基于限制因素組合序列的耕地質(zhì)量提升潛力研究*
——以什邡市為例

馮茂秋，黃 佩，潘洪義※，徐 婕

(1.四川師范大學西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點實驗室,成都 610066； 2.四川師范大學地理與資源科學學院，成都 610066)

0 引言

隨著城市化步伐的持續(xù)推進，耕地格局變化愈加劇烈。長期以來，耕地數(shù)量始終被置于優(yōu)先位置，導致耕地質(zhì)量與結(jié)構(gòu)趨于惡化。在現(xiàn)代化建設的新時代下，進一步挖掘耕地潛力，對加強耕地質(zhì)量建設，優(yōu)化耕地結(jié)構(gòu)具有重大的意義[1-2]。對此，國內(nèi)外諸多學者展開深入研究。國外耕地潛力研究多以土地潛力評價為主，以美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局為代表創(chuàng)先提出以自然因素為主要評價因素的土地潛力評價系統(tǒng)[3-5]。隨后其他國家學者相繼借鑒該系統(tǒng)采用不同潛力級組成的土地利用潛力評價系統(tǒng)[4]。在此基礎上，國外從自然限制因素出發(fā)展開對耕地質(zhì)量提升的研究，主要集中于指標選取和質(zhì)量改良。其中Doran指出，在眾多的土壤質(zhì)量指標中，必須選擇最能反映土壤質(zhì)量狀況指標[6]。Ahmad對巴基斯坦土壤壓實現(xiàn)狀導致的作物產(chǎn)量下降進行了研究分析，并提出相應改良措施[7]。Brejda 等采用因素分析確定土壤質(zhì)量的主要因素，采用差異顯著性分析檢測對不同利用方式反應靈敏的土壤屬性[8-11]。

隨著對耕地潛力的深入研究，部分學者開始考慮在數(shù)量和質(zhì)量的基礎上引入生態(tài)理念，或構(gòu)建多指標評價體系對耕地整理潛力進行實證研究[12-19]。國內(nèi)學者在研究耕地潛力方面多以土地整理為依托，以增加可利用耕地面積、提高耕地綜合生產(chǎn)能力和生態(tài)環(huán)境改善程度三者來表征潛力[20-21]。并且出現(xiàn)耕地整理潛力測算由單一數(shù)量潛力測算，逐步向三者并重的趨勢發(fā)展[14]。國內(nèi)對耕地質(zhì)量提升的研究大體上存在“質(zhì)量評價是基礎，限制因素分析是關鍵，土地整治是出口”的思路。石淑芹等通過對東北地區(qū)耕地進行評價并劃分中高低產(chǎn)田，提出了東北地區(qū)增加糧食潛力的方向[22-23]。張瑞娟等從土地整治可以改善或消除耕地質(zhì)量限制因素的程度出發(fā)，構(gòu)建評價指標體系進行提升潛力計算[24-26]。吳昊利用東北三省的耕地分等成果，分析低等耕地的主要限制因素，并以自然質(zhì)量等潛力指數(shù)模型為依據(jù)，劃分土地整治重點區(qū)，并給予針對性提高舉措[27]。關于數(shù)量潛力測算多采用已實施項目區(qū)新增耕地系數(shù)法計算[28]，且多通過區(qū)域待整治耕地現(xiàn)狀與理論間的差距來測算[28-29]。綜上，國內(nèi)關于耕地質(zhì)量限制因素分析上還需加強定量分析，加強具體研究的科學性。

文章在把握耕地質(zhì)量現(xiàn)狀的基礎上，采用限制性指數(shù)模型，定量計算不同限制因素的限制性大小，以此為基礎分析影響耕地質(zhì)量的主導限制因素，進行質(zhì)量提升分區(qū)。分別對不同質(zhì)量提升區(qū)的潛力進行測算，定量分析什邡市耕地質(zhì)量提升潛力。以期為全市耕地質(zhì)量的建設與發(fā)展指明方向，豐富耕地質(zhì)量潛力研究思路。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

什邡市屬德陽市下轄的縣級市，地處成都平原西北部，位于103°47′E～104°17′E， 31°01′N～31°37′N之間[30]。截止2014年末，什邡市總?cè)丝?3.781 4萬人，其中農(nóng)業(yè)人口占72.81%，全年實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值220.16億元。2014年全市土地總面積為8.202 7萬hm2，轄2個街道辦事處和14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)[31]。受地形條件限制，什邡市平原面積約占38%左右，土地利用類型多樣，但耕地比重較小。耕地后備資源缺乏，耕地數(shù)量潛力相當有限，對耕地質(zhì)量提升的要求將進一步提高。

