基于綜合評價模型的區域耕地質量評價與空間集聚研究

陳逸飛 施曉輝 朱春成 王曉瑞

摘要從耕地質量的綜合性、生產性、生態性出發，界定了耕地質量包括自然質量、生產質量、綠色質量3個層次的內涵，建立了耕地質量評價的綜合模型。通過土壤樣品采集與外業調查獲取相關數據，應用綜合評價模型評價區域耕地質量，并研究耕地質量的數量及空間分布規律。結果顯示，研究區自然質量、生產質量、綠色質量、綜合質量分別平均為2.6級、2.4級、2.3級、3.3級，較好地反映了區域自然條件水平、生產能力水平、作物質量水平;評價結果空間集聚特征明顯，綠色質量高等級地主要集聚于西部地區，自然質量、生產質量、綜合質量高等級耕地主要集聚于東南部地區，各層次的耕地質量可為區域耕地保護、糧食安全保障及農業可持續發展提供科學依據。

關鍵詞耕地質量;空間集聚;綜合評價模型;江蘇省東海縣

中圖分類號F301.2文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2020）15-0078-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.023

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Evaluation of Farmland Quality and Spatial Variation Based on Comprehensive Evaluation Model—Taking Donghai County， Jiangsu Province as an Example

CHEN Yifei1，SHI Xiaohui2，ZHU Chuncheng2 et al

（1.Yangzhou University，Yanzhou，Jiangsu 225000;2.Boyuan Planning and Design Group Co.， Ltd.，Nanjing，Jiangsu 210004）

AbstractBased on the comprehensiveness， productivity and ecology of farmland quality， the connotation of farmland quality including natural quality， production quality and green quality was defined， and a comprehensive evaluation model of farmland quality evaluation was established.Relevant data were obtained through soil sample collection and field surveys， a comprehensive evaluation model was used to evaluate regional farmland quality， and the quantity and spatial distribution of farmland quality were studied.The results showed that the natural quality， production quality， green quality and comprehensive quality of the study area averaged 2.6， 2.4， 2.3， and 3.3， respectively， which reflected the average grades of regional natural conditions， productivity and crop quality.The spatial aggregation characteristics of the evaluation results were obvious.The highquality green quality land was mainly concentrated in the western region， and the highquality farmland of natural quality， production quality and comprehensive quality was mainly concentrated in the southeast region.Different levels of farmland quality can provide a scientific basis of regional farmland protection， food safety and sustainable agricultural development.

Key wordsFarmland quality;Spatial cluster;Comprehensive evaluation model;Donghai County of Jiangsu Province

作者簡介陳逸飛（1999—），男，江蘇鹽城人，從事水利工程研究。

收稿日期2019-12-26

耕地是農業生產最基本的資源，是人們獲取糧食及其他農產品不可替代的生產資料，安全、肥沃、協調的耕地是農業可持續發展的前提。隨著我國社會經濟的快速發展，人地矛盾日益突出，耕地數量、質量、生態問題日益嚴峻，給生態環境、食品安全及農業可持續帶來了巨大的壓力，切實保護耕地對提高耕地綜合生產能力、保障糧食安全有重大意義，而耕地質量評價是耕地保護的基礎[1-3]。

我國自20世紀50年代開始荒地資源的評價，以合理利用土地為目的的土地評價研究逐漸蓬勃發展起來，80年代國家土地管理局成立伊始開始了農用地分等定級工作[4-6]。近年來，隨著土地管理、農業集約化水平的發展，耕地質量的研究成為土地評價的重點內容之一，國內外學者對耕地質量的內涵界定、評價方法、成果應用等多方面進行了深入的研究。如Eswaran等[7]分析指出土地質量的管理和監測將是未來的挑戰，保持并提高土地質量是保證區域可持續發展的重要基礎;陳朝等[8]研究認為耕地質量應包括本底質量、經濟質量和生態質量;聶艷等[9]利用ArcGIS 和模糊物元貼近度聚類分析模型評價耕地質量;張廣星等[10]、于東升等[11]研究了BIOM-NORM、NORM、EO耕地質量評價方法的科學合理性;Shao等[12]以農用地市場化為目的對耕地進行了分等定級研究。

