磐石兰家村大米永久基本农田生态环境保护与可持续发展案例研究

付晶莹^1*，都兴林²，郑青松³，乔云波⁴，闫 实⁵，祝晓光⁶，谷月宝⁵，付永君⁵

1. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；
2. 吉林大学植物科学学院，长春 130062；
3. 南京农业大学，南京 210095；
4. 磐石市农业农村局，磐石 132300；
5. 磐石市兰家米种植专业合作社，磐石 132300；
6. 北京天航华创科技股份有限公司，北京 100085

摘 要：农产品的质量、声誉或特征与其地理原产地具有天然联系，带有地理特色的农产品与其地域风土（包括自然和人为因素）之间的紧密联系更是生产者维护相关自然资源完整性与支撑生态环境可持续发展的源动力。磐石兰家村大米永久基本农田生态环境保护与可持续发展案例产品种植于磐石兰家村水库流域，水库水域面积8.86 hm2，水田面积61 hm2。案例区地处长白山脉向松嫩平原过渡地带，属丘陵半山区，冰雪融水、自然降水自然汇集，水质优于城市供水水质标准及生活饮用水卫生标准，土壤类型为黑土区水稻土，目前种植水稻品种为适宜吉林地区的中晚熟水稻品种。该案例数据集储存为.shp、.tif、.xlsx、.docx及.jpg格式，由案例区位置、自然地理数据、品种特性数据、经营管理数据、照片和影像等79个数据文件组成，数据量为85.3 MB（压缩后）。

关键词：磐石兰家村；大米；永久基本农田；地理特色产品；案例

DOI: https://doi.org/10.3974/geodp.2021.03.06

CSTR: https://cstr.escience.org.cn/CSTR:20146.14.2021.03.06

数据可用性声明：本文关联实体数据集已在《全球变化数据仓储电子杂志（中英文）》出版，可获取：
https://doi.org/10.3974/geodb.2021.06.01.V1 或 https://cstr.escience.org.cn/CSTR:20146.11.2021.06.01.V1.

1 前言

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，广大人民群众对生活品质的需求也越来越高，优质的农业产品成为了人民生活的重要需求之一，"优质地理产品"（地理标志、地理特色、地理传统产品）应运而生[1–3]。兰家村位于磐石市牛心镇南部，地处长白山脉向松嫩平原过渡地带，属于丘陵半山区，受地理位置和大气环流的影响，气候条件适宜，同时冰雪融水、自然降水等清洁水源自然汇集，全流域生态环境优越、无污染[4,5]。兰家村为传统农业村庄，周边无大型企业、工厂等，区域土壤、水质良好，兰家村内永久基本农田依靠兰家水库优质的水源条件，孕育了具有区域特色的吉林磐石兰家村优质地理特色产品——兰家村大米。为贯彻落实国家"绿水青山就是金山银山"的可持续发展理念，同时促进"全球变化科学研究数据出版系统"所设立的"优质地理产品生境保护与可持续发展案例"的有序进行，特推出了吉林磐石兰家村大米永久基本农田生态环境保护与可持续发展案例，以期为吉林磐石兰家村的生态环境保护与可持续发展提供科技支撑。

2 数据集元数据简介

《磐石兰家村大米永久基本农田生境保护与可持续发展案例数据集》[6]的名称、作者、地理区域、数据年代、数据集组成、数据出版与共享服务平台、数据共享政策等信息见表1。

3 案例数据研发

案例数据集由5个子集构成，分别为案例区位置数据、自然地理数据、品种特性数据、经营管理数据、照片和图片，该数据集储存格式为.shp、.tif、.xlsx、.docx及.jpg格式，压缩后数据量85.3 MB。