1.2 數(shù)據(jù)來源

耕地數(shù)量數(shù)據(jù)主要來源于什邡市2014年遙感影像解譯結(jié)果和什邡市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)； 耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于2010年度什邡市耕地質(zhì)量等級補充完善成果； 統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于2015年《什邡市統(tǒng)計年鑒》，以及相關政府部門網(wǎng)站。結(jié)合基礎數(shù)據(jù)，對遙感影像進行解譯并完成土地利用分類； 對照土地利用現(xiàn)狀圖對分類結(jié)果進行修正，在確保精度的前提下，提取耕地圖斑，并利用高清影像進行地類識別的輔助判斷，形成2014年耕地基礎圖層。

2 研究方法

2.1 限制指標選取及權重

基于指標選取的綜合分析、穩(wěn)定性、可操作性原則，該文將沿用四川省農(nóng)用地分等因素指標體系，將其作為影響耕地質(zhì)量的限制因素。具體指標包括有效土層厚度、表層土壤質(zhì)地、剖面構(gòu)型、土壤有機質(zhì)含量、排水條件、地形坡度以及灌溉保證率等8種。為了與現(xiàn)有什邡市農(nóng)用地分等成果具有可比性，該文采用的分等因素權重與已有農(nóng)用地分等成果保持一致，沿用什邡市分等因素指標權重作為限制因素的指標權重值(表1)。

表1 什邡市耕地質(zhì)量限制因素指標權重

限制因素有效土層厚度表層土壤質(zhì)地剖面構(gòu)型土壤有機質(zhì)含量土壤酸堿度排水條件地形坡度灌溉保證率權重0.120.080.140.150.080.140.090.2

2.2 限制性指數(shù)模型

限制因素——李比西最低因素定律又稱最低定律或最小定律，它是由德國化學家李比西J.V.Liebig提出[32]。在耕地質(zhì)量提升潛力的研究中，該理論中的最低因素實際上表示制約耕地質(zhì)量提升的最大限制性因素。限制性指數(shù)模型是在農(nóng)用地自然等指數(shù)計算公式的基礎上，將影響耕地質(zhì)量限制因素在農(nóng)用地分等中的最大值與的實際分值進行比較，兩者差額占最大值的百分比即為該因素在全域的限制程度[3-35]。具體計算公式為：

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中，Lik為第i個地塊的第k個限制因素的限制性大?。籖ik為第i個地塊第的k個限制因素的最大自然等別指數(shù)；rik為第i個地塊第的k個限制因素實際自然等指數(shù)；wjk為第j種指定作物的第k個限制因素的權重；fijk為第i個地塊的第j種指定作物的第k個限制因素的質(zhì)量分值；αj為第j種指定作物的光溫(氣候)生產(chǎn)潛力指數(shù)；βj為第j種指定作物的產(chǎn)量比系數(shù)；k為限制因素編號。

2.3 耕地質(zhì)量提升潛力測算

耕地質(zhì)量潛力具體包括理論潛力和可實現(xiàn)潛力。該文討論的質(zhì)量潛力是指可實現(xiàn)潛力，即可采用現(xiàn)狀實際水平與質(zhì)量改善后的目標水平的差異來表示[36]。具體用公式(4)來計算不同質(zhì)量提升區(qū)的潛力。

Qi=qi-qo

(4)

式(4)中，Qi表示潛力大小；qi表示目標等別；qo表示實際等別。

表2 2014年什邡市耕地自然等別面積

自然等別面積(hm2)占比(%)719 057.34 75.62 83 726.89 14.79 92 162.81 8.58 10253.13 1.01 合計25 200.17 100.00

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地質(zhì)量現(xiàn)狀評價

該文根據(jù)農(nóng)用地分等規(guī)程以及四川省縣級耕地質(zhì)量年度更新方法對2014年什邡市耕地質(zhì)量進行自然質(zhì)量評價。利用空間疊加方法獲取分等因素數(shù)據(jù)，多方面收集其他相關項目資料，根據(jù)分等規(guī)程的技術方法以及上文中自然等別劃分計算過程測算2014年耕地自然質(zhì)量的等別信息。通過耕地自然等別評價，得出2014年什邡市耕地自然等別分布情況(表2)。

