作物生產潛力訂正對耕地自然質量等別的影響

馬悅+廖麗君+張建生+鄭宏剛+李海叢+陳鏡宇+余建新

摘要：作物生產潛力是評定耕地質量等別的重要因素，但是能提供生產潛力數據的氣象站點有限，因此，對氣象站點處的生產潛力值進行訂正，以獲取氣象站點未覆蓋區域的生產潛力值便顯得尤為重要。以云南省陸良縣為例，通過對云南省氣象站點提供的3種指定作物生產潛力值進行克里金插值訂正，獲得了陸良縣氣象站點以外區域的3種指定作物生產潛力值，并運用對比分析法，探討生產潛力值的訂正對耕地自然質量等別的影響。結果表明，采用克里金插值方法訂正的作物光溫和氣候生產潛力值較訂正前變化較大，對耕地自然質量等別有一定的影響，耕地自然質量水平有所降低。訂正后的作物生產潛力值更加精確，可以提高耕地質量等別的科學性、準確性和實用性。

關鍵詞：作物生產潛力；克里金插值；自然質量等別；作物光溫生產潛力；作物氣候生產潛力

中圖分類號： F301.21 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）20-0259-05

收稿日期：2017-01-15

基金項目：公益性行業（國土資源）科研專項（編號：201511003-1）。

作者簡介：馬 悅（1990—），女，黑龍江哈爾濱人，碩士，主要從事土地規劃與管理研究。E-mail：470330881@qq.com。

通信作者：余建新，教授，主要從事土地利用工程、水利水電工程研究。E-mail：ynndgtzx@163.com。 作物生產潛力的確定是評定耕地質量等別工作中的重要步驟，耕地質量等別評定的思路是以指定作物的光溫（氣候）生產潛力為基礎，通過分析土地自然質量、土地平均利用水平、土地平均經濟水平，得到耕地自然質量等別指數、土地利用系數、土地經濟系數，從而綜合評定耕地等別。可見，在評定耕地質量等別的過程中，作物生產潛力指數的大小直接影響耕地質量等別的高低。

作物光溫生產潛力是在一定的光、溫條件下，其他環境因素（水分、二氧化碳、養分等）和作物群體因素均處于最適宜狀態，作物利用當地的光、溫資源的潛在生產力。作物氣候生產潛力是充分和合理利用當地的光、熱、水氣候資源，而其他條件（土壤、養分、二氧化碳等）處于最適宜狀況時，單位面積土地上可能獲得的最高生物學產量或農業產量。

在作物生產潛力研究方面，李世奎從不同角度研究了氣候生產潛力，并對我國氣候生產潛力的空間分布進行了探討[1]；王令超等對農用地分等中作物生產潛力空間插值的方法進行了研究[2]；張耀耀等研究了氣候變化對作物生產潛力的影響[3]。在作物生產潛力對耕地質量的影響方面，鄒玥等以海拔差異較大的云南省香格里拉縣為例，探討了海拔對農用地自然質量等指數的影響，將海拔因子作為一個修正系數納入自然質量等指數計算[4]；邱維理指出，《農用地質量分等規程》中作物生產潛力指數反映的是氣象站點所在地的農業氣候條件，在農用地分等單元分布區的農業氣候條件與氣象站點所在地有差別，其差別會顯著影響到作物的生長情況[5]。已有成果對于作物生產潛力及其對耕地質量的影響研究比較充分，但針對氣象站點未覆蓋區域的作物生產潛力值的獲取及其準確性對耕地自然質量等影響研究仍有欠缺。

本研究針對云南省陸良縣耕地分等單元分布區的農業氣候條件與氣象站點所在地有所差別的問題，研究氣象站點未覆蓋區域的作物生產潛力指數的獲取及其準確性對耕地自然質量等別的影響。目前云南省內所設的氣象站覆蓋面不廣泛，多數縣僅有1個氣象站點，少數縣除縣級氣象站點外設有高山站。依據氣象站點的氣象數據測出的作物生產潛力值僅能代表氣象站點周圍耕地的生產潛力，實際工作中卻應用氣象站點的1套數據代替整個縣域范圍內所有耕地的潛力值，這使得耕地質量等別評定結果與實際耕地情況有較大偏差。本研究對云南省氣象站點指定作物光溫（氣候）生產潛力值進行克里金插值訂正，以獲取氣象站點以外區域的指定作物生產潛力值，并運用對比分析法探討其對耕地自然質量等別的影響，研究結果可在新一輪農用地質量及產能的全面調查評價工作中，為獲取并采用更加精確的作物生產潛力值提供參考。

