基于莫蘭指數的丘陵地區高標準農田建設時序分區
——以安徽省滁州市鳳陽縣為例

王翠婷, 童 童, 湯萌萌, 江文娟, 丁琪洵, 王 強, 馬友華

(安徽農業大學資源與環境學院,安徽 合肥 230036)

耕地是重要的不可再生資源,隨著經濟的發展和城市化進程的加快,大量基本農田和優質耕地被占用,同時耕地質量顯著下降[1],由此引起的空間變化也進一步加大了耕地保護的難度。因此,研究耕地資源的空間分布格局,對于促進耕地空間保護的布局及后續的合理利用具有重要參考價值。此外,目前中國進行土地整治的目標已經轉變為增加耕地數量與提高耕地質量。國土部門于2003年頒布了《農用地分等規程》并建立了耕地質量等別數據庫,原農業部于2008年頒布《耕地地力評價技術規程》,形成了縣域尺度的耕地質量等級成果,并首次提出“建設一批高標準農田”。2019年農業農村部依據《耕地質量等級》(GB/T 33469-2016)組織完成了全國范圍內九大區的耕地質量調查評價工作。由此可見,中國耕地質量評價體系的發展較為全面且契合中國的實際情況,為區域性的耕地保護指明了方向?！?019年全國耕地質量等級公報》中指出,長江中下游地區的丘陵山區立地條件較差,田間基礎設施較差,此類區域應繼續推進高標準農田建設[2]。由此可見,合理地建設高標準農田是有效提升耕地質量的重要舉措。

高標準農田是一定時期內通過土地整治建設形成的集中連片、設施配套、高產穩產、生態良好、抗災能力強且與現代農業生產和經營方式相適應的基本農田[3-4]。截至2020年底,中國已完成5.33×107hm2的高標準農田建設任務,并提出到2022年要完成6.67×107hm2高標準農田的建設目標[5]。近年來,高標準農田面臨優質農田開發殆盡的情況,故大力推進中低產田的改造應成為未來高標準農田的建設趨勢[6]。中低產田的改造工程應以農田水利建設為基礎,結合不同區域和土壤障礙類型的特點進行。但是,整治難度大、選址困難等[7]依舊是高標準農田建設中不可避免的問題。因此,如何科學地進行高標準農田的選址是今后高標準農田建設和研究的重點。

目前,研究者對高標準農田建設的相關研究主要集中在建設時序、障礙因素和工程整治等方面,評價方法也多有創新,如引入生態位理論、熵權法等,還包括結合多種方法[8-9]構建評價模型對高標準農田建設區域進行分區等。耕地質量在空間上的分布并不是獨立存在的,受地形地貌和耕地利用方式等條件的影響,在空間上存在集聚性或異質性,因此人們對耕地質量空間特性的關注逐年增加。張貞等[10]首次采用空間自相關的分析方法探究耕地質量的空間分布規律,此外很多研究者通過分析耕地質量的空間集聚性和異質性分布及其變化,制定耕地保護的差異化分區或進行基本農田的劃定[11-14]。楊建宇等[15-16]在對耕地質量進行評價的基礎上,結合局部空間自相關分析,將全縣按行政村尺度進行高標準農田建設的分區。多數研究均由研究者確定指標權重、構建評價模型,由于各個區域的障礙因子不同,因而在一定程度上缺乏客觀性及在一定區域內推廣的意義,并且耕地質量評價與調查均以耕地圖斑為最小單位進行,但是上述分區研究均基于省(市、縣)或行政村尺度進行。

《高標準農田建設通則》對高標準農田建設后的灌溉能力和排水能力作出了明確要求,相關研究發現,灌溉能力和排水能力在障礙因子中屬于易改善的指標[15],基于此,本研究以國家標準中沿用的耕地質量評價體系為基礎,結合耕地質量等級的空間自相關性[16]和灌溉排水能力的可改善程度的空間分布,以耕地圖斑為最小單元,劃定高標準農田的建設時序,分為優先建設區、次級建設區、后備建設區和暫不建設區,并利用高標準農田建設的實際案例對分區結果進行驗證,以期為今后長江中下游丘陵區高標準農田建設的時序及科學選址提供參考。

