生態文明建設視角下的高標準農田建設適宜性評價①

陳 麟，吳克寧,2*，馮 喆，于 兵，宋恒飛

生態文明建設視角下的高標準農田建設適宜性評價①

陳 麟1，吳克寧1,2*，馮 喆1，于 兵1，宋恒飛1

(1 中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083；2 國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035)

在全面推進生態文明建設的當下，中國的耕地保護工作進入數量、質量、生態“三位一體”保護新時代，以耕地質量提升為中心的高標準農田建設對生態保護和修復的作用意義重大。本文以吉林省梅河口市為研究區，結合農用地等別更新、土地利用現狀調查、土壤普查報告及實地調查采樣數據，從耕地的自然稟賦、基礎設施狀況、空間特征和生態環境質量4個方面選取耕層質地、排水條件、田塊規模、土壤綜合污染指數等14個指標，運用貝葉斯概率模型對高標準農田建設進行適宜性評價，以期為梅河口市高標準農田建設項目規劃布局與選址提供技術服務支撐。研究表明：①在高標準農田建設中，耕地坡度、障礙層距地表深度、有機質含量、有效土層厚度、田間道路通達度、土壤微生物生物量碳和土壤綜合污染指數7個指標對高標準農田建設適宜性的影響程度較大；②根據后驗概率結果，將梅河口市耕地劃分為4個不同程度的建設適宜性區，今后高標準農田建設首先在優先建設區開展，同時后備建設區為其提供了可靠的保證；③耕地本底質量和基礎設施條件良好狀況下，應引入土壤微生物生物量碳、生物豐度系數和土壤綜合污染指數等指標從生態保護的角度進一步劃分建設適宜性程度。本文旨在實現生態服務功能和生產功能同步提升，從而為生態文明建設的理論思考和實踐創新提供科學依據。

生態環境；高標準農田建設；貝葉斯概率模型；適宜性評價

黨的十九大報告提出建設生態文明是中華民族永續發展的千年大計，必須樹立尊重自然、順應自然、保護自然的生態文明理念，其本質就是在總結人與自然關系歷史的基礎上對人與自然發展規律認識的升華，把可持續發展提升到綠色發展高度[1-5]。為推進“生產、生活、生態”空間協調發展、轉變綠色發展方式，構建山水林田湖草生命共同體，土地整治被賦予更多使命，凸顯出土地生態服務價值功能，其本質上服從并服務于生態文明建設[6]。高標準農田建設作為土地整理的一種重要形式，是提升農業綜合生產能力、保證農村協調發展、優化國土空間布局和保障國家糧食安全的有效途徑[7]。在新的發展理念下，高標準農田建設不再局限于耕地數量與質量問題，更要切實改善和保護農田生態環境，從而促進資源節約型、環境友好型和低碳經濟型社會建設，如何真正實現數量、質量、生態三位一體是對自然資源部門保護耕地、落實生態文明所提出的戰略要求，也是現在及未來工作中亟待解決的重要問題[8-11]。目前的高標準農田建設主要側重于耕地質量的優質性和工程建設的經濟成本[12-13]，對生態環境的影響考慮較少，極大程度地抑制其發揮生態效應，也增加了生態破壞的風險。如何在高標準農田建設中統籌考慮對生態環境的影響，更好地服務于山水田林湖草生命共同體的構建，是當前研究的重點和趨勢所在[14-18]。

目前學界針對高標準農田建設適宜性評價進行了較為深入的研究，但是仍然存在不足之處。在評價指標方面，一些研究并沒有考慮生態環境對建設適宜性的影響，或者只從宏觀角度選取農田防護林等指標，并沒有從微觀角度考慮土壤理化性質對生態環境的影響，如微生物生物量碳含量和重金屬含量等指標[19]，也沒有考慮整治工程對其水土資源平衡、景觀生態環境的影響，如生物豐度系數、植被覆蓋率等指標[20]；在評價方法方面，目前主要采用耦合協調度模型、改進突變級數模型、自組織神經網絡模型[21-26]等，但在確定指標權重時，或多或少引入了專家打分，從而使評價結果增加了主觀性。貝葉斯概率模型是由統計學中的貝葉斯理論發展起來的，在各科研領域已經得到了推廣和應用[27-28]，并且結合GIS技術的貝葉斯理論在充分利用現有數據集進行空間分析和客觀計算權重等方面有著獨特的優勢。

