(東北大學(xué) 土地管理研究所,遼寧 沈陽 110169)

基于RS的縣域耕地產(chǎn)能核算及其產(chǎn)能提升研究
——以黑龍江省肇源縣為例

張 瑩,雷國平,林 佳,周 敏
(東北大學(xué) 土地管理研究所,遼寧 沈陽 110169)

以黑龍江省肇源縣為研究區(qū),基于RS和GIS技術(shù),采用潛力衰減法核算耕地產(chǎn)能,揭示其空間分異特征;運用SPSS軟件聚類分析功能劃分產(chǎn)能提升區(qū),并分析制約耕地產(chǎn)能提升的主要因素。結(jié)果表明:以遙感影像和統(tǒng)計數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,可以快速、低成本核算耕地產(chǎn)能。2014年研究區(qū)各層次耕地產(chǎn)能和單產(chǎn)在空間分布上具有相似性,總體呈現(xiàn)由東部和西部向中部地區(qū)遞減的兩翼式分布特征。耕地理論產(chǎn)能潛力的差異顯著,其數(shù)值在7499.8424—15743.4468kg/hm2之間,最高值約為最低值的2.1倍。4個產(chǎn)能提升區(qū)之間的耕地產(chǎn)能提升空間存在顯著差異,制約其產(chǎn)能提升的自然因素主要是土壤肥力、土壤退化、土壤有機質(zhì)含量,并且大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟技術(shù)投入水平較低。根據(jù)研究結(jié)果，提出了相應(yīng)的對策建議。

土地利用;耕地產(chǎn)能;影響因素;RS;肇源縣

1 引言

耕地產(chǎn)能是評價一個地區(qū)耕地的糧食生產(chǎn)能力、土地利用程度及發(fā)展前景的重要指標(biāo),耕地產(chǎn)能的高低可間接反映糧食安全水平[1]。糧食安全戰(zhàn)略的核心不在于每年糧食產(chǎn)量多少或產(chǎn)量增加多少,而在于在保證耕地數(shù)量的基礎(chǔ)上確保耕地產(chǎn)能[2]。在我國人口眾多、人均耕地面積少的基本國情背景下,人地矛盾日益加劇,提升耕地產(chǎn)能、保障糧食安全已上升為一個緊迫的重大戰(zhàn)略問題[3]。我國13個糧食主產(chǎn)區(qū)的糧食產(chǎn)量占全國的比重為75.4%,約占95%的全國增產(chǎn)糧食來自于這13個糧食主產(chǎn)區(qū),其中黑龍江糧食主產(chǎn)區(qū)的糧食產(chǎn)量比重在全國大于10%。黑龍江省作為中國最大的商品糧產(chǎn)區(qū),對保障國家糧食安全起到了舉足輕重的作用。

國內(nèi)外關(guān)于耕地產(chǎn)能的研究開展得都比較早。當(dāng)前,國外關(guān)于耕地產(chǎn)能的研究主要集中在農(nóng)作物長勢監(jiān)測和估產(chǎn)方面，一般多采用統(tǒng)計模型[4]、遙感估產(chǎn)模型[5]、作物生長模型[6]、作物生長模型與GIS和遙感相結(jié)合[7]等方法進行估產(chǎn)。國內(nèi)關(guān)于耕地產(chǎn)能的研究主要集中在耕地產(chǎn)能核算方法與模型[8,9]、耕地產(chǎn)能時空分異[10-12]、耕地產(chǎn)能影響因素[13,14]等方面,多采用糧食作物審定品種的區(qū)域試驗產(chǎn)量[2]、耕地質(zhì)量評價成果[8]、農(nóng)用地分等成果[15-17]和改進的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)劃法[18,19]對耕地產(chǎn)能進行測算,且研究尺度以市、省、地區(qū)級別的大尺度研究為主,縣域或鄉(xiāng)鎮(zhèn)的小尺度研究鮮有報道。目前,耕地產(chǎn)能核算方法均需獲取土壤樣品或理論單產(chǎn)樣本值,雖然能精確地估算耕地產(chǎn)能,但卻需要投入大量的成本(人力、財力、物力和時間),時效性和動態(tài)性較差,無法滿足短時間、小成本地核算耕地產(chǎn)能及其產(chǎn)能潛力的需求。RS技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為獲取土壤理化性質(zhì)提供了新思路,相關(guān)研究證實利用RS技術(shù)構(gòu)建反演模型能較好地模擬土壤的肥力[20]、鹽分[21]、有機質(zhì)[23,24]和含水量[24]等理化性質(zhì)的空間分布特征,目前尚未有耕地產(chǎn)能核算研究采用該方法作為數(shù)據(jù)獲取的手段。鑒于此,本文選取黑龍江省商品糧基地——肇源縣為研究區(qū),基于RS和GIS技術(shù)平臺獲取數(shù)據(jù),綜合影響耕地產(chǎn)能的土壤自然和社會經(jīng)濟技術(shù)因素,采用潛力衰減法,小成本、快速地核算耕地產(chǎn)能,揭示其空間分異特征。根據(jù)產(chǎn)能潛力比較優(yōu)勢、實際單產(chǎn)比較優(yōu)勢和耕地規(guī)模比較優(yōu)勢三項指標(biāo)將研究區(qū)劃分為四類耕地產(chǎn)能提升區(qū),并分析制約產(chǎn)能提升的主要因素。研究成果對推動高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)和保障糧食安全具有重要的理論意義和實踐應(yīng)用價值。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

