可以看出，石林縣耕地自然質(zhì)量等呈現(xiàn)典型的偏態(tài)分布，耕地自然質(zhì)量普遍較低，大部分耕地處于10等以下，其中， 78.28%的耕地集中在7～10等。11等及以上的高等別耕地僅占區(qū)域耕地總面積的20.57%。

表1 石林縣耕地自然質(zhì)量等面積統(tǒng)計(jì)

自然質(zhì)量等5等6等7等8等9等10等11等12等13等14等15等16等17等小計(jì)面積(hm2)530841367530538821627441708168373755199954395592321343754974458795851365812773

圖1 耕地自然質(zhì)量等-面積對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖2 石林縣耕地自然質(zhì)量等分布

從自然質(zhì)量等分布圖上看， 5等、6等、7等地零散分布在東部、西南部的山區(qū)、半山區(qū)，多為零星分散的坡旱地，田面坡度均在10°以上， 15°以上的陡坡旱地比重高達(dá)71%，且地表多有巖石出露； 有效土層薄，表層土質(zhì)多為輕質(zhì)沙土，部分為砂礫石，土壤有機(jī)質(zhì)含量低； 灌排設(shè)施基本沒有配套，靠天吃飯。受地形、土壤、水分等條件限制，耕作制度多為一年一熟，糧食產(chǎn)量低。

8等、9等、10等地為縣域分布最廣泛的耕地，多集中連片，其中， 6°～15°的緩坡旱地所占比例為65.83%，部分地表有巖石出露； 有效土層較薄，表層土質(zhì)多為粘土、壤土，有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低； 部分配套有灌排設(shè)施，但因水源保證率低，不能進(jìn)行適時(shí)適量灌溉。種植制度雖為一年兩熟，但糧食產(chǎn)量極不穩(wěn)定。

11～15等地集中在縣域的西部、中部山區(qū)與平壩區(qū)的過渡帶上，多為6°以下的梯地，有少量水田、水澆地存在。該類耕地有效土層較厚，表層土質(zhì)以粘土、壤土為主，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高； 灌排設(shè)施配套相對(duì)完善。耕作制度為一年兩熟，糧食產(chǎn)量相對(duì)較高。

16等、17等地集中在西部及北部河流沖積形成的壩子區(qū)域，呈條帶狀分布，石林縣優(yōu)質(zhì)水田、水澆地均集中在該區(qū)域。耕地田面坡度均在2°以下，地表基本無巖石出露； 耕層土壤厚，有機(jī)質(zhì)含量高，土壤通透性強(qiáng)； 水源保證率高，灌排設(shè)施配套完善。該類耕地利用上基本無限制性因素，為石林縣境內(nèi)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田[14]。

3.2 空間行政區(qū)域分異規(guī)律研究

石林縣下轄鹿阜、長湖、圭山、大可及西街口5個(gè)行政區(qū)劃，耕地自然質(zhì)量在行政區(qū)域分異規(guī)律復(fù)雜。

從耕地等別分布來看， 11等以上的耕地集中分布在鹿阜、大可，所占比例高達(dá)89.2%； 6等以下的耕地集中分布在圭山，比例高達(dá)98%，行政區(qū)間耕地等別集中程度不同。從各行政區(qū)內(nèi)部來看， 5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，圭山最高等為17等，最低等為5等，等間差距高達(dá)12等； 長湖最高等為14等，最低等為8等，等間差距僅為6等，同一行政區(qū)域內(nèi)耕地等別集中程度差異顯著。耕地等別在行政區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)相似的分布規(guī)律，自然質(zhì)量等高的耕地集中分布在建制鎮(zhèn)、村莊周邊，河流沿岸及主要公路沿線，多集中連片分布，自然質(zhì)量等低的耕地多零星分散，田塊面積小，遠(yuǎn)離建制鎮(zhèn)及村莊，耕地自然質(zhì)量以中心城鎮(zhèn)為最優(yōu)，呈同心圓向外圍輻射發(fā)散趨劣。

各行政區(qū)平均自然質(zhì)量等由優(yōu)趨劣為：長湖11.8，鹿阜10.6，圭山10.3，西街口9.4，大可8.6。分析其原因，長湖境內(nèi)耕地?cái)?shù)量較少，僅比西街口鎮(zhèn)、大可鄉(xiāng)略高，且最低等為8等，最高等為14等，等別分布集中，平均加權(quán)后等別最高。鹿阜雖然有大量17等地存在，但7等、8等地所占比重大，導(dǎo)致平均自然質(zhì)量等低于長湖。大可13等、14等、15等地缺失，且7等、8等地所占比重大，導(dǎo)致平均等別全縣最低。

3.3 耕地利用類型分異規(guī)律研究

石林縣耕地以旱地為主，水田、水澆地相對(duì)較少。從土地利用現(xiàn)狀圖上看，水田集中分布在西部的鹿阜、板橋、路美邑壩子，以及北部河流兩岸[15]，水澆地主要分布在中部平壩-山地過渡帶及西部山地、丘陵區(qū)，旱地則集中于中、低山丘陵區(qū)。耕地利用類型呈明顯地帶性分布。

