基于RS与GIS的内蒙古自治区耕地质量监测研究——以乌兰浩特市为例.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 0-3 1作者简介:王俊枝(1 9 7 9),女,内蒙古呼和浩特人,高级工程师,硕士,主要从事遥感与地理信息工作。通讯作者:张弛(1 9 9 1),男,测绘工程师,大学本科,主要从事地理信息方面工作。基于R S与G I S的内蒙古自治区耕地质量监测研究 以乌兰浩特市为例王俊枝1,张 弛1,郑洪伟2,常屹冉1(1.内蒙古自治区测绘地理信息中心;2.内蒙古金润不动产评估咨询有限公司,内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 1 0)摘 要:基于多源遥感/地理空间数据和D E L P H I方法构建了适用于内蒙古自治区的耕地质量评价指标体系(C L Q I),其面向生产压力、耕地状态和社会响应3个方面,涵盖地形、土壤、植被健康程度和耕地管理等类别的8项评价因子以综合表征耕地质量。采用C L Q I体系,分析了乌兰浩特市耕地质量现状及其在2 0 1 52 0 1 7年间的时空变化情况。结果表明:C L Q I体系的耕地质量提取精度为7 2.2 2%,具有较强的评价可用性,适用于内蒙古地区的耕地质量评价,可为高标准农田建设规划提供数据支撑,为政府制止耕地“非农化”、防止耕地“非粮化”、形成内蒙古地区耕地保护新格局打造高效的监测手段。关键词:遥感;空间分析;耕地质量;地理国情监测;内蒙古 中图分类号:P 2 0 8S 3 4 1.1(2 2 6)文献标识码:A 文章编号:1 0 0 76 9 2 1(2 0 2 3)1 40 0 9 60 5 耕地资源作为我国粮食安全的基石,是农村发展和农业现代化的根基命脉,是居民生活保障和生活资料的主要来源,对维持社会稳定具有重要意义。为了保卫国家安全和人民福祉,及时准确地监测耕地资源及其质量的变化至关重要。内蒙古自治区拥有丰富的耕地资源和农产品生产潜力,但由于自治区耕地资源类型结构空间差异明显,不易及时获得耕地质量及其变化的准确信息。2 0 2 1年,内蒙古自治区人民政府办公厅关于进一步加强耕地保护工作的实施意见 对稳固耕地质量、加强监测力和保护度提出了更高要求,要求坚决制止耕地“非农化”、防止耕地“非粮化”,促进形成有力和顺畅的保护新格局。因此,发展适用于内蒙古地区的耕地质量评估体系势在必行,以科学准确地了解区域耕地质量的变化情况,支持内蒙古耕地保护工作的有效展开。了解区域耕地质量的情况要从多个方面出发全面评估,如耕地的肥力、生产率水平、适宜性、生产潜力等方面,需要面向研究区的资源本底情况选择和设置评价的准测和指标。2 0世纪9 0年代以来,以遥感(R e m o t e s e n s i n g,R S)和地理信息系统(G e o-g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m,G I S)为代表的对地观测和空间分析技术体系逐渐成熟,评价耕地质量随之扩展到了更大的尺度上。已有研究基于R S获取地形、植被和土壤信息,集合收集到的地面和统计资料,在G I S平台中叠加生成区域耕地质量的空间分布地图,能够直观认识区域耕地质量情况。然而,在当前内蒙古地区耕地急需保护、质量急需提升的背景下,尚未有效结合R S和G I S技术,面向区域耕地资源和管理特点,从耕地现状及其诱因和变化等方面构建适用于内蒙古的耕地质量评价体系,这限制了内蒙古地区进一步开展耕地保护和质量提升工作的展开。