基于限制因素的东北林区县域耕地质量提升潜力分区：以吉林省图们市为例

卢心瑜，李淑杰，孙德惠，李鑫蕊

1.吉林大学 地球科学学院，长春 130061；2.四平市自然资源局，吉林 四平 136000

0 引言

城镇化建设中耕地资源的占优补劣行为是促使中国耕地质量结构变化、促使整体耕地资源质量下降的主要原因之一，近年来国家陆续出台了《关于加强耕地保护和改进占补平衡的意见》等指导性的纲领文件以及城市周边永久基本农田划定等相关切实举措。中国《质量兴农战略2018—2022》在东北地区推行的大规模耕地质量建设活动，要将耕地质量提升一个等级。针对东北粮食主产区的典型县级单位进行耕地质量提升问题，明确其限制性因素是首要环节。

在相关研究领域，王兆林等[1]从田块禀赋、设施配套和投入产出水平等方面识别出影响中国南方低山丘陵区高标准农田建设的限制性因素，明确了区域耕地质量提升的主要建设内容；宋戈等[2]以大石桥市为例，基于可改良限制因子分析不同尺度耕地质量等别提升理论潜力和实际潜力空间分布特征，为加强耕地保护和提升耕地质量提供依据。以上研究采用了潜力提升模型与GIS空间分析等方法，为明确耕地质量提升的限制性因素提供了理论依据。但东北粮食主产区，针对典型县域范围内的耕地质量提升限制性因素主导类型及其限制程度仍缺乏定量研究[3]，耕地质量的提升目标与质量建设时序仍不明确，因此开展基于限制因素的东北林区县域耕地质量提升潜力分区研究十分必要。

林区县域单位的耕地资源对于当地农业发展更为宝贵，在当前生态文明体制改革的前提下，平衡经济发展-农业生产-生态保护三者关系十分重要[4]。因此，在东北林区，推行耕地质量提升、避免农业发展侵占生态空间势在必行。图们作为一个东北粮食主产区典型的林区县级单位，必须先明确其限制性因素，明确限制程度，才能有针对性、有目的性的因地制宜调控耕地质量，保障整体土地资源与土地系统的平衡。

笔者从耕地限制因素入手，以吉林省延边州图们市为研究区，基于耕地质量等别更新与监测数据库，参考新的自然等潜力计算模型，确定耕地主导限制类型及主导限制程度，在此基础上划分耕地质量提升区域，计算各质量提升区提升潜力并提出针对性的建议，为图们市耕地质量提升和建设提供参考依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

图们市位于吉林省东部，长白山脉东麓，图们江下游，处于129°31′57″～130°12′16″E， 42°46′44″～43°12′19″N之间，东与珲春市接壤，东南与朝鲜隔图们江相望，西南与龙井市相接，西与延吉市为邻，北与汪清县相连。地处长白山余脉低山丘陵区，属中温带半湿润季风气候区，具有明显的温带大陆性季风气候，河流水系发达。图们市隶属于吉林省延边朝鲜族自治州，人民政府驻图们市区，下辖4个镇和3个街道，50个行政村，20个社区，1个省级开发区(图1)。

图1 图们市位置示意图Fig.1 Location of Tumen City

对图们市土地利用数据进行统计，得到各地类数量以及空间分布情况(表1，图2)。

图2 图们市土地利用现状图Fig.2 Present land use map of Tumen City

表1 2017年图们市土地利用现状面积统计表Table 1 Statistics of current land use area of Tumen City in 2017

图们市土地利用现状类型整体表现为林地为主，耕地次之，其他用地偏少的格局。其中林地分布最广，面积为88 718.15 hm2，占土地总面积的78.38%，主要分布在东北部地区；耕地面积为10 614.88 hm2，占土地总面积的9.38%，主要分布在图们市的西部、南部和中部，其中西部和中部

地区分布的耕地较多，约占耕地总量的80%；草地5 072.59 hm2，占土地总面积的4.48%，主要分布在西部、中部和南部，其中西部地区草地分布最为集中；城镇及村庄密集分布在中部地区，且主要沿铁路、公路分布，少量城镇及村庄分布在南部和西部地区，位置紧邻耕地分布。

