達拉特旗耕地利用潛力時空分布及其限制因素研究

姚琪　李巧云　孔祥斌　關欣

摘要：耕地利用潛力是耕地理論產能、可實現產能和實際產能3個產能層次間的差距。研究其時空分布特點及影響因素對于西部生態脆弱區耕地產能提升和糧食安全維護具有重大意義。基于農用地產能核算和2009～2011年耕地等級變化監測的外業調查成果，采用逐步回歸法對達拉特旗耕地利用潛力時空分布特征及其限制因素進行研究。結果顯示鄉鎮中吉格斯太鎮的理論利用總潛力最低，昭君鎮最高，呈現擴大趨勢；可實現利用潛力總體呈現北部和西部高，南部和東部低，鄉鎮中展旦召蘇木最低，昭君鎮最高，呈現縮小趨勢。灌溉次數、水源、侵蝕和污染狀況是耕地理論利用潛力的4大限制因子，實際單產、地形、是否受災、灌溉水源、剖面構型、機械投入和灌溉方式是可實現利用潛力的7大限制因子。

關鍵詞：達拉特旗；產能；耕地利用潛力；逐步回歸；限制因素

中圖分類號：F301.21（226） 文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2014）12-0088-08

耕地作為三大產業的主要生產要素，是國民經濟和社會發展的寶貴資源和財富，耕地產能是糧食安全核心所在。近年來，我國社會經濟高速發展，工業化和城市化大步推進，有限的耕地資源日益減少，質量大步下滑，“瓶頸”效應日益凸顯，耕地生態環境呈現惡化趨勢、利用區域布局不夠合理、耕地集約度低下等問題日益威脅著中國的糧食安全；而西部區域雖然地域廣闊，但耕地面積相對較少，且破碎化程度高，質量不高，生產能力表現出極端的生態脆弱性。這些問題嚴重影響著耕地的人口承載力，威脅著地區及國家的糧食安全。研究典型區域耕地利用潛力的時空分布規律及其限制因素，對縮小產量差、實現產能提升和耕地可持續利用、滿足我國社會經濟發展的需要具有重要意義。

De Datta首先提出和使用產量差（即耕地利用潛力）這一概念，并將形成產量差距的因素定義為產量限制因子[1]。隨后，Fresco、Lobell、Sumberg等人豐富完善了產量差的概念[2～4]。國內對耕地利用潛力的定義則多為耕地理論產能、可實現產能和實際產能3個產能層次依次的差值，表示耕地利用水平提高后和當前可實現的增產潛力[5，6]。不同層次的產量差形成的主要原因是不同的，化肥施用量、土壤養分、灌溉、蟲害、作物品種、海拔、氣候條件等為已有研究成果提及的主要影響因子[7～11]。研究尺度則從實驗室、田塊尺度進展為區域尺度[11～14]。研究對象主要有小麥、玉米、木薯等當地主要糧食作物[11，14]。由于耕地利用潛力的限制因素較多，且因素間相互關聯，對此許妍等對耕地利用潛力與分等因素進行相關性分析，并與各級單產進行回歸分析，探討影響產能提升的主導因子[5]；張玉銘、郭篤發等分別運用通徑分析、主成分分析法研究了土壤肥力中各要素之間的相互關系及其對玉米的增產作用；王樹濤等則采用回歸樹分析探討了自然和管理因素對耕地產能的影響[15～18]。

綜上可知，國內對于耕地利用潛力時空分布規律及其限制因子的研究較少，且大多針對某一特定農作物，不具可比性；對于限制因素的研究大多為單一要素，也多為自然要素，對于人為管理和社會經濟要素考慮較少，缺乏定量化的綜合性研究。本研究基于達拉特旗農用地產能核算成果和耕地等級變化監測實地問卷調查結果，將農作物產能統一為國家標準糧的產量，研究耕地利用潛力的時空分布規律，并運用逐步分析法，減少變量間共線性的影響，綜合研究影響耕地利用潛力的包括自然、管理、社會經濟等各項因素，探討其主要的限制因子，為區域耕地產能提升、可持續利用、高標準農田建設提供理論支持和建議。

