基于变化向量的耕地利用方式变化下耕地质量评价

祝锦霞，徐保根

基于变化向量的耕地利用方式变化下耕地质量评价

祝锦霞，徐保根

（浙江财经大学土地与城乡发展研究院，杭州 310018）

耕地利用方式变化下耕地质量的变化研究意义重大。该文以浙江省耕地质量监测试点松阳县为例，以变化向量凸显耕地利用方式变化，探讨基于变化向量的耕地利用方式变化下耕地质量变化的快速评价方法。充分考虑各特征向量之间的联系以及不同意义不同量纲元素间的共同作用问题，选择典型相关分析CCA（canonical correlation analysis）构建变化向量；采用CCA为基础的多元变化检测MAD（multivariate alteration detection）最大限度的消除相关性影响，以方差最大的形式凸显耕地利用方式变化下耕地质量的变化；选择基于高斯混合模型（GMM）的期望最大化算法（EM）快速评价耕地利用方式变化下耕地质量的变化情况。重点分析基于快速评价的耕地利用方式变化下耕地质量变化区域的空间分布及其和传统因素法的对比分析。结果表明：基于变化向量法得到的耕地质量变化结果与传统的因素法在监测耕地质量水平不变的吻合度在80%～100%以上，耕地质量水平提高的吻合度在16.6%～50%，耕地质量水平下降的吻合度在66.7%～100%。提出的基于变化向量法的耕地质量变化评价模型能对耕地利用方式变化下耕地的质量变化做出正确的评价，评价方法科学、合理、易操作推广，为合理优化配置耕地利用方式提供定量数据支撑。

土地利用；等别；变化向量；耕地质量

0 引 言

农业、农村和农民问题始终是中国建设发展的根本问题。乡村治理作为国家治理体系的重要环节之一，其治理水平直接影响中国治理的现代化水平。作为乡村现代化重要体现的农业现代化，就要不断发展效益农业。本质上就是要完善耕地种植结构，合理配置耕地种植利用方式。近年来，以农产品市场为目标导向农业土地利用格局趋势显著，农产品市场变化逐渐成为农村耕地种植利用方式变化的重要驱动力之一。粮食种植面积逐年递减，取而代之的是经济作物种植面积的不断上升。2009年浙江和河北两省进行的农户调查表明，耕地流转后用于非粮食作物种植的耕地面积比例分别上升了61.8%和62.9%[1]。作物种植结构的调整会对耕地质量产生较大的影响。土地利用行为的变化使得耕地质量在空间上形成不同的分布特征。在耕地数量有限、后备资源不足的压力下，耕地数量和质量建设与管理对保障国家粮食安全和维护社会稳定至关重要。迫切需要加强对耕地质量的监测，快速及时掌握耕地质量的动态变化及耕地质量等别演变的方向和特征。

目前耕地质量的研究主要从自然科学角度出发，分析基于农户土地利用行为的耕地质量评价、耕地质量的变化趋势、耕地质量变化的驱动机制等方面[2-3]。耕地质量内涵的研究方面，研究者普遍认为耕地质量是土壤质量、地形坡度等自然因素与对耕地投入、管理水平、区位等社会经济因素共同构成的综合体[4]；秦静等提出区域外自然和社会经济因素对农用地质量的影响也应纳入耕地质量的内涵[5]。耕地质量评价的研究方面，金东海等提出了基于农用地分等成果的2层7参数法[6]；吴赛男等提出在经济等的基础上通过修正法评定耕地质量的定级[7]。随着人类活动对耕地利用干预的增加，人文因素成为影响耕地质量变化的另一重要因素[8-9]。徐梓津等提出了综合农户投入行为的耕地综合质量评价方法[10]；张贞等提出了综合农户投入行为的耕地质量修正方法[11]；石淑芹等提出了耦合耕地利用质量的耕地质量评价方法[12]。

现有的研究对耕地质量和耕地质量变化的研究大多集中在耕地分等特征研究、耕地质量变化的单因素分析。从单因素方面研究耕地质量的时空间变化，如农户作物种植行为单一影响因素对耕地质量的影响分析[2-4]。在耕地质量的评价方法上主要围绕因素法、模糊评价法、层次分析法、主成分分析法、灰色关联度法、熵权法等。但传统的因素法基于所有指标统一加权求和，弱化了各分项指标对耕地质量的影响[13-22]。耕地质量变化的研究主要集中在不同年份耕地质量评价结果的时空变化特征。不考虑属性特征之间统计相关性的传统差值方，使得绝对值不同的数值相减得到同样大小的差值，导致潜在可利用信息的丢失[23-28]。