虽然图们市土地利用类型多样，但耕地所占比例较小，耕地后备资源缺乏，耕地数量潜力有限，图们市农业生产对耕地的数量和质量需求较大，因此进一步提升耕地质量十分重要。

1.2 数据来源

本文涉及的研究数据主要有耕地数量、质量数据以及相关的统计数据[5]。其中耕地数量数据来自于图们市2017年度土地变更调查数据库，耕地质量数据则来自于图们市的耕地质量等别年度更新评价数据库和耕地质量年度监测评价数据库，相关统计数据来自于图们市统计年鉴、相关部门官方网站以及政府工作报告。

根据本文实际需要对所得到的数据再进行整理筛选和计算，确保研究能顺利进行。

2 研究方法

2.1 选取指标

根据《农用地分等规程》(GB/T28407—2012)(以下简称“规程”)，在全国标准耕作制度分区中，图们市一级区为东北区，二级区为三江平原长白山地区，分等指定作物为玉米、水稻和大豆，复种类型为一年一熟。按照《规程》的具体要求，结合吉林省实际情况和邻省分等的实践经验，吉林省农用地分等因素确定为9个指标，结合图们市实际情况，减少盐渍化程度、排水条件2个指标，最终选取有效土层厚度、土壤有机质含量、表层土壤质地、地形坡度、障碍层距地表深度、土壤pH值和剖面构型7大指标作为耕地质量限制因素指标[6]。

2.2 指标权重

图们市耕地分等因素权重采用特尔菲法和层次分析法，符合地方实际，本文基于研究的稳定性以及科学性，沿用《规程》分等因素权重作为耕地质量限制因素指标权重值(表2)。

表2 图们市耕地质量限制因素指标权重表Table 2 Index weight table of limiting factors of cultivated land quality in Tumen City

2.3 确定限制类型

中国耕地质量限制类型的筛选是通过参考国内外已有的耕地质量限制类型的具体指标，基于气候、水文、土壤和地形地貌的限制因素范围内，最终筛选出14种限制类型，并分别与限制因素指标相对应[7]。就本文研究区图们市而言，确定限制类型时，应结合本文选取的7大指标，通过限制因素指标和耕地质量限制类型相对应的关系(表3)，最终确定图们市存在土层限制、有机质限制、质地限制、坡度限制、障碍层次限制、酸碱值限制和剖面构型限制共7种限制类型[8]。

表3 图们市耕地质量限制类型与限制因素指标对应表Table 3 Correspondence table of types and factors of cultivated land quality restriction in Tumen City

2.4 计算限制谱序

限制谱序是指将各个限制类型按其限制性的大小进行排序。限制谱序是利用改进的自然等提等潜力指数模型确定的，该模式分别计算各耕地图斑的自然等指数实际分值和自然等指数最大值，将其作差，并求出两者差值与自然等指数最大值的百分比，即为该项指标的自然等提等潜力指数[9]。具体计算公式为：

(1)

(2)

(3)

式中:Qik为第i个耕地图斑内第k个因素指标的自然等提等潜力指数；yik为第i个耕地图斑内第k个因素指标对应的该图斑自然等指数的实际分值；Yik为第i个耕地图斑内第k个因素指标对应的该图斑自然等指数的最大值；wjk为第j种作物第k个因素指标的权重；fjk为第i个耕地图斑内第j种作物第k个因素指标对应的质量分值；αj为第j种作物对应的光温生产潜力指数；βj为第j种作物对应的产量比系数；k为因素指标编号。

根据计算结果，自然等提等潜力指数Q值越大，该耕地可提升的潜力越大，在限制谱序中越靠前，其限制性也越强，Q值最大项即为耕地自然等质量主导限制类型。

2.5 确定主导限制程度

基于公式得出的主导限制类型，能够确定该限制类型的主导限制程度，主导限制类型是由自然等提等潜力指数大小确定的，其数值越大，表明限制程度越高[10]。依托ArcGIS平台，利用相等间隔法对其主导限制程度进行划分，并结合计算得到的自然等提等潜力指数值，最终确定4个等级：无限制(P=0)、低限制(15%≥P>0)、中限制(40%≥P>15%)和高限制(P>40%)。

结合研究区实际情况，利用改进的自然等提等潜力指数的计算公式，分别计算图们市6 625个耕地图斑中7个因素指标的自然等提等潜力指数[11]，得出各耕地图斑的主导限制类型以及主导限制程度(表4)。

表4 图们市各耕地图斑自然等提等潜力指数表Table 4 Potential index table of various cultivated land in Tumen City

