山地丘陵區(qū)土地整治中覆土需求優(yōu)先度評價(jià)

董起廣, 趙 磊, 陳田慶, 雷 娜, 劉海偉

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710075;2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 土地工程技術(shù)研究院, 陜西 西安 710075; 3.國土資源部退化及未利用土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710075; 4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心, 陜西 西安 710075)

自20世紀(jì)90年代中國提出并開始實(shí)施現(xiàn)代意義上的土地整治以來，土地整治對提高耕地?cái)?shù)量，保障國家糧食安全，發(fā)揮了巨大作用[1-2]。然而，中國耕地后備資源數(shù)量少、質(zhì)量差，土地整治行業(yè)處在轉(zhuǎn)型期，補(bǔ)充耕地的質(zhì)量尚待提高[3-4]。2017年中央1號文件強(qiáng)調(diào)要“深入實(shí)施藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略，嚴(yán)守耕地紅線”，同時(shí)，在《中共中央國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)耕地保護(hù)和改進(jìn)占補(bǔ)平衡的意見》中指出，要“通過土地整理、復(fù)墾、開發(fā)”實(shí)現(xiàn)“增加耕地?cái)?shù)量、提升耕地質(zhì)量”的目的。

當(dāng)前，國內(nèi)外對于土地整治模式、政策、設(shè)計(jì)、技術(shù)、評價(jià)等方面的研究均取得了重要進(jìn)展[5-9]。在土地整治中，為了改善項(xiàng)目區(qū)土體結(jié)構(gòu)，提高土地生產(chǎn)力，常常需要對整治區(qū)進(jìn)行覆土，而關(guān)于土地整治項(xiàng)目中覆土區(qū)域選擇及覆土需求優(yōu)先度評價(jià)的研究較少[10-12]。陳艷華等[13]從土壤構(gòu)型、交通狀況、立地條件、土壤理化性質(zhì)等方面對福建省光澤縣現(xiàn)有耕地的覆土需求優(yōu)先度進(jìn)行了評價(jià)，強(qiáng)調(diào)覆土評價(jià)應(yīng)綜合考慮成本和效益2個(gè)方面；曲衍波等[14]結(jié)合自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對北京市平谷區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)整治的優(yōu)先度進(jìn)行評判，將農(nóng)用地分等成果應(yīng)用到農(nóng)村居民點(diǎn)整理研究中；姜?dú)J杰等[15]從以行政分區(qū)為單元對浙江省灘涂資源的開發(fā)利用優(yōu)先度進(jìn)行了研究，并將其分為3大類型，建議進(jìn)行有序的開發(fā)?，F(xiàn)有的研究一般區(qū)域尺度較大[16-18]，對當(dāng)?shù)赝恋卣我?guī)劃實(shí)施具有宏觀指導(dǎo)意義，而針對土地整治項(xiàng)目區(qū)尚缺乏具體案例；或是在施工難度相對較小、耕地質(zhì)量相對較高的平原區(qū)域進(jìn)行土地整治需求優(yōu)先度評價(jià)，而對于具體整治實(shí)施的可操作性建議較為欠缺。

