姚琪　李巧云　孔祥斌　關(guān)欣

摘要：耕地利用潛力是耕地理論產(chǎn)能、可實現(xiàn)產(chǎn)能和實際產(chǎn)能3個產(chǎn)能層次間的差距。研究其時空分布特點及影響因素對于西部生態(tài)脆弱區(qū)耕地產(chǎn)能提升和糧食安全維護(hù)具有重大意義。基于農(nóng)用地產(chǎn)能核算和2009～2011年耕地等級變化監(jiān)測的外業(yè)調(diào)查成果，采用逐步回歸法對達(dá)拉特旗耕地利用潛力時空分布特征及其限制因素進(jìn)行研究。結(jié)果顯示鄉(xiāng)鎮(zhèn)中吉格斯太鎮(zhèn)的理論利用總潛力最低，昭君鎮(zhèn)最高，呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢；可實現(xiàn)利用潛力總體呈現(xiàn)北部和西部高，南部和東部低，鄉(xiāng)鎮(zhèn)中展旦召蘇木最低，昭君鎮(zhèn)最高，呈現(xiàn)縮小趨勢。灌溉次數(shù)、水源、侵蝕和污染狀況是耕地理論利用潛力的4大限制因子，實際單產(chǎn)、地形、是否受災(zāi)、灌溉水源、剖面構(gòu)型、機(jī)械投入和灌溉方式是可實現(xiàn)利用潛力的7大限制因子。

關(guān)鍵詞：達(dá)拉特旗；產(chǎn)能；耕地利用潛力；逐步回歸；限制因素

中圖分類號：F301.21（226） 文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2014）12-0088-08

耕地作為三大產(chǎn)業(yè)的主要生產(chǎn)要素，是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的寶貴資源和財富，耕地產(chǎn)能是糧食安全核心所在。近年來，我國社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，工業(yè)化和城市化大步推進(jìn)，有限的耕地資源日益減少，質(zhì)量大步下滑，“瓶頸”效應(yīng)日益凸顯，耕地生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)惡化趨勢、利用區(qū)域布局不夠合理、耕地集約度低下等問題日益威脅著中國的糧食安全；而西部區(qū)域雖然地域廣闊，但耕地面積相對較少，且破碎化程度高，質(zhì)量不高，生產(chǎn)能力表現(xiàn)出極端的生態(tài)脆弱性。這些問題嚴(yán)重影響著耕地的人口承載力，威脅著地區(qū)及國家的糧食安全。研究典型區(qū)域耕地利用潛力的時空分布規(guī)律及其限制因素，對縮小產(chǎn)量差、實現(xiàn)產(chǎn)能提升和耕地可持續(xù)利用、滿足我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要具有重要意義。

De Datta首先提出和使用產(chǎn)量差（即耕地利用潛力）這一概念，并將形成產(chǎn)量差距的因素定義為產(chǎn)量限制因子[1]。隨后，F(xiàn)resco、Lobell、Sumberg等人豐富完善了產(chǎn)量差的概念[2～4]。國內(nèi)對耕地利用潛力的定義則多為耕地理論產(chǎn)能、可實現(xiàn)產(chǎn)能和實際產(chǎn)能3個產(chǎn)能層次依次的差值，表示耕地利用水平提高后和當(dāng)前可實現(xiàn)的增產(chǎn)潛力[5，6]。不同層次的產(chǎn)量差形成的主要原因是不同的，化肥施用量、土壤養(yǎng)分、灌溉、蟲害、作物品種、海拔、氣候條件等為已有研究成果提及的主要影響因子[7～11]。研究尺度則從實驗室、田塊尺度進(jìn)展為區(qū)域尺度[11～14]。研究對象主要有小麥、玉米、木薯等當(dāng)?shù)刂饕Z食作物[11，14]。由于耕地利用潛力的限制因素較多，且因素間相互關(guān)聯(lián)，對此許妍等對耕地利用潛力與分等因素進(jìn)行相關(guān)性分析，并與各級單產(chǎn)進(jìn)行回歸分析，探討影響產(chǎn)能提升的主導(dǎo)因子[5]；張玉銘、郭篤發(fā)等分別運用通徑分析、主成分分析法研究了土壤肥力中各要素之間的相互關(guān)系及其對玉米的增產(chǎn)作用；王樹濤等則采用回歸樹分析探討了自然和管理因素對耕地產(chǎn)能的影響[15～18]。

