基于生態位理論的黃土丘陵區耕地整治優先度及模式研究

郭笑東， 陳利根,2， 畢如田， 郭永龍， 原麗娟

(1.山西農業大學 資源環境學院， 山西 太谷 030801； 2.南京農業大學 公共管理學院， 江蘇 南京 210095)

土地是一切生產要素的聚集點，土地整治是土地要素與田、水、路、林、村等要素進行有效整合的最佳平臺[1]。合理安排耕地整治優先度，制定科學的整治模式不僅有利于提高整治績效，減少資源浪費，還會提升農民生產效率，促進農民增收。耕地整治優先度就是為使社會、經濟和生態效益達到最大化，在一定的生產力水平和資金約束前提下，按照一定原則對區域耕地資源狀況進行科學評價，并以評價結果為依據確定耕地整治的先后順序[2]。目前，耕地整治的相關研究主要包括綜合效益[3]、整治模式[4-5]、適宜性評價[6]、整治潛力[7]等方面，對耕地整治優先度的研究主要有：馬春艷等[8]以耕地整治潛力級判斷投入次序；沈立宏等[9]從整治潛力與難度的角度對江蘇省寶應縣農田整治優先度進行了研究；謝向向等[10]、程文仕等[11]綜合考慮土地整治績效的空間差異和土地數量、質量、生態綜合潛力確定了土地整治投入優先序；王東等[2]從整治迫切性和強烈性的視角考慮耕地整治的優先度。可以看出，學者們多從整治的效益、潛力、績效、難度等單個或多個角度對耕地整治優先度進行劃分，但從生態適宜性角度對耕地整治優先度進行評價并對評價后如何確定不同區域整治模式的研究還仍顯薄弱。

生態位是生態學中重要理論之一，最早由格林內爾首創[12]，它是指一生物單元在其所處生態系統中的位置，具體為其與環境及其他相關生物之間的功能分工與相互作用。生態位適宜度則是定量表述生物對其生境資源條件的適宜程度，利用這一思想把地理空間中生物的存在條件視作一生態位，其生存條件可用N維空間區域進行描述，區域內各點所處的空間位置不同則生物的生態位適宜度不同[13-14]。耕地整治作為一種系統性綜合建設工程，其整治效果的好壞與多維空間上資源狀況密切相關，因此耕地整治生態位適宜度可通過區域內現實資源條件與耕地整治需求的資源條件之間的貼近度來揭示。目前生態位理論在耕地整治方面較少，僅譚少軍等[15]利用該理論研究了土地整治工程生態化布局，徐小千等[16]借助該理論對耕地整治適宜性進行了評價。而黃土丘陵區地質地貌特殊，水土流失問題嚴重，耕地布局分散，開展耕地整治時更應十分注重耕地本底條件對整治需求的適宜程度。

基于此，本文擬將黃土丘陵區耕地整治對生產潛力、空間形態和區位條件3個維度的需求所形成的多維資源空間定義為耕地整治最適生態位，將耕地相應的現實條件形成的資源空間定義為現實生態位，利用現實生態位與最適生態位的貼近程度評價耕地整治生態位適宜度，從而將生態位適宜度模型引用到耕地整治優先度和整治模式的研究中，以期為制定差別化耕地整治政策提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

太谷縣隸屬山西省晉中市，處于黃土高原區汾渭谷地，行政轄區面積1 033.7 km2，分為3個鎮和6個鄉208個行政村。截止2015年末，縣域人口達36萬，耕地面積總量為31 738.13 hm2，占研究區行政轄區面積的30.70%，其中有26.71%旱地和73.29%水澆地。

太谷縣屬于溫帶大陸性季風氣候區，氣候溫潤，年均氣溫9.8 ℃，年均降水量477 mm，境內主要有象峪河、烏馬河兩條季節性河流?？傮w地勢東南高西北低，海拔高度范圍為768至1 914 m?？h域內平原、黃山丘陵、基巖山地并存，分別占到全縣總面積的17.0%，20.2%和62.8%。太谷縣自然條件與區位優勢獨特，被省審批為“山西農谷”，承擔了引領山西省現代農業轉型升級的重要使命。

1.2 數據來源

①2015年太谷縣土地利用現狀圖，主要提取農村道路、溝渠、農村居民點、耕地集中連片度、田塊規整度等數據； ②太谷縣農用地分等數據，主要獲取土壤質地、土壤有機質含量、灌溉保證率、耕層厚度等數據； ③太谷縣30 m精度的數字高程圖(DEM)，主要提取耕地的高程、坡度信息； ④太谷縣行政區劃圖。