鑒于此，本文擬以陜西省銅川市耀州區(qū)瑤曲鎮(zhèn)一典型的山地丘陵區(qū)土地整治項(xiàng)目為例，研究構(gòu)建丘陵山區(qū)土地整治項(xiàng)目覆土需求優(yōu)先度綜合評價(jià)指標(biāo)體系與方法，對該地區(qū)土地整治項(xiàng)目中有覆土需求的地塊進(jìn)行評價(jià)分級，以期提高補(bǔ)充耕地質(zhì)量，并為進(jìn)行區(qū)域土地整治設(shè)計(jì)及工程實(shí)踐提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省銅川市耀州區(qū)北部的瑤曲鎮(zhèn)，地處關(guān)中平原與渭北高原接壤地帶，屬喬山山脈南支，鄂爾多斯臺(tái)地南部邊緣，地理坐標(biāo)為108°52′4″—108°53′24.2″E，35°10′24″—35°10′59″N。研究區(qū)屬于殘塬丘陵區(qū)，海拔1 196～1 384 m，年均氣溫8.3～12.3 ℃，極端最高氣溫39.7 ℃，極端最低氣溫-16 ℃，年均降水量554.5 mm，無霜期207 d左右，丘陵坡度在5°～25°之間。研究區(qū)總面積28.36 hm2，地類上屬于未利用土地中的荒草地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括1∶10 000的2008年土地利用現(xiàn)狀圖，1∶25 000的土地利用規(guī)劃圖，通過項(xiàng)目區(qū)實(shí)測GPS數(shù)據(jù)繪制的等高線圖，以及項(xiàng)目區(qū)內(nèi)調(diào)查收集、采樣測定的土層厚度、土壤理化性質(zhì)等數(shù)據(jù)。本文以瑤曲鎮(zhèn)土地利用總體規(guī)劃圖(2006—2020年)為底圖，提取本次土地整治項(xiàng)目區(qū)域作為研究對象，并將項(xiàng)目設(shè)計(jì)的田塊作為評價(jià)單元，共計(jì)111個(gè)，項(xiàng)目區(qū)總面積為28.41 hm2，其中初步設(shè)計(jì)田塊面積18.89 hm2，土層厚度及土壤理化性質(zhì)分析采樣點(diǎn)25個(gè)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

評價(jià)單元(田塊)大小根據(jù)項(xiàng)目區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)在ArcGIS中計(jì)算得到，坡度通過等高線圖柵格化處理后進(jìn)行空間分析獲得，各田塊到機(jī)動(dòng)車道的距離根據(jù)ArcGIS測量工具計(jì)算出各評價(jià)單元至機(jī)動(dòng)車道的距離，并利用坡度進(jìn)行修正。土層厚度及有機(jī)質(zhì)含量通過土鉆采樣及實(shí)驗(yàn)分析獲得，各評價(jià)單元的土層厚度和有機(jī)質(zhì)含量通過采樣點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)利用克里格差值法獲得，并以評價(jià)單元內(nèi)的平均值代替該單元內(nèi)的數(shù)據(jù)。

2 評價(jià)方法

2.1 指標(biāo)選取

覆土工程工程量大、成本高，選擇覆土需求區(qū)要兼顧成本與效益2個(gè)方面，因此，指標(biāo)選擇應(yīng)遵循增加工程效益、降低工程成本、容易獲取、長期穩(wěn)定不易人為改變等原則。土層厚度決定了覆土所需的土方量及作物產(chǎn)出，覆土點(diǎn)至土源的運(yùn)輸距離決定了覆土過程產(chǎn)生的交通費(fèi)用，由于通往項(xiàng)目區(qū)附近的機(jī)動(dòng)車道固定且單一，因此，可選擇田塊到該車道的距離來反映運(yùn)輸距離。

立地條件決定了施工難度、后期耕作的便捷性等方面，因此，可選擇坡度、田塊大小作為評價(jià)指標(biāo)。土壤理化性質(zhì)和灌溉條件對作物產(chǎn)量也有較大影響，土壤理化性質(zhì)中N，P，K含量可通過施肥的方式快速提高，土壤質(zhì)地及有機(jī)質(zhì)相對穩(wěn)定，不易發(fā)生改變。

綜合以上分析，本文從工程成本、土壤理化性質(zhì)、立地條件、灌溉條件等方面選取土層厚度、距機(jī)動(dòng)車道距離、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地、田塊大小、地形坡度、灌溉條件7個(gè)具有代表性的指標(biāo)來進(jìn)行土地整治項(xiàng)目區(qū)覆土優(yōu)先度評價(jià)(表1)。

表1 各評價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)

