基于生態位理論的東北黑土區高標準農田建設標準研究

徐小千， 裴久渤， 李雙異， 汪景寬

(沈陽農業大學土地與環境學院，遼寧沈陽 110866)

高標準農田建設對于提升區域糧食保障能力、推進農業現代化具有重要意義，是新時期保障我國糧食安全和經濟社會發展的重要戰略舉措[1-2]。自十七大提出“生態文明”以來，我國高度重視生態文明建設，因此高標準農田建設也應從生態角度出發，努力建成生態友好型的高標準農田。但目前高標準農田建設成后可持續利用性不強，其根本原因是制定的標準不夠具體，缺乏生態性和可操作性[3]。因此，基于生態理論，明確高標準農田建設的內涵，確定適合不同類型區的高標準農田建設差異性標準，對耕地保護有重要的、針對性的指導意義。

高標準農田建設是我國保護農田的有效手段之一[4]。目前，學者對于高標準農田建設的探究多從布局[5]、時序[6]、模式[7]和適宜性[8]等方面進行，但在如何科學制定高標準農田建設標準尤其是具有生態意義的標準方面還有待深入探索。生態位理論是生態學重要理論之一，生態位的概念最早是Grinnell在1917年提出的[9]，1957年Hutchinson首次將生態位賦予了數學抽象概念，提出了n維超體積生態位的概念[10]。李自珍等對已有生態位內涵綜合分析后提出了一個新概念——生態位適宜度，它表征物種對其生境條件的適宜性[11]。近年來，隨著對生態位理論研究的不斷深入，該理論越來越多地應用于土地方面的研究，已有的研究中有運用生態位理論提出“耕地生態位”的內涵，并以數量生態位和效益生態位為切入點，構建了效益生態位驅動力測度模型[12]，還有應用生態位適宜度模型構建了土地利用單元生態位適宜度評價體系[13]和元胞自動機生態位適宜度評價模型[14]，對低丘緩坡土地進行建設適宜性評價。在高標準農田建設標準研究中，雖然我國已有這方面的全國性標準[15-16]，但這些標準大多是對行政區建立統一標準，缺乏針對不同類型區域高標準農田建設的差異化標準，也很少將生態理念融入其中。盡管農業部出臺的標準區分了不同類型區，但仍缺乏對特定區域(如東北黑土區)不同類型區的全面考慮。而對于高標準農田建設標準的研究，多以高標準農田建設質量評價的結果進行分級來確定標準[17-18]，對標準的生態學內涵關注不足。

東北黑土區是世界上僅有的三大片最適宜耕作的黑土地帶之一，是我國糧食主產區之一，近年來由于黑土質量下降而廣泛受到國內外眾多學者的關注。在該區域制定具有生態意義的不同類型區高標準農田建設標準既有助于科學規范開展土地生態整治活動[19]，又利于完善高標準農田建設標準體系，實現“高標準”在區域特征上的差異化[20]。基于此，本研究以東北黑土區典型縣為研究區，利用生態位適宜度模型對高標準農田建設適宜性進行評價，劃分適宜性等級，并以此確定該區域不同類型區高標準農田建設標準，為定量確定高標準農田建設差異性標準提供參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

東北黑土區位于我國東北邊疆，包括黑龍江省、吉林省、遼寧省和內蒙古東四盟市(呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市)在內的49個地級市(盟、自治州和管理局)，432個縣(縣級市、區、旗和農場)[21]。耕地面積3 583.67萬hm2，占全區土地面積的28.70%(圖1)。

該區域屬溫帶季風氣候，年平均溫度-7～11 ℃。地貌類型復雜多樣，其中包括平原、漫崗臺地、丘陵和山地，由于地形地貌變化的多樣導致了土壤類型豐富(主要以黑土、黑鈣土、草甸土、暗棕壤土為主)、腐殖質含量高、土壤肥沃。但東北黑土區水資源總量不足，空間分布不均衡。根據東北黑土區概況，影響東北黑土區高標準農田建設區域劃分的因素多且情況復雜，因此本研究在遵循區間差異性和區內相似性原則的基礎上，全面分析東北黑土區地形地貌、溫度、土壤類型、農業區劃、農田設施等資料，并參考國家高標準農田建設標準區域劃分的類型，將東北黑土區劃為5個類型區：平原低地類型區、漫崗臺地類型區、風蝕沙化類型區、低山丘陵類型區和山地類型區。其中山地類型區耕地面積分布很少，因此，本研究主要對其余4個類型區(10個典型縣)建立高標準農田建設標準，其中平原低地類型區選擇寶清縣和遼中區；漫崗臺地類型區選擇嫩江縣、海倫市、雙城市、公主嶺市和昌圖縣；風蝕沙化類型區選擇科爾沁左翼中旗、低山丘陵類型區選擇阜新蒙古族自治縣和依蘭縣(圖1)。

