基于LESA綜合評價模型的耕地質量定級方法

李卓倩, 趙賢妤, 張莉坤, 吳 天, 孟慶香

(1.河南農業大學 資源與環境學院, 鄭州 450000; 2.河南省土地整治與生態重建工程技術研究中心, 鄭州 450000)

耕地是人類生存和發展的基礎，而精確評價耕地質量是科學保護和管理耕地的必要前提。目前，我國主要采用農用地分等體系對耕地質量進行評價。但隨著高標準基本農田建設工作的推進，當前的農用地分等體系已不能很好滿足國家對耕地統一管理的需要，耕地質量定級的作用則更為突出。耕地定級是在行政區(省、縣)范圍內，依據耕地的自然屬性和經濟屬性，對耕地質量進行綜合評定，劃分出耕地級別[1-2]。目前《農用地定級規程》中規定的定級方法有因素法、修正法和樣地法[3-5]，因素法是耕地定級中常用的方法。但耕地定級不是在全國范圍內進行，且各地區選取指標因素也并非完全一致，因此規程法所得到的定級成果僅在該區域范圍內具有可比性，逐漸無法滿足跨區域占補平衡等工作的需求。近年來，相關學者對耕地定級提供了新的研究思路和方法：王京濤[6]通過采用GIS空間分析法，構建定級指數地價模型，探索性分析農用地樣點地價；衛新東等[1]有效地將因素法和修正法兩種方法進行綜合，確定農用地級別；金東海等[7]選用兩層七參數法，在農用地分等成果的基礎上進行農用地定級研究。但隨著跨地區耕地占補平衡和高標準基本農田建設等工作的持續推動，規程定級方法因各區域之間指標選擇的差別及工程指標因素欠缺，存在著跨區域耕地質量可比性差及對土地工程實施帶來的提效升級反映不夠靈敏等問題。

19世紀80年代，美國土壤保持局首次構建土地評價與立地條件分析(land evaluation and site assessment，LESA)體系[8-10]。該綜合評價體系包括兩個子系統：土地評價(land evaluation，LE)子體系，主要反映耕地自然質量水平的高低；立地分析(site assessment，SA)子體系，主要是反映耕地自身條件以外其他的自然屬性和社會屬性[11]。LESA評價體系通過對耕地質量和立地條件的綜合評價分析，更有利于精確評定耕地質量，有效保護耕地，提高耕地利用效率和可持續生產能力。本文選取河南省固始縣為研究對象，以LESA綜合評價模型為理論指導，構建研究體系，對農用地定級的理論條件與技術方法進行綜合探討。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

固始縣位于河南省東南部，大別山與淮河之間。地理坐標約為東經115°24′—115°55′，北緯31°46′—32°35′，屬于亞熱帶向暖溫帶過渡帶，四季分明，雨熱同期。固始縣地形復雜，整體地勢為西南高東北低，地貌由南向北依次為低山、丘陵、壟崗、平原和洼地。區域范圍內主要有水稻土、黃棕壤、潮土、砂姜黑土4個土類，11個亞類，25個土屬，103個土種。2017年全縣土地總面積為294 297.16 hm2，其中耕地約156 296.66 hm2，占全縣土地總面積的53.11%。

固始縣于2012年完成耕地質量等級成果補充完善工作。2017年度固始縣耕地等別年度更新成果中，全縣耕地國家自然等主要為6等，國家利用等主要為7等，國家經濟等主要為6等，說明該區域耕地自然質量條件尚可，但整體上利用水平較低，耕地所產生的經濟收益較為一般。

1.2 數據來源

本研究數據來源于固始縣2017年度土地利用變更調查成果、固始縣2017年度縣級耕地質量等別更新成果、2017年固始縣統計年鑒。

2 研究思路和方法

2.1 研究思路

本文以LESA綜合評價模型為理論指導，構建耕地自然質量評價子體系(LE)和立地條件評價子體系(SA)。LE體系依據農用地分等成果要素和耕地地力評價要素指標選取構建，主要反映耕地自然質量水平的高低；SA體系由工程指標、基礎設施指標等選取構成，主要體現土地整治和高標準農田建設等耕地質量改造項目對耕地的影響。在此基礎上，開展耕地質量定級方法研究，綜合探討分析耕地質量的空間差異情況。

