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  農業資源與環境學報  2021, Vol. 38 Issue (6): 1039-1050  DOI: 10.13254/j.jare.2021.0540
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引用本文  

張英, 馮雪珂, 任少寶, 等. 耕地質量和產能評價指標體系研究——以廣西賓陽縣為例[J]. 農業資源與環境學報, 2021, 38(6): 1039-1050.
ZHANG Ying, FENG Xueke, REN Shaobao, et al. Evaluation index system of cultivated land quality and productivity: A case study of Binyang County, Guangxi[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2021, 38(6): 1039-1050.

基金項目

國家自然科學基金項目(U1901601);國家重點研發計劃課題(2020YFD1100204);四川省科技計劃項目(2020YFS0499);河北省高等學??茖W技術研究項目(ZC2021036)

Project supported

The National Natural Science Foundation of China(U1901601); The National Key R & D Program(2020YFD1100204); Sichuan Scienceand Technology Planning Project(2020YFS0499); Science and Technology Research Project of Colleges and Universities in Hebei Province(ZC2021036)

通信作者

余晨??E-mail: 1119509383@qq.com

作者簡介

張英(1984-), 女, 河北唐山人, 博士, 講師, 研究方向為耕地質量認知。E-mail: 424647850@qq.com

文章歷史

收稿日期: 2021-07-25
錄用日期: 2021-10-18
耕地質量和產能評價指標體系研究——以廣西賓陽縣為例
張英1,2 , 馮雪珂1,3 , 任少寶3 , 游小敏3 , 余晨4     
1. 華南農業大學資源環境學院, 廣州 510642;
2. 唐山職業技術學院, 河北 唐山 063000;
3. 廣州市華南自然資源科學技術研究院, 廣州 510642;
4. 四川省國土科學技術研究院/四川省衛星應用技術中心, 成都 610041
摘要: 為科學評價耕地資源,實現耕地的有效管理,提高土地利用效率,通過文獻法對耕地質量和產能的評價指標進行梳理,利用地理探測器進行指標篩選,采用特爾斐法確定指標權重,應用加權求和法對指標系數進行修正,利用連乘積法計算耕地質量與產能指數,系統科學地構建耕地質量和產能評價體系。結果表明,賓陽縣耕地質量整體情況良好,等別為優等和良等的耕地面積占99.95%,東北部耕地等別略低于西南部,其等別差異主要原因為土地利用方式不同和土壤健康狀況的差異。耕地產能等別中旱地等別主要集中在11等,水田等別主要集中在7等,呈現中部高四周低的分布規律,中心城鎮地勢平坦、管理水平高是造成耕地產能等別差異的主要原因。研究表明,應用本研究構建的指標體系得到的賓陽縣耕地質量評價結果能夠很好地反映耕地實際質量狀況,說明評價指標體系合理,適用性較強。
關鍵詞: 耕地    質量評價    產能    評價指標    
Evaluation index system of cultivated land quality and productivity: A case study of Binyang County, Guangxi
ZHANG Ying1,2 , FENG Xueke1,3 , REN Shaobao3 , YOU Xiaomin3 , YU Chen4     
1. College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China;
2. Tangshan Vocational and Technical College, Tangshan 063000, China;
3. Guangzhou South China Academy of Science and Technology of Natural Resources, Guangzhou 510642, China;
4. Sichuan Institute of Land Science and Technology/Sichuan Center of Satellite Application Technology, Chengdu 610041, China
Abstract: In order to scientifically evaluate and classify cultivated land resources, realize effective management of cultivated land, and improve land use efficiency, the evaluation indexes of cultivated land quality and productivity were sorted out through literature method. In this study, the indicators were screened by geographical monitor, index confirmation and weighted summation were modified by Delphi method. The cultivated land quality and productivity index were calculated by using the method of continuous product, and the cultivated land quality and productivity evaluation system was constructed systematically and scientifically. The results showed 99.95% of the cultivated land in Binyang County was excellent or good, which was slightly lower in the Northeast than in the southwest; Among the cultivated land productivity grades, the dry land grade was mainly concentrated in the 11th grade, and the paddy field grade was mainly concentrated in the 7th grade, showing a distribution pattern of middle high and low around. The flat terrain and high management level of central cities and towns are the main reasons for the differences in cultivated land productivity grades. The results of cultivated land quality evaluation in Binyang County show obvious regularity, which can well reflect the actual quality of cultivated land, indicating that the evaluation index system is reasonable and applicable.
Keywords: cultivated land    quality evaluation    productivity    evaluating indicator    