因此,本研究基于“压力-状态-响应”(P r e s s u r e-S t a t e-R e s p o n s e,P S R)框架,融合R S和G I S技术在大尺度评估方面的优势以及地理国情监测数据的准确性,参考 农用地质量分等规程 与已有研究成果,运用德尔菲专家调查法(D E L P H I),建立耕地质量评价指标C L Q I。应用所建立的评价体系,本研究面向以农牧业为特色的兴安盟乌兰浩特市,评估了其在2 0 1 52 0 1 7年的耕地质量及其分布和变化情况。本研究在耕地质量评价的准测层和因子层设置方面符合内蒙古地区的资源本底情况,指标权重与质量等级阈值的量化方法准确,能够有效支持内蒙古地区的耕地质量保护和提升,打造耕地质量评价的稳健新思路。1 研究方法、研究区域与数据来源692 0 2 3年7月内 蒙 古 科 技 与 经 济J u l y 2 0 2 3第1 4期 总第5 2 8期I n n e r M o n g o l i a S c i e n c e T e c h n o l o g y&E c o n o m yN o.1 4 T o t a l N o.5 2 81.1 研究区概况乌兰浩特市位于内蒙古自治区东北部,隶属兴安盟,在东部和南部与吉林省白城市相连,在西部和北部与科尔沁右翼前旗相邻,地理坐标位于4 5 2 2 N4 6 1 8 N和1 2 1 5 1 E1 2 2 2 0 E之间。属于大兴 安 岭 与 松 辽 平 原 的 交 界 带,土 地 面 积 约2 3 5 4.0 k m2,平均海拔2 6 4.0 m,属中温带大陆性季风气候,日温差较大,多年气温约5.1、降水约4 4 3.3 mm。耕地和草地是主要的生态系统类型,其中耕地面积8 6 9.3 k m2,耕地的平均坡度约为2(见图1)。2 0 2 0年,区域地区生产总值(G D P)和总人口分别为1 7 7.1亿元和3 2.2万人,其中农林渔业增加值占区域G D P的8.4%。图1 乌兰浩特市土地利用组成及耕地分布现状1.2 耕地质量评价指标体系表1 耕地质量评价指标体系目标层准则层指标层耕地质量评价指标体系(C L Q I)生产压力指数(P P I)坡度(S l o p e)土壤退化指数(RV I)土壤酸碱度(p H)土壤有机质含量(O C)表层土壤质地(T E X TUR E)耕地状态指数(L S I)归一化植被覆盖指数(NDV I)土壤水分指数(DV I)社会行为指数(S A I)灌溉保证率(I GR)基于P S R研究框架,选取评价因子构建准则层以建立耕地质量评价体系(C r o p l a n d q u a l i t y i n d e x,C L Q I),评价准则包括3个方面:P指人类活动对土地质量的直接影响和损害;S指土地资源及随时间的变化状态;R指土地利用和管理现状。运用生产压力(P r o d u c t i o n p r e s s i n d e x,P P I)、耕地状态(C r o p l a n d s t a t u s i n d e x,C S I)及社会响应(S o c i a l r e s p o n s e i n d e x,S R I)3种指数作为准则层分别表征P S R三方面特征。具体地,P P I为耕地生产力受到的威胁,C S I为耕地生产力现状,S R I为土地利用及社会经济发展的可持续程度。结合已有研究成果和当地实际情况,选取坡度、土壤退化指数、土壤酸碱度、土壤有机质含量、表层土壤质地、归一化植被覆盖指数、土壤水分指数、灌溉保证率作为评价指标(见表1)。1.2.1 坡度(S l o p e)对耕地质量影响很大,包括灌溉、土壤、水保、水蚀危险等方面,是鉴别耕地质量的一项重要指标,利用国情普查中的1 0 m数字高程模型(D EM)分析得到。