基于土壤監(jiān)測的耕地預(yù)警系統(tǒng)指標(biāo)體系和預(yù)警模型研究

耕地預(yù)警系統(tǒng)是耕地動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。其主要目標(biāo)是分析影響耕地發(fā)展的幾個自然、社會、經(jīng)濟和政治因素，預(yù)測耕地系統(tǒng)數(shù)量的增減和質(zhì)量的上升超過臨界值的時間、時間和危險。在保證食品安全的前提下，應(yīng)對滿足區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展需要的耕地狀況實施臨界警告。同時，本文研究了耕地系統(tǒng)的發(fā)展機制，提出了治理方案，系統(tǒng)地進行了動態(tài)監(jiān)控，避免了耕地資源的嚴重惡化。我們可以為土地資源的持續(xù)使用管理和耕地總量的動態(tài)平衡戰(zhàn)略的實施提供實時數(shù)據(jù)和模型支持。在本研究中，建立了西山市耕地預(yù)警系統(tǒng)的指標(biāo)體系和報警模型，并在該模型中進行了實證分析。1耕地基礎(chǔ)地力及投入要素概況本研究以耕地基礎(chǔ)地力作為耕地預(yù)警系統(tǒng)的警情指示指標(biāo).耕地產(chǎn)出能力是耕地系統(tǒng)本征量的衡量指標(biāo),其變化指示著耕地系統(tǒng)的不同演化階段,或某一演化階段內(nèi)的系統(tǒng)發(fā)展趨勢.耕地基礎(chǔ)地力是由耕地土壤的地形和地貌條件、成土母質(zhì)特征、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施及培肥水平、土壤理化性狀等綜合構(gòu)成的耕地生產(chǎn)力,是在土壤自然產(chǎn)出基礎(chǔ)上加上長期投入積累形成的,即在實際產(chǎn)量中剔除當(dāng)年投入激發(fā)因素的耕地產(chǎn)出能力.耕地系統(tǒng)是一個不斷進化的耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng),耕地當(dāng)年投入的激發(fā)因素具有較大的不確定性,若有效合理,則可導(dǎo)致系統(tǒng)的熵減少,提高耕地基礎(chǔ)地力;若為掠奪性開發(fā),即使當(dāng)年產(chǎn)量很高,也勢必引起系統(tǒng)熵增加,使耕地基礎(chǔ)地力下降,系統(tǒng)退化.因此,耕地基礎(chǔ)地力反映了耕地長期不斷的物質(zhì)、能量和信息輸入、輸出的效果,代表耕地某—發(fā)展階段的穩(wěn)定產(chǎn)出,可有效地剔除以實際產(chǎn)量作為衡量指標(biāo)的不確定因素,反映耕地產(chǎn)出的本底特征.耕地基礎(chǔ)地力受自然因素和人為因素的共同制約,通常以耕地基礎(chǔ)地力總量表示:T=I·L·M本文討論的耕地利用類型為產(chǎn)糧地,其耕地產(chǎn)出能力以糧食產(chǎn)量來衡量,式中:T為區(qū)域耕地基礎(chǔ)地力總量;I為地力貢獻率;L為區(qū)域耕地平均糧食單產(chǎn);M為區(qū)域耕地面積.I、L、M以及區(qū)域人口數(shù)量為耕地預(yù)警系統(tǒng)的警度判定指標(biāo),其數(shù)值或變化趨勢由耕地預(yù)警系統(tǒng)的警兆監(jiān)測指標(biāo)獲取,分述如下:(1)地力貢獻率為耕地基礎(chǔ)地力產(chǎn)量占實際產(chǎn)量的比值,反映了耕地自然性狀對耕地產(chǎn)出能力的貢獻和耕地產(chǎn)出能力的穩(wěn)定性,是耕地高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要指標(biāo).地力貢獻率與土壤質(zhì)量指數(shù)有顯著的正相關(guān),可通過監(jiān)測數(shù)據(jù)建立兩者之間的回歸模型,由土壤質(zhì)量指數(shù)的監(jiān)測值求得(土壤質(zhì)量指數(shù)的求法見文獻).(2)區(qū)域耕地平均糧食單產(chǎn)數(shù)據(jù)可由統(tǒng)汁資料直接獲取,其變化趨勢由耕地投入指數(shù)監(jiān)測.