复杂地貌类型区耕地质量时空分异及影响因素

周君华, 游碧君, 詹寄任, 张黎明,3, 邢世和,3

(1.福建农林大学资源与环境学院；2.福建农林大学公共管理学院；3.土壤生态系统健康与调控福建省高校重点实验室，福建 福州 350002)

耕地对于保障人类生存和社会经济发展以及维持区域生态系统的稳定运转具有极其重要的作用，是重要的战略资源和不可再生资源[1-2].自上世纪以来，世界经济快速发展，人口规模和城镇化率急剧上升，由此导致大量的基本农田和优质耕地被占用，同时环境污染造成耕地质量下降，耕地问题越来越成为人类生存和发展的瓶颈[3].我国政府对待耕地一直保持高度关注，2017年颁布的《中共中央国务院关于加强耕地保护和改进占补平衡的意见》特别强调：“要实行最严格的耕地保护制度，像保护大熊猫一样保护耕地，要坚决守住耕地红线，保持现有耕地面积基本稳定”[4]；2020年《国务院办公厅关于坚决制止耕地“非农化”行为的通知》再次强调：“要采取有力措施，强化监督管理，落实好最严格的耕地保护制度，坚决制止各类耕地“非农化”行为，坚决守住耕地红线”[5].在严格要求守住耕地红线的情况下，农业农村部发布的《2019年全国耕地质量等级情况公报》显示，在对我国耕地评价中，一至三等的优等耕地仅占全部耕地的31.24%，四至六等的中等地占46.81%，七至十等的劣等地占21.95%[6]，表明我国耕地质量总体水平仍然不高.因此，在经济发展和人口增长的压力下，我国要保障未来粮食安全和社会发展就必须重视提升耕地质量.

耕地质量与粮食安全、食品安全和生态安全密切相关，当前我国对耕地的保护已由过去的侧重数量保护发展为数量、质量、生态“三位一体保护”[7]，而明晰耕地质量状况及其变化规律是实现耕地“三位一体”保护工作的前提.在自然和社会经济因素的共同影响下，耕地质量处于时空动态变化之中，揭示区域耕地质量动态变化特征及其空间分异规律，阐明其变化的主要影响因素，可为区域制定耕地质量保护与提升政策提供参考依据.因此，对区域耕地质量变化及其影响因素进行研究对于保障粮食安全、社会经济发展等具有重要意义.迄今为止，国内学者针对耕地质量进行了大量研究，其中主要集中在论述耕地质量概念与内涵[8-9]、评价与方法[10-13]、监测与预警[14-15]、保护与提升[16-18]以及时空变化[19-20]等方面，对耕地质量时空变化方面的研究尚有许多不足.目前对于耕地质量变化的影响因素研究多局限于施肥和土壤理化性质对耕地质量的影响[21]，多采用简单线性相关分析方法，不仅考虑的因素不够全面，且无法完整揭示区域耕地质量变化影响因素的影响程度.

鉴于此，本研究以地形地貌复杂的福建省为研究区域，根据耕地质量的内涵，在建立区域耕地质量评价指标体系的基础上，运用GIS和灰色斜率关联分析模型集成技术，对2009年和2017年福建省耕地质量进行定量评价，从不同角度分析复杂地貌类型区的耕地质量时空分异特征，阐明耕地质量变化的主要影响因素，为今后制定区域耕地质量保护与提升政策等提供依据.

1 研究区概况

福建省位于中国东南沿海，地处东经115°50′—120°40′，北纬23°33′—28°20′，三面接陆，一面向海.福建处于亚热带海洋性季风气候区，冬无严寒，夏少酷暑，热量资源丰富，雨量充沛，年平均气温14.6～21.3 ℃，年均降水量1 037～2 051 mm，≥10 ℃年活动积温高达7 300～7 500 ℃，光温水条件优越.全省地形地貌复杂，兼具山地、丘陵、盆地和平原.境内山峰连绵，河谷、盆地穿插其间，丘陵山地分布最广，占土地总面积的80%以上.受地形地貌等因素影响，福建省耕地分布零散，耕地图斑破碎化程度较高；2017年全省耕地总面积133.68万hm2，占土地总面积的10.8%，耕作土壤类型主要有水稻土、红壤、赤红壤、黄壤、潮土、风沙土、滨海盐土、紫色土和石灰土[22].

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

(1)非空间数据：带有经纬度坐标的福建省2009年耕地地力评价项目样点属性数据表、2017年耕地质量监测样点属性数据表、2009—2017年福建省及各设区市统计年鉴.

