基于GIS的河西走廊灌溉農業區耕地地力評價研究*——以甘肅省肅州區耕地地力評價為例

崔增團，郭世乾

(甘肅省農業節水與土壤肥料管理總站，蘭州 730020)

耕地質量是確保國家糧食安全和農產品質量安全的基礎，沒有可靠的耕地質量，就不可能從根本上保障我國糧食安全和食品安全。耕地地力是耕地質量的集中反映，包括耕地的立地條件、土壤條件和農田基礎設施及培肥水平等［1-2］。近年來，隨著“3S”技術不斷發展，已在農業領域得到廣泛應用。如吳立忠以麥積區為例對黃土高原丘陵溝壑區耕地地力進行了評價研究［3］，魯明星等以鄂州市為例選擇了13個評價因子開展了基于GIS的華中丘陵區的耕地地力評價研究［4］。林碧珊等以土種為單元，采用限制因素法和綜合歸納法，對廣東省耕地地力因素進行系統分析和評比，評價耕地 (土種)地力等級［5］。

河西走廊灌溉農業區是我國著名的灌溉農業區，也是我國主要的商品糧生產基地、玉米制種基地及經濟作物集中生產基地。該研究結合農業部耕地地力調查項目，借助于GIS技術，綜合運用層次分析、模糊數學方法，以肅州區為例，探究其影響河西走廊灌溉農業區耕地地力的主要因素，開展耕地地力評價，摸清河西走廊灌溉農業區耕地綜合生產能力。

1 研究區域情況與條件

1.1 研究區域基本情況

甘肅省肅州區位于河西走廊中部的西端，東接高臺縣，北連金塔縣，西鄰嘉峪關市，南與肅南縣接壤，地處北緯39°10＇～39°59＇，東經 98°20＇～99°18＇范圍之內，海拔 1 340 ～2 200m 之間。東西長約104km，南北寬約84km，總面積3 449.5km2，耕地面積4.58萬hm2。年平均氣溫7.3℃，年平均降水量85.3mm，年平均蒸發量為2 148.8mm，年平均日照時數為3 033.4小時。可利用的水資源總量為15.46億m3，其中可利用的地表水6.98億m3，可利用的地下水8.52億m3，是典型的內陸干旱荒漠綠洲灌溉農業區，沒有灌溉就沒有農業。全區轄15個鄉鎮，10個國營農林場，124個村民委員會，790個村民小組。農村總戶數5.87萬戶，農村總人口21.78萬人，農村從業人員11.97萬人。境內地勢平坦，土壤肥沃，水源充足，是一個人口密集，人多地少，耕地資源十分緊張的區 (縣)。耕種土壤主要為灌漠土和潮土。

1.2 研究條件

屬性數據庫的建立主要應用ArcGIS 9.3及Microsoft Office Access 2007數據庫軟件，空間數據庫的建立主要應用ArcGIS 9.3軟件，評價指標的隸屬函數模型建立與層次分析主要應用SPSS 13.0進行分析。

2 研究方法

2.1 評價單元的確定

利用ArcGIS 9.3軟件對1∶5萬土地利用現狀圖、土壤圖、行政區劃圖、水利分區圖、地貌類型圖進行疊加求交，共生成4 526個評價單元，使單元空間界線及行政隸屬關系明確，有準確的面積，地貌類型及土壤類型一致，利用方式及耕作方法相同，便于農業結構調整規劃和指導實際的農事操作為原則。

2.2 評價指標的確定

2.2.1 確定原則

以選取的指標對耕地生產力有較大的影響、在評價區域內的變異較大、在時間序列上具有相對的穩定性、與當前生產密切相關等為原則。

2.2.2 確定方法

邀請18位有關專家在全國66個評價指標中采用特爾斐法和模糊評價法進行選取。

2.2.3 評價指標

確定土壤侵蝕程度、海拔高度、有效土層厚度、質地構型、剖面構型、有機質、有效磷、速效鉀、障礙層厚度、1m土層含鹽量、障礙層出現位置、灌溉模數、灌溉保證率13項指標耕地地力評價指標。