2.2 研究方法

2.2.1 評價單元 評價單元是自然屬性和社會經濟屬性相對一致的獨立耕地，其劃分能夠直觀反映出耕地在質量和立地條件等方面的空間差異性[12-13]。本文根據確立的研究方法及獲取的數據資料，結合固始縣農用地分等成果，得到評價單元64 390個。

2.2.2 LESA體系的構建 本研究借鑒LESA體系的特點，以綜合屬性特征來評價耕地級別[14]。該體系由LE子體系和SA子體系兩部分組成，在全面規范可持續的原則下，選取耕地質量評價指標和立地條件評價指標[15]。依據研究目的及選取研究區域的實際情況，本文中構建的LE體系包括土壤物理要素指標、化學要素指標和環境要素指標，SA體系由基礎設施條件指標、耕作便利條件指標和土地利用狀況指標、土壤培肥指標構成。

2.2.3 評價因素作用分值計算 (1) 耕地自然質量條件評價(LE)因子作用分值計算。耕地自然質量評價因子包括表層土壤質地、土壤酸堿度、地形坡度等指標，定性定量綜合評定耕地自然質量。依據層次分析法、專家打分法確定各評價因子權重。LE評價體系中各評價因子的等級及作用分值見表1。

表1 耕地自然質量條件評價因素因子

(2) 耕地立地條件評價(SA)因素作用分值計算。耕地的基礎設施條件、田塊狀況和土地培肥狀況越好，生產效率就越高，耕地區位條件就越優。SA評價體系中，評價因子屬性不同，其作用分賦值方法不同。通過線性衰減模型計算道路通達度、耕作距離等擴散性因子作用分值；其他因子則根據實際情況將數據劃分到不同等級范圍內，再根據其影響水平的高低對各個等級賦予相應的作用分值[16-17]。具體評價指標因子及權重詳見表2。

表2 耕地立地條件評價因素因子及權重

2.3 LESA綜合評價模型

目前耕地定級研究中較多選用多因素綜合評價法、BP神經網絡法、GIS網絡分析法和主層次分析法等[18]。本文選用多因素綜合評價法，選取多種指標因素構建LESA綜合評價模型，計算公式如下。

(1)

(2)

LESA=a×LE+b×SA

(3)

a+b=1

(4)

式中：LE為耕地自然質量評價分值；Wij為耕地自然質量評價過程中第i個評價單元第j個評價因素的權重；Uij為第i個評價單元第j個評價因素的作用分值；SA為耕地立地條件評價分值；Hij為耕地立地條件評價過程中第i個評價單元第j個評價因素的權重；Fij為第i個評價單元第j個評價因素的作用分值；LESA為耕地評價單元綜合分值；a，b分別為LE分值和SA分值所占的權重值[19]。

LESA綜合評價模型的靈活性使其服務于不同的管理目標時，可以根據實際情況調整和確定LE和SA的比例關系[20-23]。固始縣為河南省糧食主產區，因此耕地自然因素條件對耕地級別的影響更大，a∶b值確定為3∶2。

3 結果與分析

3.1 固始縣耕地自然質量評價

根據公式(1)計算固始縣各評價單元的自然質量分值，并對計算結果進行統計(表3)。從表3中可以看出，固始縣耕地質量評價的LE分值介于45～94分之間加權平均值為87分，且LE分值介于81～90分和91～94分區間占全部耕地面積的比重達到94.85%，5.15%的耕地自然質量分值低于80分，這從一定程度上表明固始縣耕地整體自然質量較優，利于耕種產糧。

表3 耕地質量評價情況統計

從LE分值的空間分布來看，固始縣的耕地自然質量整體較優越。LE分值介于81～94分的耕地，主要位于固始縣的北部淺丘區、西部丘陵壟崗區和東部平原區，分值介于40～60分和61～80分區間的耕地主要位于固始縣的南部低山丘陵區，說明耕地自然質量的差異性主要受地形坡度影響。LE分值較高的耕地表層土壤質地多為壤土和黏土，土壤有機質含量高，整體質量條件較優(圖1A)。

3.2 固始縣立地條件評價

根據公式(2)計算固始縣立地條件評價分值，統計結果見表4。51～60分和61～68分區間的耕地面積約占總耕地面積90.17%，說明固始縣耕地整體生產效率較高，區位條件較優越。