2014年什邡市耕地總面積2.520 017萬hm2。耕地自然等別分布區(qū)間在7～10等之間。其中以7等比重最大，占全市總耕地面積的75.62%。8等地次之， 9等地和10等地比重偏小，分別占全市總耕地面積的8.58%和1.01%?？臻g上自然等別基本呈現(xiàn)南高北低的態(tài)勢。即南部平原區(qū)耕地整體質(zhì)量較好，自然等別較高； 北部丘陵區(qū)以及丘陵與平原的過渡地帶的耕地質(zhì)量較差，自然等別偏低。

3.2 限制因素分析

利用限制性指數(shù)模型計算出8種限制因素的限制性大小，并依據(jù)限制程度劃分標準劃分出無限制、低限制、中限制和高限制程度，如表3所示，序號為1的組合中分別存在無限制和低限制兩種限制程度，由此得出其主導限制程度為低限制。而序號為110的組合中，分別存在無限制、低限制、中限制和高限制程度，該組合的主導限制程度為高限制。以此得出每種組合類型的主導限制程度。鑒于篇幅考慮該文只羅列部分因素組合類型(表3)。

表3 限制程度因素組合類型

序號L土層L質(zhì)地L剖面構(gòu)型L有機質(zhì)L酸堿度L坡度L排水L灌溉主導限制程度1低無無低低低無低低限制2低無無低低無無低低限制3低無無低無低低無低限制4低無無低無低無無低限制5低無無低無無低無低限制6無無無低無低低無低限制7無無無低無無低無低限制8中無無中低無無低中限制9中無無中低中低低中限制…………………………110低中高無低低低無高限制111低中高無低無低無高限制112無中高無低低低無高限制 注:L表示對應因素的限制性大小,如L土層表示序號為1的地塊土層因素限制性大小

由表3可知什邡市耕地存在普遍限制，其中坡度、剖面構(gòu)型以及灌溉存在高限制。基于限制程度的劃分結(jié)果，分別劃定低限制主導、中限制主導以及高限制主導，并對8種限制因素的限制程度排序，將最高的限制程度作為該種組合的主導限制程度。利用因素組合法將4種限制程度進行排列組合，得到以上112種組合類型。

根據(jù)主導限制程度分類，得出“主導限制程度—主導限制因素”體系。結(jié)果表明，什邡市耕地主導限制程度為低限制的耕地共有圖斑1.054 3萬個，占全市耕地總面積的19.77%。這部分耕地主要受無限制和低限制因素影響，其限制程度對作物生長影響較低。中限制的耕地占總耕地總面積的65.81%。此類耕地存在1～4種主導限制因素不等，其中受“有機質(zhì)—酸堿度”主導限制耕地最廣，“酸堿度”主導限制耕地次之。主導限制程度為高限制的耕地占總耕地總面積的14.42%。這部分耕地存在1～2種主導限制因素，其中“剖面構(gòu)型”主導限制耕地較大，占全市耕地總面積的13.91%。全市耕地中，受單因素主導限制的耕地占總面積的29.76%，受多因素共同主導限制的耕地占總面積的50.47%。

3.3 耕地質(zhì)量提升分區(qū)及整治措施

通過耕地質(zhì)量限制因素分析結(jié)果，限制因素組合、高限制因素的個數(shù)、限制因素改變的難易程度、鄰近土壤狀況及所處鄉(xiāng)鎮(zhèn)的經(jīng)濟發(fā)展水平等情況，按照“先易后難與分層控制相結(jié)合”的方式，首先根據(jù)限制因素組合中出現(xiàn)的權重較大限制程度較低的因素進行優(yōu)先整治，將主導限制程度較低、限制因素個數(shù)較少的做第一層控制，即主導限制程度較低的放在近期整治； 其次根據(jù)主導限制因素的整治難易程度做第二層控制，即主導限制因素中容易整治的限制因素優(yōu)先整治； 最后，結(jié)合鄰近土壤狀況和所處鄉(xiāng)鎮(zhèn)的經(jīng)濟發(fā)展水平作為第三層控制，即土壤狀況變化與鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟水平切實相關，整治周期較長，故放在遠期整治。最終劃分出近期、中期和遠期質(zhì)量提升區(qū)(表4)。

表4 什邡市耕地質(zhì)量提升分區(qū)面積

質(zhì)量提升分區(qū)圖斑個數(shù)(萬)面積(萬hm2)占比(%)近期質(zhì)量提升分區(qū)1.225 00.563 95722.38中期質(zhì)量提升分區(qū)4.537 81.593 06863.22遠期質(zhì)量提升分區(qū)0.676 50.362 99314.40總計6.439 32.520 017100.00

