基于GIS的河北省耕地复垦类型区划分研究

秦 岭,刘 航,尚国琲,张胜海

(1.河北地质大学土地科学与空间规划学院,河北省农业干旱遥感监测国际联合研究中心,河北 石家庄 050031;2.石家庄城市经济职业学院,河北 石家庄 052160;3.河北省科学院地理科学研究所,河北省地理信息开发应用技术创新中心,河北 石家庄 050011)

0 引言

本研究根据河北省耕地质量的具体情况以及不同区域间耕地的相似性和差异性特点,较为科学的界定了河北省耕地复垦类型区,以实施耕地的差别化和统一化管理,因地制宜地引导不同区域耕地复垦质量控制与管理。以期为耕地整理、基本农田建设、提高耕地质量进而提高耕地的粮食单产水平、土地整治等工作提供参考标准。该研究对于缓解耕地保护压力、提升耕地价值、指导区域空间有序开发等具有一定现实意义。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

河北省地处华北,东临渤海,西倚太行山、山西省,东南部、南部衔山东、河南两省,西北部、东北部分别与内蒙古自治区、辽宁接壤,内部环绕北京、天津,地势西北高、东南低,由西北向东南倾斜,地貌复杂多样,是中国唯一兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊和海滨的省份。河北省总面积为18.88万km2,其中山地面积占全省总面积的48.1%,平原占总面积的43.4%。河北省辖11个地级市、167个县(区、市),是中国重要粮棉产区。

1.2 数据来源

研究数据主要包括:①河北省土地利用现状图、河北省县级行政区划图、河北省1∶5万DEM图,来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn/);②耕地质量相关数据(耕层质地、有效土层厚度、有机质含量、pH值等),来源于河北省耕地质量数据库。

1.3 研究方法

本研究主要运用ArcGIS空间分析方法。利用ArcMap10.5对河北省土地利用类型栅格数据中的耕地进行筛选裁剪,并叠加河北省县级土地利用区划图,得到河北省县域耕地矢量数据;同时,利用ArcMap10.5将经过裁剪的数字高程模型数据(DEM)转换为坡度数据,根据0°～2°、2°～6°、6°～15°划分标准对坡度数据进行重分类;根据河北省耕地利用图、全省耕层质地数据与土壤厚度数据,依据耕层质地类别与土壤厚度类分别生成河北省坡度图、耕层质地图与土壤厚度图,将三幅图通过叠加分析进行初步分区[2-4]。

2 河北省耕地复垦类型区指标体系的构建

2.1 单元划分

基于地块权属的界定、耕地质量区的确定以及结果的可实施性、管理的便利性等原则,本研究以县级行政区划为最小评价单元对各个县域耕地质量进行评定以及类型分区。

2.2 指标体系的构建

本研究参考耕地质量等级国家标准[5],并通过特尔斐法征求专家意见进行指标筛选,最终选择以耕地坡度、耕层质地、有效土层厚度为分区指标,并采用坡度、耕层质地、有效土层厚度、有机质含量以及pH值对划分区域进行定性定量描述。

2.2.1 指标权重的排序

根据特尔斐专家打分法对指标进行权重确定,根据权重结果对各指标重要性进行排序,权重越大,指标在分区过程中重要性就越大[6]。选取的指标有:有效土层厚度、耕层质地、年产量、有机质含量、pH值、坡度、生物多样性、灌溉保证率、土壤容重、排水条件。通过征询专家意见,排除较易于通过外在因素改变的指标及各地区情况差异不大的指标,并基于适地种植实际情况,删减年产量、有机质含量、pH值、生物多样性、灌溉保证率、土壤容重、排水条件指标,最终确定指标重要性排序依次为:耕地坡度、耕层质地、有效土层厚度。本文以耕地坡度、耕层质地、有效土层厚度为判断区域划分的指标,并引入有机质含量以及pH值对划分区域进行定性定量描述[7]。

严重影响云南省宣威市龙场镇水稻品质及产量的病虫害主要有稻瘟病、纹枯病、白叶枯病及稻曲病等。要提高重视、加强防治，保证水稻增产增收。

2.2.2 指标等级标准的建立

利用分区指标及重要性排序,对各指标数值进行类型划分。通过整理发现河北省耕地坡度主要集中在0°～2°,少部分县耕地坡度在2°～6°,只有个别县耕地坡度存在大于6°的情况;河北省耕层质地主要以壤土为主,极少数县域耕层质地以黏土为主;河北省耕地有效土层厚度范围在20 cm～300 cm之间,差别较大,大多集中在100 cm左右;有机质主要在11.74～27.75 g/kg之间;pH值范围在6～8.7。据此,对河北省耕地质量划分分区指标范围,详见表1。

表1 河北省耕地复垦类型区指标表

2.3 指标处理

本研究按照坡度(A)、耕层质地(B)、有效土层厚度(C)的顺序以各指标分级标准对河北省各个县耕地数据进行处理以划分区域范围,以“A-B-C”的命名方式对不同耕地进行区域划定。

1)耕地坡度指标分区。对坡度数据进行排序,坡度为0°～2°的区域标记为“1-X-X区”;坡度为2°～6°之间的区域标记为“2-X-X区”;坡度>6°的区域标记为“3-X-X区”。分区结果如图1所示。

