基于GIS的天祝县耕地地力等级评价

2013-03-03曹雪敏杨虎德

甘肃农业科技 2013年11期

曹雪敏，杨虎德

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃兰州 730070）

土壤是人们赖以生存和发展的最根本的物质基础，土壤质量是土壤特性的综合反映，可以指示土壤条件差异及其动态变化[1～2]。耕地地力是指在特定气候区域由地形、地貌、成土母质、土壤理化性状、农田基础设施及培肥水平等要素综合构成的耕地生产能力，因此，耕地地力除了受土壤本身理化性质的影响以外，还受到排灌能力等自然条件和人为因素的影响[3～6]。耕地地力评价不仅可以评估耕地的生产能力水平，及时掌握耕地土壤的基础地理变化规律，而且可以用于指导耕地的合理利用、合理施肥，有效保护和提高耕地质量，保证农业稳产高产[7]。近年来，有关耕地地力评价方面的研究已有很多文献报道。采用GIS技术和模糊评价、层次分析及综合指数法等不同方法开展基于GIS的耕地地力质量评价研究，评价结果可不同程度地反映研究区域内耕地地力的状况，对耕地地力评价具有可行性和科学性，对科学管理耕地具有指导意义[8]。天祝县第二次土壤普查距今已有25 a之久，随着生态环境和社会经济的变化，天祝县耕地地力也发生了较大变化。我们在野外调查和室内化验分析的基础上，以遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和统计软件SPSS等技术方法及有关数学模型为依托，对天祝藏族自治县的耕地地力进行评价，以期能直观和准确地反映出全县的耕地地力现状，为耕地资源的科学管理和可持续利用提供依据。

1 研究区概况

天祝藏族自治县地处甘肃省中部，河西走廊和祁连山东端，东经102°27′～103°46′，北纬36°31′～37°55′。东临景泰县，北接凉州区、古浪县，南与永登县相邻，西北与肃南裕固族自治县接壤，西与青海省门源、互助、乐都县毗邻。

地势西北高，东南低，处于青藏高原、黄土高原和内蒙古高原的交汇地带，属青藏高原东北边缘，海拔2 040～4 874m。县域国土面积7 147 km2，总耕地面积5.56万hm2，占国土面积的7.49%，全县辖19个乡镇，176个行政村。属寒温带大陆性高原气候，气温低、日照短，天气多变，山地气候垂直差异大。年平均气温-0.2℃，全年无霜期73 d，年均降水量411.33mm。主要土壤类型有8个土类19个亚类24个土属，耕地土壤类型主要为山地黑钙土、山地栗钙土2种。全县种植的主要农作物有小麦、油菜、青稞、马铃薯、豌豆、蔬菜和饲草。2011年全县农作物播种面积5.56万hm2，其中粮食作物播种面积2.44万hm2，经济作物播种面积0.96万hm2。

2 资料与方法

2.1 研究资料及处理方法

2.1.1 基础及专题地图资料包括1∶50 000地形图、土壤图、土地利用现状图、行政区划图、地貌类型分区图、灌溉分区图、道路交通图、居民点分布图、水系分布图等。对图件资料采用地理信息系统软件ArcGIS 9.2进行数字化、图形编辑、图幅误差校正、拓扑检查等处理[9]。

2.1.2 遥感影像 SPOT 5遥感影像，运用Erdas8.7进行几何校正、图像处理并进行信息提取。

图1 天祝藏族自治县耕地地力等级分布

2.1.3 野外调查资料野外调查点数据主要包括采样点经纬度坐标、地形地貌、障碍因素、土壤类型、表层质地、土壤母质、土层厚度、灌排条件、耕地利用现状、作物长势产量、管理措施水平等。根据野外调查资料，在Access平台下，建立土样数据库[10]，并生成土壤采样点点位分布图。

2.1.4 室内化验分析资料包括pH值，有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、缓效钾、速效钾等养分含量。

2.1.5 土壤养分分布图基于土壤采集样点分布图，采用ArcGIS中的地统计分析克里格（Kriging）差值法形成土壤养分分布图（图1），包括pH值、有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、缓效钾、速效钾等矢量分布图。