綜上可知，國內(nèi)對于耕地利用潛力時空分布規(guī)律及其限制因子的研究較少，且大多針對某一特定農(nóng)作物，不具可比性；對于限制因素的研究大多為單一要素，也多為自然要素，對于人為管理和社會經(jīng)濟(jì)要素考慮較少，缺乏定量化的綜合性研究。本研究基于達(dá)拉特旗農(nóng)用地產(chǎn)能核算成果和耕地等級變化監(jiān)測實地問卷調(diào)查結(jié)果，將農(nóng)作物產(chǎn)能統(tǒng)一為國家標(biāo)準(zhǔn)糧的產(chǎn)量，研究耕地利用潛力的時空分布規(guī)律，并運用逐步分析法，減少變量間共線性的影響，綜合研究影響耕地利用潛力的包括自然、管理、社會經(jīng)濟(jì)等各項因素，探討其主要的限制因子，為區(qū)域耕地產(chǎn)能提升、可持續(xù)利用、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)提供理論支持和建議。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

達(dá)拉特旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的西南部，鄂爾多斯高原北面，地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°58′43″～110°42′58″，北緯39°48′15″～40°32′42″。地處蒙中經(jīng)濟(jì)區(qū)，是內(nèi)蒙古自治區(qū)最主要的“呼和浩特-包頭-烏海”產(chǎn)業(yè)帶與連通我國中西部的神驊鐵路產(chǎn)業(yè)帶的“T”字型結(jié)合部。2009年末全旗總?cè)丝?4.85萬人，人均耕地0.43公頃。地勢南高北低，西高東低，階梯狀分布。地形從北至南分別為黃河南岸沖積平原區(qū)、庫布沙漠區(qū)和低山丘陵溝壑區(qū)。共有5個土類，粟鈣土、風(fēng)沙土、草甸土、鹽土和沼澤土。屬于溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，年平均降水311.75 mm。由黃河及其10條支流構(gòu)成達(dá)拉特旗的主要水系，10條黃河支流由西向東分別為毛布拉格孔兌、布日嘎斯太溝、黑賴溝、西柳溝、罕臺川、壕慶河、哈什拉川、母花溝、東柳溝、呼斯太河。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1調(diào)查樣點布置將達(dá)拉特旗地貌、土壤、土地利用系數(shù)、土地經(jīng)濟(jì)系數(shù)等分區(qū)進(jìn)行空間疊加，將全區(qū)劃分為46個單元，再將面積較小的單元進(jìn)行歸并，最終劃分20個監(jiān)測分區(qū)。根據(jù)監(jiān)測點選擇原則、技術(shù)要點和要求，共選取37個固定監(jiān)測樣點和6個動態(tài)監(jiān)測樣點（圖1）。

1.2.2數(shù)據(jù)來源及處理本文理論和可實現(xiàn)產(chǎn)能樣本數(shù)據(jù)主要來源于達(dá)拉特旗產(chǎn)能核算工作的外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，實際產(chǎn)能和限制因子數(shù)據(jù)來自耕地等級變化監(jiān)測。其中理論單產(chǎn)樣本值為2009年玉米區(qū)試產(chǎn)量，可實現(xiàn)產(chǎn)能為指定作物（玉米）近3～5年無重大自然災(zāi)害的正常年份下的最高單產(chǎn)，實際產(chǎn)能樣本值及47個對耕地利用潛力可能造成影響的自然和人為因素（表1）的樣本資料主要通過對43個監(jiān)測點的農(nóng)戶進(jìn)行實地走訪和抽樣問卷調(diào)查獲得，每個樣點調(diào)查3～6份問卷，共發(fā)放調(diào)查問卷149份，收回有效問卷132份。

達(dá)拉特旗耕地利用潛力時空分布規(guī)律分析采用ArcGIS10.0軟件完成，耕地利用潛力限制因子分析采用SPSS軟件完成。

1.3研究思路及分析方法

耕地利用潛力為3個層次的耕地產(chǎn)能之差，因此首先基于農(nóng)用地產(chǎn)能核算的方法建立理論產(chǎn)能和可實現(xiàn)產(chǎn)能的核算模型，計算得到2009～2011年各分等單元和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的理論產(chǎn)能和可實現(xiàn)產(chǎn)能；其次將各監(jiān)測樣點的實際單產(chǎn)數(shù)據(jù)，乘以產(chǎn)量比系數(shù)（春小麥為1.00，玉米為0.61，馬鈴薯為0.15），通過面積加權(quán)處理得到每個調(diào)查樣點的實際標(biāo)準(zhǔn)糧單產(chǎn)并落實到調(diào)查樣點所代表的該監(jiān)測區(qū)各個分等單元中去，得到各分等單元和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的實際產(chǎn)能。然后分析耕地利用潛力的時空分布規(guī)律；對耕地等級變化監(jiān)測中調(diào)查到的影響耕地利用潛力的自然和人為因素進(jìn)行逐步回歸分析和共線性診斷，探討達(dá)拉特旗耕地利用潛力的主要限制因子。