1 研究區域概況

陸良縣隸屬于云南省曲靖市，屬于云南省5個耕作制度二級區分區的滇中高原盆地區。該縣居南盤江上游，四面環山，中間是開闊平坦的湖積盆地，縣域內最高點為龍海山，海拔2 687 m，最低點為萬家河石板潭，海拔1 640 m，屬亞熱帶高原季風型冬干夏濕氣候區，年平均氣溫14.7 ℃，年總積溫 5 326 ℃，年降水量為900～1 000 mm，年日照時數為 2 442.5 h。陸良縣耕作制度為一年兩熟，耕地面積共7.6萬hm2。氣象站點位于縣域中部，站點海拔為1 845 m。《農用地質量分等規程》（GB/T 28407—2012）依據氣象站點數據測出的作物生產潛力值包括陸良縣的冬小麥光溫（氣候）生產潛力值、夏玉米光溫（氣候）生產潛力值和一季稻光溫生產潛力值。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究數據來源于《農用地質量分等規程》（GB/T 28407—2012）和陸良縣農用地分等數據庫、報告、基礎數據匯編。具體包括依據氣象站點測出數據獲取的云南省129個縣的冬小麥光溫（氣候）生產潛力值、夏玉米光溫（氣候）生產潛力值和一季稻光溫生產潛力值，陸良縣25 907個耕地圖斑及其質量等別矢量數據。綜合利用以上資料，對陸良縣耕地自然質量等別進行核查分析。

2.2 研究方法

2.2.1 克里金插值法 克里金插值是空間插值的一個類型，它是根據未知點有限領域內的若干已知樣本點數據，在考慮了樣本點的形狀、大小、空間方位與未知樣點的相互空間位置關系，以及變異函數提供的結構信息之后，對未知樣點進行的一種線性無偏最優估計。其對樣本點的數據要求是呈正態分布。本研究利用ArcGIS軟件的地統計工具進行克里金插值，得到氣象站點外各地區每個耕地單元的生產潛力值。endprint

2.2.2 插值結果試算法 克里金插值后的作物光溫（氣候）生產潛力值產生變化，使得農用地等別劃分計算中的自然質量等指數發生了變化，最終導致農用地自然質量等別的變化。所以，對指定作物光溫（氣候）生產潛力值訂正的最終目的是為了訂正耕地自然質量等，消除因地形變化而引起的等別誤差，訂正后的等別能更好地反映耕地質量的高低。插值結果試算是將克里金插值后的作物光溫（氣候）生產潛力值代入農用地分等計算公式中，沒有變化的已知條件如自然質量分、土地利用系數及土地經濟系數等直接引用，變化的條件即作物生產潛力值，采用插值后的冬小麥光溫（氣候）生產潛力值、夏玉米光溫（氣候）生產潛力值和一季稻光溫生產潛力值，將算出的自然質量等轉換為小數等。

2.2.3 對比分析法 對比分析法是分別將訂正后的作物生產潛力值和采用訂正后作物生產潛力值計算出的耕地自然質量等與訂正前的相關數據進行對比。訂正前的作物生產潛力值和自然質量等直接沿用氣象站點測出的數據和陸良縣農用地分等數據庫中的耕地自然質量等別，并將耕地自然質量等別轉換為小數等；訂正后的作物生產潛力值采用克里金插值后的結果，訂正后的自然質量等采用插值結果試算后的耕地自然質量等。具體流程見圖1。

3 結果與分析

3.1 指定作物生產潛力指數地形訂正結果及訂正前后差異分析

基于克里金插值法對數據呈正態分布的要求，本研究只采用了部分云南省氣象站點數據進行插值，冬小麥光溫生產潛力值采用了117個點；冬小麥氣候生產潛力值取的是滇中高原盆地區的39個點；夏玉米光溫生產潛力值用了113個點；夏玉米氣候生產潛力值采用了滇中高原盆地區的46個點；一季稻光溫生產潛力值取了滇中高原盆地區的44個點，選取的這些點都是包括陸良縣在內的平面地理位置距其最近的云南省氣象站點生產潛力值，因為基礎數據是符合正態分布的，且所求未知點的期望值是未知的，所以采用普通克里金法進行插值獲取5組生產潛力值的趨勢面。

