東北黑土區(qū)耕地系統(tǒng)變化機理

蘇 浩，吳次芳

·土地保障與生態(tài)安全·

東北黑土區(qū)耕地系統(tǒng)變化機理

蘇 浩，吳次芳※

（浙江大學公共管理學院，杭州，310058）

耕地系統(tǒng)變化直接影響耕地生產(chǎn)能力和國家糧食安全。該研究以東北黑土區(qū)典型地域克山縣為研究區(qū)，重構(gòu)耕地系統(tǒng)的科學內(nèi)涵，運用GIS、RS手段和Matlab計算機編程，采用地理探測器模型，識別研究區(qū)1986年、2010年和2018年耕地系統(tǒng)變化關鍵影響因子，測算關鍵影響因子、各因子間交互作用對耕地系統(tǒng)變化的作用關系，揭示研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化機理。結(jié)果表明：1）耕地系統(tǒng)是具有長、寬、高的有機立體空間，在一定范圍內(nèi)是所有要素綜合作用結(jié)果，同時它受周圍環(huán)境影響與垂直方向、水平方向因子共同形成一個微生態(tài)環(huán)境。2）1986年、2010年和2018年影響耕地系統(tǒng)變化的關鍵影響因子分別為5個、8個和6個。1986—2018年不同時期耕地系統(tǒng)變化均受系統(tǒng)內(nèi)部因子作用的影響，隨著時間推移，水平方向作用因子對耕地系統(tǒng)變化的影響逐年加強，垂直方向作用因子的影響減弱，表現(xiàn)為影響耕地系統(tǒng)變化程度的關鍵影響因子由自然要素為主，轉(zhuǎn)向自然與人類活動因素的雙重影響。其他因子影響相對較弱。3）1986—2018年不同時期耕地系統(tǒng)內(nèi)部影響因子與垂直和水平方向的其他因子交互作用對耕地系統(tǒng)變化的影響均為最大，水平方向與垂直方向的交互作用在研究期間影響的顯著性顯化程度不同。與關鍵單一因子對耕地系統(tǒng)的影響相比，因子間交互作用后對研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化空間分異的解釋能力明顯高于單一因子對其作用，具體表現(xiàn)為雙因子增強或非線性增強的特征。研究結(jié)果較好地反映了不同時期耕地系統(tǒng)變化空間分異的各因素單一和交互作用關系，為保護耕地和保障糧食安全提供了科學依據(jù)。

土地利用；遙感；耕地；東北黑土區(qū)；微生態(tài)環(huán)境；糧食安全；機理

0 引 言

耕地系統(tǒng)是糧食生產(chǎn)最基本的載體和生境條件，具有復雜性、自組織性、時空動態(tài)性、恢復性和非線性等耗散結(jié)構(gòu)特征[1]。它是一個開放系統(tǒng)，在一定的時間和空間范圍內(nèi)，耕地系統(tǒng)由簡單到復雜進行演替，與外界不斷進行物質(zhì)和能量交換[2-3]，通過系統(tǒng)內(nèi)部要素和外部環(huán)境共同作用、相互影響，形成了具有自調(diào)節(jié)功能的有機整體[4-5]。隨著時間和外界環(huán)境的變動，耕地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能也會發(fā)生相應變化，當系統(tǒng)內(nèi)部因子發(fā)生突變亦或外界因子入侵超過一定的閾值范圍，耕地系統(tǒng)的生產(chǎn)力、穩(wěn)定性、恢復力及自組織能力等會受到嚴重影響[6-7]，使系統(tǒng)處于無序狀態(tài)。耕地系統(tǒng)變化研究是研究一切耕地系統(tǒng)問題如耕地系統(tǒng)安全[8]、耕地系統(tǒng)預警[9-10]、耕地系統(tǒng)能值分析[11-12]、耕地質(zhì)量[13]研究的基礎。目前，關于耕地系統(tǒng)內(nèi)涵的界定學界尚未形成統(tǒng)一的認識。研究表明，耕地系統(tǒng)包括能力子系統(tǒng)、容量子系統(tǒng)和效應子系統(tǒng)耦合而成[14]，是人類活動利用的耕地表層及以上和以下的要素相互關聯(lián)相互制約形成的結(jié)合體[5]。已有研究對耕地系統(tǒng)的界定側(cè)重于系統(tǒng)和要素的構(gòu)成，在一定程度上較好反映了耕地系統(tǒng)的整體性和要素之間的關聯(lián)關系，但卻未能全面反映耕地系統(tǒng)的內(nèi)涵，尚需進一步補充、完善和優(yōu)化。關于耕地系統(tǒng)變化的研究較少，相關的研究集中于耕地的數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)變化且研究成果眾多，對本文研究具有重要的借鑒意義。

