基于综合评价模型的区域耕地质量评价与空间集聚研究

陈逸飞 施晓辉 朱春成 王晓瑞

摘要从耕地质量的综合性、生产性、生态性出发，界定了耕地质量包括自然质量、生产质量、绿色质量3个层次的内涵，建立了耕地质量评价的综合模型。通过土壤样品采集与外业调查获取相关数据，应用综合评价模型评价区域耕地质量，并研究耕地质量的数量及空间分布规律。结果显示，研究区自然质量、生产质量、绿色质量、综合质量分别平均为2.6级、2.4级、2.3级、3.3级，较好地反映了区域自然条件水平、生产能力水平、作物质量水平;评价结果空间集聚特征明显，绿色质量高等级地主要集聚于西部地区，自然质量、生产质量、综合质量高等级耕地主要集聚于东南部地区，各层次的耕地质量可为区域耕地保护、粮食安全保障及农业可持续发展提供科学依据。

关键词耕地质量;空间集聚;综合评价模型;江苏省东海县

中图分类号F301.2文献标识码A

文章编号0517-6611（2020）15-0078-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.023

开放科学（资源服务）标识码（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

作者簡介陈逸飞（1999—），男，江苏盐城人，从事水利工程研究。

收稿日期2019-12-26

耕地是农业生产最基本的资源，是人们获取粮食及其他农产品不可替代的生产资料，安全、肥沃、协调的耕地是农业可持续发展的前提。随着我国社会经济的快速发展，人地矛盾日益突出，耕地数量、质量、生态问题日益严峻，给生态环境、食品安全及农业可持续带来了巨大的压力，切实保护耕地对提高耕地综合生产能力、保障粮食安全有重大意义，而耕地质量评价是耕地保护的基础[1-3]。

我国自20世纪50年代开始荒地资源的评价，以合理利用土地为目的的土地评价研究逐渐蓬勃发展起来，80年代国家土地管理局成立伊始开始了农用地分等定级工作[4-6]。近年来，随着土地管理、农业集约化水平的发展，耕地质量的研究成为土地评价的重点内容之一，国内外学者对耕地质量的内涵界定、评价方法、成果应用等多方面进行了深入的研究。如Eswaran等[7]分析指出土地质量的管理和监测将是未来的挑战，保持并提高土地质量是保证区域可持续发展的重要基础;陈朝等[8]研究认为耕地质量应包括本底质量、经济质量和生态质量;聂艳等[9]利用ArcGIS 和模糊物元贴近度聚类分析模型评价耕地质量;张广星等[10]、于东升等[11]研究了BIOM-NORM、NORM、EO耕地质量评价方法的科学合理性;Shao等[12]以农用地市场化为目的对耕地进行了分等定级研究。

土壤pH属抛物线型隶属度函数，其隶属度函数如公式（2）：

表层土壤含盐量属Z型隶属度函数，其隶属度函数如公式（3）：

式中，a 1、a 2、a 3、a 4为隶属度函数临界值，根据已有研究确定各指标临界值如表2所示。

表层土壤质地、土壤侵蚀程度、耕地排水条件3个指标为定性描述的非数值型指标，根据这3个指标对农业生产的影响程度与方式，参考该区域的相关研究結果对指标赋值，赋值标准如表3。

1.5.1.2指标权重确定。

各评价指标权重采用主成分分析的方法计算，通过计算各个公因子方差占公因子方差总和的百分数，将公因子方差转换为0～1的数值，作为单项评价指标的权重值。在此基础上，进行专家咨询，最终得到各评价指标的权重值（表4）。

1.5.1.3评价模型。自然质量、生产质量评价采用加权求和模型，计算公式如下：

式中，NQ为评价单元的自然质量指数;OQ为评价单元的生产质量指数;W i 为i指标权重;N i为自然质量i指标的隶属度值;O i为生产质量i指标的隶属度值。

1.5.2绿色质量评价。

重金属污染程度评价运用综合污染指数法。综合污染指数法由土壤重金属评价标准与元素背景值共同确定各污染元素对土壤环境的影响程度，由此计算评价区域内多种重金属的综合污染水平，能直观地反映各个重金属对污染的贡献率[15]。土壤重金属评价标准采用《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）中确定的Ⅱ类土壤环境质量的二级标准，即为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值，因此该方法较适合对农业土壤环境质量的评价。评价模型如下：

