基于GIS和修正法的耕地定級(jí)研究:以圖們市為例

齊魯，李淑杰，曹競(jìng)文，杜婉婷，黃夢(mèng)佳

吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061

0 引言

耕地定級(jí)是在行政區(qū)內(nèi)，依據(jù)構(gòu)成耕地質(zhì)量的自然屬性、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況和區(qū)位條件，根據(jù)地方土地管理和實(shí)際情況需要，根據(jù)一定的耕地定級(jí)目的，在行政區(qū)內(nèi)對(duì)耕地質(zhì)量進(jìn)行的綜合評(píng)定[1--2]。耕地定級(jí)對(duì)實(shí)現(xiàn)土地資源管理向數(shù)量、質(zhì)量及生態(tài)相協(xié)調(diào)管理轉(zhuǎn)變，對(duì)糧食綜合能力核算、土地利用總體規(guī)劃修編和耕地留住具有基礎(chǔ)性、科學(xué)性的現(xiàn)實(shí)意義[3]；同時(shí)可為國(guó)土資源管理部門的建設(shè)用地征用補(bǔ)償、耕地占補(bǔ)平衡和基本農(nóng)田調(diào)整劃定等工作提供依據(jù)[4]。2017年，中央頒布4號(hào)文件，明確提出加強(qiáng)耕地質(zhì)量調(diào)查評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)，完善耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)制度和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。2018年，國(guó)務(wù)院下發(fā)的《第三次全國(guó)土地調(diào)查實(shí)施方案》的專項(xiàng)用地調(diào)查中，明確提出開展耕地分等定級(jí)調(diào)查評(píng)價(jià)[5]。

筆者基于圖們市耕地分等成果，采用修正法，借助GIS軟件對(duì)圖們市耕地進(jìn)行定級(jí)研究，為圖們市耕地合理利用和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

圖們市位于吉林省東部，長(zhǎng)白山脈東麓，圖們江下游，處于129°31′57″～130°12′16″E， 42°46′44″～43°12′19″N之間。全境東西長(zhǎng)約57 km，南北寬約37 km，總面積1 140.50 km2。西與延吉市接壤，西南與龍井市相鄰，東與琿春市相接，東南隔圖們江與朝鮮民主主義共和國(guó)相望，北與汪清縣相連[6]。圖們市地處長(zhǎng)白山系，南崗山脈縱貫?zāi)媳?，形成西北高、東南低的丘陵峽谷和河谷盆地。

圖們市屬中溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，溫度、雨量及日照季節(jié)性變化幅度大，氣溫受地勢(shì)高低的影響也頗大，因而四季區(qū)分明顯。年平均氣溫為5.8℃。年平均日照總時(shí)數(shù)為2 336.8 h，作物生長(zhǎng)期為5～9月，積溫為2 742.1℃，無(wú)霜期從5月初開始至9月末，在125～150 d之間，年平均降雨量為501.8 mm±。圖們市土壤分類共有5個(gè)土類，14個(gè)亞類，28個(gè)土屬，53個(gè)土種。但由于地形、氣候及植被等區(qū)域性因素的影響，圖們市的土壤一般呈垂直分布狀態(tài)。根據(jù)圖們市2016年度耕地質(zhì)量等別年度更新評(píng)價(jià)成果，圖們市行政區(qū)轄區(qū)內(nèi)土地總面積為1 131.92 km2，其中耕地面積為106.33 km2，占土地總面積的9.39%。

2 研究方法

2.1 定級(jí)方法與定級(jí)單元?jiǎng)澐?/h3>

根據(jù) 《農(nóng)用地定級(jí)規(guī)程》(GB/T 28405--2012)， 耕地質(zhì)量定級(jí)方法主要包括修正法、因素法和樣地法3種[7]。研究表明，修正法比其他兩種方法更適合耕地定級(jí)[8--9]，因此本次圖們市耕地定級(jí)參考《吉林省耕地定級(jí)方案(試行)》[10]要求，結(jié)合圖們市耕地分等工作較為成熟、耕地質(zhì)量等別更新評(píng)價(jià)成果具有較強(qiáng)時(shí)效性的現(xiàn)狀，以GIS技術(shù)為支撐，直接采用圖們市2016年度變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)中耕地圖斑作為定級(jí)單元。

