基于限制因素组合序列的耕地质量提升潜力研究*——以什邡市为例

冯茂秋，黄 佩，潘洪义※，徐 婕

(1.四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室,成都 610066； 2.四川师范大学地理与资源科学学院，成都 610066)

0 引言

随着城市化步伐的持续推进，耕地格局变化愈加剧烈。长期以来，耕地数量始终被置于优先位置，导致耕地质量与结构趋于恶化。在现代化建设的新时代下，进一步挖掘耕地潜力，对加强耕地质量建设，优化耕地结构具有重大的意义[1-2]。对此，国内外诸多学者展开深入研究。国外耕地潜力研究多以土地潜力评价为主，以美国农业部土壤保持局为代表创先提出以自然因素为主要评价因素的土地潜力评价系统[3-5]。随后其他国家学者相继借鉴该系统采用不同潜力级组成的土地利用潜力评价系统[4]。在此基础上，国外从自然限制因素出发展开对耕地质量提升的研究，主要集中于指标选取和质量改良。其中Doran指出，在众多的土壤质量指标中，必须选择最能反映土壤质量状况指标[6]。Ahmad对巴基斯坦土壤压实现状导致的作物产量下降进行了研究分析，并提出相应改良措施[7]。Brejda 等采用因素分析确定土壤质量的主要因素，采用差异显著性分析检测对不同利用方式反应灵敏的土壤属性[8-11]。

随着对耕地潜力的深入研究，部分学者开始考虑在数量和质量的基础上引入生态理念，或构建多指标评价体系对耕地整理潜力进行实证研究[12-19]。国内学者在研究耕地潜力方面多以土地整理为依托，以增加可利用耕地面积、提高耕地综合生产能力和生态环境改善程度三者来表征潜力[20-21]。并且出现耕地整理潜力测算由单一数量潜力测算，逐步向三者并重的趋势发展[14]。国内对耕地质量提升的研究大体上存在“质量评价是基础，限制因素分析是关键，土地整治是出口”的思路。石淑芹等通过对东北地区耕地进行评价并划分中高低产田，提出了东北地区增加粮食潜力的方向[22-23]。张瑞娟等从土地整治可以改善或消除耕地质量限制因素的程度出发，构建评价指标体系进行提升潜力计算[24-26]。吴昊利用东北三省的耕地分等成果，分析低等耕地的主要限制因素，并以自然质量等潜力指数模型为依据，划分土地整治重点区，并给予针对性提高举措[27]。关于数量潜力测算多采用已实施项目区新增耕地系数法计算[28]，且多通过区域待整治耕地现状与理论间的差距来测算[28-29]。综上，国内关于耕地质量限制因素分析上还需加强定量分析，加强具体研究的科学性。

文章在把握耕地质量现状的基础上，采用限制性指数模型，定量计算不同限制因素的限制性大小，以此为基础分析影响耕地质量的主导限制因素，进行质量提升分区。分别对不同质量提升区的潜力进行测算，定量分析什邡市耕地质量提升潜力。以期为全市耕地质量的建设与发展指明方向，丰富耕地质量潜力研究思路。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

什邡市属德阳市下辖的县级市，地处成都平原西北部，位于103°47′E～104°17′E， 31°01′N～31°37′N之间[30]。截止2014年末，什邡市总人口43.781 4万人，其中农业人口占72.81%，全年实现地区生产总值220.16亿元。2014年全市土地总面积为8.202 7万hm2，辖2个街道办事处和14个乡镇[31]。受地形条件限制，什邡市平原面积约占38%左右，土地利用类型多样，但耕地比重较小。耕地后备资源缺乏，耕地数量潜力相当有限，对耕地质量提升的要求将进一步提高。

1.2 数据来源

耕地数量数据主要来源于什邡市2014年遥感影像解译结果和什邡市土地利用现状数据； 耕地质量数据来源于2010年度什邡市耕地质量等级补充完善成果； 统计数据来源于2015年《什邡市统计年鉴》，以及相关政府部门网站。结合基础数据，对遥感影像进行解译并完成土地利用分类； 对照土地利用现状图对分类结果进行修正，在确保精度的前提下，提取耕地图斑，并利用高清影像进行地类识别的辅助判断，形成2014年耕地基础图层。