农户是广大农村土地生产和经营等经济活动的主体，是农业土地利用最基本的决策单位，其行为决定着土地资源是否能否合理利用[2]。种植结构的选择是农户土地利用方式的直接体现。种植结构的变化影响土壤肥力水平与农业生态系统中的物质循环，最终引发耕地质量变化。因此，从农户土地利用行为的视角出发研究耕地质量变化，揭示土地利用行为与耕地质量变化之间的逻辑关系[29]。通过集成多学科理论以及遥感与地理信息技术等信息获取、分析技术，构建基于变化向量的耕地质量变化指数，由此合理配置经济效益好、可促进或保持耕地质量的耕地利用方式。指导农户摒弃引起负效应的土地利用行为，把握耕地可持续利用的正效应，对维持耕地稳定和提高耕地质量具有重要意义[30]。

1 研究区域概况及数据来源

1.1 研究区域范围

松阳县位于浙江省西南部（图1），地处119°10′～119°42′E，28°14′～28°37′N。东西最宽处53.7 km，南北最长40.2 km，面积1 406 km2。松阳县地处上海经济区的南翼，位于浙、皖、赣、闽经济协作区的腹地，属于中国沿海对外开放的经济发达地区和内陆经济欠发达地区的交接过渡地带。全境以中、低山丘陵地带为主，中部盆地以其开阔平坦称“松古平原”，为县内主要产粮区。

松阳县耕地面积为18 604.16 hm2，占土地总面积比例高达13.28%，其中松古平原作为浙南山地区内规模较大的盆地，是浙南的主要粮食生产区域。低丘缓坡资源丰富，耕地后备资源相对充足。浙江省松阳县是全国特色产茶县和绿茶集散地之一，良种茶园覆盖率90.5%，居全省第二位，被评为“浙江省良种茶之乡”和“浙江省茶树良种化先进县”。茶叶种植集中分布在松古盆地，水稻种植较为分散，全县都有分布。耕地种植利用方式变化的区域主要集中在松古盆地。

1.2 数据来源与处理

耕地质量的内涵在不断与时俱进，不断添加新的内容。从系统学角度讲，耕地质量系统是由2个子系统组成，一个是土地利用子系统，一个是土壤子系统。自然因素对耕地质量变化有一定的主导作用，但其在较短时间内相对稳定。随着人类活动对耕地干预程度的提高，社会经济等人文因素容易通过土地利用间接促进耕地质量的变化[31]。因此，在充分遵循生产性、可行性、典型性、主导性原则的基础上，结合松阳县耕地的特点，对耕地质量评价指标进行初步筛选，从自然要素、人文要素、区位因素等方面建立耕地质量评价体系的目标层，构建以地形、土壤、土地利用、基础设施、耕作条件、区位条件为基础的准则层[32-34]。从数据客观性、可获得性以及指标量化可行性等原则出发，通过征询有关专家意见，对指标进行调整最终得到耕地质量评价指标体系（表1）。各指标原始数据均取自2006和2013年《松阳县统计年鉴》及相关数据分析处理提取。

图1 松阳县行政区划

表1 松阳县耕地质量评价指标体系

共计2006年松阳县共有耕地土壤样本1 408个，其中茶叶种植利用方式的样本441个，水稻种植利用方式的样本595个。2014年测得样本数相对较少，只有408个。其中，其中茶叶种植利用方式的样本119个，水稻种植利用方式的样本181个。通过分析样本的耕地利用方式变化及样本数据的科学性，选择耕地利用方式变化类型“茶叶-水稻”18对，“水稻-茶叶”33对作为研究数据对象。图2为松阳县2006和2013年采样点的耕地利用方式分布图。农户作物种植方式在空间上呈现明显的分化，其中松古盆地主要种植经济作物茶叶，水稻种植较为分散，全县都有分布。耕地种植利用方式变化的区域主要集中在松古盆地。根据浙江省目前茶树栽培品种的实际情况，本文以灌木中小叶型品种为代表。

图2 松阳县不同耕地利用方式的土壤样本分布

2 研究方法

2.1 多变量变化检测MAD

假设特征向量分别用随机变量和表示，期望值均为0，维数表示特征个数。然后对和进行典型变换，寻找相关性最小的针对原始变量的线性组合对，使得它们之间的差值包含最大的差异信息。即寻找向量和使得变换后得到的和相关系数最大，向量和限定约束条件

式中，和分别代表2个时期耕地质量的属性特征。在这些约束条件下，最大化差异的方差等价于最小化典型相关分析中和的正相关性。MAD结果中数值越接近于0，说明对应位置上的两时期耕地质量之间的差异越小，耕地质量越有可能没有发生变化；反之，MAD结果越远离0，即绝对值越大，对应位置上的不同时相之间的耕地质量等指数差异越大，耕地质量越有可能发生变化。