3.1 案例区自然地理数据及产品生境数据开发

3.1.1 案例区范围

案例区隶属吉林省吉林市磐石市牛心镇兰家村。磐石市位于吉林省中南部、吉林市南部，牛心镇则位于磐石市南部，坐标范围42°26′N–42°55′N，126°06′36″E–126°26′47″E，牛心镇下设17个行政村，兰家村为其中之一[8]。兰家村城乡分类代码为220，为村庄；区划代码为220284105211；邮政编码为132300。兰家村与兰家新村、泉眼沟屯、东茶条沟屯四个自然村（屯）共同组成兰家村委会。案例区位于兰家新村东侧兰家水库上下游的水田范围（图1），其中灌溉水库水域面积8.86 hm2，水田面积为61 hm2。

图1 案例区地理位置及范围（遥感影像数据来源：中国资源卫星应用中心陆地观测卫星数据服务平台资源三号卫星影像[1]）

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3.1.2 案例区气象特征

受所处地理位置和大气环流的影响，磐石市气候为温带大陆性季风气候，总气候特点是：四季分明，春季干旱多大风；夏季热而多雨；秋季凉爽多晴朗天气，白天温度较高，夜间温度较低，昼夜温差较大；冬季漫长而寒冷[8]。基于该市2000–2019年气象数据显示（图2），年平均气温为4.6℃，年积温为2,700–2,850℃；年平均降水量为699.6 mm，降雨主要集中在6–8月份，受地形的影响，南部气温比西部稍低，降水要比西部稍多；全年日照时数为2,491.2小时；年平均无霜期为125天；年最低温度为–42.6℃；年最高温度为36.1℃。案例区水稻生长季为5-10月，其中，种植月份多年平均温度为15.30℃；日照时数为7.37 h；地表温度为17.85℃；相对湿度为58.06%，小型蒸发量为1.06 mm；平均风速为2.72 m/s；收割月份多年平均温度为6.74℃；日照时数为6.28 h；地表温度为7.98℃；相对湿度为68.39%，小型蒸发量为2.82 mm；平均风速为1.80 m/s。

图2 2000-2019年案例区气象变化数据[2]

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3.1.3 案例区数字高程模型（DEM）特征及土壤理化特征

案例区所在磐石市地处长白山西麓，属于丘陵半山区，长白山系哈达岭山脉老爷岭横亘境内东西，形成了中部、东北部高，南北低的状似屋脊的地势特征（图3），全市最高海拔为1,049 m，最低海拔为230 m，相对高差为819 m[8]。磐石境内主要地貌为低山区、丘陵区、河谷平原以及喀斯特地貌，其中低山区面积1,730.72 km2，占全市总面积的43.66%；丘陵面积1,308 km2，占全市总面积的32.98%。丘陵多为构造剥蚀而成，形态多为浑圆状，少数为馒头状、陵岗状、平顶状，相对高度50-200 m，坡度10°-45°。案例区所在牛心镇即位于磐石市丘陵地带，高程最小值为237 m，最大值为384 m（图4），种植区周边为低山丘陵区，自然降水汇集，地理位置优越，有利于大米的自然生长。

图3 案例区域自然地理特征

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图4 案例区DEM空间分布图

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吉林省磐石市位于中国东北黑土区的"长白山-辽东丘陵山区"，该区域气候温和湿润，年降水量600–1,000 mm，区域内黑土耕地面积129.33万hm2，坡耕地占68%，其中2°-6°和6°以上缓坡耕地各占一半[9]。案例区黑土类型主要为草甸土和暗棕壤，解放初期，磐石市劳动模范通过"黄土掺黑土"的方式改良土壤，达到增收的目的。经过长期的土壤改良，现案例区黑土地耕层土壤有机质含量高，性状好、肥力高，是我国粮食生产基地的重要组成部分。

