基于GIS的县域耕地自然质量等空间分异规律研究*——以云南省石林县为例

刘淑霞，张 川，张耿杰，廖丽君，曾维军，余建新

(1.云南农业大学水利学院，昆明 650201； 2.云南农业大学国土资源科学技术工程研究中心，昆明 650201；3.国土资源部“土地利用——云南陆良野外基地”，云南昆明 650201； 4.云南省土地资源利用与保护工程实验室，昆明 650201)

·农业区划·

基于GIS的县域耕地自然质量等空间分异规律研究*
——以云南省石林县为例

刘淑霞1， 2， 3,4，张 川2，4，张耿杰1，2,3，廖丽君1，2,3，曾维军1，2,4，余建新1，3，4※

(1.云南农业大学水利学院，昆明 650201； 2.云南农业大学国土资源科学技术工程研究中心，昆明 650201；3.国土资源部“土地利用——云南陆良野外基地”，云南昆明 650201； 4.云南省土地资源利用与保护工程实验室，昆明 650201)

目的通过研究耕地自然质量及空间分异规律，以期对耕地资源的合理利用与保护进行指导。方法文章以喀斯特岩溶区域典型县石林县为例，在分等数据库与二调数据库衔接基础上，采用GIS空间分析法、数理统计法，对表征耕地自然质量的因子自然质量等的空间分异规律进行探讨。结果(1)不同行政区域内自然质量等集中程度差异显著，分异规律明显； 各行政区域内分布规律高度相似，以中心城镇为最优，呈同心圆向外围辐射发散趋劣。平均自然质量等由优趋劣依次为长湖、鹿阜、圭山、西街口、大可。(2)不同耕地利用类型自然质量等分布差异不大； 各耕地利用类型等别集中差异显著：水田、水浇地等别较高，多集中连片分布在坝区、河谷沿岸，旱地等别较低，多为零星分散的缓坡耕地。平均自然质量等水浇地略优于水田，旱地最差。(3)受大尺度光温、气候生产潜力指数影响，自然质量等在不同海拔梯度间耕地等别分布差异不大，且等别集中程度高度相似。从整体看，耕地等别随海拔梯度升高呈现降低趋势，部分区域小幅反弹。结论耕地自然质量作为耕地的本底质量，在县域尺度具有独特的分异规律。

自然质量等 空间分异 空间行政区域 耕地利用类型 海拔梯度

0 引言

农用地分等是在全国范围内，按照标准耕作制度，在一定的光温、气候资源条件和土地条件下，根据规定的方法程序进行农用地(重点是耕地)质量综合评定和等别划分[1]。成果反映了耕地的自然质量、利用水平和经济水平。自然质量等是其中的重要评价结果之一，描述的是在当地光温、气候控制下的耕地田间条件，包括土壤、地形、排水和灌溉等构成的耕地质量状况，即耕地满足作物生长需要的程度[2]。

1 研究区域概况

石林县地处滇东高原南部，昆明市东南部，地理坐标东经103°10′～103°41′，北纬24°30′～25°03′之间，属滇中高原腹心地带。其东北部与曲靖市的陆良县接壤，西部和北部与宜良县相连，东部和南部与红河州的泸西、弥勒两县毗邻，为云南省粮食主产区。石林县为典型的喀斯特岩溶地貌，境内地势东北高西南低，山地、丘陵、坝区、河谷交错分布，山地69%，丘陵15.2%，坝区14.7%，河谷1.1%。从整体地貌而言，东部为山丘，中部为山丘-坝子过渡带，西北为河流水系冲积形成的坝子。石林县属低纬高原山地季风气候，年平均气温16.3℃，年平均降雨量939.5mm。境内红壤发育广泛。

截止2013年底，石林县下辖1街道3镇1乡，分布有汉、彝、白等26个民族，人口合计24.16万。全县幅员面积1680km2，耕地面积5.812 773万hm2，占县域土地总面积的34.6%。各类耕地中，水田7767.56hm2，水浇地583.92hm2，旱地4.977 625万hm2，是典型以坡旱地为主要耕地类型的山区县[9]。