2.2 評價(jià)指標(biāo)分級與權(quán)重確定

根據(jù)各評價(jià)指標(biāo)與覆土優(yōu)先度的相關(guān)性，將項(xiàng)目區(qū)田塊覆土需求優(yōu)先度評價(jià)指標(biāo)的分值定位0～1分之間，分值越高優(yōu)先度越高。評價(jià)指標(biāo)中，灌溉條件和土壤質(zhì)地采用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行量化分級，定性賦值，其他指標(biāo)隸屬度函數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式采用“S”型或反“S”型函數(shù)，各隸屬度函數(shù)及量化分級見表1—2。各指標(biāo)權(quán)重利用特爾斐法，通過征詢專家意見，進(jìn)行打分，并最終討論直至達(dá)成一致后確定賦值，最終確定權(quán)重見表3。

表2 土壤質(zhì)地與灌溉條件分值

表3 各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

田塊覆土需求度最終通過各指標(biāo)的分值及其權(quán)重加權(quán)求得：

(1)

式中：S——評價(jià)單元覆土需求優(yōu)先度的綜合分值；Si——第i個(gè)指標(biāo)的得分；Wi——第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；n——評價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 田塊覆土需求優(yōu)先度分級

通過計(jì)算各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化評分，并利用公式(1)結(jié)合ArcGIS的空間分析功能得出各田塊的覆土需求優(yōu)先度，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，繪制其優(yōu)先度分布直方圖，如圖1所示。從圖1中可以看出，田塊覆土需求優(yōu)先度評分范圍在0.36～0.80之間，其中，頻率最高的為0.70，最低的為0.54，分別占到總數(shù)的0.9%和13.6%。在直方圖的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS的自然斷裂點(diǎn)分級法對覆土需求優(yōu)先度進(jìn)行分級：Ⅰ級區(qū)為S≥6.9，該區(qū)為最優(yōu)先考慮進(jìn)行覆土區(qū)域，其投資成本少，且覆土后效果改善最為明顯；Ⅱ級區(qū)為6.1≤S<6.9，該區(qū)覆土需求度略低于Ⅰ級區(qū)，但通過覆土亦可取得較好的效果；Ⅲ級區(qū)為4.9≤S<6.1，該區(qū)覆土必要性不大，效益相對較小，在覆土土源有限的情況下可不進(jìn)行覆土；Ⅳ級區(qū)為S<4.9，一般情況下，該區(qū)可考慮不進(jìn)行覆土。

圖1 各田塊的覆土需求優(yōu)先度分值頻率分布

3.2 覆土需求優(yōu)先度分級結(jié)果分析

經(jīng)分級后，各個(gè)田塊覆土優(yōu)先度等級分布如圖2，通過田塊面積加權(quán)后再求平均值計(jì)算各個(gè)等級下不同指標(biāo)的平均值見表4。從圖2及表4可以看出，由于項(xiàng)目區(qū)域相對較小，且分布集中，因此除土層厚度差異較大外，各個(gè)等級之間其他指標(biāo)差異相對較小。Ⅰ級覆土需求優(yōu)先度區(qū)主要分布在項(xiàng)目區(qū)西側(cè)及東側(cè)邊緣部分，面積為8.74 hm2，占到田塊總面積的46.2%。該區(qū)域平均田塊大小為0.21 hm2，土層厚度為24.6 cm，有機(jī)質(zhì)含量為17.1 g/kg，坡度為11.3°，距機(jī)動(dòng)車道距離為0.30 km，灌溉條件為“中”，土壤質(zhì)地為粉質(zhì)壤土。區(qū)域內(nèi)土層薄，有多處巖石裸露，通過覆土增加土層厚度可有效改善這一現(xiàn)狀。若以土層厚度50 cm為覆土目標(biāo)，則該區(qū)域共需覆土22 234 m3。覆土?xí)r應(yīng)注意犁底層的構(gòu)建及耕作層的保護(hù)，以達(dá)到保水保肥的效果。

