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基于粮食生产能力的重庆市耕地质量评价研究

袁天凤  
【摘要】: 当前农用土地评价强调土地生产力水平和土地持续利用的评价,并向综合化、定量化、精确化、多元化、信息化方向发展。中国的粮食安全倍受国内外社会关注,耕地质量评价成为确保国家粮食安全的一项重要基础工作。中国正处在土地资源由数量管护向数量质量并重管护的转变时期。可持续土地管理,如耕地总量动态平衡、基本农田保护、耕地粮食生产能力的核算等,迫切需要对农用地,尤其是耕地进行等级划分,并形成以计算机技术为主要手段的、多层次、全覆盖、跨区域横向可比的评价体系。农用地分等应用了作物生产潜力模型,是一种土地生产力水平的评价方法,以作物生产力原理、生产要素理论、地租理论为理论基础,通过对光温和气候潜力指数的逐级衰减,计算获得自然质量等指数、利用等指数、经济等指数。本文吸收了专家关于农用地分等的思想和研究成果,针对简单套用农用地分等算法导致各层次等指数可比性差等问题,以重庆市为实证,提出了分模块控制的方法、独立产量数据和统一标准产量核算的检验方法,以实现跨区域和跨耕作制度间等指数的可比性目标。以2003年末更新调查的重庆市39个县域的耕地为评价对象,选用自然质量等和利用等指数模型,在GIS技术支持下,通过参数的确定和基础数据的模型运算、评价成果的宏观和微观检验、等级产能确定,建立了重庆市耕地质量评价体系。在此基础上进行了基于县域耕地质量的分类和分区和耕地质量分布与自然、经济要素的关系分析,揭示了重庆市耕地质量的空间分布规律。从自然资源与经济发展的关系出发,尝试引入空间自相关分析方法,并与常用的相关分析方法相结合,定量揭示重庆市耕地质量与经济发展的空间耦合关系。研究得出如下结果: 1重庆市耕地质量评价模型构建 在分等区划后获取了光温/气候潜力指数。以地貌形态为主,将重庆市划分为4个2级指标区;通过主要作物的生态适宜性和区域环境指标,将重庆市划分为2个标准耕作制度区,确定重庆市指定作物为中稻、玉米、甘薯、冬小麦、油菜,基准作物为中稻;以县域为单位调查了不同海拔指定作物的播种期—收获期等,提交国土资源部农用地分等办公室初步计算,经实地校核和验证,获得39个县域的光温/气候潜力指数。 将最大自然质量等指数模型R_(imax)=∑α_(tj)·β_j析出,作为分模块控制的关键,进行了理论和实证分析以及算法改进。①β系数的产量比算法具有条件性,条件是作物生态条件相似、生育期基本相同;国家提供的重庆市光温潜力指数与实际存在一定偏差;不同2熟标准耕作制度间作物生育期重叠长短存在差异,导致最大自然质量等指数在指标区之间和区内水田和旱地之间出现较大偏差。②将模型改进为R_(imax)=∑α_(tj)·β_j·γ_j。基于β系数的本质是理论标准粮产量折算系数,将其从产量比算法调整为能量比算法;基于气候相同光温潜力指数和相当原理,引入光温潜力协调系数γ,采用产潜比法和参照系法获取,用于调整不同标准耕作制度间光温潜力指数和的偏差。③通过改进的算法获得重庆市5种作物中稻、冬小麦、玉米、甘薯、油菜的β系数为1.00、0.99、1.04、0.23、1.66,γ系数为1.00、1.11、0.90、0.86、1.05;用改进的算法与《农用地分等规程》算法分别计算4个2级指标区最大自然质量等指数,对比分析表明,改进的算法优于规程算法,有效实现了4个2级指标区水田和旱地最大自然质量等指数的可比,有机整合了各作物光温潜力对不同区域农用地质量的贡献,验证了方法的合理性。 提取评价单元并获取单元属性数据,确定了自然质量分和利用系数模型的相关参数,建立了自然质量等和利用等指数模型。