2 材料与研究方法

2.1 基础数据处理

为保证分等成果的现势性，该文综合采用GIS空间分析法对数据进行分析处理，以ArcGIS10为构建平台，将分等数据库与第二次土地利用调查数据库进行衔接：(1)实现耕地地类转换； (2)对因比例尺改变导致数量增加的图斑进行相关属性赋值； (3)对因工程项目实施引发耕地质量发生突变的图斑进行自然质量等重新评定。为体现等别间的梯度性，该文以县级自然质量等别开展研究。[10， 11]

2.2 自然质量等计算方法

石林县自然质量等采用综合指数法计算，即在标准耕作制度控制下，从指定作物光温、气候潜力出发，经产量比系数折算成可比的标准粮[12]。在参评因素指标、分值获取及权重确定的基础上，计算各耕地图斑的自然质量分，利用自然质量等指数计算模型计算各耕地图斑的自然质量等指数，在此基础上划分和确定耕地自然质量等。石林县耕地自然质量等别划分采用等间距法，根据各耕地图斑的自然质量等指数值，以200分为一个等别间距进行划分，自然质量等别结果取整数值。

2.3 平均自然质量等计算方法

分析不同尺度下平均自然质量等，其计算采用面积加权平均法[13]，即在统计出各等别总面积前提下，进行研究区域内各等别面积加权：

(1)

式中，Yi为研究第i个研究子区域平均自然质量等；j为耕地自然质量等；Sj为j等耕地面积；Si为第i个研究子区域耕地总面积。

3 自然质量等分异规律研究

3.1 成果整理与分析

石林县耕地自然质量等介于5～17等之间，耕地自然质量随等别增大趋好，各地类及等别面积详见表1。结合图1可以看出，石林县耕地自然质量等呈现典型的偏态分布，耕地自然质量普遍较低，大部分耕地处于10等以下，其中， 78.28%的耕地集中在7～10等。11等及以上的高等别耕地仅占区域耕地总面积的20.57%。

表1 石林县耕地自然质量等面积统计

自然质量等5等6等7等8等9等10等11等12等13等14等15等16等17等小计面积(hm2)530841367530538821627441708168373755199954395592321343754974458795851365812773

图1 耕地自然质量等-面积对应关系

图2 石林县耕地自然质量等分布

从自然质量等分布图上看， 5等、6等、7等地零散分布在东部、西南部的山区、半山区，多为零星分散的坡旱地，田面坡度均在10°以上， 15°以上的陡坡旱地比重高达71%，且地表多有岩石出露； 有效土层薄，表层土质多为轻质沙土，部分为砂砾石，土壤有机质含量低； 灌排设施基本没有配套，靠天吃饭。受地形、土壤、水分等条件限制，耕作制度多为一年一熟，粮食产量低。

8等、9等、10等地为县域分布最广泛的耕地，多集中连片，其中， 6°～15°的缓坡旱地所占比例为65.83%，部分地表有岩石出露； 有效土层较薄，表层土质多为粘土、壤土，有机质含量相对较低； 部分配套有灌排设施，但因水源保证率低，不能进行适时适量灌溉。种植制度虽为一年两熟，但粮食产量极不稳定。

11～15等地集中在县域的西部、中部山区与平坝区的过渡带上，多为6°以下的梯地，有少量水田、水浇地存在。该类耕地有效土层较厚，表层土质以粘土、壤土为主，土壤有机质含量较高； 灌排设施配套相对完善。耕作制度为一年两熟，粮食产量相对较高。

16等、17等地集中在西部及北部河流冲积形成的坝子区域，呈条带状分布，石林县优质水田、水浇地均集中在该区域。耕地田面坡度均在2°以下，地表基本无岩石出露； 耕层土壤厚，有机质含量高，土壤通透性强； 水源保证率高，灌排设施配套完善。该类耕地利用上基本无限制性因素，为石林县境内高产、稳产农田[14]。

