基于分等因素組合和物元分析的耕地質量潛力研究

趙冬玲　林尚緯　楊建宇,2　張　超,2　何珊珊　張婷婷

(1.中國農業大學信息與電氣工程學院， 北京 100083； 2.國土資源部農用地質量與監控重點實驗室， 北京 100035)

0　引言

土地整治，特別是耕地整治在保證中國糧食安全和實現耕地總量動態平衡等方面起到了巨大作用[1]。土地整治潛力評價是編制土地整治規劃的重要前提和基礎，對確定區域土地整治的目標與方針、劃定土地整治區和指導區域土地整治活動等具有重要的意義[2-5]。2016年12月23日國務院批復的《全國土地整治規劃(2016—2020年)》中提出了“十三五”時期全國經過土地整治的基本農田質量平均提高1個等級，全面提升耕地數量質量保護，落實最嚴格的耕地保護制度，開展農田基礎設施建設，努力補充優質耕地[6]。由此可見，耕地整治質量潛力測算是新時期、新規劃下開展土地整治的重點研究內容之一。

國外已有研究成果對耕地整治質量潛力進行了探索，為耕地質量潛力評價提供了借鑒。國外土地整治歷史可追溯到18世紀，并且積累了豐富的經驗，其中德國在土地整治技術方面具有領先地位，早在20世紀80年代已普遍應用計算機數據處理技術建立土地整治信息系統(LE-GIS)，并且能運用GIS技術對整治前后的地塊價值進行評估，其指標體系構建重點考慮社會、經濟和環境等多個方面，通過采用指標評價法和應用GIS對土地景觀結構在某種程度上受到土地整治的影響研究，表明不同的時空尺度下土地景觀結構與土地整治工程的聯系[7-9]。我國土地整治雖起步較晚，但相關學者也進行了大量研究，從研究思路上看，起初只是對耕地整理潛力測算進行簡單的研究探索[10-11]，其中主要代表是基于省級農用地分等數據，采用農用地分等自然質量參評因素及權重進行土地整治質量評價[12]，隨后出現了在農用地分等計算體系中，通過甄別敏感因素及穩定因素，增加自然質量和利用水平修正因素，并以此建立新的質量評價指標體系[13-14]；從研究方法上看，主要包括耕地質量指數加權法、最高等別法、耕地產能評價法、修正法、預評價法、熵權法、因素組合法[15-20]、熱點分析法等[21-23]。

綜合分析國內外研究進展可知，現階段，土地整治工程在田塊平整、田間道路、農田林網興建等改善農田生產環境等方面所起的作用日益突出[24]。如何開展促進地區經濟發展、縮小城鄉差距、增加農民收入、保護和改善農業生產生活環境的綜合整治已成為研究的焦點。但相關領域始終沒有一套靈活、適用性廣泛的評價方法和指標體系，且基于潛力計算方面的分析評價方法較少，傳統的因素組合法只考慮了得分低于目標值的因素，并未考慮其可改造程度，導致組合計算過程繁瑣且對結果判定造成了干擾。并且修正的評價體系無法揭示土地整治工程提升耕地質量等別的變化情況，測算結果往往夸大了土地整治措施對耕地質量潛力提升的能力。

本文針對上述研究方法的不足，提出改進的因素組合法，通過建立一套可改造因素組合判斷流程，找出符合研究區實際情況的可改造限制因素，進而測算出耕地自然質量潛力；其次，利用物元分析模型對構建的土地利用系數評價指標進行關聯度計算，最后測算出耕地利用質量潛力，從而指導土地整治規劃，為最終實現耕地質量提升提供技術支持。