1 研究區概況與數據

1.1 研究區概況

安徽省鳳陽縣處于淮河南岸和江淮分水嶺之間,屬江淮丘陵區。全縣東西長74.9 km,南北寬49.6 km,地勢由北向南呈三級階梯狀逐級抬升,耕地細碎而分散。鳳陽縣的地形可分3個地貌類型, 細分為5個地貌單元。南部為丘陵區,丘沖相間,坡度一般為10°～35°, 由老梨山-白云山和猴尖山-三姐山2組帶狀丘陵組成,海拔為150～250 m。中部崗地坡度和緩,崗、塝、沖地形明顯,地勢開始下降至二級階地, 包括九華山、螞蟻山、洪山以南,老梨山、老青山、白云山以北,西抵劉府、嚴橋,東至小溪河。北部為沖積平原, 地勢低洼平坦,絕大多數已被開墾為耕地。淺洼平原在鳳陽縣歡山、煤山以西, 瑤河、天河以東地區,海拔低于50 m, 一般為16～34 m。當地氣候屬北亞熱帶半濕潤季風氣候,氣候溫和,四季分明,雨量適中,全縣農田有效灌溉面積為4.21×104hm2,但由于降雨量分布不均,常造成旱澇災害。

鳳陽縣屬長江中下游農畜水產區,地形以丘陵、高崗丘陵為主,耕地面積廣闊,受地形等基礎條件制約,灌溉、排水條件較差,平均耕地質量等級較低。每年的高標準農田建設面積較大,為高標準農田建設的重要縣(區)。研究區內新建高標準農田的項目區涉及大廟鎮、大溪河鎮、小溪河鎮、官塘鎮、劉府鎮、總鋪鎮、西泉鎮、殷澗鎮8個鎮,地貌類型大多為丘陵或高崗丘陵,且項目區內的大部分耕地均為中低產田。

1.2 數據來源

研究基礎數據包括:(1)基于鳳陽縣2018年度國土變更調查結果獲取耕地圖斑、土地利用類型及權屬單位、面積等。(2)鳳陽縣土壤圖。根據鳳陽縣第二次全國土壤普查紙質土壤圖矢量化形成。(3)土壤樣品檢測數據。通過實地采樣,委托有檢測資質的單位分析土壤有機質含量、有效磷含量、速效鉀含量、pH值和土壤重金屬鉻、鎘、鉛、汞和砷含量。(4)通過實地調查獲取調查樣點的田間利用狀況、基礎設施等情況。

1.3 研究方法

1.3.1 耕地質量等級評價 依據國家于2016年發布的《耕地質量等級》(GB/T 33469-2016),利用地理信息系統軟件(ArcGIS)和縣域耕地資源管理信息系統平臺進行研究區耕地質量評價與高標準農田耕地質量評價。其中新建高標準農田采樣點位的布設與養分檢測依據《高標準農田建設通則》(GB/T 30600-2022),按照每66.67 hm2高標準農田設置1個采樣點的密度進行采樣點布設,高標準農田建設前后的耕地質量評價均依據《耕地質量等級》(GB/T 33469-2016)進行。對項目區3 333.33 hm2高標準農田建設前的土地先進行66.7 hm21個采樣點布點采樣, 共計50個采樣點,在高標準農田建設完成后對整個項目區的6 000 hm2耕地進行66.7 hm21個采樣點布點采樣,共計90個采樣點,建設前后的采樣時間間隔近7個月,分別對建設前后的高標準農田項目區進行耕地質量評價。

本研究區屬于長江中下游農畜水產區,根據專家評分法及層次分析法確定的長江中下游農畜水產區評價模型的指標、權重和隸屬度[17-18],指標體系包括耕地地力、土壤健康狀況、田間基礎設施3個方面。耕地質量評價中的指標體系和權重(表1)均參考《耕地質量等級》(GB/T 33469-2016)。耕地地力是由土壤立地條件、自然屬性等構成的耕地生產能力;土壤健康狀況通常用清潔程度和生物多樣性表示;田間基礎設施主要包括灌溉能力、排水能力和農田林網化。

