基于GIS和修正法的耕地定級研究:以圖們市為例

齊魯，李淑杰，曹競文，杜婉婷，黃夢佳

吉林大學 地球科學學院，長春 130061

0 引言

耕地定級是在行政區內，依據構成耕地質量的自然屬性、社會經濟狀況和區位條件，根據地方土地管理和實際情況需要，根據一定的耕地定級目的，在行政區內對耕地質量進行的綜合評定[1--2]。耕地定級對實現土地資源管理向數量、質量及生態相協調管理轉變，對糧食綜合能力核算、土地利用總體規劃修編和耕地留住具有基礎性、科學性的現實意義[3]；同時可為國土資源管理部門的建設用地征用補償、耕地占補平衡和基本農田調整劃定等工作提供依據[4]。2017年，中央頒布4號文件，明確提出加強耕地質量調查評價與監測，完善耕地質量評價制度和評價指標體系。2018年，國務院下發的《第三次全國土地調查實施方案》的專項用地調查中，明確提出開展耕地分等定級調查評價[5]。

筆者基于圖們市耕地分等成果，采用修正法，借助GIS軟件對圖們市耕地進行定級研究，為圖們市耕地合理利用和管理提供科學依據。

1 研究區概況

圖們市位于吉林省東部，長白山脈東麓，圖們江下游，處于129°31′57″～130°12′16″E， 42°46′44″～43°12′19″N之間。全境東西長約57 km，南北寬約37 km，總面積1 140.50 km2。西與延吉市接壤，西南與龍井市相鄰，東與琿春市相接，東南隔圖們江與朝鮮民主主義共和國相望，北與汪清縣相連[6]。圖們市地處長白山系，南崗山脈縱貫南北，形成西北高、東南低的丘陵峽谷和河谷盆地。

圖們市屬中溫帶半濕潤季風氣候區，溫度、雨量及日照季節性變化幅度大，氣溫受地勢高低的影響也頗大，因而四季區分明顯。年平均氣溫為5.8℃。年平均日照總時數為2 336.8 h，作物生長期為5～9月，積溫為2 742.1℃，無霜期從5月初開始至9月末，在125～150 d之間，年平均降雨量為501.8 mm±。圖們市土壤分類共有5個土類，14個亞類，28個土屬，53個土種。但由于地形、氣候及植被等區域性因素的影響，圖們市的土壤一般呈垂直分布狀態。根據圖們市2016年度耕地質量等別年度更新評價成果，圖們市行政區轄區內土地總面積為1 131.92 km2，其中耕地面積為106.33 km2，占土地總面積的9.39%。

2 研究方法

2.1 定級方法與定級單元劃分

根據 《農用地定級規程》(GB/T 28405--2012)， 耕地質量定級方法主要包括修正法、因素法和樣地法3種[7]。研究表明，修正法比其他兩種方法更適合耕地定級[8--9]，因此本次圖們市耕地定級參考《吉林省耕地定級方案(試行)》[10]要求，結合圖們市耕地分等工作較為成熟、耕地質量等別更新評價成果具有較強時效性的現狀，以GIS技術為支撐，直接采用圖們市2016年度變更調查數據庫中耕地圖斑作為定級單元。

2.2 修正因素體系及權重確定

根據《農用地定級規程》(GB/T 28405--2012)的相關要求，參考農用地定級中涉及的備選因素[11]，結合圖們市的實際情況，最終選擇社會經濟因素和區位因素加以修正。其中社會經濟因素包括5個修正因子，區位因素包括2個修正因子。借助專家咨詢法，邀請熟悉圖們市耕地質量狀況的10名專家，依次對各修正因子的重要性做出判斷并進行打分，經過3輪次，總計填寫30份專家咨詢表，最終確定各修正因素因子的權重(表1)。

表1 修正法定級因素因子及權重

Table 1 Factor and weight of arable land grading with modifying method

修正因素權重修正因子權重社會經濟因素0.60田間道路密度0.25耕作距離0.18灌溉保證率0.28人均耕地0.15土地利用方式0.14區位因素0.40中心城鎮影響度0.55道路通達度0.45

