东北黑土区典型县域耕地质量对耕地水田化的空间响应

张 慧, 栾思雨, 丛 蓉

(东北农业大学 公共管理与法学院, 哈尔滨 150000)

消除饥饿,实现粮食安全,改善营养状况和促进可持续农业是联合国2030年可持续发展议程的17项目标之一,旨在全球范围内消除一切形式的饥饿,保证所有人享有充足且营养的食物[1],可见粮食安全是全球重点关注的问题之一,也是当前研究的热点话题。耕地作为粮食生产的载体,其质量的高低与时空变化决定了全球粮食的供给数量,从而深刻影响着全球粮食安全的格局。但随着近几年新型冠状肺炎疫情在全球的肆虐,极端气候天气的频发以及全球范围内粮食竞争的加剧[2],严重影响着耕地资源的质量与健康,进而对粮食安全造成巨大的威胁。黑土地作为最为优质的耕地资源,是指拥有黑色或暗黑色腐殖质表土层的土地[3-4],相较于其他耕地资源,具有性状好、肥力高、适宜农耕等优势,但其占全球陆地总面积不足7%[5],每形成1 cm厚的黑土需要200～400 a的时间[6],是十分稀缺且再生能力较弱的土壤与耕地资源,因此保护黑土耕地资源数量,提升黑土耕地资源质量对保障国家粮食安全至关重要,是目前国家和科学界亟待解决的关键性问题之一。

相关研究指出,受近些年来利益的驱动,促使有条件的区域将大规模的旱地转换为水田[7]。而在耕地水田化的过程中一方面将深刻影响着耕作土壤的物理、化学以及生物学的过程降低黑土耕地的自然质量;另一方面会通过工程技术手段完善耕地的形态、连通性、灌排设施等外在利用条件,驱动水平方向上的景观生态过程,从而促进黑土耕地人工质量的提升。东北黑土区是世界四大片黑土区之一,随着近几十年来全球气候变化和人类对黑土耕地的主观利用和改造,使开垦初期的耕地利用结构和类型发生大规模的变化,现有研究显示东北黑土区典型省域黑龙江省自2000年起耕地水田化现象较为剧烈和普遍[8],在大规模的水田化过程中引发了诸多生态环境恶化的问题,特别是在旱改水区域,频繁出现耕地土壤板结、土壤盐渍化、地力下降的质量退化的问题,给黑土耕地资源的可持续利用和粮食安全的保障带来巨大的危机与挑战。本研究旨在探讨东北黑土区耕地水田化过程中耕地质量的空间响应,优化完善黑土区休耕轮作制度,对黑土区耕地质量的保护与提升具有一定的理论和现实意义。

当前学界针对耕地利用变化对耕地质量的影响研究较为少见,多是聚焦于耕地资源的空间分布特征变化[9]、耕地资源与其他地类之间的转换关系[10]、新增和流失耕地资源的空间分布等[11]几方面,对中国耕地资源空间分布格局的变化进行刻画,并且进一步探讨了耕地资源空间格局的改变对耕地生产能力[12]、耕地生态水平[13-14]、耕地质量[15]之间的作用关系,为本研究注入了重要的思路。但遗憾的是,既有研究主要是从耕地一级类的视角切入,探讨耕地空间格局变化对耕地产能、质量、生态的影响,而耕地二级类间的转换也深刻影响着耕地生态水文过程、耕种强度以及外部的利用条件。因此,亟待从耕地二级类的视角,阐明耕地质量对耕地利用变化的响应。值得强调的是,在影响关系的分析方面,目前以全局性的静态分析为主,但耕地质量受耕地立地条件对应的光照、降水、温度、地形、土壤等多因素影响,具有一定的空间异质性,因此耕地利用的变化对耕地质量影响也必然存在一定的地异特征。为此,亟需开展空间动态性的研究,弥补现有研究的不足,但目前对该方面的研究却鲜有报道。