3 结果与分析

3.1 主导限制类型

图们市耕地存在37种主导限制类型。统计结果显示，图们市大部分的耕地图斑只存在一种主导限制，一部分耕地图斑存在两种或三种主导限制，少部分耕地图斑存在四种、五种或六种主导限制。有机质限制(B)是图们市最主要的主导限制类型，占图们市耕地总面积的20.38%；其次是剖面构型限制(G)和障碍层限制(E)，分别占图们市耕地总面积的14.25%和15.39%；在各主导限制类型中，土层-有机质-障碍层-剖面构型限制(A-B-E-G)所占比重最小，仅有一块图斑，面积为0.09 hm2(表5)。

表5 图们市耕地主导限制型汇总表Table 5 Summary table of leading restricted types of cultivated land in Tumen City

3.2 主导限制程度与主导限制类型组合

通过主导限制程度与主导限制类型的对应关系将其结合得到表6，可以得出图们市6 625个耕地图斑中，存在45种不同组合，组合中主导限制程度为高等的耕地图斑共有3 496个，面积为6 123.65 hm2，共占图们市耕地总面积的57.76%，包含19种组合；组合中主导限制程度为中等的耕地图斑共有3 130个，面积为4 477.67 hm2，共占图们市耕地总面积的42.24%，包含26种组合；由表可知，图们市内无低等限制耕地。

表6 主导限制程度与主导限制型组合表Table 6 Combination table of degree of dominance and dominant constraining type

3.3 提升潜力测算

参考得到的图们市各耕地图斑的主导限制类型和主导限制程度，可以更有效地进行划分耕地质量提升分区，使得土地整治更加合理，提升耕地质量[12]。

在质量提升分区中，其限制程度越高，耕地质量提升越难，反之则越容易[13]。而在各种主导限制类型中，因素指标分为不易改良指标和易改良指标，其中，有机质含量和土层厚度属于易改良指标，当前改良土壤中有机质含量的技术方法较多，可以通过物理、生物、化学等方法，在有机质含量较低的耕地施加有机肥、绿肥等方式以提高其土壤中的有机质含量[14]；而改良土层厚度的方法多为物理方法，土层厚度较低的区域大多是新增耕地以及土壤质量较差的劣质耕地区域，在这些区域采用机械将深层的土壤翻上来，再把浅层的土壤移下去，这样做就能改变区域的土层物理构成，有效的土层厚度就会增加[15]。其余因素指标则为不易改良指标，改造难度相对较大，需要投入更多的时间和精力，需要做长期计划。

按照以上分析，可将低、中以及高限制中包含土层限制的部分划分为短期质量提升区；将中以及高限制中包含有机质限制的部分划分为中期质量提升区；其余部分划分为长期质量提升区[14]。图们市耕地质量提升分区结果见表7。

表7 图们市耕地质量提升分区Table 7 Partition of land quality improvement in Tumen City

参照图们市耕地质量限制因素指标权重表，分别对短、中和长期质量提升区进行潜力测算。先根据各限制因素指标的权重，分别与各指标的分值相乘，进行求和，与各图斑对应的面积相乘，进行求和，最后除以该质量提升区的面积得到的值即是质量提升区的潜力值[15]。

根据计算可得短期质量提升区提升潜力值为237.87；中期质量提升区提升潜力值为96.17；长期质量提升区为34.49。可以看出短期质量提升区提升潜力值最大，其区域内耕地质量提升最为容易，长期质量提升区提升潜力值最小，其区域内耕地质量提升最为困难，需要投入大量时间、精力以及有效的技术方法支持。

4 结论

(1)确定图们市存在土层限制、有机质限制、质地限制、坡度限制、障碍层次限制、酸碱值限制和剖面构型限制共7种限制类型。

(2)利用改进的自然等提等潜力指数的计算公式，分别计算图们市6 625个耕地图斑中7个因素指标的自然等提等潜力指数，得出各耕地图斑的主导限制类型以及主导限制程度，汇总得知图们市耕地存在37种主导限制类型，45种主导限制程度与主导限制类型组合。

(3)通过主导限制类型中限制因素指标和主导限制程度的分析，对图们市耕地质量提升区进行划分，分为短期质量提升区、中期质量提升区和长期质量提升区。根据指标权重和面积计算得出各质量提升区提升潜力，短期质量提升区提升潜力为237.87，中期质量提升区提升潜力为96.17，长期质量提升区提升潜力为34.49。