本论文采集了案例区田埂土、水田地及耕地附近山泥土的表层土壤样本，并由中国科学院地理科学与资源研究所理化分析中心对所采土样的氮含量百分比（N%）、碳含量百分比（C%）、碳氮比（C/N）（表2），以及土壤微量元素含量（表3）进行检测，检测的3类土壤的12个土壤样品中，氮（N）含量约0.2756%-0.3207%，碳（C）的含量约2.7411%-3.2310%，C/N约8.6333-10.742。其中，田埂土中N的含量在3种土样中相对较高，C的含量在3种土样中则为最低，低含量C使田埂土中的C、N比值也为3种土样中最低；水田地中N的含量在3种土样中处于中等水平，C的含量在3种土样中相对较高，最终的C、N比值也为3种土样中最高；耕地附近山泥土中N的含量在3种土样中最低，C的含量以及C、N比值均处于中等水平。

3.1.4 案例区水资源现状分析

案例区所在牛心镇有小一型水库3座，小二水库6座，塘坝64座，其中挡石河汇合8条小溪，流经兴隆、牛心、德胜、朝阳等村后汇入辉发河[8]。辉发河位于磐石市境内东南部，属松花江水系，是松花江上游最大的支流，亦为案例区水稻种植区重要水源之一（图5）。

图5 案例区水系空间分布

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图6 辉发河兰家村段（2020年12月1日付晶莹摄）

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辉发河发源于辽宁省清原市龙岗山金门岭的东西两麓，上游为柳河和一统河汇合后形成，在磐石市牛心镇兰家村西南部流入磐石市境内。辉发河流经磐石市境内河段长49 km，市内流域面积2,309.94 km2，两岸多为丘陵、低山河谷。境内有39条河流注入，其中一级河流10条、二级河流21条、三级河流8条，其径流量占丰满水库入库总量的26%，水量随季节变化极大，汛枯可相差超过1,000倍。由于案例区自然生态保护良好，辉发河河水清澈，鱼虾丰满，每年河冰融化后，会吸引大量野鸭，也可见雁和白鹰（图6）。

兰家水库作为案例水稻种植区的主要水源，水库水域面积为8.86 hm2。水库位于传统农业村庄内，全流域无污染，周边无污染性工厂、企业。案例数据集包含了兰家水库三个样品的水质检测分析数据（表4），检测了水中Al、As、B等25种元素、离子。将水库水样本检测数据与城市供水水质标准和生活饮用水卫生标准进行对比，发现兰家水库水质检测所有指标均优于以上两类标准。

3.1.5 案例区土地利用类型分析

基于案例区土地利用类型数据，分析了兰家村周边水田、旱地、林地、水体等植被覆盖情况及村民居住的村庄等土地利用类型空间分布状况，数据由中国资源卫星中心资源三号卫星影像解译所得（图7）。案例产品的种植区域包含兰家水库上下游两片区域，总面积61 hm2；旱地为案例区分布范围最广的土地利用类型，总面积908.68 hm2；林地在案例区覆盖面积仅次于旱地，为292.68 hm2；水体主要为兰家水库、辉发河、挡石河以及兰家村池塘，其中兰家水库为案例区水田的主要灌溉水源，总面积为8.86 hm2。案例区内村庄包含组成兰家村委会的四个自然村（屯），其中占地面积最大的为案例区水田北部的泉眼沟，总面积为21.96 hm2；其次为案例区南部的兰家村，总面积为16.93 hm2；水库西侧的兰家新村总面积为4.76 hm2；距兰家水库及案例区水田较远的东茶条沟，面积为4.72 hm2。

图7 兰家村大米种植区土地利用图

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3.2 水稻产品特性数据

3.2.1 水稻品种

水稻：吉宏6号。吉宏6号为案例区2020年种植水稻品种，属中晚熟品种，插秧时间为5月20-26日、抽穗时间为中伏前（约7月中下旬）、灌浆时间为末伏（约8月中旬）、收割时间为10月10日左右，大米粒长为4 mm，长宽比约为1.7，产量可达7,000-7,500 kg/hm2[10]。