（1）单因子评价。计算式为：

式中，P i 为i 污染因子的单因子污染指数;C i 为i 污染因子的实测值;S i 为i 污染因子背景值。

（2）权重值计算。权重值根据污染因子的环境可容纳量来确定，计算式为：

式中，K  i 为i 污染因子的环境可容纳量，B i为污染因子环境评价标准，S i为i因子背景值。

（3）评价模型。绿色质量评价采用加权评价模式，其计算式为：

式中，GQ为评价单元的绿色质量指数;W i 为i污染因子的权重值;P i为i污染因子的单因子污染指数。

土壤重金属元素背景值取江苏省土壤元素背景值[16]，评价标准采用《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）中确定的Ⅱ类土壤环境质量的二级标准（表5）。

1.5.3综合质量评价。

1.5.3.1综合质量分值。

自然质量、生产质量与绿色质量是从3个不同的角度对耕地质量进行衡量，其内涵与所反映的内容完全不同，评价体系及评价方法也不同，对耕地质量的表现没有交叉重叠，呈垂直关系，参考矢量求和模式，耕地综合质量分值采用矢量模型计算得到。

矢量求和模型：

由矢量求和模型推出综合质量分值计算模型：

式中，ZH i为i单元综合质量分值，NQ i为i单元自然质量指数，OQ i为i单元生产质量指数，GQ i为i单元绿色质量指数。

1.5.3.2综合质量指数与分级。

根据研究区标准耕作制度确定该区域标准作物为小麦、水稻，熟制为一年两熟。查询标准作物光温生产潜力，并按照作物产量比系数折算为标准粮光温生产潜力，求和即得区域总光温生产潜力，然后以综合质量分值修正总光温生产潜力得到综合耕地质量指数，并按指数分布情况进行分级。

式中，C i为i单元综合耕地质量指数，α 1、α 2分别为小麦、水稻光温生产潜力，β 1、β 2分别为水稻、小麦产量比系数，ZH i为i单元综合质量分值。小麦、水稻光温生产潜力、产量比系数采用全国《耕地质量分等规程》确定的相关参数（表6）。不同层次耕地质量分级标准如表7所示。

1.5.4空间自相关分析。

空间自相关分析是探索性空间数据分析（exploratoryspatial data analysis，ESDA）研究中的重要方法之一，反映一个区域单元上某种地理现象或某一属性与邻近区域单元上同一现象或属性相关程度，是空间域内聚集程度的一种量度，包括全局空间自相关和局部空间自相关两类。全局空间自相关是对某种地理现象或某属性在整个区域的空间特征的描述，进而利用Morans I 指数判断此现象或属性值在空间上是否存在聚集特性。而局部空间自相关能够测度一个局部小区域单元上的某种地理现象或某一属性值的空间异质性，能够推算出聚集地的空间位置和范围，用局域指标能够揭示各个区域单元空间自相关的程度。全局空间自相关计算公式：

局部空间自相关计算公式：

式中，n 为研究对象的数目;x i 为第i 对象（村）观测值;x j 为第j对象观测值;  为x i 的平均值;w ij为研究对象i 与j 之间的空间连接矩阵，表示空间单元间潜在相互作用程度。空间连接矩阵一般表示为N 维的矩阵W（n×n），通过空间相邻和空间距离来确定。

2结果与分析

2.1耕地质量综合评价结果

根据上述方法，对研究区耕地自然质量、生产质量、绿色质量及综合质量进行评价，评价结果如表8、图2。

评价结果显示，东海县耕地自然质量、生产质量、绿色质量以中、高等级（1～4等级）耕地为主，综合质量以中等级耕地为主，表明东海县耕地自然条件及资源禀赋较好，在此基础上人类活动对耕地的改善利用程度较高，耕地生态环境亦处于清洁健康水平，耕地质量整体较高。以面积加权平均得到不同层次耕地质量的平均级别，其中，自然质量平均级别为2.6级，生产质量平均级别为2.4级，绿色质量平均级别为2.3级，综合质量平均为3.3级。

