基于生態(tài)位理論的東北黑土區(qū)耕地整治適宜性評(píng)價(jià)*
——以公主嶺市為例

徐小千, 汪景寬, 李雙異, 裴久渤, 楊 驥, 張維俊

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基于生態(tài)位理論的東北黑土區(qū)耕地整治適宜性評(píng)價(jià)*——以公主嶺市為例

徐小千, 汪景寬**, 李雙異, 裴久渤, 楊 驥, 張維俊

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院 沈陽(yáng) 110866)

耕地整治是保護(hù)耕地的重要舉措, 耕地整治適宜性評(píng)價(jià)則是開(kāi)展耕地整治的重要前提和基礎(chǔ)。本研究以生態(tài)位理論為基礎(chǔ), 以吉林省公主嶺市為例, 從自然條件、基礎(chǔ)設(shè)施條件、生態(tài)可持續(xù)性和空間穩(wěn)定性4個(gè)維度選取14個(gè)指標(biāo), 采用Delphi與AHP相結(jié)合的方法確定指標(biāo)權(quán)重, 在評(píng)判影響耕地整治的各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)際值(現(xiàn)實(shí)生態(tài)位)與耕地整治在理想條件下各項(xiàng)指標(biāo)能夠達(dá)到的最佳狀態(tài)(最適生態(tài)位)的貼近程度的基礎(chǔ)上, 確定了3種類型指標(biāo)的評(píng)價(jià)模型, 并通過(guò)加權(quán)求和模型計(jì)算各評(píng)價(jià)單元耕地整治生態(tài)位適宜度,最終通過(guò)Ward聚類法將公主嶺市耕地整治適宜性劃分為4個(gè)等級(jí), 同時(shí)引入障礙性因素模型, 定量確定不同等級(jí)區(qū)域耕地整治的障礙性因素, 并提出整治的方向和對(duì)策。研究結(jié)果表明, 研究區(qū)可分為4個(gè)整治區(qū), Ⅰ級(jí)高度適宜區(qū)生態(tài)位適宜度大于0.75, 耕地面積13 799.89 hm2, 占總耕地面積的4.16%, 主要障礙性因素為農(nóng)田防護(hù)林覆蓋率、道路通達(dá)度和田塊規(guī)整度; Ⅱ級(jí)中度適宜區(qū)生態(tài)位適宜度在0.70到0.75之間, 耕地面積77 754.36 hm2, 占總耕地面積的23.41%, 主要障礙性因素為灌溉條件、道路通達(dá)度和農(nóng)田防護(hù)林覆蓋率; Ⅲ級(jí)輕度適宜區(qū)生態(tài)位適宜度在0.61到0.70之間, 耕地面積177 192.38 hm2, 占總耕地面積的53.36%, 主要障礙性因素為土壤有機(jī)質(zhì)含量、距主交通干線距離和土壤pH; Ⅳ級(jí)不適宜區(qū)生態(tài)位適宜度小于0.61, 耕地面積63 325.61 hm2, 占總耕地面積的19.07%, 主要障礙性因素為土壤質(zhì)地、灌溉條件和耕層厚度。研究基于生態(tài)位適宜度模型對(duì)耕地整治適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià), 豐富了耕地整治適宜性評(píng)價(jià)方法, 同時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)果為耕地整治分區(qū)建設(shè)以及整治方向提供了科學(xué)依據(jù)。

耕地整治; 適宜性評(píng)價(jià); 生態(tài)位適宜度模型; 黑土區(qū); 東北

長(zhǎng)期以來(lái)農(nóng)田規(guī)劃體系的缺失, 農(nóng)田保護(hù)意識(shí)的薄弱, 導(dǎo)致了耕地?cái)?shù)量不斷減少, 質(zhì)量持續(xù)下降。作為我國(guó)糧食“穩(wěn)壓器”的東北黑土區(qū), 近年來(lái)隨著耕地粗放、不合理利用致使農(nóng)田生產(chǎn)力下降, 破碎化程度加劇, 水土流失問(wèn)題嚴(yán)峻[1], 作為土地整治主體內(nèi)容的耕地整治開(kāi)始扮演著十分重要的角色[2]。耕地整治適宜性評(píng)價(jià)是耕地整治的基礎(chǔ), 是確定耕地整治時(shí)序、劃定優(yōu)先整治區(qū)的理論依據(jù)。因此, 科學(xué)合理的適宜性評(píng)價(jià)方法是順利開(kāi)展耕地整治的必要步驟。目前對(duì)于耕地整治的研究多集中在潛力測(cè)算[3-4]、區(qū)域劃定[5]以及整治項(xiàng)目效益評(píng)價(jià)[6-7]等方面。在耕地整治適宜性評(píng)價(jià)研究方面, 胡學(xué)東等[8]基于貝葉斯概率模型運(yùn)用已整治耕地指導(dǎo)未整治耕地工作的開(kāi)展, 以此確定耕地整治適宜性等別; 還有學(xué)者[9-10]基于GIS開(kāi)展耕地整治適宜性評(píng)價(jià), 運(yùn)用GIS分析功能劃分等級(jí)。目前耕地整治適宜性評(píng)價(jià)研究對(duì)于指標(biāo)的選取從耕地的自然條件和基礎(chǔ)設(shè)施條件方面考慮居多, 而對(duì)于耕地整治適宜性評(píng)價(jià)的生態(tài)指標(biāo)方面以及評(píng)價(jià)后定量確定障礙性因素的研究還仍顯薄弱。