肇源縣地處黑龍江省西部(45°23′—45°59′N、123°47′—125°45′E),西北與杜爾伯特蒙古族自治縣,北與肇州縣,東與綏化市肇東市接壤,西南以松花江、嫩江主航道為界與吉林省白城市鎮(zhèn)賚縣、大安市、前郭爾羅斯蒙古族自治縣、扶余市和哈爾濱市雙城區(qū)隔江相望,隸屬于大慶市。該縣位于松嫩低平原黑土區(qū),是黑龍江省產(chǎn)糧大縣和全國商品糧基地之一。2014年,該縣共轄16個鄉(xiāng)鎮(zhèn),總?cè)丝?5.8萬人,其中農(nóng)業(yè)人口36萬人,土地面積36.51萬hm2,耕地面積約占全縣土地面積的45.20%。主要種植的糧食作物為水稻、玉米、大豆,其中玉米的播種面積比例為59.40%,玉米產(chǎn)量占全縣糧食總產(chǎn)量的72.24%。研究區(qū)屬于北溫帶大陸性氣候,年均降水量在600mm左右,年有效積溫為2900—3100℃。該區(qū)域多為低地平原,地形平緩,多沼澤和泡泊,導(dǎo)致其土地退化問題主要表現(xiàn)為土壤鹽堿化。石油開發(fā)等土地利用活動對該縣的耕地土壤和耕作方式產(chǎn)生不良作用,一系列自然生態(tài)和社會因素對肇源縣的耕地產(chǎn)能產(chǎn)生了較大影響。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

獲取2014年8月7日Landsat 8遙感影像一景,且影像上無云影干擾。7月中下旬—八月上旬為黑龍江省糧食生長的關(guān)鍵時期(玉米抽雄吐絲期、水稻抽穗期、大豆開花結(jié)莢期),這一時期自然條件和耕作投入對于糧食產(chǎn)能具有非常重要的影響。2014年7月16日—8月15日之間肇源縣的平均降水量僅約為5.13mm,非常干旱,無降水影響。因此,選擇2014年8月7日為研究時點,獲取Landsat 8遙感影像一景,并提取耕地數(shù)據(jù)進行研究(圖1,見封二)。

基于已有投影Landsat 8影像幾何校正,利用ENVI 5.1軟件進行輻射定標(biāo)和大氣校正;大氣輻射校正模型采用MODTRAN 4+輻射傳輸模型的代碼,是基于像素級的校正,能校正由漫反射引起的連帶效應(yīng),調(diào)整由人導(dǎo)致的波譜平滑,并有效消除大氣等因素對地物反射的影響,獲得地物較為準(zhǔn)確的反射率,大氣校正應(yīng)用FLAASH功能模塊[23]。

經(jīng)輻射定標(biāo)和大氣校正后的Landsat 8影像的紅波段和近紅外波段的反射率數(shù)據(jù)用于反演能較好地反應(yīng)耕地的土壤屬性:土壤肥力(NDVI)[25,26]、土壤退化程度(RVI)[25,26]、土壤含水量(Sm)[24]、土壤有機質(zhì)含量(SOM)[23]4個指數(shù)。由于NDVI和RVI指數(shù)已在許多研究中得到廣泛應(yīng)用[13,25,26],所以直接運用其計算公式提取出耕地的土壤肥力和土壤退化程度。借鑒已有研究中的試驗方法[23,24],利用覆蓋本研究區(qū)的土壤地球化學(xué)調(diào)查采樣數(shù)據(jù)和同年份的遙感影像數(shù)據(jù),構(gòu)建適用于本研究區(qū)的反演模型,獲得2014年研究區(qū)耕地的土壤含水量和土壤有機質(zhì)含量;反演模型的決定系數(shù)R2均大于0.6,模型精度較好，滿足研究要求。利用ENVI 5.1軟件的Band math工具計算各指數(shù)并形成柵格數(shù)據(jù),利用ArcGIS 10.2軟件中的柵格數(shù)據(jù)重采樣Raster Reclassify工具并根據(jù)自然斷點分級法Natural Breaks(Jenks)對各指標(biāo)進行分級賦值為100、90、80、70、60。自然斷點分級法是基于數(shù)據(jù)中固有的自然分組,在對相似值進行最恰當(dāng)?shù)胤纸M的同時又可使各組別之間的差異最大化。該方法可反映研究區(qū)內(nèi)各指標(biāo)的自然分組特征,有效地避免了人為的主觀干擾對指標(biāo)分級的影響(圖2,見封二)。

