耕地质量多维评价与利用分区——以黄骅市为例

关 瑜, 陈 影, 叶 静, 刘 静, 门明新

(1.河北农业大学 国土资源学院, 河北 保定071000; 2.河北农业大学 资源与环境科学学院, 河北 保定071000)

耕地作为自然资源中的精华，在保证粮食安全和稳固社会安宁方面起到关键作用[1-2]，特别是对于滨海平原区而言，耕地的改良利用与保护管理极其重要。受沿海气候、人为改良修复等综合作用影响，滨海地区的耕地利用呈现内部相似性和区域差异性等特点[3-4]。推进耕地“三位一体”保护，实施耕地的差别化和精细化管理对于促进耕地提质增效、支撑国家“藏粮于地、藏粮于技”战略以及指导区域空间有序开发利用具有现实意义[5-6]，而耕地利用分区是达成上述目标的重要路径之一，是耕地保护工作得以“落地”的重要保证。

从多维度多层次剖析耕地质量为进行耕地利用分区提供理论前提。随着对耕地多功能价值认知的深入，学者对耕地内涵的挖掘由耕地数量质量、格局变化、用途转移等显性内涵[7]逐步过渡到耕地产能[8-9]、潜力[10-11]、产能与健康综合评价[12-15]、功能表达等[16]隐性内涵；新技术方法的引入使耕地评价更具多元性和丰富性，比如：灰靶决策模型[17]、灰色关联度法和AHP法结合[18]、三维魔方模型[19]、BP神经网络模型和SVM模型等[20]；由于数据局限性，相关研究多集中于中小尺度[15,21]。目前，耕地利用分区相关研究主要集中于空间分布特征[22]、聚集性规律[23]、提升潜力[24]、“质量—产出—效率”[25]、质量分维度等[26]角度，多侧重于从耕地利用效率、集约度、产能等要素入手进行分区，但往往忽略了耕地各维度质量内部之间的差异以及耕地利用分区单元之间的空间连通性和相关性，这些因素能够直接影响分区结果和管理效果的好坏[27]。2018年学者郝晋珉提出“三位一体”统一质量观，认为质量概念包括空间质量、功能质量和环境质量。空间质量指规模、形状、分布以及空间关系等(区域、农田、地块)；功能质量指生产功能、生态功能、景观功能、承载功能等(物质、能量、信息)；环境质量指自然环境和社会环境(土地利用系统)，这样则将数量、质量和生态统一起来，三位一体并不仅是这3个质量分量，而是将耕地功能性、空间性和价值性在质量维度上进行有机统一，为耕地利用分区提供了新思路。如何剖析不同维度耕地质量，如何在精准定位、合理分类分区的同时兼顾分区单元的空间连通性和相关性，是亟待解决的问题。

本研究以郝晋珉学者的统一质量观为理论依据，以黄骅市为研究区，并借鉴前人的研究框架，拟构建集成“空间—功能—环境”的耕地质量三维解析评价框架，运用Spearman秩相关系数和G*热点分析工具表征三维质量的空间相关性，并基于以上成果进行耕地利用分区，提出差别化管理建议，为优化耕地利用布局提供科学借鉴，为实现耕地“三位一体”的管理需求提供有效支撑。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

黄骅市位于河北省东南部，被京津冀和环渤海经济圈双重包围，属暖温带半湿润季风气候，因濒临渤海湾略具海洋性气候特征，地势平坦，土层深厚，土壤类型主要为潮土，植被覆盖率低。因其地势低、海潮咸水侵浸、地下水位高，拥有大量盐碱荒地，各地类聚集着不同浓度的可溶性盐类，使得土壤含盐量偏高，同时黄骅市耕地存在土壤理化性质差、土壤板结等现象，严重影响作物的生长发育，导致农业生产力下降。黄骅市常住人口46.7万人，全市辖3个街道、11个乡镇，根据2014年耕地等别更新成果，黄骅市耕地总面积为77 102.93 hm2，占土地总面积的31.07%。

