負債表制度下的耕地質(zhì)量等級評價方法與實證分析

鄒宏光，王維瑞，陳弘揚，尹 炳，沈 強，卜中原

(1. 安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001；2. 北京市土肥工作站，北京 100029)

自建國以來，我國開展了查田定產(chǎn)、第一次土壤普查、第二次土壤普查[1]、耕地地力監(jiān)測[2]、農(nóng)用地分等定級[3-5]等眾多耕地質(zhì)量評價工作，對我國耕地的類型、分布、性狀、利用情況、障礙因素等多種因子進行評價和等級劃分[6-9]。自然資源負債表是我國的一項創(chuàng)新制度[10]，相繼有學者對其制度本身展開研究。文獻[11]認為自然資源負債表是基于環(huán)境承載力、相關資源功能規(guī)劃、生態(tài)紅線基礎上的相關平衡性核算。文獻[12]將自然資源負債表作為一項能夠反映出國家自然資源“家底”的編報方法和技術體系，能夠客觀直接的反響出某一時期自然資源存量情況。文獻[13]認為自然資源負債表是一種核算報表，匯總分類反映了自然資源變化和權益關系與環(huán)境責任之間的聯(lián)系。自然資源負債表的功能主要在于掌握一段時期內(nèi)自然資源的儲蓄與變動，以及體現(xiàn)各經(jīng)濟主體對自然資源的消耗、占有和恢復等的情況[14-15]，這與制定耕地質(zhì)量等級評價方法體系的目的不謀而合。結合自然資源負債表制度的具體要求，開展農(nóng)業(yè)農(nóng)村耕地質(zhì)量等級評價方法與實證分析對于完善我國耕地質(zhì)量評價、服務耕地質(zhì)量提升至關重要。

因此，本文綜合考慮自然資源負債表制度的要求，結合耕地質(zhì)量評價已有研究和不足，從評價因子選擇、因子權重和隸屬度確定、耕地質(zhì)量等級劃分等方面建立縣域尺度負債表制度下的耕地質(zhì)量等級評價方法，并開展實證研究。研究成果為自然資源負債表編制提供方法支撐。

1 耕地質(zhì)量等級評價方法

當前土地管理由數(shù)量管理為主向數(shù)量質(zhì)量并重管理轉變，耕地質(zhì)量等級評價工作對我國實行最嚴格的耕地保護制度具有十分重要的意義。由于評價目的不同，截止目前已報道了眾多耕地質(zhì)量等級評價方法，也配套出臺了很多國家和行業(yè)技術標準。如《耕地質(zhì)量等級》(GB/T 33469-2016)、《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》(GB/T 28407-2012)等。不同部門和時期的評價標準都有所側重。為了更好地服務耕地質(zhì)量評價，相關標準與方法也應隨著時間和評價目的的不同實時更新。

(1) 評價因子與權重

根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門自然資源資產(chǎn)負債表制度的要求，結合當前評價因子的不足和當?shù)貙嶋H情況，確定了縣域尺度涵蓋立地條件、剖面性狀、土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分狀況以及農(nóng)田管理5類17個耕地質(zhì)量評價因子。目前確定權重的方法主要有特爾菲法、層次分析法、主成分分析法和相關分析法等[16-17]，本研究采用層次分析法和特爾菲法來確定各評價因子權重。采用特爾斐法時，根據(jù)20位專家經(jīng)驗判斷各評價因子對耕地質(zhì)量的重要程度，構造判斷矩陣，再結合層次分析法，檢驗判斷矩陣的一致性并確定各評價因子權重(見表1)。

表1 耕地質(zhì)量等級評價因子權重表

(2) 隸屬度賦分

根據(jù)模糊數(shù)學理論，評價因子與耕地質(zhì)量之間的關系分為戒上型函數(shù)、峰型函數(shù)和概念型3種類型的隸屬函數(shù)。戒上型函數(shù)模型適合這種函數(shù)模型的評價因子，其數(shù)值越大，相應的耕地質(zhì)量水平越高，但到了某一臨界值后，其對耕地質(zhì)量的正貢獻效果也趨于恒定(如有效土層厚度、有機質(zhì)含量等)。

(i=1,2,…，m) (1)