農(nóng)業(yè)機械化程度、地膜使用程度、農(nóng)藥施用程度、灌溉保證率等社會經(jīng)濟技術(shù)數(shù)據(jù)來源于2015年《大慶年鑒》、《大慶統(tǒng)計年鑒》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)或是根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算得到。耕作便利度是基于ArcGIS 10.2軟件平臺利用已有的DEM數(shù)據(jù)提取坡度數(shù)據(jù),應(yīng)用距離分析工具計算每個柵格的耕地到居民點的距離,并根據(jù)自然斷點分級法Natural Breaks(Jenks)對其進行分級賦值為100、90、80、70、60。研究區(qū)作物的光溫(氣候)生產(chǎn)潛力指數(shù)來源于我國《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》中的《全國各省(區(qū)、市)作物生產(chǎn)潛力指數(shù)速查表》。

3 研究思路與方法

3.1 耕地產(chǎn)能的界定

目前關(guān)于耕地產(chǎn)能的定義是：耕地產(chǎn)能是指一定時期、一定區(qū)域和一定的自然、社會、經(jīng)濟、技術(shù)條件下所形成的耕地生產(chǎn)能力,具體分為耕地理論產(chǎn)能、耕地可實現(xiàn)產(chǎn)能和耕地實際產(chǎn)能三個層次。借鑒相關(guān)研究[8,13],本文對3個層次的耕地產(chǎn)能界定為:耕地理論產(chǎn)能是指區(qū)域范圍內(nèi)在光、溫、水、土等自然環(huán)境下,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得到充分保證,經(jīng)濟技術(shù)和投入利用最優(yōu)的狀況下所能達到的糧食最高產(chǎn)量;耕地可實現(xiàn)產(chǎn)能是指區(qū)域范圍內(nèi)在光、溫、水、土等自然環(huán)境下,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、經(jīng)濟技術(shù)和投入利用達到地區(qū)平均水平所能夠?qū)崿F(xiàn)的糧食產(chǎn)量;耕地實際產(chǎn)能指目前已達到的生產(chǎn)能力,即某年份的糧食產(chǎn)量。

由于在縣域以下的小尺度耕地產(chǎn)能研究中,鄉(xiāng)鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)較難獲得,因此本文對可實現(xiàn)產(chǎn)能的界定與已有研究略有差異。在此界定下,通過對比分析區(qū)域的可實現(xiàn)產(chǎn)能和實際產(chǎn)能之間的關(guān)系,能間接、快速地獲得各鄉(xiāng)鎮(zhèn)在耕地生產(chǎn)方面的社會經(jīng)濟技術(shù)投入水平情況,便于指導(dǎo)耕地生產(chǎn)過程中的社會經(jīng)濟技術(shù)投入與利用。

3.2 耕地產(chǎn)能核算的指標(biāo)選取與計算

耕地產(chǎn)能一方面受土地資源自然因素的影響,另一方面也與技術(shù)經(jīng)濟條件直接相關(guān)[27]。因此,耕地產(chǎn)能核算的指標(biāo)選擇應(yīng)從土壤自然因素和社會經(jīng)濟技術(shù)因素兩方面選取。

在土壤自然因素方面,選擇耕地坡度、土壤肥力(NDVI)、土壤退化程度(RVI)、土壤含水量(Sm)、土壤有機質(zhì)含量(SOM)5個指標(biāo)作為研究區(qū)土壤修正系數(shù)影響因子的參選指標(biāo)。其中,土壤肥力(NDVI)反映植被覆蓋信息,表征耕地質(zhì)量狀態(tài),NDVI值越高,說明該區(qū)域土壤質(zhì)地越好、耕地土壤肥力越高。土壤退化程度(RVI)反應(yīng)土壤退化問題,尤其是土地鹽堿化對作物生長的脅迫程度,RVI值越大,表明該區(qū)域土壤退化程度越低、耕地生產(chǎn)壓力越小。土壤含水量(Sm)反映土壤含水量,在適于農(nóng)作物生長的土壤含水量范圍內(nèi),Sm值越大,說明該區(qū)域土壤含水量越高,耕地狀態(tài)越好,有利于作物生長。土壤有機質(zhì)含量(SOM)反映土壤有機質(zhì)含量,表征土壤提供作物營養(yǎng)、促進作物生長發(fā)育、改善土壤物理性質(zhì)的能力,SOM值越高,促進作物生長的能力越強。研究區(qū)內(nèi)占耕地總面積91.95%的耕地坡度小于2°,耕地坡度的空間差異很小,耕地產(chǎn)能受坡度影響產(chǎn)生的差異基本可忽略不計,因此可剔除該指標(biāo)。綜上所述,確定耕地產(chǎn)能核算的土壤修正系數(shù)的影響因子包括土壤肥力(NDVI)、土壤退化程度(RVI)、土壤含水量(Sm)、土壤有機質(zhì)含量(SOM)4個指標(biāo)。