2 研究方法

2.1 限制指标选取及权重

基于指标选取的综合分析、稳定性、可操作性原则，该文将沿用四川省农用地分等因素指标体系，将其作为影响耕地质量的限制因素。具体指标包括有效土层厚度、表层土壤质地、剖面构型、土壤有机质含量、排水条件、地形坡度以及灌溉保证率等8种。为了与现有什邡市农用地分等成果具有可比性，该文采用的分等因素权重与已有农用地分等成果保持一致，沿用什邡市分等因素指标权重作为限制因素的指标权重值(表1)。

表1 什邡市耕地质量限制因素指标权重

限制因素有效土层厚度表层土壤质地剖面构型土壤有机质含量土壤酸碱度排水条件地形坡度灌溉保证率权重0.120.080.140.150.080.140.090.2

2.2 限制性指数模型

限制因素——李比西最低因素定律又称最低定律或最小定律，它是由德国化学家李比西J.V.Liebig提出[32]。在耕地质量提升潜力的研究中，该理论中的最低因素实际上表示制约耕地质量提升的最大限制性因素。限制性指数模型是在农用地自然等指数计算公式的基础上，将影响耕地质量限制因素在农用地分等中的最大值与的实际分值进行比较，两者差额占最大值的百分比即为该因素在全域的限制程度[3-35]。具体计算公式为：

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中，Lik为第i个地块的第k个限制因素的限制性大小；Rik为第i个地块第的k个限制因素的最大自然等别指数；rik为第i个地块第的k个限制因素实际自然等指数；wjk为第j种指定作物的第k个限制因素的权重；fijk为第i个地块的第j种指定作物的第k个限制因素的质量分值；αj为第j种指定作物的光温(气候)生产潜力指数；βj为第j种指定作物的产量比系数；k为限制因素编号。

2.3 耕地质量提升潜力测算

耕地质量潜力具体包括理论潜力和可实现潜力。该文讨论的质量潜力是指可实现潜力，即可采用现状实际水平与质量改善后的目标水平的差异来表示[36]。具体用公式(4)来计算不同质量提升区的潜力。

Qi=qi-qo

(4)

式(4)中，Qi表示潜力大小；qi表示目标等别；qo表示实际等别。

表2 2014年什邡市耕地自然等别面积

自然等别面积(hm2)占比(%)719 057.34 75.62 83 726.89 14.79 92 162.81 8.58 10253.13 1.01 合计25 200.17 100.00

3 结果与分析

3.1 耕地质量现状评价

该文根据农用地分等规程以及四川省县级耕地质量年度更新方法对2014年什邡市耕地质量进行自然质量评价。利用空间叠加方法获取分等因素数据，多方面收集其他相关项目资料，根据分等规程的技术方法以及上文中自然等别划分计算过程测算2014年耕地自然质量的等别信息。通过耕地自然等别评价，得出2014年什邡市耕地自然等别分布情况(表2)。

2014年什邡市耕地总面积2.520 017万hm2。耕地自然等别分布区间在7～10等之间。其中以7等比重最大，占全市总耕地面积的75.62%。8等地次之， 9等地和10等地比重偏小，分别占全市总耕地面积的8.58%和1.01%。空间上自然等别基本呈现南高北低的态势。即南部平原区耕地整体质量较好，自然等别较高； 北部丘陵区以及丘陵与平原的过渡地带的耕地质量较差，自然等别偏低。

3.2 限制因素分析

利用限制性指数模型计算出8种限制因素的限制性大小，并依据限制程度划分标准划分出无限制、低限制、中限制和高限制程度，如表3所示，序号为1的组合中分别存在无限制和低限制两种限制程度，由此得出其主导限制程度为低限制。而序号为110的组合中，分别存在无限制、低限制、中限制和高限制程度，该组合的主导限制程度为高限制。以此得出每种组合类型的主导限制程度。鉴于篇幅考虑该文只罗列部分因素组合类型(表3)。

表3 限制程度因素组合类型

序号L土层L质地L剖面构型L有机质L酸碱度L坡度L排水L灌溉主导限制程度1低无无低低低无低低限制2低无无低低无无低低限制3低无无低无低低无低限制4低无无低无低无无低限制5低无无低无无低无低限制6无无无低无低低无低限制7无无无低无无低无低限制8中无无中低无无低中限制9中无无中低中低低中限制…………………………110低中高无低低低无高限制111低中高无低无低无高限制112无中高无低低低无高限制 注:L表示对应因素的限制性大小,如L土层表示序号为1的地块土层因素限制性大小

