基于土壤监测的耕地预警系统指标体系和预警模型研究

基于土壤监测的耕地预警系统指标体系和预警模型研究

耕地预警系统是耕地动态监测系统的重要组成部分。其主要目标是分析影响耕地发展的几个自然、社会、经济和政治因素，预测耕地系统数量的增减和质量的上升超过临界值的时间、时间和危险。在保证食品安全的前提下，应对满足区域社会经济发展需要的耕地状况实施临界警告。同时，本文研究了耕地系统的发展机制，提出了治理方案，系统地进行了动态监控，避免了耕地资源的严重恶化。我们可以为土地资源的持续使用管理和耕地总量的动态平衡战略的实施提供实时数据和模型支持。在本研究中，建立了西山市耕地预警系统的指标体系和报警模型，并在该模型中进行了实证分析。1耕地基础地力及投入要素概况本研究以耕地基础地力作为耕地预警系统的警情指示指标.耕地产出能力是耕地系统本征量的衡量指标,其变化指示着耕地系统的不同演化阶段,或某一演化阶段内的系统发展趋势.耕地基础地力是由耕地土壤的地形和地貌条件、成土母质特征、农田基础设施及培肥水平、土壤理化性状等综合构成的耕地生产力,是在土壤自然产出基础上加上长期投入积累形成的,即在实际产量中剔除当年投入激发因素的耕地产出能力.耕地系统是一个不断进化的耗散结构系统,耕地当年投入的激发因素具有较大的不确定性,若有效合理,则可导致系统的熵减少,提高耕地基础地力;若为掠夺性开发,即使当年产量很高,也势必引起系统熵增加,使耕地基础地力下降,系统退化.因此,耕地基础地力反映了耕地长期不断的物质、能量和信息输入、输出的效果,代表耕地某—发展阶段的稳定产出,可有效地剔除以实际产量作为衡量指标的不确定因素,反映耕地产出的本底特征.耕地基础地力受自然因素和人为因素的共同制约,通常以耕地基础地力总量表示:T=I·L·M本文讨论的耕地利用类型为产粮地,其耕地产出能力以粮食产量来衡量,式中:T为区域耕地基础地力总量;I为地力贡献率;L为区域耕地平均粮食单产;M为区域耕地面积.I、L、M以及区域人口数量为耕地预警系统的警度判定指标,其数值或变化趋势由耕地预警系统的警兆监测指标获取,分述如下:(1)地力贡献率为耕地基础地力产量占实际产量的比值,反映了耕地自然性状对耕地产出能力的贡献和耕地产出能力的稳定性,是耕地高产稳产的重要指标.地力贡献率与土壤质量指数有显著的正相关,可通过监测数据建立两者之间的回归模型,由土壤质量指数的监测值求得(土壤质量指数的求法见文献).(2)区域耕地平均粮食单产数据可由统汁资料直接获取,其变化趋势由耕地投入指数监测.耕地投入指数反映了对耕地系统的持续性投入,选取单位面积农业生产总费用、劳动力投入、农田水利投资、农业机械总动力和农业用电量作为参评因素,其权重根据其对投入水平的影响程度、数据的可靠程度和稳定程度三项原则,应用层次分析法求得:Qj=∑Wi·Ri,j式中:Qj为耕地投入指数;Wi表示i投入要素的权重;Rij为j统计单元i投入要素的标准化评分值;(3)区域耕地面积可由土地详查数据或遥感资料获取,同时据耕地数量变化驱动力分析,通过城市化水平、农业土地利用比较效益等指标监测耕地面积的变化趋势.需要强调的是,由于农业土地利用比较效益低下,除导致耕地面积大量减少之外,农户对耕地投入的积极性也受到影响.耕地预警系统指标体系如表1.2预警系统的警察评估模型2.1耕地基础地力总量t本研究采用目标预警系数方法确定警情,警情的定量刻划称为警度,警度判定模型如下:R=ΔT′ΔT−1R=ΔΤ′ΔΤ-1式中R为目标预警系数;ΔT′=Ti-Tj,为区域耕地基础地力总量的实际增量,i和j代表预警年份和基准年,根据耕地总量动态平衡战略的实施要求,以1996年为基准年;ΔT=ΔXN,为该指标的计划增量,ΔX为与基准年相比人口增加数(ΔX>0),N为基准年人均基础地力产量;上式可改写成:R=Ti−TjΔXN−1R=Τi-ΤjΔXΝ-1考虑耕地面积约束条件,确定R值对系统预警的触发分量,并据此判定系统警度如表2:2.2警情分析2.2.1提升耕地基础地力总量,增加自给率当R≥0,且Mi<Mj时,系统警度判定为轻警.