2.3 數據庫的建立

海拔高度指標的獲取，利用ArcGIS9.3軟件對肅州區地形圖進行DEM分析以后，采用區域統計加權平均的方法將值賦給相應的評價單元。

有機質、有效磷、速效鉀、1m土層含鹽量等指標的獲取，是以肅州區耕地地力調查項目中用GPS準確定位采集的4 600個耕層調查樣，按照按常規方法進行化驗分析［6］，經地統計分析符合空間插值條件，利用ArcGIS中普通Kriging插值方法進行空間插值。

有效土層厚度、質地、剖面構型、障礙層厚度、障礙層出現位置、土壤侵蝕程度是通過土壤圖關聯屬性數據以后，生成評價單元過程中直接賦值。

灌溉模數、灌溉保證率是通過1∶5萬灌溉分區圖與管理單元圖疊加以后，進行屬性提取。

2.4 單因素評價

2.4.1 概念性指標評價

概念型指標評價采用專家經驗法，直接對評價單元進行模糊評價確定隸屬度 (表1、表2、表3、表4，表5)。

表1 土壤侵蝕程度隸屬度

表2 質地構型隸屬度

表3 灌溉保證率隸屬度

表4 灌溉模數隸屬度

表5 剖面構型隸屬度

2.4.2 數值性指標評價

數值型指標采用特爾斐法和模糊評價法，用SPSS 13.0軟件建立評價指標實際值和代表生產力水平的隸屬度 (0～1值)間隸屬函數模型 (表6)。

表6 數值型評價指標的隸屬函數類型

2.5 計算評價指標權重

表7 各個因素的組合權重計算結果

采用層次分析法確定每一個評價因素對耕地地力貢獻大小。依據14項指標要素間的關系，構造層次結構圖，比較同一層次各因素對上層次的相對重要性，給出數字化的評估，形成判斷矩陣，計算層次分析結果 (表7)。

2.6 計算耕地地力綜合指數 (IFI)

利用前面2.2節至2.5節中選擇的評價指標及各指標隸屬度、隸屬函數模型和組合權重，采用加法模型 (下式)計算耕地地力綜合指數IFI:

式中:IFI(Integrated Fertility Index)代表耕地地力指數;

F i=第i個因素隸屬度;CiBi=第i個因素的組合權重。

2.7 確定耕地地力綜合指數分級方案

利用SPSS 13.0分析軟件評價耕地地力，采取累積曲線分級法劃分耕地地力等級，將肅州區耕地地力劃分為4級 (表8)。

2.8 確定國家耕地地力等級

在每一個地力等級上選取10%的管理單元，獲得了453個管理單元上的IFI值，并獲取了所選取的管理單元上近3年實際的年平均產量，然后對所選管理單元上的IFI值和實際產量進行回歸模擬，r=0.89＊＊，計算各相應等級上的概念性產量，按照農業部《全國耕地類型區耕地地力等級劃分》標準歸入以概念性產量表示的地力等級體系 (表8)。

表8 肅州區耕地地力等級與國家地力等級劃分

3 結果與分析

3.1 各級等級基本情況

由表8可見，肅州區總耕地面積為4.58萬hm2，耕地地力等級可分為4個等級，一、二、三等地占的比例較大，分別為36.1%、37.2%和21.6%，占總耕地的94.9%，四等地占的比例較小，為5.1%。根據《全國耕地類型區耕地地力等級劃分》農業行業標準，肅州區一至四等地，分別對應國家三至六等地。

3.2 耕地地力等級空間分布特點及土壤屬性分析

由圖1、表9可知，肅州區一等地主要分布在肅州區北部地區，土種以灌淤土和潮土為主，地貌類型以傾斜沖洪積平原為主，耕層質地構型以輕壤質和中壤質為主，灌溉保證率均在75%以上，土層厚，有效土層厚度大于1m，地勢平坦，降水量少，無明顯障礙層，耕層土壤鹽分平均含量為0.26%，土壤理化性狀良好，可耕性強。耕層土壤pH值為8.56，有機質14.86g/kg，有效鋅 1.19mg/kg，有效磷 18.39mg/kg，速效鉀 160.69mg/kg，堿解氮 72.45mg/kg。

