陜西省耕地質量時空變化特征及其分異規(guī)律

衛(wèi)新東，王篩妮，員學鋒，王曉峰，張蚌蚌

0 引 言

耕地是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎，是農業(yè)生產最基本的不可替代的生產資料，確保足夠數(shù)量和相當質量的耕地，不僅是經濟發(fā)展和社會進步的需要，而且是社會安定和國家安全的重要保障[1-2]。改革開放近四十年來中國城市化和工業(yè)化快速發(fā)展，造成大量優(yōu)質耕地轉為非農建設用地[3]；同時土壤污染、水土流失和土地利用結構不合理等問題也使中國耕地總體質量呈下降趨勢[4]。根據國土資源部農用地質量與監(jiān)控重點實驗室發(fā)布的《中國農用地質量發(fā)展研究報告（2016）》，全國中低產田占耕地總面積的約2/3[5]，耕地質量總體形勢不容樂觀。因此，面對中國糧食安全與撂荒嚴重的矛盾、耕地“三位一體”保護與“占優(yōu)補劣”的矛盾以及耕地利用健康可持續(xù)與追求經濟收益的矛盾[6]，迫切需要進行耕地質量相關研究，以分析耕地質量特征，總結耕地質量變化規(guī)律，提出針對性的耕地質量建設和管護對策。

近年來，區(qū)域耕地質量研究不僅得到政府高度重視，也成為學術界研究的重點和熱點[7]，相關學者利用農用地分等成果開展大量研究工作，在耕地質量變化及提升措施等方面取得了一定的成就[8-10]。從地理生態(tài)區(qū)層面，魏洪斌等分別采用空間統(tǒng)計分析、加權平均等方法[11-12]，從不同空間尺度探討中國中部糧食主產區(qū)耕地等別的分布特征，系統(tǒng)分析區(qū)域耕地質量等別限制因素及其提升對策?？紫楸蟮妊芯苛酥袊鞑繀^(qū)耕地等別空間分布特征[13]。田光進等基于遙感數(shù)據技術和轉移矩陣，分析中國近 10年耕地資源的時空變化特征，探討影響耕地資源減少的因素[14]。從省域尺度方面，夏建國等分析了四川地區(qū)耕地數(shù)量和質量狀況的變化及其原因，并提出了針對四川省保護耕地的相關措施[15]。宋艷華等采用農用地分等因素法評價河南省2002和2012年耕地質量及其變化規(guī)律[16]。綜上所述，當前關于耕地質量的研究大多側重于耕地分等特征研究、土壤質量單因素的研究[17-19]，或者只是單方面進行耕地質量時間變化、空間變化研究[20]；從省域層面，系統(tǒng)研究較長時間序列（10年以上）的耕地質量時空變化特征及其分異規(guī)律的成果鮮有報道。

本研究基于縣級分等單元的陜西省耕地分等成果數(shù)據庫，采用地統(tǒng)計分析、時間序列分析、區(qū)位指數(shù)分析等方法，從省域、地理區(qū)域和市域等 3個空間尺度系統(tǒng)分析陜西省2005—2015年耕地數(shù)量和質量的時空變化特征及其分異規(guī)律，以期為保護耕地資源和制定基本農田保護、土地整治、耕地質量監(jiān)測對策提供依據。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據來源

1.1 研究區(qū)概況

陜西省地處中國內陸腹地，是古絲綢之路的起點，地域南北跨度大，東西狹窄，總面積20.58萬km2。地勢南北高、中間低，具有“兩山加一川”的宏觀地貌特征，從北到南可劃分為陜北黃土高原、關中渭河谷地和陜南秦巴山地3個地貌區(qū)，海拔段主要分布在500～2 000 m之間。境內氣候差異較大，由北向南漸次過度為溫帶、暖溫帶和北亞熱帶，整體屬于大陸季風性氣候；年降雨量在330～1 250 mm之間，具有極強的空間差異性；年均氣溫6～16 ℃，≥10 ℃積溫為2 800～5 000 ℃，無霜期 136～256 d。省內地理條件、耕地質量差異較大，主要農業(yè)土壤有塿土、黃綿土、風沙土、潮土、新積土、黃棕壤和黃褐土。陜西省是后稷教稼之地，中國農耕文明的象征，中國農業(yè)文明的重要發(fā)祥地。陜西省土地利用結構以林地為主，其次是耕地、草地（圖1）。