1　研究區域概況與數據來源

1.1　研究區域概況

涿州市地處河北平原北部，太行山東麓平原，地理位置為115°44′～116°15′E、39°21′～39°36′N。地質構造屬太行山山洪沖積扇，結構穩定地形平坦。境內地形總體特征是西高東低，全境地處太行山前傾斜區，由西北向東南傾斜，最高海拔69.4 m，最低海拔19.8 m，地面坡降1/660左右。地貌形態受拒馬河沖積影響，南北各有二級階地，高差2～4 m不等。屬暖溫帶半濕潤季風區，大陸性季風氣候特點顯著，溫差變化大，四季分明，年平均溫度11.5℃，年平均降水量547.3 mm。市內河流較多，轄區內有永定河、白溝河、小清河、琉璃河、北拒馬河、胡良河等，屬海河流域，大清河水系。近年來地下水位持續下降，降水量減少，河內常年無水，區內大部分灌溉設施老舊。

涿州市也是河北省耕地質量等別監測評價所選的重點監測區域之一，全縣總面積75 127.85 hm2，農用地53 046.39 hm2(其中耕地43 986.51 hm2，園地2 016.53 hm2，林地4 373.31 hm2，其他農用地2 670.04 hm2)。涿州市2013年度耕地質量等別年度更新結果顯示，全市耕地共分為8個國家級自然質量等別，分別為8～15等，其中水田452.53 hm2、水澆地35 739.62 hm2、旱地7 959.73 hm2。涿州市耕地自然質量等別及位置圖如圖1所示。

圖2　研究流程圖Fig.2　Flow chart of study

圖1　涿州市耕地自然質量等別及位置圖Fig.1　Cultivated land natural quality and location map of Zhuozhou City

1.2　數據來源

數據主要包括涿州市2013年1∶10 000耕地質量等別成果數據、2011年1∶10 000土地利用現狀數據以及涿州市GDEMV2 30 m分辨率數字高程數據。另外，輔助資料還包括：《涿州市土地利用總體規劃(2010—2020年)》、《河北省涿州市2013年度耕地質量等別年度更新評價分析報告》、涿州市行政區劃圖、林業部門統計數據等。

2　研究思路與方法

2.1　研究思路

首先選取適當尺度的網格，將耕地分等單元和土地利用矢量數據網格化成基礎數據庫，并結合GB/T 28407—2012《農用地質量分等規程》(以下簡稱《規程》[25])，利用改進的因素組合法，分析涿州市土地整治可改造耕地自然質量限制因素[26-28]，并對可改造限制因素通過定性分析后進行等級提升，得到提升后的自然等指數以及自然質量潛力。然后，根據選取的指標因子構建土地利用系數指標體系，采用層次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)[29]賦予權重，計算整治前每個網格的土地利用系數。最后通過物元分析法找出利用水平較低的區域并提升相對應的指標值得分，計算整治后每個網格的利用系數和整治后的利用等指數，進而根據整治前后利用等指數的差值計算出耕地利用質量潛力。具體分析流程見圖2。

2.2　自然質量潛力測算方法

傳統的因素組合法大都直接對農用地分等因素進行全因素組合，然而該方法忽略了因素的可改造程度，不僅導致計算量大，組合過程復雜化，且對評價結果造成了干擾。根據TD/T 1013—2013《土地整治項目驗收規程》可知，有效土層厚度、鹽漬化程度、土壤有機質含量、土壤 pH 值、表層土壤質地、排水條件和灌溉保證率是耕地整治質量驗收內容，經過土地整治工程后，其屬性可以發生突變[30-31]，其余分等因素在整治過程中，都是在資金、技術現狀以及生態環境保護背景下，近期開發難度大，生態環境破壞嚴重，并且不適合大面積推廣。以此為理論基礎，將上述7種因素確定為土地整治可改造因素，然后在此基礎上進行因素組合尋找限制因素。