圖1 肅州區耕地地力等級

二等地主要分布在肅州區中北部的各鄉鎮以及西南部的部分鄉鎮，土種以潮土和灰棕漠土為主，地貌類型以淺山區和低洼地為主，耕層質地構型以均質輕壤、均質中壤和夾黏中壤為主，灌溉保證率在65%以上，有效土層厚度在29～100cm，降雨量少，有明顯障礙層，耕層土壤鹽分平均含量為0.22，有輕度鹽堿危害，可耕性較強。耕層土壤pH值為8.54，有機質14.27g/kg，有效鋅1.22mg/kg，有效磷18.10mg/kg，速效鉀149.53mg/kg，堿解氮68.68mg/kg。主要影響因素是土壤障礙層位置和厚度。

表9 不同等級土壤屬性分析

三等地主要分布在肅州區中部西洞鎮、清水鎮、黃泥堡鄉、豐樂鄉、鏵尖鄉，土種以灰棕漠土為主，耕層質地構型以均質輕壤、夾黏中壤和夾砂輕壤為主，灌溉保證率均在65%以下，有效土層厚度在29～100cm，降雨量少，海拔高，有明顯障礙層，1m土層鹽分含量平均值為0.26%，土壤理化性狀良好，可耕性較強。耕層土壤pH值為8.54，有機質14.68g/kg，有效鋅1.20mg/kg，有效磷18.14mg/kg，速效鉀157.07mg/kg，堿解氮70.25mg/kg。主要影響因素是鹽堿危害，土層中存在障礙層。

四等地主要分布在肅州區祁連山一帶。土種以山地灰棕漠土為主，地貌類型為緩坡地，耕層質地構型以均質中壤和均質輕壤為主，灌溉保證率均在65%以上，有效土層厚度22～48cm，土層薄，有明顯障礙層，耕層土壤鹽分含量平均值為0.25%;受鹽堿和風蝕危害，可耕性較好。耕層土壤pH值為8.54，有機質 13.97g/kg，有效鋅 1.19mg/kg，有效磷 17.78mg/kg，速效鉀 149.91mg/kg，堿解氮 69.53mg/kg。主要影響因素為灌溉保證率差。

4 結論

(1)以甘肅省肅州區為例，應用GIS技術，結合層次分析法和模糊數學綜合評價方法等現代統計分析技術對河西走廊灌溉農業區耕地地力評價指標權重分析結果表明，剖面構型、障礙因素、土壤管理是影響該區域耕地生產潛力最重要的因素，其重要程度依次為:剖面構型＞障礙層位置＞質地構型＞灌溉保證率＞土體含鹽量＞有機質＞有效土層厚＞海拔高度＞障礙層厚度＞有效磷＞灌溉模數＞土壤侵蝕程度＞速效鉀。

(2)肅州區耕地地力等級可分為4等，一、二、三等地占的比例較大，分別為36.1%、37.2%和21.6%，占總耕地的94.9%，四等地占的比例較小，為5.1%。與國家耕地地力等級對比，肅州區一至四等地，分別對應國家三至六等地，該區域耕地綜合生產能力普遍較高。

(3)從肅州區耕地地力評價結果及屬性分析，一等地應主要測土推廣配方施肥技術，加強耕地保護和建設;二等地除推廣測土配方施肥外，還要注意深耕，加強水肥管理;三等地應大力推廣防鹽堿技術，增施有機肥，推廣綠肥種植，還應加強水利設施建設，提高灌溉保證水平;四等地應大力發展農業節水技術，如應推廣地膜覆蓋防滲技術，渠道防滲技術，膜下滴灌技術，提高水分利用效率。

［1］王蓉芳，曹富有，彭世琪，等.中國耕地基礎地力與土壤改良.北京:中國農業出版社，1996

［2］趙其國，孫波，張桃林.土壤質量與持續環境:l.土壤質量的定義及評價方法.土壤，1997，29(3):113～120

［3］吳立忠，郭世乾，張保田.基于GIS的黃土高原丘陵溝壑區的耕地地力評價研究——以天水市麥積區耕地地力評價為例.中國農業資源與區劃，2009，30(6):35～40

［4］魯明星，賀立源，吳禮樹，等.基于GIS的華中丘陵溝壑區的耕地地力評價研究.農業工程學報，2006，22(8):96～101

［5］林碧珊，湯建東，張滿紅.廣東省耕地地力等級研究與評價.生態環境，2005，14(1):145～149

［6］鮑士旦.土壤農化分析.北京:中國農業出版社.2000