圖2 研究區(qū)覆土需求優(yōu)先度等級分布

Ⅱ級覆土需求優(yōu)先度區(qū)域夾雜分布于Ⅰ級區(qū)域之間，面積為4.48 hm2，占田塊總面積的23.7%。該區(qū)域平均田塊大小為0.14 hm2，土層厚度為39.0 cm，有機(jī)質(zhì)含量為17.6 g/kg，坡度為14.0°，距機(jī)動(dòng)車道距離為0.36 km，灌溉條件為“中”，土壤質(zhì)地為粉質(zhì)壤土。區(qū)域內(nèi)土層厚度大于Ⅰ級區(qū)域，但考慮到可能存在的水土流失問題，同時(shí)為了保證后期作物產(chǎn)量，亦可進(jìn)行適當(dāng)覆土。若以土層厚度50 cm為覆土目標(biāo)，則共需覆土4 948 m3，覆土?xí)r應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

Ⅲ級覆土需求優(yōu)先度區(qū)域分布于項(xiàng)目區(qū)中部邊緣地區(qū)，面積2.96 hm2，占田塊總面積的15.7%。該區(qū)域平均田塊大小為0.15 hm2，土層厚度67.5 cm，有機(jī)質(zhì)含量20.3 g/kg，坡度9.9°，距機(jī)動(dòng)車道距離為0.37 km，灌溉條件為“中”，土壤質(zhì)地為粉質(zhì)壤土。此區(qū)域土層厚度大于Ⅰ和Ⅱ級覆土需求優(yōu)先度區(qū)，可不進(jìn)行覆土。

Ⅳ級覆土需求優(yōu)先度區(qū)域處于項(xiàng)目區(qū)中部，面積2.71 hm2，占田塊總面積的14.4%。該區(qū)域平均田塊大小0.15 hm2，土層厚度90.3 cm，有機(jī)質(zhì)含量19.7 g/kg，坡度12.7°，距機(jī)動(dòng)車道距離為0.35 km，灌溉條件為“中”，土壤質(zhì)地為粉質(zhì)壤土。該區(qū)域土層厚度大于前3個(gè)區(qū)域，有機(jī)質(zhì)含量也相對較高，無需進(jìn)行覆土。對于Ⅰ和Ⅱ級覆土需求優(yōu)先度區(qū)來說，在無合適覆土土源的條件下，該區(qū)域可考慮作為備選土源，適當(dāng)進(jìn)行項(xiàng)目區(qū)內(nèi)土方調(diào)配，以減少成本，增加效益。

表4 不同優(yōu)先度等級下各指標(biāo)的平均值

4 結(jié) 論

本研究在區(qū)域尺度上，利用GIS技術(shù)，結(jié)合山地丘陵區(qū)土地整治項(xiàng)目中的工程成本、土壤理化性質(zhì)、立地條件、灌溉條件等因素，以田塊為評價(jià)單元，進(jìn)行項(xiàng)目區(qū)覆土需求優(yōu)先度評價(jià)。

選取田塊大小、地形坡度、土層厚度、距機(jī)動(dòng)車道距離、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地、灌溉條件7個(gè)具有代表性，且較易獲取的指標(biāo)構(gòu)建山地丘陵區(qū)土地整治項(xiàng)目覆土優(yōu)先度評價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合特爾斐法確定的權(quán)重，建立了評價(jià)模型，并對項(xiàng)目區(qū)各個(gè)田塊進(jìn)行評價(jià)分析。

利用該模型對項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行等級劃分，結(jié)果顯示：項(xiàng)目區(qū)內(nèi)Ⅰ級覆土需求優(yōu)先度區(qū)占到田塊總面積的46.2%，Ⅱ級覆土需求優(yōu)先度區(qū)占23.7%，這2個(gè)區(qū)域土層相對較薄，有機(jī)質(zhì)含量略低，為保障后期耕作土體穩(wěn)定性與作物的正常生長，需覆土方量分別為22 234和4 948 m3；Ⅲ和Ⅳ級覆土需求優(yōu)先度區(qū)共占田塊總面積的30.1%，此2個(gè)區(qū)域土層相對較厚，覆土需求度低，無需進(jìn)行覆土。

