基于多層級指標的省域耕地質量評價體系構建

馬瑞明，馬仁會，韓冬梅，鄖文聚

（1. 中國農業大學土地科學與技術學院，北京 100083；2. 河北師范大學資源與環境科學學院，石家莊 050024；3. 國土資源部農用地質量與監控重點實驗室，北京 100035）

0 前 言

耕地是特殊的公共資源和最為寶貴的自然資源，是糧食生產的載體，也是保障社會安全及社會可持續發展的物質基礎。人均耕地少、優質耕地少、耕地后備資源不斷減少的基本國情，給中國土地管理與耕地保護帶來巨大的壓力。加強耕地質量建設、管理和保護至關重要[1-2]。合理的評價能有效表征耕地質量的空間差異[3-6]、演化規律[7-12]、影響因素[13-18]，加深人們對耕地質量的認識。

耕地質量評價最早是源于稅收對耕地進行等級的劃分[19]。評價體系的選擇對不同目的和不同尺度的耕地質量評價結果有很大影響。國內外對耕地質量的評價經歷了由定性到定量、單目標到綜合評價的發展趨勢[20]。從1961年美國農業部頒布的第一個土地潛力分類系統、1976年聯合國糧農組織頒布的《土地評價綱要》、1981年美國農業部提出了“土地評價和立地評價”（land evaluation and site assessment, LESA）體系、1993年聯合國糧農組織發布的《可持續土地利用管理評價綱要》（an international framework for evaluating sustainable land management, FESLM），到1995年世界銀行、聯合國糧農組織、聯合國開發計劃署和聯合國環境署共同提出的土地質量指標體系（land quality indicators，LQIs），這些評價體系對中國耕地質量評價的發展都有深遠影響。

自1949年后，中國不同的部門與科研機構通過查田定產、土壤普查[21-22]、土地生產力評價[23-25]、耕地地力等級調查[26-28]、農用地分等定級[29-34]、土地質量地球化學評價[35-37]等工作體系，對中國耕地的質量進行了由粗到細、定性到定量的多方位評價，各有側重，但均有不同程度的局限性。其中多數體系側重土壤屬性的評價，忽略工程因素對耕地質量的影響；且現有的耕地質量評價體系多采用綜合指數法，對不同氣候條件下的耕地質量差異表征較差，盡管如耕地地力等級調查和農用地分等定級等體系將全國進行了分區處理，但各區之間耕地質量的比較缺乏說服力。中國現階段應用范圍最廣的是農用地分等定級體系，農用地分等成果以其綜合的理論基礎，多層次的耕地質量評價，滿足耕地管理與利用需要的多目標特性，廣泛應用于產能核算[38-42]、耕地占補平衡[43-48]及其他方面[49-52]的研究和分析。但隨著跨區域耕地占補平衡和土地整治提等的需要，分等方法因其指標區之間指標選擇的差異及工程指標因素的欠缺，表現為跨區域耕地質量可比性差及對工程提等響應不足。

本研究為實現省域內耕地質量可比，并且為突顯工程性投入對耕地質量的影響，基于自然條件劃分基礎，建立以表征氣候影響因素的熟制為控制指標，以土地條件和工程條件為評價指標的評價體系，并構建級別結果魔方，創新結果查詢模式。以內丘縣為例進行實地驗證評價，評價結果與自然條件及分等定級規程方法評價結果進行了比較分析。

1 省域多層級指標耕地質量評價方法構建

耕地是在自然土地的基礎之上，經人類長期改造所形成的土地類型，它是自然、經濟、技術、社會諸因素綜合作用的產物。耕地質量評價是從自然、經濟、社會諸方面對耕地質量進行評估的一項技術性工作，應根據因素因子的種類及對耕地質量作用的差異性，重點分析對耕地質量及其生產力水平具有重要作用的主導因素，突出主導因素對耕地質量結果的影響。

1.1 耕地質量評價指標體系構建

耕地質量評價應能反映耕地自然質量條件、耕地利用水平、社會經濟水平的差異對耕地生產力水平的影響。耕地生產力的影響因素主要包括氣候條件、土壤性質、基礎設施條件和科學技術水平，由于科學技術水平的主觀易變性，耕地質量評價指標體系構建時暫不考慮。綜合考慮氣候因素、土地因素、人為工程設施因素對耕地質量的影響，構建耕地質量評價指標體系（表 1），指標選擇以穩定因素為主。