圖1 2015年陜西省土地利用結構Fig.1 Land use structure of Shaanxi Province

1.2 耕地利用現(xiàn)狀

截止2015年底，陜西省耕地面積399.82萬hm2，占土地總面積的19.39%（表1）。其中，水田15.91萬hm2，占耕地總面積的3.98%，主要分布在漢中市和安康市，榆林無定河和關中渭河沿岸也有少量分布；水澆地 106.01萬hm2，占耕地總面積的26.51%，主要分布在關中地區(qū)，陜北黃河沿岸也有少量分布；旱地277.90萬hm2，占耕地總面積的69.51%，主要分布在陜南土石山區(qū)、陜北黃土丘陵溝壑區(qū)和陜北長城沿線風沙區(qū)。

表1 陜西省3大區(qū)域耕地面積匯總Table 1 Cultivated land area of tree regions in Shaanxi Province 104 hm2

1.3 數(shù)據來源

2005年1:10 000陜西省縣級耕地質量等別年度更新數(shù)據；2010年1:10 000陜西省縣級耕地質量等別年度更新數(shù)據；2013年1:10 000陜西省縣級耕地質量等別年度更新數(shù)據；2015年1:10 000陜西省縣級耕地質量等別年度更新數(shù)據，均來自國土資源部農用地質量等別年度更新數(shù)據庫。

2 研究方法

生產能力是耕地質量的基本度量[21]，土地利用系數(shù)反映了人類生產挖掘自然潛力的程度[22]，全國農用地分等在土地生產潛力評價基礎上，通過土地利用系數(shù)修正得出的土地利用等反映了各地區(qū)平均現(xiàn)實投入與技術條件下耕地的生產力水平[23]，使其達到接近土地實際產出水平。因此在下文的數(shù)據分析中，以利用等為主。

2.1 地統(tǒng)計分析法

地統(tǒng)計分析法是以區(qū)域化變量理論為基礎，以變異函數(shù)為主要工具，本文利用ArcGIS軟件對陜西省和3大地理區(qū)域耕地數(shù)量、質量的現(xiàn)狀及其變化進行分析，進而對耕地凈變化以及耕地增加與減少進行分析，總結耕地質量時空變化規(guī)律[24-25]。

2.2 時間序列分析法

時間序列分析時通過分析地理要素（變量）隨時間變化的歷史過程，揭示其發(fā)展變化規(guī)律，并對其未來狀態(tài)進行預測。變化率指數(shù)是反映耕地資源數(shù)量變化特征信息，通過分析耕地資源變化率指數(shù)可以獲取區(qū)域耕地資源的多年變化趨勢和特征[26]。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

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(qū)耕地面積，hm2，Sb為研究時間段末期研究區(qū)耕地面積，hm2；T為研究時段長，a。

2.3 耕地質量區(qū)位指數(shù)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(qū)位指數(shù)表示。耕地質量的區(qū)位指數(shù)，指某一地區(qū)耕地利用等等別在全省耕地利用等等別的聚集程度[27]，其計算公式為

式中Qij為第i個區(qū)域第j利用等等別的耕地質量的區(qū)位指數(shù)；Dij為第i個區(qū)域第j利用等等別的耕地面積，hm2；n為陜西省劃分的區(qū)域個數(shù)；Si為第i個區(qū)域的耕地面積，hm2。

根據公式，若Qij＞1，表示區(qū)域耕地質量區(qū)位指數(shù)高于全省平均水平，說明該區(qū)域j等別耕地面積比例較大；反之，若Qij＜1，表示區(qū)域耕地質量區(qū)位指數(shù)低于全省平均水平，說明該區(qū)域j等別耕地面積比例較小。

