省域视角下耕地自然质量空间格局与影响因素*

许彩彩，吕春娟※，陈 卓，郭岩松

（1.山西农业大学资源环境学院，晋中 030801；2.南京农业大学公共管理学院，江苏南京 210095；3.陕西地建土地勘测规划设计院有限责任公司，西安 710075）

0 引言

耕地是农业生产的基础[1]，对确保国家粮食安全和社会经济可持续发展至关重要。中国实行最严格的耕地保护制度，但随着人口和消费的持续增长，更多的耕地正迅速转化为城市土地[2]，1.2亿hm2的耕地红线面临威胁[3]。坚守耕地红线要求数量与质量并重[4]，然而高强度的耕地利用致使耕地自然质量下降，农民又通过灌溉和加大农药化肥投入等方式达到增产目标，由此使得农业成为威胁生态环境的主导力量[5]。因此，如何科学量化耕地自然质量，探寻管理和保护耕地的新路径，实现耕地数量、质量和生态“三位一体”成为当前研究的重点[6]。

囿于评价目标和需求的不同，耕地自然质量内涵尚未统一，通常认为是土壤质量、立地条件和气候条件等因素综合作用的结果[7]，在耕地质量中起主导作用。目前对于耕地自然质量评价的研究集中在指标体系构建、评价方法改进和空间分布等方面，其中，通过沿用农用地分等理论研究区域耕地自然质量等级分布已十分成熟，这类研究着重从耕地立地条件和农田基础设施等方面进行考量[8]，基于综合指数模型对耕地质量的空间格局进行分析，为土地整治等工作奠定了基础。但随着社会可持续和管理工作的需要，这类研究存在以下不足：（1）省级尺度评价结果是由各县级逐级汇总，周期性长。（2）指标体系对耕地生态环境条件的考虑不足。虽有部分学者对耕地生态环境、耕地生态补偿标准和生态耕种行为进行探讨[9-11]，但关于省域层面反映耕地生态状况对耕地质量影响的讨论相对较少。（3）评价方法多采用综合算法进行评价，但耕地质量不是各质量维度的简单加权求和[12]，当出现明显的限制因子时，容易导致评价结果出现偏差。此外，对耕地自然质量影响因素的研究多以线性回归模型[14]、灰色关联度模型[15]等数学模型进行测度，但多是基于单因子的影响程度展开，缺乏各因子相互作用对耕地质量影响的研究，且这类方法受自身数据的影响导致结果具有相对性。地理探测器是研究各种现象的空间异质性并剖析分异成因和多因子交互作用的空间统计学方法，在处理分类型变量时具有优势，并在地理学研究中得到了广泛应用[16]。

鉴于此，文章在明晰耕地自然质量内涵的基础上，以山西省为例，以耕地的土壤条件为基础，以表征气候条件的积温和降雨为控制因素，以立地条件和反映耕地生态系统的环境条件为限制因素，构建适合省级尺度的评价体系，利用连乘法逐级修正进行耕地自然质量定量评价并刻画空间分异特征，结合地理探测器模型探讨识别影响空间分异的影响因素，在理论上完善耕地自然质量评价的测度指标，改进评价方法并探讨影响耕地自然质量空间分布因素的方法，在实践上为土地管理部门制定政策及分区保护耕地提供理论依据。

1 研究区概况

山西省地处34°34′N ～40°44′N，110°14′E ～114°33′E，位于黄土高原东部，黄河流域中游，土质疏松，水土流失严重，生态环境脆弱[16]。地势东北斜向西南，海拔高差约2 000m，平均坡度3.88～18.18°。山地和丘陵占总面积的80.3%，西依吕梁山脉，东靠太行山脉，耕地多位于中部断陷盆地，呈“两山夹一川”的地貌格局。属温带大陆性季风气候，年均温4.2～14.2℃，年降雨量468.3mm。全省共辖11 个地级市，119 个县级行政单位。据2016 年山西省耕地质量等别更新成果显示，省域内耕地面积405.9 万hm2，占全省面积的27%[18]。