2.3 定級因子的量化與賦分

根據耕地質量受定級因素影響方式的不同，將其劃分為2類因素:面狀因素和擴散因素，不同因子的量化和賦分方法有所差異[12--13]。

2.3.1 面狀因素

圖們市修正法定級因子中田間道路密度、耕作距離、人均耕地和利用方式這4個因子屬于面狀因素，有些因子可通過均值度法確定分值，有些因子可參考搜集到的資料進行定性說明[14]。

田間道路密度為正向面狀影響因子，以2016年度圖們市行政村為基本單元，統計出各行政村農村道路總長度和行政村面積，計算出田間道路密度現狀值，再根據均值度法確定其作用分值。耕作距離為逆向面狀影響因子，計算各耕地定級單元幾何中心到所在行政村居民點的實際距離，根據均值度法確定其作用分值。人均耕地為正向面狀影響因子，以2016年度圖們市行政村為基本單元，統計出各行政村耕地總面積和行政村常住人口總數，計算出人均耕地現狀值，再根據均值度法確定其作用分值。土地利用方式包括水田、水澆地和旱地3類，圖們市以旱地為主，水田和水澆地規模相對較小。參照《吉林省耕地定級方案(試行)》[10]，為體現旱地與水田、水澆地不同的產出水平，選取土地利用方式作為修正因子，根據圖們市近年來各類型耕地生產能力的相對比例關系，確定其級別賦分情況(表2)。

表2 土地利用方式因子分值與分級情況

Table 2 Factor score and classification of land use pattern

分值級別土地利用方式1001級水田902級水澆地603級旱地

2.3.2 擴散因素

灌溉保證率是耕地質量好壞的重要影響因素[15]，為逆向擴散型影響因子。在適合的海拔范圍內，灌溉保證率的分值隨著其與溝、渠及河流中心線距離的增加呈遞減趨勢。參照《吉林省耕地定級方案(試行)》[10]，吉林省根據東、中、西部耕地灌溉保證率特點劃分4個級別，級別賦分情況見表3。

中心城鎮影響度①級別劃分：中心城鎮的建設規模、工業總產值及人口規模大小都對耕地級別產生影響，所以本次耕地質量定級過程中在計算中心城鎮規模指數時主要考慮上述3個指標。且根據《吉林省耕地定級方案(試行)》[10]，該3項指標量化時分別賦以相同的權重來計算每個中心城鎮的規模標準化指數。以最高級中心城鎮規模指數100為基礎，計算其他級別中心城鎮的相對規模指數，公式：

Mi=100×Ai/Amax

(1)

式中：Mi為第i級中心城鎮相對規模指數；Ai為第i級中心城鎮規模標準化指標值；Amax為最高級中心城鎮規模標準化指標值。

按照相對規模指數大小進行排序，選取相對規模標準化指標值最大的中心城鎮作為1級中心城鎮，一般應為縣政府所在鎮，其在經濟地位等方面明顯高于其他鄉鎮；選取除1級中心城鎮外的前40%作為2級中心城鎮；其余城鎮為3級中心城鎮(表4)。

表3 吉林省灌溉保證率因子分值與分級情況

表4 圖們市各級中心城鎮規模指數、功能分與影響半徑

②各級中心城鎮功能分割分：由于高級別中心城鎮的職能包含了低級別中心城鎮的職能，因此需對各級中心城鎮的功能進行分割。

③最大影響半徑的確定：采用定量分析的方法，最終確定各級中心城鎮的最大影響半徑(表4)，計算公式：

(2)

式中：di為第i級中心城鎮的最大影響半徑；S為定級區域面積；n為第i個級別內所含中心城鎮數量。

④中心城鎮影響度作用分：按照線性衰減公式計算每個定級單元的中心城鎮影響度的作用分值[16]。公式：

Fj=fi×(1-r)

(3)

r=dj/di

(4)

式中：Fj為第j個定級單元中心城鎮影響度作用分；fi為第i級中心城鎮功能分；r為定級單元與中心城鎮的相對距離；dj為第j個定級單元與中心城鎮的實際距離；di為第i級中心城鎮的最大影響半徑。

中心城鎮影響度為點狀擴散型影響因子。各定級單元不止受一個中心城鎮的影響，在定級單元中心城鎮影響度作用分值的計算過程中要遵循“同級別取最大值、不同級別相疊加”的原則。

