耕地质量监测渐变分布范围确定方法研究*

任 艳，陈兰康，尹秋月，段正松，尹晋磊

(广西壮族自治区国土测绘院，南宁 530023)

·技术方法·

耕地质量监测渐变分布范围确定方法研究*

任 艳，陈兰康※，尹秋月，段正松，尹晋磊

(广西壮族自治区国土测绘院，南宁 530023)

开展耕地质量监测，对全面掌握耕地质量动态变化，实现耕地数量质量并重管理具有重要意义，而如何合理确定耕地质量监测渐变分布范围是当前土地工作者的一个难点。文章以扶绥县为例，将时序比较法引入耕地质量监测渐变分布范围的确定，通过对一定时间段的耕地质量分等因素变化进行对比分析，找出引起耕地质量等别渐变的主导因素分布范围作为监测渐变分布范围，并与组合类型法比较，分析两种方法优劣，以期为优化监测渐变分布范围确定提供参考。研究结果表明：将时序比较法引入监测渐变分布范围确定，得到了精度较高的监测渐变分布范围。该方法较组合类型法在监测渐变分布范围确定上采用了Kriging插值技术，提高了确定监测渐变分布范围的精度，工作效率较高，具有一定的先进性，但该方法对数据源要求较高，需有一定时段的数据源；组合类型法应用范围广，不受数据源限制，但在确定监测分布范围上有一定的模糊性，需进行大量的实地核实工作才能最终确定分布范围，增加了人为工作量。因此，在实际工作过程中，可综合两种方法的优缺点，根据实际情况选择合适的监测分布范围确定方法。

耕地质量 监测评价 渐变类型分布 时序比较法 Kriging

0 引言

耕地是人类赖以生存与发展的基础，合理利用和保护好耕地资源、提高粮食生产能力，是我国长期面临的重大课题[1]。目前，我国已完成了全国耕地质量分等和耕地地力调查工作，建立了比较完善的耕地质量基础数据[2]。由于耕地条件受自然环境因素和宏观经济政策因素影响，耕地等别及产能相对稳定或缓慢变化，通过现有耕地质量等别成果，开展耕地质量动态监测，为全面掌握耕地质量动态变化，实现耕地数量质量并重管理，意义重大[3]。耕地质量监测主要包括选取监测主导因素类型、合理确定监测渐变类型分布范围及布设监测样点等3方面工作，其中如何合理确定耕地质量监测渐变分布范围，是耕地质量动态监测重要的基础工作，能从全局的角度指导监测点布设[4]。

目前，已有不少学者对监测渐变类型分布范围的确定方法进行了研究，彭磊等利用聚类分析方法和GIS 空间叠加分析功能对化州市耕地质量监测进行了分区划定[4]； 孙亚彬、吴克宁等提出“自然等别-主导因素”潜力组合模型来确定监测范围区域[5]； 马建辉等提出耕地等别限制系数高低来划分监测范围区域[6]。但目前耕地质量监测范围的研究大多都是在当前自然社会及经济水平或分等因素限制水平等基础上确定的，由于耕地受自然环境影响的变化趋势是缓慢进行的，很少有将监测范围划分放到5年前、10年前甚至20年前，这种长远的发展趋势上来确定耕地质量监测渐变分布范围，保证分布范围的合理性与科学性。为探讨耕地质量监测渐变分布范围的确定方法，找出适合各个区域较优的确定方法，笔者提出将时序比较法引入耕地质量等别监测渐变分布范围的确定，以扶绥县为例，进行了实证分析，并与“自然等别-主导因素”组合类型法进行比较，以期为优化监测区域选择方法、开展耕地质量等别年度监测工作提供技术参考。

1 研究区概况与数据准备

1.1 研究区概况

扶绥县属广西壮族自治区崇左市，全县总面积2 836km2，下辖8镇3乡。县南宽北窄，略呈葫芦形，南北两面地势较高，腹部是波状盆地和带状冲积小平原，由西向东略有倾斜。地处北回归线以南，紧邻热带北缘，属南亚热带季风气候左江谷地干热气候区，生物种植资源丰富，农业种植结构以粮食和甘蔗为主。全县农作物播种面积11.388 1万hm2，其中粮食作物播种面积1.595 6万hm2，占全县农作物播种面积的22.32%，甘蔗播种面积7.148 4万hm2，占全县农作物播种面积的62.77%，是我国甘蔗的主产区。

1.2 数据准备

该研究采用的空间基础数据主要有扶绥县耕地地力评价成果、耕地质量分等数据库，其他资料主要包括县农业区划、地形、水资源分布等资料，用于对县级耕地分等因素(土壤类型、土壤肥力、理化指标)分析整理，辅助划分监测控制分区及确定监测类型分布范围。