在社會經(jīng)濟技術(shù)因素方面,選取農(nóng)業(yè)機械化程度、地膜使用程度、農(nóng)藥施用程度、化肥施用程度、灌溉保證率、耕作便聾度6個指標(biāo)作為研究區(qū)社會經(jīng)濟技術(shù)修正系數(shù)影響因子的參選指標(biāo)。指標(biāo)的計算從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求和生態(tài)環(huán)境保護兩個方面綜合考慮,參照國家環(huán)境保護局設(shè)定的生態(tài)縣建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。國家環(huán)境保護總局設(shè)定的生態(tài)縣建設(shè)的農(nóng)藥施用量為3kg/hm2、地膜使用量為33.75kg/hm2、化肥施用量為250kg/hm2(氮磷鉀施用比例為1∶0.5∶0.5),該用量設(shè)定的目的是既滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求又不破壞生態(tài)環(huán)境。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn),確定地膜使用程度為地膜使用量與地膜使用量標(biāo)準(zhǔn)值的比值,農(nóng)藥施用程度為農(nóng)藥施用量與農(nóng)藥施用量標(biāo)準(zhǔn)值的比值。由于化肥施用量大于化肥施用量標(biāo)準(zhǔn)值,可認(rèn)為其化肥施用程度足以滿足農(nóng)作物生長需求,故在產(chǎn)能核算中剔除該指標(biāo)。最終,確定社會經(jīng)濟技術(shù)修正系數(shù)的影響因子包括農(nóng)業(yè)機械化程度、地膜使用程度、農(nóng)藥施用程度、灌溉保證率、耕作便利度5個指標(biāo)。

本文的地膜使用程度、農(nóng)藥施用程度和化肥施用程度的計算既考慮到能否滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求又考慮到對生態(tài)環(huán)境的保護,指標(biāo)計算更加科學(xué)合理。

3.3 耕地產(chǎn)能核算方法

運用變異系數(shù)法確定土壤修正系數(shù)影響因子的權(quán)重,因為土壤性質(zhì)在空間上具有變異性,所以運用此方法可克服指標(biāo)權(quán)重分配均衡化的缺陷,使評價結(jié)果更加客觀合理。運用層次分析法對社會經(jīng)濟技術(shù)修正系數(shù)影響因子賦以權(quán)重,并采用多因素綜合評價法計算土壤修正系數(shù)和社會經(jīng)濟技術(shù)修正系數(shù),公式為:

(1)

式中,Si為土壤或社會經(jīng)濟技術(shù)修正系數(shù);Wk為第k個土壤或社會經(jīng)濟技術(shù)修正系數(shù)影響因子的權(quán)重值;Yk為第k個土壤或社會經(jīng)濟技術(shù)修正系數(shù)影響因子的分值;n為土壤或社會經(jīng)濟技術(shù)修正系數(shù)影響因子個數(shù)。

依據(jù)土地生產(chǎn)潛力原理,根據(jù)國家《全國各省(區(qū)、市)作物生產(chǎn)潛力指數(shù)速查表》中肇源縣光溫生產(chǎn)潛力指數(shù),選取玉米作為研究區(qū)耕地產(chǎn)能核算的基準(zhǔn)作物,采用潛力衰減法核算研究區(qū)耕地理論產(chǎn)能和可實現(xiàn)產(chǎn)能[13],公式為:

YC=YW×S1×S2

(2)

式中,YC為可實現(xiàn)產(chǎn)能(萬t);YW為光溫生產(chǎn)能力(萬t);S1為土壤修正系數(shù);S2為社會經(jīng)濟技術(shù)修正系數(shù);YW·S1為理論產(chǎn)能(萬t)。

在核算耕地理論產(chǎn)能和可實現(xiàn)產(chǎn)能的基礎(chǔ)上,結(jié)合各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的實際產(chǎn)能和耕地面積,計算研究區(qū)產(chǎn)能潛力和比較優(yōu)勢[27,28],公式為:

理論產(chǎn)能潛力=理論單產(chǎn)-實際單產(chǎn)

(3)

可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力=可實現(xiàn)單產(chǎn)-實際單產(chǎn)

(4)

產(chǎn)能潛力比較優(yōu)勢=各鄉(xiāng)鎮(zhèn)理論產(chǎn)能潛力/研究區(qū)理論產(chǎn)能潛力

(5)

實際單產(chǎn)比較優(yōu)勢=各鄉(xiāng)鎮(zhèn)實際單產(chǎn)/研究區(qū)實際單產(chǎn)

(6)

耕地規(guī)模比較優(yōu)勢=各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積/研究區(qū)耕地總面積

(7)

其中,可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力為正值時,代表社會經(jīng)濟技術(shù)投入低于所在地區(qū)的平均水平,其值越大，投入水平越低;當(dāng)可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力為負(fù)值時,代表社會經(jīng)濟技術(shù)投入高于所在地區(qū)的平均水平,其絕對值越大，投入水平越高。