2 研究思路、方法与数据

2.1 研究思路

耕地质量受自然条件、农田配套设施、机械水平等因素的影响，但主要取决于耕地自然质量[19]，土壤条件又是自然质量的核心。小尺度区域范围内气温、降水等因素具有相似性，耕地自然质量的差异主要受土壤条件的影响，而大尺度区域评价则需考虑标准耕作制度，即熟制对耕地质量的影响。立地条件是表征耕地破碎度的重要因素，影响耕地产出效益。生态环境一般通过土壤生物多样性的丰度、土壤抗侵蚀能力等影响耕地的生产能力，对耕地的可持续利用具有限制性作用。遵循可持续性和可操作性原则，将反映省级尺度生态环境对耕地质量影响的指标引入评价体系，符合耕地资源的科学利用目标，便于纠正政府传统的耕地质量评价工作中存在的偏差，从而指导地方政府在引导耕地利用的同时注重生态环境的保护。故该文将耕地自然质量理解为土壤条件、气候条件、立地条件和生态环境条件的综合。研究的基本思路为：（1）从耕地自然质量内涵出发，结合山西省实际，构建土壤、气候、立地和生态环境4个维度的评价指标体系，采用多因素综合评价模型对土壤条件进行测度得到耕地的基础自然质量；运用多因素综合评价模型计算气候及立地条件分值并计算其修正系数；利用“1+X”模型对耕地生态环境条件进行修正，采用连乘法评价耕地自然质量。（2）采用自然断点法对各维度测度值大小分等级，解析其分异特征。（3）基于地理探测器模型，对评价指标分别进行因子探测和交互探测，分析其对耕地自然质量空间格局的影响。（4）根据研究结果提出政策启示。流程如图1。

图1 技术路线

2.2 耕地自然质量评价方法

2.2.1 评价指标选取

山西省地形起伏大，土质疏松，受降雨和地形影响土壤侵蚀严重，吕梁山区等土石山区植被茂密但土层薄，盆地区局部受强蒸发影响有盐渍化出现，全省有效土层厚度10～160cm，土壤有机质含量1.5～30g/kg，空间变异大，故该文立足山西省耕地资源合理利用的现实需要，根据已有研究成果，遵循主导性、区域性、敏感性原则，依据专家咨询法从土壤、气候、立地和生态环境条件4 个维度进行指标遴选，最终选取了15个指标构建评价指标体系（表1）。

表1 耕地自然质量评价指标体系

土壤条件是从微观视角衡量耕地质量的关键因素，为作物提供良好的生长环境和矿物养分，本研究参考《农用地质量分等规程》（GB/T28407-2012）选取了土壤有机质含量（X1）、表层土壤质地（X2）、有效土层厚度（X3）和土壤pH（X4）。传统的农用地自然质量等指数是在自然质量分的基础上通过光温生产潜力和产量比系数修正得到，这两个指标反映了光照、温度和水分等对耕地质量的影响，为便于快速评价，该研究采用≥10℃积温（X5）和年均降雨量（X6）表征气候因素对耕地质量的作用，其中，≥10℃积温反映了作物生长对热量的要求，是农业气候区划的重要指标，可以从宏观层面体现耕地质量的差异。相关研究引用景观生态学的斑块理论对田块状况进行评价，进而指导高标准基本农田建设和土地整治等工作，该研究选取了距居民点耕作距离（X7）、灌溉保证率（X8）、田块形状指数（X9）和耕地连片特性（X10）4 个指标。良好的生态环境是农业稳定发展的前提，土壤重金属污染和土壤蚯蚓是常用的生态指标，但由于大尺度土壤微生物的不易量测性[11]，该研究从耕地土壤环境进行考虑，选取了坡度（X11）、高程（X12）、盐渍化程度（X13）、土壤侵蚀强度（X14） 和植被覆盖度（X15） 5个指标。

2.2.2 评价指标分级及权重的确定

由于各指标的数据量纲不同，故采用百分制按指标对耕地质量影响程度赋予不同分值。指标标准化参考《农用地质量分等规程》（GB/T28407-2012）、土壤侵蚀分类分级标准（SL 190-2007）及相关文献[20]。权重分配影响耕地质量布局，该研究采用主客观结合的方法[21]，以耕地图斑为评价单元确定各指标权重。土壤条件、气候条件和立地条件的指标分级赋分标准及权重见表2，生态环境条件的分级赋分标准见表3。

表2 土壤条件、气候条件和立地条件的指标分级标准

表3 生态环境条件指标分级标准

2.2.3 耕地自然质量评价模型构建

因评价尺度和指标体系的差异评价方法一般不同。分等定级是常用的耕地质量评价方法[22]，随着地理信息系统技术的发展、智能化算法的演进和模型研究的深入，现有的评价及赋权方法使用条件不同且各有利弊，因此，多种方法的综合集成成为评价研究的必然趋势。

由于土壤条件的相对稳定性特征，该文以土壤条件为基础，将大尺度区域差异较大的气候条件、立地条件和生态环境条件作为影响耕地产出能力和可持续利用的因素，依据限制因素及非加和原理，首先采用多因素综合评价模型分别计算耕地土壤条件、气候条件和立地条件分值；其次运用模型求得气候和立地条件的修正系数；然后借助“1+X”模型计算生态环境条件系数；最后采用连乘法对土壤条件分值进行修正得到耕地自然质量分值。

