基于GIS和修正法的耕地定级研究:以图们市为例

2019-10-23齐鲁李淑杰曹竞文杜婉婷黄梦佳

世界地质 2019年3期

齐鲁，李淑杰，曹竞文，杜婉婷，黄梦佳

吉林大学地球科学学院，长春 130061

0 引言

耕地定级是在行政区内，依据构成耕地质量的自然属性、社会经济状况和区位条件，根据地方土地管理和实际情况需要，根据一定的耕地定级目的，在行政区内对耕地质量进行的综合评定[1--2]。耕地定级对实现土地资源管理向数量、质量及生态相协调管理转变，对粮食综合能力核算、土地利用总体规划修编和耕地留住具有基础性、科学性的现实意义[3]；同时可为国土资源管理部门的建设用地征用补偿、耕地占补平衡和基本农田调整划定等工作提供依据[4]。2017年，中央颁布4号文件，明确提出加强耕地质量调查评价与监测，完善耕地质量评价制度和评价指标体系。2018年，国务院下发的《第三次全国土地调查实施方案》的专项用地调查中，明确提出开展耕地分等定级调查评价[5]。

笔者基于图们市耕地分等成果，采用修正法，借助GIS软件对图们市耕地进行定级研究，为图们市耕地合理利用和管理提供科学依据。

1 研究区概况

图们市位于吉林省东部，长白山脉东麓，图们江下游，处于129°31′57″～130°12′16″E， 42°46′44″～43°12′19″N之间。全境东西长约57 km，南北宽约37 km，总面积1 140.50 km2。西与延吉市接壤，西南与龙井市相邻，东与珲春市相接，东南隔图们江与朝鲜民主主义共和国相望，北与汪清县相连[6]。图们市地处长白山系，南岗山脉纵贯南北，形成西北高、东南低的丘陵峡谷和河谷盆地。

图们市属中温带半湿润季风气候区，温度、雨量及日照季节性变化幅度大，气温受地势高低的影响也颇大，因而四季区分明显。年平均气温为5.8℃。年平均日照总时数为2 336.8 h，作物生长期为5～9月，积温为2 742.1℃，无霜期从5月初开始至9月末，在125～150 d之间，年平均降雨量为501.8 mm±。图们市土壤分类共有5个土类，14个亚类，28个土属，53个土种。但由于地形、气候及植被等区域性因素的影响，图们市的土壤一般呈垂直分布状态。根据图们市2016年度耕地质量等别年度更新评价成果，图们市行政区辖区内土地总面积为1 131.92 km2，其中耕地面积为106.33 km2，占土地总面积的9.39%。

2 研究方法

2.1 定级方法与定级单元划分

根据《农用地定级规程》(GB/T 28405--2012)，耕地质量定级方法主要包括修正法、因素法和样地法3种[7]。研究表明，修正法比其他两种方法更适合耕地定级[8--9]，因此本次图们市耕地定级参考《吉林省耕地定级方案(试行)》[10]要求，结合图们市耕地分等工作较为成熟、耕地质量等别更新评价成果具有较强时效性的现状，以GIS技术为支撑，直接采用图们市2016年度变更调查数据库中耕地图斑作为定级单元。

2.2 修正因素体系及权重确定

根据《农用地定级规程》(GB/T 28405--2012)的相关要求，参考农用地定级中涉及的备选因素[11]，结合图们市的实际情况，最终选择社会经济因素和区位因素加以修正。其中社会经济因素包括5个修正因子，区位因素包括2个修正因子。借助专家咨询法，邀请熟悉图们市耕地质量状况的10名专家，依次对各修正因子的重要性做出判断并进行打分，经过3轮次，总计填写30份专家咨询表，最终确定各修正因素因子的权重(表1)。

表1 修正法定级因素因子及权重

Table 1 Factor and weight of arable land grading with modifying method

修正因素权重修正因子权重社会经济因素0.60田间道路密度0.25耕作距离0.18灌溉保证率0.28人均耕地0.15土地利用方式0.14区位因素0.40中心城镇影响度0.55道路通达度0.45

2.3 定级因子的量化与赋分

根据耕地质量受定级因素影响方式的不同，将其划分为2类因素:面状因素和扩散因素，不同因子的量化和赋分方法有所差异[12--13]。

2.3.1 面状因素

图们市修正法定级因子中田间道路密度、耕作距离、人均耕地和利用方式这4个因子属于面状因素，有些因子可通过均值度法确定分值，有些因子可参考搜集到的资料进行定性说明[14]。