2耕地生產(chǎn)能力及耕地利用潛力核算模型

收錄樣本地塊國家自然質(zhì)量指數(shù)Ri/利用等指數(shù)x i和理論單產(chǎn)yi″/可實現(xiàn)單產(chǎn)yi′的樣本值（玉米區(qū)試產(chǎn)量/正常年份下的最高單產(chǎn)）進(jìn)入農(nóng)用地產(chǎn)能核算數(shù)據(jù)庫后，分別建立兩者對應(yīng)的線性函數(shù)關(guān)系模型，經(jīng)過數(shù)理分析和論證檢驗，確定各鄉(xiāng)鎮(zhèn)理論和可實現(xiàn)單產(chǎn)核算模型（表2）。

3結(jié)果與分析

3.1耕地利用潛力時空分布規(guī)律分析

將所有分等單元的耕地自然等/利用等指數(shù)代入線性方程，對分等單元進(jìn)行產(chǎn)能和耕地利用潛力核算。其中分等單元中理論利用潛力的最大值為4 491.46 kg/hm2，最小值為-4.35 kg/hm2，將其分為-4.35～0、0～1 000、1 000～2 000、2 000～3 000、3 000～4 000和4 000～5 000六個層次。可實現(xiàn)利用潛力的最大值為4 025 kg/hm2，最小值為-3 342 kg/hm2，分為-4 000～0、0～1 000、1 000～2 000、2 000～3 000、3 000～4 000和4 000～5 000六個層次，各層次分布面積如表3。再乘以對應(yīng)分等單元面積，匯總得出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地利用潛力總量數(shù)據(jù)（表4）。

2009～2011年達(dá)拉特旗的理論利用潛力絕大部分集中在0～1 000和1 000～2 000兩個層次，總比例達(dá)到95%以上。三年中-4.35～0和0～1 000等較低的理論利用潛力層次的比例下降， 1 000～2 000等較高的理論利用潛力層次的比例有所上升。鄉(xiāng)鎮(zhèn)中理論利用潛力總量最低為吉格斯太鎮(zhèn)，約0.9萬t，昭君鎮(zhèn)最高，約為3.7萬t（表3，表4）。

總之，較大的理論利用潛力地塊分布于達(dá)拉特旗十條主要水系的流域范圍內(nèi)，遠(yuǎn)離河床的理論利用潛力較小，整體耕地理論利用潛力呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢（圖2）。

從實施農(nóng)村土地整治、基本農(nóng)田保護(hù)示范區(qū)建設(shè)等項目區(qū)粗線范圍的耕地理論利用潛力變化來看（圖2），除昭君鎮(zhèn)靠近西柳溝的項目區(qū)內(nèi)土地或因洪水淹沒造成產(chǎn)能降低后，該區(qū)的國家自然等指數(shù)調(diào)低，理論利用潛力降低外，大部分區(qū)域顏色不變或變深，數(shù)值擴(kuò)大?？傮w說明項目區(qū)內(nèi)各項基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)對由耕地自然質(zhì)量決定的耕地產(chǎn)能的提升在短時間內(nèi)不能體現(xiàn)其成效。

可實現(xiàn)利用潛力絕大部分集中在0～1 000、1 000～2 000、2 000～3 000和3 000～4 000 kg/hm2四個層次，總比例達(dá)到90%以上。三年中2 000～3 000和3 000～4 000的比例下降，-4 000～0、0～1 000、1 000～2 000、4 000～5 000的比例有所上升。鄉(xiāng)鎮(zhèn)中最低為展旦召蘇木，2011年約1.42 萬t，昭君鎮(zhèn)最高，約為4.1萬t（表3、表4）。

總之，達(dá)拉特旗東北部和昭君鎮(zhèn)北部潛力在縮小，西北角潛力在擴(kuò)大。2011年除南部哈什拉川流域可實現(xiàn)利用潛力較高外，總體呈現(xiàn)北部和西部高，南部和東部低的空間分布格局。全旗可實現(xiàn)利用潛力在縮小，說明項目區(qū)內(nèi)農(nóng)田管理投入因素、經(jīng)濟(jì)政策因素的轉(zhuǎn)變對挖掘耕地可實現(xiàn)利用潛力的效果較好。