富锦市是我国重要的商品粮基地,在保障国家粮食安全方面做出了巨大贡献。但自2000年开始,富锦市连续多年开展了旱地改水田的项目,耕地利用方式发生了较大的改变,进而影响着耕作土壤的物理、化学以及生物学的过程,最终造成区域耕地质量改变,因此有必要明确该阶段耕地质量对耕地水田化进程的响应。鉴于此,本研究以富锦市为研究区,从耕地利用的二级类入手,基于Google Earth高清历史影响、富锦市2009年国土资源第二次调查和2019年第三次调查矢量数据以及土壤数据,采用CRITIC模型、双变量局部空间自相关模型,明确耕地质量和耕地利用变化的时空分异特征,揭示二者在空间上的响应关系,并提出未来治理的对策建议。研究打破传统从耕地一级类视角分析的局限,深入挖掘耕地质量与耕地利用变化间的空间动态响应关系,旨在为黑土区耕地利用方式的调整以及休耕轮作区的科学划定提供参考与借鉴。

1 研究区概况

富锦市位于黑龙江省东北部,松花江南岸,三江平原腹地,位于131°25′—133°26′E,46°45′—47°37′N,地势西高东低、北高南低,形成冲积平原,地形平缓开阔,富锦市境内有乌苏里江、松花江等多条河流,交互成网,地表水资源极为丰富。境内土壤种类丰富,主要以黑土、草甸土为主,土壤肥沃,土壤有机质含量为全国平均水平的6倍,具有水稻生产的良好基础,是我国重要的商品粮基地。富锦市作为黑土保护的重点区域,在保障国家粮食安全上起到了重要作用,因此,亟需明确富锦市耕地水田化对质量的作用关系。

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

本研究土地利用数据来源于2009年、2019年富锦市第二次和第三次全国土地调查矢量数据库,并基于Google Earth高清历史影像和中国科学院资源环境数据中心提供的2000年土地利用数据进行人工修正。土壤数据来源于国家青藏高原科学数据中心的中国土壤有机质数据集(1980—1990年)和中国高分辨率国家土壤信息网格基本属性数据集(2010—2018年),1990—2000年富锦市耕地利用强度较弱,土壤理化属性变化微弱,故利用Envi软件提取中国土壤有机质数据集(1980—1990年)中相关指标表征研究区2000年土壤理化属性、提取中国高分辨率国家土壤信息网格基本属性数据集(2010—2018年)中相关数据表征研究区2020年土壤理化属性[16],并将土壤数据重采样到10 m。另外,本文的研究对象为研究期初耕地二级类为旱地和水浇地,研究期末耕地二级类为水田的耕地,对两期土地利用数据进行相交处理,即为2000—2020年20 a间通过旱改水工程增加的水田。

2.2 研究方法

2.2.1 LESA耕地质量评价体系 LESA体系是由原美国农业部率先提出的用于农地保护的重要方法,该体系主要由土地评价(LE)和立地分析(SA)两部分构成。LESA体系具有综合性和灵活性的优点,它既能评价耕地的内在自然属性,又能分析外在环境因素的影响。另一方面,两系统在可拆分的同时也可根据研究目的调节LE和SA的指数进行综合分析。本文参考已有研究成果[17],构建耕地自然质量(LE)和立地条件(SA)两个子系统对耕地质量进行综合评价分析。其中,LE子系统从土壤养分状况、理化性质和生物状况三方面选取土壤全氮含量(TN)、土壤全磷含量(TP)、土壤全钾含量(TK)、土壤有机质含量(SOM)、土壤酸碱度(PH)和土壤生物多样性7个指标来反映耕地自然质量的水平高低;SA子系统从耕作条件和区位条件两方面选取灌溉能力、排水条件、林网密度、道路通达性和田块规整度5个指标来反映立地条件的水平。本研究认为耕地水田化带来的自然环境质量和立地条件变化同等重要,故认为LE和SA的比例为1∶1,即a=b=0.5。

LESA=aLE+bSA

(1)