1.2.2 土 壤 退 化 指 数(R a t i o v e g e t a t i o n i n d e x,R V I)体现耕地环境胁迫程度。土壤污染等环境不利因素影响作物叶绿素生成,通过植被冠层的反射率得到体现。R V I是遥感影像近红外与红色波段的比值,由波段比值运算得到。1.2.3 土壤酸碱度(p H)是土壤肥力的重要影响因子,影响着养分的有效性,由中国土壤数据集分析得到。1.2.4 土壤有机质含量(O r g a n i c m a t t e r c o n t e n t,O C)表征植物营养的主要来源,对植物生长、改善土壤物理性质具有重要作用,通常在一定范围内与土壤肥力水平呈正相关,由中国土壤数据集分析得到。1.2.5 表层土壤质地(T E X TUR E)采用世界土壤图表层土壤质地(03 0 c m)数据。1.2.6 归一化植被覆盖指数(N o r m a l i z e d D i f f e r-e n c e V e g e t a t i o n I n d e x,N D V I)可有效表征植物生长状态、健康程度以及空间分布,利用1 6 m分辨率G F-1数据的近红外(n i r)和红色波段(r e d)运算得到:ND V I=(n i r-r e d)/(n i r+r e d)(1)1.2.7 土壤水分指数(D i f f e r e n c e V e g e t a t i o n I n-d e x,D V I)可反应土壤水分状况及地表湿度情况,是评价耕地质量的重要指标1 0,利用1 6 m分辨率G F-1数据的近红外(n i r)和红色波段(r e d)运算得到:D V I=n i r-r e d(2)1.2.8 灌 溉 保 证 率(I r r i g a t i o n g u a r a n t e e r a t e,I G R)体现社会行为对耕地质量的影响,如耕地利用、管理和投入情况等,可表征不同投入和管理情况下形成的多种耕地利用方式,本研究指水田与旱地。参考 农用地质量分等规程(G B/T 2 8 4 0 72 0 1 2)与已有研究成果,对各因子分级和标准化(见表2)。因研究区域耕地资源只包括1 3、1 4、1 5三个等别,依据耕地质量分阈值,对研究区耕地质量等别进行细化(见表3)。79王俊枝,等 基于R S与G I S的内蒙古自治区耕地质量监测研究 以乌兰浩特市为例2 0 2 3年第1 4期表2 耕地质量评价指标分值指标/指数指标等级分值指标/指数指标等级分值坡度(S l o p e)0 x 0.41 0 0土壤有机质含量(O C)0 x 0.66 00.4x 0.79 00.6x 1.27 00.7x 18 01.2x 28 5121 0 01.5x 26 0归一化植被覆盖指数(N D V I)0 x 0.5 01 02x 55 00.5 0 x 0.6 02 05x 84 00.6 0 x 0.6 53 08x 1 53 00.6 5x 0.7 04 01 5x 2 52 00.7 02 51 00.7 5x 0.8 06 0土壤退化指数(R V I)0 x 2.550.8 0 x 0.8 27 02.5x 51 00.8 2x 0.8 48 05x 62 00.8 4x 0.8 69 060.8 61 0 07x 84 0土壤水分指数(D V I)0 x 1 7 0 01 08x 95 01 7 0 0 x 1 9 5 02 09x 1 06 01 9 5 0 x 2 2 0 03 01 0 x 1 17 02 2 0 0 x 2 4 5 04 01 1x 1 28 02 4 5 0 x 2 7 0 05 01 2x 1 39 02 7 0 01 31 0 02 9 5 0 x 3 2 0 07 0土壤酸碱度(p H)x 4.53 