2.4 區(qū)域耕地綜合質量等別分析法

區(qū)域耕地綜合質量等別為區(qū)域內所有耕地利用等面積加權求和的綜合質量等別[28]，其公式為

式中?為某區(qū)域綜合質量等別；Sj為某分等單元耕地地塊面積，hm2；Fj為某分等單元耕地地塊等別；S為區(qū)域內耕地總面積，hm2。

2.5 一元線性回歸分析

對2005—2015年陜西省耕地綜合質量等別進行一元線性回歸分析，計算耕地綜合質量等別變化趨勢，其公式為

式中 t是監(jiān)測年數(shù)，xi是第 i年的耕地綜合質量等別；y為多年耕地綜合質量等別線性擬合概率。

擬合直線可反映陜西省2005—2015年耕地綜合質量等別的變化趨勢及變化幅度。斜率為正，表明耕地綜合質量等別增加，耕地質量下降，反之亦然。

3 結果與分析

3.1 耕地數(shù)量時空變化情況

近10 a來，陜西省耕地面積呈減少趨勢（表2），與2005年相比，2015年全省耕地面積減少了2.30%。耕地面積的減少主要發(fā)生在2005—2010年期間，這是因為黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)和南水北調水資源保護地開展退耕還林造成的。2005—2015年生態(tài)退耕的規(guī)模逐年下降，逐步進入制度化穩(wěn)步實施階段，到2015年生態(tài)退耕面積為0，生態(tài)退耕已經逐漸不再是耕地減少的主要原因，但由于前幾年（2005—2010年）的生態(tài)退耕面積所占比例較大，因此綜合分析退耕還林（草）仍是全省耕地減少的主要原因。

表2 2005—2015年陜西省耕地面積變化Table 2 Changes of cultivated land area in Shaanxi Province from 2005 to 2015 104 hm2

近 5年的數(shù)據來看，陜西省耕地面積逐漸增加，與2011年相比，2015年耕地面積增加了0.18%；其中2013—2015年期間，耕地面積增加幅度較大，這是由于嚴格執(zhí)行耕地占補平衡，大力實施高標準農田建設、開展土地整治工程的結果，同時生態(tài)退耕以質量和效益為主，逐步進入制度化穩(wěn)步實施時期，退耕還林的面積逐漸減少并趨于穩(wěn)定。

從3大區(qū)域來看，這10 a期間，陜北地區(qū)耕地總面積呈增加趨勢，關中地區(qū)和陜南地區(qū)耕地面積均有所下降（圖 2），這是因為陜西省耕地后備資源主要集中在陜北，關中和陜南地區(qū)因經濟發(fā)展占用耕地，耕地后備資源匱乏，無法實現(xiàn)占補平衡所造成。與2005年耕地面積相比，榆林市、銅川市、楊凌示范區(qū)、商洛市、漢中市等 5市（區(qū)）耕地面積增加，其余市（區(qū)）耕地面積均有所降低。其中榆林市耕地面積增加最多，增加了 6.89萬hm2，楊凌示范區(qū)耕地面積增幅最大，增加了25.00%；渭南市耕地面積減少最多，減少了5.00萬hm2，安康市耕地面積減小幅度最大，減少了10.97%。

3.2 耕地質量時空變化情況

陜西省2005年耕地利用等為5～14等，2010、2013、2015年耕地利用等為4～14等。按照優(yōu)等地（1～4等）、高等地（5～8等）、中等地（9～12等）和低等地（13～15等）[5]分類匯總統(tǒng)計（圖3），陜西省近10a耕地以中等地和低等地為主。2015年全省優(yōu)等地、高等地、中等地、低等地分別占全省耕地面積的 0.12%、17.32%、41.29%、41.27%。與2005年相比較，優(yōu)等地、高等地、中等地和低等地的變化幅度分別是-4.00%、-15.96%、8.91%、-5.61%，耕地質量有下降趨勢。