2.2 基于高斯混合模型（GMM）的期望最大化算法（EM）

3 结果与分析

松阳县pH值、有机质等土壤单因子肥力的局部空间插值结果[38]、农田水利基础设施的排水条件、灌溉保证率等量化的结果[38]都很好的体现了耕地的空间稳定性。

3.1 耕地利用方式变化下耕地质量变化的快速评价

3.1.1 水稻改种茶叶

1）耕地质量多特征变化向量的构建

松阳县耕地质量评价指标体系中2006和2013两个年份的12个属性特征变量经过典型变换CCA得到相关性最小的线性组合对，同时通过MAD变换得到相应组合对的最大差值信息，即12个MAD变量。相关性越大的典型变量包含的原始数据信息更为丰富，即原始数据中大部分的耕地质量信息集中表现在了相关性大的典型变量对之间，相关性较小的典型变量包含较小的原始属性信息。本研究得到，12组原始变量的线性组合对中，第三组和第九组（MAD3和MAD9）的耕地质量指数差值变量与原始耕地质量属性变量间的相关性较高（表2），其他MAD变量与原始耕地质量属性变量的相关性较低。因此在研究中选择与原始耕地质量属性变量的相关性较大的MAD3和MAD9进行分析，其他MAD变量未录入表格。

表2 耕地利用方式变化下MAD和耕地质量评价指标相关性分析

2）耕地质量多特征变化向量（MAD3，MAD9）的正态分布检验

MAD3样本值的-正态分布检验得到均值0.000 001 2，标准差1.055 5，最大绝对差值为0.083，最大正值0.083，最小负值为-0.057，值为0.827>0.05，接受原假设，即MAD3服从正态分布。MAD9样本值的-正态分布检验得到均值0.000 000 2，标准差0.225 72，最大绝对差值为0.141，最大正值0.141，最小负值为-0.093，值为0.205>0.05，显著性水平0.05下，MAD9服从正态分布。

3）耕地质量变化与否的阈值分析

包含更多原始信息的MAD3和MAD9变量对应的EM-GMM分析得到，MAD9的正态分布检验有异常值出现，最终选择MAD3变量分析水稻变茶叶这一耕地种植利用方式变化对耕地质量的影响（图3）。通过EM-GMM阈值计算得到正态曲线下耕地利用方式由水稻改种茶叶后耕地质量不变、耕地质量提升、耕地质量下降的3个类别各自的面积，分别是44.02%，22.55%，33.43%。查询正态曲线下面积附表，得到33个水稻变茶叶的样本中耕地质量不变的样本20个，占60.6%；耕地质量水平提升的样本6个，占18.2%；耕地质量水平下降的样本7个，占21.2%。

注：A1: MAD3；A2: MAD9 ；B: 耕地质量不变；C: 耕地质量提升；D: 耕地质量下降。下同。

3.1.2 茶叶改种水稻

1）耕地质量多特征变化向量的构建

MAD1和MAD7这2个耕地质量指数差值变量与原始耕地质量属性变量间的相关性较高（表2），而其他MAD变量与原始耕地质量属性变量的相关性比较低。表明典型变量（CV1、CV7）集中了大部分的原始耕地质量属性变量信息。选择MAD1和MAD7构建耕地质量变化的多特征向量。

2）耕地质量变化特征向量的正态分布检验

MAD1样本值的-正态分布检验得到均值0.000 003 2，标准差1.392 85，最大绝对差值为0.068，最大正值0.068，最小负值为-0.064，值为0.954>0.05，接受原假设，即MAD1服从正态分布。同时，MAD7样本值的-正态分布检验得到均值0.000 000 3，标准差0.493 85，最大绝对差值为0.082，最大正值0.082，最小负值为-0.052，值为0.828>0.05，显著性水平0.05下MAD7服从正态分布。

3）基于EM-GMM的差值MAD1和MAD7的阈值提取

MAD1和MAD7变量的EM-GMM分析结果得到，MAD1的混合高斯分布图更为稳定，选择MAD1变量分析茶叶变水稻这一耕地种植利用方式的变化对耕地质量的影响（图4）。EM-GMM阈值计算得到正态曲线下耕地利用方式由茶叶改种水稻后耕地质量不变、耕地质量水平提升、耕地质量水平下降3个区间的面积，其中耕地质量水平不变的面积占71.21%，耕地质量水平提升的占14.31%，耕地质量水平下降的占14.48%。得到18个茶叶变水稻的样本中，耕地质量水平不变的样本14个，占77.8%；耕地质量水平提升的2个样点，占11.1%；耕地质量水平下降的2个样点，占11.1%。