表1 鳳陽縣耕地質量評價因子及權重

采用累加法計算每個評價單元的綜合耕地質量指數, 公式如下:

IFI=∑(Fi×Ci)

式中:IFI為耕地質量綜合指數;Fi為第i個因素的評語(分值);Ci為第i個因素的組合權重。

將耕地質量劃分為1～10個等級,其中1等地耕地質量最好,10等地耕地質量最差。依據田塊產能,高產田為1～3等地,中產田為4～6等地,低產田為7～10等地,其中中低產田應作為高標準農田的重點建設區域。研究區地處江淮丘陵區,境內丘陵分布廣泛,地形部位、坡度對耕地質量的影響較大,且當地的土壤條件與丘陵地形導致耕地排水不暢,以上評價指標都是影響耕地質量的重要因素。除此之外,施用有機肥也屬于高標準農田建設中提升耕地地力的重要措施,短時間大量施用有機肥會對土壤有機質等養分含量起到提升作用。

1.3.2 灌溉排水能力綜合得分 2022年新頒布的《高標準農田建設通則》中,對于灌溉排水工程各部分建設內容進行了修訂。研究發現,灌溉排水能力在高標準農田建設中屬于易改善的指標,且灌溉排水能力在耕地質量評價中所占指標權重較大,是高標準農田建設中對耕地質量等級提升具有較大影響的因素。其中灌溉排水能力提升的理論最大值與灌溉排水能力現有得分有關[19],因此從理論上看,在灌溉排水能力綜合得分較低的情況下,高標準農田建設對灌溉排水能力的提升程度更大,可改善程度更高。

1.3.3 局部空間自相關分析 通過研究地理事物的某一屬性值與其相鄰要素的空間相關性,可以判斷該事物與相鄰要素之間是否具有相應的變化關系[20-22],若為正相關,則表明該事物與其相鄰要素存在一致的變化關系,若為負相關,則表明該事物與其相鄰要素存在相反的變化關系。本研究利用ArcGIS計算莫蘭指數(Moran’sI),探究縣域尺度的耕地質量等級在空間上的相關性,并以其作為劃分高標準農田建設改良區域的依據。

局部空間自相關性是指某一空間單元S與其鄰域空間單元Si就某一屬性在局部空間上表現出的相關性程度[14-16],其中Local Moran’sI(局部莫蘭指數)的模型如下:

其中,

式中:Iα為空間位置α局部空間自相關指數值;Zα為空間位置α的觀測值標準化后的值;ωαβ為α與β之間的鄰近關系,即空間權重;B為與空間位置α相鄰接的樣本數;xα為空間位置α的實際觀測值;A為空間單元位置的數量。

2 結果與分析

2.1 鳳陽縣耕地質量評價結果

鳳陽縣耕地質量評價結果表明,鳳陽縣全縣耕地被分為1～9等,平均耕地質量等級為4.367等。從整體情況來看,鳳陽縣總體耕地質量為中等,中低產田面積較大,可提升空間較高。高產田面積占全縣耕地總面積的34.07%,主要分布在北部平原區的棗巷鎮、府城鎮、劉府鎮、西泉鎮等;中產田面積所占比例最高,占全縣耕地總面積的50.94%,主要分布在中部和西南部丘陵區的板橋鎮、小溪河鎮、官塘鎮和武店鎮;低產田面積占全縣耕地總面積的14.99%,主要分布在東部丘陵區的黃灣鄉、總鋪鎮和紅心鎮。鳳陽縣耕地質量等級評價結果見表2,鳳陽縣耕地質量等級分布見圖1。

表2 鳳陽縣不同耕地質量等級農田對應的面積及占比

圖1 鳳陽縣耕地質量等級分布

根據耕地質量等級劃分標準,鳳陽縣的地形部位包含平原低階、平原中階、平原高階、丘陵下部、丘陵中部、丘陵上部6種,其中丘陵地區農田面積占比80.05%,且丘陵中部、丘陵下部和平原低階農田的低產田面積較大,鳳陽縣的地形分布如圖2所示,不同地形部位農田高、中、低產田的分布情況見表3。