生態(tài)位理論作為生態(tài)學(xué)重要理論之一, 自提出以來(lái)就受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注, 之后不斷發(fā)展、延伸, 在綜合分析生態(tài)位內(nèi)涵基礎(chǔ)上提出的生態(tài)位適宜度表征了物種對(duì)其生境條件的適宜性, 因而能夠較好體現(xiàn)不同物種對(duì)于生境條件的適宜程度并以此分析得出限制物種生長(zhǎng)的障礙性因素[11-12]。鑒于此, 可以通過(guò)最適生態(tài)位解釋耕地整治標(biāo)準(zhǔn), 利用區(qū)域耕地現(xiàn)實(shí)生態(tài)位與最適生態(tài)位的差異程度劃分整治的適宜性等級(jí)并提出障礙因素, 以此確定整治的優(yōu)先級(jí)和整治的重點(diǎn)。隨著對(duì)該理論研究的深入, 生態(tài)位理論不僅僅應(yīng)用于生物方面, 越來(lái)越多的學(xué)者將其引入到更多的研究領(lǐng)域中, 尤其是土地方面, 如曾慶敏等[13]應(yīng)用生態(tài)位適宜度模型進(jìn)行宜耕未利用地開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià), 念沛豪等[14]構(gòu)建生態(tài)位理論的功能評(píng)價(jià)模型并依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行國(guó)土功能分區(qū), 還有學(xué)者[15-16]將生態(tài)位適宜度模型引入到農(nóng)村居民點(diǎn)分區(qū)與適宜性評(píng)價(jià)中。這些研究的順利開(kāi)展, 為土地研究領(lǐng)域從生態(tài)學(xué)角度發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識(shí)規(guī)律, 解決相關(guān)問(wèn)題提供了新思路和新方法。目前利用生態(tài)位適宜度模型進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)大多應(yīng)用Shefold限制性定律運(yùn)用幾何平均值對(duì)各指標(biāo)的生態(tài)位適宜度值進(jìn)行刻畫(huà)[17], 而作為糧食主產(chǎn)區(qū)的黑土區(qū)在開(kāi)展耕地整治時(shí)在注重生態(tài)整治的基礎(chǔ)上還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注耕地本底條件, 且不同影響條件對(duì)于耕地整治的影響程度不同。因此, 對(duì)于黑土區(qū)開(kāi)展耕地整治適宜性評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)增加相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重。

基于此, 本研究以東北典型黑土區(qū)公主嶺市為例, 在指標(biāo)選取上不僅從自然條件和基礎(chǔ)設(shè)施條件方面考慮, 同時(shí)增加了生態(tài)可持續(xù)性和空間穩(wěn)定性方面的指標(biāo), 并采用Delphi和AHP法確定指標(biāo)權(quán)重, 運(yùn)用加權(quán)求和的生態(tài)位適宜度模型計(jì)算各評(píng)價(jià)單元的生態(tài)位適宜度值, 最終劃分研究區(qū)耕地整治適宜性等級(jí), 并統(tǒng)計(jì)各個(gè)整治等級(jí)的障礙性因素, 以此提出不同等級(jí)耕地整治的重點(diǎn)和方向, 以期為東北黑土區(qū)耕地整治項(xiàng)目選址以及確定建設(shè)時(shí)序提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

公主嶺市位于吉林省中西部(圖1), 東遼河中游右岸, 124°02′~125°18′E、43°11′~44°09′N, 東接長(zhǎng)春、農(nóng)安, 西與梨樹(shù)、雙遼為鄰, 南與伊通接壤, 北臨長(zhǎng)嶺。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 冬冷夏熱, 年平均氣溫5.6 ℃, 年平均降水量594.8 mm。耕地面積332 072.24 hm2, 占土地總面積的80.18%。公主嶺市地貌類型分為南部山地和西北部平原兩大類型區(qū), 南部地區(qū)坡度較大, 耕地較少, 水土流失嚴(yán)重; 西北部地勢(shì)平坦, 雖然耕地面積較大, 但土壤貧瘠; 中、東部區(qū)域地勢(shì)起伏, 多為漫崗臺(tái)地。

圖1 公主嶺市位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于公主嶺市實(shí)地采樣數(shù)據(jù)、調(diào)研數(shù)據(jù)、第2次土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù), 東北黑土區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù), 30 m數(shù)字高程圖(DEM), 耕地地力評(píng)價(jià)資料, 第2次土壤普查資料, 地貌圖、行政區(qū)劃圖、《公主嶺市統(tǒng)計(jì)年鑒(2014)》等。