田间道路密度为正向面状影响因子，以2016年度图们市行政村为基本单元，统计出各行政村农村道路总长度和行政村面积，计算出田间道路密度现状值，再根据均值度法确定其作用分值。耕作距离为逆向面状影响因子，计算各耕地定级单元几何中心到所在行政村居民点的实际距离，根据均值度法确定其作用分值。人均耕地为正向面状影响因子，以2016年度图们市行政村为基本单元，统计出各行政村耕地总面积和行政村常住人口总数，计算出人均耕地现状值，再根据均值度法确定其作用分值。土地利用方式包括水田、水浇地和旱地3类，图们市以旱地为主，水田和水浇地规模相对较小。参照《吉林省耕地定级方案(试行)》[10]，为体现旱地与水田、水浇地不同的产出水平，选取土地利用方式作为修正因子，根据图们市近年来各类型耕地生产能力的相对比例关系，确定其级别赋分情况(表2)。

表2 土地利用方式因子分值与分级情况

Table 2 Factor score and classification of land use pattern

分值级别土地利用方式1001级水田902级水浇地603级旱地

2.3.2 扩散因素

灌溉保证率是耕地质量好坏的重要影响因素[15]，为逆向扩散型影响因子。在适合的海拔范围内，灌溉保证率的分值随着其与沟、渠及河流中心线距离的增加呈递减趋势。参照《吉林省耕地定级方案(试行)》[10]，吉林省根据东、中、西部耕地灌溉保证率特点划分4个级别，级别赋分情况见表3。

中心城镇影响度①级别划分：中心城镇的建设规模、工业总产值及人口规模大小都对耕地级别产生影响，所以本次耕地质量定级过程中在计算中心城镇规模指数时主要考虑上述3个指标。且根据《吉林省耕地定级方案(试行)》[10]，该3项指标量化时分别赋以相同的权重来计算每个中心城镇的规模标准化指数。以最高级中心城镇规模指数100为基础，计算其他级别中心城镇的相对规模指数，公式：

Mi=100×Ai/Amax

(1)

式中：Mi为第i级中心城镇相对规模指数；Ai为第i级中心城镇规模标准化指标值；Amax为最高级中心城镇规模标准化指标值。

按照相对规模指数大小进行排序，选取相对规模标准化指标值最大的中心城镇作为1级中心城镇，一般应为县政府所在镇，其在经济地位等方面明显高于其他乡镇；选取除1级中心城镇外的前40%作为2级中心城镇；其余城镇为3级中心城镇(表4)。

表3 吉林省灌溉保证率因子分值与分级情况

表4 图们市各级中心城镇规模指数、功能分与影响半径

②各级中心城镇功能分割分：由于高级别中心城镇的职能包含了低级别中心城镇的职能，因此需对各级中心城镇的功能进行分割。

③最大影响半径的确定：采用定量分析的方法，最终确定各级中心城镇的最大影响半径(表4)，计算公式：

(2)

式中：di为第i级中心城镇的最大影响半径；S为定级区域面积；n为第i个级别内所含中心城镇数量。

④中心城镇影响度作用分：按照线性衰减公式计算每个定级单元的中心城镇影响度的作用分值[16]。公式：

Fj=fi×(1-r)

(3)

r=dj/di

(4)

式中：Fj为第j个定级单元中心城镇影响度作用分；fi为第i级中心城镇功能分；r为定级单元与中心城镇的相对距离；dj为第j个定级单元与中心城镇的实际距离；di为第i级中心城镇的最大影响半径。

中心城镇影响度为点状扩散型影响因子。各定级单元不止受一个中心城镇的影响，在定级单元中心城镇影响度作用分值的计算过程中要遵循“同级别取最大值、不同级别相叠加”的原则。

道路通达度①道路的级别：根据图们市道路的类型、功能和质量，将道路划分为3个级别：1级为高速公路、国道和省道；2级为县级公路；3级为乡级公路。

②各级道路规模指数和功能分:以最宽道路为基础，其余每条道路的相应宽度除以最大值的方式进行标准化。以最高级道路规模指数100为基础，计算其他级别道路的相对规模指数，方法与中心城镇相对规模指数的计算方法相同。由于高级别在功能方面包含了低级别道路的功能，因此需对各级道路的功能进行分割(表5)。

表5 图们市各级别道路规模指数、功能分与影响半径

③最大影响半径的确定：在确定道路最大影响半径时，应遵循定量定性分析相结合的原则[17]，利用数学公式并结合实际情况计算结果，最终确定各级别道路的最大影响半径(表5)。计算公式如下：

di=S/2li

(5)

式中：di为第i级道路的最大影响半径；S为定级区域面积；li为第i级道路的总长度。

④道路通达度影响分值：道路通达度属于点状和线状扩散相结合的影响因子[18]，其中一级道路点状扩散型因子，以道路出入口为点源；二级和三级道路属于线性扩散型因子，以各级道路功能分为基础，进行线性衰减。计算公式与中心城镇影响度相同。

2.4 定级单元修正系数的计算

修正系数反映了修正因素因子在定级范围内的相对变化程度[19]，计算公式：

(6)

2.5 定级指数的计算

定级指数采用加权修正法进行计算，公式：

Hi=GiΣwjkij

(7)