03 2 0 09.03 4 5 0 x 3 7 0 09 04.53 7 0 01 0 05.0 x 5.57 0灌溉保证率(I G R)水田1 0 08.5x 9.0旱地5 05.5x 6.08 5表层土壤质地(T E X TUR E)c o a r s e(x=1)6 07.9x 8.5m e d i u m(x=2)8 06.0 x 7.91 0 0f i n e(x=3)1 0 0表3 耕地质量等别阈值耕地质量等别耕地质量分阈值1 3等(一级)x 7 01 3/1 4等(二级)6 0 x 7 01 4等(三级)5 0 x 6 01 4/1 5等(四级)4 0 x 5 01 5等(五级)x 0.3、显著性0.0 1,所选因子与耕地质量具有显著的相关性,均可以有力解释内蒙古耕地质量的分布和变化情况。此外,选择3 6个实地样方进行验证,模型对于耕地自然等的提取精度为7 2.2 2%,进一步证明本研究的评价模型可用性较强。2.2 2 0 1 7年乌兰浩特市耕地质量现状运用G I S空间分析技术,在空间上对所考虑的8种评价因子赋予权重,得到乌兰浩特市的耕地质量分布数据,并基于耕地质量等别阈值表划分等级,由高至低为1 3、1 3/1 4、1 4、1 4/1 5和1 5共5个等级。图2 乌兰浩特市2 0 1 7年耕地质量现状2 0 1 7年,总计评价乌兰浩特市的耕地面积达到8 6 9.3 0 k m2,其中1 4/1 5等级占耕地总面积比例最多,1 3/1 4等级占总面积比例最少(见图2)。逐等级来看,1 3等级耕地面积较小(1 2 4.4 2 k m2),占总面积1 4.3 1%,集中于西北部(如义勒力特镇和卫东镇部分地区)。1 3/1 4等级的面积最少(4 4.2 1 k m2),仅占总面积的5.0 9%,集中在西南部的太本站镇。1 4等级的耕地面积处于1 3等级和1 3/1 4等级之间,达 到8 7.1 1 k m2,约 占 本 市 耕 地 总 面 积 的1 0.0 2%,分布较零散且聚集性低。1 4/1 5等级的耕地面积最大(3 2 0.9 5 k m2),占比达到本市耕地总面积的3 6.9 2%,集中在东部地区,在西部地区的聚集程度较低。1 5等级的耕地面积较大,面积为2 9 2.6 1 k m2,约占本市耕地总面积的3 3.6 6%,集中分布在西部地区,而在东部地区沿1 4/1 5等级耕地相连但零星分布,体现出低质量耕地存在的潜在聚集特点。2.3 2 0 1 52 0 1 7年乌兰浩特市耕地质量时空变化采用统一方法,基于一致数据源和指标权重刻画了2 0 1 5年和2 0 1 6年的乌兰浩特市耕地质量的分布情况,分析了2 0 1 52 0 1 7年耕地质量时空变化情况,此外能够检测C L Q I评价体系在时间序列耕地质量监测和评估中的可用性。结果表明:2 0 1 52 0 1 6年至2 0 1 62 0 1 7年时间段,乌兰浩特市耕地质量的空间变化痕迹明显;在2 0 1 6年前后,低等级耕地(如1 4/1 5等级和1 5等级)的面积增加,而其余等级耕地的面积有所收缩(见图3)。图3 2 0 1 52 0 1 7年乌兰浩特市不同耕地质量面积统计2 0 1 52 0 1 6年,各等级耕地之间转化频繁,全区净变化面积为+1 8.6 3 k m2(见图4)。其中,1 3/1 4等级的耕地面积提升最多(+1 9.0 1 k m2),而1 4/1 5等级的耕地面积减少最多(-9.5 0 k m2)(见图3)。其余等级的耕地类型中,1 3等级耕地面积增加6.9 7 k m2;1 4等耕地面积减少5.0 0 k m2;1 5等级耕地面积增加7.1 5 k m2。