水稻：吉大粳稻518（JidaIndica 518）。吉大粳稻518为案例区在2021年试种水稻品种（图8），属中晚熟品种，株高109 cm左右，千粒重23.2 g，该品种4月上旬播种，5月中旬插秧，2021年11月加工的吉大粳稻518大米产品见图9。水分管理采取分蘖期浅，孕穗期深，籽粒灌浆期浅的灌溉方法[11]。

图8 吉大粳稻518（IndicaJida 518）水稻

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图9 吉大粳稻518（IndicaJida 518）大米

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本案例大米产品为优质地理特色产品。本案例产品生长区域位于传统农村永久基本农田，周边具有较好的生态环境。

3.2.2 大米检测结果数据

案例产品核心分析数据包括南京农业大学检测的兰家村大米品质鉴定数据和中国科学院地理科学与资源研究所理化分析中心（具有CMA认证资质）检测的兰家村大米元素含量测试数据（表5、表6）。由兰家村大米品质鉴定数据可知，三份大米样品的垩白粒率分别为9.5%、8%、12.5%，参考国家《优质稻谷标准》，一级优质米垩白粒率在10%以下、二级11%-20%，即兰家村大米样品1、2达到国家一级优质米标准，兰家村大米样品3为达到国家二级米标准。由兰家村大米胶稠度（胶稠度是稻米淀粉的一种胶体特性，评价优质稻米的重要指标之一，胶稠度越大，则米饭越柔软，品质越好）检测可知，兰家村大米产品样品胶稠度可达100 mm，是同批次54个大米样本中的最高值；由兰家村大米产品检测数据可知（表7），兰家村大米样品中的15个检测指标均无超标现象，产品总体具有较高的品质。

此外，对案例区2021年增加种植的水稻品种吉大粳稻518的品质检测结果显示，吉大粳稻518品种糙米率84.2%，精米率77%，整精米率71.4%，长宽比1.6，粒长4.5 mm，垩白粒率6%，垩白度1.5%，胶稠度81 mm，碱消值7.0，直链淀粉含量15.42%，蛋白质含量6.65%。该品种同样达到了国家一级优质米标准[3]。

3.3 经营管理

兰家村位于磐石市南部，牛心镇南部，距离镇政府所在地15 km，东邻虎龙村，南接辉南县，西连宝山乡，北与朝阳村相连[4]。兰家村共有4个自然屯，7个村民小组、396户1,665人。其中，35岁以下只有2人。兰家村现有西洋参种植园区1个、果园1个、散户养牛100余头。兰家村耕地总面积897 hm2，其中，案例区水田面积61 hm2。兰家村水稻种植基本是各农户承包土地进行经营。2020年，兰家村村集体无经济收入，农民人均收入1.65万元。2021年，兰家米种植专业合作社成立，村集体收入增加至10万元。

3.3.1 深入开展科技合作

为践行"绿水青山就是金山银山"发展理念，推进磐石市乡村振兴，确保地方经济科学发展，就磐石兰家村优质地理产品案例议题中国科学院地理科学与资源研究所与磐石市开展多次调研及深入的合作。

（1）2020年12月1日，中国科学院地理科学与资源研究所刘闯研究员到兰家村调研（图10），与兰家村村书记和村民座谈，提出村民组织起来，发挥兰家村地理资源优势，加强科技融合，用品牌与市场对接，做出"优质地理产品生境保护与可持续发展"案例的建议；

（2）2021年3月11日，磐石市市委书记于技群、市人民政府戚武副市长一行与中国科学院地理科学与资源研究所举行座谈会，双方签署科技合作框架协议（图11）；

（3）2021年3月15日，中国科学院地理科学与资源研究所、吉林大学、北京天航华创科技股份有限公司等多方专家参与开展了磐石兰家村大米永久基本农田案例专家研讨会，启动建设兰家村水稻生长实时监测系统野外观测站；

图10 2020年12月刘闯研究员考察兰家水库地理环境

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图11 2021年3月磐石市市委书记于技群、市人民政府戚武副市长一行与中国科学院地理科学与资源研究所举行座谈会，双方签署科技合作框架协议