基于此，本文以吉林省梅河口市為研究區，運用貝葉斯概率模型，從生態文明建設視角進行高標準農田建設適宜性評價，劃分不同適宜程度的高標準農田建設區，并對不同分區的影響因素進行分析，以實現高標準建設定量評價，為高標準農田建設項目的規劃布局與選址提供技術服務支撐，實現生態服務功能和生產功能同步提升，從而為生態文明建設的理論思考和實踐創新提供重要依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

梅河口市，位于吉林省東南部、通化市北部、長白山西麓、輝發河上游，125°15′ ~ 126°03′E，42°08′ ~ 43°02′ N，地處松遼平原與長白山區的過渡地帶，總面積2 174.6 km2。橫貫腹地的輝發河、一統河流域兩岸屬平原和丘陵區，西南和東北部屬低山丘陵區，地勢西南和東北兩端稍高，中部較低，構成了“六山一水三分田”的土地資源結構，總觀地勢平緩，梯度不大。梅河口市境內山地多為灰棕壤、暗棕壤，山前臺地多為白漿土，山前洼地的洪積扇區多發育為沼澤土、草甸土，河流沿岸高河漫灘的低階地為沖積土、水稻土。

根據2017年度梅河口市土地變更調查數據結果，2017年末梅河口市耕地面積為122 429.11 hm2，占農用地面積的66.18%，而農業人口為32萬人，農業人口人均耕地面積0.31 hm2，隨著外出務工人數的逐年增加，人均耕地面積也在逐年增加，土地粗放經營導致的產出低下的問題也愈加明顯。

1.2 數據來源

本次高標準農田建設適宜性評價涉及的相關數據主要包括：①2017年梅河口市土地變更調查數據；②2017年梅河口市耕地質量等別更新數據；③梅河口市高標準農田建設項目文本及數據庫；④梅河口市第二次土壤普查報告及土壤圖；⑤測土配方施肥數據；⑥野外實地調研采樣數據。

1.3 數據處理

為保證本次評價研究的統一性和完整性，本次評價選取耕地圖斑為評價單元；通過調查得知，梅河口市2017年高標準農田建設項目雖然已經完成了質量建設，提升了耕地質量，但是在土地變更調查和耕地質量等別更新成果中還未進行更新，故選取研究區內所有耕地整治前的現狀值作為評價指標值，以此來證明高標準農田建設與否是由建設前所處的條件決定。①在ArcGIS10.2平臺上將各評價指標圖層進行統一的空間投影處理；②疊加高標準農田建設項目區界線圖層和耕地圖層，得到已建設耕地圖層和未建設耕地圖層；③將建設圖層(包括已建設耕地圖層和未建設耕地圖層)與耕地質量等別更新數據疊加，獲取圖層中各耕地圖斑的評價指標值，包括耕地坡度、排水條件、灌溉保證率；④將建設圖層與土壤圖疊加，并結合第二次土壤普查報告，根據土種類型進行評價指標賦值，包括土壤質地、有效土層厚度、障礙層距地表深度；⑤利用測土配方施肥數據在ArcGIS平臺上進行空間插值，得到有機質含量和土壤養分元素評價指標值；⑥將建設圖層與土地利用現狀圖層進行疊加，提取公路、農村道路等線狀地物，水域、草地和林地等圖斑，通過計算獲取田間道路通達度、生物豐度系數和植被覆蓋率；⑦將外業采集的土樣采用氯仿熏蒸浸提法測定土壤微生物生物量碳含量和用XOS- Rocksand土壤重金屬測試儀檢測8種重金屬元素，在ArcGIS平臺上進行空間插值。