2 研究方法及模型

2.1 研究思路

耕地整治是土地整治的重要部分, 是指在現(xiàn)有耕地資源條件的基礎(chǔ)上, 通過(guò)實(shí)施整治工程, 實(shí)現(xiàn)增加耕地?cái)?shù)量、提高耕地質(zhì)量的目標(biāo)。耕地整治適宜性評(píng)價(jià)則是判斷耕地整治優(yōu)先級(jí)的基礎(chǔ), 也是制定土地整治規(guī)劃的關(guān)鍵。具體研究思路: ①通過(guò)圖層疊加確定評(píng)價(jià)單元; ②從影響耕地整治的自然條件、基礎(chǔ)設(shè)施條件、生態(tài)可持續(xù)性和空間穩(wěn)定性等方面選取評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系; ③采用Delphi與AHP相結(jié)合法確定指標(biāo)權(quán)重; ④運(yùn)用加權(quán)求和模型確定各評(píng)價(jià)單元的生態(tài)位適宜度; ⑤采用Ward聚類法劃分適宜性等級(jí); ⑥根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果確定各等級(jí)耕地整治的限制性因素及整治方法對(duì)策。

2.2 研究方法

生態(tài)位適宜度在生態(tài)學(xué)中表示物種對(duì)其生境條件的適宜性。當(dāng)現(xiàn)實(shí)資源條件滿足物種需求時(shí), 生態(tài)位適宜度為1, 反之, 現(xiàn)實(shí)資源條件不滿足物種需求時(shí), 生態(tài)位適宜度為0[12]。本研究將耕地在現(xiàn)實(shí)資源條件下實(shí)施整治的適宜程度類比為物種對(duì)其生存環(huán)境的適宜程度, 因此將生態(tài)位適宜度模型引入到耕地整治適宜性評(píng)價(jià)中。當(dāng)現(xiàn)實(shí)的耕地資源條件滿足耕地整治的需求時(shí), 生態(tài)位適宜度為1; 反之, 現(xiàn)實(shí)的耕地資源條件不滿足耕地整治條件時(shí), 生態(tài)位適宜度為0。

通常影響耕地整治的因素可以分為3類[18]: 第1類是正向型, 即資源條件越優(yōu)越好, 如土壤有機(jī)質(zhì)含量、有效土層厚度等。該類型指標(biāo)的評(píng)價(jià)模型為:

第2類是適度型, 耕地整治對(duì)各指標(biāo)的需求在資源可供給范圍內(nèi)存在一個(gè)適宜區(qū)間, 不能超過(guò)最大值也不能低于最小值, 如: pH。該類型指標(biāo)的評(píng)價(jià)模型為:

第3類是負(fù)向型, 即指標(biāo)值越小越好, 如田面坡度。該類型指標(biāo)的評(píng)價(jià)模型為:

2.3 基于生態(tài)位適宜度模型的耕地整治適宜性評(píng)價(jià)

2.3.1 評(píng)價(jià)單元的確定

本研究將公主嶺市第2次全國(guó)土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)中耕地圖斑圖層, 與公主嶺市耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)中耕地圖斑圖層、土壤圖相疊加, 將小于5 m2的圖斑合并, 最終得到公主嶺市耕地整治適宜性評(píng)價(jià)單元圖, 共45 085個(gè)評(píng)價(jià)單元。

2.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

黑土區(qū)作為我國(guó)重要的糧食供應(yīng)地, 近年來(lái)水土流失問(wèn)題嚴(yán)重, 土壤肥力降低, 耕層變薄, 且多年的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)使該地區(qū)對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施條件關(guān)注不足。且自十七大提出生態(tài)文明以來(lái), 耕地整治的內(nèi)涵已經(jīng)從早期的僅增加耕地?cái)?shù)量逐漸轉(zhuǎn)移到追求質(zhì)量的提高和生態(tài)條件的改善。因此, 本研究根據(jù)黑土區(qū)耕地現(xiàn)狀及數(shù)據(jù)可獲取性, 結(jié)合已有的耕地整治的研究成果[8-9], 遵循科學(xué)性、代表性、區(qū)域差異性和可操作性的原則, 除了自然條件和基礎(chǔ)設(shè)施條件外, 增加了生態(tài)可持續(xù)性和空間穩(wěn)定性方面可以表征耕地整治生態(tài)意義的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

自然條件選取了田面坡度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地、耕層厚度和有效土層厚度5個(gè)指標(biāo)。田面坡度能夠在一定程度上反映水土流失發(fā)生的概率; 土壤有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤肥力的重要指標(biāo), 土壤質(zhì)地能體現(xiàn)耕地的耕作性能, 二者均能反映耕地的生產(chǎn)力水平; 耕層和有效土層為作物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分和水分, 其厚度能夠一定程度上反映土壤肥沃程度。基礎(chǔ)設(shè)施條件選取了灌溉條件、排水條件和道路通達(dá)度3個(gè)指標(biāo)。灌排條件反映了耕地的抗旱排澇能力, 道路通達(dá)度體現(xiàn)耕地的交通狀況。生態(tài)可持續(xù)性選取了土壤pH、土壤污染程度和農(nóng)田防護(hù)林覆蓋率3個(gè)指標(biāo)。土壤pH對(duì)土壤肥力影響較大且鹽堿地不利于農(nóng)田的生態(tài)發(fā)展; 土壤污染程度反映土壤受污染的狀況; 農(nóng)田防護(hù)林覆蓋率影響著耕地及其周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境, 對(duì)于調(diào)節(jié)農(nóng)田周?chē)男夂蛴兄匾饔??？臻g穩(wěn)定性選取了田塊規(guī)整度和耕地連片度2個(gè)指標(biāo), 這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)于提高農(nóng)田機(jī)械化率, 穩(wěn)定耕地的利用方式起到了重要作用。