經交叉驗證，冬小麥光溫（氣候）生產潛力值、夏玉米光溫（氣候）生產潛力值和一季稻光溫生產潛力值的插值模型具體參數如表1所示。

由表1可知，上述5組數據插值模型的標準平均值最接近于0，均方根最小，平均值誤差最接近于均方根誤差，平均標準誤差最接近于1，所以生成的趨勢面是最優的。

趨勢面生成后，選擇導出至柵格工具，在工具對話框中，輸入地統計圖層為上述5組趨勢面，輸出像元大小為200，設置工作環境的處理范圍為陸良縣縣域范圍向上下左右分別外延2 km。然后將生成的5組柵格數據分別與陸良縣分等數據進行裁剪操作，在工具對話框中，輸入柵格為5組柵格數據，輸出范圍為陸良縣耕地質量分等數據，勾選“將輸入要素用于裁剪幾何”。由上述操作可得到陸良縣25 907個分等單元相對應的小麥、玉米、水稻3種作物的光溫（氣候）生產潛力值。

訂正后的生產潛力值與原生產潛力值相比更加精確細化，原生產潛力值都包括在訂正后潛力值范圍里或很接近此范圍。這5個柵格圖層訂正前的潛力值和訂正后的潛力值范圍及平均值如表2所示。

由表2可知，訂正前，依據陸良縣氣象站點測出的作物生產潛力值包括冬小麥光溫生產潛力值18 390 kg/hm2、夏玉米光溫生產潛力值28 815 kg/hm2、一季稻光溫生產潛力值 23 100 kg/hm2、冬小麥氣候生產潛力值9 240 kg/hm2和夏玉米氣候生產潛力值28 815 kg/hm2。全縣所有耕地單元均采用上述值評定耕地質量等別。

訂正后，陸良縣域內的25 907個耕地單元都有各自的冬小麥光溫生產潛力值、夏玉米光溫生產潛力值、一季稻光溫生產潛力值、冬小麥氣候生產潛力值和夏玉米氣候生產潛力值。

由圖2可知，生產潛力地形訂正前后的差異較大。冬小麥光溫（氣候）生產潛力值在陸良縣西北部差異最大，其光溫生產潛力值從中部地區到周邊差異逐漸變大，氣候生產潛力值從東到西差異變大；夏玉米光溫（氣候）生產潛力值在東南區域差異最大，光溫生產潛力值從西北到東南差異逐漸增大，氣候生產潛力從西南到東北差異變化逐漸增大；一季稻光溫生產潛力值在陸良東北部差異最大，從西南到東北差異逐漸增大。

這種差異的出現是因為云南省地形復雜、高程變化頻繁，所以采用普通克里金插值訂正后的作物生產潛力指數相比訂正前有很大變化，訂正后的作物生產潛力指數更符合實際情況。總體而言，旱地地區的作物生產潛力訂正前后的差異大，水田和水澆地地區訂正前后的差異較小。

3.2 采用訂正前后生產潛力指數計算耕地質量等別

由表3可知，運用訂正前小麥、玉米、水稻生產潛力指數計算得到陸良縣25 907塊耕地國家級自然質量等別范圍為8.7～11.0，其中旱地9.0～11.0，水澆地9.0～10.7，水田 8.7～10.8。訂正后小麥、玉米、水稻生產潛力指數計算得到陸良縣25 907塊耕地國家級自然質量等別范圍為9.0～11.1，其中旱地10.1～11.1，水澆地10.2～10.9，水田9.0～10.3。從訂正前后結果可以看出，訂正前25 907個評價單元的自然質量等別范圍為8.7～11.0。訂正后的耕地國家級等別發生了變化，采用訂正后小麥、玉米和水稻生產潛力值評定的陸良縣25 907塊耕地國家級自然質量等別范圍是9.0～11.1，變化范圍在-0.9～1.2之間。

由表3、表4可知，旱地和水澆地自然等變化范圍為 -0.1～1.2；水田自然等變化范圍為-0.9～1.0。其中，旱地、水澆地和水田自然等主要呈降低趨勢，等別變化都集中在0.1～0.5區間內；有小部分水田自然等別上升幅度較大，最大升高了0.9個等別；旱地和水澆地最大升高了0.1個等別。

由表4可知，25 907塊耕地等別變化的數值主要集中在0.1～0.5之間，少數的耕地等別變化數值在-0.9～-0.1和0.6～1.2之間。自然質量等別上升的耕地單元占陸良縣全部耕地的1.25%，其中有6.5%的旱地、0.62%的水澆地和92.88%的水田。自然質量等別降低的耕地分為3段：第1段為0.1～0.5等，這個范圍內的耕地占全縣耕地的96.86%，旱地占70.55%，水澆地占3.77%，水田占25.68%；第2段是0.6～1.0等，這個范圍內的耕地占全縣耕地的0.48%，這部分耕地主要是水田；第3段是1.1～1.2等，這個范圍內的耕地占全縣耕地的1.41%，包括63.29%的旱地和36.71%的水澆地。endprint

