基于生态位理论的东北黑土区高标准农田建设标准研究

徐小千， 裴久渤， 李双异， 汪景宽

(沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳 110866)

高标准农田建设对于提升区域粮食保障能力、推进农业现代化具有重要意义，是新时期保障我国粮食安全和经济社会发展的重要战略举措[1-2]。自十七大提出“生态文明”以来，我国高度重视生态文明建设，因此高标准农田建设也应从生态角度出发，努力建成生态友好型的高标准农田。但目前高标准农田建设成后可持续利用性不强，其根本原因是制定的标准不够具体，缺乏生态性和可操作性[3]。因此，基于生态理论，明确高标准农田建设的内涵，确定适合不同类型区的高标准农田建设差异性标准，对耕地保护有重要的、针对性的指导意义。

高标准农田建设是我国保护农田的有效手段之一[4]。目前，学者对于高标准农田建设的探究多从布局[5]、时序[6]、模式[7]和适宜性[8]等方面进行，但在如何科学制定高标准农田建设标准尤其是具有生态意义的标准方面还有待深入探索。生态位理论是生态学重要理论之一，生态位的概念最早是Grinnell在1917年提出的[9]，1957年Hutchinson首次将生态位赋予了数学抽象概念，提出了n维超体积生态位的概念[10]。李自珍等对已有生态位内涵综合分析后提出了一个新概念——生态位适宜度，它表征物种对其生境条件的适宜性[11]。近年来，随着对生态位理论研究的不断深入，该理论越来越多地应用于土地方面的研究，已有的研究中有运用生态位理论提出“耕地生态位”的内涵，并以数量生态位和效益生态位为切入点，构建了效益生态位驱动力测度模型[12]，还有应用生态位适宜度模型构建了土地利用单元生态位适宜度评价体系[13]和元胞自动机生态位适宜度评价模型[14]，对低丘缓坡土地进行建设适宜性评价。在高标准农田建设标准研究中，虽然我国已有这方面的全国性标准[15-16]，但这些标准大多是对行政区建立统一标准，缺乏针对不同类型区域高标准农田建设的差异化标准，也很少将生态理念融入其中。尽管农业部出台的标准区分了不同类型区，但仍缺乏对特定区域(如东北黑土区)不同类型区的全面考虑。而对于高标准农田建设标准的研究，多以高标准农田建设质量评价的结果进行分级来确定标准[17-18]，对标准的生态学内涵关注不足。

东北黑土区是世界上仅有的三大片最适宜耕作的黑土地带之一，是我国粮食主产区之一，近年来由于黑土质量下降而广泛受到国内外众多学者的关注。在该区域制定具有生态意义的不同类型区高标准农田建设标准既有助于科学规范开展土地生态整治活动[19]，又利于完善高标准农田建设标准体系，实现“高标准”在区域特征上的差异化[20]。基于此，本研究以东北黑土区典型县为研究区，利用生态位适宜度模型对高标准农田建设适宜性进行评价，划分适宜性等级，并以此确定该区域不同类型区高标准农田建设标准，为定量确定高标准农田建设差异性标准提供参考。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

东北黑土区位于我国东北边疆，包括黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古东四盟市(呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市和赤峰市)在内的49个地级市(盟、自治州和管理局)，432个县(县级市、区、旗和农场)[21]。耕地面积3 583.67万hm2，占全区土地面积的28.70%(图1)。

该区域属温带季风气候，年平均温度-7～11 ℃。地貌类型复杂多样，其中包括平原、漫岗台地、丘陵和山地，由于地形地貌变化的多样导致了土壤类型丰富(主要以黑土、黑钙土、草甸土、暗棕壤土为主)、腐殖质含量高、土壤肥沃。但东北黑土区水资源总量不足，空间分布不均衡。根据东北黑土区概况，影响东北黑土区高标准农田建设区域划分的因素多且情况复杂，因此本研究在遵循区间差异性和区内相似性原则的基础上，全面分析东北黑土区地形地貌、温度、土壤类型、农业区划、农田设施等资料，并参考国家高标准农田建设标准区域划分的类型，将东北黑土区划为5个类型区：平原低地类型区、漫岗台地类型区、风蚀沙化类型区、低山丘陵类型区和山地类型区。其中山地类型区耕地面积分布很少，因此，本研究主要对其余4个类型区(10个典型县)建立高标准农田建设标准，其中平原低地类型区选择宝清县和辽中区；漫岗台地类型区选择嫩江县、海伦市、双城市、公主岭市和昌图县；风蚀沙化类型区选择科尔沁左翼中旗、低山丘陵类型区选择阜新蒙古族自治县和依兰县(图1)。