3.4 耕地產(chǎn)能提升分區(qū)與制約因素確定

依據(jù)研究區(qū)的產(chǎn)能潛力比較優(yōu)勢、實際單產(chǎn)比較優(yōu)勢和耕地規(guī)模比較優(yōu)勢3項指標(biāo),利用SPSS軟件進行聚類分析,將研究區(qū)劃分為不同的產(chǎn)能提升區(qū);綜合分析土壤自然因素和社會經(jīng)濟技術(shù)因素,以確定制約耕地產(chǎn)能提升的主要因素。

4 耕地產(chǎn)能核算結(jié)果與分析

4.1 耕地產(chǎn)能核算結(jié)果

研究區(qū)的玉米光溫生產(chǎn)潛力為25190kg/hm2,以玉米為基準(zhǔn)作物,計算得到光溫生產(chǎn)能力為415.7276萬t。2014年,研究區(qū)耕地理論產(chǎn)能為336.8602萬t,可實現(xiàn)產(chǎn)能為173.2114萬t,實際產(chǎn)能為130.8122萬t;耕地理論單產(chǎn)為20411.2216kg/hm2,可實現(xiàn)單產(chǎn)為10495.3215kg/hm2,實際單產(chǎn)為7926.2458kg/hm2。研究區(qū)的理論產(chǎn)能潛力為12484.9758kg/hm2,可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力為2569.0756kg/hm2。

4.2 耕地產(chǎn)能空間分異特征

研究區(qū)的16個鄉(xiāng)鎮(zhèn)在空間分布上呈現(xiàn)從東至西的帶狀分布特征。東部地區(qū)包括福興鄉(xiāng)、三站鎮(zhèn)、薄荷臺鄉(xiāng)和二站鎮(zhèn)4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；中部地區(qū)包括和平鄉(xiāng)、肇源鎮(zhèn)、頭臺鎮(zhèn)、古恰鎮(zhèn)、大興鄉(xiāng)、超等鄉(xiāng)、茂興鎮(zhèn)和浩德鄉(xiāng)8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；西部地區(qū)包括義順鄉(xiāng)、古龍鎮(zhèn)、新站鎮(zhèn)和民意鄉(xiāng)4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。核算研究區(qū)及其各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地理論產(chǎn)能和可實現(xiàn)產(chǎn)能、實際產(chǎn)能(表1)。研究區(qū)耕地各層次產(chǎn)能(理論產(chǎn)能、可實現(xiàn)產(chǎn)能、實際產(chǎn)能)及其空間分布特征表現(xiàn)為(圖3，見封二):理論產(chǎn)能、可實現(xiàn)產(chǎn)能和實際產(chǎn)能的空間分布特征具有相似性。東部地區(qū)的福興鄉(xiāng)、三站鎮(zhèn)、薄荷臺鄉(xiāng)、二站鎮(zhèn)和西部地區(qū)的古龍鎮(zhèn)、新站鎮(zhèn)與中部地區(qū)的古恰鎮(zhèn)的理論產(chǎn)能、可實現(xiàn)產(chǎn)能和實際產(chǎn)能均較高,而中部地區(qū)的浩德鄉(xiāng)、大興鄉(xiāng)、和平鄉(xiāng)和東部地區(qū)的義順鄉(xiāng)的理論產(chǎn)能、可實現(xiàn)產(chǎn)能和實際產(chǎn)能均較低。但肇源鎮(zhèn)等5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的情況例外,肇源鎮(zhèn)和超等鄉(xiāng)的理論產(chǎn)能和可實現(xiàn)產(chǎn)能較低而實際產(chǎn)能則相對較好;頭臺鎮(zhèn)的可實現(xiàn)產(chǎn)能和實際產(chǎn)能較低而理論產(chǎn)能相對較好;民意鄉(xiāng)和茂興鎮(zhèn)的實際產(chǎn)能較低而理論產(chǎn)能和可實現(xiàn)產(chǎn)能則相對較好。