2.2.1可改造因素組合

根據涿州市2013年度耕地質量等別補充完善成果可知，涿州市耕地質量分等因素包括4個：灌溉保證率、表層土壤質地、土壤有機質含量、剖面構型，分別有4、3、5、7個分級水平(表1)，其中可改造因素有3個。將農用地分等單元可改造因素得分用相應的代碼表示，因素得分(10～100分)分別對應1、2、3、4、5、6、7、8、9、+這10個代碼，然后按照表1中分等因素的順序把3個因素得分代碼合并到一起，作為自然質量評價單元可改造因素組合類型標識。例如某評價單元可改造因素組合類型標識為“398”，則說明該單元灌溉保證率得分為30分，對應無灌溉條件，表層土壤質地得分為90分，對應表層土壤以粘土為主，土壤有機質質量分數得分為80分，對應有機質質量分數大于2%，以此類推得到所有評價單元的3個因素的全部組合類型。

表1　涿州市農用地分等因素及其分級分值Tab.1　Arable land grading indicators and their classification and scores in Zhuozhou City

2.2.2限制因素組合

由于作物生長取決于生活環境對其最適生長環境因素值的滿足程度(本文用因素得分標識)，滿足程度小的則是影響作物生長的主要限制因素，也是影響農用地生產能力發揮的主要原因。滿足程度最小的為第一限制因素，即最大限制因素，次之為第二限制因素，依次類推[32]。根據這一原則和表1分級分值標準，分等因素得分在50及以下時，該因素就會對作物生長有主要限制作用。如土壤有機質質量分數小于0.6%(即有機質得分20分)屬于養分貧瘠；表層土壤質地為礫質土、土壤重度以上鹽漬化、無灌溉排水條件已嚴重影響農用地耕作。因此將分等因素得分在10～50分(標識代碼為1、2、3、4、5)之間的視為限制因素，然后再從上述可改造因素組合中篩選出包含限制因素的組合確定為可改造限制因素組合類型，以此作為本文的研究對象。

2.2.3自然質量潛力測算

根據各指定作物的光溫生產潛力指數和產量比系數，結合指定作物的分等因素權重、因素指標分值，按照《規程》計算整治前自然質量等指數。然后，結合研究區實際，綜合運用GIS、遙感等定性定量方法分析自然質量評價因素中可改造限制因素及其改造程度，對整治后耕地自然質量進行重新評價，得到整治后自然等指數，最后根據整治前后自然等指數差值獲取耕地整治自然質量潛力，計算公式為

(1)

(2)

Ri=R′ij-Rij

(3)

式中k——分等因素編號s——指定作物數量

r——分等因素的個數

wk——第k個分等因素的權重

βj——第j種作物的產量比系數

atj——第j種作物的光溫生產潛力指數

fk、f′k——整治前、后可改造限制因素對應的指標分值

Rij、R′ij、Ri——第i單元第j種指定作物整治前、后的自然質量等指數和自然質量潛力

2.3　利用質量潛力測算方法

2.3.1土地利用系數計算

農用地分等因素只考慮了土壤立地條件以及灌排基礎設施等影響因素，未充分認識到土地整治工程措施對耕地生產條件改善等方面帶來的影響，也就是《規程》中所提到的土地利用系數，同時還忽略了綠色生態建設、“田水路林村”全域綜合整治的重要意義。因此本文結合已有土地整治工程對耕地利用質量的影響，從耕地空間格局、耕作便利水平、田間基礎設施3個因素層出發，補充耕地面積比、田塊方度指數、集中連片度、道路通達度、耕作便利度、田間道路密度、田間溝渠密度、防護林比率等8個耕地整治可改造的生產環境條件因素，構建基于耕地生產條件可改善和綜合考慮生產、生活、生態作用的土地利用系數指標體系(表2)，以此來修訂已有土地利用系數。以網格為評價單元[33]，以耕地自然等指數為基礎，應用AHP法并通過一致性檢驗，經多位專家綜合論證后確定各指標分級標準、得分及權重，加權修正得到新的土地利用系數，計算公式為

(4)

式中m——指標體系包含的指標個數

Gi——第i個網格單元的土地利用系數

wij——第i個網格內第j個土地利用系數指標對應的權重

fij——第i個網格內第j個土地利用系數指標對應的分值(10～100分之間)

表2　基于耕地生產條件可改善的土地利用系數指標體系及計算方法Tab.2　Indicators and their weights of cultivated land utilization level in Zhuozhou City