2 研究方法

2.1 耕地整治生態位適宜度評價

2.1.1 研究單元的確定 本文以耕地地類圖斑為研究單元，截止2015年底研究區共10 557個耕地地類圖斑。

2.1.2 評價指標體系的構建 根據研究區土地利用現狀并考慮到數據可獲得性，以科學性、系統性、層次性、可行性、可比性為原則，從生產潛力、空間形態和區位條件3個維度構建了黃土丘陵區耕地整治生態位適宜度評價體系。指標體系及指標效應見表1。

表1 耕地整治生態位適宜度評價指標體系及指標效應

注：+為正效應； -為負效應。

土地生產潛力是土地利用的基礎條件，主要由土地空間內植物、動物及微生物所構成的生命系統以及氣候、土壤、溫度、水文等構成的物質系統組成[17]，這些條件通過影響土地的自然供給進而限制其經濟供給。由于縣域范圍內光溫生產潛力、氣候生產潛力、生物特征無明顯差別，通過文獻查閱和資料查找最終選取了土壤有機質含量、耕層厚度、土壤質地、灌溉保證率和地形坡度5個指標。

空間形態主要指耕地本身面積大小、形狀以及區域范圍內耕地景觀格局的分布狀況，是區域內耕地破碎化程度的直接決定因素，對耕地整治的可操作性及難易程度有顯著影響。因此，本文選取了田塊規整度、耕地集中連片度2個指標對耕地空間形態進行描述。

區位條件與耕地整治后綜合效益釋放的難度與速度有密切的聯系，村民的耕作半徑、灌溉的難易程度、各種機械的使用效率以及農產品運輸成本均應考慮在內。因此，本文選取了耕地與農村居民點距離、耕地與溝渠距離和耕地與農村道路距離3個指標對耕地區位條件進行描述。

2.1.3 指標說明與標準化

(1) 指標說明。現實生態位是指影響耕地整治生態適宜性的各指標的實際值，用x1，x2，x3，…，xn表示。當指標效應為正時，現實生態位值越大對耕地整治的適宜性越強，高于一定現實生態位值后其對耕地整治的適宜性達到最佳，此時這一現實生態位值即為正向指標的生態位上限值，也就是正向指標的最適生態位值；相反，現實生態位值越小對耕地整治的適宜性越差，低于一定現實生態位值后其對耕地整治的適宜性達到最差，此時這一現實生態位值即為正向指標的生態位下限值。同理，當指標效應為負時，現實生態位值越小對耕地整治的適宜性越強，低于一定現實生態位值后，其對耕地整治的適宜性達到最佳，此時這一現實生態位值即為負向指標的生態位下限值，也就是負向指標的最適生態位值；相反，現實生態位值越大對耕地整治的適宜性越差，高于一定現實生態位值后，其對耕地整治的適宜性達到最差，此時這一現實生態位值即為負向指標的生態位上限值。

①土壤有機質含量(C1)：是重要的養分容量指標。含量越小，土地生產潛力越小；反之越大。該指標最適生態位值和下限值根據已有研究[18]確定。

②耕層厚度(C2)：是土壤肥力的富集地，對促進作物生長、提高土壤養分與水分的作用重大。耕層越薄，耕地生產潛力越??；反之生產潛力則大。該指標最適生態位值和下限值根據已有研究[18]確定。

③土壤質地(C3)：是評估耕地生產力高低的重要指標，能較好地表達土壤耕作性能特征。壤土、黏土、砂土和礫質土的現實生態位值分別為1，0.8，0.7和0.4[19]。其中，壤土最有利于作物生長，將其現實生態位值視為該指標的最適生態位值；礫質土最不利于作物生長，將其現實生態位值視為該指標的生態位下限值。

④灌溉保證率(C4)：研究區共包括無灌溉條件、一般滿足、基本滿足和充分滿足四種情況，其現實生態位值分別為0.5，0.6，0.9和1[19]。其中，“充分滿足”最有利于作物生長，將其現實生態位值視為該指標的最適生態位值；“無灌溉條件”最不利于作物生長，將其現實生態位值視為該指標的生態位下限值。

⑤地形坡度(C5)：是影響耕地整治難度與成效的重要因素，也是發生土壤侵蝕的主要原因。坡度增大，耕地整治難度也會隨之加大。從30m精度的DEM中運用Arc GIS10.5 slope工具獲得。該指標最適生態位值和上限值根據已有研究[18]確定。