式中:LESA为耕地质量综合评价得分;LE为耕地自然质量得分;SA为耕地立地条件得分;a,b为权重。

2.2.2 CRITIC模型 CRITIC法是由Diakoulaki提出的客观赋权方法,其原理是综合考虑指标的对比强度和冲突性来确定权重[18]。对比强度通常用指标标准差的大小进行表征,标准差越大,对比强度越高,权重越大。冲突性是通过指标间的相关系数对其进行衡量,相关系数越大,反映指标间的信息相似度越高,相应的冲突程度越低,权重越小。CRITIC法相比其他的赋权方法全方位地分析了指标间的特征关系,在考虑指标变异性的基础上加强了指标间信息冗余度的考量,突出了指标间的协调性提高了指标权重测算的准确性。本研究基于ArcGIS平台,以研究时期内土壤及农田基础设施指标的变化量为基础,采用CRITIC模型,测算各指标变化量权重,构建研究区LESA耕地质量变化评价指标体系(表1),明确研究区耕地质量变化时空特征。另外,为消除指标间的量纲的影响,本研究采用极差标准化将各指标均归并至[-1,1]。

表1 耕地质量评价指标体系Table 1 Index system for evaluating cultivated land quality

(2)

(3)

Cj=SjRj

(4)

(5)

式中:m为评价对象数;n为评价指标数;Sj为第j个指标的标准差;Ri为第i个指标与其他指标的冲突性;rij为指标i和j之间的相关系数;Cj为信息量;Wj为j指标的权重。

2.2.3 双变量局部空间自相关 空间自相关是一种分析变量在空间上的分布特征以及变量间聚集程度的方法,可识别出一定空间范围内地理要素属性值的空间分布模式,包括全局自相关和局部空间自相关[19]。双变量局部空间自相关模型是由Anselin提出的,用来揭示同一地理单元不同变量间的空间关联特征。本文利用GeoDa空间统计软件,基于耕地水田化规模和耕地质量变化数据,运用双变量空间自相关模型,探究耕地质量与耕地水田化的空间响应关系。

(7)

式中:Ipq为分析单元耕地水田化面积p和耕地质量变化q的双变量全局自相关系数;pi和qi为第i个分析单元的耕地水田化面积和耕地质量变化量(提升/下降),σp,σq为方差。为了更为详细具体地展示各分析单元之间的空间关系,采用LISA测度局部空间自相关关系,并将其分别分为高—高聚集(H—H)、高—低聚集(H—L)、低—低聚集(L—L)和低—高聚集(L—H)4个类型区,另外本研究根据发生水田化耕地的平均规模,构建300 m地理网格作为分析基本单元。

3 结果与分析

3.1 耕地水田化时空特征

2000—2020年富锦市耕地水田化现象强烈且空间差异显著,耕地水田化面积共2 691.14 km2,占研究区耕地总面积的42.92%,年均变化量为134.56 km2/a。从空间上来看,富锦市各乡镇均发生了耕地水田化现象,其中,研究区东部耕地水田化现象最为明显,西部次之,中部地区水田化现象相对较弱(图1)。

图1 2000-2020年富锦市耕地水田化空间分布

研究区东部地区耕地水田化程度最高,其中农垦建三江分局耕地水田化面积和比重最大,水田化面积为1 544.182 km2,占垦区耕地总面积的74.39%;宏胜镇耕地水田化面积为137.32 km2,占镇域耕地总面积的63.92%;二龙山镇耕地水田化面积为186.56 km2,占镇域耕地总面积的48.87%;两镇一农垦耕地水田化面积占耕地总面积的平均比例约为70%,远超过研究区平均水平。研究区西部耕地水田化规模处于中等水平,其中红兴隆分局耕地水田化规模最高,水田化面积为81.77 km2,占垦区耕地总面积的51.40%;上街基镇耕地水田化规模次之,水田化面积为118.21 km2,占镇域耕地总面积的50.17%;长安镇耕地水田化面积为115.78 km2,占镇域耕地总面积的49.69%;锦山镇耕地水田化面积为188.50 km2,占镇域耕地总面积的48.18%;富锦镇耕地水田化程度最低,水田化面积为21.06 km2,占镇域耕地总面积的39.48%,四镇一农垦耕地水田化面积占耕地总面积的48.99%,略高于研究区平均水平。研究区中部耕地水田化规模最低,其中,砚山镇耕地水田化规模最高,水田化面积为74.12 km2,占镇域耕地总面积的47.37%;大榆树镇耕地水田化面积为61.27 km2,占镇域耕地总面积的21.99%;兴隆岗镇耕地水田化面积为78.78 km2,占镇域耕地总面积的21.93%;向阳川镇耕地水田化面积为70.84 km2,占镇域耕地总面积的21.63%;头林镇耕地水田化面积最低,水田化面积为12.52 km2,占镇域耕地总面积的10.27%;五镇耕地水田化面积占耕地总面积的23.92%,远低于研究区平均水平。