耕地投入指數(shù)反映了對耕地系統(tǒng)的持續(xù)性投入,選取單位面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總費用、勞動力投入、農(nóng)田水利投資、農(nóng)業(yè)機械總動力和農(nóng)業(yè)用電量作為參評因素,其權(quán)重根據(jù)其對投入水平的影響程度、數(shù)據(jù)的可靠程度和穩(wěn)定程度三項原則,應(yīng)用層次分析法求得:Qj=∑Wi·Ri,j式中:Qj為耕地投入指數(shù);Wi表示i投入要素的權(quán)重;Rij為j統(tǒng)計單元i投入要素的標(biāo)準(zhǔn)化評分值;(3)區(qū)域耕地面積可由土地詳查數(shù)據(jù)或遙感資料獲取,同時據(jù)耕地數(shù)量變化驅(qū)動力分析,通過城市化水平、農(nóng)業(yè)土地利用比較效益等指標(biāo)監(jiān)測耕地面積的變化趨勢.需要強調(diào)的是,由于農(nóng)業(yè)土地利用比較效益低下,除導(dǎo)致耕地面積大量減少之外,農(nóng)戶對耕地投入的積極性也受到影響.耕地預(yù)警系統(tǒng)指標(biāo)體系如表1.2預(yù)警系統(tǒng)的警察評估模型2.1耕地基礎(chǔ)地力總量t本研究采用目標(biāo)預(yù)警系數(shù)方法確定警情,警情的定量刻劃稱為警度,警度判定模型如下:R=ΔT′ΔT?1R=ΔΤ′ΔΤ-1式中R為目標(biāo)預(yù)警系數(shù);ΔT′=Ti-Tj,為區(qū)域耕地基礎(chǔ)地力總量的實際增量,i和j代表預(yù)警年份和基準(zhǔn)年,根據(jù)耕地總量動態(tài)平衡戰(zhàn)略的實施要求,以1996年為基準(zhǔn)年;ΔT=ΔXN,為該指標(biāo)的計劃增量,ΔX為與基準(zhǔn)年相比人口增加數(shù)(ΔX>0),N為基準(zhǔn)年人均基礎(chǔ)地力產(chǎn)量;上式可改寫成:R=Ti?TjΔXN?1R=Τi-ΤjΔXΝ-1考慮耕地面積約束條件,確定R值對系統(tǒng)預(yù)警的觸發(fā)分量,并據(jù)此判定系統(tǒng)警度如表2:2.2警情分析2.2.1提升耕地基礎(chǔ)地力總量,增加自給率當(dāng)R≥0,且Mi<Mj時,系統(tǒng)警度判定為輕警.由預(yù)警模型分析,此時Ti>Tj,且Ti-Tt≥ΔΧΝ.即與基準(zhǔn)年相比,預(yù)警年份耕地質(zhì)量提高,耕地系統(tǒng)的投入水平較高,耕地基礎(chǔ)地力總量的實際增量大于其計劃增量,區(qū)域基本農(nóng)產(chǎn)品自給率保持平衡;但由于區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展,城市化進程加快,導(dǎo)致耕地數(shù)量減少而出現(xiàn)警情.排警對策應(yīng)為在維持對耕地高水平投入的同時,加大土地整理和耕地后備資源開發(fā)力度.如區(qū)域耕地后備資源有限,可考慮耕地的異地置換,即在異地補充一定數(shù)量的耕地,使置入?yún)^(qū)耕地面積達到平衡.換言之,Ti>Tj是耕地異地置換的先決條件.2.2.2耕地質(zhì)量下降當(dāng)-1≤R<0時,系統(tǒng)警度判定為中警.有兩種情況:(1)Ti≥Tj,且Ti-Tj<ΔXN,Mi≥Mj.表明區(qū)域耕地面積沒有縮小,耕地基礎(chǔ)地力總量沒有下降,但與基準(zhǔn)年相比區(qū)域基本農(nóng)產(chǎn)品自給率下降.表明區(qū)域耕地質(zhì)量水平和投入水平有待進—步提高,排警對策為加大中低產(chǎn)田改造力度,改進生產(chǎn)技術(shù),提高耕作集約化水平,同時控制人口的增長,加強基本農(nóng)田保護區(qū)建設(shè),防止優(yōu)質(zhì)耕地的大量占用.(2)Ti≥Tj,且Ti-Tj<ΔXN,Mi<Mj.該種情況下耕地質(zhì)量水平并沒有下降,但由于耕地面積減少,區(qū)域基本農(nóng)產(chǎn)品自給率下降,一般可通過控制人口,增加投入和開發(fā)耕地后備資源排除警情.也可以通過耕地異地置換獲取耕地面積的平衡,但是耕地異地置換的成本應(yīng)高于系統(tǒng)輕警時的置換成本,高出部分由與基準(zhǔn)年相比該區(qū)基本農(nóng)產(chǎn)品自給率下降幅度測算.2.2.3耕地數(shù)量對質(zhì)量的影響.