2.2 修正因素體系及權(quán)重確定

根據(jù)《農(nóng)用地定級(jí)規(guī)程》(GB/T 28405--2012)的相關(guān)要求，參考農(nóng)用地定級(jí)中涉及的備選因素[11]，結(jié)合圖們市的實(shí)際情況，最終選擇社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和區(qū)位因素加以修正。其中社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素包括5個(gè)修正因子，區(qū)位因素包括2個(gè)修正因子。借助專家咨詢法，邀請(qǐng)熟悉圖們市耕地質(zhì)量狀況的10名專家，依次對(duì)各修正因子的重要性做出判斷并進(jìn)行打分，經(jīng)過3輪次，總計(jì)填寫30份專家咨詢表，最終確定各修正因素因子的權(quán)重(表1)。

表1 修正法定級(jí)因素因子及權(quán)重

Table 1 Factor and weight of arable land grading with modifying method

修正因素權(quán)重修正因子權(quán)重社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素0.60田間道路密度0.25耕作距離0.18灌溉保證率0.28人均耕地0.15土地利用方式0.14區(qū)位因素0.40中心城鎮(zhèn)影響度0.55道路通達(dá)度0.45

2.3 定級(jí)因子的量化與賦分

根據(jù)耕地質(zhì)量受定級(jí)因素影響方式的不同，將其劃分為2類因素:面狀因素和擴(kuò)散因素，不同因子的量化和賦分方法有所差異[12--13]。

2.3.1 面狀因素

圖們市修正法定級(jí)因子中田間道路密度、耕作距離、人均耕地和利用方式這4個(gè)因子屬于面狀因素，有些因子可通過均值度法確定分值，有些因子可參考搜集到的資料進(jìn)行定性說明[14]。

田間道路密度為正向面狀影響因子，以2016年度圖們市行政村為基本單元，統(tǒng)計(jì)出各行政村農(nóng)村道路總長(zhǎng)度和行政村面積，計(jì)算出田間道路密度現(xiàn)狀值，再根據(jù)均值度法確定其作用分值。耕作距離為逆向面狀影響因子，計(jì)算各耕地定級(jí)單元幾何中心到所在行政村居民點(diǎn)的實(shí)際距離，根據(jù)均值度法確定其作用分值。人均耕地為正向面狀影響因子，以2016年度圖們市行政村為基本單元，統(tǒng)計(jì)出各行政村耕地總面積和行政村常住人口總數(shù)，計(jì)算出人均耕地現(xiàn)狀值，再根據(jù)均值度法確定其作用分值。土地利用方式包括水田、水澆地和旱地3類，圖們市以旱地為主，水田和水澆地規(guī)模相對(duì)較小。參照《吉林省耕地定級(jí)方案(試行)》[10]，為體現(xiàn)旱地與水田、水澆地不同的產(chǎn)出水平，選取土地利用方式作為修正因子，根據(jù)圖們市近年來(lái)各類型耕地生產(chǎn)能力的相對(duì)比例關(guān)系，確定其級(jí)別賦分情況(表2)。

表2 土地利用方式因子分值與分級(jí)情況

Table 2 Factor score and classification of land use pattern

分值級(jí)別土地利用方式1001級(jí)水田902級(jí)水澆地603級(jí)旱地

2.3.2 擴(kuò)散因素

灌溉保證率是耕地質(zhì)量好壞的重要影響因素[15]，為逆向擴(kuò)散型影響因子。在適合的海拔范圍內(nèi)，灌溉保證率的分值隨著其與溝、渠及河流中心線距離的增加呈遞減趨勢(shì)。參照《吉林省耕地定級(jí)方案(試行)》[10]，吉林省根據(jù)東、中、西部耕地灌溉保證率特點(diǎn)劃分4個(gè)級(jí)別，級(jí)別賦分情況見表3。