从空间分布来看，自然质量、生产质量中东部地区高于西部地区，绝大部分中、低等级（2～5等级）耕地分布于西部，东部地区主要为高等级（1等级）耕地，该空间分布特征与东海县地形、地貌、土壤等农业种植条件相一致。而绿色质量空间分布与此正好相反，高等级耕地主要分布于中西部地区，低等级（5等级）耕地主要分布于东南部，中西部地区耕地质量健康无污染，东南部地区部分耕地受到一定程度的污染影响，其可能原因是由于连云港市区在东海县东南方向，受到连云港市區工业、交通的污染影响，致使其东南部地区耕地质量存在一定的污染。综合质量中东部地区整体优于西部地区，东海县中东部地区是地势平坦的优质农业区，土壤肥力状况较好，同时该区域以及周边地区较少分布污染企业，土壤环境状况优良，因此中东部地区耕地综合质量较好;西部地区是岗丘地区，地势起伏不平，土质以砂土为主，农业种植产量较低，虽然该地区土壤环境质量状况较好，但自然条件、利用水平较差，导致综合耕地质量较低。

2.2耕地质量空间集聚性判定

由Morans I指数判定研究区耕地质量空间集聚程度，东海县耕地自然质量、生产质量、绿色质量及综合质量的Morans I指数分别为0.551 4、0.747 6、0.952 7、0.835 0，显著性检测P≤0.05。集聚性判定结果显示各层次耕地质量的空间集聚性都较好，其中绿色质量的空间集聚程度最为显著，而自然质量的空间集聚格局较为分散，这是因为东海县自然条件复杂，自然质量在空间上的分异明显，而该地区工业活动尚不发达，耕地环境水平较好，绿色质量整体较好，空间集聚明显。

Moran散点图4个象限反映观测单元的空间相关性，可定量分析高值聚集区的观测单元和低值聚集区的观测单元。H-H（High-High空间关联区）和L-L（Low-Low空间关联区）象限的空间单元观测值存在较强的空间正相关，单元具有均质性;H-L（High-Low空间关联区）和L-H（Low-High空间关联区）象限的空间单元观测值存在较强的空间负相关，单元具有异质性。由图3可知，耕地自然质量、生产质量、绿色质量、综合质量位于H-H高值聚集区的单元分别占样本总数的18.73%、27.09%、30.84%、21.90%，这是东海县高质量耕地的数量分布情况;位于L-L低值聚集区的单元分别占样本总数的12.97%、21.90%、21.04%、25.36%，这是东海县低质量耕地的数量分布情况。

2.3耕地质量空间集聚格局

根据Moran散点图，在5%显著性水平下绘制LISA集聚图，分析东海县耕地质量的空间集聚格局（图4）。从图4可以看出，自然质量高等级耕地主要集聚于东南部地区及中部个别区域，高等级集聚区平均级别为1.4级;低等级耕地主要集聚于西部地区，低等级聚集区平均级别为4.1级，该空间集聚特征反映了东海县农业种植的自然条件水平。生产质量高等级耕地主要集聚于东南部及北部地区，高等级聚集区平均级别为1.1级;低等级耕地主要集聚于西部地区，低等级聚集区平均级别为3.5级;该空间集聚特征反映了东海县农业种植的生产能力状况。

绿色质量空间集聚格局与自然质量、生产质量相反，高等级耕地地聚集区主要分布于西部地区，平均级别为2.0级;低等级耕地聚集区主要分布于东南部地区，平均级别为3.1级;该空间集聚特征反映了东海县农业作物产出的质量状况。综合质量高等级耕地主要集聚于东南部地区，平均级别为1.9级;低等级耕地地主要集聚于西部地区，平均级别为4.6级;该空间集聚特征表明东海县东南部地区农业种植的自然条件较好，生产能力较高，而作物产出质量相对安全的区域，是耕地保护与粮食生产的重点区域;西部地区虽然耕地环境水平较好，但自然条件差、粮食生产能力差，综合来看该区域农业生产基础较差，是未来耕地质量提升的重点区域，也是发展现代农业以改变传统农业现状的重点区域。

该研究结果从3个不同的角度综合评价了区域耕地质量，并分析了耕地质量的空间集聚特征，反映了耕地本身所固有的气候、土壤、地形等自然条件的资源禀赋水平，以及人类利用管理、生态环境对耕地的影响程度。自然质量可指导农业种植的区位选择，生产质量可反映农业生产的产出效益，而绿色质量可反映农产品的质量优劣程度，综合质量全面反映区域耕地的总体质量状况，因此，综合评价模型可为耕地质量的评价、管理及应用提供很好的科学手段。