1.2 數據來源

綜合考慮區域數據的可獲性及評價的精度，本研究選取耕地圖斑作為評價單元。數據來源于各縣實地采樣、調研、第2次土地調查數據庫，東北黑土區耕地質量評價數據庫，30 m數字高程圖(DEM)，耕地地力評價資料，第2次土壤普查資料，地貌圖、行政區劃圖等。

2 研究方法及模型

2.1 高標準農田建設的生態學內涵

從生態學視角分析，高標準農田是人工生態系統，它作為承載人類活動的自然-經濟-社會復合載體，可以認定為是一個具有生命周期的、開放的有機體；不同的高標準農田利用類型可認為是不同的種群；同一行政區內的所有高標準農田可以認定為是一個由不同土地利用類型田塊組成的群落；高標準農田土地利用方式的自然演變、人為改變與生態學中的進化和突變現象相類似。高標準農田與其周圍自然環境、經濟環境和人文環境共同構成了一個復雜的復合生態系統，主要表現為：高標準農田生態系統由高標準農田及其周圍環境構成，包括區位、勞動者、基礎設施條件以及其他資源等，類似于自然生態系統執行的物質、信息和能量交換功能。因此，可以應用生態學理論與方法對高標準農田進行深入研究。

2.2 高標準農田建設標準的生態位適宜度理論

高標準農田建設與環境中的生物行為可作類比分析，即高標準農田建設的標準類似于生物尋找到最適宜自身生存的空間位置[22]。依據《高標準農田建設標準(NY/T 2148—2012)》，高標準農田應達到土地平整、集中連片、耕作層深厚、土壤肥沃、田間灌排設施完善、優質高效、安全環保等標準。因此高標準農田建設需要達到一定條件，其中包括自然稟賦、設施條件、生態可持續性和空間穩定性等，這些條件共同形成了多維生態空間，也可以說是生態因子空間，其中高標準農田建設達到最理想狀態時各種評價因子的狀態構成的生態位空間，稱為最優生態位空間；而區域農田的現實狀態構成的生態位空間，稱為現實生態位空間。現實生態位與最優生態位之間存在的耦合關系，反映了現實資源條件下對高標準農田建設的適宜程度，即生態位適宜度[23]。因此，本研究定義最優生態位為影響高標準農田建設的各生態因子能達到的最理想的狀態，而最適生態位為高標準農田建設在現實條件下可以達到的最優等級的各指標值的集合。本研究將滿足最適生態位的各指標的下限值確定為高標準農田建設應達到的標準。當評價區域的現實資源完全滿足高標準農田建設條件時，生態位適宜度為1；反之，不能滿足高標準農田建設所需的條件時，生態位適宜度為0。影響高標準農田建設的各評價因子可以分為3類(表1)。

表1高標準農田建設指標分類

注：Zk：高標準農田建設中各評價因子的生態位適宜度；Xk：評價因子k的現實生態位；Dk，min：評價因子k的生態位的最小值；Dk，ide：評價因子k的理想生態位；Dk，max：評價因子k的生態位的最大值。

Shelford耐性限制定律認為：生物的生存與繁殖與其能夠忍受外界極端條件的能力密不可分，如果任何一項生態因子的數量或質量發生變化，直至接近或達到生物體的耐性限制時，則該物種將衰退或不能生存[24]。高標準農田建設對資源的需求是一個由多類型資源構成的多維度空間，任何一個高標準農田建設的因子在數量或質量的超出或不足時，都會導致高標準農田建設的失敗。即運用Shelford耐性限制定律將高標準農田的n維資源空間的生態位適宜度用公式(1)表達：