⑥田塊規整度[20](C6)：耕地田塊形狀規整則方便農機耕作，從而提高農民生產效率。田塊規整度(FRAC)小表示田塊形狀規則；反之，田塊形狀復雜。該指標最適生態位值與上限值通過Arc GIS10.5的自然間斷點分級法確定，分別為1.04和1.89。

(1)

式中：FRAC——田塊規整度；p——耕地田塊的周長(m)；a——耕地田塊的面積(m2)。

⑦耕地集中連片度(C7)：現實情況中因為有田間道路、溝渠等線狀地物阻礙了耕地連片度，在Arc GIS10.5中對耕地圖斑做10 m緩沖融合生成新圖層，每塊耕地集中連片度以新圖層中對應地塊面積大小為依據進行標準化，耕地面積越大，則連片程度越高；反之，則連片程度越低。該指標最適生態位值與下限值通過Arc GIS10.5的自然間斷點分級法確定，分別為3 114.52和124.74。

⑧與農村居民點距離(C8)：用耕地幾何中心到對應農村居民點的距離表示。相關研究表明最佳耕作的空間半徑為0.5 km[21]。農民可接受的耕作時間半徑為30 min，假設農業機械20 min移動10 km、農民10 min行走1 km，則最遠耕作空間半徑為1 km。考慮到研究區地勢地貌狀況，在平原地區，農民可乘坐農用運輸工具到達耕地，則耕作半徑在0.5 km到11 km之間是合理的；在丘陵山區，按農民30 min可行走3 km，其耕作半徑在0.5 km到3 km之間是合理的。距離越近，越方便耕作；反之，則不方便耕作。故在平原地區，該指標最適生態位值為0.5，上限值為11；在丘陵山區，該指標最適生態位值為0.5，上限值為3。

⑨與溝渠距離(C9)：用耕地幾何中心到溝渠的最短距離表示。一般要求農渠間隔宜為200至400 m[22]，本文按農渠的間隔300 m計算，則溝渠的影響距離為300 m。距離越遠，越不方便灌溉；反之，則越利于灌溉。故該指標最適生態位值為0，上限值為300。

⑩與農村道路距離(C10)：用耕地幾何中心到農村道路的最短距離表示。相關研究表明[23]，耕地與農村道路距離小于1 km時，耕地可達性較好，大于5 km時，耕地可達性非常差。故該指標最適生態位值為1，上限值為5。

(2) 指標標準化。各指標生態位適宜度值通過評判評價單元耕地現實生態位與最適值的貼近程度確定。其中土壤有機質含量、耕層厚度、地形坡度3個指標參考已有研究的經驗函數[18]，其余指標通過線性評價模型[16]確定各指標的生態位適宜度值(見表2)。

表2 數值型評價因子的生態位適宜度值

注：NFi為第i個評價指標的生態位適宜度值；xopt為每個指標的最適生態位值；當指標效應為正時，xt表示指標生態位的下限值，當指標函數為負時，xt表示指標生態位的上限值；x為耕地的現實生態位值。

2.1.4 權重確定 利用層次分析法確定10個指標權重Wi1，IC=0.056 0，RC=0.037 6<0.1，結果可以通過一致性檢驗；利用熵權法得到權重Wi2(見表3)。其中，層次分析法充分利用相關知識與經驗將評價過程層次化、數量化，從而判斷相應指標權重，但其主觀性較強；熵權法充分利用數據挖掘技術求得權重，雖然客觀性較強，但有可能違背指標本質意義。兩種方法各有優缺點，故采用平均法確定綜合指標權重，公式：

Wi=(Wi1+Wi2)/2

(2)

式中：Wi——第i個指標的綜合權重；Wi1——第i個指標運用AHP得到的權重；Wi2——第i個指標的熵權，i從1到10。

表3 耕地整治生態位適宜度評價指標權重

2.1.5 耕地整治生態位適宜度的計算 采用綜合指數法，公式如下：

(3)

式中：NF——耕地整治生態位適宜度值； NFi——第i個評價指標的生態位適宜度值；Wi——第i個評價指標的綜合權重；n從1到10。

2.2 耕地整治優先度劃分

根據生態位適宜度評價結果對研究區所有耕地的整治優先度排序，NF值越大，表示其現實條件越符合耕地整治的要求，越適宜優先整治；NF值越小，表示其現實條件中存在的耕地整治障礙因素越大，受現階段土地整治技術與成本的約束，耕地整治改造的難度也就越大。具體方法是在Arc GIS 10.5中以耕地整治生態位適宜度值NF作為分類字段，采用GIS標準分類法中的自然間斷點分級法，將耕地整治優先度劃為3個等級，NF由高到低分別對應優先整治區域、一般整治區域和限制整治區域。