中心城鎮(zhèn)影響度①級(jí)別劃分：中心城鎮(zhèn)的建設(shè)規(guī)模、工業(yè)總產(chǎn)值及人口規(guī)模大小都對(duì)耕地級(jí)別產(chǎn)生影響，所以本次耕地質(zhì)量定級(jí)過程中在計(jì)算中心城鎮(zhèn)規(guī)模指數(shù)時(shí)主要考慮上述3個(gè)指標(biāo)。且根據(jù)《吉林省耕地定級(jí)方案(試行)》[10]，該3項(xiàng)指標(biāo)量化時(shí)分別賦以相同的權(quán)重來(lái)計(jì)算每個(gè)中心城鎮(zhèn)的規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)。以最高級(jí)中心城鎮(zhèn)規(guī)模指數(shù)100為基礎(chǔ)，計(jì)算其他級(jí)別中心城鎮(zhèn)的相對(duì)規(guī)模指數(shù)，公式：

Mi=100×Ai/Amax

(1)

式中：Mi為第i級(jí)中心城鎮(zhèn)相對(duì)規(guī)模指數(shù)；Ai為第i級(jí)中心城鎮(zhèn)規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值；Amax為最高級(jí)中心城鎮(zhèn)規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值。

按照相對(duì)規(guī)模指數(shù)大小進(jìn)行排序，選取相對(duì)規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值最大的中心城鎮(zhèn)作為1級(jí)中心城鎮(zhèn)，一般應(yīng)為縣政府所在鎮(zhèn)，其在經(jīng)濟(jì)地位等方面明顯高于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)；選取除1級(jí)中心城鎮(zhèn)外的前40%作為2級(jí)中心城鎮(zhèn)；其余城鎮(zhèn)為3級(jí)中心城鎮(zhèn)(表4)。

表3 吉林省灌溉保證率因子分值與分級(jí)情況

表4 圖們市各級(jí)中心城鎮(zhèn)規(guī)模指數(shù)、功能分與影響半徑

②各級(jí)中心城鎮(zhèn)功能分割分：由于高級(jí)別中心城鎮(zhèn)的職能包含了低級(jí)別中心城鎮(zhèn)的職能，因此需對(duì)各級(jí)中心城鎮(zhèn)的功能進(jìn)行分割。

③最大影響半徑的確定：采用定量分析的方法，最終確定各級(jí)中心城鎮(zhèn)的最大影響半徑(表4)，計(jì)算公式：

(2)

式中：di為第i級(jí)中心城鎮(zhèn)的最大影響半徑；S為定級(jí)區(qū)域面積；n為第i個(gè)級(jí)別內(nèi)所含中心城鎮(zhèn)數(shù)量。

④中心城鎮(zhèn)影響度作用分：按照線性衰減公式計(jì)算每個(gè)定級(jí)單元的中心城鎮(zhèn)影響度的作用分值[16]。公式：

Fj=fi×(1-r)

(3)

r=dj/di

(4)

式中：Fj為第j個(gè)定級(jí)單元中心城鎮(zhèn)影響度作用分；fi為第i級(jí)中心城鎮(zhèn)功能分；r為定級(jí)單元與中心城鎮(zhèn)的相對(duì)距離；dj為第j個(gè)定級(jí)單元與中心城鎮(zhèn)的實(shí)際距離；di為第i級(jí)中心城鎮(zhèn)的最大影響半徑。

中心城鎮(zhèn)影響度為點(diǎn)狀擴(kuò)散型影響因子。各定級(jí)單元不止受一個(gè)中心城鎮(zhèn)的影響，在定級(jí)單元中心城鎮(zhèn)影響度作用分值的計(jì)算過程中要遵循“同級(jí)別取最大值、不同級(jí)別相疊加”的原則。

道路通達(dá)度①道路的級(jí)別：根據(jù)圖們市道路的類型、功能和質(zhì)量，將道路劃分為3個(gè)級(jí)別：1級(jí)為高速公路、國(guó)道和省道；2級(jí)為縣級(jí)公路；3級(jí)為鄉(xiāng)級(jí)公路。