表1 研究區(qū)耕地產(chǎn)能

耕地產(chǎn)能由耕地單產(chǎn)和耕地面積兩方面因素決定,由于耕地面積的提升空間非常小,因此耕地單產(chǎn)是決定產(chǎn)能高低的直接因素和決定性因素。研究區(qū)耕地各層次單產(chǎn)(理論單產(chǎn)、可實現(xiàn)單產(chǎn)、實際單產(chǎn))及其空間分布特征表現(xiàn)為(圖3,見封二):在耕地理論單產(chǎn)方面,東部地區(qū)的福興鄉(xiāng)、三站鎮(zhèn)、薄荷臺鄉(xiāng)、二站鎮(zhèn)，西部地區(qū)的古龍鎮(zhèn)、新站鎮(zhèn)、民意鄉(xiāng)，中部地區(qū)的肇源鎮(zhèn)、茂興鎮(zhèn)、超等鄉(xiāng)的理論單產(chǎn)較高;中部地區(qū)的浩德鄉(xiāng)、大興鄉(xiāng)、頭臺鎮(zhèn)、古恰鎮(zhèn)、和平鄉(xiāng)和西部地區(qū)的義順鄉(xiāng)的理論單產(chǎn)較低。在耕地可實現(xiàn)單產(chǎn)方面,東部地區(qū)的福興鄉(xiāng)、三站鎮(zhèn)、二站鎮(zhèn),中部地區(qū)的肇源鎮(zhèn)、大興鄉(xiāng)、浩德鄉(xiāng)、茂興鎮(zhèn)、超等鄉(xiāng)，西部地區(qū)的古龍鎮(zhèn)、新站鎮(zhèn)的可實現(xiàn)單產(chǎn)相對較高;中部地區(qū)的和平鄉(xiāng)、頭臺鎮(zhèn)、古恰鎮(zhèn),東部地區(qū)的薄荷臺鄉(xiāng)，西部地區(qū)的義順鄉(xiāng)和民意鄉(xiāng)的可實現(xiàn)單產(chǎn)相對較低。在耕地實際單產(chǎn)方面,肇源鎮(zhèn)、薄荷臺鄉(xiāng)和三站鎮(zhèn)的實際單產(chǎn)明顯高于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn),均大于10000kg/hm2,中部地區(qū)的頭臺鎮(zhèn)、和平鄉(xiāng)、茂興鎮(zhèn)和西部地區(qū)的古龍鎮(zhèn)、民意鄉(xiāng)5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的實際單產(chǎn)比較小,其他8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的實際單產(chǎn)則在7333.5109—9421.9009kg/hm2之間。研究表明,研究區(qū)的理論單產(chǎn)、可實現(xiàn)單產(chǎn)、實際單產(chǎn)在空間分布上總體呈現(xiàn)“東部和西部地區(qū)高、中部地區(qū)低”的特征。

4.3 耕地產(chǎn)能潛力及其空間分異

通過分析耕地產(chǎn)能潛力(理論產(chǎn)能潛力、可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力),掌握產(chǎn)能潛力較大的區(qū)域分布,可為耕地自然條件改善、社會經(jīng)濟技術(shù)精準(zhǔn)投入、耕地產(chǎn)能提升提供針對性指導(dǎo)。研究表明(表2和圖4,圖4見封二),肇源鎮(zhèn)的理論產(chǎn)能潛力最低,僅為7499.8424kg/hm2;茂興鎮(zhèn)的理論產(chǎn)能潛力最高,達到15743.4468kg/hm2;其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)的理論產(chǎn)能潛力在9000—15000kg/hm2之間,理論產(chǎn)能潛力的差異顯著。在可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力方面,研究區(qū)可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力的最大值與最小值的差值達到8334.3124kg/hm2,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力的差距較大。中部地區(qū)的肇源鎮(zhèn)和東部地區(qū)的薄荷臺鄉(xiāng)可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力值為負(fù)值,表明肇源鎮(zhèn)和薄荷臺鄉(xiāng)的社會經(jīng)濟技術(shù)投入高于研究區(qū)平均水平。其中,肇源鎮(zhèn)可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力的絕對值最高,表明肇源鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟技術(shù)投入水平最高。茂興鎮(zhèn)等其他14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力值均為正值,表明其社會經(jīng)濟技術(shù)投入低于研究區(qū)平均水平。其中,東部地區(qū)的二站鎮(zhèn)和中部地區(qū)的和平鄉(xiāng)、大興鄉(xiāng)、茂興鎮(zhèn)以及西部地區(qū)的古龍鎮(zhèn)、新站鎮(zhèn)的可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力值較高,表明這6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟技術(shù)投入遠低于研究區(qū)平均水平。

表2 研究區(qū)耕地產(chǎn)能潛力與比較優(yōu)勢

5 耕地產(chǎn)能提升分區(qū)與制約因素分析

在分析耕地產(chǎn)能和耕地產(chǎn)能潛力的基礎(chǔ)上計算其產(chǎn)能潛力比較優(yōu)勢、實際單產(chǎn)比較優(yōu)勢和耕地規(guī)模比較優(yōu)勢(表2),并運用SPSS軟件進行聚類分析,研究區(qū)16個鄉(xiāng)鎮(zhèn)劃分為4個產(chǎn)能提升區(qū),分別為核心提升區(qū)、優(yōu)化建設(shè)區(qū)、發(fā)展保護區(qū)和持續(xù)保養(yǎng)區(qū),并進一步分析每個產(chǎn)能提升區(qū)的制約因素(表3)。

表3 研究區(qū)耕地產(chǎn)能提升分區(qū)