2.3 耕地整治模式研究

從表3可以看出，地形坡度(C5)，與溝渠距離(C9)，與農村道路距離(C10)的綜合權重值最大，說明這3個指標對研究區耕地整治的影響有顯著地作用強度，同時，C5，C9和C10的限制條件均具有可改造性，所以是研究該區域的必選指標。

運用指標組合法分析耕地整治模式。依據郭力娜等[24]對主要限制指標及其限制程度的劃分，將NF在0～0.6之間的界定為高限制指標，NF在0.6～0.8之間的界定為中等限制指標，NF在0.8～1之間的界定為低限制指標。利用C5，C9，C10各指標的限制程度相互組合，形成如“高中高”的分組。將不同分組劃入不同類型區的基本原則如下：①克服和改造坡度要更多地考慮水土保持與生態影響，在黃土丘陵區其工程難度更顯復雜，并不是短時間內可以實現的，因此只要地形坡度的限制程度為強和中，該組合劃入類型區Ⅰ。 ②農田水利設施是保證耕地高產穩產不可或缺的設施，耕地與溝渠距離的限制程度為強和中的組合劃入類型區Ⅱ；若耕地與農村道路距離、耕地與溝渠距離的限制程度同時為高或中時，優先考慮耕地與溝渠距離。 ③與農村道路的距離決定著各種機械的使用效率以及農產品運輸成本，對耕地整治效益的釋放有重要的影響，所以當與農村道路距離的限制程度為高時，該組合劃入類型區Ⅲ。此外，當3個指標的限制程度均為低時，該組合也入劃類型區Ⅲ。

3 結果與分析

3.1 耕地整治優先度劃分

研究區耕地整治生態位適宜度NF范圍在26.02與93.57之間，標準差為17.91，平均值63.08，其中5 931個研究單元生態位適宜度值大于平均值，占研究單元總量的56.18%，占研究區耕地面積的71.69%，可見，研究區耕地整治生態位適宜度的分布非均衡性突出。且NF整體呈現由西北向東南逐漸遞減的趨勢，而研究區地形地貌由西北向東南依次為平原、丘陵和山地，可以看出，地形地貌對耕地整治生態位適宜度有一定的阻隔作用。

以耕地整治生態位適宜度評價結果為依據，在Arc GIS 10.5中采用自然間斷點分級法，將耕地整治優先度劃為優先整治區域(73.29≤NF≤93.57)，一般整治區域(52.93≤NF<73.29)和限制整治區域(26.02≤NF<52.93)，2個間斷點分別為52.93，73.29，不同區域內各指標生態位適宜度均值見圖1，空間分布狀況見圖2。

圖1 黃土丘陵區耕地整治生態位適宜度均值

圖2 黃土丘陵區耕地整治優先度分布

其中，優先整治區域包含3 870個研究單元，面積為15 713.07 hm2，占研究區耕地總面積的49.50%，該部分主要位于研究區平原區和丘陵區中北部，整體地勢相對平坦，經濟發達，土地利用率高，該區域耕地狀態整體優越，耕地生產潛力大，空間形態和區位條件優勢顯著，整治難度系數小，整治效益容易釋放；一般整治區域包含3 150個研究單元，面積為9 609.15 hm2，占研究區耕地總面積的30.28%，主要分布在研究區丘陵區的西南部，生產潛力狀況(C1，C2，C3，C4，C5)、耕地的田塊規整度C6和耕地與農村居民點距離C8與優先整治區域耕地狀況基本相同，而耕地集中連片度C7、耕地與溝渠距離C9、與農村道路距離C10比優先整治區域耕地差距較為明顯，耕地集中連片度的生態適宜度平均值為0.82，與溝渠距離的生態位適宜度平均值僅為0.53，與農村道路距離的生態位適宜度平均值僅為0.34；土地整治限制區域包含3 537個研究單元，面積6 415.91 hm2，占研究區耕地總面積的20.22%，該區域主要位于研究區東部山區，整體指標生態位適宜度平均值低于優先整治區域和一般整治區域，其中地形坡度C5，耕地集中連片度C7，與溝渠距離C9，與農村道路距離C10差別最明顯，主要因為限制整治區域內海拔較高，受地形起伏的限制，耕地坡度變化大，分布破碎、分散且土壤侵蝕嚴重。同樣因地形起伏的原因，該區域道路稀疏，基本沒有灌排系統，生態環境最為脆弱，不僅整治難度大，而且對生態破壞的風險也大，在現有整治技術條件下，不宜過早實施土地整治工程，應重點使其發揮生態涵養功能。