土壤pH屬拋物線型隸屬度函數，其隸屬度函數如公式（2）：

表層土壤含鹽量屬Z型隸屬度函數，其隸屬度函數如公式（3）：

式中，a?1、a?2、a?3、a?4為隸屬度函數臨界值，根據已有研究確定各指標臨界值如表2所示。

表層土壤質地、土壤侵蝕程度、耕地排水條件3個指標為定性描述的非數值型指標，根據這3個指標對農業生產的影響程度與方式，參考該區域的相關研究結果對指標賦值，賦值標準如表3。

1.5.1.2指標權重確定。

各評價指標權重采用主成分分析的方法計算，通過計算各個公因子方差占公因子方差總和的百分數，將公因子方差轉換為0～1的數值，作為單項評價指標的權重值。在此基礎上，進行專家咨詢，最終得到各評價指標的權重值（表4）。

1.5.1.3評價模型。自然質量、生產質量評價采用加權求和模型，計算公式如下：

式中，NQ為評價單元的自然質量指數;OQ為評價單元的生產質量指數;W?i 為i指標權重;N?i為自然質量i指標的隸屬度值;O?i為生產質量i指標的隸屬度值。

1.5.2綠色質量評價。

重金屬污染程度評價運用綜合污染指數法。綜合污染指數法由土壤重金屬評價標準與元素背景值共同確定各污染元素對土壤環境的影響程度，由此計算評價區域內多種重金屬的綜合污染水平，能直觀地反映各個重金屬對污染的貢獻率[15]。土壤重金屬評價標準采用《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995）中確定的Ⅱ類土壤環境質量的二級標準，即為保障農業生產，維護人體健康的土壤限制值，因此該方法較適合對農業土壤環境質量的評價。評價模型如下：

（1）單因子評價。計算式為：

式中，P?i 為i 污染因子的單因子污染指數;C?i 為i 污染因子的實測值;S?i 為i 污染因子背景值。

（2）權重值計算。權重值根據污染因子的環境可容納量來確定，計算式為：

式中，K??i 為i 污染因子的環境可容納量，B?i為污染因子環境評價標準，S?i為i因子背景值。

（3）評價模型。綠色質量評價采用加權評價模式，其計算式為：

式中，GQ為評價單元的綠色質量指數;W?i 為i污染因子的權重值;P?i為i污染因子的單因子污染指數。

土壤重金屬元素背景值取江蘇省土壤元素背景值[16]，評價標準采用《土壤環境質量標準》（GB 15618-1995）中確定的Ⅱ類土壤環境質量的二級標準（表5）。

1.5.3綜合質量評價。

1.5.3.1綜合質量分值。

自然質量、生產質量與綠色質量是從3個不同的角度對耕地質量進行衡量，其內涵與所反映的內容完全不同，評價體系及評價方法也不同，對耕地質量的表現沒有交叉重疊，呈垂直關系，參考矢量求和模式，耕地綜合質量分值采用矢量模型計算得到。

矢量求和模型：

由矢量求和模型推出綜合質量分值計算模型：

式中，ZH?i為i單元綜合質量分值，NQ?i為i單元自然質量指數，OQ?i為i單元生產質量指數，GQ?i為i單元綠色質量指數。

1.5.3.2綜合質量指數與分級。

根據研究區標準耕作制度確定該區域標準作物為小麥、水稻，熟制為一年兩熟。查詢標準作物光溫生產潛力，并按照作物產量比系數折算為標準糧光溫生產潛力，求和即得區域總光溫生產潛力，然后以綜合質量分值修正總光溫生產潛力得到綜合耕地質量指數，并按指數分布情況進行分級。

式中，C?i為i單元綜合耕地質量指數，α?1、α?2分別為小麥、水稻光溫生產潛力，β?1、β?2分別為水稻、小麥產量比系數，ZH?i為i單元綜合質量分值。小麥、水稻光溫生產潛力、產量比系數采用全國《耕地質量分等規程》確定的相關參數（表6）。不同層次耕地質量分級標準如表7所示。

