基于GIS 的宜章縣耕地質量等級評價

文 雯，羅林濤,2，杜金花，謝大聲，凌宏輝，劉云華

（1.長安大學地球科學與資源學院，陜西 西安 710054；2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710082；3.桃源縣自然資源局，湖南 常德 415700）

耕地是人類賴以生存的基本要素，在人類的生產生活中扮演著不可缺少的角色[1-2]。耕地的質量直接影響農作物的產質量，也關系著國家糧食安全問題[3]。我國人口眾多，人均土地少，人均耕地更少，且耕地后備資源嚴重不足，這是我國土地資源的基本國情[4]。耕地質量等級調查與評價是國土調查的重要組成部分，是農業農村部統一部署耕地的必然要求[5-6]。近年來，眾多學者對耕地質量評價標準進行了積極有益的探索。奉婷等[7]在耕地自然質量、利用條件、空間形態與生態安全4 個方面選取相關指標，根據最大相似性原理劃分地塊，分析了北京平谷區耕地質量狀況；衛新東等[8]利用分區組合法和分層抽樣法布設監控點，從省域上建立了陜西省耕地質量監測樣點體系；何新瑩等[9]應用指標權重確定（Criteria Importance Though Intercriteria Correlation，簡稱CRITIC）法改進灰靶評價模型，提出了一種三重質量維度下的縣域耕地質量評價新方法，并以赤壁市的耕地為例進行了實證分析，研究結果與現有的耕地質量等級評價結果基本一致；汪甜甜等[10]利用層次分析法、特爾斐法及模糊評價等方法對耕地質量進行了綜合性評價；劉露等[11]利用計量經濟學模型和二元Logistic 回歸模型對江蘇省東海縣3 個比例尺下的耕地質量分等結果差異進行了研究。本文以宜章縣作為研究對象，依據GB/T33469—2016 建立2022 年宜章縣耕地質量評價體系，確定了適用于縣級的統一指標體系和等級劃分標準，厘清了全縣耕地質量等級的分布特征，為宜章縣耕地質量的保育和提高提供了有效的數據和經驗，為當地農業生產的穩定和可持續發展提供了理論依據。

宜章縣位于112°37'35"～113°20'29"E，24°53'38"～25°41'53"N 之間，地處湖南省南端，南嶺山脈中段，騎田嶺南麓，現轄19 個鄉鎮級行政區。據《宜章縣統計年鑒2021 年》土地總面積為2 117 km2，占郴州市面積的10.8%。宜章縣背倚三湘四水，面向粵港澳，古稱“楚粵之孔道”，今為湖南“南大門”，是典型的山區農業縣[12-13]。湖南省農業農村廳綜合考慮該縣實際情況，結合《關于印發〈湖南省第三次國土調查耕地質量等級調查與評價實施方案〉的通知》（湘農辦函〔2020〕67 號）文件的要求，在該縣開展了耕地質量等級調查評價工作。這對該縣的糧食安全、農業產業結構調整、耕地質量分類管理等具有重要的指導意義[14]。

1 數據來源及評價指標體系建立

1.1 數據來源

研究所用的數據來自于2022 年宜章縣第三次國土調查耕地質量等級調查與評價的相關成果資料以及宜章縣自然資源局。有效土層厚度、質地構型、障礙因素3 個因子主要根據湖南第二次土壤普查和2021—2022 年湖南省第三次國土大調查試點等各土壤類型剖面數據進行補充。屬性數據庫主要保存原始數據，主要是樣點調查屬性數據，包括歷史樣點和新增調查樣點。依據該數據庫，利用GIS 軟件插值和區域統計派生兩個應用數據庫，即評價指標屬性數據庫和非評價指標空間數據庫，前者需要導入到耕地資源管理信息系統進行等級評價，后者供出專題圖使用。空間數據庫用于耕地評價和制圖，分為基礎空間數據庫和專題空間數據庫。

1.2 評價指標建立

GB/T33469—2016 耕地質量等級 中對耕地質量等級劃分進行了定義。耕地質量等級劃分是從農業生產角度出發，通過綜合指數法對耕地地力、土壤健康狀況和田間基礎設施構成的滿足農產品持續產出和質量安全的能力進行評價劃分出的等級。按照GB/T33469—2016 的標準，宜章縣所屬區域范圍為長江中下游區南嶺丘陵山地農林區。因此，該研究從宜章縣耕地實際條件出發，在立地條件、理化性狀、養分狀況、農田管理、生態環境5 個準則層中遴選出對宜章縣耕地質量有顯著影響的因素；其中，在立地條件中選取地形部位；在土壤理化性狀方面選取了耕層質地、質地構型、容重、酸堿度、障礙因素、有效土層厚度共6 個評價指標；在養分狀況方面，選取了有機質含量、有效磷和速效鉀共3 個評價指標；在農田管理方面選取了灌溉能力、排水能力共2 個評價指標；在生態環境方面選取了清潔程度、生物多樣性、農田林網化共3 個評價指標；構建一套宜章縣耕地質量等級評價的指標體系[12-13,15-16]。