耕地是人類賴以生存和發展的寶貴資源,耕地質量直接制約著區域糧食安全、生態環境穩定和社會安定。耕地質量高低主要表現在耕地自然質量與產能兩個方面。目前對耕地質量與產能的研究中,主要存在評價指標差異大、方法不統一、指標賦權不科學等問題[1-7]。

對耕地質量與產能的評價中,評價指標的選取既是關鍵也是基礎。評價指標的選取要考慮到對耕地質量的需求,如:環保部門對耕地質量評價時,側重耕地的污染情況,利用土壤負載容量、土壤重金屬含量等方面構建耕地評價指標[8-9];土地規劃管理部門較側重土地資源承載力[10]、土壤功能[11-12]等方面。對耕地質量需求不同[13],構建的耕地評價指標體系也不同,因此造成耕地質量評價成果繁多、重復且難以各盡其用。針對目前耕地評價體系中指標體系不全面、成果應用效果差等無法滿足耕地質量評價需求的問題,本研究從耕地發展需求出發,結合耕地評價方法與相關理論基礎,采用地理探測器對指標進行初選,構建基于生產功能、生活功能、生態功能的綜合指標體系,以廣西賓陽縣為研究區,對耕地的質量與產能進行評價,并驗證評價體系的科學性、合理性與適用性,旨在為賓陽縣耕地的合理保護與利用提供科學依據。

1 材料與方法 1.1 研究區概況

賓陽縣地處廣西中南部(22°54′ ~23°27′ N,108° 32′~109°15′E),總面積2 308 km2,地理位置如圖 1所示。作為南寧市重要的糧食生產基地,賓陽縣具有“稻藕套種之鄉”的美譽,且是桂中南重要交通樞紐之一。賓陽縣整體地勢南部高北部低,由西南向東北傾斜。東、南、西三面邊緣土山環繞,中部為不閉合盆地,為大片較為平整的沖積平原。東北部石山群立,為溶蝕平原及緩丘,東南部主要為丘陵區。平原面積為823 km2,占總面積35.6%;丘陵面積719 km2,占全縣面積的31.1%。東西長度32 km,南北寬27 km,山溝深壑狹窄,山峰海拔多在700 m以上,相對高度多為100~200 m。賓陽縣地處低緯度,屬亞熱帶季風氣候,受海洋暖濕氣流調節,高溫多雨,夏長冬短。境內土壤分為6個土類,共15個亞類。6個土類分別是水稻土類、磚紅性紅壤土類、黃壤土類、石灰(巖)土類、紫色土類和沖積土類。水田以淹育性水稻土、潴育性水稻土、潛育性水稻土、沼澤性水稻土為主,畬地以耕型第四紀紅土赤紅壤、耕型鐵礫赤紅壤為主?;牧帜恋匾陨绊搸r赤紅壤、石灰巖赤紅壤為主。

圖 1 賓陽縣位置圖 Figure 1 Location map of Binyang County

根據2016年度土地利用變更調查成果,賓陽縣土地總面積為229 816.99 hm2。其中,耕地面積為91 948.51 hm2,占土地總面積的40.01%(其中水田面積46 040.76 hm2,旱地面積45 907.75 hm2)。從各鄉鎮耕地面積分布情況來看,耕地面積最大的是賓州鎮,面積為10 551.46 hm2,占賓陽縣總耕地面積的11.48%;其次是洋橋鎮,面積為9 268.99 hm2,占比為10.08%;鄒圩鎮和大橋鎮耕地面積分別占9.74% 和9.43%;耕地面積最小的是陳平鎮,僅為1 255.84 hm2,占1.37%。

