29卷第5期2007年9月资 源 科 学RES OURCES SCIE NCE V ol.29,N o.5Sep.,2007文章编号:1007-7588(2007)05-0143-07收稿日期:2006-11-30;修订日期:2007-01-19基金项目:科技部科研院所社会公益研究专项:“中国区域性耕地资源变化影响评价及其预警”(编号:2004DI B3J092)。
作者简介:石淑芹,女,山东淄博人,博士生,研究方向土地利用与GIS 工程。
E 2m ail :ssq0533@耕地变化对粮食生产能力的影响评价———以吉林中西部地区为例石淑芹1,2,陈佑启1,2,姚艳敏1,2,李志斌1,2,何英彬1,2(11农业部资源遥感与数字农业重点开放实验室,北京 100081;21中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081) 摘 要:在目前我国粮食供需相对紧张,部分耕地非农化利用的趋势日渐明显,政府粮食安全目标与农户利益之间的矛盾尚未真正解决,农产品市场日趋国际化以及国内粮食生产机遇与挑战并存的背景下,分析粮食主产区耕地资源变化格局与态势,研究其耕地资源变化对粮食生产能力的影响,具有重要的现实意义。
本文利用GIS 空间分析技术,着重从空间分布角度,通过研究两个不同时期区域耕地数量变化及引起的耕地质量空间分布变化,探讨区域耕地数量与质量变化对粮食生产能力的综合影响,并以吉林省中西部地区为例进行了实证研究。
结果表明:①吉林中西部地区耕地数量净增加了0182×104hm 2;②减少的耕地中,三等地减少数量最多,一等地减少量最少;增加的耕地中,五等地增加数量最多,一等地增加数量最少;③吉林省中西部地区粮食总产净增加了0152×104t 。
其中耕地减少使本地区粮食总产减少了39109×104t ,二等地和三等地的减少对粮食总产有较为突出的影响,分别占粮食总产减少总量的28136%和44182%。
同时增加的耕地中,二等地的增加对粮食总产增加起了相当重要的作用,占本区粮食总产增加量的44153%;④要实现耕地总量动态平衡必须保证耕地数量与质量的双重平衡。
关键词:耕地变化;耕地质量评价;粮食生产能力;GIS;空间分析 粮食安全问题是关系人类生存与发展的重要问题。
我国正处在工业化城镇化进程加快时期,随着我国经济发展与人口增长,耕地数量减少、耕地质量下降与粮食需求量迅速扩张已经成为一对不可避免的矛盾。
因此,分析研究当前耕地资源的变化格局和态势,切实保护和提高粮食综合生产能力,已经成为必然的战略选择。
国内外在耕地变化对粮食生产能力影响评价方面已经做了较多探索,并取得了一定成果。
其中,国内外在耕地资源动态监测领域做了广泛深入的研究[1,2],同时耕地质量评价研究也取得了较大进展[3～5],这些已有的研究成果均为耕地变化对粮食生产能力影响评价提供了理论和技术基础。
在耕地变化对粮食生产能力影响评价方面,欧美地区由于人均耕地资源较多,其研究更多侧重耕地质量变化对粮食生产的影响。
国内由于人均耕地少,耕地资源分布不均等原因,即注重耕地数量对粮食生产影响研究,也有一些关于耕地质量对粮食单产影响的评价,相当一部分研究工作其目标是从耕地数量入手评价对粮食生产能力影响。
研究方法上,国内利用统计数据进行耕地面积、粮食播种面积与粮食总产和粮食单产之间相关分析的居多,很多关于耕地质量对粮食生产能力的影响研究因数据资料不足等原因而局限于定性描述,或仅对耕地中的土壤肥力变化进行定量研究,目前还缺乏耕地变化空间分布与粮食生产能力关系分析[6～15]。
鉴于此,本次研究以吉林省中西部地区为例,利用“3S ”技术,着重应用GIS 空间分析优势,通过研究两个不同时期区域耕地数量变化及引起的耕地质量空间分布变化,探讨区域耕地数量与质量变化对粮食生产能力的综合影响,为加强区域耕地资源保护、管理和有效利用,改善粮食生产条件,稳固粮食生产体系,保护区域粮食生产能力提供可靠的依据。
1 研究区域概况吉林省中西部地区土地总面积为798×104hm 2,位于吉林省松嫩平原的西南部,包括镇赉县、白城市、松原市、洮南市等17个县市(图1)。
地势海拔在图1 研究区域分布Fig 11 The location of the study area108m ～1178m 之间,常有高出地面15m ～60m 的小漫岗,年平均温度4℃～6℃。
本地区耕地资源分布较多。
其中,位于西部农牧业区的耕地开发较晚,是吉林省发展农业生产潜力较大的地区;位于中部平原农业区的耕地开发较早,是吉林省粮豆产量最高、提供商品粮最多的地区,也是糖、油的集中产区之一。
2 数据资料收集与处理211 基础数据本次研究需要的行政区划数据、基于农户调查的粮食单产数据、1993年和2003年两期土地利用现状遥感解译数据,以及与耕地资源质量密切相关的DE M 、降水、无霜期等自然环境数据和灌溉面积、粮播面积、化肥纯量、乡村劳力和农机总动力等社会经济统计数据均来源于科技部科研院所社会公益研究专项“中国区域性耕地资源变化影响评价及其预警”所建立的“东北地区资源环境基础数据库”的支持。