图4 耕地质量多特征变化向量MAD的正态分布检验（茶叶改种水稻）

3.2 基于变化向量的耕地质量变化与传统因素法的比较

通过构建变化向量模型对耕地利用方式变化下松阳县耕地质量的变化进行预测，得到茶叶改种水稻后耕地质量水平下降的样点集中在松古盆地的望松乡。基于变化向量法得到的耕地质量变化指数和原始变量的相关性分析得到，作物种植结构发生变化对耕地质量影响最大的还是耕地的基础地力，耕地的耕层厚度、pH值、有机质含量的变化最为显著（表2，表3）。在其他条件不变的情况下，与不种植经济作物的耕地地块相比，种植经济作物的耕地地块上土壤有机质含量显著降低[9]，主要是因为研究区域基本上不施用费时费力的农家肥，而是以化肥（尿素、二铵等）为主，势必造成土壤有机质下降，土壤板结。因此选择农用地分等的自然等成果用于比较验证基于变化向量法的耕地质量变化评定结果。图5a～5d得到，农用地分等成果中国家自然等变化集中在松阳县的古市镇、望松乡和三都乡，图5e～5f得到基于变化向量法得到的耕地质量水平变化集中的样点也集中分布在望松乡和三都乡。

通过对基于变化向量法预测的结果进行耕地质量变化水平的分级划分，从数量角度对耕地质量水平变化的数量占比进行了对比分析。两者在监测耕地质量水平不变的吻合度在80%～100%，耕地质量水平提高的吻合度在16.6%～50%，耕地质量水平下降的吻合度在66.7%～100%（表4）。说明提出的基于变化向量法的耕地质量变化评价模型能对耕地利用方式发生变化下耕地的质量变化做出正确的评价。基于变化向量法的耕地质量变化评价方法相比较传统的因素法结果虽然存在一定的差异，但其各项指标精度以及检验数据的相对误差都在可接受的范围，表明基于变化向量法的耕地质量变化评价具有一定的可行性和准确性，适于耕地质量变化的评价工作。这主要因为以典型相关分析CCA（canonical correlation analysis）为基础构建的变化向量，充分考虑各特征向量之间的联系，通过协方差矩阵的形式做了一个标准化，从理论上很好的解决不同意义不同量纲元素间的共同作用问题。实现耕地质量变化的评价与原始属性指标的尺度无关，对参与变换的向量各组成属性元素的量纲、尺度等均没有要求[37]。同时，以CCA为基础的多元变化检测MAD（Multivariate Alteration Detection）能最大限度的消除相关性影响，将两时期的耕地质量变化信息集中于一个向量，以方差最大的形式表现，得到多特征空间的变化向量，实现耕地质量变化向量构建。

表4 变化向量法与传统农用地分等后比较的对比结果

3.3 耕地质量保护的引导政策

1）搞好“藏粮于土”战略的规划设计。在不影响耕地质量、或已影响耕地质量但容易恢复的前提下，允许农民根据市场需求在耕地上种植经济作物。这不仅有利于农民增收，也有利于农民保护耕地积极性的提高。同时，在积极开展耕地质量监测与评价、耕地质量变化的影响因素分析等工作基础上，以耕地质量保护的提升、耕地单位面积收入的增加、农民增收为目标，切实做好“藏粮于土”战略实施的规划设计，为农民提供更多的适宜耕地质量保护的经济作物类型和品种，并根据市场需求为农民提供种植计划建议。

2）制定调控政策，引导农民合理轮作与间作。建立耕地保护资金、农业补贴资金的制度，积极支持农民在耕地上种植粮食或其他不对耕地质量造成破坏的经济植物。对于农民种植对耕地质量有一定程度破坏、但可以修复的经济植物，要交纳耕地质量修复保证资金，确保在农民增收的同时耕地质量不仅不降低而且有提高。制定调控政策，引导农民合理轮作与间作。

3）制定“藏粮于土”和耕地质量保护的实施办法。应根据区域实际，在开展耕地质量监测与评价、作物种植适宜性评价等工作基础上，从经济种类与品种选择、耕种方式、土壤保护与破坏后的修复等方面制定“藏粮于土”和耕地质量保护的实施办法，促进农民增收和耕地质量保护建设。应研究制定不同耕地利用方式对耕地质量影响的定期评价制度和奖惩制度，使耕地质量保护与农民增收实现双赢。

