何新莹(1998—),女,硕士研究生,研究方向为耕地资源评价与保护。E-mail:
耕地质量评价是掌握耕地质量现状、促进耕地资源可持续利用的基础。论文基于耕地“三位一体”保护的需要,综合考虑土壤质量、生态质量和管理质量,应用指标权重确定(Criteria Importance Though Intercriteria Correlation,简称CRITIC)法改进灰靶评价模型,提出了一种三重质量维度下的县域耕地质量评价新方法,并以赤壁市的耕地为例进行了实证。结果表明:有机质含量等17个指标能够较好地从土壤、生态、管理三个维度表征耕地多功能质量水平;赤壁市耕地质量处于中等偏上水平,靶心度γ的取值范围在0.66~0.85之间,耕地质量级别以二、三级为主,约占耕地总面积的80.49%;但耕地质量的区域空间差异较大;赤壁市耕地管理质量差异较小,土壤质量、生态质量对耕地综合质量的限制性较大,是制约耕地生产能力的主要质量维度;研究结果与现有的耕地质量等级评价结果基本一致,表明改进后的灰靶评价模型不仅赋权和评价过程更为客观,且利于测算耕地单维度质量,是对已有耕地质量评价方法的重要补充,旨在为新时代耕地多功能质量评价提供理论和方法借鉴。
Cultivated land is a special public resource and the most precious natural resource, which has a fundamental and guaranteeing role in national food security. As an important means to measure the internal basic conditions and external utilization level of cultivated land, cultivated land quality evaluation is the basis for grasping the status quo of cultivated land quality and promoting sustainable use of cultivated land resources.
Based on the needs of the "triad" protection of cultivated land, we applied the Criteria Importance Though Intercriteria Correlation(CRITIC) method to improve the gray target evaluation model. Also, we proposed a new method for the evaluation of county-level cultivated land quality based on the triple quality dimension including soil quality, ecological quality and management quality. The Chibi City was taken as the case study.
Results show that the organic matter content and 17 others indicators can characterize the multi-functional quality level of cultivated land under the triple quality dimensions of soil, ecology and management. The quality of cultivated land in Chibi City was at an upper-middle level, and the range of bullseye was 0.66~0.85. Furthermore, the regional spatial difference of cultivated land quality was large and the quality grade of cultivated land in Chibi City was mainly two and three, accounting for about 80.49% of the total cultivated land area. The cultivated land with a higher quality level was mainly distributed in the northwest and east of Chibi City while with a lower quality level was predominant in the central and northern urban areas and Shenshanzhen in the northeast. The difference in cultivated land management quality in Chibi City was small, soil quality and ecological quality were more restrictive to the comprehensive quality of cultivated land.
The evaluation results of this study were consistent with the existing cultivated land quality grade evaluation results. This indicate that the improved gray target evaluation model was not only more objective in the weighting and evaluation process, but also conducive to measuring the single-dimensional quality of cultivated land. The improved gray target evaluation model was an important supplement to the existing cultivated land quality evaluation methods. This research can provide theoretical and methodological references for the evaluation of cultivated land multi-functional quality, which is in line with the new perspective of cultivated land quality evaluation in the new era.