圖2 鳳陽縣地形部位分布

表3 鳳陽縣不同地形部位高、中、低產田的分布情況

鳳陽縣耕地質量調查與評價結果表明,制約鳳陽縣耕地質量提升的主要原因如下:鳳陽縣中低產田面積較大,地形以高崗丘陵、丘陵為主,地形起伏較大,排水不暢,總體上的可耕性和機械化水平較差,耕作條件不便,土體較深厚,但土壤耕層較淺,尤其是黏質土壤如砂姜黑土、黏盤黃褐土,在耕層下有明顯的犁底層,部分田塊出現小溝被填平、大溝淤塞的現象,并且田間灌溉水利設施落后,因此鳳陽縣耕地質量提升的重點應為丘陵地區的中低產田。

2.2 鳳陽縣灌溉排水能力可改善程度分布

在耕地質量評價中,根據指標權重與綜合得分將鳳陽縣耕地的灌溉排水能力分為1～9級,隨著灌溉排水能力綜合得分逐漸降低,可改善程度逐漸增加。圖3中,紅色區域的灌溉排水能力得分最低,可改善程度最高。若對灌溉排水能力得分較高的區域進行高標準農田建設,實施增設排水溝渠、新建灌溉設施等工程,可改善程度較小,但對灌溉排水能力得分較低的區域進行灌溉、排水設施的改善,提升效果較好,因此新建高標準農田應著重選擇灌溉排水能力得分較低的區域,理論上的預期效果較好。

圖3 鳳陽縣灌溉排水能力可改善程度分布

2.3 鳳陽縣耕地質量局部空間自相關分析

以耕地圖斑為最小單元,利用ArcGIS對鳳陽縣耕地質量等級進行局部空間自相關分析。依據耕地質量的空間相關性,將鳳陽縣耕地劃分為4種區域類型,根據不同顯著性又分為正相關類型的高-高(HH)、低-低(LL)型和負相關的高-低(HL)、低-高(LH)型(圖4)。對于呈正相關關系的HH型、LL型,HH型區域的綜合耕地質量較高,且周邊均為耕地質量較高的耕地,表現出一定的聚集型,因此應對此區域進行重點保護,LL型區域的耕地質量綜合情況較低,空間關系較為穩定,應視其灌溉排水能力的可改善程度高,應選擇對其優先進行整體改良和整治。

對于呈負相關關系的HL和LH型,其中HL型區域表示中部耕地質量較高的耕地被耕地質量較低的耕地包圍,根據空間極化的理論,中間耕地質量較高的耕地容易被周圍質量較低的耕地影響,導致耕地質量下降。故此類耕地區域被認定為需優先進行改良的區域,應及時對周邊低質量耕地進行改良,遏制中部耕地質量較高區域被周圍耕地質量較低區域影響而表現出下降的趨勢;LH型區域與HL型區域耕地質量分布情況相反,耕地質量較高的區域包圍中心耕地質量較低的區域,若灌溉排水能力可改善程度也較高,可適當加以促進,加速中心區域的耕地質量提升。

聚類結果(圖4)顯示,鳳陽縣耕地質量空間自相關性顯著的耕地面積占全縣耕地面積的76.19%。在耕地質量呈現顯著空間自相關的耕地地塊中,呈正相關分布的耕地面積占73.45%,呈負相關分布的耕地面積占2.74%;鳳陽縣耕地質量的空間分布總體呈顯著正相關。HH型主要分布在鳳陽縣北部的府城鎮、大廟鎮和板橋鎮,LL型主要分布在鳳陽縣東南部的總鋪鎮,LH型零星分布在官塘鎮、西泉鎮、劉府鎮和大廟鎮,HL型在大溪河鎮、小溪河鎮、紅心鎮和板橋鎮等鄉(鎮)有少量分布。