1.2 数据来源与处理

耕层质地和土体构型数据来源于黄骅市2014年度耕地等别更新成果和实地调查。有机质含量和土壤容重来源于黄骅市农业局2015年耕地地力评价成果。行政区划、线状道路和耕地图斑来自黄骅市2017年土地利用变更调查数据。土壤蚯蚓数据来自2017年的实地调查取样。土壤含盐量来自黄骅市农业局测土配方数据。土壤重金属和土壤总有机碳含量来自黄骅市土壤质量地球化学调查评价样点数据成果。作物产量、人口数据和农村居民恩格尔系数均来自于统计年鉴、统计局网站和实地调研。在耕地压力指数计算中设定人均粮食需求量和粮食自给率分别为400 kg和95%。形状、密度、破碎度、分离度、耕地吸引力指数和人口承载比均通过相关模型和公式计算获得。本文考虑分区空间内部差异及连通性，将分区单元确定为391个行政村，在小尺度上进行从耕地图斑到行政村耕地质量的转换。

2 研究方法

2.1 耕地质量三维解析框架

耕地隐性内涵的体现在于系统内部要素的复杂组合及相互影响，对多维度耕地质量进行深入解析可充分挖掘耕地的潜在属性[28-31]。为了全面解析耕地资源的隐性内涵及要素相互作用关系，在借鉴前人提出的三维框架的基础上[23]，本研究根据黄骅市地域特点做出一定改进，提出集成“空间—功能—环境”视角的耕地质量三维解析框架(图1)。

耕地要素组成与人类功能需求的综合叠加与相互作用凸显耕地质量在不同维度层面上的差异。耕地空间质量反映区域耕地的空间规模、空间形态等状况，受自然和社会要素的直接影响，优化耕地的空间利用结构应从“田水路林村”的全域角度来考虑。系统理论认为要素结构对整体功能的发挥具有决定作用，因此耕地空间质量对功能质量具有直接决定性。耕地功能质量是以自然要素作用为基础的本底质量、以工程要素作用为保障的追加质量以及受自然社会要素管理的景观生态、人文生活质量等的作用集合，是耕地质量管理的核心内容，对增加经济收益、保障粮食安全及提高耕地产能起到关键作用，同时与耕地环境质量存在强烈的空间关联效应。耕地环境质量是以自然要素为载体，受社会要素变化趋势影响所呈现的结果，伴随着耕地利用历史的推进，其变化呈现动态性和适应性，今后的保护重点应是提高耕地资源本身的可持续利用水平及维持土地生态系统的健康安全。由于自然要素及社会生产力变革很难在短时间内呈现显著变化，因此耕地利用空间内部的环境质量存在相对稳定性。

图1 耕地质量三维解析框架

2.2 基于三维解析的耕地质量评价指标体系构建

本研究以耕地“三位一体”统一质量观为理论依据，在参考相关研究成果的基础上[17-19,23,25]，根据黄骅市的地形地貌、土壤气候、农业生产等特点，遵循科学性、可行性、地域性、主导性和综合性等原则，从“空间—功能—环境”3个维度要素入手，构建耕地三维质量评价指标体系，并采用层次分析法结合熵权法的方式确定各指标权重(表1)，并制定了各维度指标的赋值规则(表2)。

耕地空间质量考虑耕地的数量规模、地块形状、空间区位、空间结构、空间关系等多个方面，采用典型景观指数综合表达耕地系统在空间尺度上的质量水平。耕地功能质量从物质生产、景观生态和社会保障3个方面展开评价，其中物质生产功能从耕地本底要素入手来评估耕地生产潜力；景观生态功能考虑了耕地景观吸引力和农田生态健康水平两方面，从景观美学和生态安全角度综合评估耕地能够满足人类福祉的程度；社会保障功能则考虑了农业增产性投入及人口承载对耕地造成的压力，从而衡量耕地保证粮食自给与消费水平的能力。耕地环境质量将土壤自然环境要素和社会管理环境要素进行整合，综合评估耕地系统的环境适应性以及耕地资源变化激化社会矛盾的程度。