近期質(zhì)量提升區(qū)包括無中、高主導限制因素的耕地以及由排水、灌溉、坡度和土層單獨限制或共同限制的耕地，自然等別提升潛力在1個等別之內(nèi)。其中9等提升為8等比重最大，主要為冰川鎮(zhèn)、師古鎮(zhèn)等部分耕地，此外部分洛水鎮(zhèn)的耕地從8等地可提升為7等。總體看，北部丘陵區(qū)和丘陵平原過渡區(qū)的耕地現(xiàn)狀自然質(zhì)量較差，質(zhì)量提升空間較大，是潛力挖掘的重點。該質(zhì)量提升區(qū)整治措施主要以排灌工程、土地平整的物理措施為主。應加強排水溝渠修建，以明溝暗渠相結(jié)合的方式提升排水條件。興修農(nóng)田水利設施，提高耕地灌溉保證率。在有灌溉條件地方需要加強引流灌溉，而無灌溉水源的地方則需要適當增加儲水坑塘數(shù)量，采用泵站提水措施以提升灌溉保證率。土地平整應對田面坡度進行整治，修建梯田或條田來增加梯田率，提高耕作效率。

中期質(zhì)量提升區(qū)主要包括中限制因素為主導的耕地，主要限制因素為土壤厚度和土壤酸堿度，其自然等別提升潛力在1個等別之內(nèi)。其中9等提升為8等比重占該類提升區(qū)總面積的6.18%，主要分布于洛水鎮(zhèn)、湔氐鎮(zhèn)等地。8等地可提升為7等占該類型的總面積的1.56%，主要包括師古鎮(zhèn)、隱峰鎮(zhèn)等的部分耕地。表明中期質(zhì)量提升區(qū)內(nèi)，丘陵往平原過渡區(qū)的耕地自然質(zhì)量較差，質(zhì)量提升空間較大。提升措施主要以土壤化學、生物改良的土壤酸堿度和土層厚度為主?？蛇m當增施硫磺粉等酸性肥料進行改良，同時需適當增施有機肥，推廣秸稈還田，提高土壤有機質(zhì)含量，也要注意防止過渡施肥造成的土壤污染。

遠期提升區(qū)范圍包括中、高限制因素中以剖面構(gòu)型為主導限制的耕地，自然等別提升潛力在0～2等之間。其中以8等提升為7等為主，此類耕地面積為3 065.22hm2，主要包括隱峰鎮(zhèn)、馬井鎮(zhèn)等部分耕地。9等提升為8等耕地占該質(zhì)量提升區(qū)總面積的3.33%。主要包括隱峰鎮(zhèn)、馬井鎮(zhèn)等部分耕地。10等提升為9等耕地面積為253.13hm2，占該質(zhì)量提升區(qū)總面積的6.97%。主要包括鎣華鎮(zhèn)、冰川鎮(zhèn)等部分耕地。提升2等的耕地面積為12.75hm2，占該質(zhì)量提升區(qū)總面積的0.35%。此外4.90%的耕地等別無變化，即實際等別和目標等別均為9等。該質(zhì)量提升區(qū)普遍受剖面構(gòu)型主導限制，以“通體粘”和“粘/沙/粘”的剖面構(gòu)型為主，且與表層土壤質(zhì)地限制具有空間一致性，既嚴重限制作物生長，也不利于耕作。對此，若僅針對表層土壤質(zhì)地的改良可采用表土剝離、客土改良的措施。對深層次改良則需要采取土體重構(gòu)的方式重新構(gòu)建適宜的土體，以此達到剖面構(gòu)型整治的效果。

3.4 綜合潛力分析

通過對主導限制因素分別進行近、中遠期整治后，按照現(xiàn)行的耕地質(zhì)量等別劃分標準(400分為等間距)，結(jié)合現(xiàn)狀自然質(zhì)量分和改良后鄰近耕地狀況，對改良后的評價單元自然質(zhì)量分重估值并進行等別的重新劃分，重新劃分后的等別與原有等別之差，即為耕地質(zhì)量等別提升目標。耕地質(zhì)量重估得到目標等別，結(jié)合公式(4)可分別計算出邡市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地自然等提升潛力(表5)。