中國東北黑土區(qū)作為世界四大黑土區(qū)之一[15]，黑土有機質(zhì)含量高、土壤理化性質(zhì)優(yōu)良、肥力高，適宜作物生長，是耕地中的精華[16]。根據(jù)第二次全國土地調(diào)查數(shù)據(jù)和縣域耕地質(zhì)量調(diào)查評價成果，東北典型黑土區(qū)耕地面積約1.85×107hm2，占東北地區(qū)耕地面積66.3%，占全國耕地面積13.7%。中國東北黑土區(qū)生產(chǎn)糧食約占全國糧食總量的1/4，商品糧數(shù)量占全國總量高達1/3，是中國的糧倉，更是保障國家糧食安全的“穩(wěn)壓器”[17]。自然條件變化的不確定性和人類活動過度干擾使得東北黑土區(qū)出現(xiàn)利用強度高[18-19]、土壤侵蝕嚴重[20-21]、土壤養(yǎng)分流失[22]、土壤肥力下降[23]、有機質(zhì)含量顯著下降[24-25]、耕作層變淺、犁底層變硬，土壤的理化性狀[26]與生態(tài)功能退化[27]等眾多問題，嚴重影響東北地區(qū)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，亟需解決。

綜上，本文重構(gòu)耕地系統(tǒng)理論內(nèi)涵的基礎上，以東北黑土區(qū)典型地域克山縣為研究區(qū)，從耕地系統(tǒng)內(nèi)部作用、耕地系統(tǒng)垂直方向作用與水平方向作用3個方面，構(gòu)建影響耕地系統(tǒng)變化指標體系，運用GIS、RS手段和Matlab計算機編程，采用地探測器模型，識別1986—2018年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關鍵影響因子，計算其對耕地系統(tǒng)變化的作用程度，同時測算因子交互作用對耕地系統(tǒng)變化的影響，進而揭示研究區(qū)耕地系統(tǒng)時空變化影響因子的作用機理。研究成果豐富和深化了耕地保護的內(nèi)容，以期為系統(tǒng)性耕地保護和保障糧食安全提供科學依據(jù)。研究成果將對區(qū)域耕地整體保護、維持耕地生產(chǎn)力和保障糧食安全具有重要意義。

1 耕地系統(tǒng)內(nèi)涵的界定

耕地系統(tǒng)是一個與外界不斷進行物質(zhì)、能量和信息交換的開放系統(tǒng)，可以將其視為具有一定范圍的長、寬、高有機立體空間，這個有機立體空間由反映耕地自身健康屬性的自然本底要素（包括土壤質(zhì)地、土層厚度、土壤條件、地形地貌等自然因子）和作用在這個立體空間的人文要素（包括技術、耕作制度、施肥量）構(gòu)成，各要素均有其不可取代的地位和作用，它們之間相互關聯(lián)、相互依存和相互制約，形成了具有特定功能的有機整體，耕地系統(tǒng)的特性和功能取決于全部組成要素的綜合作用，是人類正反面活動累積的結(jié)果，即耕地系統(tǒng)是指作用在這一具有長、寬、高一定范圍的立體空間內(nèi)所有要素綜合作用結(jié)果。耕地系統(tǒng)的長、寬由耕地規(guī)模決定，高度由種植作物種類和耕層厚度決定。耕地系統(tǒng)這一具有長、寬、高的有機立體空間，同時又受系統(tǒng)外部周圍環(huán)境影響，與垂直方向、水平方向因子共同形成一個微生態(tài)環(huán)境。其中，垂直方向上，耕地系統(tǒng)受上方光照、溫度、降水條件等影響，同時受下方地下水位、障礙層厚度、母質(zhì)種類等影響。這里垂直方向上層至對流層，下層至土壤母質(zhì)層以上，垂直方向上、下層高度均為與耕地系統(tǒng)有直接聯(lián)系范圍，與耕地系統(tǒng)無直接聯(lián)系的垂直方向即對流層以上的地上層（如高空氣候）、耕地土壤母質(zhì)層以下的地下層（如深層巖石）不包括在垂直方向的范圍內(nèi)；水平方向上，耕地系統(tǒng)與周圍物理空間（如不同土地利用類型）共生，同時又與其所在地域的自然生態(tài)及社會經(jīng)濟發(fā)展等因素共存，進行物質(zhì)能量和信息交換形成微生態(tài)空間。不同土地利用方式形成的物理空間、自然生態(tài)和社會經(jīng)濟要素輻射，對耕地系統(tǒng)的影響程度和影響范圍不同，超過其影響范圍對該耕地系統(tǒng)的作用均可以忽略不計（圖1）。