各評(píng)價(jià)指標(biāo)主要分為連續(xù)型和離散型兩種類型。連續(xù)型指標(biāo)可以通過(guò)指標(biāo)涵義及公式進(jìn)行計(jì)算處理, 離散型指標(biāo)依據(jù)專家意見(jiàn)進(jìn)行分級(jí)賦值處理, 如表1所示。

1)土壤自然條件: 有效土層厚度、耕層厚度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤pH、土壤質(zhì)地均通過(guò)以東北黑土區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ), 結(jié)合實(shí)地調(diào)研、試驗(yàn)分析進(jìn)行修正確定。

2)田面坡度: 應(yīng)用ArcGIS10.2軟件, 從分辨率為30 m的DEM中運(yùn)用3D分析工具提取坡度, 然后通過(guò)Spatial Analyst工具將坡度值賦到評(píng)價(jià)單元上。

3)道路通達(dá)度: 表征農(nóng)田中道路通達(dá)程度, 由道路密度指數(shù)和道路影響指數(shù)共同表征(公式4)。

式中:為評(píng)價(jià)單元的幾何重心到最近道路的垂直距離(單位: m);為農(nóng)田中道路的影響距離(單位: m), 在實(shí)地考察東北黑土區(qū)道路現(xiàn)實(shí)情況的基礎(chǔ)上, 參考專家和學(xué)者的研究成果[19], 將值確定為600 m。

4)農(nóng)田防護(hù)林覆蓋率: 農(nóng)田周?chē)ㄔO(shè)防護(hù)林可以起到防風(fēng)固沙、保護(hù)農(nóng)田的作用, 本研究依據(jù)《高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(NY/T 2148—2012)中防護(hù)林面積的總和占耕地面積的比值進(jìn)行刻畫(huà)(公式7)。

5)距主交通干線距離: 田塊重心到主交通干線的垂直距離。本研究認(rèn)為距離主交通干線越近的田塊在空間上越不穩(wěn)定, 因?yàn)樵谥鹘煌ǜ删€兩旁的農(nóng)田有可能因擴(kuò)建公路等原因改變其利用方式, 因此該指標(biāo)為正向指標(biāo), 距主交通干線越遠(yuǎn), 空間穩(wěn)定性越好。

6)田塊規(guī)整度: 本研究借用景觀生態(tài)學(xué)的斑塊規(guī)整度(PD)來(lái)量化耕地圖斑外形的規(guī)整程度, 計(jì)算田塊邊緣復(fù)雜性[20]。PD理論范圍為1.0~2.0, 當(dāng)PD=1.0, 田塊形狀為正方形; 當(dāng)PD=2.0, 為等面積下周邊最復(fù)雜的田塊(公式8)。

式中: PD為田塊規(guī)整度,為單元田塊的周長(zhǎng)(單位: m),為單元田塊的面積(單位: m2)

7)耕地連片度: 用以描述田塊連片性程度?，F(xiàn)實(shí)情況中因?yàn)橛刑镩g道路、林帶、溝渠等地物, 因此田塊之間存在一定距離, 距離越小, 說(shuō)明連片性越好[21]。參考前人的研究成果[22]和第2次土地調(diào)查的最小上圖寬度, 本研究將這一距離確定為20 m, 當(dāng)田塊間的距離小于20 m時(shí), 則認(rèn)為耕地具有連片性。首先, 運(yùn)用ArcGIS10.2緩沖區(qū)分析功能, 計(jì)算連片區(qū)域面積, 然后, 通過(guò)Classification功能中Standard Deviation方法, 將耕地連片圖斑面積劃分5個(gè)等級(jí), 最后, 將耕地連片度從高到底依次賦值為1.0、0.8、0.6、0.4、0.2。

8)土壤污染程度: 對(duì)于土壤污染程度指標(biāo), 本研究采取一票否決制, 只要田塊中存在污染, 那么該地塊就不適宜實(shí)施耕地整治。

9)灌排條件: 水利基礎(chǔ)設(shè)施直接影響糧食作物的生長(zhǎng)情況, 因此灌排條件的優(yōu)劣將影響耕地整治的適宜性程度。本研究灌排條件數(shù)據(jù)通過(guò)公主嶺市水利志、統(tǒng)計(jì)年鑒及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲取。灌排條件均分為3個(gè)等級(jí), 即充分滿足、基本滿足和不滿足。灌溉條件的“充分滿足”指田間有健全的灌溉設(shè)施, 能夠完全滿足作物的生長(zhǎng)需求; “基本滿足”指田間的灌溉設(shè)施基本滿足作物的生長(zhǎng)需求; “不滿足”指灌溉設(shè)施不能滿足作物的生長(zhǎng)需求, 在大旱年作物容易死亡。排水條件的“充分滿足”, 田間有健全的排水溝渠, 不會(huì)發(fā)生洪澇災(zāi)害; “基本滿足”田間的排水條件一般, 暴雨后會(huì)有短暫的洪澇發(fā)生(田間積水≤2 d); “不滿足”田間基本沒(méi)有排水系統(tǒng), 暴雨后極易發(fā)生洪澇災(zāi)害(田面積水≥3 d)。