本研究主要研究耕地質量和產能,選取賓陽縣作為研究區具有良好的典型性和代表性。

1.2 數據來源與處理

本研究利用2016年的地理空間數據云中GDEMDEM 30 m的高分遙感數據來獲取賓陽縣土地利用和海拔信息,計算地形部位、坡度、田塊狀況、海拔高度、道路通達度、耕作距離等指標;2016年度土地利用變更調查數據庫提取33 566個耕地圖斑,包括水田17 376個、旱地16 190個;從耕地質量等別更新評價成果數據庫獲取土壤屬性數據,包括有機質含量、pH值、容重等;通過空間插值或權重賦值方法獲取土地質量地球化學評價數據,通過2013年測土配方施肥成果數據庫、2013年耕地地力評價數據庫獲取樣點屬性數據;同時在賓陽縣分層抽樣選擇213個外業補充調查樣點,在每個采樣點采用梅花形采樣模式,依次選取土壤表層(0~20 cm深度)的5個土壤子樣本并混合為約1 000 g的樣品,采樣點分布見圖 2。從水利部門獲取《賓陽縣水利志》以及《賓陽縣農田水利建設規劃報告》等資料;從統計局獲取賓陽縣農田機械化水平、農藝管理水平、病蟲害防治水平等相關數據資料。

圖 2 賓陽縣外業調查樣點分布圖 Figure 2 Distribution of field survey sample points in Binyang County

對收集數據進行可用性與匹配性分析,剔除重復、時效性不強的數據,并驗證數據的可靠性,將數據按照分級標準進行統一和標準化,采用西安1980平面坐標系對地圖數據進行平面校正,使用ArcGIS 10.2軟件將各指標屬性值與耕地圖斑進行匹配,建立賓陽縣耕地質量和耕地產能評價數據庫。

1.3 研究方法

通過閱讀文獻,對影響耕地質量與產能的194個指標進行梳理,采用分異及因子探測器,探究耕地質量等別與各影響指標因素的強度關系,進而初步篩選出影響耕地質量和產能的相關指標因素。以賓陽縣耕地質量和產能為研究對象,選用特爾斐法,確定廣西賓陽縣耕地質量和耕地產能評價指標體系和權重。以地統計分析空間插值的方法獲取部分評價指標,如土壤養分元素、重金屬元素、有機質等空間數據。采用Pearson相關系數來判定耕地評價結果之間的相關性。

2 結果與分析 2.1 耕地質量評價指標體系構建 2.1.1 耕地質量評價指標體系

隨著社會經濟的發展,耕地質量的內涵不斷發展,由最初的高產逐漸變為以人類需求為導向的耕地質量評價。因此本研究從耕地地力水平、耕作條件、土壤健康狀況以及土壤生物特性四個維度選取評價指標,構建評價指標體系(圖 3)。

圖 3 賓陽縣耕地質量評價指標體系構建圖 Figure 3 Construction of cultivated land quality evaluation index system in Binyang County
2.1.2 耕地質量評價方法

在結合農用地分等方法的基礎上,采用綜合算法計算耕地地力水平,以地形特征指數、土壤性狀指數進行表征,利用耕作條件指數、健康狀況系數、生物特性系數逐級修正,得出耕地質量評價結果。

2.2 耕地產能評價指標體系構建 2.2.1 耕地產能評價指標體系

耕地產能是指耕地產出作物的能力,是耕地、氣候、勞動三者結合所形成的耕地生產力水平。本研究通過梳理相關文獻,綜合耕地生產潛力,考慮耕地管理措施對產能的影響,從區域氣候條件、耕地自然條件、管理技術水平三方面構建耕地產能評價指標體系(圖 4)。

圖 4 賓陽縣耕地產能評價指標體系構建圖 Figure 4 Construction of cultivated land productivity evaluation index system in Binyang County
2.2.2 耕地產能評價方法

采用逐級修正的方法,用光溫生產潛力指數、作物產量比系數反映氣候條件,用耕地自然質量系數和技術水平系數進行逐級修正,計算耕地產能。詳見公式1。

(1)

式中:IP為耕地產能指數;αi為第i種作物的光溫(氣候)生產潛力指數;βi為第i種作物的產量比系數;q為耕地自然質量系數;t為技術水平系數。

2.3 基于地理探測器的耕地評價指標篩選

利用地理探測器模型對評價指標進行篩選,通過213個外業調查樣點獲取作物產量數據,轉化為標準糧產量作為模型分析的因變量,賓陽縣各鎮采樣點標準糧平均值見表 1。以q′值表示各指標因素對標準糧產量的影響程度,q′值越大,影響程度越強。利用公式(1)將各項指標分別與標準糧產量進行空間探測分析,計算獲得各因素對標準糧產量的決定力大小,即q′值(圖 5)。將各指標因素按決定力高低的排列順序,根據q′值大小及對應P值檢驗情況(P < 0.05),確定其中主要影響因子有23項,如圖 5所示。因黑土層厚度(x6)、土壤有益微量元素(x8)、地表巖石露頭度(x12)、礫石含量(x13)、鹽漬化程度(x14)、林網化程度(x23)、梯田化水平(x31)對耕地質量影響程度較小,且未通過P值檢驗,故將其初步篩選剔除。