3.2 空间行政区域分异规律研究

石林县下辖鹿阜、长湖、圭山、大可及西街口5个行政区划，耕地自然质量在行政区域分异规律复杂。

从耕地等别分布来看， 11等以上的耕地集中分布在鹿阜、大可，所占比例高达89.2%； 6等以下的耕地集中分布在圭山，比例高达98%，行政区间耕地等别集中程度不同。从各行政区内部来看， 5个乡镇中，圭山最高等为17等，最低等为5等，等间差距高达12等； 长湖最高等为14等，最低等为8等，等间差距仅为6等，同一行政区域内耕地等别集中程度差异显著。耕地等别在行政区域内呈现相似的分布规律，自然质量等高的耕地集中分布在建制镇、村庄周边，河流沿岸及主要公路沿线，多集中连片分布，自然质量等低的耕地多零星分散，田块面积小，远离建制镇及村庄，耕地自然质量以中心城镇为最优，呈同心圆向外围辐射发散趋劣。

各行政区平均自然质量等由优趋劣为：长湖11.8，鹿阜10.6，圭山10.3，西街口9.4，大可8.6。分析其原因，长湖境内耕地数量较少，仅比西街口镇、大可乡略高，且最低等为8等，最高等为14等，等别分布集中，平均加权后等别最高。鹿阜虽然有大量17等地存在，但7等、8等地所占比重大，导致平均自然质量等低于长湖。大可13等、14等、15等地缺失，且7等、8等地所占比重大，导致平均等别全县最低。

3.3 耕地利用类型分异规律研究

石林县耕地以旱地为主，水田、水浇地相对较少。从土地利用现状图上看，水田集中分布在西部的鹿阜、板桥、路美邑坝子，以及北部河流两岸[15]，水浇地主要分布在中部平坝-山地过渡带及西部山地、丘陵区，旱地则集中于中、低山丘陵区。耕地利用类型呈明显地带性分布。

从不同利用类型耕地等别分布来看，水田介于5～17等(14空缺)，等别差距为12等； 水浇地介于7～17等(10、11、15空缺)，等别差距为10等； 旱地介于5～17等，等别差距为12等，不同利用类型的耕地等别差距仅为2等。但从各利用类型内部来看，等别集中程度差异较大：水田等别集中在8等， 16等， 17等，所占比例分别为27.65%， 25.69%， 36.58%； 水浇地等别集中在8等， 14等， 17等，所占比例分别为14.52%， 22.27%， 29.44%； 旱地等别集中在8等， 9等，所占比例分别为38.96%， 22.27%， 33.64%。

各类型耕地平均自然质量等：水田13.5，水浇地13.8，旱地9.5，为水浇地最好，水田次之，旱地最差。分析其原因，与水田相比，水浇地在全县范围内数量少，且集中分布在鹿阜、西街口，受区位条件及城镇发展定位等综合因素影响，配套的灌排设施完善，水源保证率高，且农民精耕细作，垦殖及熟化程度高，导致水浇地质量略高于水田。旱地多为坡梯地，蓄水保肥能力差，加之灌排设施缺乏，主要依靠天然降雨，水分渗漏严重，得不到有效灌溉，因此平均等别最低。

3.4 海拔梯度分异规律研究

地形因素往往通过影响农作物生长所需光、温、土等自然因素的再分配以及耕地的利用条件，间接影响耕地的生产能力。通过提取土地利用现状调查数据库中的高程，石林县耕地海拔介于1500～2180m之间，按照每升高100m温度降低0.6℃，以100m为梯度进行划分，其中， 1500～1600m之间仅有两个分等单元，面积小计为17.66hm2，将其合并为1600～1700m梯度间，共划分为6个梯度。由表2可知，石林县耕地海拔集中在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ梯度，耕地合计为71.7%， Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ梯度耕地数量分布较少。

表2 耕地海拔梯度分级及面积统计

梯度代码ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ海拔范围(m)≤17001700～18001800～19001900～20002000～2100>2100耕地面积(hm2)696180133477810662371766761588274360543

结合图4从不同海拔梯度耕地等别分布来看， Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ梯度介于5～17等，等别差距为12等， Ⅲ、Ⅳ梯度介于7～17等，等别差距为10等。不同海拔梯度内的耕地等别差距不大，仅为2等。从各海拔梯度等别集中程度看，各梯度等别基本一致，呈现先增后降的趋势，整体集中在8～10等，所占比例均在58.84%以上，最高为83.74%，但在15等之后存在小幅反弹。因计算自然质量等指数全县每种指定作物采用一个光温、气候生产潜力指数，由光温、气候条件差异导致耕地自然质量的差异相对较小。