表1 多層級指標法農用地定級指標體系Table 1 Indicator system of cultivated land quality of multilevel indicators method

本研究中，第一層級的氣候因素以主要包括溫度光照的差異，降水量因其易變性和地塊不可測性放在灌溉因素中考慮。積溫作為表征地區熱量的標尺，常作為氣候區劃和農業氣候區劃的熱量指標，以衡量該地區的熱量條件滿足何種作物生長發育的需要。積溫和光照因素的具體影響可體現在熟制上，所以本研究統一用熟制分區表示氣候因素對耕地質量的作用。熟制是農業種植制度中包含的內容，可以理解為某一地區或生產單位一年內作物種植的程度和類型，可有效表征耕地利用水平與自然氣候條件的差異。熟制的劃分閾值通常為日平均氣溫超過10 ℃的年積溫，不同的作物有不同的熟制，河北省以小麥和玉米種植面積居多，針對這 2種作物，小于3 400 ℃多為一年一熟，3 400～4 500 ℃以兩年三熟為主，大于4 500 ℃以一年兩熟為主。土地因素和工程因素作為第二層級，決定了熟制區內的差異性。土地因素選擇地形坡度、有效土層厚度、表層土壤質地和剖面構型，對于有機質含量、土壤結構、土壤生物等易變因素不予考慮。工程因素選取灌溉保證率、排水條件、基礎設施占地率和道路通達度 4個因子。第三層級考慮限制因素，即鹽漬化、沙化、障礙層、水毀等，有則減分。

1.2 評價模型構建

每個評價單元同時受熟制、土地條件和工程條件 3項因素影響，構建由熟制軸、土地條件軸和工程條件軸3個變量構成的三維立體空間分值模型（圖 1）。其中，熟制建立控制軸，以土體質量建立土地評價軸，以農田設施情況建立工程評價軸。在此基礎上，以限制因素建立總體修正軸，主要通過限制因素對土體質量和農田設施進行修正。由于限制因素的存在，土地評價軸與工程評價軸的分值可能小于 0，但耕地質量的最優分值是穩定的。同時，為了便于展示評價模型中耕地質量由高到低的等級劃分，建立由最優耕地質量（固定值）為原點，沿軸方向逐漸衰減的三維模型，如圖 1所示，圖中各面上數字表示質量等級。

圖1 評價模型及等級劃分Fig.1 Evaluation model and classification

1.2.1 一級控制區劃分

一級控制區是本研究劃分耕地質量級別的基礎，主要體現在農業生產條件得到充分保證的前提下，不同熟制分區間的級別差異。通過積溫和光照條件的差異，劃分熟制分區，作為一級控制區。河北省熟制分區包括：一年兩熟區、兩年三熟區和一年一熟區。不同熟制區對能量的利用程度不同，導致的生產能力也存在一定差異。在農業生產條件得到充分保證，土地、工程條件均處于最優狀態時，一年兩熟區為 1級控制，兩年三熟區為 2級控制，一年一熟區為3級控制。

1.2.2 二級加分因素級別劃分

綜合考慮土地條件和工程性投入的差異性，選取地形坡度、有效土層厚度、表層土壤質地和剖面構型 4項指標作為土地因素的評價指標；選取灌溉保證率、排水條件、基礎設施占地率和道路通達度 4項指標作為工程因素的評價指標。無論土地條件還是工程條件都采用因素加權求和法計算評價單元的二級加分因素級別指數，每一因素可按照不等間距或函數曲線取分，總分各為100分。

本研究對土地條件和工程條件均采用 25分等間距作為級別劃分區段，在工程條件不變的情況下，土地條件每降低25分，評價單元降低 1個級別；在土地條件不變的情況下，工程條件每降低25分，評價單元降低1個級別。

根據級別劃分原則，在一級控制區的級別模型基礎上，形成各種熟制條件下的級別模型。其中，一年兩熟區可劃分為1～7級，兩年三熟區劃分為2～8級，一年一熟區劃分為3～9級，全省耕地可劃分為9個級別。為便于級別結果查詢，構建二級加分因素級別魔方（見圖1）。根據二級因素級別劃分結果，將全省耕地劃分為 3個層次，分別為上級地（1～3級）、中級地（4～6級）和下級地（7～9級）。

