基于GIS技術的耕地質量監測區劃定及監測樣點布設研究
——以山東省夏津縣為例

孟慶春，馬春瑩，房忠英，石敏

(1.山東上田沃土地規劃設計服務有限公司，山東 濟南 250013;2.夏津縣國土資源局，山東 夏津 253200)

土地是人類的寶貴財富，是人類社會進行物質生產所必需的基本條件和自然基礎[1]。如何科學合理地利用有限的土地資源，及時了解與掌握土地利用變化數量和空間特點，對于保持耕地總量動態平衡和土地持續利用具有十分重要的意義。為此，國家制定了嚴格的耕地保護制度，堅守18億畝耕地紅線，自然資源部門積極開展一系列土地整治項目，補充了耕地數量。但耕地質量現狀不容樂觀，耕地質量等別總體偏低[2]。為改善在耕地保護方面存在的重數量輕質量的問題，實現耕地數量與質量的并重管理，科學監測耕地資源，目前相關學者已在農用地成果應用[3-6]、耕地質量監測體系、耕地質量監測指標、耕地質量監測區劃定以及耕地質量監測樣點布設方面[7-18]，取得了一定的科研成果。但鑒于耕地質量監測區及監測樣點在耕地質量等別監測中的重要性，該文以德州市夏津縣為例，借助GIS技術進一步研究耕地質量監測區劃定及監測樣點的布設方法，以期更加準確地獲取耕地質量的變化信息，合理、全面地劃分耕地質量等別監測區及布設監測樣點。

1 研究區概況及基礎數據來源

1.1 研究區概況

夏津縣位于山東西北邊緣，北依德州，南鄰聊城，東靠馬頰河與高唐縣交界，西毗京杭大運河與河北省清河縣相望。氣候類型屬暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候區，具有四季分明，干濕明顯的氣候特征。全境屬魯西北黃泛沖積平原，地勢自西南向東北緩慢傾斜，海拔最高處34.0m，最低處23.5m，坡降為1/4500～1/5000。

夏津縣東西長39km，南北寬32km(圖1)，總面積88180hm2，耕地面積60379hm2。根據夏津縣土壤普查資料，全縣共分為6種微地貌類型：河灘高地、緩平坡地、淺平洼地、背河槽狀洼地、沙質河槽地、決口扇形地。其中，河灘高地和緩坡平地分別占土地總面積的48.17%和29.80%。受地形、地貌、母質、氣候等因素的影響，全縣形成了潮土、鹽土和風沙3種土壤類型。潮土分布在全縣的絕大部分地區，面積81342hm2，占土壤面積的92.24%，鹽土土類面積1623hm2，占土壤面積的1.84%，風沙土土類面積為5220hm2，占土壤面積的5.92%，該類型土壤多分布于沙丘，風蝕嚴重，潛水埋深在6m以上，難以耕種。

圖1 夏津縣地理位置示意圖

1.2 基礎數據來源

基于GIS技術的耕地質量等別監測區劃定及監測樣點布設所需的基礎數據，包括農用地分等定級成果、土地利用變更調查數據庫、土地利用活動區域、標準樣地布設成果、國土資源志及各類統計資料和遙感影像等。

2 監測區劃定及監測樣點布設方法

2.1 監測區劃定

根據山東省耕地質量等別年度更新評價成果，結合國家下發的全國耕地質量等別調查評價與監測的工作內容，研究適合夏津縣的耕地質量監測分區方法。該文將從影響耕地質量等級變化的主導因素出發，分析受地形、地貌、母質、氣候等自然條件影響的耕地自然質量空間分異性，結合耕地質量等別年度更新評價獲取的土地利用水平和土地經濟水平，借助ArcGIS 10.2的空間疊置分析和地學統計功能，初步劃定耕地質量監測區域，在保證行政區界線完整性及影響耕地質量變化主導性的基礎上，對初步劃定的耕地質量監測區域中細碎圖斑、不連續圖斑作刪除、歸并處理，形成具有完整性、連續性、代表性的耕地質量變化監測區。

2.2 監測樣點布設

從控制經濟成本和快速有效監測的角度出發，耕地質量監測通常采取“以點代面”的方式在監測區域內布設一定數量且具有代表性的樣點，監測樣點布設可分為固定監測樣點布設和動態監測樣點布設，固定監測樣點主要監測質量漸變耕地，主要是在存量耕地中，尤其是基本農田保護區內，這些區域的監測樣點布設可按一定周期進行采樣，定期監測；動態監測樣點則用于監測質量突變耕地，即由于土地利用活動等導致的耕地范圍、自然質量等變化引起的耕地質量的局部突變，這類監測樣點具有不固定性、可變性的特點，監測具有一定的難度。該文以固定樣點為例研究耕地質量監測區樣點的布設情況，為耕地質量漸變區樣點的布設提供參考。

3 研究結果

3.1 耕地質量監測區劃定

3.1.1 自然質量分區

夏津縣地處魯西北平原，耕地自然質量因素主要受剖面構型、表層土壤質地、土壤有機質含量、鹽漬化程度、灌溉保證率、灌溉水源、排水條件和灌溉水質等因素影響[19-20]，綜合山東省確定的魯西北平原區各自然質量因素的權重值、分級標準以及夏津縣上輪農用地分等定級成果得出夏津縣耕地自然質量分值，采用聚類分析方法并結合夏津縣自然狀況條件劃分出自然質量分區。