(2)空间数据(1∶50 000)：2017年土地利用现状、土壤类型、行政区划、地貌类型以及DEM空间数据.本研究的空间数据统一采用2000国家大地坐标系，运用ArcGIS叠加分析工具将福建省土地利用现状图和土壤类型图进行空间叠加，经拓扑运算得到耕地质量评价底图，并以不同耕地土种类型图斑作为评价单元，全省共划分出460 765个评价单元.将耕地质量评价底图与地貌类型图以及DEM图进行叠加分析和拓扑运算，根据评价单元的地貌类型并结合海拔、坡度等因素综合判断评价单元的地形部位属性.使用ArcGIS中的Spatial Join工具将2009年和2017年采样点属性数据表与耕地质量评价底图相链接，建立2009年和2017年耕地质量评价采样点空间属性数据库.

2.2 耕地质量评价指标体系的构建与权重确定

选取合适的评价指标是进行耕地质量评价的关键.在遵循主导性、稳定性、现实性和差异性原则下，结合福建省耕地资源实际情况并参考国家标准[23]提出的区域耕地质量评价因子指标体系建立规则，通过多次探讨最终选取农田建设、立地条件、剖面状况、理化性状共4个方面11个评价因子(表1)，评价因子的组合权重根据层次分析模型法确定.

表1 福建省耕地质量评价指标体系及权重Table 1 Evaluation index system and weight of farmland quality in Fujian

2.3 耕地质量评价因子空间属性数据库的建立

所选取的评价因子数据类型有数值型和概念型两种，采用不同方法对各评价因子的不同类型属性值进行空间插值或赋值.对于数值型评价因子(如有机质含量、pH等)，利用采样点空间属性数据库，借助ArcGIS中的反距离权重插值模型进行空间插值，得到栅格图；再分别与评价底图进行分区统计分析，将插值结果赋给评价单元.对于概念型的评价因子(如耕层质地类型、障碍因素等)，利用采样点空间属性数据库，遵循土种相同、距离最近的原则，通过“以点代面”的方法对评价单元进行赋值[24].通过以上两种方法建立耕地质量评价因子空间属性数据库.

2.4 评价因子隶属度函数的建立与属性数据标准化

根据模糊数学理论，本研究选取的评价因子与耕地质量之间的隶属函数关系可分为戒上型、峰型和概念型3种.戒上型和峰型评价因子属于数值型，其隶属度函数采用专家经验隶属度(DPS统计软件)拟合确定；概念型评价因子是定性的、非数值型的，与耕地质量之间是一种非线性关系，其隶属度直接通过专家经验给出[21].利用建立的戒上型和峰型评价因子的隶属度函数(表2)以及概念型评价因子的隶属度(表3)，将评价单元各评价因子的属性值转化成隶属度.

表2 福建省耕地质量戒上型和峰型评价因子隶属函数1)Table 2 Membership function of evaluation factors of farmland quality in Fujian

表3 福建省耕地质量概念型评价因子隶属度Table 3 Membership degree of conceptual evaluation factors of farmland quality in Fujian

2.5 耕地质量综合指数的计算及等级划分

借助ArcGIS软件，采用加权指数和方法分别计算2009年和2017年各评价单元耕地质量综合指数，计算公式为：

G=∑(Wi×Si)

式中：G为评价单元耕地质量综合指数，Wi为第i个评价因子的组合权重，Si为第i个评价因子的隶属度.

以2009年耕地评价单元质量综合指数为基准，采用等间距法将耕地质量综合指数划分为10个等级(表4)，其中一至三等为高等耕地，四至六等为中等耕地，七至十等为低等耕地，利用耕地质量等级划分标准分别建立2009年和2017年耕地质量等级空间数据库.

表4 福建省耕地质量等级划分标准Table 4 Classification standard of farmland quality in Fujian

2.6 耕地质量动态变化分析

利用2009年和2017年耕地质量等级空间数据库，对各耕地评价单元2009年和2017年的耕地质量等级进行差减法运算，建立评价单元耕地质量等级变化空间数据库.若所得数值为正，表明耕地质量等级较2009年高，反之则下降.采用评价单元耕地质量等级面积加权平均法分别计算2009年和2017年不同区域耕地质量平均等级，再分别利用行政区、地貌类型区、经济发展水平区和海拔分析福建省耕地质量的时空分异特征.

2.7 耕地质量变化的影响因素分析

耕地质量是自然因素和社会经济因素综合作用的结果，其中自然因素(如坡度、坡向、海拔等)，在外界自然条件相对稳定的情况下，其质量变化相对缓慢且不明显，而社会经济因素加速耕地质量的变化，对耕地质量的时间变异起主导作用.本研究以福建省各县(市、区)耕地质量平均等级变化量为因变量序列，以可能影响耕地质量的社会经济因素(第一产业比重、农业就业人口比重、城镇化水平、有效灌溉面积、农业机械总动力、化肥施用量、钾肥施用量、粮食作物种植面积比重、经济作物种植面积比重和复种指数)为自变量序列，借助DPS统计软件，采用灰色斜率关联分析模型，计算各种可能影响因素与等级变化量之间的关联度，探讨福建省耕地质量动态变化的主要影响因素.