總之，耕地系統(tǒng)周圍垂直和水平方向的作用實質(zhì)上是耕地系統(tǒng)外部性的影響，在一定程度上決定耕地生產(chǎn)能力的上限。耕地系統(tǒng)具有區(qū)域性、復雜性、不確定性、開放性、整體性、動態(tài)性等特征，在生態(tài)環(huán)境變化不確定的大背景下，適當改變耕地系統(tǒng)所處的微生態(tài)可以改善耕地系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高耕地生產(chǎn)力水平。

2 數(shù)據(jù)來源和理論方法

2.1 研究區(qū)概況

本研究以東北黑土區(qū)典型地域黑龍江省克山縣為研究區(qū)，地處125°10′57″～126°08′18″E，47°50′51″～48°33′47″N之間，克山縣位于黑龍江省齊齊哈爾市境內(nèi)，地處東北典型黑土區(qū)，地勢東北高西南低?？松娇h是全國產(chǎn)糧大縣、國家重要商品糧基地縣，黑土覆蓋面積最廣，約占81%（圖 2）。2018年，克山縣轄15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、1個國營農(nóng)場和122個村，土地總面積為3 186 km2，縣域土地利用類型包括耕地、園地、林地、草地、水域、建設用地和其他土地，其中耕地面積為2 501 km2，占克山縣土地面積的79%，克山縣總?cè)丝?6萬，農(nóng)業(yè)人口10萬，僅占總?cè)丝?2%[28]?？松娇h是大豆、馬鈴薯之鄉(xiāng)，作物對土壤條件尤其是土壤養(yǎng)分、黑土層厚度、土壤質(zhì)地的要求較高。近年來，研究區(qū)受自然、人文要素的綜合作用，耕地利用過程中黑土區(qū)的土壤性能在一定程度上發(fā)生了改變，黑土層變薄、土壤質(zhì)地變化、土壤養(yǎng)分流失，對黑土區(qū)耕地資源可持續(xù)利用產(chǎn)生了一定的影響，直接威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和耕地產(chǎn)能的穩(wěn)定。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1986年研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)來源于第一次全國土地調(diào)查原始成果圖，通過對該成果圖進行掃描、糾正、矢量化、檢驗，獲得1986年研究區(qū)土地利用矢量數(shù)據(jù)庫；2010年研究區(qū)土地利用矢量數(shù)據(jù)庫來源于第二次全國土地調(diào)查成果數(shù)據(jù)庫；2018年研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)來源于克山縣土地利用變更數(shù)據(jù)庫。糧食實際產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《克山統(tǒng)計年鑒（2017—2018）》。農(nóng)業(yè)勞動力、耕地投入數(shù)據(jù)均為結(jié)合中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)和《克山統(tǒng)計年鑒（2017—2018）》篩選計算所得。全年日照時數(shù)、溫度、降水量主要來源于中國科學院信息化建設專項“人地系統(tǒng)主題數(shù)據(jù)庫”和“Worldclim數(shù)據(jù)庫”。土地利用多樣性指數(shù)利用Matlab計算機編程，利用Gibbs-Martin指數(shù)計算獲取[29]。1986年、2010年和2018年歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)分別來源于Landsat MSS遙感影像（80 m×80 m）、Landsat TM遙感影像（30 m×30 m）、Landsat8 TM遙感影像（30 m×30 m），根據(jù)研究區(qū)氣候特點，選擇6—9月遙感影像以確保影像清晰。地貌類型數(shù)據(jù)來源于“國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心”DEM數(shù)據(jù)，本文提取研究區(qū)高程、坡度和坡向數(shù)據(jù)，對原始地貌類型圖進行掃描、糾正、矢量化、檢驗，獲得研究區(qū)地貌類型圖。1986—2018年研究區(qū)有機質(zhì)、有效磷、有效鉀、有效氮、pH值、旱季地下水位數(shù)據(jù)來源于克山縣第二次土壤普查成果、克山縣土肥站、克山縣農(nóng)業(yè)推廣中心實測數(shù)據(jù)。土壤質(zhì)地、黑土層厚度、距障礙層深度、施肥量土壤數(shù)據(jù)來源于和克山縣農(nóng)用地分等地級成果等。水土保持系數(shù)由克山縣農(nóng)用地分等定級數(shù)據(jù)和《克山縣土壤》中土壤侵蝕指數(shù)取倒數(shù)后重分類獲得。研究期間研究區(qū)采樣點的耕地土壤均為黑土，其中1986年采樣點數(shù)據(jù)利用ArcGIS手段，將耕地矢量數(shù)據(jù)進行面轉(zhuǎn)點處理，獲得2 173個采樣點，經(jīng)篩選并剔除未在耕地上的采樣點，有效采樣點為2 022個。2010年選用克山縣土肥站實地采樣點1 961個，經(jīng)篩選處理因GPS偏離等問題未在耕地上的采樣點，有效采樣點為1 851個。2018年選用克山縣土肥站實地采樣點1 961個，經(jīng)篩選處理獲得有效采樣點為1 880個（圖2）。