由预警模型分析,此时Ti>Tj,且Ti-Tt≥ΔΧΝ.即与基准年相比,预警年份耕地质量提高,耕地系统的投入水平较高,耕地基础地力总量的实际增量大于其计划增量,区域基本农产品自给率保持平衡;但由于区域经济发展,城市化进程加快,导致耕地数量减少而出现警情.排警对策应为在维持对耕地高水平投入的同时,加大土地整理和耕地后备资源开发力度.如区域耕地后备资源有限,可考虑耕地的异地置换,即在异地补充一定数量的耕地,使置入区耕地面积达到平衡.换言之,Ti>Tj是耕地异地置换的先决条件.2.2.2耕地质量下降当-1≤R<0时,系统警度判定为中警.有两种情况:(1)Ti≥Tj,且Ti-Tj<ΔXN,Mi≥Mj.表明区域耕地面积没有缩小,耕地基础地力总量没有下降,但与基准年相比区域基本农产品自给率下降.表明区域耕地质量水平和投入水平有待进—步提高,排警对策为加大中低产田改造力度,改进生产技术,提高耕作集约化水平,同时控制人口的增长,加强基本农田保护区建设,防止优质耕地的大量占用.(2)Ti≥Tj,且Ti-Tj<ΔXN,Mi<Mj.该种情况下耕地质量水平并没有下降,但由于耕地面积减少,区域基本农产品自给率下降,一般可通过控制人口,增加投入和开发耕地后备资源排除警情.也可以通过耕地异地置换获取耕地面积的平衡,但是耕地异地置换的成本应高于系统轻警时的置换成本,高出部分由与基准年相比该区基本农产品自给率下降幅度测算.2.2.3耕地数量对质量的影响.当R<-1时,Ti<Tj,Mi≥Mj,系统警度判定为重警.即在区域耕地面积不变或增加的情况下,区域耕地质量总体水平大幅度下降,导致耕地存量的隐性减少.如果只从数量上比较耕地面积的增减,不能充分说明此时耕地问题的实质.在耕地占补平衡的实际操作中,新增加的耕地主要是生产力较低的边际土地,这些耕地产量低而不稳,退耕的危险很大.此外,由于人口与耕地在空间分布上高度相关,损失的耕地,尤其是非农建设占用的耕地,主要是优质的农田,这些耕地往往含有很高的物化资本.由于补充耕地的质量劣于被占用耕地的质量,以中低产田改造为核心的耕地质量建设和基本农田保护是此时的排警重点.2.2.4动态监测管理缺乏对区域耕地状况的实时监控当R<-1时,Ti<Tj,Mi<Mj,系统警度判定为剧警.即由于没有进行耕地动态监测管理,缺乏对区域耕地状况的实时监控,耕地数量和质量水平均有明显下降,此时应深入检讨本区的耕地保护工作,对区域警兆监测指标进行全面分析,从而制定切实可行的警情排除对策.3土壤质量指数与地力贡献率关系锡山市位于江苏省南部,太湖平原北部,长江三角洲腹地.目前处于经济高速增长时期,1990至1999年GDP平均年增长率为30%,但在经济增长过程中存在着结构不平衡的隐患,同期农业产值平均年增长率仅为4.3%,同时城镇用地扩展,耕地面积逐年减少,区域土地可持续利用面临严峻考验.以2010年为预警年,据警度判定模型对该区耕地系统将来的发展趋势进行预警分析,步骤如下:(1)据灰色GM(1,1)模型预测土壤质量指数的变化趋势.模型的基本算法如下:xˆ(0)(t+1)=xˆ(1)(t+1)−xˆ(0)(t)x^(t+1)(0)=x^(t+1)(1)-x^(t)(0)式中:xˆx^(0)(t+1)(t+1)(0)为t+1年的预测值;xˆx^(1)(t+1)为t+1年的累加生成模拟,xˆx^(0)(t)(t)(0)t年的预测值.