表1 基于三维解析的耕地质量评价指标体系

2.3 基于耕地质量三维评价及相关性分析的耕地利用分区

2.3.1 各维度耕地质量的权衡与协同关系确定 地理要素在空间上通常呈现非线性和非正态的分布状态，因此有必要采用非参数相关性分析方法，其中Spearman秩相关是分析权衡与协同关系的常用方法，相比传统相关系数公式来说，这一方法引入“编秩”步骤，将变量大小及排列顺序考虑在内。若相关系数为正，则说明指标之间存在空间协同，即在同一空间内，两种指标呈同向变化；若相关系数为负，则说明指标之间存在空间权衡，即在同一空间内，两种指标呈反向变化；若相关系数为0，则说明指标之间呈现空间兼容。相关性强度则通过相关系数绝对值高低来区分，[0，0.1)为不相关，[0.1，0.2)弱相关，[0.2，0.4)中等相关，[0.4，1]强相关。

表2 基于三维解析的耕地质量评价指标赋值规则

(1)

(2)

(3)

2.3.3 耕地利用分区方案确定 以耕地质量三维评价结果和各维度质量的空间相关性分布结果为依据进行耕地利用分区，充分考虑了研究单元各维度质量之间的空间关联性和集聚度，对于增强区域耕地差别化和统一化管理的可实施性具有重要实践意义，具体分区框架见图2。

功能质量是三维质量中的核心和关键，是人类利用耕地的最终目标。因此将功能质量二级指标的冷热点重叠程度作为耕地利用初步分区的主要依据，当两个及以上的热点重合于同一研究单元，则以显著性高的功能质量为耕地利用的主导方向，分别划分为：生产优势保护区、休闲农业发展区和规模效益提升区；两个及以上的冷点重合区域为休耕区；3种功能都不显著的重合区域为潜在功能挖掘区，得到初步分区方案。再考虑空间和环境质量二级指标的冷热点分布及与其他指标的权衡与协同关系的强弱，将生产优势保护区中的空间和环境质量的冷点区域划分为整治改良区，并与休耕区合并为休耕整治区，最后进行布局和环境的整体修正和区域合并，得到最终分区方案，这样能够保证分区结果的精细度和全面性。

图2 耕地利用分区框架

3 结果与分析

3.1 黄骅市耕地质量三维评价结果

采用自然间断点分级法将各维度质量分值划分为4个区间，对黄骅市耕地质量三维评价结果进行统计分析(表3—6，图3)。

黄骅市各维度耕地质量分值存在空间分异。空间质量和功能质量较高的耕地分布在西部和东北部地区，此区域耕地以壤土为主，盐渍化程度相对较低，有机质含量较高，有较好的连片度和规整度；中部地区的空间和功能质量较低，而环境质量较高，此区域耕地土壤蚯蚓和微生物活性均高于全市均值，耕地非农化强度较低，但耕地资源匮乏，人地关系紧张；而西南和东南部地区的功能、环境质量较低，此区域土壤蚯蚓和微生物活性均低于全市均值，耕地非农化强度较大。综合质量较高的耕地分布于黄骅市北部，该区域的空间、功能和环境三大维度质量均处于良好状态，是全市耕地的精华，应高效利用。

从各维度质量分值区间分布来看，空间质量分值主要集中于(93.49～100]，占耕地总面积的82.39%，主要分布于南大港管理区、常郭镇、滕庄子乡和齐家务乡；功能质量分值主要集中于(65.39～70.35]，占耕地总面积的41.61%，主要分布于旧城镇、羊二庄回族镇和常郭镇；环境质量分值主要集中于(61.49～80.84]，占耕地总面积的60.14%，主要分布于国营中捷友谊农场、南大港管理区、吕桥镇和滕庄子乡；综合质量分值主要集中于(70.36～83.04]，占耕地总面积的64.36%，主要分布于南大港管理区、吕桥镇和齐家务乡。