另外，從項目區(qū)粗線范圍的耕地可實現(xiàn)利用潛力變化來看（圖3），2009～2011年達(dá)拉特旗可實現(xiàn)利用潛力變動較大。除達(dá)拉特旗西北角和部分補(bǔ)充耕地項目外，其他項目區(qū)內(nèi)土地耕地可實現(xiàn)利用潛力都呈現(xiàn)降低的趨勢。說明基本農(nóng)田保護(hù)示范區(qū)建設(shè)、農(nóng)村土地整治重大工程示范區(qū)和高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)區(qū)內(nèi)由于政府積極采取相應(yīng)措施、經(jīng)濟(jì)發(fā)展較迅速、農(nóng)民的耕作意愿得到加強(qiáng)，較大幅度地提高了耕地實際產(chǎn)能，縮小了耕地可實現(xiàn)利用潛力。

3.2耕地利用潛力限制因素研究

利用SPSS軟件分別對耕地理論利用潛力和可實現(xiàn)利用潛力與46個備選影響因素進(jìn)行逐步回歸分析和共線性診斷，探討達(dá)拉特旗耕地利用潛力的主要限制因子。

最終耕地理論利用潛力模型7中保留了灌溉次數(shù)X27、污染狀況X7、灌溉水源X14、侵蝕狀況X6、排水方式X20、海拔X10、是否在土整區(qū)X26共7個限制因子。調(diào)整的R2增大到0.692，模型有較好的擬合性；經(jīng)過 F檢驗和t檢驗后，證明模型及其常數(shù)項、7個自變量均有統(tǒng)計學(xué)意義（表5）；且絕大多數(shù)學(xué)生化殘差絕對值不大于2（圖4），可診斷理論利用潛力為獨立變量。

因此，建立理論利用潛力的“最優(yōu)”方程為：

y1=-1119.655+230.786X27+266.375X7+294.427X14+351.750X6+477.312X20-1.332X10+150.032X26

對回歸模型進(jìn)行共線性診斷，其容忍度、方差膨脹因子VIF和條件指數(shù)均在正常值范圍內(nèi)（表5、表6），可認(rèn)為7個自變量共線性較弱或不存在。

比較變量間的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)，可知對理論利用潛力的貢獻(xiàn)大小依次為灌溉次數(shù)>灌溉水源>侵蝕狀況>污染狀況>海拔>排水方式>是否在土整區(qū)。因此農(nóng)作物對水分需求的滿足程度、土壤退化和污染情況是理論利用潛力的主要限制因素。模型表明了灌溉次數(shù)越多，水源越遠(yuǎn)，即對水分需求得不到滿足，侵蝕和污染情況越嚴(yán)重，理論利用潛力則擴(kuò)大。說明保障農(nóng)作物對水分的需求及防治土壤退化和污染是縮小理論利用潛力的首要途徑。

可實現(xiàn)利用潛力模型最終篩選出了14個自變量，但對其進(jìn)行共線性診斷時，從第11個變量開始，條件指數(shù)>30，容忍度變小，共線性變嚴(yán)重。因此保留了模型10中實際單產(chǎn)X43、地形X11、是否受災(zāi)X16、機(jī)械投入X35、灌溉水源X14、污染狀況X7、灌溉方式X18、剖面構(gòu)型X3、化肥投入X30、地下水礦化度X15共10個限制因子。擬合優(yōu)度檢驗、F檢驗和t檢驗證明，模型及其常數(shù)項、10個自變量均有統(tǒng)計學(xué)意義（表7）。模型10經(jīng)共線性診斷認(rèn)為10個自變量共線性較弱或不存在（表8）。

比較變量間的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)，可知對可實現(xiàn)利用潛力的貢獻(xiàn)大小依次為實際單產(chǎn)>地形>是否受災(zāi)>灌溉水源>剖面構(gòu)型>機(jī)械投入>灌溉方式>污染狀況>化肥投入>地下水礦化度。因此農(nóng)戶目標(biāo)因素中的實際單產(chǎn)，自然因素中的地形、是否受災(zāi)、灌溉水源和農(nóng)田投入因素中的機(jī)械投入、灌溉方式是可實現(xiàn)利用潛力分異的主要的限制因子。模型表明了實際單產(chǎn)越小，耕地自然條件越好而利用水平不高，發(fā)生過災(zāi)害天氣，單位面積機(jī)械投入越多而利用率不高，灌溉技術(shù)越落后，可實現(xiàn)利用潛力越大。說明在耕地利用水平較高如交通和經(jīng)濟(jì)條件較好的村鎮(zhèn)或地區(qū)，促進(jìn)耕地集約化利用，形成規(guī)模經(jīng)營，降低單位農(nóng)田投入成本，并采用先進(jìn)灌溉技術(shù)，提高灌溉有效率，是挖掘可實現(xiàn)利用潛力、提升產(chǎn)能的重要手段。