注：指標取向“+”表示指標層的指標值越大則綜合評價分值越大，“-”則反之。

2.3.2物元分析法

物元分析是在處理某些條件下，用通常的方法無法達到預期目標的不相容問題的一種分析方法。在物元分析中，所描述的事物M及其特征C和量值X組成物元R[34]，其表達式為

R=(M，C，X)

(5)

如果事物有多個特征，則其表達式為

(6)

本文對土地利用系數指標體系中各指標值進行物元分析，依次確定物元矩陣、經典域對象物元矩陣、節域對象物元矩陣，最后計算關聯函數確定隸屬度并根據隸屬度高低劃分等級，等級低的地區表示相應指標值較低。根據等級分布情況，對低等級分布區域進行分析并提出相應的土地整治建議。具體計算過程為

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中Wi——對應指標Ci的權重

a、b——事物每個屬性的最小值和最大值

ρ(X,X1)——點X與待判物元R的節域區間的距

ρ(X,X0)——點X與待判物元R的經典域區間的距

Ro、Rp、RB——待判物元矩陣、經典域矩陣和節域物元矩陣

Mo、Mp、B——待判事物名稱、評價等級、評價等級的全體

Kj(Xi)——待判物元R各指標關于各評價等級j的歸屬程度，并以此數值的大小來確定該物元的等級，關聯函數的值域為(-∞，+∞)，若Kj(Xi)=maxKj(Xi)(j=1，2，…，m)，則待判物元第i個指標隸屬于等級j

Kj(Mi)——土地利用系數指標單元關于等級j的綜合關聯度，若Kj(Mi)=maxKj(Mi)(j=1，2，…，m)，則Mi屬于等級j

2.3.3利用質量潛力測算

以整治前后耕地利用等指數的差值來表示耕地整治利用質量潛力。即通過2.2.3節和2.3.1節中計算出的自然質量等指數和土地利用系數，得到整治前利用等指數，其計算方法參考《規程》。然后，經過物元模型計算得到利用系數低等級分布區，并結合研究區實際，對隸屬度級別為2、3的單元保持不變(1級利用系數最低，3級最高，2級次之)，對級別為1的評價單元，結合緩沖區分析、坡度分析、已有耕地整治項目經驗等分析結果進行相應的等級提升，重新計算整治后的土地利用系數，進而得到整治后耕地利用等指數。最后根據整治前后利用等指數差值獲取耕地整治利用質量潛力，即

Yi=G′iR′ij-GiRij

(12)

式中Yi——第i個網格單元耕地利用質量潛力

G′i——整治后土地利用系數

3　結果與分析

3.1　數據預處理

研究區采用400 m×400 m進行網格劃分。采用ArcGIS軟件中的FishNet工具創建網格，并經過空間連接和空間疊加后，建立網格與耕地、線狀地物等多源數據的空間關系，為評價指標的網格化計算做準備，研究區共劃分為4 338個網格單元，如圖3所示。

圖3　涿州市耕地質量潛力評價網格單元Fig.3　Potential evaluation grid of cultivated land quality of Zhuozhou City

3.2　自然質量潛力

3.2.1可改造限制因素組合

理論上，涿州市農用地分等單元的可改造因素組合類型應是3個因素不同水平組合成的60種。經匯總分析發現，可改造因素的全因素組合類型實際只有19種，其中符合條件的限制因素組合類型有8種(3+6、3+8、375、376、378、396、398、775)，其分布如圖4所示。

圖4　可改造限制因素組合類型分布Fig.4　Convertible restriction factor combination type distribution

由圖4可知，涿州市耕地可改造限制因素組合的分布較為零散，其8種組合中有6種屬于灌溉保證率單限制因素，1種屬于土壤有機質含量單限制因素(圖中紅色區域)，1種屬于“灌溉保證率+土壤有機質含量”雙限制因素，雙限制因素集中分布在百尺竿鎮和東城坊鎮交界處，且面積相對較小(圖中紫色區域)。因此可得出結論，涿州市耕地自然條件大都受制于灌溉保證率和有機質含量這兩個限制因素的影響，且灌溉保證率是其主導限制因素，全域均受到不同程度的影響，土地整治工程應對其進行重點關注。