表1 公主嶺市耕地整治適宜性評(píng)價(jià)離散型指標(biāo)分級(jí)分值

2.3.3 指標(biāo)權(quán)重及最適值的確定

本文采用Delphi與AHP相結(jié)合的方法確定指標(biāo)權(quán)重, 首先根據(jù)專家對(duì)準(zhǔn)則層和指標(biāo)層重要程度的排序構(gòu)造判斷矩陣, 然后計(jì)算特征向量, 最后進(jìn)行一致性檢驗(yàn), 一致性比率均小于0.1, 通過(guò)一致性檢驗(yàn), 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值見(jiàn)表2。

影響耕地整治的各評(píng)價(jià)指標(biāo)均存在一個(gè)最適值, 最適值確定的合適與否直接影響指標(biāo)的生態(tài)位適宜度值。高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)是耕地整治的重要方式, 耕地整治中的土壤質(zhì)地、有效土層厚度、耕層厚度、土壤pH、灌溉條件、排水條件、農(nóng)田防護(hù)林覆蓋率等指標(biāo)最適值的確定依據(jù)我國(guó)已經(jīng)頒布的《高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》、《高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》和《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》。土壤有機(jī)質(zhì)含量的最適值參考第2次土壤普查的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。道路通達(dá)度和耕地連片度都是正向指標(biāo), 指標(biāo)值越大越好, 選取最大值1定為最適值。田塊規(guī)整度、土壤污染程度和田面坡度為負(fù)向指標(biāo), 選取指標(biāo)值范圍內(nèi)的最小值為最適值。距主交通干線距離根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定最適值。各指標(biāo)的最適值見(jiàn)表2。

表2 公主嶺市耕地整治適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)、權(quán)重及最適值

2.3.4 耕地整治生態(tài)位適宜度值的計(jì)算

首先依據(jù)2.3.2計(jì)算45 085個(gè)評(píng)價(jià)單元的14項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的指標(biāo)值, 然后根據(jù)公式(1)、(2)和(3)計(jì)算出每個(gè)評(píng)價(jià)單元中14項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的生態(tài)位適宜度, 依據(jù)表2, 采用加權(quán)求和模型計(jì)算各評(píng)價(jià)單元的耕地整治生態(tài)位適宜度NF, 其公式如下:

2.3.5 障礙因素的確定

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地整治適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

計(jì)算出公主嶺市各評(píng)價(jià)單元的NF值為0.521~ 0.797, 本文應(yīng)用系統(tǒng)聚類法中的Ward法劃分耕地整治適宜性等級(jí)。目前, 比較常用的聚類方法有系統(tǒng)聚類法(層次聚類法)、K-mean聚類法和二階聚類法。Ward系統(tǒng)聚類法的優(yōu)點(diǎn)是分類后, 同類事物的內(nèi)部差異小, 不同類別差異較大, 符合耕地整治適宜性等級(jí)的劃分要求[24]。具體, 以SPSS 23.0的Classify Analysis模塊為工具, 對(duì)45 085個(gè)NF值采用Ward法進(jìn)行聚類分析, 通過(guò)分析相關(guān)系數(shù)和譜系圖, 將45 085個(gè)NF值聚為4類。對(duì)聚類結(jié)果首先進(jìn)行單因素ANOVA檢驗(yàn), 經(jīng)檢驗(yàn)顯著性水平<0.01, 說(shuō)明分類合理。然后進(jìn)行隨機(jī)抽樣檢驗(yàn), 進(jìn)一步檢驗(yàn)聚類結(jié)果與實(shí)際情況的相符性, 對(duì)4個(gè)聚類各取20個(gè)地塊與耕地現(xiàn)實(shí)狀況進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)98%的樣本地塊與耕地現(xiàn)實(shí)情況相符, 說(shuō)明分類結(jié)果基本符合現(xiàn)實(shí)情況, 具有一定的指導(dǎo)意義(表3)。

表3 公主嶺市耕地整治適宜性等級(jí)劃分結(jié)果

3.2 公主嶺市耕地整治適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果及整治措施

運(yùn)用ArcGIS10.2將聚類結(jié)果與空間數(shù)據(jù)相連接得到公主嶺市耕地整治適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果圖(圖2)、各等別耕地面積及比例(表4), 具體等級(jí)分區(qū)如表4所示。