1.2.3 三級限制因素級別劃分

在二級加分因素基礎上，明確省域內土地和工程條件的相關限制因素。限制因素存在則針對該土壤障礙因素或災害等進行減分修訂；不存在則按二級因素指標評價體系進行評價。根據河北省土地、工程條件選取鹽堿化、風蝕沙化、障礙層距地表深度和水毀 4項指標作為限制因子。根據各類限制因子的影響程度，編制修訂分值表（表2）。

表2 限制因素修訂分值Table 2 Modified score of limit factors

限制因素級別修訂區段同樣采用25分等間距。限制因素設定原則遵照以下 3點：1）不能跨熟制降級；2）對于因限制因素導致的耕地質量下降情況，再設劣等地，分別為劣10級和劣11級、劣12級；限定每種熟制中的地塊最多可降9級；3）當計算降級量超出該單元的降級范圍時，按最大降級量統計。當工程條件和土地條件同時受限制因素影響時，評價單元降低級別量公式如下

式中mi指i軸降低級別量，對數值進行取整處理；fi指第i軸限制因素分值；i指土地軸、工程軸。

式中M指評價單元降低級別量（0≤M≤8）。

根據限制因素級別修訂原則和熟制分區，在圖 1模型基礎上，形成各種熟制條件下的級別模型。其中，一年兩熟區耕地級別修正結果區間為[1,10]級，兩年三熟區耕地級別修正結果區間為[2,11]級，一年一熟區耕地級別修正結果區間為[3,12]級，全省耕地級別經修正后可劃分為12個級別，各個單元可修正幅度與其現有評價結果有關。

1.3 構建級別查詢魔方

為便于級別結果查詢，構建三級限制因素級別魔方，見圖2。根據三級因素級別劃分結果，將全省耕地劃分為4個層次，分別為上級地（1～3級）、中級地（4～6級）、下級地（7～9級）和劣級地（10～12級），圖中各面上數字即表示質量等級。

圖2 經限制因素修正后的全省耕地級別Fig.2 Modified cultivated land quality grade in whole province

2 實證分析

2.1 研究區概況

內丘縣位于河北省西南部，邢臺市中西部，太行山東麓，境域在北緯37°9￠112～37°26￠392，東經113°56￠432～114°38￠162之間，總面積 786 km2。共轄 5 鎮 4 鄉 1 區 309個行政村，2015年常住人口32萬，農村居民人均可支配收入達到9 019元，糧食作物播種面積34 688 hm2，總產量達182 373t。內丘縣地處太行山東麓，地形分為山地、丘陵、平原 3部分。地勢自西向東傾斜。內丘縣屬于溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，春秋溫和適宜。年平均氣溫山區為11.8 ℃，丘陵為13.3 ℃，平原為12.8 ℃。年平均日照時數山區為2 523.0 h，丘陵為2 674.0 h，平原為2 409.3 h。年平均降水量537.2 mm，最多的年份1 264.5 mm，最少的年份僅271.3 mm。內丘縣土壤共分為3個土類：棕壤、褐土、草甸土；9個亞類：棕壤、生草棕壤、棕壤性土、褐土性土、淋溶褐土、黃土性典型褐土、石灰性褐土、草甸褐土、草甸土。

2.2 多層級指標法耕地質量評價

以2015年內丘縣土地變更調查數據庫中的耕地圖斑作為評價單元，全縣共劃分評價單元7 997個。日平均氣溫超過 10 ℃的積溫在山區與平原分別為 4 551.6和4 891.5 ℃，熟制區屬一年兩熟區。所以內丘縣耕地質量級別應在1～10級之間。

根據二級加分因素體系，對地形坡度、有效土層厚度、表層土壤質地、剖面構型、灌溉保證率、排水條件、基礎設施占地率和道路通達度指標進行分值量化及賦予權重（表 3）。采用多因素綜合評定法分別計算各評價單元的土地條件分值和工程條件分值。

表3 加分因素作用分值Table 3 Score of effects of positive factors

根據評價單元土地條件分值和工程條件分值，在評價結果魔方中查詢各單元對應級別。經查詢，內丘縣耕地質量共劃分5個級別，分別為1級、2級、3級、4級和 5級。由于內丘縣不涉及上述三級限制因素，不進行限制因素修正，則內丘縣耕地質量級別最終結果為1級、2級、3級、4級和5級。