表3 黄骅市空间质量各分值区间分布面积hm2

表4 黄骅市功能质量各分值区间分布面积hm2

表5 黄骅市环境质量各分值区间分布面积hm2

图3 黄骅市耕地各维度质量分值

3.2 基于黄骅市耕地质量三维评价及相关性分析的耕地利用分区结果

3.2.1 各维度耕地质量的权衡与协同关系分析 以耕地三维质量评价结果为依据，运用Spearman秩相关系数方法得到黄骅市耕地质量各指标的权衡与协同关系(表7)。从相关性性质来看，21组关系中有15组显著正相关，1组不显著，5组显著负相关。具体而言，除自然环境与规模、空间特征、物质生产功能、社会保障功能和社会环境呈现权衡关系以外，其余指标相互之间均呈现协同关系；环境质量与空间质量、功能质量之间权衡与协同关系并存，而空间质量与功能质量之间只存在协同关系。从相关性程度来看，21组关系中有3组强相关，10组中等相关，7组弱相关和1组不相关。具体而言，空间特征与规模、物质生产功能，自然环境与社会环境为强相关，其相关系数分别为0.452，0.624和-0.429；社会保障功能与其余6个指标均为中等相关，物质生产功能与规模、自然环境，空间特征与景观生态功能、自然环境均为中等相关；自然环境与景观生态功能不相关；其余指标之间为弱相关。

表7 各维度耕地质量指标Spearman秩相关

3.2.2 各维度耕地质量的空间冷热点分析 以耕地质量二级指标的评价结果为依据，利用G*热点分析工具，得到黄骅市耕地质量7个二级指标的冷热点空间分布图(图4)，为耕地利用分区提供依据。结果显示：部分维度质量的冷热点分布相似，例如空间特征和景观生态功能的空间分布格局相似，热点区主要分布于西北部和东北部，冷点区主要分布于中部和东南部，但两者的冷热程度和分布范围却不完全一致；部分维度质量的冷热点分布存在很大差异，例如物质生产功能和社会环境呈正相关，但冷热点在空间上冲突较大，社会环境图中的西北部为不显著区域，但物质生产功能的为极热点区域。同一维度质量的冷热点分布格局差异较大，例如社会环境的不显著区域是自然环境的极热点区域，自然环境的冷点区域是社会环境的热点区域。

图4 耕地质量各维度指标冷热点空间分布

3.2.3 耕地利用分区结果 以耕地质量三维评价结果和各维度质量的空间相关性分布结果为依据，通过初步、修正和合并分区等步骤，将黄骅市最终划分为生产优势保护区、休闲农业发展区、规模效益提升区、潜在功能挖掘区和休耕整治区5个区域(图5)，并将各类型区中各维度质量分值制成雷达图(图6)，便于提出耕地的差别化利用与管理建议。

耕地生产优势保护区面积为11 740.27 hm2，占全区耕地总面积的15.23%，综合质量较高，为73.25，主要分布于国营中捷友谊农场、官庄乡和吕桥镇。该区域的物质生产功能质量是所有类型区中最高的，但景观生态功能和社会保障功能质量在所有区域中分值最低。因此，该区具有土壤盐渍化程度较低，养分含量较高，基础配套设施较完善，综合质量较高等特点。应利用其耕地资源禀赋优势，因地制宜种植经济作物，培育绿色有机农产品，实现增产增收，同时维持现有耕地质量，加强耕地定期监管和基础设施的维护。

耕地休闲农业发展区面积为14 025.38 hm2，占全区耕地总面积的18.19%，综合质量较高，为73.78，主要分布于南大港管理区和滕庄子乡。该区域的规模、空间特征、景观生态功能和社会环境质量是所有类型区中最高的，但物质生产功能质量在所有区域中分值最低。因此该区域耕地具有总体面积大、地块连片度和规整度较高，吸引力较高的特点，重点依托其区位和景观资源良好的先天优势，大力发展农村一、二、三产业融合，并以特色休闲农业和生态农业为先导产业，对其他类型区的耕地利用起到示范作用，同时应强化自然保护区的建设管理，确保自然生态系统安全稳定。

耕地规模效益提升区面积为12 189.37 hm2，占全区耕地总面积的15.81%，综合质量一般，为70.94，主要分布于齐家务乡、官庄乡和国营中捷农场。该区域的空间特征和社会保障功能质量是所有类型区中较高的，但物质生产功能和自然环境质量在所有区域中分值均偏低。因此，该区的地块连片度和规整度虽然较高，但其本身的土壤污染较严重，土壤自然生态环境较差。应进行耕地污染修复，查找并阻断污染源，同时调整耕地生产要素投入方式，提升耕地利用的规模效益和竞争优势，发展精细化农业，充分发挥各方力量保障耕地的健康利用管护。