3.2 耕地整治模式確定

補“短板”和制定差異化整治策略是推動耕地整治效果釋放和可持續發展的關鍵。本文只針對優先整治區域、一般整治區域提出不同整治模式，而耕地整治限制區域現階段不適宜進行整治，在此不再討論。

根據指標組合法，理論上3個限制指標可形成27(3×3×3)種限值指標組合，匯總結果顯示，研究區實際只存在21種。按照上述劃分原則將21種限值指標組合劃分到3個類型區。類型區Ⅰ：坡改梯模式，包含12種組合；類型區Ⅱ：農田水利建設及完善模式，包含5種組合；類型區Ⅲ：道路通達度提升模式，包含4種組合，組合的劃分結果見表4，不同類型區整治模式的空間分布見圖3。

表4 黃土丘陵區耕地整治限制指標組合類型

圖3 黃土丘陵區耕地整治模式分布

(1) 類型區Ⅰ。坡改梯模式，可有效解決黃土丘陵區水土流失問題，是保持水土資源、增強地力、提高糧食產出率的有效手段。該模式耕地面積1 258.44 hm2，該模式占優先整治區域和一般整治區域耕地面積比例最小，僅占4.97%，主要分布在研究區山區與丘陵區的邊緣過渡帶。該模式范圍內99.50%的耕地坡度小于15°，可采用“土坎梯地”工程措施，成本低，工期短，對生態環境的改動較小。只有0.50%耕地坡度大于25°，應選擇退耕還林。

(2) 類型區Ⅱ。農田水利建設及完善模式，是以增加耕地灌排設施為主的建設模式。該模式耕地面積11 776.56 hm2，占優先整治區域和一般整治區域耕地總面積的46.51%，主要分布于研究區平原區和丘陵區的中南部。該區域象峪河、烏馬河兩河流水資源可用于灌溉，但灌溉水源、溝渠建設等農田水利基礎設施布局稀疏不均勻，需要進一步完善。整體整治難度較小，因此可作為研究區耕地整治的重點區域，主要以完善農田基礎設施、建設高標準農田為目標。

(3) 類型區Ⅲ。道路通達度提升模式，是以改善交通條件、提升耕地可達性為主的整治模式，主要分布于研究區丘陵區的中北部。該模式耕地面積為12 287.22 hm2，占優先整治區域和一般整治區域耕地總面積最大，所占比例為48.52%。通過優化區位布局，提高交通便捷度，促進耕地整治效益釋放，同時可在農村道路兩側種植防護林，以加強農業生產環境保護和優化。需要注意的是，田間道路布局應注重修繕與新建并重，做好骨干與次級路網的合理配置，避免過度追求道路密度，對動物遷徙的生態廊道造成影響。

4 結論與討論

本文借助生態位適宜度模型，從生產潛力、空間形態、區位條件3個維度構建了黃土丘陵區耕地整治生態位適宜度評價體系，以山西省太谷縣為研究區，結合綜合指數法和GIS標準分類法確定耕地整治優先度、關鍵指標組合法確定不同區域耕地整治模式。結果如下：

(1) 研究區耕地整治生態位適宜度范圍介于26.02與93.57之間，且整體分布非均衡性突出。

(2) 根據研究區耕地整治生態位適宜度評價結果，研究區可劃為優先整治區域、一般整治區域和限制整治區域，分別占研究區耕地面積的49.50%，30.28%和20.22%。

(3) 運用指標組合法對地形坡度、耕地與溝渠距離、耕地與農村道路距離3個關鍵性限制指標分析，將優先整治區域、一般整治區域的耕地整治劃分為坡改梯、農田水利建設及完善、道路通達度提升三種模式，分別占優先和一般整治區域耕地面積的4.97%，46.51%和48.52%。

耕地整治優先度的劃分結果與研究區耕地利用現狀基本吻合，這表明使用生態位適宜度模型研究耕地整治優先度科學可行，研究結果有一定的實用價值。借助生態位適宜度模型研究耕地整治優先度，不僅豐富了耕地整治優先度的研究方法，而且促進了耕地整治理論與現代生態學理論的交叉、融合與滲透，這為因地制宜地開展黃土丘陵區耕地整治提供了一定的理論依據。研究的不足之處是，由于該研究區的經濟資料獲取有限，沒有將相關的經濟指標納入評價體系，今后的研究可以適當指標擴展，如加入勞動力水平、財政支持力度等社會經濟指標，從而實現更加復雜的分析研究。