①在MapGIS环境下采用县域1:50,000—1:100,000土地利用现状图(2003年末)和坡度图叠加划分耕地评价单元,全市共划分142319个单元,耕地总面积2347627.48 hm~2;单元属性数据中,地貌因子采用县域1:50,000—1:100,000数字高程图和坡度图提取,土壤等因子采用第二次土壤普查数据和补充调查数据。②基于5个试点县样点耕作制度、作物产量、投入状况等调查,确定了2级指标区自然质量分8个地貌和土壤等参评因素,分3-6级不等,采用0-100分闭区间赋值,各因素权重不同;经综合协调,确定了全市统一的自然质量分因素—分级—分值表,保留了2级指标区间因素权重的差异性,提高了2级指标区间自然质量分的可比性。③根据村样点产量数据,确定了2级指标区指定作物最高单产,分村进行了利用系数计算。将自然质量分对最大自然质量等指数进行衰减,获得自然质量等指数模型;将利用系数对自然质量等指数进行衰减,获得利用等指数模型。采用100分等间距法将自然质量等和利用等指数划分为12个等级。对县域评价成果图进行制图综合,建立了重庆市1:500,000耕地质量评价成果图和不同尺度单元数据的空间对应关系。 2重庆市耕地质量评价结果的宏观检验 耕地质量评价结果的初步分析表明,全市自然质量等和利用等2种等级面积分布均以7等地比重最大,基本是向12等和1等地依次递减;同等级最大偏差为2.16个百分点(12等),利用等5-8等地比重较自然质量等有所增加,1-4等优等地比重有所减少,9-12等劣等地比重减少略大。说明全市2种等级近于正态分布,总体偏差不大。 2004-2005年县域粮食播面单产—平均等级检验模型分析表明,①自然质量等和利用等线性相关系数分别为-0.83和-0.87,达极显著相关水平。②25个县域的利用等、14个县域的自然质量等具有更大的合理性,确定了优选等(14个县域为自然质量等、25个为利用等),播面单产—优选等线性相关系数提高到-0.92。③提出引入修正系数,对14个以自然质量等为优选等的县域的评价单元利用等指数修正的方法。研究表明,从县域层次宏观检验,重庆市自然质量等和利用等具有合理性和区域横向可比性;利用等合理性高于自然质量等,优选等高于利用等。 3重庆市耕地等级粮食生产能力的确定 典型县耕地质量评价结果分析与比较表明,大足和梁平地势起伏较小,以中优等地为主,缺劣12等地;彭水属光照低值区,地势起伏较大,1等地缺失,8等地比重最大;巫溪属光照高值区,地势起伏最大,具完整的12个等级,自然质量等以11-12等地为主,利用等以9等地为主。县域内不同地貌部位土壤类型不同,耕地质量具有不同的等级特征。 典型县样点全年粮食产量—利用等指数关系模型分析表明,①调查共获得836个有效单元的作物产量,分布于不同的耕地类型和等级,具代表性,精度较高。②水田1地全年粮食产量为11625kg/hm~2左右;水田最低等级为8等,全年粮食产量为6750kg/hm~2左右。③旱地最高等地大足和梁平为3等,全年粮食产量为10275 kg/hm~2左右,巫溪为2等,彭水为4等,分别略高于、低于大足和梁平3等地水平;最低等级12等全年粮食产量为3825kg/hm~2左右。 典型县样点全年粮食产量-利用等指数关系模型分析表明,①重庆市粮食产量与利用等指数呈极显著的线性正相关关系,4个典型县和全市,水田和旱地之间同等级产能差值低于相邻等间差,等级具有可比性,从单元微观层面检验了耕地质量评价成果的可靠性和跨区域和耕作制度的横向可比性。②重庆市等级粮食产能参数确定为:1等地和12等地的粮食产能为11699kg/hm~2、4006kg/hm~2,等级间平均粮食产能离差为699kg/hm~2;最大等级折算系数为2.92;12等地产能系数为0.34,产能系数相邻等间差平均为0.06。全市平均产能系数为0.682,单产能力为7974 kg/hm~2。 4重庆市基于县域耕地质量的分类与分区 以县域自然质量等、利用等、优选等为依据,采用聚类分析方法,将重庆市39个县域分为3类。