2.3 影響研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化的指標體系的構(gòu)建

依據(jù)耕地系統(tǒng)的內(nèi)涵，結(jié)合研究區(qū)耕地利用的特點，從耕地系統(tǒng)內(nèi)部作用、垂直與水平方向作用3個方面，通過篩選和比對選取20個指標，構(gòu)建影響耕地系統(tǒng)變化的指標體系（表1）。

表1 影響研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化指標體系

2.4 耕地系統(tǒng)變化影響因子作用機理模型建立

地理探測器是用來研究空間分異性及其驅(qū)動力的統(tǒng)計學方法，該方法的優(yōu)勢在于能夠檢驗單變量的空間分異性，探測兩變量之間可能存在的因果關系，可以避免因變量之間的共線性[30]。地理探測器包括4個探測器，分別為分異及因子探測、交互作用探測、風險區(qū)探測及生態(tài)探測，被廣泛應用到自然、社會和經(jīng)濟等領域。地理探測器假設某個自變量對某個因變量有重要影響，其自變量和因變量應該具有相似的空間分布，該方法恰好符合耕地系統(tǒng)變化與其影響因子對系統(tǒng)的作用機理研究，因此本文運用地理探測器中分異及因子探測模型識別研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關鍵單一影響因子，用交互作用探測模型分析因子交互作用對耕地系統(tǒng)變化的影響。

分異及因子探測模型用于探測耕地系統(tǒng)變化的空間分異性及耕地系統(tǒng)變化影響因子解釋耕地系統(tǒng)變化的空間分異的程度，值表示其影響程度值的度量，表達式為式（1）和式（2）。

式中為耕地系統(tǒng)變化或耕地系統(tǒng)變化影響因子的分層，稱為分類或分區(qū)；N和分別為層和全區(qū)的單元數(shù)；σ和σ分別是層和全區(qū)的耕地系統(tǒng)變化值的方差；SSW和SST分別為層內(nèi)方差之和和全區(qū)總方差；單因子作用的值域為[0, 1]，值越大說明耕地系統(tǒng)變化影響因子對耕地系統(tǒng)變化的解釋力越強，值越小則說明耕地系統(tǒng)變化影響因子對耕地系統(tǒng)變化的解釋力越弱，值表示解釋了100%的。耕地系統(tǒng)最重要的功能是糧食生產(chǎn)，耕地的產(chǎn)量能較好地反映耕地系統(tǒng)狀態(tài)的變化，本文選取1986—2018年研究區(qū)實際產(chǎn)量作為耕地系統(tǒng)變化因變量。選取農(nóng)業(yè)勞動力、耕地投入、土地利用多樣性指數(shù)、土地利用類型、植被指數(shù)、溫度、降水量、全年日照時數(shù)、距障礙層深度、旱季低下水位、土壤質(zhì)地、黑土層厚度、地貌類型、施肥量、pH值、有機質(zhì)、全氮、速效鉀、有效磷、水土保持系數(shù)20個因子。由于自變量應為類型量，本文將20個因子利用自然斷點法分為5類后進行空間探測分析，計算得到各因子對耕地系統(tǒng)變化的作用大小值，對影響研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化的關鍵單一因子和關鍵交互因子進行識別與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關鍵影響因子作用機理

3.1.1 關鍵單一影響因子的識別

在20個耕地系統(tǒng)變化影響因子中，依據(jù)關鍵因子識別模型解釋變量的原理，將值大于0.05的因子作為影響耕地系統(tǒng)變化及地理空間分異的關鍵影響因子（表2）。

表2 研究區(qū)1986—2018年影響耕地系統(tǒng)變化的關鍵影響因子

注：值表示各指標對耕地系統(tǒng)變化的影響程度，單因子作用值大于0.05表示對應因子作用顯著，交互作用值大于5.0表示交互作用顯著。

Note: Thevalue indicates the degree of influence of an index on the cultivated land system change. Thevalue that is higher than 0.05 for single effect or higher than 5.0 for interaction indicates its significant influence.