1.2 数据来源

综合考虑区域数据的可获性及评价的精度，本研究选取耕地图斑作为评价单元。数据来源于各县实地采样、调研、第2次土地调查数据库，东北黑土区耕地质量评价数据库，30 m数字高程图(DEM)，耕地地力评价资料，第2次土壤普查资料，地貌图、行政区划图等。

2 研究方法及模型

2.1 高标准农田建设的生态学内涵

从生态学视角分析，高标准农田是人工生态系统，它作为承载人类活动的自然-经济-社会复合载体，可以认定为是一个具有生命周期的、开放的有机体；不同的高标准农田利用类型可认为是不同的种群；同一行政区内的所有高标准农田可以认定为是一个由不同土地利用类型田块组成的群落；高标准农田土地利用方式的自然演变、人为改变与生态学中的进化和突变现象相类似。高标准农田与其周围自然环境、经济环境和人文环境共同构成了一个复杂的复合生态系统，主要表现为：高标准农田生态系统由高标准农田及其周围环境构成，包括区位、劳动者、基础设施条件以及其他资源等，类似于自然生态系统执行的物质、信息和能量交换功能。因此，可以应用生态学理论与方法对高标准农田进行深入研究。

2.2 高标准农田建设标准的生态位适宜度理论

高标准农田建设与环境中的生物行为可作类比分析，即高标准农田建设的标准类似于生物寻找到最适宜自身生存的空间位置[22]。依据《高标准农田建设标准(NY/T 2148—2012)》，高标准农田应达到土地平整、集中连片、耕作层深厚、土壤肥沃、田间灌排设施完善、优质高效、安全环保等标准。因此高标准农田建设需要达到一定条件，其中包括自然禀赋、设施条件、生态可持续性和空间稳定性等，这些条件共同形成了多维生态空间，也可以说是生态因子空间，其中高标准农田建设达到最理想状态时各种评价因子的状态构成的生态位空间，称为最优生态位空间；而区域农田的现实状态构成的生态位空间，称为现实生态位空间。现实生态位与最优生态位之间存在的耦合关系，反映了现实资源条件下对高标准农田建设的适宜程度，即生态位适宜度[23]。因此，本研究定义最优生态位为影响高标准农田建设的各生态因子能达到的最理想的状态，而最适生态位为高标准农田建设在现实条件下可以达到的最优等级的各指标值的集合。本研究将满足最适生态位的各指标的下限值确定为高标准农田建设应达到的标准。当评价区域的现实资源完全满足高标准农田建设条件时，生态位适宜度为1；反之，不能满足高标准农田建设所需的条件时，生态位适宜度为0。影响高标准农田建设的各评价因子可以分为3类(表1)。

表1高标准农田建设指标分类

注：Zk：高标准农田建设中各评价因子的生态位适宜度；Xk：评价因子k的现实生态位；Dk，min：评价因子k的生态位的最小值；Dk，ide：评价因子k的理想生态位；Dk，max：评价因子k的生态位的最大值。

Shelford耐性限制定律认为：生物的生存与繁殖与其能够忍受外界极端条件的能力密不可分，如果任何一项生态因子的数量或质量发生变化，直至接近或达到生物体的耐性限制时，则该物种将衰退或不能生存[24]。高标准农田建设对资源的需求是一个由多类型资源构成的多维度空间，任何一个高标准农田建设的因子在数量或质量的超出或不足时，都会导致高标准农田建设的失败。即运用Shelford耐性限制定律将高标准农田的n维资源空间的生态位适宜度用公式(1)表达：