道路通達度①道路的級別：根據圖們市道路的類型、功能和質量，將道路劃分為3個級別：1級為高速公路、國道和省道；2級為縣級公路；3級為鄉級公路。

②各級道路規模指數和功能分:以最寬道路為基礎，其余每條道路的相應寬度除以最大值的方式進行標準化。以最高級道路規模指數100為基礎，計算其他級別道路的相對規模指數，方法與中心城鎮相對規模指數的計算方法相同。由于高級別在功能方面包含了低級別道路的功能，因此需對各級道路的功能進行分割(表5)。

表5 圖們市各級別道路規模指數、功能分與影響半徑

③最大影響半徑的確定：在確定道路最大影響半徑時，應遵循定量定性分析相結合的原則[17]，利用數學公式并結合實際情況計算結果，最終確定各級別道路的最大影響半徑(表5)。計算公式如下：

di=S/2li

(5)

式中：di為第i級道路的最大影響半徑；S為定級區域面積；li為第i級道路的總長度。

④道路通達度影響分值：道路通達度屬于點狀和線狀擴散相結合的影響因子[18]，其中一級道路點狀擴散型因子，以道路出入口為點源；二級和三級道路屬于線性擴散型因子，以各級道路功能分為基礎，進行線性衰減。計算公式與中心城鎮影響度相同。

2.4 定級單元修正系數的計算

修正系數反映了修正因素因子在定級范圍內的相對變化程度[19]，計算公式：

(6)

2.5 定級指數的計算

定級指數采用加權修正法進行計算，公式：

Hi=GiΣwjkij

(7)

式中：Hi為第i個定級單元的定級指數；Gi為第i個定級單元對應的國家自然質量等指數；wj為第j個修正因素權重值；kij為第i個單元第j個修正因素修正系數。

3 定級結果與分析

3.1 耕地級別的劃分

根據定級單元指數，采用總分頻率曲線法對圖們市耕地質量縣域級別進行初步劃分[20--21]。對定級指數進行頻率統計，繪制定級指數頻率直方圖，選擇頻率突變處作為級別界線，最終將圖們市耕地劃分為5個級別(圖1)。

圖1 圖們市耕地定級單元總分頻率曲線圖Fig.1 Total score frequency curve of arable land grading unit in Tumen City

3.2 耕地級別面積構成

圖們市耕地級別共分為5級，各級的耕地面積和比例如表6所示。三級地的面積最大，為41.58 km2，占圖們市耕地總面積的39.11%；其次是四級地和二級地，為27.05 km2和21.27 km2，分別占圖們市耕地總面積的25.44%和20.01%；五級地和一級地面積較小，為9.07 km2和7.35 km2，分別占圖們市耕地總面積的8.53%和6.91%。由此可見，耕地級別面積分布呈“中間大兩頭小”的分布規律。

表6 圖們市耕地級別面積統計表

3.3 耕地級別空間分布規律

3.3.1 總體分布規律

從總體上看，圖們市耕地級別的分布規律：①以中心城鎮為中心，呈現出遞減的趨勢，距離中心城鎮越遠，耕地級別越低；反之，耕地級別越高；②耕地級別與地形有一定關聯，隨著海拔高度和地形坡度的升高，耕地級別逐漸降低；③耕地級別沿圖們市主要道路帶狀分布，距離主要道路越近，耕地級別越高，反之，耕地級別越低；④耕地級別與利用效益相關，水田、水澆地的利用效益比旱地的利用效益高，級別比旱地級別高(圖2)。

3.3.2 各級耕地分布規律

圖們市一級耕地主要分布在東部地區，緊鄰一級中心城鎮圖們市區，交通便利、區位條件好。結合耕地質量等別年度更新評價成果可知，圖們市一級耕地地形坡度以G1級(≤2°)、G2級(2°～5°)和G3級(5°～8°)為主，有效土層厚度較大，表層土壤質地以壤土和黏土為主，土壤有機質含量較高，灌溉條件較好，自然條件優越。

圖們市二級耕地面積大、分布廣，主要分布在中部和東部地區，西部面積較小，與省級道路、縣級道路和中心城鎮等呈小距離分布，交通和區位條件相對較好。結合耕地質量等別年度更新評價成果可知，圖們市二級耕地地形坡度以G1級(≤2°)、G2(2°～5°)級和G3級(5°～8°)為主，有效土層厚度相對較大，表層土壤質地以壤土和黏土為主且有少量砂土和礫質土，土壤有機質含量較高，灌溉條件略次于一級耕地，自然條件較好。