3.2.2潛力測算及分級

通過ArcMap的疊加分析工具，將可改造限制因素單元與非限制因素單元圖層進行疊加對比分析可知，灌溉保證率限制因素在百尺竿鎮、東城坊鎮、雙塔街道、義和莊鄉4個地區90%的耕地均為一般滿足，即因素分值代碼為7，而其他11個鄉鎮對應的灌溉保證率大都為基本滿足，即因素分值代碼為9，據此對以上百尺竿等4個鄉鎮內的灌溉保證率限制因素得分從代碼3提升到7，即提高1個等級，松林店等11個鄉鎮從3提升到9，即提高2個等級；有機質限制因素分布較為集中，且面積相對較小，其周圍耕地的有機質含量均高于20%，即高出1個等級，因此可借鑒其他鄉鎮近年來肥力提升效果顯著的經驗，如通過使用無污染有機肥，提升村民綠色種植觀念，采用深松淺翻、深施肥料、糧豆輪作套作的保護性耕作制度、農家肥等培肥措施使其提高1個等級。

按照2.2.3節相關公式計算整治前后全市耕地自然等指數及提升潛力，提升前后部分因素組合類型及自然等指數如表3所示。平均自然等指數從之前的1 378～2 521變為1 851～2 521，自然等指數平均提升174，即0.87個省自然等級。國家自然等指數平均提升211，即0.53個國家自然等級。

表3　整治前后可改造限制因素組合及自然等指數Tab.3　Convertible restriction factor combination and physical quality grade index before and after land consolidation

按照自然間斷點分級法劃分等級，結果如圖5，其中1級表示自然等指數潛力區間為0～90，2級為90～275，3級為275～473。涿州市土地整治自然質量潛力高值區集中分布在西部、東北部，少量分布在北部和南部，涉及到的鄉鎮主要有東城坊鎮、百尺竿鎮、義和莊鄉、東仙坡鎮、碼頭鎮、林家屯鄉、高官莊鎮。其余地區提升潛力較低，且分布零散，可針對性的對灌排等老舊基礎設施進行改善，通過資金投入和更新灌排設施，采取節水灌溉，南水北調，提高農民綠色種植意識，鼓勵使用有機肥等措施進行改善。

圖5　自然質量潛力分布Fig.5　Natural quality potential distribution

3.3　利用質量潛力

3.3.1物元分析計算

首先按照式(4)計算整治前土地利用系數，然后對耕地空間格局、耕作便利水平、田間基礎設施這3類指標進行物元分析計算，經典域矩陣的3個等級分別為M1、M2、M3，節域矩陣為H，具體為

物元分析等級劃分可視化結果如圖6所示，其中1級代表低值區域，3級代表高值區域，可見涿州市耕地空間格局和便利水平基本滿足要求，著重對低值區域進行相應的整治工程。

圖6　物元分析結果Fig.6　Results of matter element analysis

空間格局物元分析如圖6a，1級綠色區域綜合關聯度較低，表現為耕地占地面積較少，地塊破碎，連片性差，這些地區建議進行土地平整與改造，增加有效耕地面積，歸并零散地塊，加強耕地集中連片性建設，使之達到“田成方”的效果。耕作便利水平物元分析如圖6b，整體處于中低等水平，3級零散分布，1級綠色低值區表現為道路通達度低，田間道路分布較少，耕作不夠便利，應對這些地區進行田間道路修建，損毀路面翻修，完善基礎交通道路網覆蓋，使之達到“路相通”的效果。田間基礎設施物元分析如圖6c，整體處于低等水平，實地調查發現這些地區溝渠設施老舊，輸水管道等灌溉水利設施不足，少數地區發達，且防護林分布較少，難以起到強有力的防護功效，應著重加強水利設施興建，營造綠色防護林，達到“渠相連、林成網”的高效生態農業。