1986年，研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關鍵單一影響因子有3個，其值由大到小依次為耕地系統(tǒng)垂直方向作用因子溫度（0.074）、降水量（0.064）和水平方向作用因子耕地投入（0.058），其中溫度的值最高?？梢?，耕地系統(tǒng)變化受系統(tǒng)水平和垂直方向作用的個別因子影響，即溫度是最主要的影響因子，其次是降水量和耕地投入。

2010年，研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關鍵單一影響因子有6個，其值由大到小依次為耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子有效磷（0.399）、有機質(zhì)（0.391）、速效鉀（0.236）、水土保持系數(shù)（0.234）以及耕地系統(tǒng)水平作用因子農(nóng)業(yè)勞動力（0.234）、耕地投入（0.052）?？梢?，2010年耕地系統(tǒng)變化主要受耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子作用和系統(tǒng)水平方向因子作用，且系統(tǒng)內(nèi)部作用因子有效磷和有機質(zhì)的影響較為顯著。

2018年，研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關鍵單一影響因子有5個，其值由大到小依次為系統(tǒng)水平作用因子農(nóng)業(yè)勞動力（0.449）及耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子黑土層厚度（0.352）、有機質(zhì)（0.301）、全氮（0.209）和土壤質(zhì)地（0.164），其中系統(tǒng)水平方向作用因子農(nóng)業(yè)勞動力值最高?？梢?，2018年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化受系統(tǒng)內(nèi)部因子作用和系統(tǒng)水平方向因子作用顯著，最主要的影響因子是水平方向作用因子農(nóng)業(yè)勞動力，其次是耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子黑土層厚度、有機質(zhì)、全氮和土壤質(zhì)地。

除此之外，值在0～0.05之間的單一影響因子對研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化的影響較弱，可以不考慮在內(nèi)。

3.1.2 關鍵單一影響因子對耕地系統(tǒng)變化的作用機理

依據(jù)地理探測器模型原理，值的大小為因子對耕地系統(tǒng)變化的作用程度。通過計算得出：1986—2018年影響研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關鍵因子的作用大小在不同時期有所差異：

1）1986年耕地系統(tǒng)變化受系統(tǒng)水平和垂直方向因子綜合作用。垂直方向作用因子溫度是影響耕地系統(tǒng)變化的最大限制因子，是眾多因子中作用強度最大的指標，其次是垂直方向作用因子降水和水平方向作用因子耕地投入。1986年克山縣開始了耕地綜合治理與生態(tài)建設，同時耕地系統(tǒng)在當時的自然條件和社會經(jīng)濟政策環(huán)境下，既有旱災、冷凍和風雹等自然災害影響，又有社會經(jīng)濟政策環(huán)境的影響，出現(xiàn)系統(tǒng)垂直和水平方向的個別關鍵因子影響顯著性加強，與實際相符。

2）2010年耕地系統(tǒng)變化主要受耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子作用和系統(tǒng)水平方向因子作用顯著，且系統(tǒng)內(nèi)部作用因子主要受有效磷、有機質(zhì)、速效鉀和水土保持系數(shù)的影響，且有效磷和有機質(zhì)處于主導地位。20世紀80年代克山縣開始注重對土壤修復與治理，2010年研究區(qū)開展耕地地力調(diào)查與評價工作，對于研究區(qū)耕地系統(tǒng)內(nèi)部作用因子產(chǎn)生了重要影響，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，耕地系統(tǒng)水平方向作用因子農(nóng)業(yè)勞動力大小和耕地投入對系統(tǒng)變化也產(chǎn)生了重要的影響。

3）2018年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化受系統(tǒng)內(nèi)部因子作用和系統(tǒng)水平方向因子共同作用，影響最大的是水平方向作用因子農(nóng)業(yè)勞動力，其次是耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子黑土層厚度、有機質(zhì)、全氮和土壤質(zhì)地。隨著黑土區(qū)的不斷退化，東北黑土區(qū)耕地保護問題逐漸受到關注，政府加大了對黑土區(qū)耕地資金、技術的投入和政策上支持，使得黑土區(qū)耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子性能有所改善，但內(nèi)部因子仍然是引起耕地系統(tǒng)變化的重要影響因子，同時隨著新型城鎮(zhèn)化步伐的加快，系統(tǒng)水平方向作用即人類活動對耕地系統(tǒng)的影響不可小視。

分別將1986—2018年在水平、垂直、系統(tǒng)內(nèi)部3個維度顯著影響耕地系統(tǒng)變化影響因子的影響大小進行計算?？梢姡?986—2018年耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子對耕地系統(tǒng)變化均有不同程度的影響，水平方向作用因子對耕地系統(tǒng)變化的影響逐年加強，垂直方向作用因子的影響減弱（圖4）。

3.2 因子交互作用對耕地系統(tǒng)變化的影響機理

利用地理探測器中的交互作用探測器模型，將1986年、2010年、2018年影響研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化的20個因子進行空間分異的交互作用分析，計算耕地系統(tǒng)內(nèi)部、水平方向和垂直方向各因子與其他因子交互作用（值）之和，作為因子間交互作用對研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化影響的大小和程度，交互作用值大于5.0說明交互作用顯著（表 2）。