耕地资源是保障国家粮食安全、实现乡村振兴和开展生态文明建设的基础[
随着耕地质量和耕地保护的内涵不断丰富,各研究学者对耕地质量评价的认识也日益深化,耕地质量评价从最初的重视耕地生产能力评价逐步演变为生产、生态与健康的综合评价[
赤壁市位于湖北省东南部,地处29°28′— 29°55′N、113°32′—114°13′E之间,长江中游的南岸,为幕阜低山丘陵与江汉平原的交接地带。地势由南向北倾斜,自南向北依次为海拔500 m左右的低山群、海拔200 m左右的丘陵、海拔50 m左右的冲积平原。赤壁市属于亚热带海洋性季风气候,年平均气温16.9℃,降雨量1 251~1 608 mm,四季分明,严寒期短,无霜期长。自南向北有蟠河、陆水、汀泗河纵贯全境,与黄盖湖、柳山湖、西梁湖等大小湖泊相连,并注入长江,构成黄盖湖、陆水、西梁湖3大水系。境内分布有红壤土、潮土、石灰岩土、紫色土、水稻土5个土壤类型。赤壁市辖3个街道、10个镇,1个乡,2个场,全市土地面积为17.10× 104 hm2,耕地面积3.59×104 hm2,占总面积的20.99%,其中,水田3.13×104 hm2,旱地4320 hm2,水浇地234.1 hm2,水稻和玉米等粮食作物种植面积较小,油料作物、蔬菜等经济作物的种植面积较大。赤壁市耕地质量总体处于中高水平,部分低山丘陵区耕地质量较低。
研究采用的空间数据主要包括:(1)地形部位和坡度数据通过SRTM DEM(Shuttle Radar Topography Mission,Digital Elevation Model)数据分析及实地调查综合确定,SRTM DEM数据源自地理空间数据云,空间分辨率为90 m;(2)行政区划矢量数据来自赤壁市土地变更调查数据库。属性数据主要包括:(1)土层厚度、土壤质地、有机质、土壤pH等土壤质量数据及灌排条件、农田林网等管理质量数据来自2018年赤壁市耕地质量等级评价数据库及2020年赤壁市耕地资源质量分类数据库中的样点调查数据;(2)田块规整度、斑块联通度、耕作距离、道路通达度及耕地集中连片度数据根据赤壁市土地变更调查数据,结合相关方法计算确定;(3)生物多样性数据源自2020年赤壁市耕地资源质量分类中采集的样点检测数据。
耕地是由自然环境及社会生产等因素综合作用形成的,以农业生产为主,兼具生态和社会功能的特定土地利用类型[
耕地质量评价是借助反映耕地质量特性的指标,运用一定技术和程序来确定耕地质量水平的过程[
三重质量维度下耕地质量评价理论框架
Theory framework of cultivated land quality evaluation based on triple quality dimensions
根据耕地质量评价理论框架,基于综合性、主导性、区域性和实用性原则,结合当前耕地质量评价相关研究[
耕地质量评价指标体系
Cultivated land quality evaluation index system
质量维度 |
准则层 |
指标 |
土壤质量 |
土壤性状Soil properties | 土层厚度、土壤质地、有机质、pH、有效磷、速效钾 |
立地条件Site conditions | 地形部位、坡度 | |
生态质量 |
生物特性Biological characteristics | 生物多样性 |
景观功能Landscape function | 景观连通性、斑块集聚度 | |
管理质量 |
基础设施条件Infrastructure conditions | 灌溉条件、排水条件、农田林网、道路通达度 |
耕作便利程度Ease of farming | 耕作距离、田块规整度 |
CRITIC法是利用指标之间的对比强度和冲突性来综合衡量指标客观权重的方法[
CRITIC法的表达式为:
式中,
则第
灰靶理论是处理模式序列的灰色关联分析理论,其原理是根据各指标的极性确定标准模式,即靶心,将各模式与标准模式一同构成灰靶,并将待评模式与标准模式进行比较,以此识别待评模式接近靶心的程度,即靶心度,基于靶心度来进行模式识别、分级和优选,确定评估等级。传统灰靶模型的核心步骤是靶心度的计算[
式中,
根据传统灰靶模型,靶心度为相应模式中各评价指标对应靶心系数的均值,即各评价指标对应靶心系数的等权相加,并未考虑指标权重,方法本身存在不合理性,会直接导致评价结果准确度降低[
式中,(
赤壁市耕地质量评价的对象是行政区域范围内的所有耕地,依据赤壁市土地变更调查数据库,提取其中的耕地地类图斑作为评价单元,全市评价单元共计16 091个,总面积3.59×104 hm2。主要分布在赤壁市东北部的盆地和西北部的中低阶平原区,南部低山丘陵区耕地分布较少。
各评价指标的客观权重采用CRITIC法(式(1),式(2))计算,结果如
赤壁市耕地质量评价指标权重
Weight of cultivated land quality evaluation index in Chibi City
指标 |
权重 |
指标 |
权重 |
A1土层厚度Soil thickness | 0.0478 | A10景观连通性Landscape connectivity | 0.0454 |
A2土壤质地Soil texture | 0.0820 | A11斑块集聚度Plaque concentration | 0.0587 |
A3有机质Organic matter | 0.0665 | A12灌溉条件Irrigation conditions | 0.0533 |
A4 pH | 0.0608 | A13排水条件Drainage conditions | 0.0433 |