第一步，采用多因素综合评价模型对土壤条件、气候条件和立地条件进行评价。

式（1）中，S/T/P表示评价单元的土壤条件、气候条件和立地条件分值；Ai为第i个指标的分值，Wi为第i个指标权重，n为指标个数。

第二步，气候条件和立地条件修正系数的确定。

根据式（1）计算的气候条件分值和立地条件分值，分别确定各自的修正系数为：

式（2）（3）中，Ti′和Pi′分别表示气候条件和立地条件的修正系数。

第三步，生态环境条件系数的确定。

耕地周边生态系统的稳定性直接影响可耕性，植被稀疏、坡度越大，土壤越容易受到侵蚀，土壤养分流失，耕地破碎化严重，进而影响作物产量和耕地的可持续利用，故该文采用“1+X”模型依据分级标准累加计算生态环境条件系数B[23]，即生态环境条件系数=1+坡度得分+高程得分+盐渍化程度得分+土壤侵蚀强度得分+植被覆盖度得分。该方法能够使得在一定阈值范围内，耕地土壤生态环境的变化不会对作物产量产生较大影响，同时能更好地反映耕地本底质量。

第四步，耕地自然质量评价。

以土壤条件计算分值为基础，结合气候条件、立地条件和生态环境条件系数采用连乘法逐级修正得到山西省耕地自然质量，计算公式为：式（4）中，Q为耕地自然质量分值，B为生态环境条件修正系数。

2.3 耕地自然质量影响因素分析方法

地理探测器模型是一种检测事件与潜在风险因素之间关系的有力工具，如果自变量和因变量的空间分布相似，则自变量对因变量有重要影响[24]，通常用[0,1]范围内的q值表示这种相似性，当q接近1时，影响因素对目标值空间分异的解释能力更强；同样地，当q接近0时，解释力越弱，如式（5）所示：

式（5）中，qm,n为影响因素m对区域耕地自然质量n的解释力，h=1，…，L代表各影响因素的分类数，Nh和N分别代表第h类和研究区范围的单元数；σh2和σ2则分别为第h类和研究区的离散方差。地理探测器的交互探测还可以用来表征空间分异程度增强或减弱后各因素之间的交互作用。通过合并两个变量X1和X2的图层获得交互作用的q值（q（X1∩X2））； 然后将q（X1），q（X2）和（q（X1∩X2））进行比较，以检测相互作用强度。

2.4 数据来源

研究数据主要包括图件资料、遥感影像等多源数据，根据耕地自然质量各质量维度指数计算和地理探测器模型测算需求收集整理数据，在使用前检查数据的可靠性和计量单位的规范性，将数据统一转换为ArcGIS格式，确保地图投影坐标系一致。

图件资料：（1）有效土层厚度、灌溉保证率等来源于山西省2016 年耕地质量等别更新数据库；（2）积温、降雨数据来源于山西省气象站点观测数据；（3）利用山西省1∶50 000土地利用现状图基于ArcGIS的Near 工具计算距居民点耕作距离；田块形状指数参考相关研究获得[24]；耕地连片特性是通过设置缓冲区，保证每个要素必须有一个邻近要素计算得到；（4）山西省土壤侵蚀强度分布图下载于资源环境数据云平台。

影像数据：（1）30m 空间分辨率的DEM 提取坡度。（2）选取了15景2018 年6—10月云量小于10%的山西省关键物候期的遥感影像，利用ENVI5.3 软件计算植被覆盖度。（3）利用ArcGIS 的空间分析模块对积温和降雨数据进行插值，采用以点代面的方式将山西省积温、降水、坡度等数据赋值给耕地图斑，以耕地图斑为单元进行评价。

3 山西省耕地自然质量空间分布特征

3.1 耕地自然质量测度指标描述性特征

以耕地图斑为单元，统计各测度指标在全省范围内的特征参数。从表4可以看出，变异性较大（CV≥20%）的指标包括：土壤有机质含量（X1）、有效土层厚度（X3）、≥10℃积温（X5）、距居民点耕作距离（X7）、田块形状指数（X9）、耕地连片特性（X10）、坡度（X11）和高程（X12），其中，有效土层厚度（X3）、距居民点耕作距离（X7）和坡度（X11）的CV 均超过60%，表明这3 个指标空间变异性较强。土壤pH（X4）、年均降雨量（X6）和植被覆盖度（X15）的CV 分布在2%～20%，说明这些指标在空间上的变异性相对较小。