2 研究方法

2.1 研究思路

高標準農田建設是以現有的耕地利用狀況為基礎，考慮高標準農田所發揮的生產、生活和生態功能，選取相應的評價指標，通過耕地質量等別更新數據、土地利用現狀數據、測土配方施肥數據、土壤圖以及實地調研等多種方式獲取評價指標數據，建立高標準農田建設適宜性評價指標體系，借助貝葉斯概率模型，以已建設為高標準農田的耕地作為訓練樣本，確定各指標對高標準農田建設是否發生的影響大小，再根據其影響程度對未建設區的農田建設適宜性評價進行修正，進而根據后驗概率大小體現建設的適宜程度，更加精確地劃分高標準農田建設適宜性區域。

2.2 貝葉斯概率模型

貝葉斯概率方法是基于貝葉斯定理而發展起來用于系統地闡述和解決統計問題的方法[29-31]。該方法的核心為貝葉斯公式，其基本形式如下：

式中：()是事件的先驗概率，它是由已知的先驗信息獲取的最初概率，即研究區內已經完成高標準農田建設的面積占總耕地面積的比例；(|)為事件在條件的情況下發生的后驗概率，而(|)為已發生事件中存在條件的概率；()為隨機變量條件的概率。由此可知，(|)也可以解釋為：在條件(評價指標)存在的情況下，事件(開展高標準農田建設)發生的概率。

根據貝葉斯公式，可得后驗幾率的表達形式：

權重的確定參考Agterberg提出的證據權重方法[32-35]，對公式(2)取自然對數得出其對數線性公式，可得因子影響權重+和–。

如果因子和事件呈正相關，則+為正，–為負，相反，因子和事件呈負相關，則+為負，–為正，如果事件與因子不存在關系，則+=–=0，后驗概率等于先驗概率。

每個指標因子權重都有正權重和負權重，因此定義對比度來衡量指標因子與高標準農田建設事件的空間聯系大小。對比度值絕對值越大表明指標因子與高標準農田建設相關性越強，指標影響權重越大，若為正值，表明其正相關，若為負值，表明其負相關。

當存在個相互獨立因子時，存在2種不同的組合，其表達形式為：

式中：W為因子B存在或者不存在的權重值。

其后驗概率為：

2.3 耕地整治適宜性評價指標體系

評價指標選取時應遵循差異性、主導性和現實性原則。新時期，生態文明建設對高標準農田建設提出新的要求，本文在考慮遵循自然資源稟賦、實施針對性整治、挖掘農田生態價值功能、發展生態農業、注重景觀生態保護、實現山水田林湖草綜合整治的要求下，根據梅河口市獨特的自然、社會經濟和生態條件，在考慮耕地的生產和生活功能的同時，注重發揮其生態功能，融合生態文明理念，充分考慮水土資源平衡，生態環境保持工程建設，從耕地的自然稟賦、基礎設施狀況、空間特征和生態環境質量4個方面選取14個指標[7]。自然稟賦即耕地的地力條件，決定耕地的生產能力，是耕地質量的核心，選擇耕層質地、有效土層厚度、障礙層距地表深度、有機質含量和土壤養分元素5個指標[36-37]；基礎設施狀況是耕地的外部條件，決定耕地生產能力的實現程度，同時也是高標準農田建設的重要內容，選擇排水條件、灌溉保證率和田間道路通達度3個指標；空間特征是指耕地地塊所處的空間位置及形態，選擇耕地坡度和田塊規模2個指標；生態環境質量影響農業生產質量和農產品品質，也是耕地可持續利用和自我凈化能力的重要表征，包含生態和環境兩方面。生態質量主要是指耕地系統在本質上作為一種陸地生態系統所能呈現出的水源涵養、土壤保持、氣候調節、空氣凈化等生態系統功能服務狀況[38]。而土壤微生物生物量碳、生物豐度系數和植被覆蓋率指標能夠表征耕地系統的土壤生物活性、水土資源平衡、生物多樣性、氣候調節、防風固沙等生態系統功能，因此生態質量方面選取上述3個指標；耕地受到污染會導致其凈化能力喪失，進而造成環境凈污能力下降，對土壤結構和生態環境造成巨大破壞，因此環境質量方面選取土壤綜合污染指數指標[39]。最終構建高標準農田建設適宜性評價指標體系，具體如表1所示。