3.1.2 利用水平和經濟水平分區

根據山東省劃分的指定作物：冬小麥、夏玉米的土地利用系數和土地經濟系數，分別劃分出的土地利用系數和土地經濟系數等值區間，形成土地利用水平分區和土地經濟系數水平分區。

3.1.3 土地利用特征分區

根據夏津縣國土、農業、水利等部門開展的土地整治、農業開發、農田水利等項目的實施情況，結合土地利用規劃情況，從土地利用項目的用途及特點出發，劃分出夏津縣土地利用特征分區。

3.1.4 耕地質量等級監測分區及修正

利用ArcGIS 10.2軟件的空間疊加分析，將研究區內的自然質量分區、利用水平分區、經濟水平分區以及土地利用特征分區進行疊加，初步形成夏津縣耕地質量等級監測區。根據行政區界線以及相鄰性原則，將同一監測區范圍內的細碎、不連續圖斑進行調整，最終得出夏津縣耕地質量等級監測區(表1、圖2)。

3.1.5 耕地質量等級監測分區結果分析

綜合夏津縣耕地自然質量等控制區、利用等值區、經濟系數等值區，并考慮行政村界線影響，根據主導性原則，將各行政村主導分區面積占村耕地面積的平均比重最大的區作為該村分區類別，對初步劃分的監測區邊界進行適當調整，確保各監測區邊界不打破原有村界，該次研究區域內共劃分出21個耕地質量等別監測區。由表1看出，每個監測區有

表1 夏津縣耕地質量等級監測分區

圖2 夏津縣耕地質量等級監測分區

唯一的自然質量分區、利用水平分區、經濟水平分區、土地利用分區組合；根據圖2分析得出，耕地質量監測分區單元內耕地國家利用等主要分布在7～11等，耕地質量利用等別從綠色到紅色依次提升，其中10等地面積為29349.19hm2，所占耕地面積比例最高，監測分區主要集中在JCQ-06，JCQ-09，JCQ-14，JCQ-17，JCQ-19，JCQ-20；9等地面積為24689.14hm2，所占耕地面積次之，監測分區主要集中在JCQ-01，JCQ-04，JCQ-10，JCQ-12。

3.2 監測區樣點布設

3.2.1 監測樣點布設條件

耕地質量監測區中的樣點布設需滿足以下條件：每一監測區至少有一個監測樣點；不同耕地地類，樣點應有所差異；相同耕地地類，不同耕地等別，樣點布設應加以區分；監測區范圍內控制耕地面積比例不同，樣點數量、位置存在差異；監測區范圍內實施過土地整治、農業開發、農田水利項目應適當增加樣點數量。

3.2.2 監測樣點數量確定的理論方法

在保證每個監測區都有監測樣點覆蓋的前提下，通過借助ArcGIS 10.2軟件平臺建立耕地統計模型，統計每個組合類型的面積，按照面積比例分配方法，確定每個監測區的理論監測樣點數量，對于理論樣點數量不為整數的按照向上取整原則，對監測樣點的個數進行合理分配。ArcGIS模型中樣點數量確定公式：n=ROUNDUP(Mk/Mz)，式中n為樣點個數，Mk為每個監測區控制耕地面積，Mz為研究區內耕地總面積。

3.2.3 監測樣點布設及修正

根據監測區單元控制的面積比例，初步計算出每一監測單元內的理論樣點數量，對計算出的理論樣本個數大于1的樣本重新進行等比例賦值，并結合農用地分等成果中的自然等、利用等、經濟等分布以及土地利用特征分布對初步確定的樣點位置及數量進行調整，最終確定夏津縣耕地質量等級監測分區內的樣點分布(表2、圖3)。

4 結論與討論

4.1 結論

(1)該文利用GIS技術和地學統計分析方法，以山東省夏津縣為例進行了耕地質量監測分區和監測樣點布設的實證研究。夏津縣耕地質量監測共劃分21個監測控制區，布設了36個監測樣點。

(2)利用ArcGIS空間分析功能，將自然質量分區、利用水平分區、經濟水平分區以及土地利用特征分區進行疊加，在不打破原有行政村界的基礎上對疊加后的分區進行調整，最終劃分了21個耕地質量等級監測控制區，為夏津縣耕地等級監測樣點的布設提供了依據。

表2 夏津縣耕地質量等級監測分區樣點數量

(3)監測樣點需要全面反映整個研究區耕地質量等級變化情況，該研究根據監測區面積分配比例，綜合考慮自然質量等控制區、利用等值區、經濟等值區、土地利用分區和監測樣點覆蓋全面性等因素對理論監測樣點布設位置及數量進行了修整，得到夏津縣耕地質量等級監測樣點分布圖，共布設監測樣點36個，能滿足該研究區耕地質量等級監測工作的順利開展。

4.2 討論

(1)利用ArcGIS空間疊加分析功能，疊加自然質量分區、利用水平分區、經濟水平分區、土地利用特征分區，能夠較好地獲取研究區內的耕地質量監測范圍，但缺乏實地采樣點數據的支撐，實驗結果精度有待進一步確定。通過監測區單元控制的耕地面積比例，借助GIS的統計功能獲取的樣點分布具有一定的代表性，但由于耕地的動態變化性，漸變耕地區的樣點布設有待進一步研究。

圖3 夏津縣耕地質量等級監測樣點分布

(2)耕地質量等級監測區以及樣點的確定是耕地質量成功監測的前提，但由于目前土地利用活動的影響，導致監測區的劃定和樣點布設的準確性上存在一定的困難，今后需要進一步加強這方面的研究。