式中：N为高标准农田建设所需的n维资源的生态位适宜度；Zk为高标准农田建设中各评价因子k(k∈[1，n])的生态位适宜度；n为高标准农田建设所需的资源维度数。

不同研究区域的评价指标对高标准农田建设的影响程度不同导致不同研究区域评价指标的生态位理想值有所不同。此外，生态位理想值的确定除了考虑高标准农田建设所需达到的条件外，还应考虑研究区域资源的现实水平。因此，本研究运用Z-score处理方法对极端值和错误值进行处理。当数据服从正态分布时，认为数据分布在正负3个标准差之间的数据为正常数据，Z值>3或者<-3的数据就认为是极端数据或者错误数据，暂不考虑。最终，对于正向指标，理想值为除去极端数据的最大值；对于适度指标，选择去除极端数据后其指标值适度区间内的平均值为理想值；对于负向指标，理想值为除去极端数据后的最小值。

2.3 指标的选取及处理

本研究从高标准农田内涵及特点出发，结合东北黑土区自然、经济和社会现状，遵循科学性、代表性和可操作性等原则，从自然条件、基础设施条件、生态可持续性和空间稳定性4个维度选取了14个评价指标(表2)，这4个维度与国家要求的高标准农田建设须达到质量良好、设施配套、可持续利用和布局稳定的特征相匹配。

评价指标主要分为连续型和离散型2类，其中连续型指标有数值，可通过指标涵义及公式计算得出(表3)，而离散型指标没有具体数值，需要进行分级赋值处理(表4)。

表2东北黑土区高标准农田建设标准指标体系

3 结果与分析

将10个县处理后的各项评价指标值代入生态位适宜度公式中，计算出各个评价单元的生态位适宜度，采用Geometrical Interval方法进行分级，该方法专门用于处理连续数据，在突出显示中间值变化和极值变化之间达成了一种平衡。这是Equal Interval、Jenks、Quantile和Geometrical Interval 4种方法中最是适合处理连续数据的方法，既具有客观性又能使生成的等级之间拥有的值的数量大致相同，且间隔之间的变化保持一致。运用该方法分别将10个县的生态位适宜度指数划分为5个等级(表5)。

根据生态位适宜度理论(“2.2”节)，生态位适宜度指数越高说明该地块越适宜建设高标准农田，因此，本研究将处于第1等级的耕地确定为高标准农田，即生态位适宜度指数大于第1等级中最小值的耕地即为高标准农田，也就是各项评价指标指数均达到这一最小值即可满足高标准农田建设的要求。由表5可见， 宝清县农田生态位适宜度指数第1等级是0.64～0.75，即宝清县田块生态位适宜度指数达到0.64即为高标准农田，所以本研究将各项评价指标指数达到0.64的对应指标值的下限值定义为宝清县高标准农田建设标准。同理得出其余9个县的高标准农田建设标准。最终根据东北黑土区不同类型区的10个典型县高标准农田建设标准，结合农业部颁布的《高标准农田建设标准(NY/T 2148—2012)》和专家的意见，确定东北黑土区4个不同类型区的高标准农田建设标准(表6)。

表3东北黑土区高标准农田建设连续型指标涵义及数据处理

注：“*”根据王慧敏的研究[25]，参考东北黑土区道路实际情况，本研究规定东北黑土区的田间道路影响半径为600 m。

表4东北黑土区高标准农田建设离散型指标涵义及分值

一是自然条件：田面坡度是不易改变的自然性状之一，选取该指标是为高标准农田建设选址提供借鉴和指导作用。平原低地和风蚀沙化类型区坡度建议<3°，漫岗台地坡度建议<3.5°，低山丘陵坡度建议<5°。土壤质地除风蚀沙化类型区标准为壤土外，其余均为黏壤土或壤土；有效土层厚度除了低山丘陵>50 cm，其余类型区均要求>60 cm；耕层厚度对平原低地类型区要求严格，须>25 cm，其余类型区达到20 cm即可； 土壤有机质含量标准中给出的是范围， 但通过分析10个典型县的土壤有机质含量从南向北依次为辽中区 20.17 g/kg、阜新蒙古族自治县13.35 g/kg、昌图县 16.27 g/kg、科尔沁左翼中旗16.83 g/kg、公主岭市 22.35 g/kg、双城市19.86 g/kg、依兰县27.90 g/kg、宝清县42.40 g/kg、海伦市48.81 g/kg和嫩江县46.05 g/kg。可以看出，土壤有机质含量从南向北大致呈现出逐渐增加的趋势。所以在建设高标准农田时除风蚀沙化类型区为统一标准，其余类型区黑龙江省土壤有机质含量应适当提高标准，建议>30 g/kg；吉林省>22 g/kg；辽宁省平原低地>20 g/kg，漫岗台地和低山丘陵>16 g/kg；内蒙古自治区偏北部>20 g/kg，其余地区>15 g/kg。