212 野外土壤采样与室内分析本次调查的土壤养分野外采样点是2005年采用网状均匀布点模式,采样间隔为30km ×30km ,利用G PS 进行实地样点空间定位,并根据实际情况调整采样点的位置,或补加采样点,以便使每个耕地评价单元内均有样点分布,采集127个样点0cm ～20cm 表层土壤混合样品,并记录样点实际经纬度坐标、土壤类型、作物类型、单产水平、施肥状况、种植制度、地形地貌、灌溉条件、农田设施等情况。
将土样送到土壤化验室,由检测人员采用土壤养分状况系统研究法(ASI 法)进行土壤样品的测试分析,得到有机质、氮、磷、钾等土壤养分化验数据。
213 数据处理K riging 内插法是目前地统计学应用最广泛的最优内插法,因此在数据处理中,对野外调查的采样点土壤养分数据(包括有机质、速效氮、速效磷、速效钾)以及基于气象站点的降水量数据采用GIS 的克里金插值,生成1000m ×1000m 的土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量图和降水量空间分布图。
利用“东北地区资源环境基础数据库”中的灌溉面积、粮播面积、化肥纯量、乡村劳力和农机总动力等社会经济统计数据,通过计算得到研究区域各县市灌溉保证程度(灌溉面积Π粮食播种面积)、亩均化肥施用量(化肥纯量Π粮播面积)、机械化程度(乡村劳力Π农机总动力)、无霜期等指标值属性数据;在ArcG IS 中将这些属性数据与县级行政区划数据连接形成新矢量图,并其转换成1000m ×1000m 的栅格图。
本次研究中采用简化处理,将耕地到最近道路的距离作为道路通达性指数,利用ArcGIS 的straight line 命令计算耕地距道路的距离,生成1000m ×1000m 的道路通达性图。
通过ArcGIS 的slope 命令将DE M 数据衍生出1000m ×1000m 的坡度图。
3 研究方案及步骤本文在评价吉林省中西部地区耕地变化对粮食生产能力影响时,首先分析吉林省中西部地区的耕地资源数量变化特征,然后利用GIS 将吉林省中西部地区耕地质量分为5个等级并对耕地质量进行空间分布变化分析,最后根据各等级耕地变化情况和各等地平均粮食单产数据,对吉林省中西部地区粮食总产变化进行分析(图2)。
311 耕地数量变化分析方法在ArcGIS 软件环境下,通过对吉林中西部地区1993年和2003年两期土地利用现状数据叠加运算,提取出两期耕地利用数据,并生成两期耕地资源分441资 源 科 学29卷第5期布图;然后分析吉林中西部地区耕地资源数量时空变化特征及其变化原因,为耕地变化对粮食生产能力的影响评价提供基础。
312 耕地质量空间分布变化研究方法本次在建立耕地质量评价指标体系时,借鉴了国内外已有土地质量评价指标体系研究成果,并结合研究区域粮食生产资源环境特点,在主导性原则、地域性与普适性原则、空间变异性原则、可操作性原则以及评价过程科学性原则的指导下,确定了吉林中西部地区在自然环境、土壤和社会经济3个方面影响土地质量的12个评价指标。
其中自然环境方面的指标包括坡度、降水量、无霜期;土壤因素方面的指标包括土壤有机质、速效氮、速效磷和速效钾;社会经济因素方面的指标包括灌溉保证程度、亩均化肥施用量、交通通达度、机械化程度;然后利用ArcGIS 对各指标原始数据进行了标准化处理,以便统一各指标值的量纲,并建立标准化后的各评价要素图。
对于土壤有机质、灌溉保证程度等正向型因素的标准化处理公式为:X =(X i -X min )Π(X max -X min );对于坡度等逆向型因素的标准化处理公式为:X =1-(X i -X min )Π(X max -X min )。
本次研究中通过层次分析法来确定各项指标权重,采用土地综合指数评价法得到以像元为单位的土地质量指数S =∑ni =1W iPi 并利用ArcGIS 生成土地质量综合指数图,采用ArcGIS 分等方法中的自然断点法,将土地质量综合指数划分为5个等级,得到土地质量等级图。
利用GIS 的空间分析优势,将1993年和2003年的吉林省中西部地区耕地利用现状数据与上述土地质量等级图叠加,提取1993年耕地质量等级分布图与2003年耕地质量等级分布图。
再将1993年和2003年两期耕地质量等级分布图叠加,得到耕地质量变化分布图(图3)。
结合吉林省中西部县级行政区划数据、DE M 、地形地貌数据以及其他相关文献资料,从总体、结构特征和地域差异3个方面综合分析耕地质量空间分布变化特征。
313 耕地变化对粮食生产能力的影响评价方法在耕地数量变化监测和耕地质量空间分布变化研究基础上,利用实地调查粮食单产数据,并参考农业统计数据中的粮食单产数据,确定各等耕地的平均粮食单产。
然后根据各等级耕地变化数据和各等地平均粮食单产数据,分析吉林省中西部地区粮食图2 基于GIS 的吉林省中西部地区土地质量等级分布Fig 12 Distribution of land quality grading based on GIS图3 各等地变化Fig 13 Change of cultivated land of every grade总产变化。
4 结果与分析411 近10年耕地数量变化及其特征通过调查发现,近10年来吉林省中西部地区耕地面积净增加了0182×104hm 2。
增加的耕地面积中,未利用土地开发占50182%,牧草地开垦为耕地占45178%,园林地、水域、建设用地转化为耕地分别占1163%、1123%和0154%。