1986年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化交互作用值大于5.0關鍵因子有5個，分別為溫度（10.598）、有效磷（9.206）、降水量（8.148）、耕地投入（7.547）、全氮（5.679）。其中，溫度、降水量、耕地投入為單一因子作用中的關鍵因子，有效磷和全氮單一因子影響不顯著但交互作用影響顯著?？梢?，溫度是這一時期研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化交互作用最關鍵影響因子；有效磷雖然在單一因子影響中不顯著，但在交互作用中極為顯著，說明有效磷這一時期在該地區(qū)也具有一定的影響；降水量和耕地投入在交互作用中仍然占據(jù)主導地位，是這一時期較為關鍵的交互影響因子；全氮在單一因子作用中不顯著，在交互作用中較為顯著，是研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關鍵交互作用因子。

2010年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化交互作用值大于5.0的關鍵因子有8個，分別為有效磷（12.117）、有機質(zhì)（10.569）、速效鉀（9.688）、水土保持系數(shù)（9.643）、農(nóng)業(yè)勞動力（8.204）、耕地投入（7.764）、全氮（6.158）、pH值（5.168）。其中，有效磷、有機質(zhì)、速效鉀、水土保持系數(shù)、農(nóng)業(yè)勞動力、耕地投入為單一因子作用中的關鍵因子，全氮和pH值影響不顯著但交互作用影響顯著。可見，有效磷、有機質(zhì)、速效鉀、水土保持系數(shù)仍然是這一時期研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化的關鍵影響因子；全氮在單一因子作用中不顯著，在交互作用中較為顯著，是研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關鍵交互作用因子。

2018年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化交互作用值大于5.0的關鍵因子有6個，分別為農(nóng)業(yè)勞動力（12.549）、有機質(zhì)（10.192）、全氮（10.063）、黑土層厚度（8.679）、耕地投入（8.307）、土壤質(zhì)地（7.484）。其中，農(nóng)業(yè)勞動力、黑土層厚度、有機質(zhì)、全氮、土壤質(zhì)地為單一因子作用中的關鍵因子，有機質(zhì)和全氮的單一因子作用低于黑土層厚度，但交互作用影響高于黑土層厚度，耕地投入為單一因子影響不顯著交互作用影響顯著?？梢姡r(nóng)業(yè)勞動力是這一時期研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化最關鍵影響因子；有機質(zhì)、全氮的交互作用影響極為顯著，是耕地系統(tǒng)變化的重要的交互作用影響因子，黑土層厚度和土壤質(zhì)地也是耕地系統(tǒng)變化的關鍵影響因子；耕地投入在單一因子作用中不顯著，在交互作用中較為顯著，是研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關鍵交互作用因子。

由此可見，1986年、2010年、2018年耕地系統(tǒng)內(nèi)部的影響因子與垂直和水平方向的其他因子交互作用對耕地系統(tǒng)變化的影響均為最大。全氮在研究期間均為關鍵交互作用影響因子，有機質(zhì)在2010年和2018年為關鍵交互作用影響因子，有效磷在1986和2010年為關鍵交互作用影響因子，速效鉀、水土保持系數(shù)在2010年為關鍵交互作用影響因子，土壤質(zhì)地、黑土層厚度在2018年為關鍵交互作用影響因子。克山縣土壤板結(jié)和水土流失問題持續(xù)發(fā)生，土壤侵蝕問題凸顯，肥沃土壤表層流失，黑土層變薄，土壤質(zhì)地變黏，土壤養(yǎng)分大量流失，影響耕地系統(tǒng)變化。

水平方向作用中，1986年只有耕地投入與其他因子的交互作用顯著，對耕地系統(tǒng)變化影響較?。?010年水平方向除了耕地投入外，另有農(nóng)業(yè)勞動力與其他因子的交互作用顯著，水平方向交互作用對耕地系統(tǒng)變化影響增強；2018年仍為耕地投入和農(nóng)業(yè)勞動力2個影響因子與其他因子的交互作用顯著，交互作用進一步加大?？松娇h以農(nóng)業(yè)為主，耕地面積占縣域面積79%，農(nóng)民收入來源主要依賴于土地的耕種經(jīng)營，耕地系統(tǒng)在一定程度上承擔著農(nóng)民的經(jīng)濟和社會職能，水平方向因子農(nóng)業(yè)勞動力和耕地投入對耕地系統(tǒng)變化響應較敏感，與其他因子交互作用對耕地系統(tǒng)變化起著關鍵性影響。