表 1 賓陽縣各鎮樣點平均標準糧產量(kg) Table 1 Average standard grain yield of sample points in Binyang County(kg)
x1地形部位;x25灌溉水環境質量;x26土壤重金屬含量;x5有機質含量;x17灌溉保證程度;x2田面坡度;x22田間輸水方式;x11pH值;x27土壤蚯蚓數量;x18排水條件;x29農機化水平;x9土壤容重;x3海拔高度;x7障礙層距地表深度;x30農藝管理水平;x4有效土層厚度;x15土體構型;x16耕層質地;x19田塊狀況;x24農田防洪標準;x28災害防治水平;x20田間道路通達度;x21耕作距離 圖 5 賓陽縣耕地評價指標因素q′值順序圖 Figure 5 Sequence diagram of q′ value of cultivated land evaluation index factors in Binyang County
2.4 基于特爾斐法的評價指標及權重的確定

采用特爾斐法及專家法確定指標權重。首先是對一級指標地形特征、土壤性狀、耕作條件進行賦權,三者權重和為1;其次是對二級指標賦權,每個一級指標下的二級指標權重和為1。專家打分結果滿足T值顯著性檢驗,得到賓陽縣耕地質量和耕地產能評價指標權重結果(表 2表 3)。

表 2 賓陽縣耕地質量評價指標及權重 Table 2 Evaluation index and weight of cultivated land quality in Binyang County
表 3 賓陽縣耕地產能評價指標及權重 Table 3 Evaluation index and weight of cultivated land productivity in Binyang County
2.5 指標數據量化與分級賦值

根據《耕地質量評定與地力分等定級技術規范》(DB33/T 895—2013)、《農用地質量分等規程》(GB/T 28407—2012)、《農用地定級規程》(GB / T 28405— 2012)、《耕地質量等級》(GB/T 33469—2016)等對耕地產能與質量指標進行量化分級并賦分(表 4表 5)。

表 4 耕地產能評價指標分級 Table 4 Classification of cultivated land productivity evaluation indicators
表 5 耕地質量評價指標分級 Table 5 Classification of cultivated land quality evaluation indexes
2.6 耕地質量與產能評價結果分析 2.6.1 耕地質量評價

(1)評價過程

將賓陽縣耕地圖斑作為評價單元,采用加權求和法計算地形特征、土壤性狀、耕作條件、土壤健康系數、生物特性系數的分值(圖 6)。將耕地質量指標分層綜合,選取地形特征、土壤性狀、耕作條件組成自然質量層,作為耕地質量評價的基礎,健康狀況、生物特性分別作為系數構成修訂層,以修訂自然質量層,最終計算得出耕地質量指數。

圖 6 賓陽縣耕地質量指標分值示意圖 Figure 6 Schematic diagram of cultivated land quality in Binyang County

(2)數量分析

賓陽縣耕地質量指數分布在43.2~96.0之間,將耕地質量指數按照(0,25]、(25,50]、(50,75]、(75,100]劃分為優、良、中、差四個等別,得到賓陽縣耕地質量等別范圍為優至中等(表 6)。

表 6 賓陽縣各鎮耕地質量等別評價(hm2 Table 6 Evaluation of cultivated land quality grade in towns of Binyang County(hm2)

表 6可知,優等耕地面積為73 850.10 hm2,占比80.32%;良等耕地面積為18 051.04 hm2,占比19.63%;中等耕地面積為47.36 hm2,占比0.05%。從總體上而言,質量等別為優等和良等的耕地占99.95%。