HL型:高-低;LL型:低-低;LH型:低-高;HH型:高-高。

2.4 高標準農田建設時序劃定結果

對研究區的高標準農田中今后擬建設區域進行劃定,建立適宜的劃分標準,以解決高標準農田的選址問題。結合灌溉和排水能力的空間分布,根據空間極化理論及空間自相關結果分析得出,周邊耕地對中心耕地會發生同化作用,為了有效抑制周邊低產田對中心高產田的同化作用,將研究區范圍內的耕地根據建設高標準農田的迫切程度和建設時序劃分為優先建設區、次級建設區、后備建設區和暫不建設區等4個區域(表4),可為今后建設高標準農田的選址提供參考,從而有效提升耕地質量(圖5)。

表4 高標準農田建設區域類型的劃分

圖5 高標準農田建設時序分區

表4中,Ⅰ類區域為優先建設區,開展高標準農田建設的迫切程度最高。該區域的空間自相關類型為HL型且灌溉排水能力綜合得分較低,應及時抑制周邊低產田對中心高產田的影響,可改良程度最高、最迫切,預期改良效果最明顯。Ⅱ類區域為次級建設區,按空間自相關類型包含LL型區域、LH型區域,這類區域的灌溉排水能力綜合得分較低,可改良程度較高?？臻g自相關類型為LL型的區域,耕地質量等級的空間分布呈正相關,在此區域內建設高標準農田,周邊的耕地質量提升也會帶動中心耕地的質量提升;對于空間自相關類型為LH型的區域,周邊耕地質量較高的區域會對中心耕地質量較低的區域產生影響,若加以促進,可帶動中心區域耕地質量的提升,故此類區域能帶來的綜合效果更為顯著。Ⅲ類區域為后備建設區,包括2種情況:空間自相關類型為HH型、灌溉排水能力綜合得分較低的區域;空間自相關類型為LH型或HL型、灌溉排水能力綜合得分較高的區域。其中空間自相關類型為HH型的區域耕地質量較高,不是重點改良的區域,但是由于該區域灌溉排水能力得分較低,也有改良的需求;空間自相關類型為LH、HL型的區域的耕地質量較低,但灌溉排水能力得分較高,因此耕地質量可提升的空間不高,也可作為后備耕地資源。其他被歸為Ⅳ類區域,為暫不建設區,包括空間自相關類型為HH型、LL型且灌溉排水能力綜合得分較高的區域,該區域空間關系穩定,且灌溉排水能力的可改善程度不高,該區域應當作為保護耕地資源。

2.5 鳳陽縣高標準農田建設效果

鳳陽縣高標準農田建設的主要措施如下:對于灌溉、路網等農田基礎設施,通過土地平整優化田塊布局,滿足大中型農業機械進出地塊的需要[23-25]。同時施用有機肥,對土壤進行培肥改良,調節土壤的理化性質和通透性[26-29]。

鳳陽縣新建高標準農田項目區包括小溪河鎮項目區、官塘鎮項目區、總鋪鎮項目區、殷澗鎮項目區、劉府鎮項目區、西泉鎮項目區、大溪河鎮項目區和大廟鎮項目區8個,涉及8個鄉(鎮)及12個行政村,均屬丘陵和高崗丘陵地區,項目區在高標準農田建設前的平均耕地質量等級分布如表5所示,平均耕地質量等級為5.98等,屬于偏低水平。田塊產能分布如圖6所示,可以看出,本次新建高標準農田的選址基本符合要求,除西泉鎮有少量高產田分布外,其他鄉(鎮)的耕地均為中產田或低產田,初步判斷具有高標準農田建設的需求。

高標準農田建設后,項目區內的耕地質量均得到不同程度的提升,各鄉(鎮)建設前后的耕地質量等級如表6所示,提升等級為建設前耕地質量等級與建設后耕地質量等級的差值,尤其是小溪河鎮、官塘鎮、總鋪鎮3個鄉(鎮)項目區,在高標準農田建設后,耕地質量得到明顯提升,但大廟鎮、大溪河鎮、西泉鎮提升的等級不高,尤其是大廟鎮在建設前耕地質量等級較低,但建設后并沒有達到預期的提升效果。因此,在進行高標準農田建設選址的過程中,不僅需要結合當地耕地質量等級,選擇耕地質量較低的區域,還應當考慮當地耕地質量提升的限制因素。