表5不同类型区生态位适宜度指数分级

表6东北黑土区不同类型区高标准农田建设标准

二是基础设施条件：灌排条件由于风蚀沙化类型区自身的降水量不足，所以制定标准时除了风蚀沙化类型区的灌溉条件为充分满足外，其余类型区的灌排条件均为基本满足即可。东北黑土区各类型区的道路通达度标准均建议>0.6。

三是生态可持续性：不同作物对土壤pH值的要求不同，因此土壤pH值的标准也是一个范围值，除了风蚀沙化类型区为6.5～8外，其余类型区均为6.0～7.5。无论哪个类型区只要土壤污染就不适宜开展高标准农田建设。农田防护林在保障农田稳产、高产等方面发挥重要作用。平原低地类型区的农田防护林覆盖率建议在3%～6%之间，漫岗台地类型区和低山丘陵类型区建议在4%～5%之间，风蚀沙化类型区建议在6%～8%之间。

四是空间稳定性：距主交通干线距离越近的田块，在空间上越不稳定。各个类型区距主交通干线距离的标准建议小于1 km。田块越规整，机械作业过程中重耕和漏耕的面积就会越小，有利于提高耕作质量，减少机械损耗。平原低地类型区PD值建议在1.00～1.06之间，漫岗台地类型区和低山丘陵类型区建议在1.00～1.10之间，风蚀沙化类型区建议在 1.00～1.05之间。耕地越集中连片，空间稳定性越好，机械耕作程度越高。平原低地类型区和风蚀沙化类型区耕地连片度建议>350 hm2，漫岗台地类型区耕地连片度建议>250 hm2，低山丘陵类型区耕地连片度建议>200 hm2。

4 讨论与结论

高标准农田建设标准是开展高标准农田建设的重要前提。本研究在赋予了高标准农田建设生态内涵的基础上，将生态位理论应用到高标准农田建设标准研究中，确定了东北黑土区平原低地类型区、漫岗台地类型区、低山丘陵类型区和风蚀沙化类型区4个类型区高标准农田建设标准，以期为东北黑土区高标准农田建设提供科学依据。

本研究在确定标准的思路上不同于以往基于耕地质量评价构建的标准，本研究是在计算高标准农田现实生态位空间与最优生态位空间贴近程度(生态位适宜度)的基础上进行分级，将满足最适生态位(第1等级)的各指标的下限值确定为高标准农田建设标准。与传统制定标准的研究方法相比，基于生态位理论确定的标准具有2个明显的优点：一是运用最适生态位解释高标准农田建设标准生态意义明确，丰富了标准制定的理论与方法，为构建科学、规范、高效、生态的高标准农田建设标准提供新思路；二是测算出的各评价因子的Zk能够反映高标准农田的现实生态位条件对其可达到的最优建设的适宜程度，便于探索影响高标准农田建设的限制性因素，为区域高标准农田建设制定针对性的方案和措施。

从研究的过程和结果看，考虑东北黑土区低山丘陵面积广、耕地资源丰富，所以本研究制定的标准比国家标准多了低山丘陵类型区，且制定的标准有弹性、详细，更适合东北黑土区高标准农田建设，具有现实的可操作性和完善性。如土壤有机质含量，从研究结果中可以看出其有从南向北呈现出逐渐增加的趋势。所以在建设高标准农田时除风蚀沙化类型区为统一标准外，其余类型区黑龙江省应适当提高标准，建议大于30 g/kg；吉林省其次，大于22 g/kg；辽宁省平原低地建议大于20 g/kg，漫岗台地和低山丘陵大于16 g/kg；内蒙古自治区偏北部建议大于20 g/kg，其余地区大于15 g/kg。从pH值来看，不同作物对土壤pH值的要求不同导致了高标准农田建设标准的pH值范围较大，东北黑土区作物类型复杂多样，pH值范围适当扩大利于标准的实施。

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