据锡山市第二次土壤普查数据和锡山市土肥站土壤肥力监测资料,将1979年以来该区耕地质量状况分为若干时段,建立土壤质量指数的时间序列,预测结果如表3:(2)研究锡山市第二次土壤普查数据,发现各样点土壤质量指数与地力贡献率田间试验数据之间有显著的正相关(表4),用回归分析方法建立二项式回归模型如下: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为地力贡献率;x为土壤质量指数据此模型得出基准年和预警年的地力贡献率.(3)耕地面积、区域人口、粮食单产数据由《锡山市土地利用总体规划》获取,其中2010年粮食产量由FAO推荐的“农业生态区域法”(AFZ法)预测,经灰色GM(1,1)模型修订.锡山市2010年耕地预警系统警度判定指标如表5:由警度判定模型,2010年锡山市耕地预警系统目标预警系数R=-0.99,耕地系统出现中度警情.由于粮食单产提高的幅度有限,加大投入力度,通过维持较高的投入水平以提高耕地质量,保持耕地产出的稳定性是该区排警的关键.据测算,2010年锡山市耕地的地力贡献率若保持在56.5%左右即可排除警情,换言之,尽管土壤质量指数的预测精度有待提高,但预警结果仍然为该区耕地质量的保持规定了下限.应该指出,该区耕地后备资源已近枯竭,2010年锡山市耕地存量维持在1996年水平,这一规划目标的完成十分困难.在做好土地复垦、基本农田保护工作的同时,可以考虑通过耕地异地置换的方式获得社会经济发展的用地指标,防止耕地系统警情的进一步加剧,实现耕地总量动态平衡的目标.但由于该区城市化进程加剧,占用大量优质耕地的情况难以避免,同时存在土壤耕层变薄、土体构型恶化、土壤养分失衡(磷钾硅等含量锐减)、乡镇工业废水和大量施用化肥引起的土壤环境污染等等耕地质量问题,区域耕地总体质量水平下降的危险仍应引起高度重视.需要强调的是,加入WTO后我国产业结构将要进行调整,作为基本的生活资料和生产要素的土地,其利用方式、配置结构也将随之发生一系列的变化.对于土地资源需求量大的农业生产来讲,其土地利用结构将会产生很大的调整,国际农产品市场价格体系,将会引致我国农业尤其耕地资源的利用规模、方式的重大变化.这对于长江三角洲地区的冲击更加显著,这是因为经济发达地区土地资源相对有限,而且对于农产品市场价格变化的反映也更加迅速.同时由于国家农业支持、保护力度的减弱及农业在现代经济生活中的贡献比重日益下降,该区耕地将面临进一步萎缩的可能性.4对健全土地产出水平的建议(1)预警指标体系的建立是耕地预警系统有效运转的前提.本研究设立耕地基础地力为预警指标,较全面地涵盖了耕地产出能力变化的驱动力因子,突出了耕地质量的影响,并设立了警兆监测指标,以分析警情出现的原因,体现了系统实时监控的功能.从而为有关部门提供系统预警信息,及时采取有效的耕地资源持续利用管理措施,实现真正意义上的耕地总量动态平衡.(2)据锡山市耕地预警结果,由于耕地后备资源的制约,加大投入以保持耕地质量的稳定,提高耕地产出水平是排除警情的主要对策.因此高成本将是长江三角洲地区21世纪农业发展的重要特征之一,这主要是耕地资源紧缺的瓶颈约束所致,也是对过去滥用资源的成本补偿.土地可持续利用所要求的高水平管理、高技术投入、高素质生产者群体、理性的市场环境等等,无一不要求更高额的资本投入.(3)基于耕地资源的稀缺性和高成本农业产出水平的不稳定性(加入WTO后尤为明显)的考虑,如以耕地产出能力为唯一衡量指标来实现耕地总量动态平衡的目标,将使耕地资源存在着进一步丧失的危险,也将使粮食安全保障战略的实施面临新的压力,因此,耕地面积