基于土壤監(jiān)測的耕地預警系統(tǒng)指標體系和預警模型研究

基于土壤監(jiān)測的耕地預警系統(tǒng)指標體系和預警模型研究

耕地預警系統(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警系統(tǒng)的指標體系和報警模型，并在該模型中進行了實證分析。1耕地基礎地力及投入要素概況本研究以耕地基礎地力作為耕地預警系統(tǒng)的警情指示指標.耕地產(chǎn)出能力是耕地系統(tǒng)本征量的衡量指標,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)田基礎設施及培肥水平、土壤理化性狀等綜合構成的耕地生產(chǎn)力,是在土壤自然產(chǎn)出基礎上加上長期投入積累形成的,即在實際產(chǎn)量中剔除當年投入激發(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構系統(tǒng),耕地當年投入的激發(fā)因素具有較大的不確定性,若有效合理,則可導致系統(tǒng)的熵減少,提高耕地基礎地力;若為掠奪性開發(fā),即使當年產(chǎn)量很高,也勢必引起系統(tǒng)熵增加,使耕地基礎地力下降,系統(tǒng)退化.因此,耕地基礎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)量作為衡量指標的不確定因素,反映耕地產(chǎn)出的本底特征.耕地基礎地力受自然因素和人為因素的共同制約,通常以耕地基礎地力總量表示: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)量為耕地預警系統(tǒng)的警度判定指標,其數(shù)值或變化趨勢由耕地預警系統(tǒng)的警兆監(jiān)測指標獲取,分述如下:(1)地力貢獻率為耕地基礎地力產(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.地力貢獻率與土壤質(zhì)量指數(shù)有顯著的正相關,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投入要素的權重;Rij為j統(tǒng)計單元i投入要素的標準化評分值;(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.耕地預警系統(tǒng)指標體系如表1.2預警系統(tǒng)的警察評估模型2.1耕地基礎地力總量t本研究采用目標預警系數(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為目標預警系數(shù);ΔT′=Ti-Tj,為區(qū)域耕地基礎地力總量的實際增量,i和j代表預警年份和基準年,根據(jù)耕地總量動態(tài)平衡戰(zhàn)略的實施要求,以1996年為基準年;ΔT=ΔXN,為該指標的計劃增量,ΔX為與基準年相比人口增加數(shù)(ΔX>0),N為基準年人均基礎地力產(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提升耕地基礎地力總量,增加自給率當R≥0,且Mi<Mj時,系統(tǒng)警度判定為輕警.由預警模型分析,此時Ti>Tj,且Ti-Tt≥ΔΧΝ.即與基準年相比,預警年份耕地質(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,導致耕地數(shù)量減少而出現(xiàn)警情.排警對策應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-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,耕地基礎地力總量沒有下降,但與基準年相比區(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,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,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高于系統(tǒng)輕警時的置換成本,高出部分由與基準年相比該區(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,損失的耕地,尤其是非農(nóng)建設占用的耕地,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構不平衡的隱患,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)展趨勢進行預警分析,步驟如下:(1)據(jù)灰色GM(1,1)模型預測土壤質(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,預測結果如表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(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)此模型得出基準年和預警年的地力貢獻率.(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)預測,經(jīng)灰色GM(1,1)模型修訂.錫山市2010年耕地預警系統(tǒng)警度判定指標如表5:由警度判定模型,2010年錫山市耕地預警系統(tǒng)目標預警系數(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)的預測精度有待提高,但預警結果仍然為該區(qū)耕地質(zhì)量的保持規(guī)定了下限.應該指出,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)劃目標的完成十分困難.在做好土地復墾、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,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.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引起高度重視.需要強調(diào)的是,加入WTO后我國產(chǎn)業(yè)結構將要進行調(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、配置結構也將隨之發(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,其土地利用結構將會產(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)預警指標體系的建立是耕地預警系統(tǒng)有效運轉的前提.本研究設立耕地基礎地力為預警指標,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,并設立了警兆監(jiān)測指標,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.從而為有關部門提供系統(tǒng)預警信息,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)錫山市耕地預警結果,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來實現(xiàn)耕地總量動態(tài)平衡的目標,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