2 研究方法

2.1 时序比较法

时序比较法是通过比较具备一定时间跨度的耕地质量主导因素变化情况，采取定量分析的方法将耕地质量主导因素存在缓慢变化的区域提取出来作为监测区域范围的一种耕地质量等别监测渐变分布范围的划分方法。Kriging插值是一种基于空间位置以已知样点预测未知样点的无偏最优估计方法，其前提假设为样点具有二阶平稳性，该方法在土壤肥力评价方面应用较多，评价结果较精确[7-9]。耕地质量分等主导因素中，如土壤有机质含量、土壤酸碱度等在空间上具有二阶平稳性[10-12]，因此，可应用Kriging插值法对影响土壤肥力的主导因素进行插值分析，确定不同时间在相同空间上的主导因素分布范围，再通过时序比较确定这一时序主导因素类型渐变分布范围区。目前耕地质量等别评价成果是通过对农用地分等成果补充完善形成与最新土地利用现状数据一致的等别成果，但其分等主导因素和评价依据均为20世纪90年代形成的土壤调查数据； 农业部门于2008年开展了耕地地力评价，并得到最新的耕地地力评价成果数据库，该成果基期年为2008年，包含耕地质量分等常规的土壤肥力因素值。因此，基于耕地质量分等成果和地力评价成果采用Kriging插值法生成的区域分布图，具备空间时序比较的基础，通过对2套成果的对比分析，找出主导因素发生变化的区域作为耕地质量监测渐变分布范围。

2.2 组合类型法

“自然等别-主导因素”组合类型法是将影响耕地质量的主要指标因素与自然质量等别进行组合，自然质量等别越高表明指标因素对耕地质量的限制程度越低[5]，通过分析不同组合类型中的耕地质量主导因素对耕地质量变化趋势的限制程度，从而确定耕地质量等别渐变分布范围的一种定量结合定性的方法。其思路为将影响耕地质量的指标因素实际分值与耕地质量等别成果中相同指标的满分值进行比较，同时考虑自然等别测算中该因素的权重，确定该指标因素对自然等别的限制程度，然后计算各因素的限制程度对自然等别总限制程度的影响大小，将计算得到的各项因素指标的影响程度大小从高到低进行排列组合，最后统计出“自然等别-主导因素”组合类型，根据组合类型划分监测渐变分布范围。

3 实证研究

研究首先通过相关资料收集分析来选取该区域的主导因素指标； 然后根据该区域自然状况、耕地利用水平和效益水平来确定监测控制区，在监测控制区基础上，分别采用时序比较法和组合类型法勾绘耕地质量监测渐变分布范围； 最终，将两种方法结果进行专家咨询和实地调查核实，对比分析两种方法的优劣，找出适合于区域的耕地质量渐变分布范围确定方法。

3.1 主导因素选取

主导因素是在一定分布范围内，决定耕地质量等别渐变趋势或渐变程度，起主要作用的耕地质量分等因素，该次通过定量和定性相结合的方法确定。扶绥县耕地质量分等因素主要有表层土壤质地、土壤有机质含量、土壤酸碱度、地下水埋深、灌溉保证率和排水条件[13]，结合农业气象、土地利用规划、水资源空间分布和农业调查等资料，以及进行实地调查分析，扶绥县耕地质量存在渐变趋势的主导因素为土壤有机质含量和土壤酸碱度。本次监测研究土壤有机质含量和土壤酸碱度两种主导因素变化引起的耕地质量渐变区域。其中，由于土壤有机质含量缓慢提高的称为肥力提升型，土壤有机质含量缓慢降低的称为肥力衰退型，土壤酸化度缓慢酸化的称为酸化型。

3.2 确定监测控制区

监测控制区是在给定的时空尺度下，自然和社会属性具有一致性的均质区域，监测控制区内气候、地形地貌、耕地利用水平、投入产出水平和耕地利用方式应具有相对一致性，不同监测控制区之间的上述综合属性应具有明显区别[11]。

在县域范围内，影响耕地质量并具有区域变化的自然条件主要是地形因素和土壤因素，按照县域地形地貌和土壤类型进行自然质量分区划定(图1)，采用耕地质量分等成果中的土地利用系数和土地经济系数等值区分别划定利用水平控制区和收益水平控制区，然后将3个控制区进行叠加，并将空间上相对孤立、零散的分区域临近分区进行合并后，扶绥县最终划定23个监测控制区(图2)，监测控制区编号从JCQ01到JCQ23)。确定监测控制区是为了使划定的渐变类型分区在驱动因子上具备自然和社会经济条件的一致性，因此在划分监测渐变类型分布范围时将以监测控制区为基础，同一主导因素渐变分布范围尽量不突破监测控制区，以保证监测区域范围内自然社会经济条件一致。