圖2 圖們市耕地級別分布圖Fig.2 Arable land level distribution in Tumen City

圖們市三級耕地面積較大、分布亦很廣，與一級中心城鎮圖們市區較遠，但與省級道路、二級、三級中心城鎮距離較小，交通和區位條件相對較差。結合耕地質量等別年度更新評價成果可知，圖們市三級耕地地形坡度以G2級(2°～5°)和G3級(5°～8°)為主，表層土壤質地以壤土、黏土和砂土為主，土壤有機質含量相對較高，灌溉條件一般，且整體以弱酸性耕地為主，自然條件尚可。

圖們市四級耕地面積較大，主要分布在圖們市西部地區，其他分布在邊緣化地帶，與中心城鎮和縣級道路距離相對較大，交通和區位條件較差。結合耕地質量等別年度更新評價成果可知，圖們市四級耕地地形坡度以G2級(2°～5°)、G3級(5°～8°)和G4級(8°～15°)為主，表層土壤質地以壤土、黏土和礫質土為主，土壤有機質含量較低，灌溉條件差，且整體以弱酸性耕地為，自然條件一般。

圖們市五級耕地面積小，分布呈邊緣化，主要分布其他級別耕地的邊緣地帶，與縣級道路距離較大，交通和區位條件差。結合耕地質量等別年度更新評價成果可知，圖們市五級耕地指標條件大幅度降低，地形坡度以G3級(5°～8°)和G4級(8°～15°)為主，甚至有少量G6級(≥25°)，有效土層厚度較小，表層土壤質地以壤土、黏土和礫質土為主，土壤有機質含量較低，灌溉條件較差，整體以酸性耕地為主，自然條件差。

3.4 耕地級別利用潛力分析

根據定級結果，圖們市耕地質量共劃分為5個級別，其中一級和二級耕地自然質量條件相對較好，耕地質量大幅度提高的可能性不大；三級耕地自然質量條件降低，距離中心城鎮、主要道路的距離有所增加，耕地質量大幅度提高的難度較大；四級和五級耕地自然質量條件最差，相對中心城鎮、主要道路的距離亦最大，雖然區位無法改變，但可從耕地自然屬性方面采取相應措施以提高耕地質量。

4 討論

土地是一個復雜的經濟聯合體，耕地定級結果可以為基本農田保護、耕地產能核算、耕地占補平衡、耕地征收補償和土地利用規劃等提供技術依據。本文運用修正法得到的定級結果較為合理，但仍需進一步改進與研究。

本次研究工作修正體系與因素因子權重是根據專家咨詢法確定的，導致主觀性較強，不同專家對同一指標打分差別較大；且修正因子之間存在一定的關聯，這會導致分值的重復計算，影響結果的準確性。建議今后同時運用兩種以上的方法確定修正體系與因素因子權重，保證科學性和客觀性。

在耕地定級修正因素指標量化中，對于灌溉保證率等無指標值的因子只能定性說明量化方法，需要進一步去探索賦分的方法；同時在計算擴散型因素因子作用半徑時，阻隔和直線距離測算的問題也需要解決，建議采用再次衰減法和作用域分區法等方法減少阻隔問題帶來的影響。

筆者是通過繪制總分頻率曲線，選擇頻率突變處作為級別界線，劃分耕地級別區間，最終確定各定級單元的土地級別。但實際中會有突變點不明顯的情況出現，運用人工判別確定級別界線難度較大。這種情況下，建議采用聚類分析法和方差分析法等方法實現耕地級別的劃分。

5 結論

(1)在耕地分等成果的基礎上，以GIS為基礎，運用修正法、總分頻率曲線法，按照實際情況將圖們市耕地劃分為5個級別，面積分布呈“中間大兩頭小”的分布規律。

(2)圖們市的耕地級別分布受交通區位條件影響明顯，基本呈以中心城鎮為中心、以主要道路為軸向外逐漸降低的趨勢，影響的程度與中心城鎮的級別和道路級別有較大的關聯性。

(3)圖們市的耕地級別受海拔高度、地形坡度、土壤質量和灌溉條件等耕地本身的自然條件影響較大。