2 耕地質量等級評價體系

2.1 評價單元的確定

評價單元利用土壤圖、土地利用現狀圖、行政區劃圖疊置取交方法制作。評價完成后利用行政區劃圖的縣域邊界進行統計。其中，土壤類型劃分到亞類，以耕地屬性按耕地質量評價要求，參考亞類邊界進行進一步分割，對于分割后的細碎圖斑，再進行融合。最后利用ArcGIS 10.0 進行疊加分析、拓撲檢查[17-18]。采用Excel 管理數據，采用SPSS 軟件統計分析屬性數據，最終匯總得到34 749 個評價單元。

2.2 評價指標權重確定

依據農業農村部印發《全國耕地質量等級評價指標體系》，按照基礎性指標和區域補充性指標相結合的原則選定了各區域所轄二級農業區的評價指標，采用層次分析法確定評價區域耕地質量各指標的權重，明確了耕地質量等級劃分指數，形成了宜章縣耕地質量等級評價指標體系，如表1 所示。

表1 宜章縣耕地質量等級評價指標權重

2.3 評價指標隸屬函數與隸屬度

隸屬度是評價因子的觀測值符合該模糊性概念的程度（即某評價因子在某觀測值時對耕地質量的影響程度[19]），完全符合時隸屬度為1，完全不符合時隸屬度為0，部分符合時隸屬度為0～1 之間的數值。

根據上述理論，可將各評價因子隸屬函數模型歸為數值型和概念型2 大類（表2 和表3）。數值型包括戒上型（有機質、速效鉀、有效土層厚度、有效磷）和峰型（pH 值、土壤容重）；概念型主要包括地形部位、障礙因素、生物多樣性、排水能力、灌溉能力、農田林網化程度、清潔程度、耕層質地和質地構型。對于概念型函數指標，由于其與耕地質量之間的非線性關系，只能通過歷史經驗、專家打分法[17]來對等級賦分，如表3 所示。耕地質量評價過程中需要采用GIS 對數值型指標進行插值，對于不符合指標特征的極值需要提前剔除，為了保證極值剔除的科學性、嚴謹性、統一性、標準化，需要根據不同指標的特征進行逐一修正[15,18]。

表2 數值型指標隸屬度

表3 概念型函數指標隸屬度

（1）戒上型函數模型：

式（1）中：yi第i 個因子的隸屬度值，ui為樣品實測值，ci為標準指標，ai為系數，ut為指標下限值。

（2）峰型函數模型：

式（2）中：yi第i個因子的隸屬度值，ui為樣品實測值，ci為標準指標，ai為系數，ut1、ut2為指標上、下限值。

2.4 耕地質量等級劃分

采用累加法計算各單元的耕地質量指數（IFI）。

式（3）中：Fi表示第i個因子的指標隸屬度，Ci表示第i個指標因子的組合權重值。根據上述公式計算得出等級劃分標準，如表4 所示。

表4 耕地質量等級劃分標準

3 結果與分析

3.1 宜章縣耕地質量等級評價結果

3.1.1 總體評價根據上述評價方法，對宜章縣耕地質量的評價結果如表5 所示。宜章縣耕地總面積為29 528.11 hm2，四級地面積最大，為5 153.39 hm2，面積比例為17.45%；其次是三級地，面積為4 434.67 hm2，面積比例為15.02%；十等地面積最少，為1 182.50 hm2，面積比例為4.00%。應用累計頻率曲線法，計算不同等級耕地面積，利用ArcGIS 10.0 軟件生成耕地質量等級分布圖，如圖1 所示。

圖1 宜章縣耕地質量等級分布

表5 宜章縣高中低產耕地質量等級情況統計

3.1.2 行政區域劃分從表5 和圖1 可以看出，宜章縣高產耕地面積為9 198.88 hm2，占全縣耕地的31.16%；高產耕地主要分布在天塘鎮、黃沙鎮、一六鎮等區域，其中天塘鎮高產耕地面積為1 020.24 hm2，占全縣高產耕地的11.09%。中產耕地面積為12 867.98 hm2，占全縣耕地的43.58%；中產耕地主要分布在玉溪鎮、梅田鎮、五嶺鎮等區域，其中玉溪鎮中產耕地面積為1 599.99 hm2，占全縣中產耕地的12.43%。低產耕地面積為7 461.25 hm2，占全縣耕地的25.26%；低產耕地主要分布在天塘鎮、笆籬鎮、楊梅山鎮等區域，其中天塘鎮低產耕地面積827.01 hm2，占全縣低產耕地的11.08%。從表5 中還可以看出，水田的質量等級中沒有十級地，以高、中產田為主，高產水田面積為9 198.88 hm2，占全縣水田面積的42.42%；低產水田面積分布較少，為2 230.68 hm2，占全縣水田面積的10.28%。旱地的質量等級分布在四級地到十級地，其中低產旱地面積5 230.57 hm2，占全縣耕地總面積的66.67%。

