基于GIS的天祝縣耕地地力等級評價

曹雪敏，楊虎德

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070）

土壤是人們賴以生存和發(fā)展的最根本的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤質(zhì)量是土壤特性的綜合反映，可以指示土壤條件差異及其動態(tài)變化[1～2]。耕地地力是指在特定氣候區(qū)域由地形、地貌、成土母質(zhì)、土壤理化性狀、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施及培肥水平等要素綜合構(gòu)成的耕地生產(chǎn)能力，因此，耕地地力除了受土壤本身理化性質(zhì)的影響以外，還受到排灌能力等自然條件和人為因素的影響[3～6]。耕地地力評價不僅可以評估耕地的生產(chǎn)能力水平，及時掌握耕地土壤的基礎(chǔ)地理變化規(guī)律，而且可以用于指導耕地的合理利用、合理施肥，有效保護和提高耕地質(zhì)量，保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)[7]。近年來，有關(guān)耕地地力評價方面的研究已有很多文獻報道。采用GIS技術(shù)和模糊評價、層次分析及綜合指數(shù)法等不同方法開展基于GIS的耕地地力質(zhì)量評價研究，評價結(jié)果可不同程度地反映研究區(qū)域內(nèi)耕地地力的狀況，對耕地地力評價具有可行性和科學性，對科學管理耕地具有指導意義[8]。天祝縣第二次土壤普查距今已有25 a之久，隨著生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的變化，天?？h耕地地力也發(fā)生了較大變化。我們在野外調(diào)查和室內(nèi)化驗分析的基礎(chǔ)上，以遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和統(tǒng)計軟件SPSS等技術(shù)方法及有關(guān)數(shù)學模型為依托，對天祝藏族自治縣的耕地地力進行評價，以期能直觀和準確地反映出全縣的耕地地力現(xiàn)狀，為耕地資源的科學管理和可持續(xù)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

天祝藏族自治縣地處甘肅省中部，河西走廊和祁連山東端，東經(jīng)102°27′～103°46′，北緯36°31′～37°55′。東臨景泰縣，北接涼州區(qū)、古浪縣，南與永登縣相鄰，西北與肅南裕固族自治縣接壤，西與青海省門源、互助、樂都縣毗鄰。

地勢西北高，東南低，處于青藏高原、黃土高原和內(nèi)蒙古高原的交匯地帶，屬青藏高原東北邊緣，海拔2 040～4 874m?？h域國土面積7 147 km2，總耕地面積5.56萬hm2，占國土面積的7.49%，全縣轄19個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，176個行政村。屬寒溫帶大陸性高原氣候，氣溫低、日照短，天氣多變，山地氣候垂直差異大。年平均氣溫-0.2℃，全年無霜期73 d，年均降水量411.33mm。主要土壤類型有8個土類19個亞類24個土屬，耕地土壤類型主要為山地黑鈣土、山地栗鈣土2種。全縣種植的主要農(nóng)作物有小麥、油菜、青稞、馬鈴薯、豌豆、蔬菜和飼草。2011年全縣農(nóng)作物播種面積5.56萬hm2，其中糧食作物播種面積2.44萬hm2，經(jīng)濟作物播種面積0.96萬hm2。

2 資料與方法

2.1 研究資料及處理方法

2.1.1 基礎(chǔ)及專題地圖資料 包括1∶50 000地形圖、土壤圖、土地利用現(xiàn)狀圖、行政區(qū)劃圖、地貌類型分區(qū)圖、灌溉分區(qū)圖、道路交通圖、居民點分布圖、水系分布圖等。對圖件資料采用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 9.2進行數(shù)字化、圖形編輯、圖幅誤差校正、拓撲檢查等處理[9]。

2.1.2 遙感影像 SPOT 5遙感影像，運用Erdas8.7進行幾何校正、圖像處理并進行信息提取。

圖1 天祝藏族自治縣耕地地力等級分布

2.1.3 野外調(diào)查資料 野外調(diào)查點數(shù)據(jù)主要包括采樣點經(jīng)緯度坐標、地形地貌、障礙因素、土壤類型、表層質(zhì)地、土壤母質(zhì)、土層厚度、灌排條件、耕地利用現(xiàn)狀、作物長勢產(chǎn)量、管理措施水平等。根據(jù)野外調(diào)查資料，在Access平臺下，建立土樣數(shù)據(jù)庫[10]，并生成土壤采樣點點位分布圖。

2.1.4 室內(nèi)化驗分析資料 包括pH值，有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、緩效鉀、速效鉀等養(yǎng)分含量。

2.1.5 土壤養(yǎng)分分布圖 基于土壤采集樣點分布圖，采用ArcGIS中的地統(tǒng)計分析克里格（Kriging）差值法形成土壤養(yǎng)分分布圖（圖1），包括pH值、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、緩效鉀、速效鉀等矢量分布圖。