3结论

通过界定综合耕地质量的内涵，建立不同层次耕地质量的评价模型，评价区域耕地综合质量，分析了耕地质量的空间集聚格局，得出以下结论：

（1）提出耕地质量的综合评价模型。耕地质量具有综合性、生产性、层次性，以光温生产潜力为基础，包括自然质量、生产质量、绿色质量3个方面的内容，反映了耕地本身所固有的气候、土壤、地形等自然条件的资源禀赋水平，以及人类利用管理、生态环境对耕地的影响程度。

（2）建立综合耕地质量评价模型。自然质量、生产质量与绿色质量是从3个不同的角度对耕地质量进行衡量，其内涵与所反映的内容完全不同，对耕地质量的表现没有交叉重叠，呈垂直关系，参考矢量求和模式，以自然质量、生产质量、绿色质量为基础建立综合耕地质量评价模型。

（3）评价区域综合耕地质量。评价研究区综合耕地质量，结果显示东海县自然质量平均级别为2.6级，生产质量平均级别为2.4级，绿色质量平均级别为2.3级，综合质量平均级别为3.3级;空间分布上，中东部地区自然质量、生产质量、综合质量优于西部地区，绿色质量西部地区优于中东部地区。

（4）分析耕地质量空间集聚格局。绿色质量高等级耕地主要集聚于西部地区，低等级耕地主要集聚于东南部地区;自然质量、生产质量、综合质量高等级耕地主要集聚于东南部地区，低等级耕地主要集聚于西部地区。

参考文献

[1]

PIERI C，DUMANSKI J，HAMBLIN A，et al.Land quality indicators[R].World Bank Discussion Papers， 1995： 315.

[2] 周生路，李如海，王黎明.江苏省农用地资源分等研究[M].南京：东南大学出版社，2004.

[3] 姜广辉，赵婷婷，段增强，等.北京山区耕地质量变化及未来趋势模拟[J].农业工程学报， 2010，26（10）： 304-311.

[4] 路婕，李玲，吴克宁，等.基于农用地分等和土壤环境质量评价的耕地综合质量评价[J].农业工程学报，2011，27（2）： 323-329.

[5] 郧文聚.农用地分等及其应用研究[D].北京：中国农业大学，2005.

[6] 高丽丽.土地质量地球化学评估与农用地分等整合方法及成果应用研究[D].北京：中国地质大学，2011.

[7] ESWARAN H，KIMBLE J.Land quality assessment and monitoring：The next challenge for soil science[J].Pedosphere，2003，13（1）：1-10.

[8] 陈朝，吕昌河.基于综合指数的湖北省耕地质量变化分析[J].自然资源学报，2010，25（12）：2018-2029.

[9] 聂艳，周勇，于婧，等.基于GIS和模糊物元貼近度聚类分析模型的耕地质量评价[J].土壤学报，2005，42（4）：551-558.

[10] 张广星，于东升，张忠启，等.BIO-NORM与EO耕地质量评价方法对比研究[J].地理科学，2011，31（8）：1012-1018.

[11] 于东升，张广星，张忠启，等.BIO-NORM与NORM耕地质量评价方法对比研究[J].土壤学报，2011，48（2）：238-245.

[12] SHAO J A，GE X F，WEI C F，et al.Classification and gradation of cultivated land quality in Bishan County of Chongqing， China[J].Chinese geographical science， 2007，17（1）：82-91.

[13] 夏家淇，蔡道基，夏增禄，等.土壤环境质量标准：GB 15618—1995[S].北京：中国标准出版社，1995.

[14] 吕贞龙，王小兵，仲晓春，等.基于地理信息系统的滨海盐土土壤肥力评价[J].系统工程理论与实践，2008（9）：166-171.

[15] 钟晓兰，周生路，赵其国.长江三角洲地区土壤重金属污染特征及潜在生态风险评价：以江苏太仓市为例[J].地理科学，2007，27（3）：395-400.

[16] 廖启林，刘聪，许艳，等.江苏省土壤元素地球化学基准值[J].中国地质，2011，38（5）：1363-1378.