從評價結果圖 3中可以看出，內丘縣耕地質量級別分布與自然條件密切相關。總體來看，東部平原區耕地質量級別較高，中部丘陵區耕地質量級別次之，西部山區耕地質量最差。表明多層級指標方法評價結果能較好的表征耕地質量的空間分布規律。

圖3 內丘縣多層級指標法耕地質量級別Fig.3 Grade of cultivated land quality in Neiqiu County of multilevel indicators method

1級地面積9 681.30 hm2，占耕地總面積的31.88%，主要分布于東部平原區。東部平原區地勢平坦，農田集中連片，土壤肥沃，水源充足，基礎設施占地率和道路通達程度均較高。2級地面積11 708.28 hm2，占耕地總面積的38.56%，主要分布于東部平原區，少量分布于中西部丘陵山區。3級地面積6 739.46 hm2，占耕地總面積的22.19%，各個鄉鎮均有分布，在丘陵區向平原區過渡地帶較多。該區域與東部平原區相比，海拔增高，地形坡度加大，土層厚度變薄，灌溉條件相對降低，局部地區排水條件較差。4級地面積 2 112.59 hm2，占總面積的6.96%，主要位于中部丘陵區，零星分布于東部平原區。該級地地形坡度較大，表層土壤質地差，田塊破碎程度較高，基礎設施條件差，主要為旱地。5級地面積123.55 hm2，占總面積的0.41%，主要位于中部丘陵區。該級別耕地田塊小、分布零散、土壤質地和基礎設施條件差，道路通達程度低，土地收益無保障。

2.3 對比分析規程方法計算結果

2.3.1 與分等結果對比分析

農用地分等定級是一套完整的耕地質量評價體系，其評價結果對縣域內耕地質量有很好的表征，其中國家自然等和國家利用等成果應用較為廣泛。由于國家利用等別受區域農業科技水平因素影響較大，因此只選擇國家自然等成果與本研究結果進行對比分析，用以驗證評價結果與現有耕地質量成果的差異。在農用地質量分等中，為突顯因不同土地條件造成的土地差異，按照各地塊的水分、土壤、地貌等指標的優劣，將各作物的光溫產量修正為理論產量，得到自然等。內丘縣耕地質量分等成果中，國家自然等主要有8～12等5個等別。其中國家自然等在內丘縣域分布較均衡，面積最少為12等地，僅占約4.95%。

表 4中指多層級指標方法評價結果與國家自然等各等別中的面積比例分布。可以看出，多層級指標法評價結果多分布于等級為 1、2、3的耕地中，國家自然等則多分布在8、9、10和11這4個等別中，多層級指標方法評價結果平均水平略優于國家自然等等別成果。其中，1級地主要分布于研究區內國家自然等最優等別 8等地中，約占8等地面積的98%，剩下分別分布在9等和10等地中；而2級地則主要分布于國家自然等的9等和10等地中，分別占研究區耕地面積的14.5%和17.24%，分別占9等地和10等地面積的75.8%和63.1%；3級地主要分布于國家自然等的10等和11等地中，分別占研究區耕地面積的8.90%和10.79%，其中10等地中占地面積僅次于2級地在10等地中面積比例，在11等地中面積比例達到52.6%；4級地則在國家自然等的11等地中分布較多，占全域耕地面積 5.49%，12等地中分布次之，占1.02%；而5級耕地面積較少，主要分布于12等別耕地中；并且，1級地中沒有國家自然等11等和12等地；4級地中沒有國家自然等8等地，5級地中沒有國家自然等8等和9等地。同時表4中可以發現，2種方法評價結果均為 5個等級，各等級耕地面積比例分布趨勢呈左上到右下的對角線對稱分布，并且對角線上面積比例達56.6%。因此等級之間面積對應關系明顯，分布趨勢相似。

表4 多層級指標法和農用地質量國家自然等不同等別/級中耕地面積比例Table 4 Area percentage of cultivated land in different quality grades of multilevel indicators method and national natural grade of agricultural land quality %

2.3.2 與定級結果對比分析

綜合分析內丘縣局部氣候差異條件、地形地貌、土壤條件與水資源狀況等自然因素；農田基礎設施條件、耕作便利條件和土地利用狀況等的社會經濟因素；中心城鎮影響度、農貿市場影響度、道路通達度和對外交通便利度等區位因素。根據《農用地定級規程》，結合地方實際，確定定級因素因子，結果見表5。采用特爾斐法確定權重。經計算，內丘縣耕地定級指數介于 24.24～81.64之間。