各梯度耕地平均自然质量等： Ⅰ级梯度11.3， Ⅱ级梯度9.7， Ⅲ级梯度9.6， Ⅳ级梯度10.7， Ⅴ级梯度10.2， Ⅵ级梯度9.3，整体为Ⅰ级梯度优于Ⅳ级梯度，优于Ⅴ级梯度，优于Ⅱ级梯度，优于Ⅲ级梯度，优于Ⅵ级梯度，平均自然质量随海拔梯度增大而趋劣，但在Ⅳ、Ⅴ梯度有一定反弹。分析其原因，两区域位于县域北部及东部，南盘江部分、支流普拉河均位于该区，河流沿岸土壤肥沃，光热条件充足，耕地自然质量较优，圭山水库、三角水库为内嵌坝子提供良好的灌溉水源，因此平均自然质量等较高。

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)石林县耕地自然质量等普遍偏低，且呈典型偏态分布。其中， 10等以上的中、高等别耕地空间集聚性较强，多分布在河流冲击形成的坝区及山区与坝区的过渡带，以水田居多。10等以下的低等耕地空间集聚性弱，多为坡旱地，耕地利用的障碍因子类型多样，集中表现为有效土层薄、地表岩石出露度大及灌溉设施缺乏[16]。

(2)从行政区域、耕地利用类型、海拔梯度3个尺度分析石林县耕地自然质量分异规律，研究结果表明：不同行政区域自然质量等别集中程度不同，同一行政区域内等别间距差高达6等，集中程度差异显著。耕地自然质量等在各行政区域内分布规律高度相似，以中心城镇为最优，呈同心圆向外围辐射发散趋劣； 不同耕地利用类型自然质量等分布差异不大，各耕地利用类型内部等别集中差异显著，水田、水浇地等别较高，多集中连片分布在坝区、河谷沿岸，旱地等别较低，多为零星分散的坡耕地。受区位条件及城镇发展定位等综合因素影响，导致水浇地等自然质量等略优于水田，区域特殊的自然条件导致旱地自然质量最差，其可挖掘利用潜力大； 不同海拔梯度间耕地自然质量等别分布差异不大，且等别集中程度高度相似。从整体看，耕地自然质量等随海拔梯度升高显现降低趋势，部分区域小幅回升，受大尺度光温、气候生产潜力指数影响，由光温、气候条件差异导致耕地自然质量的差异相对较小，分异规律不显著。

4.2 讨论

(1)该文以ArcGIS为平台，基于分等数据库与二调数据库衔接完成，同时，为体现县域耕地质量的梯度性、差异性，区别于目前研究广泛采用的国家等别，选取县级自然质量等别为依据进行分析，为县域尺度开展耕地质量空间分布规律研究提供理论依据与方法支持。

(2)耕地自然质量作为耕地的本底质量，是开展耕地动态监测与更新[17]、耕地质量限制性因素消除[18]、分区开展土地整治的基础，将成为今后研究耕地质量的热点问题，后期将以此为基础针对上述问题进行深入探讨。

