基于空間插值的耕地質量差異性分析*
——以甘肅省白銀市為例

汪延彬，米成林，宋啟全，陳亮之，王婭妮

（1.甘肅省國土資源規劃研究院，甘肅　蘭州 730000；2.甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730070）

基于空間插值的耕地質量差異性分析*
——以甘肅省白銀市為例

汪延彬1，米成林1，宋啟全1，陳亮之2，王婭妮2

（1.甘肅省國土資源規劃研究院，甘肅蘭州 730000；2.甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730070）

利用耕地質量等別調查評價數據，采用地統計分析法、泛克里格空間插值法和對比研究法，對甘肅省白銀市耕地自然質量等別和利用等別的空間分布特性進行深入分析。結果表明：（1）白銀市中部和北部縣區的耕地自然質量等別普遍高于南部縣區，中部地區靖遠縣的自然質量等別最高；（2）白銀市耕地利用等別差異較為明顯，靖遠縣中北部耕地的利用等別最高，以此區域為中心向四周逐漸遞減，在全市東部及南部耕地利用等別普遍低于12等，屬低等地；（3）在靖遠縣和平川區境內存在一個以靖遠北部為中心的耕地質量較高的帶狀區域，利用等別的區域中心逐步向靖遠縣糜灘鄉下灘村和文化村偏移。結論：（1）基于地統計分析法的空間插值可用于了解區域耕地質量的空間分布特性；（2）平川區南部、靖遠縣中北部應作為未來耕地產出管理的重點區域，其他地區應以提高耕地灌溉水平和耕地土壤的蓄水、保墑、保肥能力為主。

耕地質量；空間插值；白銀市

嚴格實行土地管理制度的最終目標是實現3個保障：保障糧食安全，保障經濟發展和保障生態安全［1］，其中糧食安全是經濟發展和生態安全的基礎，耕地產能可量化衡量糧食安全的程度。

國土資源部從1999年至2010年在全國范圍內組織了耕地分等調查評價任務，并從2012年開始每年進行一次更新評價。甘肅省開展的耕地綜合生產能力調查與評價工作由兩部分組成，一是耕地質量等別調查評價，二是在此基礎上進行的產能核算。耕地產能是表征耕地產出的重要指標，是耕地單產與其對應面積的乘積［2］，產能核算可直接體現耕地產出，是一種將耕地質量“精準化”、確定區域糧食安全的一種有效方法［3］。目前產能核算的主要方法是通過選取具有代表性的調查樣點，構建耕地自然質量等指數與標準糧理論單產樣本值、耕地利用等指數與標準糧可實現單產樣本值之間的函數模型，然后將所有耕地分等單元的自然質量等指數與利用等指數代入模型［4，5］，計算對應層級的產能，整個過程中耕地質量的分布特性起著重要的作用?；诳臻g插值方法的耕地質量差異性分析采用地統計學方法，在空間插值的過程中重點考慮了調查樣點的質量等別與樣點之間位置的相關性，最終通過離散的、不連續的調查樣點擬合出具有連續特性的曲面。利用地統計學的方法對現有調查數據進行空間插值處理，將會為了解整個區域耕地質量的總體分布特征提供極大的幫助。

1　研究區概況與數據來源

甘肅省位于我國西北內陸，介于北緯32°31'～42°57'，東經92°13′～108°46′之間，地處東部季風區、西北干旱區和青藏高原區三大自然交匯處，氣候類型復雜多樣，可劃分為北亞熱帶、暖溫帶、中溫帶等氣候類型［6］。

白銀市是甘肅省12個地級市之一，位于甘肅省中部，地處黃土高原和騰格里沙漠過渡地帶，包含12個縣，耕地規模占全省9.57%，耕地質量具有隴中地區典型特征。全市南部為中溫帶半干旱氣候區，北部為冷溫帶干旱氣候區，年降水量110～352mm，年蒸發量2101mm。

本文分析數據來自2014年甘肅省耕地質量等別調查評價項目，樣本的自然質量等別為考慮光、溫、水、土自然條件因素評價得出的等別，利用等別在自然質量等別基礎上考慮土地利用系數后計算得出。項目共收集樣本996個，通過等別數據與相應等指數的對比統計，使用方差剔除法將樣本中部分異常值和錯誤值剔除，最終得到樣本971個，全市各縣樣本具體數據見表1，如圖1所示。