式中：N為高標準農田建設所需的n維資源的生態位適宜度；Zk為高標準農田建設中各評價因子k(k∈[1，n])的生態位適宜度；n為高標準農田建設所需的資源維度數。

不同研究區域的評價指標對高標準農田建設的影響程度不同導致不同研究區域評價指標的生態位理想值有所不同。此外，生態位理想值的確定除了考慮高標準農田建設所需達到的條件外，還應考慮研究區域資源的現實水平。因此，本研究運用Z-score處理方法對極端值和錯誤值進行處理。當數據服從正態分布時，認為數據分布在正負3個標準差之間的數據為正常數據，Z值>3或者<-3的數據就認為是極端數據或者錯誤數據，暫不考慮。最終，對于正向指標，理想值為除去極端數據的最大值；對于適度指標，選擇去除極端數據后其指標值適度區間內的平均值為理想值；對于負向指標，理想值為除去極端數據后的最小值。

2.3 指標的選取及處理

本研究從高標準農田內涵及特點出發，結合東北黑土區自然、經濟和社會現狀，遵循科學性、代表性和可操作性等原則，從自然條件、基礎設施條件、生態可持續性和空間穩定性4個維度選取了14個評價指標(表2)，這4個維度與國家要求的高標準農田建設須達到質量良好、設施配套、可持續利用和布局穩定的特征相匹配。

評價指標主要分為連續型和離散型2類，其中連續型指標有數值，可通過指標涵義及公式計算得出(表3)，而離散型指標沒有具體數值，需要進行分級賦值處理(表4)。

表2東北黑土區高標準農田建設標準指標體系

3 結果與分析

將10個縣處理后的各項評價指標值代入生態位適宜度公式中，計算出各個評價單元的生態位適宜度，采用Geometrical Interval方法進行分級，該方法專門用于處理連續數據，在突出顯示中間值變化和極值變化之間達成了一種平衡。這是Equal Interval、Jenks、Quantile和Geometrical Interval 4種方法中最是適合處理連續數據的方法，既具有客觀性又能使生成的等級之間擁有的值的數量大致相同，且間隔之間的變化保持一致。運用該方法分別將10個縣的生態位適宜度指數劃分為5個等級(表5)。

根據生態位適宜度理論(“2.2”節)，生態位適宜度指數越高說明該地塊越適宜建設高標準農田，因此，本研究將處于第1等級的耕地確定為高標準農田，即生態位適宜度指數大于第1等級中最小值的耕地即為高標準農田，也就是各項評價指標指數均達到這一最小值即可滿足高標準農田建設的要求。由表5可見， 寶清縣農田生態位適宜度指數第1等級是0.64～0.75，即寶清縣田塊生態位適宜度指數達到0.64即為高標準農田，所以本研究將各項評價指標指數達到0.64的對應指標值的下限值定義為寶清縣高標準農田建設標準。同理得出其余9個縣的高標準農田建設標準。最終根據東北黑土區不同類型區的10個典型縣高標準農田建設標準，結合農業部頒布的《高標準農田建設標準(NY/T 2148—2012)》和專家的意見，確定東北黑土區4個不同類型區的高標準農田建設標準(表6)。

表3東北黑土區高標準農田建設連續型指標涵義及數據處理

注：“*”根據王慧敏的研究[25]，參考東北黑土區道路實際情況，本研究規定東北黑土區的田間道路影響半徑為600 m。

表4東北黑土區高標準農田建設離散型指標涵義及分值

一是自然條件：田面坡度是不易改變的自然性狀之一，選取該指標是為高標準農田建設選址提供借鑒和指導作用。平原低地和風蝕沙化類型區坡度建議<3°，漫崗臺地坡度建議<3.5°，低山丘陵坡度建議<5°。土壤質地除風蝕沙化類型區標準為壤土外，其余均為黏壤土或壤土；有效土層厚度除了低山丘陵>50 cm，其余類型區均要求>60 cm；耕層厚度對平原低地類型區要求嚴格，須>25 cm，其余類型區達到20 cm即可； 土壤有機質含量標準中給出的是范圍， 但通過分析10個典型縣的土壤有機質含量從南向北依次為遼中區 20.17 g/kg、阜新蒙古族自治縣13.35 g/kg、昌圖縣 16.27 g/kg、科爾沁左翼中旗16.83 g/kg、公主嶺市 22.35 g/kg、雙城市19.86 g/kg、依蘭縣27.90 g/kg、寶清縣42.40 g/kg、海倫市48.81 g/kg和嫩江縣46.05 g/kg。可以看出，土壤有機質含量從南向北大致呈現出逐漸增加的趨勢。所以在建設高標準農田時除風蝕沙化類型區為統一標準，其余類型區黑龍江省土壤有機質含量應適當提高標準，建議>30 g/kg；吉林省>22 g/kg；遼寧省平原低地>20 g/kg，漫崗臺地和低山丘陵>16 g/kg；內蒙古自治區偏北部>20 g/kg，其余地區>15 g/kg。

