大豆种植适宜性精细评价及种植合理性分析*——以东北三省为例

何英彬，姚艳敏，李建平，黄 青，陈佑启，陈仲新，杨 鹏，于士凯

(1.农业部资源遥感与数字农业重点开放实验室，北京 100081;2.呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站，北京 100081;3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

1 引言

土地适宜性评价，尤其是粮食作物种植用地适宜性评价已经成为开发与保护、人口与资源关系的重要内容［1］。相关领域研究从大空间尺度到中、小空间尺度过渡的特点仍在延续［2，3］。郑宇等对山东省土地适宜性做了空间分析及其优化配置研究［4］，邢世和等针对福建省农用地资源进行适宜性评价分析［5］，谢树春等在进行湘中紫色土丘陵地区土地适宜性评价时，将村级单位作为试点研究［6］。近年来，环境生态脆弱区土地适宜性评价明显增加:一些研究者在内蒙古地区［7，8］、喀斯特地区［9］、黄土高原地区［10］、黄土丘陵沟壑区［11］等生态脆弱地区都开展了土地适宜性评价。而单一用途土地适宜性评价一个较为明显的特点是基本都围绕经济作物展开［12-17］。国外对这一领域研究也较为深入，Allen等建议土地利用适宜性应从地形、土壤、植被及其内部关系着手研究［18］。Steiner等基于生态调查的方法设计了一个土地适宜性研究框架，框架内生态保护的限制作用及积极因素得以充分体现［19］。还有很多国外学者致力于应用GIS软件深入评价土地适宜性、开发土地适宜性管理系统及实现可视化功能［20-23］。

目前，作物种植气候适宜性研究较为集中深入［24-27］。Cutforth和Shay研发了作物反应函数并分析了玉米种植的温度适宜性［28］。赵峰等运用模糊数学方法，结合河南省冬小麦生理生态特征建立了旬温度适宜度函数、旬光照适宜度函数和旬降水适宜度函数［29］。何英彬等应用综合作物反应函数计算了中国北方11个省市大豆种植气候适宜性［30］。FAO发布了“21世纪全球农业生态评价:方法与结果”，报告中系统的应用AEZ法研究了灌溉作物与旱作作物的种植适宜性［31］。以往作物适宜性研究虽然比较有意义，但通常没有建立体现研究区各方面综合情况的指标体系，尤其是缺乏社会经济因素的定量与空间表达;而对于气候要素，也通常使用的是全生育期的气候数据，极少有分生育期研究气候要素对于种植适宜性影响的案例。

大豆是重要的粮油兼用作物，我国是世界大豆第四生产国，仅次于美国、巴西和阿根廷，我国东北三省大豆播种面积约为全国总播种面积的一半［32］。在过去30年年间，东北三省的大豆播种面积经历了几次波动，波动原因极为复杂，但种植适宜性是其中很重要的原因。综上所述，该文以东北三省为例进行了大豆种植适宜性的研究，建立了一套涵盖自然和经济影响因子的大豆适宜性评价综合指标体系，指标体系中不但综合考虑自然与社会经济影响因素，而且还应用作物反应函数计算温度、降水和日照气候3个要素在不同生长期对于大豆种植适宜性的影响;在获取东北三省大豆适宜性等级图基础上，将其与东北三省实际大豆种植区域进行对比，以便为农业及相关部门适当调整大豆种植的空间结构而服务，该文也将为其他相关研究提供参考。

2 方法与数据处理

2.1 研究区域

东北三省 (包括辽宁、吉林和黑龙江3省)介于北纬38°43＇～53°24＇、东经115°20＇～135°之间，总面积约为79.18万km2，人口1.05亿人 (图1)。东北三省地貌类型多样，地表结构略呈三面环山、平原中开的盆地轮廓，地势西北、东北高，中南部低，分布具有一定规律;东北三省平原沿着主要山体的走向延伸，主要有三江平原 (包括兴凯湖平原)、东北三省中部平原 (以松嫩平原为主)以及周围的山前台地平原 (含松辽分水岭)。气候属温带大陆性季风气候，冬季干燥、严寒漫长，夏季湿润、温暖短促，≥10℃积温除黑龙江北部外，其余地区均在2 000℃以上;东北三省年降水量为350～1 200mm，大部分地区在450～850mm之间，由东南向西北递减。东北三省气候资源比较丰富，具有太阳辐射较强，夏季气温高，降水比较适中，雨热同期，昼夜温差大等特点，对农作物生长有利［33］。大豆是东北三省主要作物之一，一年一熟制耕作，虽然该区有很多培育的品种，但总体可以归结为春大豆系列［34］。