A5有效磷Available phosphorus | 0.0642 | A14农田林网Farmland forest net | 0.0310 |
A6速效钾Available potassium | 0.1210 | A15道路通达度Road accessibility | 0.0578 |
A7地形部位Terrain parts | 0.0584 | A16耕作距离Tillage distance | 0.0545 |
A8坡度Slope | 0.0580 | A17田块规整度Field regularity | 0.0364 |
A9生物多样Biodiversity | 0.0609 | - | - |
(1)构建标准模式
(2)进行灰靶变换。令
……
则有:
同理,对待评模式
(3)确定灰关联差异信息。空间令差异信息集Δ={Δ0
同理,可求得待评模式
(4)计算靶心系数。靶心系数
(5)计算靶心度。将得到的靶心系数和各指标相应的权重值代入式(4),计算每个待评模式的综合靶心度,得到:γ(
根据灰靶模型分析结果,赤壁市耕地质量的靶心度γ的取值范围在0.66~0.85之间,按照等分取整原则进行级别划分,最终将赤壁市耕地质量情况分为5个级别,各级别耕地的面积和所占比例如
赤壁市耕地质量评价结果
Evaluation results of cultivated land quality in Chibi City
等级 |
靶心度 |
面积 |
占比 |
一级Level Ⅰ | > 0.79 | 1624.62 | 4.43 |
二级LevelⅡ | 0.76~0.79 | 16850.65 | 45.96 |
三级Level Ⅲ | 0.73~0.76 | 12624.07 | 34.43 |
四级Level Ⅳ | 0.70~0.73 | 5084.87 | 13.87 |
五级Level Ⅴ | < 0.70 | 481.33 | 1.31 |
耕地质量等级(a)、土壤质量等级(b)、生态质量等级(c)、管理质量等级(d)分布图
Spatial distribution maps of cultivated land quality level(a), Soil quality level(b), Ecological quality level(c), Management quality level(d)
根据
从空间分布(
耕地质量级别一般的三级地分布较广泛,在各镇均有零散分布。从各质量维度的级别分布来看,这些区域的土壤质量和生态质量水平一般,以三、四级地为主,而管理质量以二级地为主,与耕地质量级别较高的一、二级地差距较小。
耕地质量等级较低的四级地和五级地主要分布于中部和北部城区及西北部的神山镇。这些地区的管理质量水平较高,以二、三级地为主,西北部的神山镇有少量四、五级地分布。但土壤质量和生态质量的级别低,以四、五级地为主,尤其是赤壁市中部和北部城区,受人类活动影响较大,土壤养分含量较低,例如北部的赤马港办事处,区域内平均有机质含量为18.86 g·kg–1,平均有效磷含量仅为15.44 mg·kg–1,为各镇最低水平,根据本区域内的一处生物多样性采样点的检测结果,该点的chao值、ace值、shannon值、simpson值分别为2 519、2 423、5.67、0.019,与其他各点的平均值6 043、6 405、6.83、0.004差距极大,且该点的土壤pH为5.78,酸性较强,土壤质地主要为砂壤、重壤和黏土,较差的土壤质量和生态质量直接影响其耕地综合质量。
通过以上分析可以看出,赤壁市耕地质量状况总体较好,其管理质量整体差异不大,土壤质量和生态质量对整个区域的耕地综合质量限制较大,是制约赤壁市耕地质量提高的主要质量维度。
为衡量评价结果的准确性,将本研究的评价结果与2018年赤壁市耕地质量等级评价结果进行定性和定量对比。其中,定量对比采用Z-score模型对比对数据进行标准化,以解决各结果由于选取指标和计算方法的不同而无法直接进行定量比较的问题,将两组标准化数值做减后取绝对值,即能够定量表示两组数据之间的差距,然后利用自然断点法将差值划分为大差距、中差距和小差距三个区间,形成评价结果差距对比图,如
2018年耕地质量等级分布图(a)、评价结果差距对比图(b)
Spatial distribution of cultivated land quality grade(a), Comparison of gaps in evaluation results(b)
依据《耕地质量等级》及农业农村部耕地质量监测保护中心《关于印发 < 全国耕地质量等级评价指标体系 > 的通知》的规定,赤壁市属于长江中下游区中的江南丘陵山地农林区,共选取清洁程度、生物多样性、障碍因素、有效土层厚度、质地构型、农田林网、地形部位、容重、pH、耕层质地、排水能力、灌溉能力、速效钾、有效磷、有机质共15项评价指标,结合赤壁市实际,采用特尔菲法和隶属度函数相结合的方法对指标进行无量纲化处理,并赋予相应分数和数值;采用层次分析法确定指标权重;采用累加法和综合指数法计算评价单元的耕地质量综合指数;根据长江中下游区制定的等级划分标准,划定赤壁市耕地质量等级。
依据耕地质量等级评价成果,赤壁市耕地质量共划分为九个等级(
根据定量对比结果(
(1)赤壁市耕地质量总体处于中等偏上水平,二级地和三级地数量较多,占总耕地面积的80.49%。级别较高的耕地主要分布在赤壁市西北部和东部地区,级别较低的耕地主要分布在中部和北部城区及东北部的神山镇,耕地质量的区域空间差异较大。耕地管理质量在全市范围内差异较小,土壤质量和生态质量是制约耕地质量提高的主要质量维度。(2)针对耕地系统的复杂性,利用基于GRITIC法改进的灰靶模型进行耕地质量评价,评价结果能够客观反映耕地质量水平;同时该方法便于测算单维度的耕地质量,反映耕地质量不同层次的需求,具有灵活性和实用性,能够更好的为限制性质量维度的识别和耕地质量提升对策的制定提供依据。(3)研究中的土壤生物多样性指标主要根据三调耕地资源质量分类的样点检测数据获取,样点数目较少,导致部分区域的生物多样性数据不够精确,一定程度上会影响耕地质量评价结果。此外,由于涉及的指标较多,数据源较多,指标之间存在着年份不同的问题,这是下一步研究中需要重点加强的方面,以提高评价结果的现势性和客观性。
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