表4 测度指标统计特征

3.2 耕地自然质量分项测度指标空间分布特征

结合原始数据，分别计算耕地斑块各维度分值，采用自然断点法分别分为5个等级，各等级面积统计情况见表5，图2为各分项测度指标空间分异格局。

图2 山西省耕地自然质量各分项测度指标空间格局

表5 耕地自然质量等级面积统计

土壤条件一到五等面积占比分别为17.80%、21.29%、22.15%、33.54%和5.21%。一至三等面积分布比例基本一致，主要分布在中部断陷盆地及东南部的长治盆地，这是因为这些区域地形平坦，光热条件较好，土层深厚，矿物质化学分解强，土壤营养丰富，耕地基础自然质量好；另外，在这些区域出现了不同等级的“洼地”，主要是因为有机质含量较低或土层浅薄；五等分布最少，主要分布在吕梁山西部，主要是因为受水蚀影响，土壤退化，有机质含量低，因而土壤条件较差，耕地自然质量较低。

气候条件一到五等面积占比分别为14.65%、9.16%、7.85%、24.30%和44.03%。一等主要分布在晋南盆地区，地形平坦，光照充足，降雨丰沛，满足作物生长需求，耕地自然质量好；二、三等分布较少；四、五等面积分布大约占耕地面积的80%，分布在太原盆地及以北地区，主要是受纬度影响积温相对较低，五台山区等地虽然降雨量丰富，但积温低且受土质影响，耕地自然质量差。

立地条件一到五等面积占比分别为6.92%、17.22%、26.06%、24.67%和25.13%。一等分布较小，各盆地区均有零星分布，主要是因为盆地区地形平坦，耕地较为连片分布，灌溉较为充足，且由于距居民点较近，耕作距离短，便于精细化管理；三至五等面积分布较为均匀，呈插花分布，均占耕地面积的25%左右，其中，晋西黄土高原受流水冲刷作用，沟壑纵横，耕地破碎化严重，不利于机械化耕作，自然质量较差。

生态环境条件一到五等的面积占比分别为32.78%、42.20%、24.81%、0.12%和0.09%。整体来看山西省耕地生态环境较好，盆地区较山地区好，这是因为盆地区海拔低，坡度较平缓，沉积作用明显，耕地自然质量条件较好；尽管山区土壤发育较差，但植被覆盖好，生态环境条件较好；晋西高原受流水冲刷作用土壤侵蚀剧烈，生态环境差，耕地自然质量差。

3.3 耕地自然质量综合格局特征

采用耕地自然质量评价模型计算分值，借助ArcGIS工具，采用自然断点分级法[26]划分为5个等级得到山西省耕地自然质量空间分布格局（图3）。从结果来看，山西省耕地自然质量不高，一、二等地仅占耕地面积的10%；三至五等地面积构成分别为14.6%、28.1%和47.3%，优等地少，中、次等地多，这与郭忠[17]的研究结果一致。从分布来看，山西省耕地自然质量空间分异明显：一是与地形分布基本吻合，形成了中部盆地区明显高于东部和西部山区的空间格局；二是与积温分布相吻合，形成了南部质量高于北部的分布特征。一、二等地最为显著的区域集中在晋南盆地区，晋东南盆地区也有少量分布，基本符合其作为山西省重要的生产粮基地的区位特点，该区域属于汾河下游地区，地形平坦，耕地集中连片分布，降水较为丰沛，光照充足，距居民点耕作距离近，属精耕细作化农业，土壤持水保肥性好，植被茂密，水土流失较轻，灌溉农业较为发达。三等地主要分布在晋南盆地、长治盆地、太原盆地，大同盆地和忻定盆地也有分布，这部分地区自南向北随着海拔的升高，坡度加大，土层变薄，土壤侵蚀较为严重，耕地连片性较差，田块形状不规则，灌溉条件相对较低。四等地主要分布于山地丘陵区；五等地分布面积最为广泛，主要分布在光照较差的吕梁山区和太行山区，该级别耕地土层薄，肥力低下，土壤侵蚀剧烈，基础设施条件差，田块破碎化程度高，严重限制了耕地质量。

图3 耕地自然质量等级分布

4 耕地自然质量分布格局影响因素分析

耕地是一个复杂系统，耕地质量由空间异质性不同的多因素综合作用形成，因此，该研究基于地理探测器的因子探测和交互探测，以自然质量评价选定的15 个影响因素作为参考，探寻山西省耕地自然质量指标体系的内部作用。