3 结果与分析

3.1 耕地质量动态变化

研究结果(表5、图1)表明:2009年福建省五等、六等、七等、八等和十等耕地的面积较大，合计92.31万hm2，占耕地总面积的69.05%；其中以七等耕地面积最大，占耕地总面积的15.89%；其次是三等、四等和九等耕地，合计面积32.63万hm2，占耕地总面积的24.41%；一等和二等耕地面积最小，合计8.74万hm2，仅占耕地总面积的6.54%.

表5 2009—2017年福建省各质量等级的耕地面积Table 5 Farmland areas under 10 quality grades in Fujian from 2009 to 2017

图1 2009年(a)和2017年(b)福建省耕地质量等级空间分布图Fig.1 Spatial distribution of farmland quality grade in Fujian in 2009 (a) and 2017 (b)

与2009年相比，2017年全省一至五等耕地面积均有不同程度增加，其中以一等和四等耕地增幅较大，分别较2009年提高7.45%和5.65%；三等、二等和五等耕地面积增幅依次减小，分别提高5.51%、5.22%和3.84%.而六等至十等耕地面积则不同程度减少，其中八等和十等耕地面积降幅较大，分别达到7.86%和6.78%；七等、九等和六等耕地降幅相对较小，分别为5.75%、5.57%和1.71%.2017年全省耕地质量平均等级为4.91等，较2009年(6.46等)提升了1.55等，年均耕地质量平均等级提升0.194等.

从各设区市耕地质量平均等级变化(表6)来看，8年间福建省各设区市耕地质量平均等级均有不同程度提升，提升等级为0.77～1.94，其中南平、漳州、龙岩和三明市提升幅度较大，年均升幅分别为0.231、0.243、0.229和0.204，分别比全省耕地质量平均等级提升均值高19.35%、25.16%、18.06%和5.16%；其余设区市耕地质量平均等级提升值均低于全省平均水平，其中厦门市耕地质量平均等级提升幅度最小，仅为全省耕地质量提升均值的一半.

表6 2009—2017年福建省各设区市耕地质量等级Table 6 Farmland quality grade of districts and cities in Fujian from 2009 to 2017

3.2 耕地质量水平的空间分异

3.2.1 不同地貌类型区耕地质量的空间分异 从不同地貌类型区耕地质量等级空间分布(表7)来看，2009年和2017年高等耕地均主要分布于平原区和盆地区;低等耕地则主要分布于丘陵区和山地区;中等耕地在2009年主要分布于盆地区和平原区，在2017年则主要分布于丘陵区和山地区.8年间，四种地貌类型区的高等耕地面积均处于增加趋势，其中盆地区和平原区高等耕地面积的比例分别较2009年提高了33.20%和19.34%；其次是丘陵区和山地区，分别提高了12.60%和7.62%；盆地区和平原区的中等耕地面积比例有不同程度下降，其中盆地区下降18.53%，平原区下降1.66%；而丘陵区和山地区的中等耕地面积比例则有所提高，分别较2009年提高了24.44%和25.28%.四种地貌类型区的低等耕地面积比例均有不同程度下降，其中丘陵区和山地区下降较多，分别较2009年下降37.05%和32.90%；其次是平原区和盆地区，分别下降17.68%和14.67%.从不同地貌类型区耕地质量平均等级来看，2009年盆地区和平原区耕地质量平均等级相对较高，分别比全省平均等级高1.13和1.16等，而丘陵区和山地区分别比全省平均等级低0.86和1.35等.同样，2017年盆地区和平原区耕地质量平均等级分别高出全省平均等级1.28和0.89等，而丘陵区和山地区分别低于全省平均等级0.75和1.38等.8年间，盆地区耕地质量平均等级提升最多，达到1.70等;其次是丘陵区和山地区，分别提升1.67和1.52等;而平原区只提升1.28等.