3.3.2潛力測算及分級

按照式(4)計算土地利用系數Gi，結果介于0.1～0.72之間。借鑒已有土地整治工程項目對當地進行的改造，并結合現有的GIS、RS等技術，對上述低等級(1級)區域進行適當的土地整治工程，再按照式(4)計算整治后的土地利用系數G′i，G′i介于0.21～0.72之間，最后按式(12)計算利用質量潛力。整治后的利用等指數平均值從790.9提高為957.7，提高166.8，即0.83個等級。國家利用等指數平均提高145，即0.73個利用等。

通過耕地平整、田塊歸并、修建田間道路等工程可使耕地空間格局更加集中和連片，耕地空間形態均勻，越有利于集中連片生產耕作，所以方度指數提高2級，連片性提高1級；道路通達度表征了耕地距離運輸公路的遠近，它是耕作便利度的先決條件，只有將人力物力有保障的運輸到田地，才能保證提高耕地利用水平，且結合實地調研可知道路等基礎設施建設提升幅度較大，技術條件成熟，因此提高2級；耕作便利度表征的是田間道路通達的田塊數量，此指標相對影響范圍較小，因此提高1級；對基礎設施因素層下的3個指標分別進行分析，通過對比高分二號遙感影像和實地調查，低值區內的道路和溝渠分布較少，且溝渠設施老舊，溝渠建設還需考慮水源、電力設施等分布；將防護林圖層和耕地圖層疊加分析可知，涿州市僅有少數鄉鎮設有防護林，經過耕地整治，各地區的防護林可以得到明顯提升。具體提升方案如表4。

利用質量潛力分級結果如圖7，其中1級表示利用等指數潛力區間為0～60，2級為60～162，3級為162～390。由圖可見，涿州市耕地利用質量潛力高值區聚集在西部和東部，北部少量分布，主要包含孫家莊鄉、松林店鎮、東城坊鎮、百尺竿鎮、東仙坡鎮、碼頭鎮、義和莊鄉、刁窩鄉、豆莊鄉，潛力低值區主要分布在南部，包括林家屯鄉、高官莊鎮以及豆莊鄉中南部，可針對性的進行田塊平整、補修破損道路、新建道路和溝渠完善路網和渠網密度，增加防護林，完善田間電力、水利等基礎設施。

表4　分級方法與提升方案Tab.4　Classification method and lifting scheme

圖7　利用質量潛力分布Fig.7　Utilization quality potential distribution

4　結論

從耕地自然條件和利用條件兩方面對影響耕地質量的因素進行分析，充分結合研究區的土地利用現狀和耕地質量等別更新數據，通過改進的因素組合法合理高效的找出可改造限制因素，選取和當地生產利用水平息息相關的8個指標構建了土地利用系數指標體系，并引用物元分析法對其進行評價劃分了高、中、低3個等級區，再根據各指標針對性的提出合理整治意見。

(1)耕地自然質量和利用水平可以定性定量地評價耕地整治潛力大小，為土地整治潛力評價方面的研究提供了思路借鑒。

(2)改進的因素組合法能夠準確地找出涿州市自然質量可改造限制因素，克服了傳統因素組合法對土地整治難以改進的分等因素的重復組合計算，提高了方法的適用范圍，有助于明確整治工程方向；建立的土地利用系數指標體系綜合考慮生產、生活、生態功能，評價更為全面客觀；物元分析法對各指標進行綜合關聯度分析后，能夠準確地劃分各因素層等級，找出低等級分布區，再結合最新的GIS等空間分析方法，能夠很好地指導土地整治工程。

(3)涿州市耕地整治潛力較大，自然質量潛力較高區域分布于東北和西部，耕地利用水平中等，利用質量潛力較高區域分布于西部、東部和北部，經改善后的國家自然等、國家利用等潛力均有所提升。

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