耕地休耕整治区面积为21 204.37 hm2，占全区耕地总面积的27.50%，综合质量最低，为66.98，主要分布于常郭镇、黄骅镇和羊二庄回族镇。该区域除物质生产功能质量处于全市一般水平以外，其余指标在所有区域中分值均最低。因此，该区域具有耕地利用低效、布局不规范、综合质量低的特点，应严格控制地下水的开采，实行轮作休耕制度，并将土壤改良工程与综合整治工程相结合构建健康合理的田间路网系统，实现耕地利用价值的综合提升。

耕地潜在功能挖掘区面积为17 943.54 hm2，占全区耕地总面积的23.27%，综合质量较低，为70.04，主要分布于吕桥镇和滕庄子乡。该区域空间特征和自然环境处于较高水平，其余指标均偏低，耕地功能特色不明显，可以结合黄骅市的发展需求，在保持其生态环境良好的基础上，充分挖掘该区域的内在优势，提升耕地开发利用程度。

图5 黄骅市耕地利用分区

图6 黄骅市各类型区中各维度质量分值

4 讨论与结论

4.1 讨 论

本研究围绕耕地三维质量角度对黄骅市耕地质量进行解析与评价，并通过权衡与协同分析和冷热点分析进一步挖掘各维度质量之间的空间关联效应，以此为分区依据划分耕地利用区，但仍存在几点不足：(1) 受数据等因素影响，本研究只进行了耕地质量静态研究，缺乏耕地三维质量在不同时间阶段的波动和演替趋势分析，未能识别不同时期的障碍因素及驱动机制；(2) 耕地三维质量评价指标的选取将直接影响分区结果的合理性和科学性，受社会经济相关资料的限制，本研究未考虑政策实施、文化活动等对耕地质量的影响，后续研究应围绕重点区域的内部条件差异和外部环境响应等，深入开展耕地质量与人文活动、政策实施等的响应机制和协调耦合关系研究；(3) 本研究提出的分区优化措施侧重于各区域耕地利用的宏观导向性，未对区内每一个村庄及农户经营组织等制定精确详细的操作指南，今后应探讨更微观、具体的措施便于实施。

4.2 结 论

(1) 黄骅市各维度耕地质量分值存在空间分异，具有内部差异性。高值区主要分布于黄骅市西部和北部，低值区主要分布于黄骅市西南部，中部地区空间质量和功能质量均较差，但环境质量却较高。空间质量高的耕地适宜大型农业机械化作业；功能质量高的耕地应在保护其生产优势的同时，发展二三产业融合，反之应进行轮作休耕和综合整治；环境质量高的耕地应提升农产品的绿色化、优质化、特色化和品牌化水平，反之应实行就地保护或花卉培育等措施；综合质量高的耕地应划入永久基本农田。

(2) 黄骅市各维度耕地质量之间存在强烈的空间关联效应。自然环境除了与景观生态功能为不显著关系外，与其余指标均存在权衡关系，其中与社会环境呈现强权衡关系；其余指标相互之间均呈现协同关系，其中空间特征与规模、物质生产功能呈现强协同关系；环境与空间、功能质量之间权衡与协同关系并存，而空间与功能质量之间只存在协同关系。不同维度质量的冷热点分布格局可能相似，但冷热程度和分布范围却不完全一致；同一维度质量的冷热点分布格局也可能存在空间冲突。

(3) 黄骅市各耕地利用区特点各异，应因地制宜进行耕地差别化利用与管护。生产优势保护区的土壤本底质量较高，应维持现有耕地质量，以增产增收和绿色健康为目标进行管控；休闲农业发展区的地块规整度、连片性较好，更易吸引人群，应利用其景观资源优势发展旅游产业；规模效益提升区的耕地资源紧张，且人口密集，应优化耕地生产要素投入结构，以提高人口承载力；休耕整治区在各方面均处于劣势，需从多方面改善耕地利用方式；潜在功能挖掘区的功能特色不明显，可根据黄骅市具体发展需求充分挖掘该区域的内在优势。