注:该图根据国家自然资源部2019年标准地图1∶1400万数据制作,审图号为GS(2019)1822号底图无修改。图2 耕层质地类型区图

2)耕层质地指标分区。在耕地坡度指标分区的基础上,对耕层质地指标进行分区,因河北省耕地质地类型多为壤土和粘土,故将壤土标记为B1、粘土标记为B2。对(1-X-X区)耕层质地为壤土的区域划为(1-1-X区),耕层质地为黏土的区域划为(1-2-X区);同理,将“2-X-X区”耕层质地为壤土的划为(2-1-X区),耕层质地为粘土的划为(2-2-X区);因(3-X-X区)的耕层质地均为壤土,故(3-X-X区)耕层质地均为(3-1-X区)。如图2所示。

3)有效土层厚度指标分区。在耕地坡度指标和耕层质地指标分区的基础上,对有效土层厚度进行分区统计,将有效土层厚度>100 cm的区域划为C1、60～100 cm(包括100 cm)的区域划为C2、≤60 cm的区域划为C3。可见,(1-1-X区)内可划分为三个区(1-1-1区)、(1-1-2区)、(1-1-3区);(1-2-X区)内划分为一个区(1-2-1区);(2-1-X区)内划分为三个区(2-1-1区)、(2-1-2区)、(2-1-3区),(2-2-X区)只有万全县,仍作为一个区;(3-1-X区)内划分为三个区(3-1-1区)、(3-1-2区)、(3-1-3区)。由于河北省耕地土质极少属于粘土,为了便于管理,将粘土区合并为一个区,最终,河北省耕地共分为10个区,详见表2和图3。

注:该图根据国家自然资源部2019年标准地图1∶1400万数据制作,审图号为GS(2019)1822号底图无修改图3 河北省耕地复垦类型区图

表2 河北省耕地复垦类型区表

3 结果分析

3.1 分区结果

根据上述分区原则将河北省耕地分出10个分区,分别为缓坡薄土区、北部中土区、北部厚土区、中部黏土区、中部薄土区、南部较优区、优质种植区、平坡薄土区、西北部中土区、平缓厚土区。分区结果详见图3和表3。

表3 河北省耕地复垦类型区结果汇总表

3.2 结果分析

根据类型区划分结果可知,区域5、6、7中的区县耕地质量在河北省内属于等级最高的区域,但该区域土壤pH值都在8左右,偏碱性,其中成安县、临西县、清河县、安新县、故城县的pH值大于8.5;区域5中定兴县、涿州市的土壤质量相对于其他4个区县更为优渥,迁西县、新河县、廊坊广阳区、武强县的土壤质量有待提升;区域4中张家口万全区在三个区县中耕地质量相对较差,属于粘土质地且有效土层厚度最小,保水效果好但透气性差,且植物无法深入扎根;区域10中平山县、唐山丰润区耕地质量最优,保定市满城区、张家口宣化区、玉田县、滦平县依次次之,迁安市土壤质量最差且偏酸性;区域9中涞水县、平泉市、三河市、沙河市耕地质量最佳,而秦皇岛抚宁区、卢龙县土壤pH值为酸性,易县为碱性,结合各区县的有效土层厚度分析,此3县在该区域耕地质量较差;区域8包含内丘县、兴隆县、尚义县,耕地质量均较差;区域3中磁县、张家口崇礼区、赤城县、怀来县、石家庄鹿泉区土壤pH值在8左右,且有机质含量较高;区域2中13个区县中宽城县、涉县、武安市、井陉县、保定徐水区耕地质量较为优越;区域1包含邢台县和青龙县,其中,邢台县耕地质量较好。

4 结论与建议

4.1 结论

1)根据河北省不同区域耕地质量的相似性和差异性特点,将河北省耕地划分为10个耕地复垦类型区,其质量由优至劣排序为:区域7>区域6>区域5>区域4>区域10>区域9>区域8>区域3>区域2>区域1。该研究为实施耕地的差别化和统一化管理,因地制宜地引导不同区域耕地复垦提供了参考标准。

2)河北省85%的县区为坡度<6°的平原耕地,有效土层厚度适中,最适宜耕作的土壤质地为壤土兼有砂土和粘土,适种的农作物种类较多。

4.2 建议

各耕地复垦类型区可结合当地实际开展耕地质量提升工程。

1)对于坡度稍大、易发生中度水土流失区域,可通过土地平整、坡改梯等工程措施改善地形坡度,并结合地形地貌条件采取等高种植方式[8];对于坡度稍平缓、易发生轻度土壤侵蚀区域,需重点保护和改善农田生态环境,合理划分和归并耕作田块,适度开发宜农后备土地资源。

2)对有效土层较薄的区域,可通过机械方式打破母质岩进行深松增厚或者利用爆破的方式对下层土壤母质或岩层进行挖除等工程技术手段[9],换填肥沃土壤或按照标准增施有机肥。覆土厚度参照本研究结果,满足农作物生长所需有效土层厚度即可。

3)针对耕层质地为黏土的区域,可通过对土壤机械组成进行测算,进行掺沙或砂土、稻壳等方式进行土壤改良;对于土壤有机质含量较低的区域,开展测土培肥、使用作物秸秆有机肥、增施农家肥等土壤改良工程[10],发展生态农业,建设优质高效的农业生态循环系统。

4)参照研究结果划分的10个耕地复垦类型区分标准开展耕地复垦工作,同时,可在耕地复垦验收时,根据本研究结果设定分区标准,防止耕地复垦标准偏高或偏低,导致复垦工作难度增加或耕地地力降低等情况的产生。