式中：yi為第i個因子的隸屬度；ui為樣品實測值；ci為標準因子；ai為系數(shù)；ut為因子下限值。

峰型函數(shù)適合這種函數(shù)模型的評價因子，其數(shù)值離一特定的范圍距離越近，相應的耕地質(zhì)量水平越高(如土壤pH等)。

(2)

實際操作過程中，以上非概念型評價因子采用特爾斐法對一組實測值評估出相應的一組隸屬度，并根據(jù)這兩組數(shù)據(jù)擬合隸屬度函數(shù)。

概念型指這類因子其性狀是定性的、非數(shù)值性的，與耕地質(zhì)量之間是一種非線性的關系，如地形部位、質(zhì)地構型、質(zhì)地等。這類因子不需要建立隸屬函數(shù)模型。概念型評價因子采用專家打分法，最終確定隸屬度。

(3) 插值方法的選取

空間數(shù)據(jù)插值方法種類繁多，比如反距離加權插值法、多項式插值法、樣條函數(shù)插值法、趨勢面插值法、克里金插值法、經(jīng)驗貝葉斯克里金法和多維分形克里格法等[18-23]，結合實證研究，本文遴選普通克里金法(Ordinary kriging，OK)、反距離權重插值法(Inverse distance weight，IDW)和多維分形克里格法(Multidimensional fractal kriging，MK)三種方法進行空間插值。

實際評價過程中，綜合考慮均方根誤差(RMSE)和判定系數(shù)(R2)，選擇不同評價因子的最優(yōu)空間插值方法。

(4) 評價與等級劃分

基于各評價因子權重與隸屬度，采用累加法計算耕地質(zhì)量綜合指數(shù)。累加法公式如下

P=∑(Ci×Fi)

(3)

式中：P為耕地質(zhì)量綜合指數(shù)；Ci為第i個評價因子的組合權重；Fi第i個評價因子的分值。

實證區(qū)隸屬于黃淮海燕山太行山脈平原農(nóng)業(yè)區(qū)，根據(jù)國家標準將耕地質(zhì)量劃分為10個耕地質(zhì)量等級。耕地質(zhì)量綜合指數(shù)越大，耕地質(zhì)量水平越高。一等地耕地質(zhì)量最高，十等地耕地質(zhì)量最低。

平均耕地質(zhì)量等級采用面積加權法計算，面積加權法公式如下

(4)

式中：M為平均耕地質(zhì)量等級；Ki為第i個耕地質(zhì)量等級；Si第i個耕地質(zhì)量等級所對應的面積。

2 實證分析

(1) 實證區(qū)概況和數(shù)據(jù)獲取

實證區(qū)為北京市東北部的密云區(qū)，屬燕山山地與華北平原交接地，地形地貌總體呈現(xiàn)三面環(huán)山，中部低緩，西南開口的簸箕形。實證區(qū)屬于暖溫帶季風大陸性半濕潤半干旱氣候，全年四季分明，冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤。年平均氣溫10.8℃，年平均降水量約657mm。2018年密云區(qū)耕地總面積為17 447.80hm2，占全區(qū)土地總面積的7.84%，土地利用類型以耕地、園地、林地和草地為主，四者面積之和占全區(qū)土地總面積的80.47%。

采用網(wǎng)格與分層抽樣相結合的方法實證區(qū)耕地質(zhì)量等級評價采樣點布設，抽樣時綜合考慮行政區(qū)劃、土壤類型、土地利用類型、歷史耕地質(zhì)量、歷史評價因子變異函數(shù)變程。全區(qū)共布設采樣點411個(見圖1)。采樣工作于2018年9月完成，采用 “S”法取樣，取樣深度為0～20cm，取樣重量為2kg左右。各評價因子的調(diào)查測試方法參考《耕地質(zhì)量等級》(GB/T 33469-2016)。

圖1 實證區(qū)地理位置和采樣點分布圖

(2) 實證區(qū)耕地質(zhì)量評價

根據(jù)本文提出的隸屬度賦分方法，對土壤容重、速效鉀、耕層厚度、酸堿度、有機質(zhì)、有效磷、有效土層厚度等七個非概念型評價因子進行擬合，從而得到各評價因子的隸屬度擬合函數(shù)(見圖2)。