當(dāng)R<-1時,Ti<Tj,Mi≥Mj,系統(tǒng)警度判定為重警.即在區(qū)域耕地面積不變或增加的情況下,區(qū)域耕地質(zhì)量總體水平大幅度下降,導(dǎo)致耕地存量的隱性減少.如果只從數(shù)量上比較耕地面積的增減,不能充分說明此時耕地問題的實質(zhì).在耕地占補平衡的實際操作中,新增加的耕地主要是生產(chǎn)力較低的邊際土地,這些耕地產(chǎn)量低而不穩(wěn),退耕的危險很大.此外,由于人口與耕地在空間分布上高度相關(guān),損失的耕地,尤其是非農(nóng)建設(shè)占用的耕地,主要是優(yōu)質(zhì)的農(nóng)田,這些耕地往往含有很高的物化資本.由于補充耕地的質(zhì)量劣于被占用耕地的質(zhì)量,以中低產(chǎn)田改造為核心的耕地質(zhì)量建設(shè)和基本農(nóng)田保護是此時的排警重點.2.2.4動態(tài)監(jiān)測管理缺乏對區(qū)域耕地狀況的實時監(jiān)控當(dāng)R<-1時,Ti<Tj,Mi<Mj,系統(tǒng)警度判定為劇警.即由于沒有進行耕地動態(tài)監(jiān)測管理,缺乏對區(qū)域耕地狀況的實時監(jiān)控,耕地數(shù)量和質(zhì)量水平均有明顯下降,此時應(yīng)深入檢討本區(qū)的耕地保護工作,對區(qū)域警兆監(jiān)測指標(biāo)進行全面分析,從而制定切實可行的警情排除對策.3土壤質(zhì)量指數(shù)與地力貢獻率關(guān)系錫山市位于江蘇省南部,太湖平原北部,長江三角洲腹地.目前處于經(jīng)濟高速增長時期,1990至1999年GDP平均年增長率為30%,但在經(jīng)濟增長過程中存在著結(jié)構(gòu)不平衡的隱患,同期農(nóng)業(yè)產(chǎn)值平均年增長率僅為4.3%,同時城鎮(zhèn)用地擴展,耕地面積逐年減少,區(qū)域土地可持續(xù)利用面臨嚴峻考驗.以2010年為預(yù)警年,據(jù)警度判定模型對該區(qū)耕地系統(tǒng)將來的發(fā)展趨勢進行預(yù)警分析,步驟如下:(1)據(jù)灰色GM(1,1)模型預(yù)測土壤質(zhì)量指數(shù)的變化趨勢.模型的基本算法如下:x?(0)(t+1)=x?(1)(t+1)?x?(0)(t)x^(t+1)(0)=x^(t+1)(1)-x^(t)(0)式中:x?x^(0)(t+1)(t+1)(0)為t+1年的預(yù)測值;x?x^(1)(t+1)為t+1年的累加生成模擬,x?x^(0)(t)(t)(0)t年的預(yù)測值.據(jù)錫山市第二次土壤普查數(shù)據(jù)和錫山市土肥站土壤肥力監(jiān)測資料,將1979年以來該區(qū)耕地質(zhì)量狀況分為若干時段,建立土壤質(zhì)量指數(shù)的時間序列,預(yù)測結(jié)果如表3:(2)研究錫山市第二次土壤普查數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)各樣點土壤質(zhì)量指數(shù)與地力貢獻率田間試驗數(shù)據(jù)之間有顯著的正相關(guān)(表4),用回歸分析方法建立二項式回歸模型如下:y=22.965+21.965x?0.312x2(R2=0.879F=18.216)y=22.965+21.965x-0.312x2(R2=0.879F=18.216)式中:y為地力貢獻率;x為土壤質(zhì)量指數(shù)據(jù)此模型得出基準(zhǔn)年和預(yù)警年的地力貢獻率.(3)耕地面積、區(qū)域人口、糧食單產(chǎn)數(shù)據(jù)由《錫山市土地利用總體規(guī)劃》獲取,其中2010年糧食產(chǎn)量由FAO推薦的“農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域法”(AFZ法)預(yù)測,經(jīng)灰色GM(1,1)模型修訂.錫山市2010年耕地預(yù)警系統(tǒng)警度判定指標(biāo)如表5:由警度判定模型,2010年錫山市耕地預(yù)警系統(tǒng)目標(biāo)預(yù)警系數(shù)R=-0.99,耕地系統(tǒng)出現(xiàn)中度警情.