基于GIS技术的耕地质量监测区划定及监测样点布设研究
——以山东省夏津县为例

孟庆春，马春莹，房忠英，石敏

(1.山东上田沃土地规划设计服务有限公司，山东 济南 250013;2.夏津县国土资源局，山东 夏津 253200)

土地是人类的宝贵财富，是人类社会进行物质生产所必需的基本条件和自然基础[1]。如何科学合理地利用有限的土地资源，及时了解与掌握土地利用变化数量和空间特点，对于保持耕地总量动态平衡和土地持续利用具有十分重要的意义。为此，国家制定了严格的耕地保护制度，坚守18亿亩耕地红线，自然资源部门积极开展一系列土地整治项目，补充了耕地数量。但耕地质量现状不容乐观，耕地质量等别总体偏低[2]。为改善在耕地保护方面存在的重数量轻质量的问题，实现耕地数量与质量的并重管理，科学监测耕地资源，目前相关学者已在农用地成果应用[3-6]、耕地质量监测体系、耕地质量监测指标、耕地质量监测区划定以及耕地质量监测样点布设方面[7-18]，取得了一定的科研成果。但鉴于耕地质量监测区及监测样点在耕地质量等别监测中的重要性，该文以德州市夏津县为例，借助GIS技术进一步研究耕地质量监测区划定及监测样点的布设方法，以期更加准确地获取耕地质量的变化信息，合理、全面地划分耕地质量等别监测区及布设监测样点。

1 研究区概况及基础数据来源

1.1 研究区概况

夏津县位于山东西北边缘，北依德州，南邻聊城，东靠马颊河与高唐县交界，西毗京杭大运河与河北省清河县相望。气候类型属暖温带半湿润半干旱季风气候区，具有四季分明，干湿明显的气候特征。全境属鲁西北黄泛冲积平原，地势自西南向东北缓慢倾斜，海拔最高处34.0m，最低处23.5m，坡降为1/4500～1/5000。

夏津县东西长39km，南北宽32km(图1)，总面积88180hm2，耕地面积60379hm2。根据夏津县土壤普查资料，全县共分为6种微地貌类型：河滩高地、缓平坡地、浅平洼地、背河槽状洼地、沙质河槽地、决口扇形地。其中，河滩高地和缓坡平地分别占土地总面积的48.17%和29.80%。受地形、地貌、母质、气候等因素的影响，全县形成了潮土、盐土和风沙3种土壤类型。潮土分布在全县的绝大部分地区，面积81342hm2，占土壤面积的92.24%，盐土土类面积1623hm2，占土壤面积的1.84%，风沙土土类面积为5220hm2，占土壤面积的5.92%，该类型土壤多分布于沙丘，风蚀严重，潜水埋深在6m以上，难以耕种。

图1 夏津县地理位置示意图

1.2 基础数据来源

基于GIS技术的耕地质量等别监测区划定及监测样点布设所需的基础数据，包括农用地分等定级成果、土地利用变更调查数据库、土地利用活动区域、标准样地布设成果、国土资源志及各类统计资料和遥感影像等。

2 监测区划定及监测样点布设方法

2.1 监测区划定

根据山东省耕地质量等别年度更新评价成果，结合国家下发的全国耕地质量等别调查评价与监测的工作内容，研究适合夏津县的耕地质量监测分区方法。该文将从影响耕地质量等级变化的主导因素出发，分析受地形、地貌、母质、气候等自然条件影响的耕地自然质量空间分异性，结合耕地质量等别年度更新评价获取的土地利用水平和土地经济水平，借助ArcGIS 10.2的空间叠置分析和地学统计功能，初步划定耕地质量监测区域，在保证行政区界线完整性及影响耕地质量变化主导性的基础上，对初步划定的耕地质量监测区域中细碎图斑、不连续图斑作删除、归并处理，形成具有完整性、连续性、代表性的耕地质量变化监测区。

2.2 监测样点布设

从控制经济成本和快速有效监测的角度出发，耕地质量监测通常采取“以点代面”的方式在监测区域内布设一定数量且具有代表性的样点，监测样点布设可分为固定监测样点布设和动态监测样点布设，固定监测样点主要监测质量渐变耕地，主要是在存量耕地中，尤其是基本农田保护区内，这些区域的监测样点布设可按一定周期进行采样，定期监测；动态监测样点则用于监测质量突变耕地，即由于土地利用活动等导致的耕地范围、自然质量等变化引起的耕地质量的局部突变，这类监测样点具有不固定性、可变性的特点，监测具有一定的难度。该文以固定样点为例研究耕地质量监测区样点的布设情况，为耕地质量渐变区样点的布设提供参考。

3 研究结果

3.1 耕地质量监测区划定

3.1.1 自然质量分区

夏津县地处鲁西北平原，耕地自然质量因素主要受剖面构型、表层土壤质地、土壤有机质含量、盐渍化程度、灌溉保证率、灌溉水源、排水条件和灌溉水质等因素影响[19-20]，综合山东省确定的鲁西北平原区各自然质量因素的权重值、分级标准以及夏津县上轮农用地分等定级成果得出夏津县耕地自然质量分值，采用聚类分析方法并结合夏津县自然状况条件划分出自然质量分区。