2.2 研究方法

2.2.1 建立适宜性指标体系

评价指标的选取应遵循代表性和全面性的原则，为避免指标高度相关，只需从诸多因子中选取少数几个能够真实全面反映土地耕作适宜性的评价指标即可;评价指标的选取并非固定不变，而是因地制宜灵活选取［35］。参考以往的研究结果结合大豆生长的生理物候特征，将影响东北三省大豆种植适宜性的因素分为自然与人文两大类，包含7个方面:自然因子有气候因子、地形因子、土壤因子、自然灾害影响因子，而社会经济影响因子包括基础设施因子、科技进步因子及农民意愿因子［35-38］。各种因子通过可定量化及空间化的指标进行大豆种植适宜性的分析:气候因子量化为气候适宜度指标，地形因子量化为坡度和坡向，土壤因子量化为pH值、有机质含量、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量和表土含盐量，自然灾害因子量化为灾害率，基础设施因子量化为灌溉保证率和农村用电量，科学技术进步因子量化为地膜使用量、化肥使用量、机械化率，农民的意愿量化为耕作半径长度 (表1)。其中，自然灾害率、灌溉保证率、农村用电量、地膜使用量、化肥使用量、机械化率等指标是以社会经济统计数据为基础进行量化及空间化计算。

图1 东北三省地理位置

2.2.2 气候适宜度的计算

东北大豆虽然品种众多，但大致可归结为早熟、中熟和晚熟3大种类，大豆物候期也因不同种类而有所变化［34］，经研究，中熟是东北三省比较适宜种植也是实际种植最为广泛的品种，因此本研究以中熟种类物候期为基准进行研究区大豆气候适宜性计算［30］。为了反应气候因子对于大豆不同生育期的影响，可以将东北大豆分为5个基本的生育阶段:种子萌发和出苗期、幼苗生长期、花芽分化期、开花结荚期和鼓粒成熟期［39］。而气候因子由温度、降水和日照3要素组成，与以往通常采用作物全生育期的数据作为计算依据不同，该文针对大豆5个不同生育期，应用大豆综合作物反应函数方法计算气候3要素不同生育期的适宜度，再通过加权获得东北大豆全生育期的气候适宜度，这样可以反映不同的气候要素对于大豆生长不同阶段的影响，提高评价精度［26］。

2.2.3 权值的获取

指标权重是指标对研究对象影响程度的体现，基于专家打分并通过德尔菲法求可获取各指标的权值［33］。选择土壤学、农学、农业经济管理、地理学、区域经济学、生态学、环境科学等领域以及东北三省省级专家23人，采取独立填表选取权数的形式，请各专家对指标的重要性进行打分;然后将他们各自选取的权数进行整理和统计分析，最后确定出各指标的权数。结合东北的实际情况，对指标的内容和权重进行了调整，将原始海拔、降水及积温指标统一为气候适宜度而3个指标的权重统一为一个权重，见表1。

表1 东北三省大豆种植适宜性评价指标体系

2.2.4 大豆种植适宜度等级图获取及其与实际种植区域对比分析

将所有量化指标空间化为1km×1km的栅格，并将数据标准化至0～1范围内［37］，结合表1各指标的权值，进行加权，可以得到东北三省大豆种植适宜度空间分布图，应用自然断点法可以将其分为适宜种植区、中间等级区及非适宜种植区，生成大豆种植适宜度等级图。应用MODIS影像获得的东北三省大豆种植空间分布图与等级图进行对比，可以获取大豆种植适宜性的空间特征。