图1 自然因素分区分布 图2 监测控制区分布

3.3 监测渐变类型分布范围确定

3.3.1 时序比较法

研究收集到了扶绥县2008年完成的耕地地力评价成果和2004年完成的耕地质量分等成果，为实现主导因素在这一时段的变化分析来提取渐变类型分布范围，分别对2套成果中土壤有机质含量和pH值因素，运用ArcGIS空间分析功能和普通Kriging插值法，生成有机质含量分布图和pH值分布图，对比这一时段的数据变化情况，提取变化区域作为监测渐变分布范围。由于监测控制区是根据气候、地形地貌、利用水平及投入产出水平的不同划分而来，因此，在提取变化区域时以监测控制区为控制，渐变类型分布范围尽量不破监测控制区边界，保证渐变分布范围的准确性。基于Kriging插值的时序比较法结果如下：

(1)土壤有机质含量渐变类型分布范围勾绘

采用Kriging插值后，下图颜色由浅到深有机质含量逐渐提高(图a、b)，相比分等成果，地力评价成果显示该区域土壤有机质含量近年来在整体上有所降低，尤其是北、中南、东部较为明显，而肥力有所提升区域主要分布在南部和东北部。通过ArcGIS的叠加分析功能，找出这一时间段肥力逐步提高和逐步降低的区域(图c)，作为初步划定的有机质含量渐变分布范围。

图3 分等有机质含量分布(a)、地力有机质含量分布图(b)和有机质含量渐变分布范围(c)

(2)土壤pH值渐变类型区勾绘

采用Kriging插值后(图d、e)，下图颜色由浅到深土壤pH值逐渐提高(由酸性趋于中性)，可见近年来该区域土壤酸碱度整体上有所降低，存在酸化现象的区域主要集中在中部区域。通过ArcGIS的叠加分析功能，结合划定的监测控制区，提取土壤酸碱度逐渐酸化的区域作为土壤酸化型渐变分布范围(图f)。

图4 分等pH值分布(d)、地力pH值分布(e)和pH值渐变类型分布范围(f)

3.3.2 组合类型法

“自然等别-主导因素”组合类型法的核心是自然等别的提等潜力指数[5]，根据每个地块计算其主导因素对自然等别的限制程度，选出对自然等别限制程度最大的因素作为其渐变主导因素[5]，将自然质量等别与主导因素进行组合，选取相同组合类型集中连片的区域勾绘出来作为渐变类型分布范围，以保证监测范围的全面性和准确性。具体计算过程如下。

(1)计算因素指标限制程度

Dik=100-Pik

(1)

Gik=Dik·Wk

(2)

其中，Dik为第i个分等单元内第k个分等因素指标限制分值； Pik为耕地质量等级补充完善成果中第i分等单元内第k个分等因素指标实际分值； Gik为第i个分等单元内第k个因素指标限制程度； Wk为第k个分等因素的权重，由分等参数确定。

(2)计算因素指标影响大小

Yik=Gik/∑Gik

(3)

其中，Yik为第i个分等单元内第k个分等因素指标影响大小； Gik含义同上； ∑Gik为各因素指标限制程度之和。

(3)统计“自然等别-主导因素”组合类型

根据各因素对自然等别的影响大小，统计扶绥县耕地“自然等别-主导因素”的组合类型，最终对各组合类型集中连片的区域勾绘出来，作为监测渐变类型分布范围区，见图5h。

4 对比分析

将两种方法得到的耕地质量等别监测渐变分布范围反馈到国土资源局、农业局和水利局等相关部门，由各部门熟悉本县实际情况的专家或技术人员针对监测类型及范围的合理性、准确性提出建议，并根据意见通过实地调查后确定最终监测渐变分布范围。在监测控制区的基础上，最终确定27个耕地质量监测渐变分布范围。下图为两种方法得到的监测渐变类型分布(图g、h)及专家咨询实地调查确定的渐变类型分布结果(图i)，其中，肥力提升型共8个(FLTS01-FLTS08)、肥力衰退型共9个(FLST01-FLST09)和酸化型共10个(TRSH01-TRSH10)。