從各鎮來看,耕地質量等別大多為優等,主要分布在賓州鎮,面積為9 461.06 hm2,占賓陽縣優等地總面積的12.81%。良等耕地主要分布在和吉鎮,面積為3 769.67 hm2,占賓陽縣良等地總面積的20.88%。質量等別為中的耕地僅分布在和吉鎮,面積為47.36 hm2。

(3)質量分析

圖 7所示,賓陽縣耕地質量優良,中等耕地面積比例僅為0.05%。優等耕地主要分布在中部交通便利、地勢平坦、便于管理、熟化程度高的地區。良等耕地主要分布在和吉鎮、黎塘鎮等東北部鄉鎮,原因在于其土地利用方式多為旱地,評價指標中灌溉保證程度、排水條件及各土壤性狀指標都低于水田,導致耕地質量等級低于水田。中等耕地分布在和吉鎮東北邊界,由于其土壤健康水平較低,并且存在土壤重金屬污染狀況,因此在土壤健康系數的修正下,耕地質量較低。

圖 7 賓陽縣耕地質量等別分布示意圖 Figure 7 Schematic diagram of cultivated land quality grade distribution in Binyang County

賓陽縣耕地質量呈現西南高而東北低的規律。水田的耕地質量優等居多,旱地多為良等。賓陽縣東北部地區及南部大多為旱地。西南地區交通便利度低、海拔高且田塊較細碎,地類主要為水田。本次評價中土壤健康狀況對總體耕地質量有較大影響,東北地區部分鄉鎮存在污染,造成其耕地質量較低。建議有良等以下耕地分布的鄉鎮,如大橋鎮、王靈鎮等,加強土壤污染管控與治理,有效提升耕地質量。

2.6.2 耕地產能評價

(1)評價過程

將賓陽縣耕地圖斑作為評價單元,采用逐級修正法評價耕地產能,用光溫(氣候)生產潛力指數和作物產量比系數反映氣候條件,作為耕地產能評價的基礎,再用耕地自然質量系數(圖 8)和技術水平系數(圖 9)進行逐級修正,計算耕地產能指數。

圖 8 賓陽縣耕地自然質量系數示意圖 Figure 8 Schematic diagram of cultivated land natural quality coefficient in Binyang County
圖 9 賓陽縣技術水平系數分值示意圖 Figure 9 Schematic diagram of technical level coefficient score of Binyang County

(2)數量分析

按照上述方法計算得到賓陽縣耕地產能指數為970~2 861,以200為區間劃分為12個等別,賓陽縣耕地產能等別范圍為6~12等(表 7)。

表 7 賓陽縣各地類耕地產能統計(hm2 Table 7 Productivity statistics of cultivated land use type in Binyang County(hm2)

表 7可知,11等耕地面積最大,為33 416.77 hm2,占比36.34%;9等耕地面積最小,為1 242.81 hm2,占比1.35%。從地類看,旱地的產能等別主要集中在10~12等,其中11等最多,面積為33 416.77 hm2,占旱地總面積的72.79%;水田的產能等別主要分布在6~10等,其中7等最多,面積為23 923.80 hm2,占水田總面積的51.96%。

表 8中可以看出,產能等別為6等的耕地主要分布在賓州鎮、新橋鎮,面積分別為2 863.49、2 179.43 hm2。7等耕地主要分布在賓州鎮、大橋鎮、古辣鎮,面積分別為3 824.62、3 231.87、2 942.06 hm2。8等耕地主要分布在思隴鎮、甘棠鎮、露圩鎮、洋橋鎮,面積均超過1 450 hm2。9等耕地主要分布在甘棠鎮,面積為639.38 hm2。10等耕地主要分布在賓州鎮,面積為879.26 hm2,其次為古辣鎮,面積為692.36 hm2。11等耕地主要分布在鄒圩鎮和洋橋鎮,面積分為5 450.28、4 491.57 hm2。12等耕地主要分布在和吉鎮、洋橋鎮,面積分別為2 866.15、2 760.71 hm2。

表 8 賓陽縣各鎮耕地產能統計(hm2 Table 8 Statistics of cultivated land productivity of towns in Binyang County(hm2)