圖2 非概念型評價因子隸屬度擬合曲線

以圖2擬合的函數(shù)，確定土壤容重等7個指標的隸屬度。對于概念型評價因子，參照本文提出的賦分方法，確定隸屬度(見表2)。

表2 概念型評價因子隸屬度表

耕地質(zhì)量評價因子權重采用本文所給出的權重。

采用OK法、MK法和IDW法三種方法對有機質(zhì)、有效磷和速效鉀等評價因子進行空間插值，得到不同評價因子不同插值方法的均方根誤差(RMSE)和判定系數(shù)(R2)(見圖3)。

圖3 不同評價因子不同插值方法的精度和擬合效果對比

由圖3可知，不同方法對于不同評價因子的空間預測精度不同，三種插值方法對于所有評價因子的RMSE均小于0.5。綜合考慮均方根誤差(RMSE)和判定系數(shù)(R2)，有機質(zhì)、酸堿度、耕層厚度和土壤容重采用MK法、有效磷、速效鉀分別采用OK、IDW法。

采用各評價因子上述確定的權重與隸屬度，基于ArcGIS平臺，采用累加法計算耕地質(zhì)量綜合指數(shù)。

(3) 實證區(qū)耕地質(zhì)量等級劃分

根據(jù)本文提出的耕地質(zhì)量等級劃分方法，繪制耕地質(zhì)量等級圖(見圖4)。

圖4 實證區(qū)耕地質(zhì)量等級評價圖

由圖4可知，實證區(qū)耕地質(zhì)量等級分布與自然條件密切相關。總體來看，西南部平原區(qū)耕地質(zhì)量等級較高，北部和東部山區(qū)耕地質(zhì)量等級較差。說明自然資源資產(chǎn)負債表制度框架下的縣域尺度耕地質(zhì)量等級評價方法體系能較好的表征耕地質(zhì)量的空間分布規(guī)律。

實證區(qū)絕大多數(shù)耕地質(zhì)量等級在六等及以上，占實證區(qū)總耕地面積的84.40%，主要分布西南部平原區(qū)。西南部平原區(qū)地勢平坦，農(nóng)田集中連片，土地肥沃，水源充足和道路通達程度較高。耕地質(zhì)量等級在七等以下的地區(qū)主要分布在北部山區(qū)，耕地面積占比不足2%。該地區(qū)耕地田塊小、分布零散和基礎設施條件差。實證區(qū)平均耕地質(zhì)量等級為5.3。

(4) 耕地質(zhì)量等級驗證

為驗證實證區(qū)耕地質(zhì)量等級評價結果，基于采樣調(diào)查獲得的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，擬合劃定的耕地質(zhì)量等級與對應產(chǎn)量間關系(見圖5)。

圖5 產(chǎn)量與耕地質(zhì)量等級擬合圖

由圖5可知，耕地質(zhì)量等級與實證區(qū)玉米產(chǎn)量呈正相關，R2大于0.8，擬合程度較好。玉米產(chǎn)量驗證結果與耕地質(zhì)量等級評價結果和實證區(qū)自然地理條件相符合，說明應用本文構建的自然資源資產(chǎn)負債表制度框架下的縣域尺度耕地質(zhì)量等級評價方法體系是可行的。

3 結論

本文在自然資源資產(chǎn)負債表制度框架下構建了縣域尺度耕地質(zhì)量等級評價方法體系，并以北京市密云區(qū)為例進行實地驗證評價，評價結果與采樣調(diào)查獲得的產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行耕地質(zhì)量等級驗證，研究結論如下：

(1)評價方法體系的構建是耕地質(zhì)量評價的基礎，本文綜合考慮自然資源負債表制度要求，建立了涵蓋耕地質(zhì)量指標體系(5類17個因子)以及指標權重確定、單元賦分等耕地質(zhì)量評價方法體系；

(2)評價結果是對評價方法體系的有效反映，實證區(qū)絕大多數(shù)地區(qū)耕地質(zhì)量等級在六等及以上，占實證區(qū)總耕地面積的84.40%。實證區(qū)平均耕地質(zhì)量等級為5.3。通過與實證區(qū)玉米產(chǎn)量驗證可知，耕地質(zhì)量等級與玉米產(chǎn)量呈正相關，R2大于0.8，擬合程度較好，說明本文構建的自然資源資產(chǎn)負債表制度框架下的縣域尺度耕地質(zhì)量等級評價方法體系是可行的。