3.1.3 土壤養分劃分對匯總的指標進行調整，參照第二次土壤普查標準（表6）將土壤養分劃分為1～5 級。如表7 所示，宜章縣高產地除有效磷外，其余養分指標平均值較高，土壤有機質、速效鉀、pH 值等級主要分布在1 級，有效磷等級相對較低；中產地有機質含量較高，以1 級和2 級為主，有效磷、速效鉀含量等級較多的分布在3～5 級質量水平，低于高產耕地，部分耕地存在酸化現象，pH 等級分布在4～5 級，土壤容重在理想范圍內；低產地土壤養分狀況相較于中高產地有所下降，土壤養分狀況不均衡，需根據實際情況施用適當肥料改善低產田肥力水平。此外，低產田整體pH 值偏酸需加強治理。

表6 宜章縣耕地理化性質分級標準

表7 宜章縣高中低產耕地理化性質統計 （hm2）

3.1.4 耕層質地劃分如表8 所示，宜章縣高產耕地的土壤耕層質地以壤質為主，重壤面積分布最大，為4 810.76 hm2，其次是輕壤，面積為2 705.36 hm2，中壤面積分布相對較少，面積為278.05 hm2。此外，高產耕地有少量黏土，土壤容重在理想范圍內，土壤通氣狀況良好，有利于土壤形成良好的結構。中產耕地整體偏黏重，45.83%的耕地土壤質地為重壤，28.03%的耕地土壤為黏土，中壤面積比率2.01%，土壤質地水平相對較差，土壤結構水平也相應的 下降。低產耕地較高中產耕地整體偏黏重，黏土面積比率達50.69%，重壤面積比率為34.91%，土壤質地水平相對最差，土壤結構水平也相應下降。

3.1.5 地形部位劃分如表8 所示，從地形部位來看，高產耕地主要分布在丘陵下部，其次是山地坡下、丘陵中部，山地坡中的耕地分布較少；總體來看，宜章縣高產耕地的立地條件好。相對于高產耕地，宜章縣中產耕地的立地條件一般，中產耕地主要位于丘陵下部和丘陵中部。低產耕地主要分布在丘陵下部和山地坡中，而丘陵中部、山地坡下的低產耕地占比其次，山地坡上也有耕地分布，但主要是地產耕地。

3.1.6 基礎設施劃分灌溉及排水設施方面，高產耕地均較好，均為充分滿足或滿足，可加強維護，確保灌排溝渠暢通。與高產耕地相比，中產耕地的灌溉和排水能力有所下降，基本滿足和不滿足的比例均有提高。而相比于中高產耕地，低產耕地的灌溉能力則進一步下降，灌溉能力不滿足的耕地面積達到63.92%，需完善灌溉設施。此外，仍有相當部分低產耕地的排水能力為不滿足，排水設施可進一步改善。

3.1.7 障礙因素需要注意的是宜章縣的中產耕地和低產耕地均存在障礙因素，其中16.51%的中產耕地和37.59%的低產耕地存在障礙因素。中產耕地和低產耕地障礙因素都以漬潛為主，面積分別為1 621.38 和1 233.43 hm2，分別占中低產耕地的12.61%和16.53%，瘠薄、酸化和障礙層次占比較低。

3.2 評價因子隸屬度分析

宜章縣各級各類耕地評價因子隸屬度值如表9所示。15 個耕地評價因子中，隸屬度均值小于0.7的是有效磷和灌溉能力2 個因子，隸屬度均值在0.7～0.8 之間的有速效鉀和地形部位2 個因子，清潔程度、有機質、障礙因素、有效土層厚度、土壤容重、農田林網化程度6 個因子的隸屬度均值在0.9 以上，其他5 個因子隸屬度均值在0.8～0.9 之間。

表9 宜章縣各級耕地各類評價因子的隸屬度

15 個因子中，除地形部位、質地構型、有效土層厚度、生物多樣性、農田林網化程度、清潔程度等6 個因子不能或較難改變外，其他因子都可通過人工干預來改善因子狀況，達到提升耕地質量的目的。總體上看，宜章縣耕地質量評價指標中清潔程度、有機質、障礙因素、有效土層厚度、容重、農田林網化程度等6 個因子表現較優，后期需加強維護，而有效磷和灌溉能力2 個因子表現較差，亟待改善。