2.2 研究方法

耕地地力評價是一種綜合性的多因素評價，難以用單一因素的方法劃定[11]。我們采用“全國耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程”推薦的方法，即綜合應用相關(guān)分析因子分析，模糊評價、層次分析等數(shù)學原理，結(jié)合專家經(jīng)驗并進行計算機擬合、插值分析等方法構(gòu)建定性與定量相結(jié)合的耕地地力評價方法。

2.2.1 評價單元確定 利用耕地分布圖、土壤圖（以圖種圖斑為基礎(chǔ)）和土地利用現(xiàn)狀圖、行政區(qū)劃圖、灌溉分區(qū)圖、地貌類型分區(qū)圖疊加求交形成的圖斑作為評價單元，將全縣共劃分耕地地力評價的基本單元7 495個，每個單元都有專門的特征屬性，單元內(nèi)部土壤類型、利用方式、耕作方法、田間設(shè)施條件、理化性狀等基本一致。

2.2.2 參評因素的選擇 選取評價因素主要有4個原則[12]。一是對土地的生產(chǎn)力有比較大的影響；二是在評價區(qū)域內(nèi)變異較大，便于劃分土地等級；三是以穩(wěn)定性高的因子為主，對一些影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定因子也予以考慮；四是因素之間要求相關(guān)性極小或不相關(guān)，相關(guān)性大不宜同時選擇評價因素。采用定量和定性方法結(jié)合，進行了參評因素的選取，建立天?？h耕地資源管理信息系統(tǒng)，采用綜合指數(shù)法對耕地地力進行評價，通過系統(tǒng)聚類方法篩選影響耕地地力的理化性質(zhì)等定量指標，利用Delphi法篩選影響耕地地力的立地條件、物理性狀等定性指標，最后選取5類約束因素（土壤養(yǎng)分、土壤管理、剖面構(gòu)型、立地條件、障礙因素）、11個指標（速效鉀、有效磷、有機質(zhì)、灌溉模數(shù)、灌溉保證率、剖面構(gòu)型、質(zhì)地、海拔、地貌類型、障礙層厚度、障礙層位置）作為天?？h耕地地力評價的參評指標（參評因素層次結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2）。

圖2 天?？h耕地地力評價因子層次結(jié)構(gòu)

2.2.3 參評因素權(quán)重的確定 采用層次分析法（AHP），在確定約束層和指標層的權(quán)重系數(shù)后，將每個指標對應約束層的權(quán)重系數(shù)乘以約束層對耕地地力的權(quán)重系數(shù)[13]，得到各參評因素的實際權(quán)重（表1）。

表1 天?？h耕地地力各評價因子權(quán)重

2.2.4 參評因素的隸屬函數(shù)擬合 將選定的評價指標與耕地生產(chǎn)能力的關(guān)系分為戒上型函數(shù)、戒下型函數(shù)、峰型函數(shù)、直線型函數(shù)以及概念型函數(shù)5種類型的隸屬函數(shù)，對不同類型的函數(shù)采用回歸分析方法或Delphi法評估出相應的單因素隸屬度，并且根據(jù)評估值擬合隸屬函數(shù)。

2.2.5 綜合指數(shù)計算與分級 資源管理信息系統(tǒng)采用加法模型計算耕地綜合地力指數(shù)（IFI），根據(jù)綜合指數(shù)的變化規(guī)律，運用累積曲線法確定等級標準，將天祝縣耕地地力進行劃分。

式中，F(xiàn)i表示第i個因子隸屬度，Ci表示第i個因素的權(quán)重。

3 結(jié)果與分析

3.1 天祝縣耕地地力等級劃分

根據(jù)天?？h耕地地力綜合指數(shù)結(jié)果，結(jié)合該地區(qū)的實際，將天祝縣的耕地地力劃分為5個等級，即一等耕地IFI＞0.5100，二等耕地IFI為0.510 0～0.445 0，三等耕地IFI為0.445 0～0.429 5，四等耕地IFI為0.429 5～0.365 5，五等耕地IFI＜0.365 5。各等級耕地比例相對較為均衡，其中一等耕地面積為0.81萬hm2，占耕地總面積的14.6%；二等耕地面積為1.16萬hm2，占耕地總面積的20.9%；三等耕地面積為1.62萬hm2，占耕地總面積的29.2%；四等耕地面積為1.21萬hm2，占耕地總面積的21.8%；五等耕地面積為0.75萬hm2，占耕地總面積的13.5%（表2、圖3）。