4.1 耕地自然质量空间分布的单一影响因子分析

据表6可以发现，影响耕地自然质量空间分布的主要因素是有效土层厚度（X3） 、≥10℃积温（X5）和高程（X12）；年均降雨量（X6）和灌溉保证率（X8）次之；土壤有机质含量（X1）和田块形状指数（X9）对空间分布的影响较大；表层土壤质地（X2）、土壤pH（X4）、距居民点耕作距离（X7）、耕地连片特性（X10）、坡度（X11）、盐渍化程度（X13）、土壤侵蚀强度（X14）和植被覆盖度（X15）对空间格局特征有一定的影响。

表6 耕地自然质量分布各探测因子解释力

相关研究表明，有效土层厚度、≥10℃积温、年均降雨量、灌溉保证率和高程对作物产量具有显著影响[27-28]。积温高的地区作物生长期长，山西地处暖温带，受地形和纬度影响积温差异大，除晋北高原区作物一年一熟，其他地区可达两年三熟，汾渭谷地甚至可达一年两熟，这对粮食产量，尤其是连片耕作区耕地质量影响更为显著。在光照充足的前提下，水分是影响作物产量的重要因素。山西省山区海拔高，地形起伏大，水资源利用难度高，降水是作物生长需水的重要来源，但受雨水的高强度冲刷，土层浅薄，土壤养分流失，水土流失严重，耕地质量降低。理论上土壤侵蚀强度和坡度对耕地自然质量影响较大，但有研究表明[29]，受国家政策和农民耕种心理影响，近年来相对难利用的弃荒地大量出现，对耕地的利用主要在耕地条件好和交通便利的地方。高程是表征耕地细碎化程度、便利度的重要指标，低海拔区地势平坦，耕地连片分布，土壤肥沃，农业现代化程度高。此外，充足的水源和良好的基础设施状况有利于缓解耕地细碎化对耕地质量的影响。盆地区有河流穿过，灌溉较为充足，能够满足作物生长需要；而山地区受地形制约，水资源利用难度大，耕地质量较低。

4.2 耕地自然质量空间分布的因子组合分析

据表7 可以发现，任意影响因子两两组合对耕地自然质量空间分布的解释力都大于单因子的解释力，且均表现为非线性增强和双因子增强。将解释力排在前5位的交互作用进行排序表现为（≥10℃积温∩灌溉保证率）＞（≥10℃积温∩有效土层厚度）＞（灌溉保证率∩高程）＞（有效土层厚度∩高程）＞（降雨∩灌溉保证率），交互因子解释力分别为0.757、0.724、0.681、0.673 和0.664。这充分验证了耕地自然质量受各因素的协同制约，各因素之间的交互作用强化了对耕地自然质量分布的影响。

表7 耕地自然质量影响因素交互探测值

5 结论与启示

5.1 结论

（1）综合考虑反映耕地数量、质量和生态的测度指标，采用系数逐级修正法评价山西省耕地自然质量，结果显示优等地少而中低等地分布广泛，形成了盆地高山地低，南高北低的空间格局，整体分布与地形及积温分布趋同。

（2）耕地自然质量空间分布是多因素综合作用的结果，从单因子影响分析可以看出，有效土层厚度、≥10℃积温、年均降雨量、灌溉保证率和高程是空间分异形成的主要影响因素；从影响因子的交互作用可以发现，各因子交互作用的解释力都强于单因子解释力，主要表现为非线性增强和双因子增强。

（3）受数据限制，扩展时间维度和空间尺度从而进一步对比分析耕地质量分布格局及影响因素是今后研究的重点。

5.2 启示

（1）加强土地整治工作。按照“宜耕则耕、宜粮则粮、宜林则林”的原则，因地制宜开发利用耕地。可以通过中低产田改造、完善农田配套措施等方式，或者进行撂荒地、废弃居民点的整理，通过内含挖潜的方式增加建设用地面积，防止耕地非农化速度加快，抑或引入市场竞争机制，加快耕地流转制度的制定和完善，培育新的农业经营对象和新型农民，整合生产要素，并提高劳动生产率，以有效解决耕地遗弃、土地利用效率低下等问题，实现耕地规模经营从而促进耕地产出效益最大化。

（2）加强耕地生态环境建设。除开展防沙治沙、退耕还林工程外，政府可以加大对农户的补贴力度,还可以发挥“以城带乡、城乡联动”机制，通过农技下乡等方式向农户推广秸秆还田、绿肥种植等技术，同时加大耕地生态环境对农民福祉的宣传力度。此外，相关部门应对违法占用耕地等现象进行制止，加大处罚力度；建立健全土地管理机构，明晰责任主体，完善耕地动态监测体系。