表7 2009—2017年福建省不同地貌类型区各质量等级耕地面积及平均等级变化Table 7 Changes in farmland area and quality grade in areas with different geomorphic types in Fujian from 2009 to 2017

3.2.2 不同经济发展水平区耕地质量的空间分异 以年人均地区生产总值(GDP)为指标对福建省各县(市、区)进行经济发展水平分区并统计耕地质量及其变化,结果(表8、图2)表明:经济发展一般水平区的耕地面积最大，占耕地总面积的52.54%；其次是低水平区，占耕地总面积的33.15%；经济发展高水平区和中等水平区的耕地面积最小，仅分别占耕地总面积的2.66%和11.65%.从经济发展低水平区到高水平区，2009年耕地质量平均等级呈先升高后降低的趋势，其中以经济发展中等水平区的耕地质量平均等级最高，比全省平均等级高0.96等，而经济发展低水平区的耕地质量平均等级最低，且低于全省耕地质量平均等级；2017年耕地质量平均等级的变化趋势与2009年基本一致，但经济发展高水平区的耕地质量平均等级比低水平区低，也低于全省耕地质量的平均等级.8年间，4种不同经济发展水平区耕地质量平均等级均有不同程度提升，表现出从经济发展高水平区到低水平区耕地质量平均等级提升幅度逐渐增加的趋势.经济发展低水平区耕地质量平均提升1.76等，比全省耕地质量等级提升均值高13.55%，而经济发展高、中等和一般水平区耕地质量等级提升均值则均低于全省耕地质量等级提升均值.

表8 2009—2017年福建省不同经济发展水平区耕地的质量等级Table 8 Quality grading of farmland in areas with different development levels in Fujian from 2009 to 2017

图2 2009—2017年福建省不同经济发展水平区耕地质量Fig.2 Farmland quality in areas with different development levels in Fujian from 2009 to 2017

3.3 耕地质量的垂直空间分异

结果(图3、4)表明，2017年福建省耕地面积随海拔的升高呈不同程度的下降趋势，海拔200 m以下区域的耕地分布最大，占耕地总面积的35.84%；海拔1 000 m以上区域耕地面积最小，占耕地总面积的1.29%；而海拔200～400 m、400～600 m、600～800 m、800～1 000 m区域的耕地面积分别占总面积的26.43%、18.91%、11.81%和5.73%.2009年和2017年耕地质量平均等级均随海拔的升高而降低，其中，海拔200 m以下区域的耕地质量平均等级最高，2009年和2017年耕地质量平均等级分别为5.57和4.16；而海拔1 000 m以上区域的耕地质量平均等级最低，分别为8.13和6.67.8年间，福建省各海拔区域的耕地质量等级均得到不同程度的提升，海拔400 m以下区域耕地质量提升幅度随海拔升高而增加，在海拔200 m以下区域的耕地质量平均等级提升1.41；海拔200～400 m区域耕地质量平均等级提升1.69；海拔400 m以上区域耕地质量平均等级提升幅度随海拔升高呈下降趋势，海拔400～600 m、600～800 m、800～1 000 m以及1 000m以上区域耕地质量平均等级依次提升1.65、1.53、1.48和1.45.

图3 2017年福建省各海拔梯度耕地面积的分布Fig.3 Distribution of farmland area at different altitude gradients in Fujian in 2017

图4 2009和2017年福建省各海拔梯度耕地质量等级Fig.4 Quality grades of farmland at different altitude gradients in Fujian from 2009 to 2017

3.4 耕地质量变化与可能影响因素的关联

从表9可知，影响福建省耕地质量变化的社会经济因素中除城镇化水平是负向影响因素外，其余都为正向影响因素，其中以第一产业比重、农业就业人口比重和城镇化水平对福建省耕地质量变化的影响最为显著，灰色关联系数绝对值>0.900；其次是有效灌溉面积、钾肥施用量和粮食作物种植面积比重，灰色关联系数为0.869～0.882；而化肥施用量、农机机械总动力、经济作物种植面积比重和复种指数对福建省耕地质量变化的影响相对较弱，灰色关联系数<0.835.可见，第一产业比重、农业就业人口比重和城镇化水平是影响福建省耕地质量变化的关键因素，有效灌溉面积、钾肥施用量和粮食作物种植面积比重是影响福建省耕地质量变化的一般因素，而化肥施用量、农机机械总动力、经济作物种植面积比重和复种指数是影响福建省耕地质量变化的次要因素.

表9 2009—2017年福建省耕地质量等级变化量与影响因素的灰色关联分析Table 9 Grey correlation analysis between change of farmland quality and influencing factors in Fujian from 2009 to 2017

4 小结

2009—2017年福建省耕地质量整体呈上升趋势，从以中、低等耕地占优势转变为以中、高等耕地占优势，但低等耕地仍有一定数量的分布，全省耕地质量平均等级提升1.55等；不同行政区、地形地貌类型、经济发展水平和海拔区域的耕地质量时空差异明显；2009—2017年福建省耕地质量动态变化的主要影响因素是第一产业比重、农业就业人口比重、城镇化水平、有效灌溉面积、钾肥施用量和粮食作物种植面积，其中以第一产业比重、农业就业人口比重和城镇化水平对耕地质量的影响较为显著.