從不同利用類型耕地等別分布來看，水田介于5～17等(14空缺)，等別差距為12等； 水澆地介于7～17等(10、11、15空缺)，等別差距為10等； 旱地介于5～17等，等別差距為12等，不同利用類型的耕地等別差距僅為2等。但從各利用類型內(nèi)部來看，等別集中程度差異較大：水田等別集中在8等， 16等， 17等，所占比例分別為27.65%， 25.69%， 36.58%； 水澆地等別集中在8等， 14等， 17等，所占比例分別為14.52%， 22.27%， 29.44%； 旱地等別集中在8等， 9等，所占比例分別為38.96%， 22.27%， 33.64%。

各類型耕地平均自然質(zhì)量等：水田13.5，水澆地13.8，旱地9.5，為水澆地最好，水田次之，旱地最差。分析其原因，與水田相比，水澆地在全縣范圍內(nèi)數(shù)量少，且集中分布在鹿阜、西街口，受區(qū)位條件及城鎮(zhèn)發(fā)展定位等綜合因素影響，配套的灌排設(shè)施完善，水源保證率高，且農(nóng)民精耕細(xì)作，墾殖及熟化程度高，導(dǎo)致水澆地質(zhì)量略高于水田。旱地多為坡梯地，蓄水保肥能力差，加之灌排設(shè)施缺乏，主要依靠天然降雨，水分滲漏嚴(yán)重，得不到有效灌溉，因此平均等別最低。

3.4 海拔梯度分異規(guī)律研究

地形因素往往通過影響農(nóng)作物生長所需光、溫、土等自然因素的再分配以及耕地的利用條件，間接影響耕地的生產(chǎn)能力。通過提取土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)庫中的高程，石林縣耕地海拔介于1500～2180m之間，按照每升高100m溫度降低0.6℃，以100m為梯度進(jìn)行劃分，其中， 1500～1600m之間僅有兩個(gè)分等單元，面積小計(jì)為17.66hm2，將其合并為1600～1700m梯度間，共劃分為6個(gè)梯度。由表2可知，石林縣耕地海拔集中在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ梯度，耕地合計(jì)為71.7%， Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ梯度耕地?cái)?shù)量分布較少。

表2 耕地海拔梯度分級(jí)及面積統(tǒng)計(jì)

梯度代碼ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ海拔范圍(m)≤17001700～18001800～19001900～20002000～2100>2100耕地面積(hm2)696180133477810662371766761588274360543

結(jié)合圖4從不同海拔梯度耕地等別分布來看， Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ梯度介于5～17等，等別差距為12等， Ⅲ、Ⅳ梯度介于7～17等，等別差距為10等。不同海拔梯度內(nèi)的耕地等別差距不大，僅為2等。從各海拔梯度等別集中程度看，各梯度等別基本一致，呈現(xiàn)先增后降的趨勢，整體集中在8～10等，所占比例均在58.84%以上，最高為83.74%，但在15等之后存在小幅反彈。因計(jì)算自然質(zhì)量等指數(shù)全縣每種指定作物采用一個(gè)光溫、氣候生產(chǎn)潛力指數(shù)，由光溫、氣候條件差異導(dǎo)致耕地自然質(zhì)量的差異相對(duì)較小。

各梯度耕地平均自然質(zhì)量等： Ⅰ級(jí)梯度11.3， Ⅱ級(jí)梯度9.7， Ⅲ級(jí)梯度9.6， Ⅳ級(jí)梯度10.7， Ⅴ級(jí)梯度10.2， Ⅵ級(jí)梯度9.3，整體為Ⅰ級(jí)梯度優(yōu)于Ⅳ級(jí)梯度，優(yōu)于Ⅴ級(jí)梯度，優(yōu)于Ⅱ級(jí)梯度，優(yōu)于Ⅲ級(jí)梯度，優(yōu)于Ⅵ級(jí)梯度，平均自然質(zhì)量隨海拔梯度增大而趨劣，但在Ⅳ、Ⅴ梯度有一定反彈。分析其原因，兩區(qū)域位于縣域北部及東部，南盤江部分、支流普拉河均位于該區(qū)，河流沿岸土壤肥沃，光熱條件充足，耕地自然質(zhì)量較優(yōu)，圭山水庫、三角水庫為內(nèi)嵌壩子提供良好的灌溉水源，因此平均自然質(zhì)量等較高。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)石林縣耕地自然質(zhì)量等普遍偏低，且呈典型偏態(tài)分布。其中， 10等以上的中、高等別耕地空間集聚性較強(qiáng)，多分布在河流沖擊形成的壩區(qū)及山區(qū)與壩區(qū)的過渡帶，以水田居多。10等以下的低等耕地空間集聚性弱，多為坡旱地，耕地利用的障礙因子類型多樣，集中表現(xiàn)為有效土層薄、地表巖石出露度大及灌溉設(shè)施缺乏[16]。