(3)產能分析

圖 10可知,賓陽縣耕地產能指數較高地區分布在中華鎮、賓州鎮、新橋鎮、鄒圩鎮南部及黎塘鎮中部。由于新橋鎮地形地勢及利用管理水平較高,因此田間管理水平、灌溉保證程度等指標分值較高,其耕地產能指數最高。甘棠鎮、和吉鎮、新圩鎮及洋橋鎮耕地產能指數較低,洋橋鎮最低,主要是由于這些鄉鎮耕地利用類型主要為旱地,其光溫生產潛力指數遠低于水田。旱地與水田耕地產能等別存在明顯差異,旱地分布越多其平均耕地產能指數就越低,賓陽縣耕地產能總體呈現四周低中間高的趨勢。

圖 10 賓陽縣耕地產能等別分布示意圖 Figure 10 Distribution of cultivated land productivity grade in Binyang County

由于評價指標數據多以鄉鎮為單元,農機化水平、農藝管理水平等是通過農機站、土肥站、植保站等專家打分獲取指標分值,因而差異多體現在鎮級之間。地類差異是造成賓陽縣耕地產能分布差異的主要原因,水田的耕地產能等別明顯高于旱地。這可能是由于旱地土壤中有機質含量、土壤養分含量等土壤屬性數據較低;此外,耕地基礎設施即技術水平指標的差異也是造成耕地產能差異的主要原因。旱地多分布于遠郊鄉鎮,田間道路條件及有效管理措施較差,耕地基礎設施環境也相對較差。因此,基于耕地產能分析,建議賓陽縣耕地可通過“旱改水”等田間工程有效提高耕地產能水平,改善灌排設施條件,有效提高耕地平整度、連片度等,科學改善耕地產能水平。

3 討論

(1)土壤生物特性指標的選取

依據指標可獲取性原則,本研究選用土壤蚯蚓數量反映耕地生物特性。在實際采樣中發現土壤蚯蚓數量較難獲取,且受人為擾動、氣候、溫度等因素影響較大,難以反映耕地生物特性,未來需進一步明確耕地的生態內涵,選取更能反映耕地特性的生物特性指標。

(2)定性指標分級量化

部分定性評價指標在分級描述中較模糊,如農藝管理水平,在具體的資料收集過程中難以準確量化。在后續的研究中可結合耕地實際狀況,改進定級標準,使評價指標更能科學準確地反映耕地現狀。

(3)基于數學模型的指標選取

本研究采用地理探測器模型進行指標的篩選,在對類型變量分類時也具有一定的優勢,但在指標內涵識別判斷上往往存在一定的局限性?;跀祵W模型進行指標選取,往往忽略指標間的差異,或因模型的分析結果而剔除了一部分明顯對評價體系存在較大影響的指標,如土壤有益微量元素、梯田化水平等。后續研究可針對模型進行改進,以增強數學模型在指標選取時的合理性和適用性。

(4)耕地質量與產能結果分析

本研究分別計算了賓陽縣耕地質量指數與產能指數,并進行分等。賓陽縣耕地質量指數范圍為43.2~96.0,主要為優等和良等,西南部耕地質量略高于東北部。耕地產能等別為6~12等,耕地產能指數為970~2 861,主要集中在970~1 800、2 100~2 861之間,總體呈現出中部高而四周較低的分布規律。賓州、王靈、武陵、新橋、中華、鄒圩6個鎮的耕地質量高,同時產能指數也高,而東北部鄉鎮耕地質量較高,但其產能指數并不高。耕地質量能夠直接影響耕地產能,但耕地產能不完全由耕地質量決定,農業技術水平也是影響耕地產能的重要因素。

4 結論

本研究梳理了耕地質量發展需求,對耕地評價指標體系進行綜合考慮,構建了耕地質量與耕地產能評價指標體系。

(1)采用地理探測器模型進行指標篩選,運用特爾斐法進行確權,使評價體系更加科學與完善。

(2)采用逐級修正法對耕地質量與產能進行評價,繼承了耕地評價中最為科學的理論體系。

(3)引入健康狀況系數、生物特性系數、技術水平系數等對耕地的本底質量進行修正,加大了各系數的權重影響,突出當今時代耕地健康、生態和管理方面的重要性,使評價得到的耕地等別結果更符合社會發展需求。

(4)本研究對賓陽縣耕地的評價結果不僅在大尺度范圍內實現了耕地質量的可比性,且細化了縣域尺度內耕地產能的差異。耕地產能等別分布規律差異明顯,可為賓陽縣耕地改良、田間整治提供參考依據。

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