表2 天?？h耕地地力等級分布情況

圖3 天?？h不同等級耕地面積（萬hm2）

3.2 耕地地力等級的行政區(qū)域分布

由表3可以看出，天?？h一等耕地主要分布在打柴溝鎮(zhèn)、華藏寺鎮(zhèn)、哈溪鎮(zhèn)、松山鎮(zhèn)等莊浪河周邊一帶，二等耕地主要分布在哈溪、朵什、賽什斯、安遠等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），三等耕地主要分布在松山、華藏寺、西大灘、賽什斯、祁連等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），四等耕地主要分布在松山、西大灘、安遠、哈溪、朵什等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）；五等耕地主要分布在大紅溝、東大灘、打柴溝、旦馬等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）。

4 結(jié)論與建議

1） 評價結(jié)果將天?？h耕地地力劃分為5個等級，其中一等耕地面積為0.81萬hm2，占耕地總面積的14.6%；二等耕地面積為1.16萬hm2，占耕地總面積的20.9%；三等耕地面積為1.62萬hm2，占耕地總面積的29.2%；四等耕地面積為1.21萬hm2，占耕地總面積的21.8%；五等耕地面積為0.75萬hm2，占耕地總面積的13.5%。

2）天?？h一等耕地土壤類型主要以山地黑鈣土和山地栗鈣土為主，含有少量的潮土和草甸土。土壤質(zhì)地以中壤為主，熟化土層厚度大多在60 cm以上，地貌類型主要為河谷平原區(qū)和淺山區(qū)，耕地灌排設(shè)施健全，灌溉保證率高，灌溉水質(zhì)好，地勢平坦，無明顯障礙層，土壤理化性狀良好，可耕性強，土壤肥力高。耕層土壤含有機質(zhì)33.5 g/kg、全氮1.88 g/kg、堿解氮117mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷26.4 mg/kg、全鉀19.1 g/kg、速效鉀265mg/kg、緩效鉀1 287mg/kg。在農(nóng)業(yè)利用中應主要推廣測土配方施肥技術(shù)，加強耕地保護。

二等耕地土壤類型主要以山地黑鈣土和山地栗鈣土為主，也有少量的山地褐土，土壤質(zhì)地以中壤為主，土壤熟化層厚，地貌類型以中山區(qū)為主，少量分布在河谷平原區(qū)和淺山區(qū)，灌溉保證率較高，可耕性較強，土壤肥力較高。耕層土壤含有機質(zhì)30.9 g/kg、全氮1.87 g/kg、堿解氮116 mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷25mg/kg、全鉀19.4 g/kg、速效鉀251mg/kg、緩效鉀1 295mg/kg。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用中，要加強農(nóng)業(yè)灌溉，推廣農(nóng)田節(jié)水技術(shù)，調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)，種植低耗水作物，重視有機肥的生產(chǎn)和使用。

三等耕地土壤類型以山地黑鈣土和山地栗鈣土為主，有少量山地灰褐土，土壤質(zhì)地以均質(zhì)中壤為主，灌溉保證率較差，地貌類型以淺山區(qū)為主，少量分布在中山區(qū)。土壤理化性狀良，可耕性較強。耕層土壤含有機質(zhì)33.4 g/kg、全氮1.98 g/kg、堿解氮110mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷24 mg/kg、全鉀18.5 g/kg、速效鉀281mg/kg、緩效鉀1 279mg/kg。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應針對性的采取工程措施，加強和完善排水系統(tǒng)設(shè)施建設(shè)，增施有機肥料和秸稈還田，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，推廣農(nóng)田節(jié)水技術(shù)。

四等耕地土壤類型以山地黑鈣土和山地栗鈣土為主，有少量山地灰褐土和亞高山草甸土，土壤質(zhì)地中壤為主，主要為旱地，無灌溉條件。地貌類型以淺山區(qū)、中山區(qū)和亞高山區(qū)為主。耕層土壤含有機質(zhì)32.4 g/kg、全氮1.88 g/kg、堿解氮112 mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷23.6 mg/kg、全鉀19.4 g/kg、速效鉀260mg/kg、緩效鉀1 267mg/kg。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應注意增施有機肥，推廣地膜覆蓋技術(shù)及儲水保墑技術(shù)。

五等耕地土壤以山地栗鈣土為主，有少量山地黑鈣土、山地灰褐土和亞高山草甸土，土壤質(zhì)地以中壤為主，無灌溉條件，地貌類型以淺山區(qū)和亞高山區(qū)為主。耕層土壤含有機質(zhì)33.9 g/kg、全氮1.94 g/kg、堿解氮123mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷26.5mg/kg、全鉀19.8 g/kg、速效鉀280mg/kg、緩效鉀1 295mg/kg。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應推廣地膜覆蓋栽培技術(shù)，種植節(jié)水作物，推廣儲水保墑技術(shù)，或進行種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，合理利用土地資源，開展退耕還草發(fā)展畜牧業(yè)。

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