根據劃定的耕地質量級別，統計級別面積。其中，1級地5 368.32 hm2，占全縣耕地總面積的17.68%；2級地11 197.52 hm2，占36.88%；3級地7 717.00 hm2，占25.41%；4級地 4 585.94 hm2，占 15.10%；5級地 1 496.40 hm2，占4.93%。

表5 內丘縣定級因素因子及權重Table 5 Grading factors and weight in Neiqiu county

圖4 內丘縣各鄉鎮耕地質量級別比例Fig.4 Area percentage of cultivated land grade in each town in Neiqiu

通過統計分析各鄉鎮規程因素法和多層級指標法的結果面積比例（圖4a，4b），我們發現2種方法的各級別耕地在鄉鎮間的面積分布趨勢較部分相似，但面積比例存在差異。如規程因素法的 1級地主要分布于內丘鎮、金店鎮和大孟村鎮；而多層級指標法的 1級地中大孟村鎮相對比例較小，官莊鄉則比例有所增加。呈現這種現象是由于規程因素法考慮了區位條件，級別分布與區位條件呈正相關，由內丘縣縣城向周邊級別逐漸降低，沿交通主干道向外級別延伸降低。可見，區位條件優劣影響農產品的運輸、銷售，決定了生產成本與效益。對于遠離城鎮及道路的區域，區位條件影響程度降低，級別高低受土壤條件影響較大。因此，在相近的結果表達形式下，多層級指標法能較簡單的表示耕地質量的分布規律，且在省域內可比的框架內。

3 結 論

本研究首先構建了多級控制的河北省耕地質量評價體系。該體系基于河北省自然條件即熟制為控制指標劃分基礎控制級，為突顯土壤要素和工程性投入對耕地質量的影響，以土地條件和工程條件為評價指標，并以耕地的土壤限制與工程破壞等限制因素對評價等級進行整體減分修正。在此基礎上，構建質量級別結果魔方，創新結果查詢模式。以內丘縣為例進行實地驗證評價，評價結果與農用地質量分等和定級成果進行對比分析。研究結論如下：

1）評價體系的構建是耕地質量評價的基礎，既需考慮大尺度上氣候影響因素的指標控制，同時又需考慮精細到地塊尺度的土地和工程指標評價；在大尺度上評價指標體系和權重的統一，是實現全省各項指標與評價結果的可比和縣域之間抑或省域之間的耕地質量比較管理的基礎。耕地質量評價體系的結構，指標選擇的多少及突出的重點，都對專家權衡指標有所影響；三維魔方模型可為評價結果等級的快速查詢提供快捷途徑。最后，道路、渠道等耕地基礎設施的改善，對耕地生產能力的提升有很大影響。但現有的分等體系中較少考慮工程因素，導致土地整治措施的耕地質量提升成效不顯著。評價體系中應包含耕地質量工程方面的影響因素，有效響應土地整治對耕地質量提升的成效。

2）評價結果是對評價體系的有效反映，多層級指標法將內丘縣耕地質量劃分為5個級別，1~5級地面積比例分別為31.88%、38.56%、22.19%、6.96%和0.41%。通過與農用地質量國家自然等等別的比較，2種方法評價結果均為 5個等級，國家自然等 8~12等面積比例分別為28.1%、19.13%、27.32%、20.5%和 4.95%，各等級耕地面積比例分布在矩陣表格中的趨勢呈左上到右下的對角線對稱分布，并且對角線上面積比例達56.6%。等級之間面積對應關系明顯，分布趨勢相似。并且與規程因素法的比較發現，兩種方法的各級別耕地在鄉鎮間的面積分布趨勢較相似，但面積比例存在差異。

隨著省域間耕地占補平衡的需要，全國可比的耕地質量評價體系研究迫在眉睫。如何在現有評價體系上進一步擴充完善指標體系，探索滿足全國可比需求的核算方法，需要進一步深入研究，需在不同地區進行試點推廣驗證。本研究采用等間距的評價結果分值劃分，便于管理、操作，但弱化了不同因素對耕地質量影響程度的差異，延伸各坐標軸為非等間距，或用曲線表達其影響機理，有待進一步探究。

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