表5不同類型區生態位適宜度指數分級

表6東北黑土區不同類型區高標準農田建設標準

二是基礎設施條件：灌排條件由于風蝕沙化類型區自身的降水量不足，所以制定標準時除了風蝕沙化類型區的灌溉條件為充分滿足外，其余類型區的灌排條件均為基本滿足即可。東北黑土區各類型區的道路通達度標準均建議>0.6。

三是生態可持續性：不同作物對土壤pH值的要求不同，因此土壤pH值的標準也是一個范圍值，除了風蝕沙化類型區為6.5～8外，其余類型區均為6.0～7.5。無論哪個類型區只要土壤污染就不適宜開展高標準農田建設。農田防護林在保障農田穩產、高產等方面發揮重要作用。平原低地類型區的農田防護林覆蓋率建議在3%～6%之間，漫崗臺地類型區和低山丘陵類型區建議在4%～5%之間，風蝕沙化類型區建議在6%～8%之間。

四是空間穩定性：距主交通干線距離越近的田塊，在空間上越不穩定。各個類型區距主交通干線距離的標準建議小于1 km。田塊越規整，機械作業過程中重耕和漏耕的面積就會越小，有利于提高耕作質量，減少機械損耗。平原低地類型區PD值建議在1.00～1.06之間，漫崗臺地類型區和低山丘陵類型區建議在1.00～1.10之間，風蝕沙化類型區建議在 1.00～1.05之間。耕地越集中連片，空間穩定性越好，機械耕作程度越高。平原低地類型區和風蝕沙化類型區耕地連片度建議>350 hm2，漫崗臺地類型區耕地連片度建議>250 hm2，低山丘陵類型區耕地連片度建議>200 hm2。

4 討論與結論

高標準農田建設標準是開展高標準農田建設的重要前提。本研究在賦予了高標準農田建設生態內涵的基礎上，將生態位理論應用到高標準農田建設標準研究中，確定了東北黑土區平原低地類型區、漫崗臺地類型區、低山丘陵類型區和風蝕沙化類型區4個類型區高標準農田建設標準，以期為東北黑土區高標準農田建設提供科學依據。

本研究在確定標準的思路上不同于以往基于耕地質量評價構建的標準，本研究是在計算高標準農田現實生態位空間與最優生態位空間貼近程度(生態位適宜度)的基礎上進行分級，將滿足最適生態位(第1等級)的各指標的下限值確定為高標準農田建設標準。與傳統制定標準的研究方法相比，基于生態位理論確定的標準具有2個明顯的優點：一是運用最適生態位解釋高標準農田建設標準生態意義明確，豐富了標準制定的理論與方法，為構建科學、規范、高效、生態的高標準農田建設標準提供新思路；二是測算出的各評價因子的Zk能夠反映高標準農田的現實生態位條件對其可達到的最優建設的適宜程度，便于探索影響高標準農田建設的限制性因素，為區域高標準農田建設制定針對性的方案和措施。

從研究的過程和結果看，考慮東北黑土區低山丘陵面積廣、耕地資源豐富，所以本研究制定的標準比國家標準多了低山丘陵類型區，且制定的標準有彈性、詳細，更適合東北黑土區高標準農田建設，具有現實的可操作性和完善性。如土壤有機質含量，從研究結果中可以看出其有從南向北呈現出逐漸增加的趨勢。所以在建設高標準農田時除風蝕沙化類型區為統一標準外，其余類型區黑龍江省應適當提高標準，建議大于30 g/kg；吉林省其次，大于22 g/kg；遼寧省平原低地建議大于20 g/kg，漫崗臺地和低山丘陵大于16 g/kg；內蒙古自治區偏北部建議大于20 g/kg，其余地區大于15 g/kg。從pH值來看，不同作物對土壤pH值的要求不同導致了高標準農田建設標準的pH值范圍較大，東北黑土區作物類型復雜多樣，pH值范圍適當擴大利于標準的實施。

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