(2)從行政區(qū)域、耕地利用類型、海拔梯度3個(gè)尺度分析石林縣耕地自然質(zhì)量分異規(guī)律，研究結(jié)果表明：不同行政區(qū)域自然質(zhì)量等別集中程度不同，同一行政區(qū)域內(nèi)等別間距差高達(dá)6等，集中程度差異顯著。耕地自然質(zhì)量等在各行政區(qū)域內(nèi)分布規(guī)律高度相似，以中心城鎮(zhèn)為最優(yōu)，呈同心圓向外圍輻射發(fā)散趨劣； 不同耕地利用類型自然質(zhì)量等分布差異不大，各耕地利用類型內(nèi)部等別集中差異顯著，水田、水澆地等別較高，多集中連片分布在壩區(qū)、河谷沿岸，旱地等別較低，多為零星分散的坡耕地。受區(qū)位條件及城鎮(zhèn)發(fā)展定位等綜合因素影響，導(dǎo)致水澆地等自然質(zhì)量等略優(yōu)于水田，區(qū)域特殊的自然條件導(dǎo)致旱地自然質(zhì)量最差，其可挖掘利用潛力大； 不同海拔梯度間耕地自然質(zhì)量等別分布差異不大，且等別集中程度高度相似。從整體看，耕地自然質(zhì)量等隨海拔梯度升高顯現(xiàn)降低趨勢，部分區(qū)域小幅回升，受大尺度光溫、氣候生產(chǎn)潛力指數(shù)影響，由光溫、氣候條件差異導(dǎo)致耕地自然質(zhì)量的差異相對(duì)較小，分異規(guī)律不顯著。

4.2 討論

(1)該文以ArcGIS為平臺(tái)，基于分等數(shù)據(jù)庫與二調(diào)數(shù)據(jù)庫銜接完成，同時(shí)，為體現(xiàn)縣域耕地質(zhì)量的梯度性、差異性，區(qū)別于目前研究廣泛采用的國家等別，選取縣級(jí)自然質(zhì)量等別為依據(jù)進(jìn)行分析，為縣域尺度開展耕地質(zhì)量空間分布規(guī)律研究提供理論依據(jù)與方法支持。

(2)耕地自然質(zhì)量作為耕地的本底質(zhì)量，是開展耕地動(dòng)態(tài)監(jiān)測與更新[17]、耕地質(zhì)量限制性因素消除[18]、分區(qū)開展土地整治的基礎(chǔ)，將成為今后研究耕地質(zhì)量的熱點(diǎn)問題，后期將以此為基礎(chǔ)針對(duì)上述問題進(jìn)行深入探討。

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RESEARCHONTHESPATIALVARIATIONLAWOFCULTIVATEDLANDNATURALQUALITYGRADEINCOUNTYUSINGGISTECHNOLOGY*

LiuShuxia1， 2， 3,4,ZhangChuan1，2,4，ZhangGengjie1，2,3，LiaoLijun1，2,3，ZengWeijun1，2,4，YuJianxin1，3，4※

(1.College of Water Conservancy,Yunnan Agricultural University ,Kunming 650201，China； 2.Engineering Research Center of Science and Technology of Land and Resources, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201,China; 3.Field Scientific Observation & Research Bases for Land Use in Yunnan Luliang of Ministry of Land and Resources, Kunming, Yunnan 650201, China; 4.Yunnan Engineering Laboratory for Utilization and Protection ofLand Resources, Kunming 650201, China)

The research on natural quality and distribution characteristics of cultivated land could help people use and protect that resource reasonably. This paper took Shilin county as an example, where located in a typical karst region, discussed the distribution characteristics of natural quality grade by applying GIS spatial analysis and statistical tools based on the combination of classification database and second survey database. The results showed that the concentration ratios of natural quality grade were different in disparate administration regions, and the distribution characteristics were obviously distinct. It was better in the central town and worse in the outer circle as radiation divergence. The order of average natural quality grade from better to worse was Changhu, Luhu, Guishan, Xi-jiekou and Dake. Natural quality grade of paddy and irrigation land distributed in intermountain basin and valley area was high, which was lower in slope area. The grade of irrigation land was the best, but that of dry land was totally opposite. The distribution differences of natural quality grade in distinct elevations were not obvious due to the same temperature and climatic potential productivity in large scale. Overall, the natural quality grade became lower along with the rise of elevation, but there were still some exception in some small regions. It concluded that as the background quality of cultivated land, the natural quality of cultivated land had a unique differentiation law at county scale.

natural quality grade; spatial variation; spatial administrative region; cultivated land utilization type; elevation gradient

F323.211; F321.1

A

1005-9121[2017]07115-06

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170718

2016-05-23

劉淑霞(1983—)，女，山東濱州人，碩士、講師。研究方向：土地利用評(píng)價(jià)。

※通訊作者：余建新(1958—)，男，云南普洱人，教授。研究方向：土地整治與評(píng)價(jià)。Email：ynndgtzx@163.com

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十二五國家科技支撐計(jì)劃課題“西南睦邊扶貧區(qū)基本農(nóng)田建設(shè)技術(shù)研究與示范”(2015BAD06B04)