表1　白銀市樣本統計

圖1　白銀市耕地質量樣本分布圖

2　研究方法與數據驗證

2.1地統計方法

本文使用的地統計學是統計學的分支，其以區域化變量理論為基礎，以變異函數為基本工具，研究在空間分布上既具有隨機性又具有結構性的自然現象［7］。凡是研究數據空間分布的結構性和隨機性、空間相關性和依賴性、空間格局與變異，并對這些數據進行無偏、最優估計，或模擬這些數據的離散性、波動性時，均可應用地統計學的理論及相應的方法［8］，所以耕地質量的空間差異性分析是其應用之一。

地統計學與經典統計學都是在大量采樣的基礎上，通過對樣本屬性值的頻率分布、均值、方差等關系及其相應規則進行分析，確定其空間分布格局與相關關系［9］。但地統計學重視樣本空間位置及樣本間的距離，彌補了經典統計學忽略空間位置的缺陷。

基于地統計學的插值方法最常用的是克里格插值，其通過對已知樣本點賦權重來求得未知樣本點的值，計算公式可統一表示為［9］：

上式中，Z（x0）為未知點的值，Z（xi）為未知樣點周圍的已知樣本點的值，λi為第i個已知樣本點對未知樣點的權重，n為已知樣本點的個數。在克里格插值方法中，采樣點數值的分布及半變異函數情況對插值結果影響較大。

2.2樣本數據有效性驗證

應用克里格空間插值方法的前提是樣本服從正態分布，本文利用直方圖工具和正態QQPlot工具，首先對采樣點等別數據進行檢驗，進而分析采樣點的半變異函數情況，根據分布特性確定插值模型參數。

白銀市樣點自然質量等別、利用等別有效性驗證結果如圖2、3所示。從直方圖、正態QQPlot圖及正態分布中值、均值可以看出，樣本等別呈正態分布。在本文中，筆者分析了不同模型產生的檢驗方差，發現對于自然質量等別和利用等別，圓形模型結果最優。但在半變異函數圖中，樣點自然質量等別方向效應不明顯，使用各向同性建模方式，利用等別使用各向異性建模方式。

圖2　樣本自然質量等別直方圖、正態QQPlot圖

圖3　樣本利用等別直方圖、正態QQPlot圖

3　耕地質量空間差異性分析

3.1耕地自然質量等別空間差異性分析

耕地自然質量等別是從自然狀態下評價耕地質量，反映耕地土壤、地理條件、氣候等自然條件的好壞。通過數據分析，應用泛克里格空間插值方法得到白銀市耕地自然質量等別空間分布狀況如圖4所示。

圖4　白銀市耕地自然質量等別空間分布

通過圖4可以看出：

1）白銀市中部和北部縣區的耕地自然質量等別普遍高于南部縣，中部地區的自然質量等別最高，這與該地區年降水量等值線的分布一致。其中平川區南部、靖遠縣北部的自然質量等別在10～11等，超過了全省耕地平均自然質量等別13等，屬中等地；景泰縣西部、會寧縣大部、白銀區西部及靖遠縣東部耕地自然質量等別較低，多在13等以下。

2）在靖遠縣和平川區境內存在一個以靖遠北部為中心的耕地自然質量等別較高的帶狀區域，這說明該區域光、溫、水、土等自然資源條件較好，理論上具有較高的糧食生產能力。

3.2耕地利用等別空間差異性分析

耕地利用等別在土地自然質量狀況基礎上考慮了區域農耕水平、用地強度、種植技能等因素，反映了耕地的平均利用水平。白銀市耕地利用等別空間分布狀況如圖5所示。

圖5　白銀市耕地利用等別空間分布

通過圖5可以看出：

1）白銀市耕地利用等別差異較為明顯，以靖遠縣中部為中心，大致可以分為三個等級：

？靖遠縣中北部耕地的利用等別最高，最高值為10等地；

靖遠縣大部、平川區南部耕地的利用等別介于10～12等，屬中等質量耕地；

其余區域的利用等別較低，普遍低于12等，屬低等地。

2）靖遠縣、平川區境內耕地質量較高的區域更為明顯，這與該區域自然質量等別分布圖中的結果較一致，且區域中心較自然質量等別向西南偏移約13.8km，對應的行政區為靖遠縣糜灘鄉下灘村和文化村；同時也與靖遠縣、平川區的地形匹配程度較高，表明這一區域耕地在自然條件較好的基礎上有較好的投入和利用水平，應作為后續開展工作或研究的重點對象。

