甘肃省耕地质量等别特征与空间分布研究*

2018-01-31汪延彬胡燕凌卜春燕米成林

中国农业资源与区划 2017年11期

关键词：插值甘肃省耕地

汪延彬,胡燕凌,卜春燕,米成林

(甘肃省国土资源规划研究院，兰州 730030)

0 引言

耕地是人类赖以生存与发展的重要土地资源，中国以不足世界9%的耕地面积养活世界近20%的人口，有限的耕地承载着巨大压力，耕地数量和质量的变化备受政府和学者的广泛关注[1-6]。

中国耕地面积逐年减少、等级不高、分布细碎，耕地后备资源少的现状使耕地保护从数量管护转向数量质量并重管护成为必然，这是全面落实耕地保护国策、稳定粮食综合生产能力的现实需要，是由中国的土地国情决定的[7]。

国土资源部于1999～2009年在全国范围内组织了分省的农用地分等调查评价任务，于2009年完成了全国农用地分等工作[8-9]，并从2012年起开展耕地质量等别年度更新。甘肃省依据《农用地分等规程》[10]，分别于2008年、2011年、2012年、2014年、2015年开展5轮耕地质量等别调查工作，以土地调查形成的耕地图斑为对象，通过“地形坡度”、“地表岩石露头度”、“有效土层厚度”等11项指标，逐图斑完成定量评价，最终将耕地质量表征为自然质量、利用和经济3个层次的等别。耕地质量等别统一为1～15等， 1等地最优， 15等地最差。全省评价成果已完整覆盖全省87个县(市、区)及3个独立区，成果类型丰富。

甘肃是典型的生态脆弱区和欠发达地区，随着城市化、工业化的推进，为实现“保护资源、保障发展”和“与全国同步进入小康”的目标，全省耕地资源数量、质量面临更大的保护压力。目前我国已在耕地监测体系的构建、耕地质量监测指标选取、耕地监测样点布设等方面取得了一定成果[11]，但甘肃省关于耕地质量方面的研究仅在县级层面且数量较少[12]，有关耕地质量省域分布特征的研究还未见报道。文章依据甘肃省耕地质量等别调查评价成果，分析形成各市州和标准耕作制度二级区统一可比的耕地质量等别序列，并通过GIS分析完成耕地质量空间分布格局研究，具有一定的创新性。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

甘肃地处西北内陆，位于黄土高原、青藏高原和蒙古高原的交汇地带，气候呈现3个明显特点：一是大陆性气候特征强，年降水量自东南向西北递减；二是气象要素的垂直变化明显；三是气候类型多样，旱灾、冰雹、霜冻和风沙等农业气象灾害时有发生。全省设12个地级市和2个自治州，土地面积居全国第7位，耕地面积占全国的3.99%。

由于分布地域不同，甘肃省耕地资源利用方式大致以黄河为界呈现不一样的特点：黄河以东多为雨养旱作农田和坡耕地，水土流失严重，耕地经营粗放，集约化水平低；黄河以西多为灌溉农田和平原耕地，风沙侵袭频繁，耕地精耕细作，条田化、机械化、集约化程度高。

1.2 数据来源

数据来源于甘肃省2015年耕地质量等别评价的分县成果及省级汇总成果，县级图层空间比例尺为1： 1万，省级为1： 50万。

2 研究方法

2.1 空间插值分析

耕地质量等别的空间分布差异采用地统计插值方法分析。地统计学与经典统计学都是在大量采样的基础上，通过对样本属性值的频率分布、均值、方差等关系及其相应规则进行分析后，确定其空间分布格局与相关关系[13]，地统计学在经典统计学的基础上进一步考虑了样本空间位置及样本间距离，最常用的插值方法是克里格插值，计算公式可统一表示为：

(1)