由于糧食單產(chǎn)提高的幅度有限,加大投入力度,通過維持較高的投入水平以提高耕地質(zhì)量,保持耕地產(chǎn)出的穩(wěn)定性是該區(qū)排警的關(guān)鍵.據(jù)測算,2010年錫山市耕地的地力貢獻率若保持在56.5%左右即可排除警情,換言之,盡管土壤質(zhì)量指數(shù)的預(yù)測精度有待提高,但預(yù)警結(jié)果仍然為該區(qū)耕地質(zhì)量的保持規(guī)定了下限.應(yīng)該指出,該區(qū)耕地后備資源已近枯竭,2010年錫山市耕地存量維持在1996年水平,這一規(guī)劃目標(biāo)的完成十分困難.在做好土地復(fù)墾、基本農(nóng)田保護工作的同時,可以考慮通過耕地異地置換的方式獲得社會經(jīng)濟發(fā)展的用地指標(biāo),防止耕地系統(tǒng)警情的進一步加劇,實現(xiàn)耕地總量動態(tài)平衡的目標(biāo).但由于該區(qū)城市化進程加劇,占用大量優(yōu)質(zhì)耕地的情況難以避免,同時存在土壤耕層變薄、土體構(gòu)型惡化、土壤養(yǎng)分失衡(磷鉀硅等含量銳減)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)廢水和大量施用化肥引起的土壤環(huán)境污染等等耕地質(zhì)量問題,區(qū)域耕地總體質(zhì)量水平下降的危險仍應(yīng)引起高度重視.需要強調(diào)的是,加入WTO后我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)將要進行調(diào)整,作為基本的生活資料和生產(chǎn)要素的土地,其利用方式、配置結(jié)構(gòu)也將隨之發(fā)生一系列的變化.對于土地資源需求量大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來講,其土地利用結(jié)構(gòu)將會產(chǎn)生很大的調(diào)整,國際農(nóng)產(chǎn)品市場價格體系,將會引致我國農(nóng)業(yè)尤其耕地資源的利用規(guī)模、方式的重大變化.這對于長江三角洲地區(qū)的沖擊更加顯著,這是因為經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)土地資源相對有限,而且對于農(nóng)產(chǎn)品市場價格變化的反映也更加迅速.同時由于國家農(nóng)業(yè)支持、保護力度的減弱及農(nóng)業(yè)在現(xiàn)代經(jīng)濟生活中的貢獻比重日益下降,該區(qū)耕地將面臨進一步萎縮的可能性.4對健全土地產(chǎn)出水平的建議(1)預(yù)警指標(biāo)體系的建立是耕地預(yù)警系統(tǒng)有效運轉(zhuǎn)的前提.本研究設(shè)立耕地基礎(chǔ)地力為預(yù)警指標(biāo),較全面地涵蓋了耕地產(chǎn)出能力變化的驅(qū)動力因子,突出了耕地質(zhì)量的影響,并設(shè)立了警兆監(jiān)測指標(biāo),以分析警情出現(xiàn)的原因,體現(xiàn)了系統(tǒng)實時監(jiān)控的功能.從而為有關(guān)部門提供系統(tǒng)預(yù)警信息,及時采取有效的耕地資源持續(xù)利用管理措施,實現(xiàn)真正意義上的耕地總量動態(tài)平衡.(2)據(jù)錫山市耕地預(yù)警結(jié)果,由于耕地后備資源的制約,加大投入以保持耕地質(zhì)量的穩(wěn)定,提高耕地產(chǎn)出水平是排除警情的主要對策.因此高成本將是長江三角洲地區(qū)21世紀農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要特征之一,這主要是耕地資源緊缺的瓶頸約束所致,也是對過去濫用資源的成本補償.土地可持續(xù)利用所要求的高水平管理、高技術(shù)投入、高素質(zhì)生產(chǎn)者群體、理性的市場環(huán)境等等,無一不要求更高額的資本投入.(3)基于耕地資源的稀缺性和高成本農(nóng)業(yè)產(chǎn)出水平的不穩(wěn)定性(加入WTO后尤為明顯)的考慮,如以耕地產(chǎn)出能力為唯一衡量指標(biāo)來實現(xiàn)耕地總量動態(tài)平衡的目標(biāo),將使耕地資源存在著進一步喪失的危險,也將使糧食安全保障戰(zhàn)略的實施面臨新的壓力,因此,耕地面積