由表3可知什邡市耕地存在普遍限制，其中坡度、剖面构型以及灌溉存在高限制。基于限制程度的划分结果，分别划定低限制主导、中限制主导以及高限制主导，并对8种限制因素的限制程度排序，将最高的限制程度作为该种组合的主导限制程度。利用因素组合法将4种限制程度进行排列组合，得到以上112种组合类型。

根据主导限制程度分类，得出“主导限制程度—主导限制因素”体系。结果表明，什邡市耕地主导限制程度为低限制的耕地共有图斑1.054 3万个，占全市耕地总面积的19.77%。这部分耕地主要受无限制和低限制因素影响，其限制程度对作物生长影响较低。中限制的耕地占总耕地总面积的65.81%。此类耕地存在1～4种主导限制因素不等，其中受“有机质—酸碱度”主导限制耕地最广，“酸碱度”主导限制耕地次之。主导限制程度为高限制的耕地占总耕地总面积的14.42%。这部分耕地存在1～2种主导限制因素，其中“剖面构型”主导限制耕地较大，占全市耕地总面积的13.91%。全市耕地中，受单因素主导限制的耕地占总面积的29.76%，受多因素共同主导限制的耕地占总面积的50.47%。

3.3 耕地质量提升分区及整治措施

通过耕地质量限制因素分析结果，限制因素组合、高限制因素的个数、限制因素改变的难易程度、邻近土壤状况及所处乡镇的经济发展水平等情况，按照“先易后难与分层控制相结合”的方式，首先根据限制因素组合中出现的权重较大限制程度较低的因素进行优先整治，将主导限制程度较低、限制因素个数较少的做第一层控制，即主导限制程度较低的放在近期整治； 其次根据主导限制因素的整治难易程度做第二层控制，即主导限制因素中容易整治的限制因素优先整治； 最后，结合邻近土壤状况和所处乡镇的经济发展水平作为第三层控制，即土壤状况变化与乡镇经济水平切实相关，整治周期较长，故放在远期整治。最终划分出近期、中期和远期质量提升区(表4)。

表4 什邡市耕地质量提升分区面积

质量提升分区图斑个数(万)面积(万hm2)占比(%)近期质量提升分区1.225 00.563 95722.38中期质量提升分区4.537 81.593 06863.22远期质量提升分区0.676 50.362 99314.40总计6.439 32.520 017100.00

近期质量提升区包括无中、高主导限制因素的耕地以及由排水、灌溉、坡度和土层单独限制或共同限制的耕地，自然等别提升潜力在1个等别之内。其中9等提升为8等比重最大，主要为冰川镇、师古镇等部分耕地，此外部分洛水镇的耕地从8等地可提升为7等。总体看，北部丘陵区和丘陵平原过渡区的耕地现状自然质量较差，质量提升空间较大，是潜力挖掘的重点。该质量提升区整治措施主要以排灌工程、土地平整的物理措施为主。应加强排水沟渠修建，以明沟暗渠相结合的方式提升排水条件。兴修农田水利设施，提高耕地灌溉保证率。在有灌溉条件地方需要加强引流灌溉，而无灌溉水源的地方则需要适当增加储水坑塘数量，采用泵站提水措施以提升灌溉保证率。土地平整应对田面坡度进行整治，修建梯田或条田来增加梯田率，提高耕作效率。

中期质量提升区主要包括中限制因素为主导的耕地，主要限制因素为土壤厚度和土壤酸碱度，其自然等别提升潜力在1个等别之内。其中9等提升为8等比重占该类提升区总面积的6.18%，主要分布于洛水镇、湔氐镇等地。8等地可提升为7等占该类型的总面积的1.56%，主要包括师古镇、隐峰镇等的部分耕地。表明中期质量提升区内，丘陵往平原过渡区的耕地自然质量较差，质量提升空间较大。提升措施主要以土壤化学、生物改良的土壤酸碱度和土层厚度为主。可适当增施硫磺粉等酸性肥料进行改良，同时需适当增施有机肥，推广秸秆还田，提高土壤有机质含量，也要注意防止过渡施肥造成的土壤污染。