②各級(jí)道路規(guī)模指數(shù)和功能分:以最寬道路為基礎(chǔ)，其余每條道路的相應(yīng)寬度除以最大值的方式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。以最高級(jí)道路規(guī)模指數(shù)100為基礎(chǔ)，計(jì)算其他級(jí)別道路的相對(duì)規(guī)模指數(shù)，方法與中心城鎮(zhèn)相對(duì)規(guī)模指數(shù)的計(jì)算方法相同。由于高級(jí)別在功能方面包含了低級(jí)別道路的功能，因此需對(duì)各級(jí)道路的功能進(jìn)行分割(表5)。

表5 圖們市各級(jí)別道路規(guī)模指數(shù)、功能分與影響半徑

③最大影響半徑的確定：在確定道路最大影響半徑時(shí)，應(yīng)遵循定量定性分析相結(jié)合的原則[17]，利用數(shù)學(xué)公式并結(jié)合實(shí)際情況計(jì)算結(jié)果，最終確定各級(jí)別道路的最大影響半徑(表5)。計(jì)算公式如下：

di=S/2li

(5)

式中：di為第i級(jí)道路的最大影響半徑；S為定級(jí)區(qū)域面積；li為第i級(jí)道路的總長(zhǎng)度。

④道路通達(dá)度影響分值：道路通達(dá)度屬于點(diǎn)狀和線狀擴(kuò)散相結(jié)合的影響因子[18]，其中一級(jí)道路點(diǎn)狀擴(kuò)散型因子，以道路出入口為點(diǎn)源；二級(jí)和三級(jí)道路屬于線性擴(kuò)散型因子，以各級(jí)道路功能分為基礎(chǔ)，進(jìn)行線性衰減。計(jì)算公式與中心城鎮(zhèn)影響度相同。

2.4 定級(jí)單元修正系數(shù)的計(jì)算

修正系數(shù)反映了修正因素因子在定級(jí)范圍內(nèi)的相對(duì)變化程度[19]，計(jì)算公式：

(6)

2.5 定級(jí)指數(shù)的計(jì)算

定級(jí)指數(shù)采用加權(quán)修正法進(jìn)行計(jì)算，公式：

Hi=GiΣwjkij

(7)

式中：Hi為第i個(gè)定級(jí)單元的定級(jí)指數(shù)；Gi為第i個(gè)定級(jí)單元對(duì)應(yīng)的國(guó)家自然質(zhì)量等指數(shù)；wj為第j個(gè)修正因素權(quán)重值；kij為第i個(gè)單元第j個(gè)修正因素修正系數(shù)。

3 定級(jí)結(jié)果與分析

3.1 耕地級(jí)別的劃分

根據(jù)定級(jí)單元指數(shù)，采用總分頻率曲線法對(duì)圖們市耕地質(zhì)量縣域級(jí)別進(jìn)行初步劃分[20--21]。對(duì)定級(jí)指數(shù)進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，繪制定級(jí)指數(shù)頻率直方圖，選擇頻率突變處作為級(jí)別界線，最終將圖們市耕地劃分為5個(gè)級(jí)別(圖1)。

圖1 圖們市耕地定級(jí)單元總分頻率曲線圖Fig.1 Total score frequency curve of arable land grading unit in Tumen City

3.2 耕地級(jí)別面積構(gòu)成

圖們市耕地級(jí)別共分為5級(jí)，各級(jí)的耕地面積和比例如表6所示。三級(jí)地的面積最大，為41.58 km2，占圖們市耕地總面積的39.11%；其次是四級(jí)地和二級(jí)地，為27.05 km2和21.27 km2，分別占圖們市耕地總面積的25.44%和20.01%；五級(jí)地和一級(jí)地面積較小，為9.07 km2和7.35 km2，分別占圖們市耕地總面積的8.53%和6.91%。由此可見，耕地級(jí)別面積分布呈“中間大兩頭小”的分布規(guī)律。