2.2 研究方法

耕地地力评价是一种综合性的多因素评价，难以用单一因素的方法划定[11]。我们采用“全国耕地地力调查与质量评价技术规程”推荐的方法，即综合应用相关分析因子分析，模糊评价、层次分析等数学原理，结合专家经验并进行计算机拟合、插值分析等方法构建定性与定量相结合的耕地地力评价方法。

2.2.1 评价单元确定利用耕地分布图、土壤图（以图种图斑为基础）和土地利用现状图、行政区划图、灌溉分区图、地貌类型分区图叠加求交形成的图斑作为评价单元，将全县共划分耕地地力评价的基本单元7 495个，每个单元都有专门的特征属性，单元内部土壤类型、利用方式、耕作方法、田间设施条件、理化性状等基本一致。

2.2.2 参评因素的选择选取评价因素主要有4个原则[12]。一是对土地的生产力有比较大的影响；二是在评价区域内变异较大，便于划分土地等级；三是以稳定性高的因子为主，对一些影响农业生产的不稳定因子也予以考虑；四是因素之间要求相关性极小或不相关，相关性大不宜同时选择评价因素。采用定量和定性方法结合，进行了参评因素的选取，建立天祝县耕地资源管理信息系统，采用综合指数法对耕地地力进行评价，通过系统聚类方法筛选影响耕地地力的理化性质等定量指标，利用Delphi法筛选影响耕地地力的立地条件、物理性状等定性指标，最后选取5类约束因素（土壤养分、土壤管理、剖面构型、立地条件、障碍因素）、11个指标（速效钾、有效磷、有机质、灌溉模数、灌溉保证率、剖面构型、质地、海拔、地貌类型、障碍层厚度、障碍层位置）作为天祝县耕地地力评价的参评指标（参评因素层次结构关系如图2）。

图2 天祝县耕地地力评价因子层次结构

2.2.3 参评因素权重的确定采用层次分析法（AHP），在确定约束层和指标层的权重系数后，将每个指标对应约束层的权重系数乘以约束层对耕地地力的权重系数[13]，得到各参评因素的实际权重（表1）。

表1 天祝县耕地地力各评价因子权重

2.2.4 参评因素的隶属函数拟合将选定的评价指标与耕地生产能力的关系分为戒上型函数、戒下型函数、峰型函数、直线型函数以及概念型函数5种类型的隶属函数，对不同类型的函数采用回归分析方法或Delphi法评估出相应的单因素隶属度，并且根据评估值拟合隶属函数。

2.2.5 综合指数计算与分级资源管理信息系统采用加法模型计算耕地综合地力指数（IFI），根据综合指数的变化规律，运用累积曲线法确定等级标准，将天祝县耕地地力进行划分。

式中，Fi表示第i个因子隶属度，Ci表示第i个因素的权重。

3 结果与分析

3.1 天祝县耕地地力等级划分

根据天祝县耕地地力综合指数结果，结合该地区的实际，将天祝县的耕地地力划分为5个等级，即一等耕地IFI＞0.5100，二等耕地IFI为0.510 0～0.445 0，三等耕地IFI为0.445 0～0.429 5，四等耕地IFI为0.429 5～0.365 5，五等耕地IFI＜0.365 5。各等级耕地比例相对较为均衡，其中一等耕地面积为0.81万hm2，占耕地总面积的14.6%；二等耕地面积为1.16万hm2，占耕地总面积的20.9%；三等耕地面积为1.62万hm2，占耕地总面积的29.2%；四等耕地面积为1.21万hm2，占耕地总面积的21.8%；五等耕地面积为0.75万hm2，占耕地总面积的13.5%（表2、图3）。