1 材料與方法

1.1 區域概況

達拉特旗位于內蒙古自治區的西南部，鄂爾多斯高原北面，地理坐標為東經108°58′43″～110°42′58″，北緯39°48′15″～40°32′42″。地處蒙中經濟區，是內蒙古自治區最主要的“呼和浩特-包頭-烏海”產業帶與連通我國中西部的神驊鐵路產業帶的“T”字型結合部。2009年末全旗總人口34.85萬人，人均耕地0.43公頃。地勢南高北低，西高東低，階梯狀分布。地形從北至南分別為黃河南岸沖積平原區、庫布沙漠區和低山丘陵溝壑區。共有5個土類，粟鈣土、風沙土、草甸土、鹽土和沼澤土。屬于溫帶大陸性半干旱季風氣候，年平均降水311.75 mm。由黃河及其10條支流構成達拉特旗的主要水系，10條黃河支流由西向東分別為毛布拉格孔兌、布日嘎斯太溝、黑賴溝、西柳溝、罕臺川、壕慶河、哈什拉川、母花溝、東柳溝、呼斯太河。

1.2 數據來源

1.2.1調查樣點布置將達拉特旗地貌、土壤、土地利用系數、土地經濟系數等分區進行空間疊加，將全區劃分為46個單元，再將面積較小的單元進行歸并，最終劃分20個監測分區。根據監測點選擇原則、技術要點和要求，共選取37個固定監測樣點和6個動態監測樣點（圖1）。

1.2.2數據來源及處理本文理論和可實現產能樣本數據主要來源于達拉特旗產能核算工作的外業調查數據，實際產能和限制因子數據來自耕地等級變化監測。其中理論單產樣本值為2009年玉米區試產量，可實現產能為指定作物（玉米）近3～5年無重大自然災害的正常年份下的最高單產，實際產能樣本值及47個對耕地利用潛力可能造成影響的自然和人為因素（表1）的樣本資料主要通過對43個監測點的農戶進行實地走訪和抽樣問卷調查獲得，每個樣點調查3～6份問卷，共發放調查問卷149份，收回有效問卷132份。

達拉特旗耕地利用潛力時空分布規律分析采用ArcGIS10.0軟件完成，耕地利用潛力限制因子分析采用SPSS軟件完成。

1.3研究思路及分析方法

耕地利用潛力為3個層次的耕地產能之差，因此首先基于農用地產能核算的方法建立理論產能和可實現產能的核算模型，計算得到2009～2011年各分等單元和鄉鎮的理論產能和可實現產能；其次將各監測樣點的實際單產數據，乘以產量比系數（春小麥為1.00，玉米為0.61，馬鈴薯為0.15），通過面積加權處理得到每個調查樣點的實際標準糧單產并落實到調查樣點所代表的該監測區各個分等單元中去，得到各分等單元和鄉鎮的實際產能。然后分析耕地利用潛力的時空分布規律；對耕地等級變化監測中調查到的影響耕地利用潛力的自然和人為因素進行逐步回歸分析和共線性診斷，探討達拉特旗耕地利用潛力的主要限制因子。

2耕地生產能力及耕地利用潛力核算模型

收錄樣本地塊國家自然質量指數Ri/利用等指數x i和理論單產yi″/可實現單產yi′的樣本值（玉米區試產量/正常年份下的最高單產）進入農用地產能核算數據庫后，分別建立兩者對應的線性函數關系模型，經過數理分析和論證檢驗，確定各鄉鎮理論和可實現單產核算模型（表2）。

3結果與分析

3.1耕地利用潛力時空分布規律分析

將所有分等單元的耕地自然等/利用等指數代入線性方程，對分等單元進行產能和耕地利用潛力核算。其中分等單元中理論利用潛力的最大值為4 491.46 kg/hm2，最小值為-4.35 kg/hm2，將其分為-4.35～0、0～1 000、1 000～2 000、2 000～3 000、3 000～4 000和4 000～5 000六個層次。可實現利用潛力的最大值為4 025 kg/hm2，最小值為-3 342 kg/hm2，分為-4 000～0、0～1 000、1 000～2 000、2 000～3 000、3 000～4 000和4 000～5 000六個層次，各層次分布面積如表3。再乘以對應分等單元面積，匯總得出各鄉鎮耕地利用潛力總量數據（表4）。