核心提升區(qū)的實際單產(chǎn)比較優(yōu)勢低,但其產(chǎn)能潛力比較優(yōu)勢非常高且耕地規(guī)模比較優(yōu)勢較好,產(chǎn)能提升空間大。從土壤自然因素方面分析表明,制約民意鄉(xiāng)和茂興鎮(zhèn)的耕地產(chǎn)能提升的主要因素是土壤肥力、土壤退化和有機質(zhì)含量。從社會經(jīng)濟技術(shù)投入方面分析表明,兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力值均為正值,即其社會經(jīng)濟技術(shù)投入均低于研究區(qū)平均水平。優(yōu)化建設(shè)區(qū)的實際單產(chǎn)比較優(yōu)勢、產(chǎn)能潛力比較優(yōu)勢和耕地規(guī)模比較優(yōu)勢均較好,耕地單產(chǎn)及產(chǎn)能潛力具有較大優(yōu)勢。從土壤自然因素方面分析表明,制約二站鎮(zhèn)、古龍鎮(zhèn)和新站鎮(zhèn)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地產(chǎn)能提升的主要因素是土壤肥力、土壤退化和有機質(zhì)含量,義順鄉(xiāng)、大興鄉(xiāng)、和平鄉(xiāng)和頭臺鎮(zhèn)4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地產(chǎn)能提升的制約因素是土壤肥力、土壤退化、有機質(zhì)含量和土壤含水量。從社會經(jīng)濟技術(shù)投入方面分析,該區(qū)域8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟技術(shù)投入遠低于研究區(qū)平均水平,并且義順鄉(xiāng)、古龍鎮(zhèn)、和平鄉(xiāng)、頭臺鎮(zhèn)和新站鎮(zhèn)的灌溉保證率均較低,其中頭臺鎮(zhèn)的耕地灌溉保證率僅為0.0382。發(fā)展保護區(qū)的實際單產(chǎn)比較優(yōu)勢高，但其產(chǎn)能潛力比較優(yōu)勢和耕地規(guī)模比較優(yōu)勢均相對較低。從土壤自然因素方面分析表明,制約該區(qū)域耕地產(chǎn)能提升的主要因素是土壤肥力、土壤退化和有機質(zhì)含量。從社會經(jīng)濟技術(shù)投入方面分析,該區(qū)域(除薄荷臺鄉(xiāng)外)的社會經(jīng)濟技術(shù)投入低于研究區(qū)平均水平,而薄荷臺鄉(xiāng)的社會經(jīng)濟技術(shù)投入雖高于研究區(qū)平均水平,但其灌溉保證率較低。持續(xù)保養(yǎng)區(qū)只包含一個鄉(xiāng)鎮(zhèn),即肇源鎮(zhèn)。由于肇源鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟技術(shù)投入水平在全縣中最高,肇源鎮(zhèn)的實際單產(chǎn)比較優(yōu)勢明顯高于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)。然而,肇源鎮(zhèn)的實際單產(chǎn)與理論單產(chǎn)較接近,因此其理論產(chǎn)能潛力最低,并且該鎮(zhèn)的耕地面積僅占全縣耕地總面積的3.62%,耕地產(chǎn)能潛力比較優(yōu)勢和耕地規(guī)模比較優(yōu)勢均接近研究區(qū)的最低水平。

6 研究結(jié)論與對策建議

6.1 研究結(jié)論

本文將遙感影像和統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源,突破了以往利用農(nóng)用地分等和農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)劃法核算耕地產(chǎn)能過程中土壤采樣數(shù)據(jù)收集困難的局限。在獲取區(qū)域光溫產(chǎn)能數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,本文通過潛力衰減法對影響耕地產(chǎn)能的土壤自然因素和社會經(jīng)濟技術(shù)因素進行了逐級衰減,實現(xiàn)了對耕地產(chǎn)能的核算,分析了耕地空間分異規(guī)律。

本文將研究區(qū)劃分為4個產(chǎn)能提升區(qū)并分析了制約產(chǎn)能提升的影響因素,研究結(jié)論為:①以遙感影像和統(tǒng)計數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,可快速、低成本地核算區(qū)域耕地產(chǎn)能。以玉米為基準(zhǔn)作物,2014年研究區(qū)耕地理論產(chǎn)能336.8602萬t,可實現(xiàn)產(chǎn)能173.2114萬t;理論單產(chǎn)為20411.2216kg/hm2,可實現(xiàn)單產(chǎn)為10495.3215kg/hm2;理論產(chǎn)能潛力為12484.9758kg/hm2,可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力為2569.0756kg/hm2。②2014年研究區(qū)的各層次耕地產(chǎn)能、耕地單產(chǎn)在空間分布上具有相似性,該數(shù)值總體符合從東部和西部向中部地區(qū)遞減的兩翼式分布特征。耕地理論產(chǎn)能潛力的差異顯著,其中肇源鎮(zhèn)的產(chǎn)能提升空間最小。通過耕地可實現(xiàn)產(chǎn)能潛力的分析,間接發(fā)現(xiàn)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)在耕地生產(chǎn)方面的社會經(jīng)濟技術(shù)水平投入水平的差距較大。③4個產(chǎn)能提升區(qū)之間的耕地產(chǎn)能和產(chǎn)能提升空間存在顯著差異，制約其產(chǎn)能提升的自然因素主要是土壤肥力、土壤退化和有機質(zhì)含量。此外,除肇源鎮(zhèn)和薄荷臺鄉(xiāng)的社會經(jīng)濟技術(shù)投入高于全縣平均水平外,其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟技術(shù)投入均低于研究區(qū)平均水平,特別是二站鎮(zhèn)、和平鄉(xiāng)、大興鄉(xiāng)、茂興鎮(zhèn)、古龍鎮(zhèn)和新站鎮(zhèn)6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