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（4）2021年5月20日，中国科学院地理科学与资源研究所江东研究员、付晶莹副研究员在水稻插秧期到兰家村开展现场调研；

（5）2021年7月19日，中国科学院地理科学与资源研究所封志明副所长、王振波处长、付晶莹副研究员等到磐石调研，考察兰家村大米种植情况。

3.3.2 成立合作社

2021年3月26日兰家米种植专业合作社正式成立。合作社是兰家村原个户为特点的经营转向集体经营管理的重要组织方式。该合作社主要负责案例产品的生产、加工、销售等。同时，为保障合作社经营管理，磐石市兰家米种植专业合作社设立理事长、法定代表人，执行监事，合作社股东等。

3.3.3 商标注册

2021年1月兰家村注册了兰家村大米商标（图12）。

图12 兰家村大米注册商标

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3.3.4 建设地面实时观测站与溯源系统

为了更好地对水稻生长环境及过程进行追溯，2021年3月，兰家村建设了水稻生境自动观测站（图13）。该观测站是一款低功耗物联网感知系统，功能包含实时可见景观（图14）、空气温度（图15）、空气湿度（图16）、空气质量（图17）、风速、风向等10种定位观测参数的自动识别和记录。

图13 2021年3月生境观测站建成

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图14 2021年9月地面观测站观测的实时景观图像

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图15 2021年4月至2021年9月地面观测到的实时生境数据（空气温度）

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图16 2021年4月至2021年9月地面观测到的实时生境数据（空气湿度）

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图17 2021年4月至2021年11月地面观测到的实时空气质量数据（PM2.5）

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3.3.5 水稻栽种管理规范化

磐石市兰家米种植专业合作社制定了合作章程[5]。水稻种植生产在完全无污染的产地条件下进行，遵守种植管理规范，配备专职人员常年负责建设和管理，并配齐农业技术人员，开展生产技术培训和田间管理生产技术指导，建立了大米生产档案，按要求对水稻生产的全过程作档案记录，以备查阅。主要技术、管理措施及标准如下：

（1）产地环境技术条件，包括农田用水、土壤、空气的各项指标及浓度限值必须符合有机稻的生产要求；土壤具有较好的保水保肥能力；

（2）品种选择与处理，按当地积温、灌水等生态条件和市场要求，选用熟期适宜、优质高产、抗病和抗逆性强并已通过审定、推广的品种；浸种前选晴天晒种1-2天，每天翻动3-4次；把选好的种子用1%石灰水在室温下浸泡3天；

（3）培育壮秧、耕翻地、整地、浸种催芽、播种、苗床管理、除草与病虫害防治遵照相关规定执行；

（4）田间管理采用机械整地，高低相差小于10 cm，耙前亩施优质腐熟农家肥；插秧行穴距3 cm×10 cm，每穴3-5株，每平方米33穴左右；插秧后返青前灌约苗高2/3的水，扶苗护苗；有效分蘖期灌3 cm浅水，增温促蘖；有效分蘖中期前3-5天排水晒田。晒田达到池面有裂缝，地面见白根，叶挺色淡，晒5-7天后恢复正常水层；孕穗至抽穗前，灌4-6 cm活水。遇到低温灌15-20 cm深水护胎；抽穗开花期，灌5-7 cm活水，灌浆到蜡熟期间歇灌水，干干湿湿，以湿为主；黄熟初期开始排水，洼地可适当提早排水，漏水地可适当晚排。

（5）追肥使用有机肥+水稻专用肥。采用物理方法除草、除虫；以增强作物抗性、培育稻田生态平衡、科学合理的平衡施肥技术和充分利用自然天敌控制虫害为主要手段，辅以限量使用有机标准GB/T 19630—2019中允许使用的农药，综合治理病虫害。