2009～2011年達拉特旗的理論利用潛力絕大部分集中在0～1 000和1 000～2 000兩個層次，總比例達到95%以上。三年中-4.35～0和0～1 000等較低的理論利用潛力層次的比例下降， 1 000～2 000等較高的理論利用潛力層次的比例有所上升。鄉鎮中理論利用潛力總量最低為吉格斯太鎮，約0.9萬t，昭君鎮最高，約為3.7萬t（表3，表4）。

總之，較大的理論利用潛力地塊分布于達拉特旗十條主要水系的流域范圍內，遠離河床的理論利用潛力較小，整體耕地理論利用潛力呈現擴大趨勢（圖2）。

從實施農村土地整治、基本農田保護示范區建設等項目區粗線范圍的耕地理論利用潛力變化來看（圖2），除昭君鎮靠近西柳溝的項目區內土地或因洪水淹沒造成產能降低后，該區的國家自然等指數調低，理論利用潛力降低外，大部分區域顏色不變或變深，數值擴大。總體說明項目區內各項基礎設施的建設對由耕地自然質量決定的耕地產能的提升在短時間內不能體現其成效。

可實現利用潛力絕大部分集中在0～1 000、1 000～2 000、2 000～3 000和3 000～4 000 kg/hm2四個層次，總比例達到90%以上。三年中2 000～3 000和3 000～4 000的比例下降，-4 000～0、0～1 000、1 000～2 000、4 000～5 000的比例有所上升。鄉鎮中最低為展旦召蘇木，2011年約1.42 萬t，昭君鎮最高，約為4.1萬t（表3、表4）。

總之，達拉特旗東北部和昭君鎮北部潛力在縮小，西北角潛力在擴大。2011年除南部哈什拉川流域可實現利用潛力較高外，總體呈現北部和西部高，南部和東部低的空間分布格局。全旗可實現利用潛力在縮小，說明項目區內農田管理投入因素、經濟政策因素的轉變對挖掘耕地可實現利用潛力的效果較好。

另外，從項目區粗線范圍的耕地可實現利用潛力變化來看（圖3），2009～2011年達拉特旗可實現利用潛力變動較大。除達拉特旗西北角和部分補充耕地項目外，其他項目區內土地耕地可實現利用潛力都呈現降低的趨勢。說明基本農田保護示范區建設、農村土地整治重大工程示范區和高標準基本農田建設區內由于政府積極采取相應措施、經濟發展較迅速、農民的耕作意愿得到加強，較大幅度地提高了耕地實際產能，縮小了耕地可實現利用潛力。

3.2耕地利用潛力限制因素研究

利用SPSS軟件分別對耕地理論利用潛力和可實現利用潛力與46個備選影響因素進行逐步回歸分析和共線性診斷，探討達拉特旗耕地利用潛力的主要限制因子。

最終耕地理論利用潛力模型7中保留了灌溉次數X27、污染狀況X7、灌溉水源X14、侵蝕狀況X6、排水方式X20、海拔X10、是否在土整區X26共7個限制因子。調整的R2增大到0.692，模型有較好的擬合性；經過 F檢驗和t檢驗后，證明模型及其常數項、7個自變量均有統計學意義（表5）；且絕大多數學生化殘差絕對值不大于2（圖4），可診斷理論利用潛力為獨立變量。

因此，建立理論利用潛力的“最優”方程為：

y1=-1119.655+230.786X27+266.375X7+294.427X14+351.750X6+477.312X20-1.332X10+150.032X26

對回歸模型進行共線性診斷，其容忍度、方差膨脹因子VIF和條件指數均在正常值范圍內（表5、表6），可認為7個自變量共線性較弱或不存在。

比較變量間的標準化回歸系數，可知對理論利用潛力的貢獻大小依次為灌溉次數>灌溉水源>侵蝕狀況>污染狀況>海拔>排水方式>是否在土整區。因此農作物對水分需求的滿足程度、土壤退化和污染情況是理論利用潛力的主要限制因素。模型表明了灌溉次數越多，水源越遠，即對水分需求得不到滿足，侵蝕和污染情況越嚴重，理論利用潛力則擴大。說明保障農作物對水分的需求及防治土壤退化和污染是縮小理論利用潛力的首要途徑。