4　結論與展望

4.1結論

利用甘肅省白銀市971個耕地質量等別調查樣本，運用地統計學方法，得到了耕地自然質量等別和利用等別空間分布結果，從宏觀方面分析掌握了該區域耕地質量水平，結果表明：

1）利用地統計分析的空間插值方法可以得出耕地自然質量等別和利用等別的空間分布曲面，這為了解整個區域耕地質量的空間分布特性及評價區域間差異提供了有力工具。

2）白銀市靖遠縣中北部的耕地自然質量等別和利用等別相對較高，應重點加強該區域的耕地管理水平以提高耕地產出水平，避免工程建設對較優質耕地的占用。對于全市東部及南部縣區質量較低的耕地，應從提高耕地本底質量方面采取措施，一是通過平整田地、增加肥源等方式增強耕地土壤的蓄水、保墑、保肥能力；二是改善耕地的外部環境條件，通過引水、調水、蓄水解決灌溉水源，大力推廣節水灌溉，擴大保灌面積，切實提高土地的灌溉保證率；三是增加有機肥，合理施用化肥，提高土壤肥力，增加糧食產量。

4.2展望

1）空間插值方法與模型種類較多，插值精度取決于樣點的具體數值。本文的插值模型參數還有調整的空間，未來可進一步優化插值模型，修正、補充相關參數，提高插值精度，進而得到耕地質量等別的等值分布區，為分析耕地質量等別影響因素提供基礎數據，并逐步開展定量分析工作。

2）空間插值方法是研究區域變量空間分布的基本方法，各種方法都有其特定假設、適用范圍和優缺點［10］。影響耕地自然質量等別和利用等別空間插值結果的因素主要來自兩方面，第一是插值方法本身引起的誤差，如插值模型的選擇、插值過程各種參數的選取等；第二是外界因素對等別影響引起的誤差，盡管對于單一地塊的評價，已考慮灌溉保證率、土壤有機質含量等因素，但對區域降水、地形、光照強度、氣溫、土壤其他屬性的影響，還有待更進一步的研究。為了得到更加精確的空間插值模型或定量分析結果，不能只考慮空間位置的相關性，需引入地形、降水等環境因素。

［1］安徽省土地勘測規劃院.長豐縣農用地產能核算技術報告［EB/OL］.http∶//www.docin.com/p-32927257.html．

［2］鄖文聚，王洪波，王國強，等.基于農用地分等與農業統計的產能核算研究［J］.中國土地科學，2007，21（4）∶32-37.

［3］趙永華，崔璐，衛新東，等.涇陽縣農用地產能及其空間差異性［J］.中國農學通報，2011，27（24）∶112.

［4］王國強，張蕾娜，宋艷華.農用地產能核算的基礎與方法研究——以河南省為例［J］.地域研究與開發，2010，29（1）∶91.

［5］伍育鵬，鄖文聚，鄒如.基于耕地質量評價的耕地產能核算方法及分布［J］.農業工程學報，2008，24（1）∶85-89.

［6］儲少林，周兆葉，袁雷，等.降水空間插值方法應用研究——以甘肅省為例［J］.草業科學，2008，25（6）∶19.

［7］侯景儒，尹鎮南，李維明等.實用地質統計學［M］.北京地質出版社.

［8］侯景儒，郭光裕.礦床統計預測及地質統計學的理論與應用［M］.北京∶冶金工業出版社，1993.

［9］湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程［M］.北京∶科學出版社，2006∶363-369.

［10］方書敏，錢正堂，李遠平.甘肅省降水的空間內插方法比較［J］.干旱區資源與環境，2005，19（3）∶47-50.

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甘肅省耕地質量等別調查評價匯總分析項目。（2014-02-01-28-01）