1.5.4空間自相關分析。

空間自相關分析是探索性空間數據分析（exploratoryspatial data analysis，ESDA）研究中的重要方法之一，反映一個區域單元上某種地理現象或某一屬性與鄰近區域單元上同一現象或屬性相關程度，是空間域內聚集程度的一種量度，包括全局空間自相關和局部空間自相關兩類。全局空間自相關是對某種地理現象或某屬性在整個區域的空間特征的描述，進而利用Morans I 指數判斷此現象或屬性值在空間上是否存在聚集特性。而局部空間自相關能夠測度一個局部小區域單元上的某種地理現象或某一屬性值的空間異質性，能夠推算出聚集地的空間位置和范圍，用局域指標能夠揭示各個區域單元空間自相關的程度。全局空間自相關計算公式：

局部空間自相關計算公式：

式中，n 為研究對象的數目;x?i 為第i 對象（村）觀測值;x?j 為第j對象觀測值; ?為x?i 的平均值;w?ij為研究對象i 與j 之間的空間連接矩陣，表示空間單元間潛在相互作用程度。空間連接矩陣一般表示為N 維的矩陣W（n×n），通過空間相鄰和空間距離來確定。

2結果與分析

2.1耕地質量綜合評價結果

根據上述方法，對研究區耕地自然質量、生產質量、綠色質量及綜合質量進行評價，評價結果如表8、圖2。

評價結果顯示，東海縣耕地自然質量、生產質量、綠色質量以中、高等級（1～4等級）耕地為主，綜合質量以中等級耕地為主，表明東海縣耕地自然條件及資源稟賦較好，在此基礎上人類活動對耕地的改善利用程度較高，耕地生態環境亦處于清潔健康水平，耕地質量整體較高。以面積加權平均得到不同層次耕地質量的平均級別，其中，自然質量平均級別為2.6級，生產質量平均級別為2.4級，綠色質量平均級別為2.3級，綜合質量平均為3.3級。

從空間分布來看，自然質量、生產質量中東部地區高于西部地區，絕大部分中、低等級（2～5等級）耕地分布于西部，東部地區主要為高等級（1等級）耕地，該空間分布特征與東海縣地形、地貌、土壤等農業種植條件相一致。而綠色質量空間分布與此正好相反，高等級耕地主要分布于中西部地區，低等級（5等級）耕地主要分布于東南部，中西部地區耕地質量健康無污染，東南部地區部分耕地受到一定程度的污染影響，其可能原因是由于連云港市區在東海縣東南方向，受到連云港市區工業、交通的污染影響，致使其東南部地區耕地質量存在一定的污染。綜合質量中東部地區整體優于西部地區，東海縣中東部地區是地勢平坦的優質農業區，土壤肥力狀況較好，同時該區域以及周邊地區較少分布污染企業，土壤環境狀況優良，因此中東部地區耕地綜合質量較好;西部地區是崗丘地區，地勢起伏不平，土質以砂土為主，農業種植產量較低，雖然該地區土壤環境質量狀況較好，但自然條件、利用水平較差，導致綜合耕地質量較低。

2.2耕地質量空間集聚性判定

由Morans I指數判定研究區耕地質量空間集聚程度，東海縣耕地自然質量、生產質量、綠色質量及綜合質量的Morans I指數分別為0.551 4、0.747 6、0.952 7、0.835 0，顯著性檢測P≤0.05。集聚性判定結果顯示各層次耕地質量的空間集聚性都較好，其中綠色質量的空間集聚程度最為顯著，而自然質量的空間集聚格局較為分散，這是因為東海縣自然條件復雜，自然質量在空間上的分異明顯，而該地區工業活動尚不發達，耕地環境水平較好，綠色質量整體較好，空間集聚明顯。