4結(jié)論與討論

4.1結(jié)論

（1）達(dá)拉特旗理論利用潛力各鄉(xiāng)鎮(zhèn)總量最低為吉格斯太鎮(zhèn)，最高是昭君鎮(zhèn)，總體不高。較大潛力地塊分布于達(dá)拉特旗十條主要水系的流域范圍內(nèi)，遠(yuǎn)離河床的理論利用潛力較小?？蓪崿F(xiàn)利用潛力鄉(xiāng)鎮(zhèn)中最低為展旦召蘇木，昭君鎮(zhèn)最高。2011年除南部哈什拉川流域可實現(xiàn)利用潛力較高外，總體呈現(xiàn)北部和西部高，南部和東部低的空間分布格局。

（2）2009～2011年達(dá)拉特旗整體耕地理論利用潛力呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢，總共擴(kuò)大0.11萬t?？蓪崿F(xiàn)利用潛力中東北部和昭君鎮(zhèn)北部潛力在縮小，西北角潛力在擴(kuò)大，全旗可實現(xiàn)利用潛力共5.76 萬t，在縮小。

（3）2009～2011年土地整治及高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)項目紅線范圍區(qū)內(nèi)理論利用潛力絕大部分不變或擴(kuò)大；可實現(xiàn)利用潛力除達(dá)拉特旗西北角和部分補(bǔ)充耕地項目外，其他項目區(qū)內(nèi)土地耕地可實現(xiàn)利用潛力都呈現(xiàn)降低的趨勢。

（4）耕地理論利用潛力的前4大限制因子為灌溉次數(shù)、灌溉水源、侵蝕狀況、污染狀況?？蓪崿F(xiàn)利用潛力的前7大限制因子為實際單產(chǎn)、地形、是否受災(zāi)、灌溉水源、剖面構(gòu)型、機(jī)械投入和灌溉方式，因此自然因素仍為可實現(xiàn)利用潛力主要限制因素，其次為農(nóng)戶耕作目標(biāo)因素，最后為農(nóng)田投入管理因素。

4.2討論

（1）耕地利用潛力研究的重點在于揭示產(chǎn)量差的變化幅度和空間分布差異，分析其限制因子以及提高耕地單位實際產(chǎn)量的措施，初步探討增產(chǎn)途徑。目前耕地利用潛力定義、研究對象和方法差別較多，數(shù)據(jù)的可比性較差。本文將耕地生產(chǎn)能力統(tǒng)一為國家標(biāo)準(zhǔn)糧的產(chǎn)量，增強(qiáng)其數(shù)據(jù)的可比性。

（2）一般核算農(nóng)田實際產(chǎn)能是利用統(tǒng)計年鑒中以行政村或者行政鎮(zhèn)為單位的糧食總產(chǎn)，再加上其他產(chǎn)量折算的產(chǎn)量，但產(chǎn)量落實不到各個分等單元，且是總產(chǎn)，而非糧食單產(chǎn)，統(tǒng)計中由人為因素造成的誤差較大，因此本研究以實地調(diào)查的農(nóng)田單位產(chǎn)量為基礎(chǔ)測算耕地實際產(chǎn)能，以彌補(bǔ)上述情況造成的不足。

（3）限制因素的研究綜合了耕地自然因素、農(nóng)田投入管理和農(nóng)戶耕地利用目標(biāo)變化因素等，較全面地考慮了縮小耕地利用潛力和提升產(chǎn)能的影響因子。但還缺乏氣候因素的詳細(xì)數(shù)據(jù)，如光照、溫度、降水等，西部生態(tài)脆弱區(qū)由于局地小氣候造成的耕地利用潛力變化較多，接下來需添加這方面的資料綜合研究其對產(chǎn)量差的影響。

（4）監(jiān)測樣點調(diào)查的各個限制因素間存在一定程度的相關(guān)性，需采用新的研究方法進(jìn)一步剔除自變量的共線性，更好地分析耕地利用潛力縮小的途徑，為區(qū)域高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、耕地保護(hù)和國家糧食安全提供技術(shù)支撐。

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