富锦市地形自西北向东南倾斜,市域范围内水资源丰富,拥有松花江、七星河、挠力河以及季节性河流别拉洪河、莲花河等水系,因此研究区东部的低洼平原面临着农业涝灾的威胁。研究区耕地开垦初期多数为旱地,但随着全球气候的变化,降水量持续增加,东北低洼处耕地时常出现内涝问题,造成粮食产量发生下降。为此2000年以来,黑龙江垦区提出“以稻治涝”的发展理念,大力推行作物种植结构调整,通过工程技术手段开展旱改水工程,以确保粮食产量的稳定与提高,所以隶属于黑龙江垦区的东部低洼平原发生了大规模旱地向水田转换的现象。另外,由于水稻市场价值的提高,种植水稻的利益高于其他作物,进而增强了农民对水稻种植的意愿,间接驱动着水田化进程,最终造成研究区耕地水田化的时空分异格局。

3.2 耕地质量时空变化特征

2000—2020年富锦市水田化耕地质量变化显著,耕地质量提升的面积高于质量下降的面积,质量提升的耕地面积为1 825.21 km2,占水田化耕地总面积的67.95%,质量下降的耕地面积为856.68 km2,占耕地水田化总面积的31.89%,质量未发生变化的耕地面积为4.27 km2,占耕地水田化总面积的0.16%。从空间上来看,富锦市各乡镇水田化耕地均发生了质量变化,富锦市中部地区耕地质量下降比重最高,西部地区次之,东部地区量下降比重最低(图2)。

图2 2000-2020年富锦市耕地质量变化空间分布

研究区中部耕地质量下降比重最高,耕地质量提升比例最低,且二者占比相当。其中,大榆树镇耕地质量提升的面积为27.89 km2,占镇域耕地水田化总面积的45.52%,耕地质量下降的耕地面积为33.38 km2,占镇域耕地水田化总面积的54.48%;砚山镇耕地质量提升的面积为55.10 km2,占镇域耕地水田化总面积的74.35%,耕地质量下降的面积为18.99 km2,占镇域耕地水田化总面积的25.63%;向阳川镇耕地质量提升的面积为32.32 km2,占镇域耕地水田化总面积的45.63%,耕地质量下降的面积为37.64 km2,占镇域耕地水田化总面积的53.14%;头林镇耕地质量提升的面积为7.37 km2,占镇域耕地水田化总面积的58.89%,耕地质量下降的面积为5.15 km2,占镇域耕地水田化总面积的41.11%;兴隆岗镇耕地质量提升的面积为51.04 km2,占镇域耕地水田化总面积的64.79%,耕地质量下降的面积为27.52 km2,占镇域耕地水田化总面积的34.93%;五镇耕地质量提升与下降的面积分别占水田化耕地总面积的58.39%和41.23%。

研究区西部耕地质量下降比重与耕地质量提升比例均为次高,但耕地质量提升比例远高于耕地质量下降的比例。其中,上街基镇耕地质量提升的面积为84.00 km2,占镇域耕地水田化总面积的71.06%,耕地质量下降的面积为33.85 km2,占镇域耕地水田化总面积的28.64%;富锦镇耕地质量提升的面积为13.99 km2,占镇域耕地水田化总面积的66.42%,耕地质量下降的面积为6.72 km2,占镇域耕地水田化总面积的31.91%;红兴隆分局耕地质量提升的面积为59.50 km2,占镇域耕地水田化总面积的72.76%,耕地质量下降的面积为21.88 km2,占镇域耕地水田化总面积的26.76%;锦山镇耕地质量提升的面积为102.01 km2,占镇域耕地水田化总面积的54.12%,耕地质量下降的面积为86.08 km2,占镇域耕地水田化总面积的45.66%;长安镇耕地质量提升的面积为88.15 km2,占镇域耕地水田化总面积的76.13%,耕地质量下降的面积为27.25 km2,占镇域耕地水田化总面积的23.53%;四镇一农垦耕地质量提升与下降的面积分别占水田化耕地总面积的66.18%和33.46%。