3.1.2 利用水平和经济水平分区

根据山东省划分的指定作物：冬小麦、夏玉米的土地利用系数和土地经济系数，分别划分出的土地利用系数和土地经济系数等值区间，形成土地利用水平分区和土地经济系数水平分区。

3.1.3 土地利用特征分区

根据夏津县国土、农业、水利等部门开展的土地整治、农业开发、农田水利等项目的实施情况，结合土地利用规划情况，从土地利用项目的用途及特点出发，划分出夏津县土地利用特征分区。

3.1.4 耕地质量等级监测分区及修正

利用ArcGIS 10.2软件的空间叠加分析，将研究区内的自然质量分区、利用水平分区、经济水平分区以及土地利用特征分区进行叠加，初步形成夏津县耕地质量等级监测区。根据行政区界线以及相邻性原则，将同一监测区范围内的细碎、不连续图斑进行调整，最终得出夏津县耕地质量等级监测区(表1、图2)。

3.1.5 耕地质量等级监测分区结果分析

综合夏津县耕地自然质量等控制区、利用等值区、经济系数等值区，并考虑行政村界线影响，根据主导性原则，将各行政村主导分区面积占村耕地面积的平均比重最大的区作为该村分区类别，对初步划分的监测区边界进行适当调整，确保各监测区边界不打破原有村界，该次研究区域内共划分出21个耕地质量等别监测区。由表1看出，每个监测区有

表1 夏津县耕地质量等级监测分区

图2 夏津县耕地质量等级监测分区

唯一的自然质量分区、利用水平分区、经济水平分区、土地利用分区组合；根据图2分析得出，耕地质量监测分区单元内耕地国家利用等主要分布在7～11等，耕地质量利用等别从绿色到红色依次提升，其中10等地面积为29349.19hm2，所占耕地面积比例最高，监测分区主要集中在JCQ-06，JCQ-09，JCQ-14，JCQ-17，JCQ-19，JCQ-20；9等地面积为24689.14hm2，所占耕地面积次之，监测分区主要集中在JCQ-01，JCQ-04，JCQ-10，JCQ-12。

3.2 监测区样点布设

3.2.1 监测样点布设条件

耕地质量监测区中的样点布设需满足以下条件：每一监测区至少有一个监测样点；不同耕地地类，样点应有所差异；相同耕地地类，不同耕地等别，样点布设应加以区分；监测区范围内控制耕地面积比例不同，样点数量、位置存在差异；监测区范围内实施过土地整治、农业开发、农田水利项目应适当增加样点数量。

3.2.2 监测样点数量确定的理论方法

在保证每个监测区都有监测样点覆盖的前提下，通过借助ArcGIS 10.2软件平台建立耕地统计模型，统计每个组合类型的面积，按照面积比例分配方法，确定每个监测区的理论监测样点数量，对于理论样点数量不为整数的按照向上取整原则，对监测样点的个数进行合理分配。ArcGIS模型中样点数量确定公式：n=ROUNDUP(Mk/Mz)，式中n为样点个数，Mk为每个监测区控制耕地面积，Mz为研究区内耕地总面积。

3.2.3 监测样点布设及修正

根据监测区单元控制的面积比例，初步计算出每一监测单元内的理论样点数量，对计算出的理论样本个数大于1的样本重新进行等比例赋值，并结合农用地分等成果中的自然等、利用等、经济等分布以及土地利用特征分布对初步确定的样点位置及数量进行调整，最终确定夏津县耕地质量等级监测分区内的样点分布(表2、图3)。

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)该文利用GIS技术和地学统计分析方法，以山东省夏津县为例进行了耕地质量监测分区和监测样点布设的实证研究。夏津县耕地质量监测共划分21个监测控制区，布设了36个监测样点。

(2)利用ArcGIS空间分析功能，将自然质量分区、利用水平分区、经济水平分区以及土地利用特征分区进行叠加，在不打破原有行政村界的基础上对叠加后的分区进行调整，最终划分了21个耕地质量等级监测控制区，为夏津县耕地等级监测样点的布设提供了依据。

表2 夏津县耕地质量等级监测分区样点数量

(3)监测样点需要全面反映整个研究区耕地质量等级变化情况，该研究根据监测区面积分配比例，综合考虑自然质量等控制区、利用等值区、经济等值区、土地利用分区和监测样点覆盖全面性等因素对理论监测样点布设位置及数量进行了修整，得到夏津县耕地质量等级监测样点分布图，共布设监测样点36个，能满足该研究区耕地质量等级监测工作的顺利开展。

4.2 讨论

(1)利用ArcGIS空间叠加分析功能，叠加自然质量分区、利用水平分区、经济水平分区、土地利用特征分区，能够较好地获取研究区内的耕地质量监测范围，但缺乏实地采样点数据的支撑，实验结果精度有待进一步确定。通过监测区单元控制的耕地面积比例，借助GIS的统计功能获取的样点分布具有一定的代表性，但由于耕地的动态变化性，渐变耕地区的样点布设有待进一步研究。

图3 夏津县耕地质量等级监测样点分布

(2)耕地质量等级监测区以及样点的确定是耕地质量成功监测的前提，但由于目前土地利用活动的影响，导致监测区的划定和样点布设的准确性上存在一定的困难，今后需要进一步加强这方面的研究。