图5 时序比较法(g)、组合类型法(h)和经专家咨询后(i)渐变类型分布范围

从图5可看出，通过时序比较法所确定的分布范围相对集中连片且覆盖范围较少，而组合类型法比较分散零碎但覆盖范围较大，时序比较法经与最终确定的分布范围相似度高。主要原因是由于组合类型法缺少直接变化数据的对比，分布范围根据主导因素的限制程度进行划分，具有一定的预测性质，即限制程度高不能等同于实际发生了变化，输出的覆盖范围较大，如根据分等数据、渠旧镇、山圩镇主要为肥力提升型和酸化型，而经专家咨询和实地调查后这些区域无该类型； 其次，组合类型法主要考虑主导因素中限制性较强及最有可能发生渐变的区域，但实际中限制性较弱的区域也会存在主导因素渐变的情况，通过组合类型法则很难确定。如图d中岜盆乡周边地区，土壤pH值大多为弱酸性，通过组合类型法计算限制性居于中位数附近，但是通过时序比较法发现，部分区域存在酸化现象，属于酸化型。时序比较法有一定时段数据变化的比较，在确定渐变分布范围时精度相对较高，而组合类型法是基于数据分析基础上的预测性分析，覆盖范围较大，增加实地核查的工作量。因此，当有多时段数据时，建议优先选用时序比较法。

5 结论与讨论

该研究结合GIS空间分析技术、Kriging插值法及数据挖掘等理论方法，提出了基于Kriging插值的时序比较法确定监测渐变类型分布范围，并以扶绥县为例，分别采用时序比较法和组合类型法对耕地质量监测类型分布范围的确定进行了实证研究，并对两种方法结果进行了比较分析。

时序比较法是通过对比具备一定时间跨度的空间数据成果，直接找出耕地质量主导因素发生变化的区域，准确性和效率极高。但是不同年代的数据成果比例尺不一致，空间框架不同、数据格式不同不具备可比性，该研究使用Kriging插值将不同时序、不同比例尺的数据统一到相同空间数据基础上，使其具备了空间分析和对比的可行性。因此，时序比较法适合有多时段数据时确定耕地质量监测渐变分布范围，其缺点是Kriging插值法是一种基于空间位置以已知样点预测未知样点的无偏最优估计方法，前提假设为样点具有二阶平稳性，对于在空间上不具有二阶平稳性的主导因素不宜使用kriging插值，需找寻其他方法进行数据分析和处理。

组合类型法是以耕地等别受耕地质量分等因素的限制程度为基础，根据其限制的强弱，将限制性较大并具有相同主导因素的集中连片区域为监测渐变分布范围。该方法适用于基础资料不全的区域开展相关基础工作，降低了对基础资料和其他部门相关研究成果的依赖型，其局限性在于由于没有外部数据的对比，精度不高，需要开展大量的外业和实地调查工作，增加了工作量和成本。

在实际工作过程中，可结合两种方法的优缺点，选择适合区域实际情况的监测渐变类型分布范围确定方法，精确和高效确定监测分布范围，为开展耕地质量等别年度监测工作，科学合理确定监测分布范围提供思路及技术参考。

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[13]GB/T 28407-2012，农用地质量分等规程

GRADIENT DISTRIBUTION OF CULTIVATED LAND QUALITY MONITORING*

Ren Yan, Chen Lankang※, Yin Qiuyue， Duan Zhengsong, Yin Jinlei

(Guangxi Bureau of Surveying and Mapping，Nanning 530023， China)

Cultivated land quality monitoring is of great significance to fully grasp the dynamic changes of cultivated land quality and realize the quantity and quality management of cultivated land. How to reasonably determine the quality monitoring gradient distribution of cultivated land has become a problem. Taking Fusui county as an example, the paper introduced sequence comparison method to determine the cultivated land quality monitoring gradient distribution. The method compared and analyzed the factor change of cultivated land quality classification in a certain period, and found the distribution of the dominant factor of the cultivated land quality. The results showed: the method to determine the monitoring gradient distribution range promoted the precision of the distribution range. Compared to the combination type method, the method which used the Kriging interpolation technology improved the monitoring accuracy of gradient distribution range and work efficiency. However, the method needed higher data source. The combination type method could be used more widely and had less restriction of data source, which needed a large number of field verification to determine the distribution range. Therefore, the two methods can be integrated to determine the scope of monitoring the distribution according to the actual situation.

cultivated land quality; monitoring evaluation; gradient distribution; sequence comparison method; Kriging

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170107

2016-08-31 作者简介：任艳(1988—)，女，四川广元人，硕士。研究方向：土地评价与地理信息技术。※通讯作者：陈兰康(1979—)，女，广西玉林人，高级工程师。研究方向：耕地质量调查评价与地理信息技术。Email： 370119606@qq.com *资助项目：广西壮族自治区国土资源厅“广西耕地质量等级成果补充完善项目”(GXKIJ20133073-E)

F301.2

A

1005-9121[2017]01038-07