研究区东部耕地质量下降比重最低,耕地质量提升比例最高,耕地质量提升比例远高于耕地质量下降比例。其中,二龙山镇耕地质量提升的面积为156.55 km2,占镇域耕地水田化总面积的83.92%,耕地质量下降的面积为28.76 km2,占镇域耕地水田化总面积的15.41%;农垦总局建三江分局耕地质量提升的面积为1 060.77 km2,占镇域耕地水田化总面积的68.69%,耕地质量下降的面积为478.65 km2,占镇域耕地水田化总面积的31.09%;宏胜镇耕地质量提升的面积为86.51 km2,占镇域耕地水田化总面积的63.00%,耕地质量下降的面积为50.81 km2,占镇域耕地水田化总面积的37.00%;两镇一农垦耕地质量提升与下降的面积分别占水田化耕地总面积的69.80%和29.88%。

当前国家对耕地保护的认知已从初期的数量保护向数量、质量、生态“三位一体”保护的理念转变,在近几十年实施了多项耕地保护对策。研究区多年来分别实施了永久基本农田划定、耕地占补平衡、城乡建设用地增减挂钩、土地综合整治以及高标准农田建设等项目,对耕地的数量保护、质量的提升、生态的改善均具有积极正向作用。在很大程度上完善了农业基础设施,提高了耕地的灌排条件,打造了旱涝保收且与现代农业生产和经营模式相吻合的农田。特别是在东部垦区系统化、科学化、规模化地进行耕地建设与利用和管理的条件下,使该地区耕地质量发生大规模提高。但仍然值得我们关注的是,部分水田化的耕地也发生了质量下降的问题,且在全域范围内分布较为普遍和广泛。探其原因主要在于,研究区常年以高物质投入为理念的集约化农业,增加了耕地的负荷,重用轻养的种植模式使耕地无法得到休养,同时以化肥、农药、地膜等大量投入为特点的化石农业,改变了土壤的理化性质以及各种循环过程,最终引致研究区普遍发生耕地质量下降的问题。

3.3 耕地质量对耕地水田化的空间响应

研究区耕地质量提升和下降与耕地水田化规模具有正、负双重空间响应,二者均以H—H正相关和H—L负相关为主并零星伴有L—L正相关和L—H负相关的空间响应模式(图3),并且存在东部耕地质量对水田化的空间响应程度高于其他区域的空间格局。除此之外,研究区耕地水田化面积与耕地质量提升和下降的双变量局部空间自相关系数分别为0.042,0.102,且在1%的显著性水平下通过检验,表明耕地水田化与耕地质量提升和下降均存在显著的空间正相关,具有双重空间响应,且耕地水田化与耕地质量下降间的空间关联性较高,敏感性更强。

图3 2000-2020年富锦市耕地质量对耕地水田化空间响应

耕地水田化与耕地质量提升之间的响应关系以H—H和H—L型为主,以L—L和L—H型为辅。耕地大规模水田化与耕地质量提升显著区域,即H—H集聚区,主要分布在东北部垦区,且大多以团块状分布在距离居民点较近的区域,其地形等自然条件和管理等社会经济条件都相对较为优越,耕地水田化面积的增大,极大促进了耕地质量的提升。耕地大规模水田化与小幅度耕地质量提升区域,即H—L集聚区,分布在农垦建三江分局以外的其他地区,耕地水田化的过程使得土地更为平整,水利设施建设更为完善,在一定程度上提升了耕地质量,但提升的幅度低于垦区,因此地方农区应继续加强农田基础设施建设,完善耕地利用与保护政策。耕地水田化与耕地质量下降之间的响应关系仍以H—H和H—L型分布为主,并零星伴有L—L和L—H型分布。耕地大规模水田化与耕地质量小幅度下降的区域,即H—L集聚区,在富锦市全域均有分布,表明耕地水田化引致耕地质量发生小幅度下降的现象在研究区内较为普遍。耕地大规模水田化与耕地质量显著下降的区域,即H—H集聚区,在研究区东部以块状离散分布,其根源在于垦区部分耕地的长期和大规模的种植水稻,强烈扰动了土壤的理化性质,使耕地质量发生大程度的下降,因此垦区仍需加强对长期种植水稻的地块进行质量定位的监测与保护,精准实施水田的休耕制度,使质量退化的耕地得以恢复,走用养结合的农业永续发展道路,实现耕地资源的可持续利用。