2.3 数据的收集与整理

该文应用的DEM高程、土壤和自然灾害等自然环境数据和社会经济统计数据均来源于科技部科研院所社会公益研究专项“中国区域性耕地资源变化影响评价及其预警”所建立的“东北三省资源环境基础数据库”［33］，此数据库在相关文献有详细叙述，在此不再赘述。而气象数据来自科技部科技基础性工作专项“中国农业气候资源数字化图集编制——大豆、牧草光温数据数字化制图实施方案项目”的数据集，数据为1980～2010年日均气温、日降雨量和日照时数的30年日平均值［30］。应用“东北三省资源环境基础数据库”中的灌溉面积、粮播面积、乡村劳力、化肥纯量、地膜使用量、农村用电量和农机总动力等社会经济统计数据，计算出灌溉保证程度 (灌溉面积/粮播面积)、单位面积均化肥施用量 (化肥纯量/粮播面积)、机械化程度 (乡村劳力/农机总动力)、单位面积均地膜使用量、单位面积均农村用电量等指标值;应用GIS软件将这些属性数据与县级行政区划数据连接形成矢量数据，并将其转换成1km×1km的栅格数据。其中，农村用电量、机械化程度、单位面积均化肥施用量、地膜使用量等取多年的平均值，以便降低各指标年度波动的不稳定性。根据野外调查记录的各土壤采样点社会经济投入数据、应用地貌类型和土壤类型资料修正县内社会经济栅格化的平均数据［33］。应用DEM数据衍生出1km×1km的坡度图和坡向图。由此，所有评价要素数据统一为1km×1km的栅格数据，标准化处理后可用于评价。

3 结果与分析

3.1 东北三省大豆适宜性分析

东北三省大豆适宜性等级图如图2所示 (森林地区被剔除)，适宜度在大于等于0.41的区域为大豆适宜种植区、大于等于0.36小于0.41之间的区域为中间等级区，而非适宜种植区为适宜度小于0.36的区域。东北三省总体平均的适宜度为0.389，属于中上水平。从图2可知，评价结果并为受到指标数据空间化过程中一些以行政单元为基准进行量化指标的限制，而呈现出明显的行政边界痕迹。从图2也可以明显分辨出:大豆种植适宜区多分布在东北中东部的松嫰平原、辽宁中东部的辽河平原及三江平原东部边缘地区，总面积约为9.09万km2，约占东北三省全境总面积的11.5%。吉林省和辽宁省分别有3.32万km2和3.77万km2的适宜区，分别占适宜区总面积的36.5%和41.5%;而黑龙江省所拥有的适宜区面积仅占适宜区总面积的22%。

东北三省大豆种植非适宜区总面积约为7.99万km2，约占东北三省全境面积的10.11%，与适宜区相反，非适宜区主要集中于黑龙江省，该省有6.47万km2非适宜区，约占非适宜区总面积的81%，且非适宜区集中于三江平原，大小兴安岭山前台地。而吉林省和辽宁省仅仅有0.54万km2和0.98万km2的非种植适宜区，分别占非适宜种植区总面积的6.76% 和12.24%，主要集中于长白山山前台地地区。

东北三省共有11.45万km2的中间等级区域，约占东北三省全境的14.49%。中间等级区域主要集中于黑龙江省，面积约为8.48万km2，约为中间等级区域总面积的74.08%;而吉林和辽宁省拥有的中间等级区域各占总面积的12.55% 和13.37%。中间等级区域分布空间特征很明显，主要是沿河流分布，雨水较多的年份，河流沿岸土地内涝，使得大豆种植受到影响，这也是这一地带并非种植大豆适宜区的一个主要原因。

3.2 东北三省大豆适宜性等级区域与实际种植区域对比分析

为了进行东北三省大豆适宜性等级区域与实际种植区域对比研究，作者应用了东北三省大豆种植矢量图 (图3)，该图是由空间分辨率为0.25km×0.25km的MODIS图像解译而成，解译精度为85%以上，符合研究要求［40］。将结果重采样为1km×1km栅格，以便与东北三省大豆适宜性等级图进行叠加，结果如图4。

由图4可知，大豆种植适宜区与大豆实际种植区相符合区域的面积为1.14万km2，且符合区主要分布在松辽平原;在相符合的区域中0.28万km2分布在吉林省，0.19万km2分布在辽宁省，0.67万km2分布在黑龙江省。中间等级区域与大豆实际种植区域相符合的区域面积为2.13万km2，主要分布在山脉与平原之间的台地和三江平原。大豆不适宜区与大豆实际种植区的符合面积为1.33万km2，主要分布在吉林省、辽宁省山前台地及黑龙江的三江平原;符合面积中只有500km2分布在吉林省，289km2分布在辽宁省，而1.25万km2分布在黑龙江省。对于东北三省研究区整体而言，大豆种植适宜区、中间等级区域及非适宜区域与大豆实际种植区域相符合的面积分别占大豆实际种植面积的24.78%，46.30%和28.92%;如果以省为研究单元，吉林省为73.31%，16.53%，10.16%，辽宁省为62.21%，28.41%，9.38%，黑龙江省为15.39%，51.70%，32.91%;不难看出，相对比于吉林省和辽宁省，黑龙江省大豆种植情况略显不合理。