從圖1B的SA分值空間分布來看，分值較低的區域多分布在南部低山丘陵區，主要是受到地形地貌的影響導致地塊形狀不規則、集中連片度低、不利于機械作業等。西北部也分布著一部分分值較低的耕地，這些耕地多為零星分布于城鎮中的菜地，因其面積較小，灌排水設施不完善，無法實現機械作業等得到SA分值較低。

表4 耕地立地條件評價情況統計

3.3 固始縣耕地質量定級結果與分析

由圖1C可知，北部、中部和東部的平原區、淺丘區耕地質量級別較高，西部丘陵區耕地質量級別一般，南部山區耕地質量最差。表明基于LESA綜合評價模型所確定的固始縣耕地質量級別在分布上與自然質量條件明顯相關，該定級方法能夠有效分析耕地質量空間分布規律。

圖1 固始縣耕地質量評價(LE，SA)分值及級別空間分布

據公式(3)計算結果表明固始縣分值介于44～79分之間，加權平均值為73分，級別間距為150。在自然質量方面，級別為9—13的耕地表層土壤質地多為黏土或砂質土，有效土層厚度大，土壤有機質含量及地形坡度等條件較適宜，整體自然質量水平較優；耕地立地條件方面，級別較高的耕地一般分布離城鎮較遠，地塊形狀規則、平整度及集中連片度高，臨近有交通主干道，利于機械作業。級別為6—8的耕地中，一部分耕地的土壤物理因素、化學因素及環境因素等各項指標分值較低，整體自然條件較差，多屬于坡耕地；或者是在立地條件方面，一部分耕地為分布在城鎮周邊或以內的零碎菜地和水澆地，處于多農戶種植經營狀態，耕作便利度低，無機械作業條件，利用效率低下。

3.4 固始縣耕地級別驗證

為了確保該評價方法劃分出土地級別的合理性，需要驗證其結果是否符合實際情況。考慮到耕地糧食生產能力是其質量水平的直接體現，選擇分析定級級別與調查樣點中小麥、水稻單產的關系，以對研究結果進行驗證。驗證方法主要是將級別和調查樣點單產進行對比，以揭示二者的聯系。由圖2可知，耕地質量級別與小麥和水稻的單產產量呈現明顯的正相關關系，耕地級別越高，糧食產量越高，表明定級評價成果能夠全面反映固始縣耕地質量差異性。

由表5可以看出，原分等成果計算的全縣總產能為174.79萬t，用定級成果計算的全縣總產能為174.67萬t，二者數值較接近。說明產量和定級指數的關系較為密切，也表明級別能較好地反映耕地產能的實際情況。

圖2 調查樣點產量與定級成果對比

表5 定級成果全縣總產能

4 討論與結論

(1) 本研究在固始縣耕地分等成果的基礎上，以LESA綜合評價模型為指導，從自然質量和立地條件兩方面對耕地進行綜合分析評價，劃分耕地級別，并以耕地的糧食產能情況為依據對級別劃分成果進行驗證，證明該成果可較好地顯化耕地糧食生產水平。本研究中所選取的耕地自然質量評價指標、調查樣點中小麥水稻單產數據等均來源于固始縣耕地分等成果，立地條件因素選取主要考慮了工程條件、田塊狀況、生產效率、土壤培肥和區位條件5個主要因素。因此建立的LESA綜合評價模型在繼承并轉化應用固始縣耕地分等成果的基礎上，又通過工程指標的選取在級別劃分上體現了高標準農田建設、土地整治等工程成效，打破了原有規程定級方法僅在縣域內可比的局限，更有利于永久基本農田劃定、高標準農田建設、耕地占補平衡考核、土地整治成效分析等工作的推進，同時為耕地定級方法創新研究提供思路。

(2) 結合已有的耕地質量定級研究成果來看，定級指標因素的選擇及其權重的確定對最終定級成果有較大影響，地形地貌的不同會導致指標選擇的差異性[24]，本研究僅以固始縣為代表進行探討，研究方法對其他地形是否適用尚未進行驗證；同時，本研究對耕地級別與耕地等別之間的關系討論較少，如何在延續耕地分等成果的基礎上對耕地級別進行劃分并且提高耕地質量評定的精確性還需進一步研究；此外，采用LESA綜合評價模型劃分耕地級別的過程中僅考慮了其自然質量、區位條件等因素，對耕地的景觀價值、文化價值等考慮不足，在后續的研究過程中應進一步完善評價體系，更加科學管理耕地。