1)Ⅰ級(jí)區(qū)域。Ⅰ級(jí)區(qū)域?yàn)楦叨冗m宜開(kāi)展耕地整治區(qū), 耕地面積為13 799.89 hm2, 占總耕地面積的4%, 主要分布在公主嶺市西南部的南崴子街道、葦子溝街道、八屋鎮(zhèn)和雙龍鎮(zhèn)東部。該區(qū)域耕地狀態(tài)良好, 適宜優(yōu)先開(kāi)展耕地整治, 區(qū)域耕地土層深厚, 土壤有機(jī)質(zhì)含量高, 沒(méi)有污染, 土壤質(zhì)地以壤土和黏壤土為主, 基礎(chǔ)設(shè)施條件基本良好。區(qū)域內(nèi)前3的障礙性因素為農(nóng)田防護(hù)林覆蓋率, 道路通達(dá)度和田塊規(guī)整度, 這3個(gè)指標(biāo)的生態(tài)位適宜度的平均值分別為0.46、0.60和0.68。從障礙性因素來(lái)看, 農(nóng)田防護(hù)林覆蓋率是限制該區(qū)域耕地整治的首要因素, 今后應(yīng)加大農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)建設(shè), 農(nóng)田防護(hù)林不僅可以防風(fēng)固沙, 涵養(yǎng)水源, 而且能夠改善農(nóng)田周?chē)夂? 有利于保護(hù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。此外, 道路通達(dá)度和田塊規(guī)整度也制約著Ⅰ級(jí)區(qū)域耕地整治的建設(shè), 建議今后修整道路, 征求農(nóng)民意見(jiàn), 重新規(guī)劃田塊形狀, 提高耕作效率。

2)Ⅱ級(jí)區(qū)域。Ⅱ級(jí)區(qū)域?yàn)橹卸冗m宜開(kāi)展耕地整治區(qū), 耕地面積為77 754.36 hm2, 占總耕地面積的23%, 主要位于公主嶺市南部的秦家屯鎮(zhèn)、大榆樹(shù)鎮(zhèn)、朝陽(yáng)坡鎮(zhèn), 北部的響水鎮(zhèn)和東部雙城堡鎮(zhèn)。此區(qū)域耕地情況從準(zhǔn)則層來(lái)看自然條件和空間穩(wěn)定性均良好, 制約耕地整治的主要因素是基礎(chǔ)設(shè)施條件中的灌溉條件、道路通達(dá)度和生態(tài)可持續(xù)條件中的農(nóng)田防護(hù)林覆蓋率, 公主嶺市耕地種植屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè), 田間缺少灌溉措施, 灌溉條件的生態(tài)位適宜度的平均值僅為0.56, 限制該區(qū)域耕地整治, 今后應(yīng)著重提升灌溉設(shè)施的建設(shè), 提升區(qū)域的農(nóng)田灌溉保證率。道路通達(dá)度和農(nóng)田防護(hù)林覆蓋率的生態(tài)位適宜度的均值分別為0.61和0.62。因此, 建議該區(qū)域同Ⅰ級(jí)區(qū)域一樣, 修整田間道路, 使田塊與田塊之間、田塊與居民點(diǎn)之間保持交通便利, 提高機(jī)械化作業(yè)效率; 根據(jù)農(nóng)田特點(diǎn)以及公主嶺市氣候、土壤等自然條件科學(xué)合理布設(shè)農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)。

此外, 在實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn), 該區(qū)域小型農(nóng)機(jī)具的普遍使用使得土壤板結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重, 犁底層變厚, 土壤蓄水能力不足。建議區(qū)域使用大型機(jī)械統(tǒng)一集中作業(yè), 3~5年深翻一次, 打破犁底層, 增加耕層厚度, 改善土壤通透性。

3)Ⅲ級(jí)區(qū)域。Ⅲ級(jí)區(qū)域?yàn)檩p度適宜開(kāi)展耕地整治區(qū), 耕地面積為177 192.38 hm2, 占總耕地面積的53%, 主要分布在公主嶺市中東部的雙龍鎮(zhèn)、懷德鎮(zhèn)、黑林子鎮(zhèn)、永發(fā)鄉(xiāng)、大嶺鎮(zhèn)、范家屯鎮(zhèn)和陶家屯鎮(zhèn), 西部的桑樹(shù)臺(tái)鎮(zhèn)、毛城子鎮(zhèn)和南部的二十家子鎮(zhèn)、龍山鄉(xiāng)。西部地區(qū)地勢(shì)較為平坦, 中東部區(qū)域地勢(shì)稍有起伏, 有漫崗漫川, 南部地區(qū)地貌類型多丘陵和山地。該區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量較低, 田塊不規(guī)整, 道路通達(dá)度一般, 缺少灌溉設(shè)施, 抗旱能力差, 有沙化土壤, 生態(tài)可持續(xù)性差。這類地區(qū)耕地整治較難, 耕地自然稟賦差, 且缺乏基礎(chǔ)設(shè)施, 建議作為耕地整治后備區(qū)域。限制該區(qū)域耕地整治的前3個(gè)因素為土壤有機(jī)質(zhì)含量、距主交通干線距離和土壤pH, 生態(tài)位適宜度值分別為0.48、0.52和0.57。對(duì)于土壤貧瘠區(qū)域, 建議增施有機(jī)肥, 實(shí)施測(cè)土配方施肥, 推廣秸稈還田模式; 距主交通干線距離近的田塊空間穩(wěn)定性差, 易被改變土地用途, 不建議開(kāi)展耕地整治, 可以結(jié)合公主嶺市土地利用總體規(guī)劃及農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)政策等改變土地用途, 提高土地利用效率; 部分區(qū)域有鹽堿地, 限制了作物生長(zhǎng), 建議通過(guò)物理、化學(xué)或生物措施改良土壤, 或種植適宜作物。北部的Ⅲ級(jí)區(qū)域位于丘陵山地區(qū), 坡度成為其主要的限制性因素, 其生態(tài)位適宜度均值為0.46, 建議今后通過(guò)土地平整工程減緩?fù)恋仄露? 或建造梯田, 或還林還草。