式(1)中，Z(x0)为未知点的值；Z(xi)为未知样点周围的已知样本点的值；λi为第i个已知样本点对未知样点的权重；n为已知样本点的个数。

该研究空间插值分析以省级1： 50万耕地图斑为基础，用于插值的样点共369个(图1)，用于验证的样点为158个。插值分析由ArcMap软件完成，使用正态QQPlot工具验证样本的自然质量、利用和经济等指数是否服从正态分布。通过对比采样点等指数的半变异函数云图并分析不同模型产生的检验方差，确定全省自然质量、利用和经济等别均采用圆形模型和各向同性的建模方式。

2.2 平均等别计算

市州、标准耕作制度分区数据采用对应县(市、区)等别数据的累加值。区域内的耕地质量平均等别采用面积加权平均法，按照式(2)计算[14]。

(2)

式(2)中，Y为等别平均值;imin为等别最小值;imax为等别最大值;Fi为i等耕地面积;F为耕地总面积。

3 耕地质量等别空间分布格局

3.1 自然质量等别

耕地自然质量等别反映了区域光、温、水、土等自然条件。图2为经空间插值的甘肃省耕地自然质量等别空间分布状况，可以看出，全省有4个中等地分布主要区域(图中A、B、C、D区域)，陇中与陇东地区多为低等地，但在兰州市和白银市境内存在一个“西南—东北”走向的中等地带状区域，涉及兰州市红古区、西固区和白银市靖远县、平川区、景泰县。

从空间格局看，陇南地区中等地和低等地的分界线较为明显，在天水市麦积区、秦州区—陇南市礼县、宕昌县—甘南州舟曲县一带，这与甘肃省南部500mm降水等值线分布较一致；河西走廊地区中等地和低等地的分界主要在武威市、张掖市和金昌市境内，这与石羊河、黑河的流域分布关系密切。

图1 空间插值样点分布状况及正态QQPlot

图2 甘肃省耕地自然质量等别空间分布图3 甘肃省耕地利用等别空间分布

3.2 利用等别

耕地利用等别在自然质量等别基础上进一步考虑了区域农耕水平、用地强度、种植技能等因素，通过“土地利用系数”调节。从甘肃省耕地利用等别空间分布状况(图3)可以看出，中、低等地空间分布格局更加明显：中等地主要集中在陇南市和河西走廊地区张掖市民乐县以西，低等地在陇中、陇东地区的范围进一步扩大；兰州市、白银市境内“西南—东北”走向的中等地带状区域进一步缩小为3个区块。

全省中、低等地等值线整体向东南、西北方向缩进：陇南地区向东南方向平均缩进18km，河西走廊地区以张掖市民乐县为界，向西平均缩进13km。

3.3 经济等别

耕地经济等别在利用等别基础上进一步考虑了土地投入产出水平因素，通过“土地经济系数”调节。从图4可以看出，中等地在全省范围的空间分布进一步缩小，在陇南地区缩小至礼县、徽县两个区块，在兰州白银地区缩小至红古—西固、景泰两个区块，在河西走廊地区平均向西缩进28km至张掖市临泽县、高台县和酒泉市肃州区。

值得一提的是，全省经济等别中、低等地的缩小幅度和范围相比利用等别更大、更广，说明全省土地投入产出水平差异比土地综合利用水平差异要更明显，这种趋势在甘肃南部地区尤为凸显：陇南地区自然质量多为中等地，受土地利用系数和土地经济系数较低的影响，利用中等地范围缩小约10%，但经济中等地范围缩小近80%。

图4 甘肃省耕地经济等别空间分布图5 甘肃省各县平均等别状况

4 耕地质量等别数量特征分析

4.1 全省整体特征

根据评价结果，甘肃省耕地分布在8～15等， 8等地质量最好， 15等地质量最差。经面积加权，全省耕地质量平均为13.1等，比全国平均等9.96等[15]低3.1等。