式中：Hi为第i个定级单元的定级指数；Gi为第i个定级单元对应的国家自然质量等指数；wj为第j个修正因素权重值；kij为第i个单元第j个修正因素修正系数。

3 定级结果与分析

3.1 耕地级别的划分

根据定级单元指数，采用总分频率曲线法对图们市耕地质量县域级别进行初步划分[20--21]。对定级指数进行频率统计，绘制定级指数频率直方图，选择频率突变处作为级别界线，最终将图们市耕地划分为5个级别(图1)。

图1 图们市耕地定级单元总分频率曲线图Fig.1 Total score frequency curve of arable land grading unit in Tumen City

3.2 耕地级别面积构成

图们市耕地级别共分为5级，各级的耕地面积和比例如表6所示。三级地的面积最大，为41.58 km2，占图们市耕地总面积的39.11%；其次是四级地和二级地，为27.05 km2和21.27 km2，分别占图们市耕地总面积的25.44%和20.01%；五级地和一级地面积较小，为9.07 km2和7.35 km2，分别占图们市耕地总面积的8.53%和6.91%。由此可见，耕地级别面积分布呈“中间大两头小”的分布规律。

表6 图们市耕地级别面积统计表

3.3 耕地级别空间分布规律

3.3.1 总体分布规律

从总体上看，图们市耕地级别的分布规律：①以中心城镇为中心，呈现出递减的趋势，距离中心城镇越远，耕地级别越低；反之，耕地级别越高；②耕地级别与地形有一定关联，随着海拔高度和地形坡度的升高，耕地级别逐渐降低；③耕地级别沿图们市主要道路带状分布，距离主要道路越近，耕地级别越高，反之，耕地级别越低；④耕地级别与利用效益相关，水田、水浇地的利用效益比旱地的利用效益高，级别比旱地级别高(图2)。

3.3.2 各级耕地分布规律

图们市一级耕地主要分布在东部地区，紧邻一级中心城镇图们市区，交通便利、区位条件好。结合耕地质量等别年度更新评价成果可知，图们市一级耕地地形坡度以G1级(≤2°)、G2级(2°～5°)和G3级(5°～8°)为主，有效土层厚度较大，表层土壤质地以壤土和黏土为主，土壤有机质含量较高，灌溉条件较好，自然条件优越。

图们市二级耕地面积大、分布广，主要分布在中部和东部地区，西部面积较小，与省级道路、县级道路和中心城镇等呈小距离分布，交通和区位条件相对较好。结合耕地质量等别年度更新评价成果可知，图们市二级耕地地形坡度以G1级(≤2°)、G2(2°～5°)级和G3级(5°～8°)为主，有效土层厚度相对较大，表层土壤质地以壤土和黏土为主且有少量砂土和砾质土，土壤有机质含量较高，灌溉条件略次于一级耕地，自然条件较好。

图2 图们市耕地级别分布图Fig.2 Arable land level distribution in Tumen City

图们市三级耕地面积较大、分布亦很广，与一级中心城镇图们市区较远，但与省级道路、二级、三级中心城镇距离较小，交通和区位条件相对较差。结合耕地质量等别年度更新评价成果可知，图们市三级耕地地形坡度以G2级(2°～5°)和G3级(5°～8°)为主，表层土壤质地以壤土、黏土和砂土为主，土壤有机质含量相对较高，灌溉条件一般，且整体以弱酸性耕地为主，自然条件尚可。

图们市四级耕地面积较大，主要分布在图们市西部地区，其他分布在边缘化地带，与中心城镇和县级道路距离相对较大，交通和区位条件较差。结合耕地质量等别年度更新评价成果可知，图们市四级耕地地形坡度以G2级(2°～5°)、G3级(5°～8°)和G4级(8°～15°)为主，表层土壤质地以壤土、黏土和砾质土为主，土壤有机质含量较低，灌溉条件差，且整体以弱酸性耕地为，自然条件一般。

图们市五级耕地面积小，分布呈边缘化，主要分布其他级别耕地的边缘地带，与县级道路距离较大，交通和区位条件差。结合耕地质量等别年度更新评价成果可知，图们市五级耕地指标条件大幅度降低，地形坡度以G3级(5°～8°)和G4级(8°～15°)为主，甚至有少量G6级(≥25°)，有效土层厚度较小，表层土壤质地以壤土、黏土和砾质土为主，土壤有机质含量较低，灌溉条件较差，整体以酸性耕地为主，自然条件差。

3.4 耕地级别利用潜力分析

根据定级结果，图们市耕地质量共划分为5个级别，其中一级和二级耕地自然质量条件相对较好，耕地质量大幅度提高的可能性不大；三级耕地自然质量条件降低，距离中心城镇、主要道路的距离有所增加，耕地质量大幅度提高的难度较大；四级和五级耕地自然质量条件最差，相对中心城镇、主要道路的距离亦最大，虽然区位无法改变，但可从耕地自然属性方面采取相应措施以提高耕地质量。