Moran散點圖4個象限反映觀測單元的空間相關性，可定量分析高值聚集區的觀測單元和低值聚集區的觀測單元。H-H（High-High空間關聯區）和L-L（Low-Low空間關聯區）象限的空間單元觀測值存在較強的空間正相關，單元具有均質性;H-L（High-Low空間關聯區）和L-H（Low-High空間關聯區）象限的空間單元觀測值存在較強的空間負相關，單元具有異質性。由圖3可知，耕地自然質量、生產質量、綠色質量、綜合質量位于H-H高值聚集區的單元分別占樣本總數的18.73%、27.09%、30.84%、21.90%，這是東海縣高質量耕地的數量分布情況;位于L-L低值聚集區的單元分別占樣本總數的12.97%、21.90%、21.04%、25.36%，這是東海縣低質量耕地的數量分布情況。

2.3耕地質量空間集聚格局

根據Moran散點圖，在5%顯著性水平下繪制LISA集聚圖，分析東海縣耕地質量的空間集聚格局（圖4）。從圖4可以看出，自然質量高等級耕地主要集聚于東南部地區及中部個別區域，高等級集聚區平均級別為1.4級;低等級耕地主要集聚于西部地區，低等級聚集區平均級別為4.1級，該空間集聚特征反映了東海縣農業種植的自然條件水平。生產質量高等級耕地主要集聚于東南部及北部地區，高等級聚集區平均級別為1.1級;低等級耕地主要集聚于西部地區，低等級聚集區平均級別為3.5級;該空間集聚特征反映了東海縣農業種植的生產能力狀況。

綠色質量空間集聚格局與自然質量、生產質量相反，高等級耕地地聚集區主要分布于西部地區，平均級別為2.0級;低等級耕地聚集區主要分布于東南部地區，平均級別為3.1級;該空間集聚特征反映了東海縣農業作物產出的質量狀況。綜合質量高等級耕地主要集聚于東南部地區，平均級別為1.9級;低等級耕地地主要集聚于西部地區，平均級別為4.6級;該空間集聚特征表明東海縣東南部地區農業種植的自然條件較好，生產能力較高，而作物產出質量相對安全的區域，是耕地保護與糧食生產的重點區域;西部地區雖然耕地環境水平較好，但自然條件差、糧食生產能力差，綜合來看該區域農業生產基礎較差，是未來耕地質量提升的重點區域，也是發展現代農業以改變傳統農業現狀的重點區域。

該研究結果從3個不同的角度綜合評價了區域耕地質量，并分析了耕地質量的空間集聚特征，反映了耕地本身所固有的氣候、土壤、地形等自然條件的資源稟賦水平，以及人類利用管理、生態環境對耕地的影響程度。自然質量可指導農業種植的區位選擇，生產質量可反映農業生產的產出效益，而綠色質量可反映農產品的質量優劣程度，綜合質量全面反映區域耕地的總體質量狀況，因此，綜合評價模型可為耕地質量的評價、管理及應用提供很好的科學手段。

3結論

通過界定綜合耕地質量的內涵，建立不同層次耕地質量的評價模型，評價區域耕地綜合質量，分析了耕地質量的空間集聚格局，得出以下結論：

（1）提出耕地質量的綜合評價模型。耕地質量具有綜合性、生產性、層次性，以光溫生產潛力為基礎，包括自然質量、生產質量、綠色質量3個方面的內容，反映了耕地本身所固有的氣候、土壤、地形等自然條件的資源稟賦水平，以及人類利用管理、生態環境對耕地的影響程度。

（2）建立綜合耕地質量評價模型。自然質量、生產質量與綠色質量是從3個不同的角度對耕地質量進行衡量，其內涵與所反映的內容完全不同，對耕地質量的表現沒有交叉重疊，呈垂直關系，參考矢量求和模式，以自然質量、生產質量、綠色質量為基礎建立綜合耕地質量評價模型。

（3）評價區域綜合耕地質量。評價研究區綜合耕地質量，結果顯示東海縣自然質量平均級別為2.6級，生產質量平均級別為2.4級，綠色質量平均級別為2.3級，綜合質量平均級別為3.3級;空間分布上，中東部地區自然質量、生產質量、綜合質量優于西部地區，綠色質量西部地區優于中東部地區。

（4）分析耕地質量空間集聚格局。綠色質量高等級耕地主要集聚于西部地區，低等級耕地主要集聚于東南部地區;自然質量、生產質量、綜合質量高等級耕地主要集聚于東南部地區，低等級耕地主要集聚于西部地區。

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