垂直方向作用中，1986年溫度和降水量與其他因子的交互作用顯著，對耕地系統(tǒng)變化有一定的影響；2010年和2018年均未有顯著的垂直方向交互作用影響因子。1986年克山縣出現(xiàn)大旱天氣、降水量驟減、灌排設施的落后使得降水量在成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素的短板，有限的降水沒有得到充分的利用，垂直方向上的外部環(huán)境條件嚴重影響著耕地系統(tǒng)的變化。20世紀90年代，克山全縣域開始興修小型農(nóng)田排水設施：挖溝排水，修筑條田，高臺壟作等措施，對防治內(nèi)澇、干旱有良好作用。由于克山縣在垂直方向上各因子差異性較小，在研究區(qū)內(nèi)對耕地系統(tǒng)變化無顯著影響。

總之，1986—2018年耕地系統(tǒng)內(nèi)部影響因子與其他因子交互作用影響合力最強，其次是垂直方向的交互作用合力，最后是水平方向的交互作用合力。耕地系統(tǒng)內(nèi)部影響因子與其他因子交互作用影響合力在1986—2010年增強，2018年有所減弱；1986—2018年水平方向上的影響因子與其他因子交互作用影響合力越來越強，垂直方向上的交互影響合力減弱（圖5）。

4 討 論

一定區(qū)域內(nèi)的耕地是一個復雜的開放系統(tǒng)，它與外界不斷進行物質(zhì)、能量和信息交換[2-3]。東北黑土區(qū)經(jīng)過大規(guī)模開發(fā)和高強度的利用，同時受自然條件的制約和人文因素的影響[4-5]，導致黑土區(qū)的耕地水土流失、有機質(zhì)下降、土壤的理化性能發(fā)生改變、耕地土壤侵蝕等各種問題，引發(fā)了學者們的廣泛關注，這些問題的研究為進行耕地系統(tǒng)變化影響因子選擇及關鍵因子的識別奠定了基礎[8-13]。東北黑土區(qū)是中國重要的糧食生產(chǎn)優(yōu)勢區(qū)、最大的商品糧生產(chǎn)基地，在保障國家糧食安全中具有舉足輕重的地位。耕地系統(tǒng)變化關鍵影響因子的識別及其作用機理分析是耕地系統(tǒng)變化研究的基礎，已有研究尚缺少這方面的系統(tǒng)研究。

本文以東北黑土區(qū)典型地域克山縣為研究區(qū)，將耕地系統(tǒng)界定為具有一定長寬高的有機立體空間，它受周圍垂直方向和水平方向因子影響而形成的一個微生態(tài)環(huán)境，擴寬了耕地保護研究的視野，具有一定的創(chuàng)新性。研究運用多年的土地利用變更數(shù)據(jù)、耕質(zhì)地量數(shù)據(jù)、自然生態(tài)數(shù)據(jù)及社會經(jīng)濟等人文數(shù)據(jù)，以縣域鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本單元，在研究期間運用了研究區(qū)大量采樣點數(shù)據(jù)進行計算和分析，能夠準確反映耕地系統(tǒng)變化的真實狀況，改變已有研究區(qū)域尺度過大針對性和可操作性弱的局限。盡管本文運用了大量的矢量數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，但仍然有些人文因素如農(nóng)戶土地利用行為、政策及耕作制度尚未考慮，如何量化此類要素一直是當前的難點。同時鹽漬化程度、母質(zhì)類型、灌溉排水條件在本研究區(qū)內(nèi)無明顯劃分，其實際差異也不大，因此未做參考，若在大區(qū)域尺度上研究耕地系統(tǒng)變化問題仍然需要考慮這些要素的影響和作用。本文以研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化值為基礎，利用地理探測模型，闡明這些關鍵因子單一作用和交互作用對耕地系統(tǒng)變化的影響程度，但如何更加深入分析影響耕地系統(tǒng)變化多種因子共同作用，在研究方法手段上仍需深入研究。

5 結(jié) 論

本文以東北黑土區(qū)典型地域克山縣為研究區(qū)，科學界定了耕地系統(tǒng)的內(nèi)涵，運用GIS、RS手段和Matlab計算機編程，運用地理探測器中不同模塊模型功能，對1986—2018年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化關鍵影響因子進行識別并確定其作用程度，解釋1986—2018年研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化各因子交互作用關系。通過研究得出以下研究結(jié)論：

1）1986—2018年耕地系統(tǒng)變化不同時期均受系統(tǒng)水平方向作用的影響。且隨著時間推移，水平方向作用因子對耕地系統(tǒng)變化的影響逐年加強。同時，在研究期間表現(xiàn)為影響耕地系統(tǒng)變化程度的關鍵因子以溫度、降水、有效磷、有機質(zhì)等自然要素為主，轉(zhuǎn)向自然與人類活動因素（農(nóng)業(yè)勞動力、耕地投入等）的雙重影響，其他因子影響相對較弱。1986—2018年，研究區(qū)實施耕地綜合治理與生態(tài)建設、開展耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價工作以及政府加大了對黑土區(qū)耕地保護的各項投入，耕地系統(tǒng)變化機理響應與反饋與實際相符。