（6）收获以稻谷成熟度达到90%，约每年10月10日，边收获边脱粒。

3.4 传统与传承

中国东北地区很早就种植过水稻[12]。早在1,300多年前的唐朝时期，卢城之稻就已享誉华夏。《东北通史》记载，渤海国的王都中京显德府和府领卢、显、铁、汤、荣、兴6州均在吉林省境内[13]。当时的卢城之稻就是今天的吉林大米。到了清朝，吉林大米的优良品质就更为全国所认识，从努尔哈赤到咸丰等历代皇帝都指定吉林大米为贡米。公元1682年，康熙皇帝东巡至吉林市，食用吉林大米，觉其香糯润滑，口感甚佳，欣喜不已。19世纪中叶，随着清政府对长白山封禁政策的开禁，延边地区首先开始种植水稻，开启了近代东北水稻百年多的栽培历史，并使当时延边地区成为东北地区著名的水稻之乡，之后水稻栽培技术迅速向吉林省和东北全境扩展。

1949年新中国成立，磐石水田面积已达5,458 hm2。新中国成立之后，磐石人民政府规定"开旱田三年、水田五年免交农业税，旱田改水田三年不改变负担；同时发放水利贷款，鼓励兴修水利，扩大水田面积，并于1954年掀起兴修水利高潮，到1955年水田面积已达7,956 hm2。1958年人民公社化运动之后，磐石再次大兴水利，水田面积猛增至20,681 hm2。60年代以后，磐石开始巩固水利建设成果，提高水利工程质量与标准，使水田面积稳步增加。同时各地区开始修建水田条田，取消田埂，将小池变大池。至1975年底全县已修水田条田7,866 hm2，以后逐年建设，到1990年，已修水田条田15,000 hm2，占水田实有总面积51.5%。1991年，磐石水稻种植以通育35、通育36为主，播种面积16,629 hm2，产量117,159 t。1999年，水稻播种面积增至18,095 hm2，产量182,955 t[14]。

4 讨论与结论

吉林磐石兰家村地处长白山脉向松嫩平原过渡地带，属于丘陵半山区，受地理位置和大气环流的影响，气候条件非常适宜水稻生长。案例产品种植区属于典型黑土区永久基本农田，主要灌溉水源地兰家水库处于地势低洼地区，冰雪融水、自然降水等清洁水源自然汇集，全流域生态环境优越、无污染，独特的地理环境孕育了具有区域特色的吉林磐石兰家村优质地理特色大米产品。磐石市市委、市政府非常重视乡村振兴与科技融合工作；中国科学院地理科学与资源研究所"接地气"的科学研究，采用开放科学的方法和科学传播的手段，将科学、技术与工程相结合；指导兰家村由个户种植转向合作社，开展绿色种植，建立起生态环境实时监测物联网系统、注册商标、注重品牌与市场的结合等一系列改革措施，使得百姓增加经济效益，乡村得到振兴发展，也为科学家把"论文写在祖国大地上"趟出一条路子。磐石兰家村大米永久基本农田案例的科学思路、技术方法和组织模式在磐石市做出了可推广、可复制的样板和示范，为适宜磐石发展的乡村振兴磐石模式提供了宝贵的实践经验。

作者分工：付晶莹对数据集的开发做了总体设计，撰写了数据论文；都兴林、郑青松完成了大米品种及大米品质数据的测试和相关技术指导；乔云波、闫实、祝晓光提供并处理了关键的实时监测数据以及大米、土壤元素含量等检测数据；谷月宝、付永君采集并完成了案例区生态环境、水稻种植管理等数据。

致谢：本项研究得到中国科学院地理科学与资源研究所刘闯研究员、江东研究员、王振波处长、林刚博士、姚丽娜主管等的指导和帮助；得到磐石市市委、市政府于技群书记、王萍萍市长、戚武副市长、王政文局长、周立国书记、李丽书记等的支持。笔者谨此深表谢忱。

利益冲突声明：本研究不存在研究者以及与公开研究成果有关的利益冲突。

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