远期提升区范围包括中、高限制因素中以剖面构型为主导限制的耕地，自然等别提升潜力在0～2等之间。其中以8等提升为7等为主，此类耕地面积为3 065.22hm2，主要包括隐峰镇、马井镇等部分耕地。9等提升为8等耕地占该质量提升区总面积的3.33%。主要包括隐峰镇、马井镇等部分耕地。10等提升为9等耕地面积为253.13hm2，占该质量提升区总面积的6.97%。主要包括蓥华镇、冰川镇等部分耕地。提升2等的耕地面积为12.75hm2，占该质量提升区总面积的0.35%。此外4.90%的耕地等别无变化，即实际等别和目标等别均为9等。该质量提升区普遍受剖面构型主导限制，以“通体粘”和“粘/沙/粘”的剖面构型为主，且与表层土壤质地限制具有空间一致性，既严重限制作物生长，也不利于耕作。对此，若仅针对表层土壤质地的改良可采用表土剥离、客土改良的措施。对深层次改良则需要采取土体重构的方式重新构建适宜的土体，以此达到剖面构型整治的效果。

3.4 综合潜力分析

通过对主导限制因素分别进行近、中远期整治后，按照现行的耕地质量等别划分标准(400分为等间距)，结合现状自然质量分和改良后邻近耕地状况，对改良后的评价单元自然质量分重估值并进行等别的重新划分，重新划分后的等别与原有等别之差，即为耕地质量等别提升目标。耕地质量重估得到目标等别，结合公式(4)可分别计算出邡市各乡镇耕地自然等提升潜力(表5)。

表5 什邡市耕地质量提升各乡镇潜力

序号乡镇名称面积(hm2)实际等别目标等别提升潜力1冰川镇227.479.398.401.002禾丰镇2 219.097.077.030.043红白镇122.739.008.740.264回澜镇1 733.527.017.010.015湔氐镇2 127.977.337.190.146洛水镇1 718.607.427.180.247马井镇2 969.797.447.040.398马祖镇1 500.317.197.090.109南泉镇2 736.097.157.050.1010师古镇3 277.967.387.230.1611双盛镇1 807.717.197.090.1012隐峰镇2 782.227.687.040.6313蓥华镇365.419.358.600.7514元石镇1 022.547.047.020.0215皂角镇588.787.027.010.01 平均—7.657.380.27

图1 近(a)、中(b)、远(c)期质量提升区自然等别变化情况分布

什邡市耕地目标自然等别分布区间为7～9等。其中7等地增加3 331.87hm2，这部分耕地集中分布于南部平原区，而北部丘陵区的冰川镇和蓥华镇有少量的7等地分布。8等地面积减少1 502.46hm2，主要分布于湔氐镇南部、师古镇等地。9等地面积减少1 576.28hm2，主要分布于北部丘陵区的红白镇、冰川镇等地。

经过质量提升以后，什邡市各乡镇中回澜镇、皂角街道的平均自然等别最高，为7.01等。红白镇等别最低，为8.74等。乡镇目标平均等别为7.38等。从潜力大小来看，冰川镇潜力最大，可提升1等。表明实际耕地质量较差，但是得到有效提升整治后等别提升明显，这部分耕地是挖潜重点对象。潜力最小的是皂角街道和回澜镇，仅能提升0.01等。表明实际耕地质量较优，潜力挖掘的空间较小，但是仍然需加强耕地的养护。

4 结论与讨论

(1)全市耕地质量在全国范围内属于中等偏下水平，耕地质量差异明显，并呈现出明显的地域特征。优质耕地主要分布于南部平原，劣质耕地主要分布于北部丘陵区以及丘陵与平原过渡区。

(2)全市范围内耕地质量存在普遍限制，分区限制特征明显。其中南部平原内部中等程度酸碱度限制范围较广； 北部丘陵区表现为较高程度的地形坡度限制和灌溉保证率限制； 南部河谷地带以较高程度的剖面构型限制为主。在限制因素分析的基础上，划分出了近、中、远3期质量提升区。其中近期质量提升以排灌工程、土地平整的物理措施为主。中期质量提升区的整治措施以土壤化学、生物改良的土壤酸碱度和土壤有机质含量限制为主。远期质量提升区限制程度高，质量潜力较大，在技术资金条件达到的情况下，应及时对这部分耕地进行有效整治。

(3)提升潜力空间差异明显。在平均潜力大小方面，远期>中期>近期，远期质量提升区平均潜力为0.96，中期质量提升区平均潜力为0.10，近期质量提升区平均潜力为0.07。近期和中期质量提升区的自然等别提升潜力在0～1等之间，远期质量提升区的自然等别提升潜力在0～2等之间。

该文以农用地分等理论为指导，结合现有耕地数据，对什邡市进行质量提升分区，在以后的限制因素分析中应适当考虑社会经济因素的影响，以便能提出更具针对性的建议。