空间分布来看,1 4、1 4/1 5和1 5等级耕地对其他等级耕地的接收最多,广泛分布在全区范围内,其中1 5等级集中在西部,1 4等级集中在东部,而1 4/1 5等级集中在中部地区(见图4)。2 0 1 52 0 1 6年,全区耕地面积略有减少(-1 3.6 4 k m2),各等级耕地之间的转化保持频繁,但各类型耕地的变化趋势较上一周期发生转变(见图3、图4)。1 4/1 5和1 5等级耕地的面积提高,而1 3、1 3/1 4和1 4等级的耕地面积则开始下降。其中,1 5等级耕地的面积提高最多,达到1 1.4 2 k m2,其次为1 4/1 5耕地,扩展面积达到了5.9 0 k m2。相比之下,1 3、1 3/1 4和1 4等级的耕地面积全部减少,分别减少了6.2 2 k m2、99王俊枝,等 基于R S与G I S的内蒙古自治区耕地质量监测研究 以乌兰浩特市为例2 0 2 3年第1 4期1 7.8 2 k m2、6.9 2 k m2。空间分布来看,1 4/1 5和1 5等级耕地的转入明显,其中1 4/1 5等级耕地的转入广泛分布,而1 5等级耕地的转入集中在西部地区。结合地形分布来看,低质量等级耕地面积增加的潜在原因在于坡度较大,灌溉难度大,且干旱频发,导致耕地质量下降。图4 乌兰浩特市2 0 1 52 0 1 7年耕地质量时空变化情况3 结论与讨论本研究在乌兰浩特市建立了耕地质量评价体系,在证明该体系可用性的基础上,分析了乌兰浩特市耕地质量的现状和近3年的时空变化情况。主要发现包括:相比人工调查,利用遥感数据监测与评价耕地质量具有精度高、速度快、成本低、评价客观的特点。基于中高分辨率遥感影像获取耕地质量评价指标不仅效率高、精度高,而且对耕地质量刻画详细、层次清晰。乌兰浩特市耕地质量总体较差,优质耕地资源较少,质量较高的耕地占比不到2 0%,质量最低的1 5等耕地面积仍在升高。因此,有必要进一步提高耕地质量评价的频率和效率,以支持有效的耕地保护和质量提升。乌兰浩特市西南和西北部耕地坡度较高,不易灌溉,旱灾频发,导致耕地质量下降严重是低质量耕地面积提高的潜在原因。因此,应进一步发展高效的耕地管理方式,改良现有灌溉技术,并加强生态系统的水土保持功能。本研究的不足包括土壤数据集时效性较低,不能充分表征土壤状况,以及灌溉保证率只采用水田旱地进行区分,下一步可加入灌溉设施到耕地的距离(灌溉便利度)等因子提高评价的精度。总的来看,本研究可为高标准农田建设规划提供数据支撑,可为政府制止耕地“非农化”、防止耕地“非粮化”,形成保护新格局提供新手段。参考文献1 肖北生.基于自主高分遥感的耕地质量监测评价技术研究D.广州:华南农业大学,2 0 1 6.2 姚赫男,李艳,曹宇.基于R S和G I S的耕地资源质量评价:以浙江省富阳市为例J.土壤,2 0 1 3,4 5(4):7 3 2-7 3 8.3 刘永金.基于G I S对县域耕地质量分等的研究:以青岛市黄岛区为例D.泰安:山东农业大学,2 0 1 3.4 王玲.基于G I S和R S的干旱区绿洲耕地质量评价方法及应用研究D.石河子:石河子大学,2 0 1 1.5 张合兵,孙江锋,王新闯,等.中原地区耕地质量变化遥感监测研究:以济源市为例J.中国农学通报,2 0 1 5,3 1(8):2 4 5-2 5 1.6 陈杰,陈铁桥,刘慧敏,等.高分辨率遥感影像耕地分层提取方法J.农业工程学报,2 0 1 5,3 1(3):1 9 0-1 9 3.7 付国珍,摆万奇.耕地质量评价研究进展及发展趋势 J.资 源 科 学,2 0 1 5,3 7(2):2 2 6-2 3 6.8 姚慧茹.青藏高原春季风速和大气动能的变化特征及其与植被覆盖的关系D.南京:南京信息工程大学,2 0 1 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