圖2 公主嶺市耕地整治適宜性等級(jí)分布圖

表4 公主嶺市耕地整治適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果及障礙因素

4)Ⅳ級(jí)區(qū)域。Ⅳ級(jí)區(qū)域?yàn)椴贿m宜開(kāi)展耕地整治區(qū), 耕地面積為63 325.61 hm2, 占總耕地面積的19%, 主要位于玻璃城子鎮(zhèn)、十屋鎮(zhèn)、楊大城子鎮(zhèn)和劉房子鎮(zhèn)。該區(qū)域前3的障礙因素為土壤質(zhì)地、灌溉條件和耕層厚度, 生態(tài)位適宜度分別為0.47、0.52和0.54。部分風(fēng)蝕沙化區(qū)土壤質(zhì)地為砂土, 建議改良土壤質(zhì)地, 對(duì)于嚴(yán)重地區(qū)可實(shí)行客土、表土剝離等整治工程。此區(qū)域土壤沙化嚴(yán)重, 有機(jī)質(zhì)含量低, 土層薄, 基本無(wú)灌溉、排水設(shè)施, 缺少農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng), 不適宜開(kāi)展耕地整治, 建議今后以保護(hù)生態(tài)環(huán)境為主, 退耕還林還草, 開(kāi)發(fā)休閑農(nóng)業(yè)等。

4 討論與結(jié)論

公主嶺市位于吉林省中部, 是東北典型黑土區(qū)的代表區(qū)域, 區(qū)域耕地多年重用輕養(yǎng), 掠奪式利用, 造成了耕地質(zhì)量下降, 土層變薄, 進(jìn)而影響糧食產(chǎn)量。因此因地制宜、生態(tài)、高效的耕地整治是目前保護(hù)黑土區(qū)的重大課題。本研究借助生態(tài)位適宜度模型對(duì)公主嶺市耕地整治適宜性進(jìn)行了探討, 研究采用加權(quán)法的生態(tài)位適宜度模型量化各評(píng)價(jià)單元的生態(tài)位適宜度值。以往的研究多通過(guò)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的幾何平均值表征各評(píng)價(jià)單元的生態(tài)位適宜度, 難以突出不同指標(biāo)對(duì)于生態(tài)適宜度的影響程度。黑土區(qū)是我國(guó)糧食供應(yīng)的重點(diǎn)區(qū)域, 其耕地整治應(yīng)在兼顧生態(tài)治理的同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注耕地地力水平, 因此加權(quán)求和模型能夠很好體現(xiàn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)公主嶺市耕地整治的不同影響程度。在指標(biāo)體系建立過(guò)程中選擇了土壤pH、土壤污染程度、農(nóng)田防護(hù)林覆蓋率以及距主公路距離等能夠表征耕地生態(tài)整治需求的指標(biāo), 但仍有不足, 考慮今后可增加土壤侵蝕情況等反映黑土區(qū)水土流失等特殊情況的指標(biāo)進(jìn)行深入研究。

研究結(jié)果顯示, 公主嶺市高度適宜區(qū)耕地面積13 799.89 hm2, 占總耕地面積的4.16%, 主要障礙性因素為農(nóng)田防護(hù)林覆蓋率、道路通達(dá)度和田塊規(guī)整度; 中度適宜區(qū)耕地面積77 754.36 hm2, 占總耕地面積的23.41%, 主要障礙性因素為灌溉條件、道路通達(dá)度和農(nóng)田防護(hù)林覆蓋率; 輕度適宜區(qū)耕地面積177 192.38 hm2, 占總耕地面積的53.36%, 主要障礙性因素為土壤有機(jī)質(zhì)含量、距主交通干線距離和土壤pH; 不適宜區(qū)耕地面積63 325.61 hm2, 占總耕地面積的19.07%, 主要障礙性因素為土壤質(zhì)地、灌溉條件和耕層厚度。研究結(jié)果與公主嶺市耕地現(xiàn)狀基本吻合, 說(shuō)明本研究的方法科學(xué)可行, 研究結(jié)果有一定的實(shí)用價(jià)值。