從3大區(qū)域來看（圖4），2005—2015年間，陜北地區(qū)耕地為中等地和低等地，中等地面積增加了199.46%，低等地面積減少了 8.07%。關中地區(qū)優(yōu)等地面積有所減少，差異不明顯（P<0.05），高等地和中等地分別減少了14.44%和9.52%，低等地增加了55.57%，整體來看耕地數(shù)量減少，耕地質量有所下降。陜南地區(qū)高等地和低等地面積分別減少了27.12%和29.11%，中等地面積增加了14.13%。

圖2 陜西省各市（區(qū)）耕地面積Fig.2 Changes of cultivated land area in cities (region) of Shaanxi Province

圖3 陜西省利用等耕地面積變化Fig.3 Changes of utilization grade of cultivated land in Shaanxi Province

圖4 2005—2015年陜西各區(qū)利用等變化Fig.4 Changes of utilization grade in region of Shaanxi Province from 2005 to 2015

3.3 耕地質量時空變化規(guī)律

3.3.1 各市（區(qū)）耕地資源變化的時間序列變化分析

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，從總體數(shù)據來看（表 3），陜西省耕地資源呈遞減趨勢，2005—2015年耕地資源十年平均變化率為-0.222%，但數(shù)據表明省內耕地數(shù)量的減少趨勢已經得到遏制，2005—2010年平均變化率高達-0.475%，而2010—2013年和2013—2015年多年平均變化率已經上升為0.003%和0.078%，2010—2015年耕地數(shù)量逐年遞增，證明了近年來陜西省耕地資源在數(shù)量上已經達到要求。

表3 陜西省各市（區(qū)）耕地資源多年平均變化率Table 3 Average change rate of cultivated land resources in cities of Shaanxi Province %

從3大區(qū)域來看，1）陜北地區(qū)近年來耕地資源明顯增加，延安市2010—2013三年平均變化率高達0.844%，是這一階段全省耕地資源增加率最高的，榆林地區(qū)十年中耕地面積一直穩(wěn)步增加，作為陜西省耕地后備資源集中區(qū)，陜北地區(qū)在接下來一段時間依然會是陜西省耕地增長的主要地區(qū)。2）關中地區(qū) 2005—2010年中楊凌示范區(qū)和銅川市增長率居于陜西省前兩位，盡管在 2010—2013年間這兩個市（區(qū)）耕地資源均有一定減少，但卻是十年以來關中地區(qū)耕地資源有所增長的僅有的 2個城市。渭南市、西安市、咸陽市 3市的十年平均變化率較大，但可以看到除西安市外，渭南市、咸陽市近五年的耕地資源的變化率已經顯著下降；寶雞市是關中地區(qū)唯一耕地資源在十年間變化相對穩(wěn)定的城市，十年平均變化率遠低于全省平均水平。3）陜南地區(qū)商洛市、漢中市十年間耕地資源有一定增加，但值得注意的是，商洛市2010—2013年耕地資源減少率在全省位列第三名，而安康市2005—2010年耕地資源減少較多，近五年已經趨于穩(wěn)定。