以优选等为例,第1类县域(质量高)11个,1-6等地面积占较大比重;第2类县域(质量中)16个,2-9等地面积占较大比重;第3类县域(质量低)12个,6-11等地面积占较大比重。 以县域优选等为依据,空间自相关分析表明,县域耕地质量存在显著的空间自相关性,即耕地质量相似的县域在空间上具有显著的集聚特征。耕地质量局部正相关的县域占87%。强势HH型县域21个、弱势LL型县域13个、过渡的HL型和LH型县域仅5个。HH型、HL型和LH型县域与聚类分类的1-2类县域具有较大的对应关系。 以优选等为依据,将重庆市县域归为5个耕地质量区:渝西优质耕地区、都市中优质耕地区、渝中南中质耕地区、渝东南低质耕地区、渝东北低质耕地区,表现出1-4等优质耕地面积比重依次降低、9-12等劣质耕地面积比重依次增加的趋向。重庆市耕地质量呈现自西向东,再向东南和东北降低,耕地质量相似的县域在空间上显著集聚的分布特征。 5重庆市耕地质量分布与自然要素的关系分析 气候、地貌和土壤对耕地质量的影响主要采用要素图与光温/气候潜力指数分布、耕地质量分布图、耕地质量分区分类图叠加对比分析,耕地质量与景观要素的关系采用相关分析。 气候对耕地质量分布的影响分析表明,①重庆市光照以渝东北最高,渝东南最低;光温/气候潜力指数以渝东北最高,以渝东南最低,说明光照对光温/气候潜力指数影响显著。②县级站点年平均气温对光温潜力指数的空间分布偏差总体影响不大。③降水等通过水分影响函数影响气候潜力指数,重庆市渝西西部降水偏低,其次是渝东北东部,水份影响函数以渝西西部较低,其次是渝东北东部;渝东南南部降水最高,水份影响函数亦最高,但区域差异不大。 地貌和土壤对耕地质量分布的影响分析表明,长江谷地及其以北,东到万州,地势起伏和坡度较小、以紫色土和水稻土为主,1-4等优质耕地出现较大频率,集中了1-2类县域和HH、HL、LH型县域;此线以东以南,地势起伏和坡度增大,以石灰土、黄壤和黄棕壤为主,1-4等优质耕地出现频率大减,集中了3类县域和LL型县域。重庆市地貌和土壤存在空间耦合性,对耕地质量的空间分布产生决定性影响。 耕地质量与耕地数量和结构的相关分析表明,县域耕地质量与垦殖系数呈对数正相关,决定系数R~2=0.6252;与灌溉水田比重呈线性正相关,R~2=0.7431;与旱地比重呈线性负相关,R~2=0.8463,表明耕地质量与垦殖系数、灌溉水田比重、旱地比重等景观结构要素存在显著到极显著的耦合关系,耕地质量与耕地质量与结构具有内在的空间耦合关系。 6重庆市耕地质量与经济发展的空间耦合关系分析 研究选用县域优选等和2004-2005年县域粮食播面单产、单位耕地面积农业产值、农民人均纯收入、人均GDP等经济指标进行自相关和相关分析。 采用Moran’s I指数自相关分析表明,重庆市县域耕地质量和经济指标均存在显著的全局空间自相关关系,特征相似的县域在空间上显著集聚;耕地质量和经济发展的局部自相关存在极大的一致性,耕地质量为HH型的21个县域中,4项经济指标90%以上的HH型县域分布其中;耕地质量为LL型的13个县域中,3项经济指标也为13个LL型县域。1项指标为12个LL型县域。表明耕地质量与经济发展具有极大的空间耦合关系。 耕地质量与经济指标的分区相关分析表明,重庆市非都市区县域耕地质量与经济发展存在显著或较显著的正相关关系,都市区县域相关性较低。全市和非都市区县域耕地质量与经济发展4项指标、都市区县域耕地质量与经济发展3项指标相关系数高于最小相关系数,仅都市区农民人均纯收入未通过检验。区域相关性从大到小依次为非都市区、全市、都市区。从全市和非都市区看,指标相关性从大到小依次为:粮食播面单产、农民人均纯收入、人均GDP、单位耕地面积农业产值。说明重庆市耕地质量与经济发展存在空间耦合关系,尤其是非都市区。


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