4 結論與建議

4.1 結 論

（1）按照耕地質量評價的技術路線，計算每個耕地評價單元的質量等級，并根據每個耕地評價單元的面積進行加權平均，得到宜章縣耕地質量平均等級為4.91。

（2）宜章縣高產耕地面積為9 198.88 hm2，占全縣耕地的31.16%，主要分布在天塘鎮、黃沙鎮、一六鎮等區域，其中天塘鎮高產耕地面積1 020.24 hm2，占全縣高產耕地的11.09%；中產耕地面積為12 867.98 hm2，占全縣耕地的43.58%，主要分布在玉溪鎮、梅田鎮、五嶺鎮等區域，其中玉溪鎮中產耕地面積1 599.99 hm2，占全縣中產耕地的12.43%；低產耕地面積為7 461.26 hm2，占全縣耕地的25.27%，主要分布在天塘鎮、笆籬鎮、楊梅山鎮等區域，其中天塘鎮低產耕地面積827.01 hm2，占全縣低產耕地的11.08%。

（3）根據調查得到的數據制作的宜章縣耕地質量等級圖可以清楚直觀地表現研究區各鄉、鎮耕地質量的空間分布情況，為宜章縣耕地質量的保育和提高提供了有效的數據和經驗，為當地農業生產的穩定和可持續發展提供了理論依據。

4.2 加強宜章縣耕地質量保育的建議

4.2.1 加強高產耕地保育力度高產耕地評價因子中，清潔程度、有效土層厚度、障礙因素、農田林網化程度、耕層質地、有機質、容重、pH 值、生物多樣性9 個因子的隸屬度都大于0.9，表明在宜章縣今后耕地保育工作的重點應該是注意防止耕地污染，加大對耕地耕作層和林網的保護，維護耕地生物多性，注意土壤培肥，防止土壤次生潛育化；排水能力、灌溉能力、質地構型3 個因子的隸屬度均值在0.8～0.9 之間，表明宜章縣后期耕地保育工作中應該注重完善農田排灌系統，提升耕地排灌能力，質地構型可以通過增施有機肥、種植綠肥加以調節；有效磷、速效鉀、地形部位3 個因子的隸屬度均值在0.7～0.8 之間，其中地形部位是不能人工的干預，而有效磷和速效鉀可以通過推廣有機肥改善土壤質地、合理使用磷肥保證作物磷肥供給、增施鉀肥改善作物鉀素供應等途徑提升因子隸屬度水平。

4.2.2 明確中產耕地的改良方略中產耕地評價因子中，清潔程度、有機質、障礙因素、有效土層厚度、農田林網化程度、容重、pH 值7 個因子的隸屬度大于0.9，表明宜章縣后期耕地保護工作中應該注意防止耕地污染，加大對耕地耕作層和農田林網的保護，科學施用有機肥，保持土壤有機質穩定，注意土壤培肥防止土壤次生潛育化；生物多樣性、質地構型、耕層質地3 個因子的隸屬度均值在0.8～0.9 之間，表明宜章縣應大力推廣綠肥種植，改善耕層質地，改良質地構型，防止過度使用農藥、除草劑，維護耕地生物多樣性；速效鉀、有效磷、灌溉能力、排水能力、地形部位5 個因子的隸屬度均值在0.8 以下，表明在后期耕地保護工作中應該合理增施磷肥和鉀肥，以保證作物磷素和鉀素的供給，加強農田灌排系統的修繕，提升灌排能力。

4.2.3 強化低產耕地質量提升措施低產耕地評價因子中，清潔程度、農田林網化程度、容重3 個因子的隸屬度大于0.9，表明宜章縣后期耕地保護工作中應該注意防止耕地污染，加大對農田林網的保護，推廣施用有機肥，維護土壤容重；有效土層厚度、生物多樣性、有機質、障礙因素、耕層質地和pH 值6 個指標的隸屬度均值在0.8～0.9 之間，表明宜章縣后期耕地保育工作中應該加強土壤酸化治理，加強病蟲害生物防治，防止過度使用農藥、除草劑，維護耕地生物多性，在耕地資源利用過程中注意對耕地耕層的保護，科學施用有機肥，保持土壤有機質穩定；速效鉀、有效磷、排水能力、灌溉能力、質地構型、地形部位6 個因子的隸屬度均值在0.8 以下，表明宜章縣后期耕地改良工作中應該結合高標準農田建設等項目加大灌排渠道的建設力度，有效提升耕地灌排能力，合理增施磷肥和鉀肥以保證作物磷素和鉀素的供給，大力推廣綠肥種植、增施有機肥，改良質地構型。