3.3.2 各市（區(qū)）耕地質量區(qū)位指數(shù)變化分析

根據2005—2015年陜西省耕地分等成果和耕地質量的區(qū)位指數(shù)計算公式，計算陜西省各市（區(qū)）各等別耕地區(qū)位指數(shù)（表 4），以此可以看出陜西省各市（區(qū)）耕地等別的分布及變化情況。從 4個時間節(jié)點的變化來看，陜北地區(qū)耕地質量情況保持較好。延安市、榆林市低等地聚集程度遠高于全省平均水平，這是由地理環(huán)境所造成的，氣候干旱少雨，土壤貧瘠；但能看到近年來，榆林市和延安市低等地區(qū)位指數(shù)逐漸降低，中等地雖仍不及全省平均水平，但區(qū)位指數(shù)整體保持穩(wěn)定，這是由于近些年來陜北地區(qū)積極開展土地整治工程，并進行生態(tài)建設，提高了部分低等地的耕地質量，同時保證中等地數(shù)量不減少。關中地區(qū)地勢平坦，經濟發(fā)達，氣候適宜，耕地質量相對較好，是全省耕地質量最高的地區(qū)，除銅川市6等地在2005年的區(qū)位指數(shù)外，關中地區(qū)優(yōu)、高等地聚集指數(shù)全部都在全省平均水平之上。陜南地區(qū)耕地質量高于陜北，低于關中，其耕地質量保持水平不高；雖說陜南地區(qū)水熱氣候條件良好，但丘陵山區(qū)較多，不便于機械化耕作，一定程度上影響耕地質量，同時山體滑坡等地質災害較易發(fā)生，損毀部分耕地。陜南地區(qū)的高等地集中在漢中和安康，漢中市的高等地分布略高于全省平均水平，安康市遠低于全省平均水平，但兩者的高等地區(qū)位指數(shù)均逐年降低，商洛市中等地區(qū)位指數(shù)有少量降低。

表4 陜西省各市（區(qū)）耕地利用等別的區(qū)位指數(shù)Table 4 Location quotient of utilization grade cultivated land in cities region of Shaanxi Province

3.3.3 陜西省各市（區(qū)）區(qū)域耕地綜合質量等別變化分析

根據2005—2015年陜西省耕地分等成果和區(qū)域耕地綜合質量等別計算公式計算各市（區(qū)）的綜合等別（表5），以各市（區(qū)）十年間耕地綜合等別的變化情況分析各市（區(qū)）耕地質量保持的水平。

表5 陜西省各市（區(qū)）耕地綜合質量等別變化Table 5 Changes of cultivated land comprehensive quality grade in cities (region) of Shaanxi Province

耕地綜合質量等別基本代表了區(qū)域耕地的質量，陜西省總體耕地質量為中等地，耕地較好的耕地集中在關中地區(qū)，西安市、楊凌示范區(qū)是陜西省僅有的 2個總體耕地質量為高等地的市（區(qū)）。陜北陜南地區(qū)總體耕地質量較差，其中耕地質量最差的是榆林市。

2005—2015年，陜西省耕地綜合質量由 11.20下降至11.33，耕地綜合質量等別的變化隨著地域的不同顯示出“南北好，中間差”的空間分布規(guī)律。2005—2015年間，陜北地區(qū)是提升區(qū)，耕地綜合等別下降了 0.21，耕地質量呈上升趨勢，耕地質量保持較好；關中地區(qū)是下降區(qū)，耕地綜合等別上升了 0.33，且關中地區(qū)是陜西省耕地減少主要區(qū)域，且減少耕地質量相對較高，新增耕地渠道少，是下降區(qū)，耕地質量保持較差；而陜南地區(qū)是未變區(qū)，耕地綜合等別僅上升不到0.01，變化不明顯，耕地質量保持能力一般?？梢钥闯鼋┠?，陜北地區(qū)開展的土地整治工程以及生態(tài)文明建設有顯著成效，關中地區(qū)由于城市不斷擴張，城市建設占用了大量優(yōu)質耕地，而補充耕地質量偏低，導致耕地數(shù)量和質量下降。而隨著時間的推移，全省耕地質量的變化也越來越平緩，從全省范圍看，陜西省耕地在數(shù)量和質量上基本達到占補平衡。2005—2010五年間耕地綜合質量等別變化相對較大，而2010—2015年間全省耕地綜合質量僅上升0.03，平均變化幅度僅為2005—2010年的13。

對2005—2015年陜西省耕地綜合質量等別進行一元線性回歸分析，分析10 a間陜西省耕地質量變化（圖5）。

圖5 陜西省耕地質量變化示意圖Fig.5 Changes of cultivated land quality in Shaanxi Province

僅以耕地質量綜合等別來看，2005—2010年五年間，榆林、延安、安康3市耕地質量有所提升。但在這3市中延安市、安康市的耕地資源減少較多，只有榆林市耕地數(shù)量上升的同時，質量也有所提高，即榆林市新增的耕地質量較高。銅川市、楊凌示范區(qū)耕地資源增多，西安、咸陽、渭南、寶雞 4市耕地資源相對減少，但整個關中地區(qū)耕地質量均有所降低，證明西安、咸陽、渭南和寶雞減少了質量相對較好的耕地，而楊凌示范區(qū)、銅川市新增耕地質量相對不佳。陜南地區(qū)的商洛市和漢中市耕地資源有一定增加，但總體耕地質量降低。