本研究中所選項(xiàng)目區(qū)面積較小，分布相對集中，除土層厚度外，其他指標(biāo)差異性有限，雖然評價(jià)結(jié)果可較好的反映項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況，但受土層厚度的影響偏大，后期可考慮運(yùn)用該方法對多個(gè)項(xiàng)目區(qū)同時(shí)進(jìn)行評價(jià)研究，以突顯不同指標(biāo)對覆土需求優(yōu)先度影響的差異性。

[1] 嚴(yán)金明,夏方舟,李強(qiáng).中國土地綜合整治戰(zhàn)略頂層設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(14):1-9.

[2] 張正峰,楊紅,谷曉坤.土地整治對平原區(qū)及丘陵區(qū)田塊利用的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(3):1-8.

[3] 張鳳榮,張迪,安萍莉.我國耕地后備資源供給量:從經(jīng)濟(jì)適宜性角度分析[J].中國土地,2002(10):14-17.

[4] 王靜,楊小喚,蔡紅艷,等.20 a來中國占補(bǔ)耕地光溫生產(chǎn)潛力時(shí)空特征[J]. 自然資源學(xué)報(bào),2013,28(1):126-136.

[5] Muchová Z, Leitmanová M, Petrovic F. Possibilities of optimal land use as a consequence of lessons learned from land consolidation projects (Slovakia)[J]. Ecological Engineering, 2016,90:294-306.

[6] 張超,劉佳佳,陳英義,等.土地整治區(qū)田塊空間形態(tài)變化遙感監(jiān)測與評價(jià)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2017,48(1):104-111.

[7] 展煒,何立恒,金曉斌,等.基于模糊綜合評價(jià)的土地整理項(xiàng)目績效評價(jià)[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,33(2):145-148.

[8] Mihara M. Effect of agricultural land consolidation on erosion processes in semi-mountainous paddy fields of Japan[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1996,64(3):237-247.

[9] 劉勇,吳次芳,岳文澤,等.土地整理項(xiàng)目區(qū)的景觀格局及其生態(tài)效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28(5):2261-2269.

[10] 蔡琳亭,胡鑫,周維祿.三峽水庫重慶庫區(qū)移土培肥的效益分析:以云陽縣為例[J].西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2009,7(3):10-13.

[11] 徐良驥,許善文,嚴(yán)家平,等.基于粉煤灰基質(zhì)充填覆土復(fù)墾的最佳覆土厚度[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2012,37(S2):485-488.

[12]Feng Quanzhou, Xu Hengli. Determination of the thickness and medium of covering soil for land reclamation[J]. Agricultural Science & Technology, 2009,10(4): 183-188.

[13] 陳艷華,何佳.丘陵山區(qū)耕作層覆土需求優(yōu)先度評價(jià)研究:以福建省光澤縣為例[J].自然資源學(xué)報(bào),2015,30(8):1414-1424.

[14] 曲衍波,張鳳榮,郭力娜,等.北京市平谷區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)整理類型與優(yōu)先度評判[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(7):312-319.

[15] 姜?dú)J杰,吳宇哲.浙江省沿海縣市灘涂圍墾開發(fā)利用優(yōu)先度研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2009,9(1):51-55.

[16] 王東,陳英,楊潤慈. 黃土丘陵溝壑區(qū)耕地整治優(yōu)先度及模式:以麥積區(qū)為例[J]. 資源科學(xué),2017,39(2):231-239.

[17] 沈立宏,張超,桑玲玲,等.利用網(wǎng)格法確定縣域農(nóng)田整治優(yōu)先度[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(18):241-247,296.

[18] 李克宇.基于主成分分析法的土地整治項(xiàng)目優(yōu)先度評價(jià)研究[D].蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.