表6 圖們市耕地級(jí)別面積統(tǒng)計(jì)表

3.3 耕地級(jí)別空間分布規(guī)律

3.3.1 總體分布規(guī)律

從總體上看，圖們市耕地級(jí)別的分布規(guī)律：①以中心城鎮(zhèn)為中心，呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，距離中心城鎮(zhèn)越遠(yuǎn)，耕地級(jí)別越低；反之，耕地級(jí)別越高；②耕地級(jí)別與地形有一定關(guān)聯(lián)，隨著海拔高度和地形坡度的升高，耕地級(jí)別逐漸降低；③耕地級(jí)別沿圖們市主要道路帶狀分布，距離主要道路越近，耕地級(jí)別越高，反之，耕地級(jí)別越低；④耕地級(jí)別與利用效益相關(guān)，水田、水澆地的利用效益比旱地的利用效益高，級(jí)別比旱地級(jí)別高(圖2)。

3.3.2 各級(jí)耕地分布規(guī)律

圖們市一級(jí)耕地主要分布在東部地區(qū)，緊鄰一級(jí)中心城鎮(zhèn)圖們市區(qū)，交通便利、區(qū)位條件好。結(jié)合耕地質(zhì)量等別年度更新評(píng)價(jià)成果可知，圖們市一級(jí)耕地地形坡度以G1級(jí)(≤2°)、G2級(jí)(2°～5°)和G3級(jí)(5°～8°)為主，有效土層厚度較大，表層土壤質(zhì)地以壤土和黏土為主，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，灌溉條件較好，自然條件優(yōu)越。

圖們市二級(jí)耕地面積大、分布廣，主要分布在中部和東部地區(qū)，西部面積較小，與省級(jí)道路、縣級(jí)道路和中心城鎮(zhèn)等呈小距離分布，交通和區(qū)位條件相對(duì)較好。結(jié)合耕地質(zhì)量等別年度更新評(píng)價(jià)成果可知，圖們市二級(jí)耕地地形坡度以G1級(jí)(≤2°)、G2(2°～5°)級(jí)和G3級(jí)(5°～8°)為主，有效土層厚度相對(duì)較大，表層土壤質(zhì)地以壤土和黏土為主且有少量砂土和礫質(zhì)土，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，灌溉條件略次于一級(jí)耕地，自然條件較好。

圖2 圖們市耕地級(jí)別分布圖Fig.2 Arable land level distribution in Tumen City

圖們市三級(jí)耕地面積較大、分布亦很廣，與一級(jí)中心城鎮(zhèn)圖們市區(qū)較遠(yuǎn)，但與省級(jí)道路、二級(jí)、三級(jí)中心城鎮(zhèn)距離較小，交通和區(qū)位條件相對(duì)較差。結(jié)合耕地質(zhì)量等別年度更新評(píng)價(jià)成果可知，圖們市三級(jí)耕地地形坡度以G2級(jí)(2°～5°)和G3級(jí)(5°～8°)為主，表層土壤質(zhì)地以壤土、黏土和砂土為主，土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，灌溉條件一般，且整體以弱酸性耕地為主，自然條件尚可。

圖們市四級(jí)耕地面積較大，主要分布在圖們市西部地區(qū)，其他分布在邊緣化地帶，與中心城鎮(zhèn)和縣級(jí)道路距離相對(duì)較大，交通和區(qū)位條件較差。結(jié)合耕地質(zhì)量等別年度更新評(píng)價(jià)成果可知，圖們市四級(jí)耕地地形坡度以G2級(jí)(2°～5°)、G3級(jí)(5°～8°)和G4級(jí)(8°～15°)為主，表層土壤質(zhì)地以壤土、黏土和礫質(zhì)土為主，土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，灌溉條件差，且整體以弱酸性耕地為，自然條件一般。