4 结 论

通过集成多学科理论以及遥感与地理信息技术等信息获取、分析技术，以综合耕地质量内涵为基础，提出基于多特征变化向量的耕地质量变化的评定方法。通过监测对浙江省耕地质量监测试点县——松阳县耕地利用方式变化引起的土壤、农业生产条件的变化，选择多变量变化检测方法MAD构建多特征变化向量，基于高斯混合模型选择合理的阈值快速评价耕地质量的变化。并在此基础上对比分析基于变化向量法和传统因素法的耕地质量变化评定结果，两者在监测耕地质量水平不变的吻合度在66.7%以上，耕地质量水平提高的吻合度在16.6%～50%，耕地质量水平下降的吻合度在66.7%～100%。提出的基于变化向量法的耕地质量变化评价模型能对耕地利用方式变化下耕地的质量变化做出正确的评价，提高耕地质量变化评价的精度和效率，为合理优化配置耕地利用方式的选择提供定量数据支撑，对维持耕地质量稳定和耕地的可持续发展具有重要意义。

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Evaluation of cultivated land quality under changed cultivated land use pattern based on change vector analysis

Zhu Jinxia, Xu Baogen

(-,,310018,)

The quantity and quality of cultivated land plays an important role in our country's food security and the long-term stability of the community. It is important to assess the change of cultivated land quality under the changed cultivated land use pattern. This study aims to explore an effective method for detecting the changed information of cultivated land quality at county-level. Songyang County, Zhejiang province was selected as the study area to evaluate the cultivated land quality based on change vector analysis. The evaluation method was supported by Remote Sensing data and spatial analysis of GIS. There are obvious differentiation in space of cultivated land use patterns of Songyang County between 2006 and 2013. Among them, the Songgu Basin mainly planted economic crop tea, while the rice planting was scattered around the whole county. The areas where the cultivated land use pattern changed significantly were mainly concentrated in the Songgu Basin. 18 pairs of “tea-to-rice” types and 33 pairs of “rice-to-tea” were selected to analyze the changes of cultivated land quality. Combined with the characteristics of Songyang county cultivated land， the object evaluation index system was constructed from the aspects of natural factors, human factors and location factors with the principles of productivity, feasibility, typicality and dominance. In this study, the change vector was used to highlight the change information of cultivated land quality. At the same time, the proposed canonical correlation analysis (CCA)based multivariate alteration detection (MAD) method was applied to minimize the correlation effect to the greatest extent, and highlight the changing of cultivated land quality under the changed cultivated land use pattern in the form of maximizing variance. It was a feasible way for monitoring the change of cultivated land quality. In addition, expectation maximization algorithm based on Gaussian mixture model (EM-GMM) was used to label the change of cultivated land quality. The results of MAD demonstrated the change information of cultivated land quality. The closer the value of the MAD result is to 0, the smaller the difference between the cultivated land quality between 2006 and 2013. The greater the difference of the index of cultivated land quality between different phases, the more likely the quality of cultivated land changes. The variables of MAD3 and MAD1 were used to analyze the effects of changed cultivated land use pattern on the quality of cultivated land, such as rice-to-tea and tea-to-rice. The quantitative proportion of the changed cultivated land quality level was compared by using two different methods, change vector analysis (CVA) and agricultural land classification method (national grade). The agreement between two methods in monitoring the quality of cultivated land was more than 80%-100%, the matching degree of increased cultivated land quality was 16.6%-50%, and the matching degree of declined cultivated land quality was66.7%-100%. Results demonstrated that the proposed change vector based change detection of cultivated land quality provide a quantitative data support for the rational optimization and allocation of cultivated land use pattern, which is significantly maintaining the stable quality and the sustainable development of cultivated land. Further research is needed on other scales, such as city, province. The proposed method should be further tested in other regions containing more complex conditions.

land use; grade; change vector; quality of cultivated land

祝锦霞，徐保根. 基于变化向量的耕地利用方式变化下耕地质量评价[J]. 农业工程学报，2020，36(2)：292－300. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.2.034 http://www.tcsae.org

Zhu Jinxia, Xu Baogen. Evaluation of cultivated land quality under changed cultivated land use pattern based on change vector analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 292－300. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.2.034 http://www.tcsae.org

2019-05-19

2019-12-20

浙江省哲学社会科学一般项目（20NDJC139YB）；浙江省自然科学基金（LY20D010007）；国家自然科学基金（41501190）；浙江省软科学重点项目（2017C25010）；全国统计科学研究重点项目（2017LZ33）；教育部人文社会科学研究规划基金项目（12YJA630159）

祝锦霞，博士，副研究员。主要研究方向为环境遥感与土地资源管理。

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.2.034

F301.21

A

1002-6819(2020)-2-0292-09