各县平均等别分布见图5，共43个调查单元介于13～14等之间，占全省调查单元总量的48%；有52个县级单元的平均等处于全省平均水平之下。

根据相关学者研究成果，按照1～4等、5～8等、9～12等和13～15等将耕地划分为优等、高等、中等和低等4个档次[8]。图6显示，甘肃省无优等地，高等地仅为0.05万hm2，占全省耕地比例不足0.01%；中等地占比为27.56%，低等地占为72.43%。

图6 甘肃省耕地等别结构

4.2 各市(州)对比

从各市(州)分布情况来看(表1)，耕地等别分布情况差异较大：河西走廊的各市(嘉峪关市、金昌市、武威市、张掖市、酒泉市)耕地等别较高，等别集中在10～13等；南部的临夏州、甘南州和陇南市的耕地等别多在12、13等；陇中、陇东的大部分耕地等别在13等以下。

全省高等地主要分布在水、气条件较好的陇南市，数量很少；中等地主要在武威市(27.4万hm2)、酒泉市(26.1万hm2)、陇南市(25.1万hm2)和张掖市(20.9万hm2)，上述4市中等地规模占全省的67%，与图2中A、B、C、D 4个区域的分布范围及面积比例(72.6%)相吻合；低等地主要分布在定西、庆阳、天水、白银、平凉、陇南和兰州市，上述7市低等地规模占全省的83%。

从平均等看，最高的3个市为嘉峪关市、酒泉市和张掖市，平均等分别是10.18等、10.49等和11.87等；最低的3个市为定西市、庆阳市和平凉市，平均等分别是13.91等、13.69等和13.59等；平均等别最低的定西比最高的嘉峪关低3.7等。

4.3 各标准耕作制度二级区对比

甘肃共有6个农用地分等指标控制二级区：甘南高原区、河西走廊区、晋陵丘陵沟谷区、陇东黄土旱塬区、陇中黄土丘陵区和盆周秦巴山区。

图7显示，甘肃省各二级区耕地等别分布差异较大：河西走廊区和盆周秦巴山区的耕地等别较高，区域的平均等分别为11.85等和12.72等，其他4个二级区内耕地均以低等地为主。虽然甘南高原区降雨、地形条件较好，但受积温等因素影响，气候和光温生产潜力较低，较大程度影响了耕地质量。

从各等别耕地在各二级区的分布来看，高等地主要分布于盆周秦巴山区，但数量非常少；中等地主要分布在河西走廊区、陇中黄土丘陵区和盆周秦巴山区，3个区域中等地的面积占全省的97.8%；低等地主要分布在陇中黄土丘陵区和陇东黄土旱塬区，2个区域低等地的面积占全省的71.9%。

表1 甘肃省各市(州)耕地等别占比情况 %

图7 甘肃省各二级区耕地等别状况

5 结论与展望

5.1 结论

该文从省域角度分析了全省、各市、各二级区耕地质量等别特点，并采用空间插值方法，揭示了全省不同层级等别下中、低等地的分布差异和中等地等值线的变化情况，结果表明：

(1)数量特征分析及空间插值结果均显示，甘肃省中等地主要分布在4个区域，陇南地区、兰州白银一带、张掖市山丹县以西和武威市古浪县以北。中等地分布范围在自然质量等别、利用等别和经济等别下呈现逐步缩小的趋势。利用中等地等值线在陇南地区向东南方向平均缩进18km，在河西走廊地区以张掖市民乐县为界，向西平均缩进13km。经济中等地在陇南和中部地区由区域缩小至零星区块，经济中等地等值线在河西走廊地区平均向西缩进28km。

(2)全省耕地质量等别总体水平偏低，平均等为13.1等，无优等地，仅有不足0.01%的高等地，低等地的占比达72.4%。

(3)14个地级市中，嘉峪关市平均等别最高，为10.18等，定西市平均等别最低，为13.91等； 6个二级区的耕地等别分布差异较大，河西走廊区和盆周秦巴山区的耕地等别较高，平均等分别为11.85等和12.72等，其他4个二级区内耕地均以低等地为主。