3 結果與分析

3.1 獨立性檢驗成果

各評價指標之間相互獨立是貝葉斯概率模型適用的前提條件。在SPSS軟件平臺上，根據克拉姆系數計算公式進行卡方檢驗[40]，得到各評價指標之間的獨立性檢驗結果(克拉姆系數)如表2。由表2可知，評價指標體系中的14個評價指標之間的相關性系數均小于0.5，滿足獨立性檢驗，符合貝葉斯概率模型的適用條件。

3.2 權重計算結果

表1 梅河口市高標準農田建設適宜性評價指標體系

續表1

3.3 適宜性評價結果

根據公式(7)計算梅河口市未開展高標準農田建設耕地圖斑的后驗概率，概率值的大小代表高標準農田建設適宜性的高低，其值區間為0 ~ 1，數值越大，代表高標準農田建設適宜性越高。由此，得到梅河口市高標準農田建設適宜性分布圖，具體情況見圖1。根據類內差異最小，類間差異最大原則[41]，在ArcGIS平臺對梅河口市高標準農田建設適宜性分布情況采用自然斷點法進行分類，得到后驗概率的臨界值，并結合實地情況劃分為4個不同程度的建設適宜性區：①高標準農田優先建設區；②高標準農田建設后備區；③高標準農田有條件建設區；④高標準農田不適宜建設區。

表2 獨立性檢驗中各指標之間的克拉姆系數

表3 各評價指標權重相關參數表

續表3

圖1 梅河口市高標準農田建設適宜性分布圖

高標準農田優先建設區，后驗概率在0.262 ~ 0.644，面積為8 056.32 hm2，占未開展高標準農田建設耕地總面積的7.03%，主要分布在梅河口市中部的灣龍鎮、雙興鎮、海龍鎮和杏嶺鎮，西南部的山城鎮和中和鎮，位于輝發河和一統河流域兩岸的河漫灘和河流二級階地。該區地勢平坦，空間延展性好，田間基礎設施完善，便于機械化作業，土壤類型主要為水稻土和沖積土，有效土層較厚，耕層質地為黏壤質，無障礙層；生態環境優勢明顯，土壤微生物含量高，土壤生物活性好，生物多樣性和景觀多樣性豐富，植被覆蓋率高，防風固沙、農田保護作用明顯。

高標準農田建設后備區，后驗概率在0.098 ~ 0.262，面積為51 883.03 hm2，占未建設高標準農田耕地總面積的45.28%，分布在輝發河、一統河和大沙河流域沿岸，途徑東北部的康大營鎮、一座營鎮、牛心頂鎮，中部的中和鎮、黑山頭鎮、杏嶺鎮和新合鎮等。該區地勢較平坦，主要分布在河流二級階地，少數分布在東北部或西南部的臺地和崗坡地，土種類型有水稻土、新積土和沖積土，土層較厚，無障礙層；位于城鎮周邊的耕地受人為干擾影響較大，生物多樣性和景觀多樣性低于距城鎮較遠的耕地，但整體生態環境優勢較明顯，土壤微生物含量較高，生物活性較好。

高標準農田有條件建設區，后驗概率在0.036 ~ 0.098，面積為35 761.81 hm2，占未建設高標準農田耕地總面積的31.21%，主要分布在中部的臺地和東北部的山地緩坡，由于該區域土壤類型多為白漿土，存在白漿層，有效土層較薄，肥力較差，而在整治工程中，改良白漿土的主要方法有深耕打破心土層或逐步加深耕作層，工程量巨大，耗費財力，是整治的重點和難點。

高標準農田不可建設區，后驗概率在0.002 ~ 0.036，面積為18 891.66 hm2，占未建設高標準農田耕地總面積的16.49%，主要分布在西南部和東北部的低山丘陵區，地勢較高，坡度較大，土壤類型主要為灰棕壤和暗棕壤，表層土壤質地為砂壤，有效土層較薄，肥力較差；灌溉保證率低，路網稀疏，道路通達度較差；生態環境適中，生物活性一般，生物多樣性和景觀多樣性較好。