图2 东北三省大豆种植适宜性等级

图3 东北三省大豆种植区

图4 东北三省大豆适宜性等级区域与实际种植区域对比

4 讨论

(1)在文章中讨论的适宜性等级是相对概念，黑龙江省很多地区被定性为不适宜区并不是指黑龙江省不适宜种植大豆，而是相对于吉林省和辽宁省，其适宜性等级稍低;更具体地说，相对于松辽平原，黑龙江三江平原山前台地地区种植适宜性略差。适宜性评价与评价空间尺度及评价指标体系是否统一息息相关，如果在大空间尺度上，如全国尺度，黑龙江省的大豆适宜性未必为非适宜。东北三省作为我国最重要的粮食主产区之一及商品粮基地，其作物种植结构的合理性直接关切到该区域的粮食生产效率及我国粮食安全。因此，在研究区域仅限于东北三省的前提下，其又是比较典型的完整的研究区域，研究大豆种植空间结构相对合理性有其必然意义。

(2)从全球空间尺度到农地空间尺度，无法应用统一的适宜性评价体系，原因大致可以归为两点:一是数据无法获取，二是评价体系指标面临尺度推绎过程中的一致性问题。不同的指标在不同的空间尺度上对于适宜性的影响有所不同。因此，在评价作物种植适宜性时，不但要用到自然领域通用的因子如土壤、地形因子，而且要根据实际情况提出相应的社会经济影响因子。该文提出应用大豆反应函数计算气候三要适宜度并加权获取气候适宜度，可以精确评价气候因子的影响;在此基础上，综合考虑农民意愿(农民耕作半径)、自然灾害率及其他社会经济指标，可以为大豆种植适宜性精细评价提供有益参考。在研究中一些以行政区域边界空间化的指标无疑将会对评价结果产生一定的影响，为提高空间数据准确度，未来社会经济指标空间化问题依然是地理科学研究的重点问题和热点。

(3)平原地区通常是作物种植适宜区，例如松嫩平原，而山区或山前台地很多为不适宜种植区域，例如吉林省山区为不适宜区域。但是根据图2，发现非常有趣的现象是:三江平原是大豆种植非适宜区的集中地带，这主要是因为大豆是光感作物，三江平原地区在大豆第一阶段种子萌发和出苗期、第二阶段幼苗生长期和第五阶段鼓粒成熟期日照不充足有关，这对于大豆种植的适宜性产生了不良的影响，另外灌溉条件、农民耕作意愿及表土含盐量也是大豆种植适宜性的负面影响因素。

(4)从图4可以看出，松嫩平原很多大豆种植适宜区并没有种植大豆，而黑龙江很多相对不适宜种植大豆的地区种植了大豆，大豆种植适宜度的高低并不能决定大豆空间分布和结构。大豆种植从20世纪80年代到目前，面积波动较大，主要由农民利益最大化的思维驱动，而农民利益最大化的思维通常受到大豆价格与耕作成本的左右，而这一因素又受到大豆种植政策、市场、原油价格甚至国内外游资对大豆种植的影响。在不同年份比较效益发生波动及基本农田保护的严厉政策执行的前提下，农民根据盈利的需要播种不同的作物，致使作物种植空间竞争较为激烈。该文分析大豆种植适宜性目的在于为未来合理的作物结构调整提供思路和参考，但并不主张在未考虑农民种植意愿前提下改种或不种大豆，只有在农民意愿得到充分满足的提前下，作物结构调整才能得以顺利实施。

5 结论

该文建立了一套涵盖自然和经济影响因子的大豆适宜性评价指标体系，并以东北三省为例进行了大豆种植适宜性的研究;指标体系中不但考虑了温度、降水和日照气候三个要素在不同生长期对于大豆种植适宜性的影响，而且还引进了自然灾害率作为自然评价指标;此外，在社会经济因子类别中还应用了基础设施、科技进步及农民意愿等因子，进行大豆适宜性评价。在获取东北三省大豆适宜性等级图基础上，将其与东北三省实际大豆种植区域进行对比，结果发现松嫩平原是最适合于大豆生长的区域，黑龙江大豆种植略欠合理性，而三江平原由于日照等因素并非大豆种植的绝佳地带。在研究结果基础上，建议农业及相关部门在保护农民切身利益的情况下适当调整大豆种植的空间结构;该文也为其他相关研究提供参考。

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