可實現利用潛力模型最終篩選出了14個自變量，但對其進行共線性診斷時，從第11個變量開始，條件指數>30，容忍度變小，共線性變嚴重。因此保留了模型10中實際單產X43、地形X11、是否受災X16、機械投入X35、灌溉水源X14、污染狀況X7、灌溉方式X18、剖面構型X3、化肥投入X30、地下水礦化度X15共10個限制因子。擬合優度檢驗、F檢驗和t檢驗證明，模型及其常數項、10個自變量均有統計學意義（表7）。模型10經共線性診斷認為10個自變量共線性較弱或不存在（表8）。

比較變量間的標準化回歸系數，可知對可實現利用潛力的貢獻大小依次為實際單產>地形>是否受災>灌溉水源>剖面構型>機械投入>灌溉方式>污染狀況>化肥投入>地下水礦化度。因此農戶目標因素中的實際單產，自然因素中的地形、是否受災、灌溉水源和農田投入因素中的機械投入、灌溉方式是可實現利用潛力分異的主要的限制因子。模型表明了實際單產越小，耕地自然條件越好而利用水平不高，發生過災害天氣，單位面積機械投入越多而利用率不高，灌溉技術越落后，可實現利用潛力越大。說明在耕地利用水平較高如交通和經濟條件較好的村鎮或地區，促進耕地集約化利用，形成規模經營，降低單位農田投入成本，并采用先進灌溉技術，提高灌溉有效率，是挖掘可實現利用潛力、提升產能的重要手段。

4結論與討論

4.1結論

（1）達拉特旗理論利用潛力各鄉鎮總量最低為吉格斯太鎮，最高是昭君鎮，總體不高。較大潛力地塊分布于達拉特旗十條主要水系的流域范圍內，遠離河床的理論利用潛力較小。可實現利用潛力鄉鎮中最低為展旦召蘇木，昭君鎮最高。2011年除南部哈什拉川流域可實現利用潛力較高外，總體呈現北部和西部高，南部和東部低的空間分布格局。

（2）2009～2011年達拉特旗整體耕地理論利用潛力呈現擴大趨勢，總共擴大0.11萬t。可實現利用潛力中東北部和昭君鎮北部潛力在縮小，西北角潛力在擴大，全旗可實現利用潛力共5.76 萬t，在縮小。

（3）2009～2011年土地整治及高標準基本農田建設項目紅線范圍區內理論利用潛力絕大部分不變或擴大；可實現利用潛力除達拉特旗西北角和部分補充耕地項目外，其他項目區內土地耕地可實現利用潛力都呈現降低的趨勢。

（4）耕地理論利用潛力的前4大限制因子為灌溉次數、灌溉水源、侵蝕狀況、污染狀況。可實現利用潛力的前7大限制因子為實際單產、地形、是否受災、灌溉水源、剖面構型、機械投入和灌溉方式，因此自然因素仍為可實現利用潛力主要限制因素，其次為農戶耕作目標因素，最后為農田投入管理因素。

4.2討論

（1）耕地利用潛力研究的重點在于揭示產量差的變化幅度和空間分布差異，分析其限制因子以及提高耕地單位實際產量的措施，初步探討增產途徑。目前耕地利用潛力定義、研究對象和方法差別較多，數據的可比性較差。本文將耕地生產能力統一為國家標準糧的產量，增強其數據的可比性。

（2）一般核算農田實際產能是利用統計年鑒中以行政村或者行政鎮為單位的糧食總產，再加上其他產量折算的產量，但產量落實不到各個分等單元，且是總產，而非糧食單產，統計中由人為因素造成的誤差較大，因此本研究以實地調查的農田單位產量為基礎測算耕地實際產能，以彌補上述情況造成的不足。

（3）限制因素的研究綜合了耕地自然因素、農田投入管理和農戶耕地利用目標變化因素等，較全面地考慮了縮小耕地利用潛力和提升產能的影響因子。但還缺乏氣候因素的詳細數據，如光照、溫度、降水等，西部生態脆弱區由于局地小氣候造成的耕地利用潛力變化較多，接下來需添加這方面的資料綜合研究其對產量差的影響。

（4）監測樣點調查的各個限制因素間存在一定程度的相關性，需采用新的研究方法進一步剔除自變量的共線性，更好地分析耕地利用潛力縮小的途徑，為區域高標準農田建設、耕地保護和國家糧食安全提供技術支撐。

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