4 結論

1)本研究從數量、質量、生態三位一體的角度，以影響高標準農田建設的因素在已完成區和未開展區的發生概率為基礎，采用貝葉斯概率模型，運用證據權重法對梅河口市的高標準農田建設適宜性評價的指標權重進行研究，結果表明，耕地坡度、障礙層距地表深度、有機質含量、有效土層厚度、田間道路通達度、土壤微生物生物量碳和土壤綜合污染指數7個指標對高標準農田建設適宜性的影響程度較大。對于高標準農田建設的選址，決策者更愿意選擇地勢平坦、空間延展性好、土層深厚、土壤肥沃、沒有障礙層限制、交通方便、通達度高、生物特性優質、沒有污染的區域開展建設。

2)本研究借助貝葉斯概率模型，利用已建成高標準農田所處的條件來指導其他耕地順利開展高標準農田建設，最后通過計算出來的后驗概率大小表示建設的適宜程度，通過自然斷點法劃分高標準農田建設適宜性，包括高標準農田優先建設區、高標準農田建設后備區、高標準農田有條件建設區和高標準農田不適宜建設區。根據劃分結果，梅河口市今后高標準農田建設首先在優先建設區開展，同時后備建設區為其提供了可靠的保證。

3)本研究通過對4個分區的主要限制因素進行對比分析可知，在耕地本底質量和基礎設施條件良好狀況下，引入土壤微生物生物量碳、植被覆蓋率、生物豐度系數和土壤綜合污染指數指標為細劃建設適宜性分區提供科學依據。但在基礎條件較差的區域，表征生態環境指標無法對適宜性劃分結果起到主導性作用，對區域劃分影響較小，這也是本文研究的不足之處。

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Suitability Evaluation of High Standard Farmland Construction from Perspective of Ecological Civilization Construction

CHEN Lin1, WU Kening1,2*, FENG Zhe1, YU Bing1, SONG Hengfei1

(1 School of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2 Key Laboratory of Land Remediation, Ministry of Land and Resources, Beijing 100035, China)

At the moment of comprehensively promoting the construction of ecological civilization, China’s arable land protection work has entered a new era of “three-in-one” protection of quantity, quality and ecology. The promotion of high-standard farmland construction with the improvement of cultivated land quality is of great significance to ecological protection and restoration. In order to provide the technical services for planning layout and site selection of the high standard farmland construction project in Meihekou City of Jilin Province, combined with agricultural land renewal, land use status survey, soil survey report and field survey sampling data, from the natural endowment, infrastructure status, spatial characteristics and ecological environment quality of cultivated land, 14 indicators were selected which included plough layer texture, drainage condition, field size and soil comprehensive pollution index, and the Bayesian probability model was used to evaluate the suitability of high standard farmland construction. The results showed that in the construction of high standard farmland, the slope of cultivated land, depth of the barrier layer, organic matter content, thickness of the effective soil layer, accessibility of the field road, soil microbial carbon and soil comprehensive pollution index had a great influence on the suitability of high-standard farmland construction. According to the posterior probability results, the cultivated land in Meihekou City was divided into four different levels of construction suitability areas. In the future, the construction of high-standard farmland should first be carried out in the priority construction area. At the same time, the reserve construction area could provide a reliable guarantee. Under the good conditions of cultivated land background quality and infrastructure, the indicators such as soil microbial biomass carbon, biological abundance coefficient and soil comprehensive pollution index could be introduced for further dividing construction suitability from the perspective of ecological protection. This paper provide scientific bases in theoretical thinking and practical innovation of ecological civilization construction to realize the simultaneous improvement of ecological service functions and production functions and the effective mode of target integration.

Ecological environment; High standard farmland construction; Bayesian probability model; Suitability evaluation

國家自然科學基金項目(40971127)資助。

(wukening@cugb.edu.com)

陳麟(1994—)，男，山東日照人，碩士研究生，主要從事土地資源評價與利用規劃研究。E-mail: 1520398439@qq.com

S282

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10.13758/j.cnki.tr.2019.04.023