表2 天祝县耕地地力等级分布情况

图3 天祝县不同等级耕地面积（万hm2）

3.2 耕地地力等级的行政区域分布

由表3可以看出，天祝县一等耕地主要分布在打柴沟镇、华藏寺镇、哈溪镇、松山镇等庄浪河周边一带，二等耕地主要分布在哈溪、朵什、赛什斯、安远等乡（镇），三等耕地主要分布在松山、华藏寺、西大滩、赛什斯、祁连等乡（镇），四等耕地主要分布在松山、西大滩、安远、哈溪、朵什等乡（镇）；五等耕地主要分布在大红沟、东大滩、打柴沟、旦马等乡（镇）。

4 结论与建议

1）评价结果将天祝县耕地地力划分为5个等级，其中一等耕地面积为0.81万hm2，占耕地总面积的14.6%；二等耕地面积为1.16万hm2，占耕地总面积的20.9%；三等耕地面积为1.62万hm2，占耕地总面积的29.2%；四等耕地面积为1.21万hm2，占耕地总面积的21.8%；五等耕地面积为0.75万hm2，占耕地总面积的13.5%。

2）天祝县一等耕地土壤类型主要以山地黑钙土和山地栗钙土为主，含有少量的潮土和草甸土。土壤质地以中壤为主，熟化土层厚度大多在60 cm以上，地貌类型主要为河谷平原区和浅山区，耕地灌排设施健全，灌溉保证率高，灌溉水质好，地势平坦，无明显障碍层，土壤理化性状良好，可耕性强，土壤肥力高。耕层土壤含有机质33.5 g/kg、全氮1.88 g/kg、碱解氮117mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷26.4 mg/kg、全钾19.1 g/kg、速效钾265mg/kg、缓效钾1 287mg/kg。在农业利用中应主要推广测土配方施肥技术，加强耕地保护。

二等耕地土壤类型主要以山地黑钙土和山地栗钙土为主，也有少量的山地褐土，土壤质地以中壤为主，土壤熟化层厚，地貌类型以中山区为主，少量分布在河谷平原区和浅山区，灌溉保证率较高，可耕性较强，土壤肥力较高。耕层土壤含有机质30.9 g/kg、全氮1.87 g/kg、碱解氮116 mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷25mg/kg、全钾19.4 g/kg、速效钾251mg/kg、缓效钾1 295mg/kg。在农业生产利用中，要加强农业灌溉，推广农田节水技术，调整作物种植结构，种植低耗水作物，重视有机肥的生产和使用。

三等耕地土壤类型以山地黑钙土和山地栗钙土为主，有少量山地灰褐土，土壤质地以均质中壤为主，灌溉保证率较差，地貌类型以浅山区为主，少量分布在中山区。土壤理化性状良，可耕性较强。耕层土壤含有机质33.4 g/kg、全氮1.98 g/kg、碱解氮110mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷24 mg/kg、全钾18.5 g/kg、速效钾281mg/kg、缓效钾1 279mg/kg。在农业生产中，应针对性的采取工程措施，加强和完善排水系统设施建设，增施有机肥料和秸秆还田，调整种植结构，推广农田节水技术。

四等耕地土壤类型以山地黑钙土和山地栗钙土为主，有少量山地灰褐土和亚高山草甸土，土壤质地中壤为主，主要为旱地，无灌溉条件。地貌类型以浅山区、中山区和亚高山区为主。耕层土壤含有机质32.4 g/kg、全氮1.88 g/kg、碱解氮112 mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷23.6 mg/kg、全钾19.4 g/kg、速效钾260mg/kg、缓效钾1 267mg/kg。在农业生产上应注意增施有机肥，推广地膜覆盖技术及储水保墒技术。

五等耕地土壤以山地栗钙土为主，有少量山地黑钙土、山地灰褐土和亚高山草甸土，土壤质地以中壤为主，无灌溉条件，地貌类型以浅山区和亚高山区为主。耕层土壤含有机质33.9 g/kg、全氮1.94 g/kg、碱解氮123mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷26.5mg/kg、全钾19.8 g/kg、速效钾280mg/kg、缓效钾1 295mg/kg。在农业生产中，应推广地膜覆盖栽培技术，种植节水作物，推广储水保墒技术，或进行种植业结构调整，合理利用土地资源，开展退耕还草发展畜牧业。

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