圖們市五級(jí)耕地面積小，分布呈邊緣化，主要分布其他級(jí)別耕地的邊緣地帶，與縣級(jí)道路距離較大，交通和區(qū)位條件差。結(jié)合耕地質(zhì)量等別年度更新評(píng)價(jià)成果可知，圖們市五級(jí)耕地指標(biāo)條件大幅度降低，地形坡度以G3級(jí)(5°～8°)和G4級(jí)(8°～15°)為主，甚至有少量G6級(jí)(≥25°)，有效土層厚度較小，表層土壤質(zhì)地以壤土、黏土和礫質(zhì)土為主，土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，灌溉條件較差，整體以酸性耕地為主，自然條件差。

3.4 耕地級(jí)別利用潛力分析

根據(jù)定級(jí)結(jié)果，圖們市耕地質(zhì)量共劃分為5個(gè)級(jí)別，其中一級(jí)和二級(jí)耕地自然質(zhì)量條件相對(duì)較好，耕地質(zhì)量大幅度提高的可能性不大；三級(jí)耕地自然質(zhì)量條件降低，距離中心城鎮(zhèn)、主要道路的距離有所增加，耕地質(zhì)量大幅度提高的難度較大；四級(jí)和五級(jí)耕地自然質(zhì)量條件最差，相對(duì)中心城鎮(zhèn)、主要道路的距離亦最大，雖然區(qū)位無(wú)法改變，但可從耕地自然屬性方面采取相應(yīng)措施以提高耕地質(zhì)量。

4 討論

土地是一個(gè)復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)聯(lián)合體，耕地定級(jí)結(jié)果可以為基本農(nóng)田保護(hù)、耕地產(chǎn)能核算、耕地占補(bǔ)平衡、耕地征收補(bǔ)償和土地利用規(guī)劃等提供技術(shù)依據(jù)。本文運(yùn)用修正法得到的定級(jí)結(jié)果較為合理，但仍需進(jìn)一步改進(jìn)與研究。

本次研究工作修正體系與因素因子權(quán)重是根據(jù)專家咨詢法確定的，導(dǎo)致主觀性較強(qiáng)，不同專家對(duì)同一指標(biāo)打分差別較大；且修正因子之間存在一定的關(guān)聯(lián)，這會(huì)導(dǎo)致分值的重復(fù)計(jì)算，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。建議今后同時(shí)運(yùn)用兩種以上的方法確定修正體系與因素因子權(quán)重，保證科學(xué)性和客觀性。

在耕地定級(jí)修正因素指標(biāo)量化中，對(duì)于灌溉保證率等無(wú)指標(biāo)值的因子只能定性說明量化方法，需要進(jìn)一步去探索賦分的方法；同時(shí)在計(jì)算擴(kuò)散型因素因子作用半徑時(shí)，阻隔和直線距離測(cè)算的問題也需要解決，建議采用再次衰減法和作用域分區(qū)法等方法減少阻隔問題帶來(lái)的影響。

筆者是通過繪制總分頻率曲線，選擇頻率突變處作為級(jí)別界線，劃分耕地級(jí)別區(qū)間，最終確定各定級(jí)單元的土地級(jí)別。但實(shí)際中會(huì)有突變點(diǎn)不明顯的情況出現(xiàn)，運(yùn)用人工判別確定級(jí)別界線難度較大。這種情況下，建議采用聚類分析法和方差分析法等方法實(shí)現(xiàn)耕地級(jí)別的劃分。

5 結(jié)論

(1)在耕地分等成果的基礎(chǔ)上，以GIS為基礎(chǔ)，運(yùn)用修正法、總分頻率曲線法，按照實(shí)際情況將圖們市耕地劃分為5個(gè)級(jí)別，面積分布呈“中間大兩頭小”的分布規(guī)律。

(2)圖們市的耕地級(jí)別分布受交通區(qū)位條件影響明顯，基本呈以中心城鎮(zhèn)為中心、以主要道路為軸向外逐漸降低的趨勢(shì)，影響的程度與中心城鎮(zhèn)的級(jí)別和道路級(jí)別有較大的關(guān)聯(lián)性。

(3)圖們市的耕地級(jí)別受海拔高度、地形坡度、土壤質(zhì)量和灌溉條件等耕地本身的自然條件影響較大。