[1] GB/T 28407-2012，农用地质量分等规程.北京：中国标准出版社， 2012

[2] 中华人民共和国国土资源部. 农用地分等规程.北京：中国标准出版社， 2003

[3] 王洪波， 程锋，张中帆，等.中国耕地等别分异特性及其对耕地保护的影响.农业工程学报， 2011, 27(11): 1～8

[4] 孔祥斌， 张青璞.中国西部区耕地等别空间分布特征.农业工程学报， 2012, 28(22): 1～7

[5] 岳云红， 冉清红，贾祥飞，等.基于产量引导法的西部省区耕地质量构成及空间分异.西南师范大学学报(自然科学版)， 2013, 38(7): 140～146

[6] 刘语旺， 王波.云南省农用地利用等区域分布规律研究.资源与产业， 2008, 10(5): 83～87

[7] 刘露， 周生路，田兴，等.不同比例尺下耕地质量分等结果的差异及影响因素研究.自然资源学报， 2016, 31(4): 629～638

[8] 余建新， 刘淑霞，郑宏刚，等.云南省耕地利用评价与空间分布.北京：中国大地出版社， 2015

[9] 石林彝族自治县史志办公室. 石林年鉴2013.昆明：云南民族出版社， 2013

[10]廖丽君， 魏巍，刘淑霞，等.陆良县农用地分等数据库与二调数据库整合方法研究.中国土地科学， 2014, 28(6): 85～87

[11]吴怡璇， 吕芳.基于GIS运用对旅顺口区农用地分等定级研究.中国农业资源与区划， 2015, 36(4): 128～133

[12]高中贵， 彭补拙.我国农用地分等定级研究综述.经济地理， 2004, 24(4): 515～517

[13]刘淑霞. 云南省澜沧江流域耕地利用空间分布规律研究.昆明：云南农业大学， 2009

[14]吕慧敏， 吴克宁，周勇，等.基于农业地分等的耕地质量主导限制型演研究.中国农业资源与区划， 2015, 36(7): 11～18

[15]童绍玉， 陈永森.云南坝子研究.昆明：云南大学出版社， 2007

[16]Yanyan LU，Zisheng YANG.Analysis of land Use Characteristics in Mountainous Areas in Yunnan Province Based on Second National land Survey.Agricultural Science & Technology， 2014, 15(9): 1438～1440

[17]付国珍， 摆万奇.耕地质量评价研究进展及发展趋势.资源科学， 2015, 37(2): 230～233

[18]童陆亿， 胡守庚，杨剩富，等.土地整治区耕地质量重估方法研究.中国土地科学, 2015，(2)： 65～66

RESEARCHONTHESPATIALVARIATIONLAWOFCULTIVATEDLANDNATURALQUALITYGRADEINCOUNTYUSINGGISTECHNOLOGY*

LiuShuxia1， 2， 3,4,ZhangChuan1，2,4，ZhangGengjie1，2,3，LiaoLijun1，2,3，ZengWeijun1，2,4，YuJianxin1，3，4※

(1.College of Water Conservancy,Yunnan Agricultural University ,Kunming 650201，China； 2.Engineering Research Center of Science and Technology of Land and Resources, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201,China; 3.Field Scientific Observation & Research Bases for Land Use in Yunnan Luliang of Ministry of Land and Resources, Kunming, Yunnan 650201, China; 4.Yunnan Engineering Laboratory for Utilization and Protection ofLand Resources, Kunming 650201, China)

The research on natural quality and distribution characteristics of cultivated land could help people use and protect that resource reasonably. This paper took Shilin county as an example, where located in a typical karst region, discussed the distribution characteristics of natural quality grade by applying GIS spatial analysis and statistical tools based on the combination of classification database and second survey database. The results showed that the concentration ratios of natural quality grade were different in disparate administration regions, and the distribution characteristics were obviously distinct. It was better in the central town and worse in the outer circle as radiation divergence. The order of average natural quality grade from better to worse was Changhu, Luhu, Guishan, Xi-jiekou and Dake. Natural quality grade of paddy and irrigation land distributed in intermountain basin and valley area was high, which was lower in slope area. The grade of irrigation land was the best, but that of dry land was totally opposite. The distribution differences of natural quality grade in distinct elevations were not obvious due to the same temperature and climatic potential productivity in large scale. Overall, the natural quality grade became lower along with the rise of elevation, but there were still some exception in some small regions. It concluded that as the background quality of cultivated land, the natural quality of cultivated land had a unique differentiation law at county scale.

natural quality grade; spatial variation; spatial administrative region; cultivated land utilization type; elevation gradient

F323.211; F321.1

A

1005-9121[2017]07115-06

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170718

2016-05-23

刘淑霞(1983—)，女，山东滨州人，硕士、讲师。研究方向：土地利用评价。

※通讯作者：余建新(1958—)，男，云南普洱人，教授。研究方向：土地整治与评价。Email：ynndgtzx@163.com

*

十二五国家科技支撑计划课题“西南睦边扶贫区基本农田建设技术研究与示范”(2015BAD06B04)