在耕地“旱改水”即耕地水田化的进程中,改变了耕地所处的外部环境,长期的淹水状态对区域地表温度产生了显著的降温效应,相关研究已明确指出三江平原水田地表温度与旱田相比平均温差为-7.8℃[20],因此水田的大规模开发利用深刻影响着区域热环境和气候并且降低了耕作土壤微生物的活性、阻碍了土壤碳氮和代谢过程。与此同时,水田的种植强度远高于旱田种植,频繁的灌溉和翻耕旋耕等耕作模式,破坏了土壤的团聚体结构和养分输送能力,增加了耕地质量退化的风险。需要说明的是,尽管研究区东北部耕地水田化现象较为剧烈,但并未对耕地质量造成影响,反而却起到了提升的作用,其主要原因是垦区内已实现规模化、现代化和科学化的种植模式,保护性耕作技术和休耕制度已得到全面推广,地区土壤养分含量和蓄水能力明显提升,有效减少了土壤侵蚀和水蚀现象的发生。并且垦区在耕地布局上更为规整、农田基础设施建设上也更为完善,对耕地质量保护均起到了积极作用。

4 讨论与结论

4.1 讨论与对策

本研究从耕地利用变化将深刻影响耕作土壤理化性质和外在利用条件的视角入手,运用LESA耕地质量评价体系、CRITIC模型以及双变量局部空间自相关模型,明确了研究区耕地水田化和耕地质量的时空变化特征,揭示和刻画出了耕地质量对耕地水田化的空间响应,结果表明耕地水田化对耕地质量具有正、负两方面的效应。基于此,本文提出以下两点治理对策。

在耕地水田化促进耕地质量提升方面,对耕地大规模水田化促进质量大幅度提升区域(H—H区域)应适当的增加耕地水田化规模,积极地进行“旱改水”项目,改善耕地的形态以及农业基础设施,提升耕地质量;针对耕地大规模水田化促进质量小幅度提升区域(H—L区域)应限制耕地水田化过程,提高旱改水项目的提质效率,准确诊断质量提升的限制性因子,以全域土地综合整治和高标准农田建设为主要手段,突破限制性因子的约束,提高区域耕地质量。

在耕地水田化诱致耕地质量下降方面,对耕地大规模水田化造成质量大幅度下降区域(H—H区域)应禁止耕地旱改水项目,并对已经实现水田化的耕地进行休耕,利用“天—空—地”立体监测技术,对该类耕地进行长期定量监测,组织建立专家智库,对耕地质量作出准确评价,及时修正休耕年限;对质量难以得到提升的耕地可对其进行水改旱和退耕,减少人类耕种活动对耕地的扰动。针对耕地大规模水田化导致质量小幅度下降区域(H—L区域)应继续推进保护性耕作制度,使质量轻度下降的耕地得以恢复,并且积极探索更符合研究区域的保护性耕作模式,改善耕作土壤的理化性质以及外在利用条件,增强耕地抗御外界不利因素的能力,提高耕地系统韧性,实现黑土耕地的永续利用。

4.2 结 论

(1) 研究期内富锦市耕地水田化现象强烈且空间差异显著,耕地水田化面积共2 691.14 km2,占研究区耕地总面积的42.92%,年均变化量为134.56 km2/a。其中,东部地区耕地水田化现象最为显著,西部次之,中部相对较弱。

(2) 研究期内富锦市水田化耕地质量变化显著,质量提升的耕地面积占耕地水田化总面积的67.95%,质量下降的耕地面积占耕地水田化总面积的31.89%,质量未发生变化的耕地面积占耕地水田化总面积的0.16%;在空间维度上,富锦市各乡镇的耕地水田化过程均引发耕地质量改变,其中中部地区耕地质量下降比例最高,西部地区次之,东部地区下降比例最低。

(3) 富锦市耕地质量对耕地水田化具有双重响应,耕地质量下降对耕地水田化的响应更为敏感,研究区整体呈现出东部垦区耕地质量对耕地水田化响应程度高于其他地方农区的空间格局。