本研究將生態(tài)位適宜度評(píng)價(jià)模型引入耕地整治適宜性評(píng)價(jià)中, 從自然條件、基礎(chǔ)設(shè)施條件、生態(tài)可持續(xù)性和空間穩(wěn)定性4個(gè)方面構(gòu)建了東北典型黑土區(qū)公主嶺市耕地整治適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 以最適生態(tài)位作為耕地整治的標(biāo)準(zhǔn), 科學(xué)劃分公主嶺市耕地整治區(qū)域并定量確定障礙性因素。結(jié)果表明公主嶺市耕地自然條件整體良好, 耕地整治高度適宜區(qū)(Ⅰ級(jí))和中度適宜區(qū)(Ⅱ級(jí))主要位于公主嶺市西南部和北部, 耕地面積為91 554.24 hm2, 占總耕地面積的27%。其主要限制因素為灌溉條件、農(nóng)田防護(hù)林覆蓋率、田塊規(guī)整度以及道路通達(dá)度。建議相關(guān)部門(mén)今后分區(qū)開(kāi)展耕地整治, 對(duì)于不同區(qū)域采取相應(yīng)的整治措施。借助生態(tài)位適宜度模型研究耕地整治適宜性, 豐富了耕地整治理論體系和研究方法, 促進(jìn)了耕地整治規(guī)劃與現(xiàn)代生態(tài)學(xué)理論的交叉、滲透和融合, 為公主嶺市開(kāi)展耕地整治提供了一定的理論依據(jù)。

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Evaluation of cultivated land consolidation suitability in Northeast China black soil zone using niche-fitness model: A case study of Gongzhuling City*

XU Xiaoqian, WANG Jingkuan**, LI Shuangyi, PEI Jiubo, YANG Ji, ZHANG Weijun

(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Cultivated land consolidation is a good protection measure of land resources, while land suitability evaluation forms the prerequisite and basis for cultivated land consolidation. Niche theory is generally used in ecological studies. Niche-fitness can be used to characterize the suitability of species to habitat conditions, which is increasingly applied on landscape studies. Similarly, it can be used to characterize the suitability of cultivated land consolidation index. With Gongzhuling City as the case study, this paper used niche theory and 14 indicators of four index layers (natural condition, infrastructure condition, ecological sustainability and spatial stability) to establish the suitability evaluation index system of cultivated land consolidation,. The Delphi method was then used in combination with Analytic Hierarchy Process (AHP) to determine the index weight. While the actual ecological niche of cultivated land consolidation was defined as the real index value, optimal ecological niche was defined as the ideal index value. Thus the evaluation models for the three index types (positive index, negative index and moderate index) were determined on the basis of the match degree between actual and optimal ecological niche. Based on this approach, the weighted sum of matching degree was calculated as the niche-fitness value of each evaluation unit. Finally, using the Ward method, the suitability of cultivated land consolidation were divided into 4 grades to evaluate cultivated land consolidation regions. Meanwhile, the optimal niche was proposed as a standard of cultivated land consolidation to establish the diagnosis model of obstacle indicators, clarifying the priority and orientation on cultivated land consolidation in different regions, searching countermeasures and valid paths. The results showed that the natural condition of cultivated land in Gongzhuling City was good and that cultivated land consolidation could be prioritized in the Southwest and North. About 13 799.89 hm2of land was highly suitable for cultivated land consolidation, which accounted for 4.16% of the total cultivated land. This area was restricted by farmland shelter belt ratio, road accessibility and the degree of field regularity. About 77 754.36 hm2of land was moderately suitable for cultivated land consolidation, accounting for 23.41% of the total cultivated land. The land was restricted by irrigation condition, road accessibility and farmland shelter belt ratio. About 177 192.38 hm2of land was mildly suitable for cultivated land consolidation, accounting for 53.36% of the total cultivated land. The land was restricted by soil organic matter content, distance from main traffic line and soil pH. The area unsuitable for cultivated land consolidation was 63 325.61 hm2, accounting for 19.07% of the total cultivated land area. And the restrictive factors were soil texture, irrigation condition and topsoil thickness. It was suggested that the relevant departments should carry out corresponding measures of cultivated land consolidation in different regions and orderly implement the measures in the future. In conclusion, the application of the niche-fitness model in the evaluation of cultivated land consolidation suitability extended the application range of the theory of ecological niche. This provided the scientific basis for site selection and consolidation direction of cultivated land consolidation projects.

Cultivated land consolidation; Suitability evaluation; Niche-fitness model; Black soil zone; Northeast China

, E-mail: j-kwang@163.com

10.13930/j.cnki.cjea.170633

F301.21

A

1671-3990(2018)03-0432-10

汪景寬, 主要從事土地資源管理與土壤肥力方面的研究。E-mail: j-kwang@163.com 徐小千, 主要從事土地整治與土地生態(tài)方面的研究。E-mail: O_xiaoqian@163.com

2017-07-11

2017-11-10

* This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201303126-8, 201303125-2) and the Natural Science Foundation of Liaoning Province (20170540799).

* 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201303126-8, 201303125-2)和遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20170540799)資助

Jul. 11, 2017; accepted Nov. 10, 2017

徐小千, 汪景寬, 李雙異, 裴久渤, 楊驥, 張維俊. 基于生態(tài)位理論的東北黑土區(qū)耕地整治適宜性評(píng)價(jià)——以公主嶺市為例[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(3): 432–441

XU X Q, WANG J K, LI S Y, PEI J B, YANG J, ZHANG W J. Evaluation of cultivated land consolidation suitability in Northeast China black soil zone using niche-fitness model: A case study of Gongzhuling City[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(3): 432–441