表5 什邡市耕地質(zhì)量提升各鄉(xiāng)鎮(zhèn)潛力

序號鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱面積(hm2)實際等別目標等別提升潛力1冰川鎮(zhèn)227.479.398.401.002禾豐鎮(zhèn)2 219.097.077.030.043紅白鎮(zhèn)122.739.008.740.264回瀾鎮(zhèn)1 733.527.017.010.015湔氐鎮(zhèn)2 127.977.337.190.146洛水鎮(zhèn)1 718.607.427.180.247馬井鎮(zhèn)2 969.797.447.040.398馬祖鎮(zhèn)1 500.317.197.090.109南泉鎮(zhèn)2 736.097.157.050.1010師古鎮(zhèn)3 277.967.387.230.1611雙盛鎮(zhèn)1 807.717.197.090.1012隱峰鎮(zhèn)2 782.227.687.040.6313鎣華鎮(zhèn)365.419.358.600.7514元石鎮(zhèn)1 022.547.047.020.0215皂角鎮(zhèn)588.787.027.010.01 平均—7.657.380.27

圖1 近(a)、中(b)、遠(c)期質(zhì)量提升區(qū)自然等別變化情況分布

什邡市耕地目標自然等別分布區(qū)間為7～9等。其中7等地增加3 331.87hm2，這部分耕地集中分布于南部平原區(qū)，而北部丘陵區(qū)的冰川鎮(zhèn)和鎣華鎮(zhèn)有少量的7等地分布。8等地面積減少1 502.46hm2，主要分布于湔氐鎮(zhèn)南部、師古鎮(zhèn)等地。9等地面積減少1 576.28hm2，主要分布于北部丘陵區(qū)的紅白鎮(zhèn)、冰川鎮(zhèn)等地。

經(jīng)過質(zhì)量提升以后，什邡市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中回瀾鎮(zhèn)、皂角街道的平均自然等別最高，為7.01等。紅白鎮(zhèn)等別最低，為8.74等。鄉(xiāng)鎮(zhèn)目標平均等別為7.38等。從潛力大小來看，冰川鎮(zhèn)潛力最大，可提升1等。表明實際耕地質(zhì)量較差，但是得到有效提升整治后等別提升明顯，這部分耕地是挖潛重點對象。潛力最小的是皂角街道和回瀾鎮(zhèn)，僅能提升0.01等。表明實際耕地質(zhì)量較優(yōu)，潛力挖掘的空間較小，但是仍然需加強耕地的養(yǎng)護。

4 結(jié)論與討論

(1)全市耕地質(zhì)量在全國范圍內(nèi)屬于中等偏下水平，耕地質(zhì)量差異明顯，并呈現(xiàn)出明顯的地域特征。優(yōu)質(zhì)耕地主要分布于南部平原，劣質(zhì)耕地主要分布于北部丘陵區(qū)以及丘陵與平原過渡區(qū)。

(2)全市范圍內(nèi)耕地質(zhì)量存在普遍限制，分區(qū)限制特征明顯。其中南部平原內(nèi)部中等程度酸堿度限制范圍較廣； 北部丘陵區(qū)表現(xiàn)為較高程度的地形坡度限制和灌溉保證率限制； 南部河谷地帶以較高程度的剖面構(gòu)型限制為主。在限制因素分析的基礎上，劃分出了近、中、遠3期質(zhì)量提升區(qū)。其中近期質(zhì)量提升以排灌工程、土地平整的物理措施為主。中期質(zhì)量提升區(qū)的整治措施以土壤化學、生物改良的土壤酸堿度和土壤有機質(zhì)含量限制為主。遠期質(zhì)量提升區(qū)限制程度高，質(zhì)量潛力較大，在技術資金條件達到的情況下，應及時對這部分耕地進行有效整治。

(3)提升潛力空間差異明顯。在平均潛力大小方面，遠期>中期>近期，遠期質(zhì)量提升區(qū)平均潛力為0.96，中期質(zhì)量提升區(qū)平均潛力為0.10，近期質(zhì)量提升區(qū)平均潛力為0.07。近期和中期質(zhì)量提升區(qū)的自然等別提升潛力在0～1等之間，遠期質(zhì)量提升區(qū)的自然等別提升潛力在0～2等之間。

該文以農(nóng)用地分等理論為指導，結(jié)合現(xiàn)有耕地數(shù)據(jù)，對什邡市進行質(zhì)量提升分區(qū)，在以后的限制因素分析中應適當考慮社會經(jīng)濟因素的影響，以便能提出更具針對性的建議。