2010—2015年五年間陜西省各市（區(qū)）耕地總體質量變化不大，而2010—2013年和2013—2015年兩段時間中，前者的變化率遠高于后者，也證明了全省耕地質量的變化隨時間越來越平緩的規(guī)律。這期間榆林市耕地質量在緩慢提升，其余幾市（區(qū)）基本保持穩(wěn)定，但這一階段中陜西省總體耕地質量有降低，關中地區(qū)減少耕地較多，新增耕地主要集中在陜北地區(qū)，而關中耕地質量相對較高，榆林、延安新增耕地多為水澆地，其本身耕地質量必然有所提高，但難以抵銷關中地區(qū)減少的質量較高的耕地的影響。

4 結 論

1）2005—2015年間，陜西省耕地面積呈下降趨勢，十年平均變化率為-0.222%，一方面是因為“退耕還林”使部分耕地轉變?yōu)榱值亍⒉莸?，另一方面是建設用地占用了部分耕地，2005—2015年生態(tài)退耕面積為7.7938萬hm2。自嚴格執(zhí)行耕地占補平衡和高標準基本農田建設以來，近5 a間，耕地數(shù)量的減少趨勢已經得到遏制，全省耕地面積有所增加。其中榆林市耕地面積增加最多，楊凌示范區(qū)耕地面積增幅最大；渭南市耕地面積減少最多，安康市耕地面積減幅最大。

2）2005—2015年間，陜西省耕地以中等地和低等地為主，優(yōu)等地、高等地和低等地耕地面積均有所下降，中等地面積有所增加，其中高等地耕地面積下降幅度較大，這是由于城市建設占用了大量優(yōu)質耕地，而補充耕地的質量偏低，由此造成耕地質量呈現(xiàn)下降趨勢。關中地區(qū)地處平原，經濟、氣候等條件相對較好，耕地質量較高，優(yōu)等地和高等地區(qū)位指數(shù)在全省平均水平之上；陜北地區(qū)處于風沙沿線，氣候干旱少雨，土壤貧瘠，耕地質量較差，但區(qū)位指數(shù)保持穩(wěn)定。

3）2005—2015年間，陜西省耕地綜合質量等別分別為 11.20、11.30、11.32、11.33，耕地質量呈下降趨勢。陜北地區(qū)耕地綜合質量等別為13.35，耕地質量呈上升趨勢，這是由于近年來陜北地區(qū)積極開展土地整治工程，同時進行生態(tài)建設，使耕地退化有所緩解；關中地區(qū)耕地綜合質量等別為 9.67，耕地質量下降；陜南地區(qū)耕地綜合質量為11.27，沒有顯著變化。

本文研究尺度以縣為基本單位，同一個縣具有相同的光溫（氣候）生產潛力指數(shù)，掩蓋了縣域內的差異；今后應以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本單位，進一步深入細化研究，使得數(shù)據具有更高的精度和現(xiàn)實性，更符合實際情況。

本研究采用了2005—2015年陜西省耕地分等成果，從數(shù)量和質量兩方面進行分析，沒有考慮耕地質量的生態(tài)特征；今后應進一步加強耕地生態(tài)質量研究，從數(shù)量、質量、生態(tài)三方面進行系統(tǒng)全面探索研究，為開展耕地資源數(shù)量、質量、生態(tài)“三位一體”建設與管護，提供理論支撐和科學依據。

未來還應該進一步將陜西省耕地質量成果應用在基本農田劃定、土地整治規(guī)劃和工程建設、耕地占卜平衡、耕地保護與管理的研究與實踐中。

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