將高標準農田建設的項目區落到本研究劃定的高標準農田建設時序底圖上,發現高標準農田的項目區在4個區域均有分布,詳見圖7。其中處于優先建設區的面積約為207 hm2,占項目區總面積的3.45%,大部分位于小溪河鎮;處于次級建設區的耕地面積較大,約為2 164 hm2,占項目區總面積的36.06%;處于后備建設區的耕地面積約為338 hm2,僅占項目區總面積的5.63%;處于暫不建設區的面積最大,約為3 292 hm2,占項目區總面積的54.86%。

在高標準農田建設后耕地質量得到顯著提升的總鋪鎮、小溪河鎮、官塘鎮項目區,大部分建設區域均處于優先建設區和次級建設區;在耕地質量提升程度較小的大廟鎮、西泉鎮項目區,建設區域主要處在后備建設區、暫不建設區。從本次高標準農田建設的提升成果來看,高標準農田的建設選址不僅應重點選取中低產田區域,還需考慮當地耕地質量的限制因素是否為高標準農田建設后可以得到顯著改善的因素,否則會影響耕地質量提升的效果。本研究制定的高標準農田建設時序分區,可為今后高標準農田建設選址提供有效參考,便于有針對性地開展高標準農田的建設。

3 討 論

本研究結果表明,鳳陽縣的耕地質量等級偏低,平均耕地質量等級為4.367等,中產田面積占比高達50.94%,且主要位于丘陵地區,機械化水平較低,耕地肥力低、易澇且灌溉設施缺乏。耕地質量提升的主要對象是當地丘陵地區的中低產田。鳳陽全縣耕地的質量等級具有較強的空間相關性,呈正相關關系的HH型、LL型占比較大,呈負相關關系的HL型、LH型分布較少且分散。針對鳳陽縣高標準農田建設的迫切程度,將其劃分成優先建設區、次級建設區、后備建設區和暫不建設區4個區域。結合灌溉排水能力、耕地質量等級空間的相關性,對高標準農田建設的次序進行劃定,能夠更加科學合理地對高標準農田建設進行選址。

表5 高標準農田建設前的耕地質量等級分布

圖6 高標準農田項目區農田產能分布

表6 各鄉(鎮)耕地高標準農田建設前后耕地質量等級分布

圖7 高標準農田項目區建設的時序分布

當今對于高標準農田建設選址和保護分區等研究的最小單元多集中在行政村等級[30-33],楊君等[34]基于地塊尺度建立農業空間保護分區,但在局部空間自相關的研究中依舊采用加權法研究行政村尺度的農業空間保護分區,本研究以耕地地塊為研究的最小單元,在一定程度上減少了行政村內部農田屬性差異較大對研究結果的影響,可為今后高標準農田建設的選址提供直接的、更加精確的依據。

研究者在建立適宜的高標準農田建設模型中做了許多嘗試,如引入各項生態屬性、土壤屬性、田間設施[35-39]等指標,其中馮銳等[40]構建了限制因素的指標,共構建了76種限制因素組合類型的分區;陳麟等[41]將土壤理化性質對生態環境的影響納入高標準農田適宜性評價中,但是建立的模型多針對某一縣域尺度的研究區域,無法在廣泛區域內推行,例如在基礎條件較差的區域,生態區域性評價作用減弱后則無法進行區域劃分,進而失去了實踐和推廣的意義。本研究基于莫蘭指數,以耕地質量評價結果和在高標準農田建設中得到顯著改善的灌溉能力、排水能力作為劃分依據,以期探究可在一定范圍內得到高標準農田建設前的選址方法,最大程度地讓高標準農田建設發揮對耕地質量的提升效果。

在今后的研究中,可收集丘陵地區其他縣(區)高標準農田建設前后的耕地質量數據和資料,豐富實證成果,進一步驗證該分區方法是否可在長江中下游丘陵地區其他縣(區)應用,并作為高標準農田建設區域劃定的有效參考。