綜上所述，整個縣域范圍內耕地自然等變化主要趨勢是降低了0.1～0.5個等別，少數評價單元的等別升高，水田自然等上升幅度比旱地和水澆地的大。其中， 自然質量等別變化大的耕地單元主要分布在旱地；變化較小的耕地單元在旱地、水田和水澆地這3種地類中都有分布；變化極小和無變化的耕地單元主要分布于水田中。

4 結論與討論

4.1 結論

作物光溫（氣候）生產潛力是構成耕地質量等別體系的重要參數，在評定耕地質量等別過程中，作物生產潛力指數的大小直接影響耕地質量等別的高低。本研究以《農用地質量分等規程》（GB/T 28407—2012）中提供的云南省縣級氣象站點生產潛力值為基礎，運用克里金插值對作物光溫（氣候）生產潛力值進行訂正，獲取氣象站點以外的25 907個耕地單元的3種指定作物的生產潛力值。結果表明，訂正前后差異范圍冬小麥光溫生產潛力值是-3 900～-165 kg/hm2、冬小麥氣候生產潛力值為-2 025～660 kg/hm2、夏玉米光溫生產潛力值為-2 475～300 kg/hm2、夏玉米氣候生產潛力值為 -2 910～-1 425 kg/hm2、一季稻光溫生產潛力值為 -2 055～90 kg/hm2，訂正后的作物光溫（氣候）生產潛力值更接近實際。將訂正后的5組生產潛力值應用于陸良縣 25 907 塊耕地中，重新評定縣域內的每塊耕地的自然質量等，訂正后較訂正前耕地自然等變化范圍在-0.9～1.2之間。整個縣域范圍內耕地質量主要呈降低趨勢，96.86%的耕地單元降低了0.1～0.5個等。等別變化主要集中于旱地。采用克里金插值方法訂正的作物光溫（氣候）生產潛力值較訂正前變化較大，對耕地自然質量等別有一定影響，耕地自然質量水平有所降低。

4.2 討論

本研究創新點在于解決了氣象站點未覆蓋區域的作物生產潛力值的準確性問題，對作物光溫（氣候）生產潛力值進行訂正并與訂正前生產潛力值進行比較，采用訂正后的生產潛力值重新計算耕地自然質量等別，并與訂正前耕地自然質量比較，結果表明，作物生產潛力訂正很有必要，且其訂正后對耕地自然質量等別有一定的影響，耕地自然質量水平有所降低。此研究成果可應用于新一輪農用地質量及產能全面調查評價工作，為獲取和采用更加精確的作物生產潛力值提供理論參考。

若要使耕地質量等別評定結果更準確，在實際工作中將氣象站點未覆蓋區域的作物生產潛力值的準確性考慮在內尤為重要。耕地質量分等成果已被廣泛應用于土地利用總體規劃、基本農田保護、耕地占補平衡等。眾多研究也是以耕地等級為重要依據，如耕地產能調查與評價以耕地等級為依據開展產能核算、耕地占補平衡補充耕地數量質量實行按等級折算、耕地等級是耕地價格的重要依據等。因此，評定的耕地等別結果的客觀性、準確性對國土資源管理有重要影響。本研究中由于將氣象站點未覆蓋區域的作物生產潛力值的準確性考慮在內，可以使云南省耕地質量等別評定結果更符合實際。

雖然克里金插值法是考慮了樣本點空間位置的方法，但由于云南省地形地貌復雜多樣，是空間各個方向上地形地貌分異的綜合。包括陸良縣在內的云南省氣象站點間的平面距離不大，地形地貌分異的特征不是很明顯，所以，采用克里金插值法訂正后的作物生產潛力值重新計算評定的耕地自然質量等別的差異不太懸殊。影響耕地自然質量水平的因素是多樣的，若要獲得更加準確的耕地自然質量等別，還需要在此次訂正的基礎上進一步考慮其他因素如海拔、地形等對作物生產潛力的影響，但是，此訂正能夠為其他因素的訂正提供準確的基礎數據。

參考文獻：

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[5]邱維理. 全國農用地分等作物生產潛力指數研究[M]. 北京：中國大地出版社，2014.endprint