6.2 對策建議

本研究通過采用新的數(shù)據(jù)獲取技術(shù),替代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取手段,小成本、快速地核算耕地產(chǎn)能,降低了研究成本,提高了研究效率,對耕地產(chǎn)能動態(tài)監(jiān)測、挖掘耕地產(chǎn)能潛力、提升區(qū)域耕地產(chǎn)能具有重要的實踐指導(dǎo)價值。

針對耕地產(chǎn)能提升分區(qū)與制約產(chǎn)能提升因素分析,提出以下對策建議:①將土地整治、高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)等項目與耕地產(chǎn)能提升分區(qū)進行有效銜接。研究表明制約研究區(qū)耕地產(chǎn)能提升的主要因素是土壤自然因素,通過土地整治能夠達到提升土地自然條件、提高耕地質(zhì)量、恢復(fù)耕地生產(chǎn)力的目的。建議根據(jù)耕地產(chǎn)能提升分區(qū)結(jié)果有針對性地開展高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè),首選耕地產(chǎn)能提升空間較大的核心提升區(qū)和優(yōu)化建設(shè)區(qū)進行高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè),實現(xiàn)糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)和耕地產(chǎn)能不降低。②促進區(qū)域內(nèi)資本、技術(shù)等社會經(jīng)濟投入要素有效流動。研究發(fā)現(xiàn)二站鎮(zhèn)、和平鄉(xiāng)、大興鄉(xiāng)、茂興鎮(zhèn)、古龍鎮(zhèn)和新站鎮(zhèn)6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟技術(shù)投入遠低于研究區(qū)的平均水平,需加大對該部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的扶持與投入,采取積極手段,促進區(qū)域內(nèi)資本、技術(shù)等社會經(jīng)濟投入要素有效流動,確保全縣所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地生產(chǎn)的均衡化發(fā)展。③完善礦產(chǎn)資源開發(fā)對區(qū)域耕地生態(tài)補償機制。礦產(chǎn)資源開發(fā)對土地利用活動具有顯著的外部性,石油開采對肇源縣耕地土壤質(zhì)量產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響,根據(jù)“誰開采誰保護、誰受益誰保護”的原則,建立礦產(chǎn)資源開發(fā)對耕地生態(tài)補償機制,并將補償金用于耕地生態(tài)治理,實現(xiàn)耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”的保護格局,保障糧食安全。④將“糧食直補”發(fā)放與種田農(nóng)戶保護耕地行為掛鉤。充分發(fā)揮微觀農(nóng)戶在保護耕地、提升耕地質(zhì)量中的積極作用,建議改革現(xiàn)有“糧食直補”按糧食實際種植面積發(fā)放的辦法,在充發(fā)考慮種田農(nóng)戶保護耕地行為的基礎(chǔ)上綜合糧食實際種植面積和耕地質(zhì)量等級作為“糧食直補”發(fā)放標(biāo)準(zhǔn)依據(jù),以激發(fā)種田農(nóng)戶保護耕地的主觀能動性。

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CalculationandPromotionofCounty′sCultivatedLandProductivityBasedonRSTakingZhaoyuaninHeilongjiangProvinceasanExample

ZHANG Ying,LEI Guo-ping,LIN Jia,ZHOU Min
(Institute of Land Management,Northeastern University,Shenyang 110169,China)

This paper selected Zhaoyuan County as the research area,calculated cultivated land productivity with the method of potential attenuation by using the technology of remote sensing and geographic information system,and analyzed its spatial distribution pattern.This paper divided the research area into four productivity capacity zones by using cluster analysis function of SPSS,and confirmed the main factors which were the restriction of cultivated land productivity.The results showed that:Taking images of remote sensing and statistical data as the data sources,could quickly calculate the productivity of cultivated land.The spatial distribution of productivity and productivity per unit area at all levels were similar,its values generally accorded with the distribution characteristic of decreasing from the east and west to the middle in 2014.Theoretical productivity potential of the study area was obviously different,its values ranged from 7499.8424-15743.4468kg/hm2,the highest was 2.1 times that of the lowest.Cultivated land productivity potential among four productivity capacity zones were significant different.The main factors of restricting the productivity capacity were soil fertility,soil degradation and organic matter.Social economic and technological input in most of towns was low.And then put forward the corresponding recommendations.

land use;cultivated land productivity;influential factors;RS;Zhaoyuan County

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.07.001

F301.2

A

1005-8141(2017)07-0771-06

2017-05-21；

2017-06-15

國家自然科學(xué)基金項目(編號:41671520);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(編號:N161406001);黑龍江省國土資源科研項目(編號:201411)。

張瑩(1986-),女,遼寧省撫順人,博士研究生,主要從事土地利用規(guī)劃與管理研究。

雷國平(1963-),男,黑龍江省青岡人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事土地利用規(guī)劃與管理研究。