2）1986—2018年耕地系統(tǒng)內(nèi)部影響因子與垂直和水平方向的其他因子交互作用對耕地系統(tǒng)變化的影響均為最大。水平方向作用中，1986年只有耕地投入與其他因子的交互作用顯著，對耕地系統(tǒng)變化影響較?。?010年水平方向除了耕地投入外，另有農(nóng)業(yè)勞動力與其他因子的交互作用顯著，水平方向交互作用對耕地系統(tǒng)變化影響增強；2018年仍為耕地投入和農(nóng)業(yè)勞動力兩個影響因子與其他因子的交互作用顯著，交互作用進一步加大。垂直方向作用中，1986年降水量與其他因子的交互作用顯著，對耕地系統(tǒng)變化有一定的影響；2010年和2018年均未有顯著的垂直方向交互作用影響因子。

3）耕地系統(tǒng)內(nèi)部無論是單一因子作用還是交互作用，其影響耕地系統(tǒng)變化貢獻率均高于水平和垂直方向因子作用結(jié)果?？梢?，其因子內(nèi)部作用影響耕地系統(tǒng)變化最重要的原因。就單一關鍵因子作用與因子交互作用相比，不同影響因子交互作用后對研究區(qū)耕地系統(tǒng)變化空間分異的解釋能力，明顯高于單因素對耕地系統(tǒng)變化空間分異的作用，具體表現(xiàn)為雙因子增強或非線性增強的特征。研究結(jié)果較好地反映了不同時期耕地系統(tǒng)變化空間分異的各因素單一和交互作用關系，為保護耕地和保障糧食安全提供了科學依據(jù)。

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Mechanism of cultivated land system change in black soil areas of Northeast China

Su Hao, Wu Cifang※

(,,310058,)

Black soil region in northeast China is one of the four largest black soil areas in the world, serving as an important grain production base with a commodity rate of more than 70%. Production capacity depends directly on the cultivated land system. Taking Keshan County in northeast China as the research area, geo-detector models were used to identify the key influencing factors of cultivated land system changes in 1986, 2010, and 2018. Mechanism of cultivated land system change was also clarified using GIS, RS, and Matlab programming, including the weight and interaction of key influencing factors. The results showed that: 1) A cultivated land system was a three-dimensional organic space with a length, width, and height, where the comprehensive action of all elements was within a certain range. The length and width were determined by the scale of cultivated land, while the height was determined by the types of crops and the thickness of the cultivated layer. Each element of the cultivated land system had an irreplaceable position and function. A micro-ecological environment also dominated the surrounding vertical and horizontal factors. 2) A total of five, eight and six key factors were found to have important influence on the changes of cultivated land systems in 1986, 2010, and 2018, respectively. All cultivated land system changes were affected by the internal factors of the system from 1986 to 2018. The influence of horizontal factors on the cultivated land system changes strengthened year by year, whereas, the influence of vertical factors weakened as time went by. The key factors were dominated from natural factors to the dual influence of natural and human activities in recent years. The influence of other factors was relatively weak. 3) There was the greatest impact of the interaction between the internal influencing factors of the cultivated land system and others in the vertical and horizontal directions on the cultivated land system change from 1986 to 2018. There was also different significance in the interaction between the horizontal and vertical directions. The interaction between factors had significantly higher spatial differentiation of cultivated land system changes in the study area than the single factors, indicating a double-factor or nonlinear enhancement. There was a relatively significant influence of single and interactive partial factors on the cultivated land system change. Combining with two parts of the factors, some single factors had no significant impact on the cultivated land system change, but the interaction effect was significant. The sensitivity of internal and external factors can also be objectively revealed via the single and interactive factors in the spatial differentiation of cultivated land system change. The finding can provide a scientific basis to protect cultivated land for food security.

land use; remote sensing; cultivated land; northeast black soil area; micro-ecological environment; food security; mechanism

蘇浩，吳次芳. 東北黑土區(qū)耕地系統(tǒng)變化機理[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(6)：243-251.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.030 http://www.tcsae.org

Su Hao, Wu Cifang. Mechanism of cultivated land system change in black soil areas of Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 243-251. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.030 http://www.tcsae.org

2021-01-27

2021-03-01

國家社會科學基金重大項目（14ZDA039）

蘇浩，主要研究方向為土地資源利用與管理、國土空間規(guī)劃。Email：suhao@zju.edu.cn

吳次芳，主要研究方向為國土空間規(guī)劃、土地利用與生態(tài)。Email：wucifang@zju.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.030

F302.2

A

1002-6819(2021)-06-0243-09