基于粮食产量等级的耕地地力评价尺度效应分析

房阿曼，陈伟强，程道全，朱帅蒙，马会宁，赵 洁

(1.河南农业大学资源与环境学院，河南郑州450002;2.河南省土壤肥料工作站，河南 郑州450002)

在人口—资源—环境系统中，耕地是土地资源的精华，也是农业生产最重要的资源，耕地地力的好坏直接影响到中国农业的可持续发展和粮食安全［1］。河南省从2008—2013年开展了省、市、县3级耕地地力评价，探讨不同尺度的耕地地力评价效应，这不仅能验证评价结果、检验评价单元、评价指标的合理性，而且为指导科学施肥、建立精准农业体系提供信息储备，也能为粮食安全发展规划、耕地质量保护与建设、耕地改良利用提供科学依据［2，3］。国内外土地评价方面的研究较多，国外主要注重耕地适宜性评价［4，5］，国内代表性的研究有《中国1:100万土地资源图》［6］评价系统，国土部门的农用地分等定级［7］等。近年来，国内关于耕地地力尺度效应的分析专家也开始了相关研究，袁秀杰等［8］通过找出平原和丘陵区存在的内在联系，探索建立不同区域耕地质量统一评价体系，对平原和丘陵区耕地地力评价结果进行对比分析。但是如何对同一地区不同尺度评价结果进行对比及影响因素分析的研究相对较少。尺度效应的分析，对于目前耕地地力评价结果在不同尺度的转换与相互校核、完善耕地地力评价指标体系等方面具有一定的实践指导意义。河南省偃师市和洛阳市于2009年和2012年分别完成了县级耕地地力评价工作和市级耕地地力评价工作，2级耕地地力评价均根据文献［9］中规定的技术方法完成。2级评价结果一致性如何，需要深入研究，由于2级评价各成体系，结果没有直接的可比性，因此本研究采用耕地地力评价分值与粮食生产潜力换算的方法，将2级评价结果统一为粮食生产潜力，使2级评价结果具有可比性，以此分析县、市2级耕地地力评价结果的尺度效应。

1 研究区概况

偃师市地处河南省西部，属洛阳市，位于东经112°26'15″～ 113°00'00″，北 纬 34°27'30″～34°50'00″。偃师南部为石质山地，是嵩山山区的一部分，至南向北依次为低山丘陵、山前倾斜平地、伊洛河冲积平原，北部为黄土丘陵。全市耕地土壤有5个土类、9个亚类、16个土属、25个土种;它是小麦良种繁育基地，被确定为全省农业标准化先进县(市)和全省畜牧业重点县(市)。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

耕地地力评价数据来自偃师市县级耕地地力评价成果和洛阳市耕地地力评价成果的偃师市部分。粮食产量数据来自偃师市2008—2011年测土配方施肥项目“3414”试验和示范试验测定数据。

偃师市县级耕地地力评价成果显示，评价单元通过“土地利用现状图+土壤图”叠加得到，共划分了5 299个评价单元。专家采用特尔斐法，结合偃师市当地的实际情况，进行了评价指标的筛选，最终从全国耕地地力评价指标体系全集中选择了地貌类型、耕层深度、灌溉保证、速效钾、有机质、有效磷、田面坡度、质地和质地构型共9项评价指标，利用层次分析法建立了指标权重。利用模糊隶属函数法建立了各指标的隶属函数，并计算了各评价单元9个指标的隶属度。通过对单指标加权平均，得到耕地地力评价综合分值，综合分值介于0.36～1.00，划分了5个地力等级。

洛阳市耕地地力评价成果中的偃师市成果显示，评价单元通过“土地利用现状图+土壤图”叠加生成，但由于地图比例尺的缩小，土地利用现状图进行了制图综合，最终共划分了3 925个评价单元。选择了地貌类型、高程、灌溉类型、速效钾、有机质、有效磷、坡度、质地、土壤剖面和砾石共计10个评价指标，并建立了权重。同样，建立了单指标隶属函数，计算了各评价单元单指标隶属度。洛阳市耕地地力评价综合分值为0.50～1.00，划分了5个地力等级。

偃师市“3414”试验和施肥示范试验，测定作物产量数据共计131个，记载有试验区的土壤养分、不同组合施肥量，以及作物空白单产、不同施肥组合单产量等信息，选取每个实验点的最高单产，作为耕地在养分充足供应条件下粮食可实现的生产潜力。

2.2 研究技术路线

(1)耕地地力评价结果与产量样点可实现的生产潜力空间关联。利用GIS空间叠加分析，将作物产量样点图层与耕地地力评价图层的信息进行综合，得到产量与评价综合分值的关系表。

(2)耕地地力评价结果折算粮食可实现的生产潜力。利用回归分析方法，建立作物在试验条件下的最高产量与耕地地力评价综合分值之间的函数模型，再利用函数模型，以每个评价单元的评价综合分值为自变量，计算粮食可实现的生产潜力。

(3)市、县2级评价成果一致性评价。以作物最高单产为依据，划分地力等级，将县、市2级的评价结果叠加，分析评价结果的空间一致性［10］。

(4)耕地地力评价尺度效应分析。利用统计分析，特别是因子分析，得到尺度效应的影响因素。

3 结果与分析

3.1 产量样点与评价结果叠加分析

根据空间关系，运用ArcGIS空间分析工具，将偃师市产量样点数据分别与县、市2级耕地地力评价结果叠加，建立产量与评价综合分值空间关联关系，结果见图1和图2。

图1 产量样点与县级评价结果叠加图Fig.1 Superposed graph between production sample and the evaluation results at the county level

图2 产量样点与市级评价结果叠加图Fig.2 Superposed graph between production sample and the evaluation results at the city level

3.2 产量样点与县、市级评价结果回归分析

根据作物单产与耕地地力评价得分关联表，分析建立回归模型。将产量样点数据分为小麦产量样点和玉米产量样点2类，为了更好地研究产量与评价得分的关系，首先将评价得分按适当的间隔进行分组，统计每组的平均产量和评价平均得分，然后再进行回归分析，得到回归模型(表1)，经回归检验，回归方程达到极显著水平。

表1 县、市2级评价得分与产量的线性回归模型Table 1 The linear regression model of evaluation scores and productions at the county and city level

3.3 耕地地力评价得分与粮食单产潜力折算

根据以上建立的回归方程，以县、市2级各个评价单元的分值预测小麦、玉米生产潜力，小麦、玉米生产潜力之和为单元粮食生产总潜力。

式中:M总为全年粮食单产潜力;M小麦为小麦单产潜力;M玉米为玉米单产潜力。

县级和市级耕地地力评价得分转换为粮食产量后，基本统计量如表2所示，市级计算得到的粮食产量略高于县级，同时标准差也高于县级。

表2 县、市2级评价得分转换为粮食产量后统计量Table 2 Statistics of food production converted from evaluation scores in county and city

3.4 县级与市级评价结果尺度效应分析

按粮食产量1 500 kg的间隔，分别将县级评价和市级评价结果划分为3个耕地地力等级，即:1等地(≥16 500 kg)，2等地(15 000～16 500 kg)，3等地(≤15 000 kg)。由表3可以看出，市等级划分结果显示，偃师市的耕地地力主要为1等地，县等级划分结果显示，偃师市的耕地地力等级相对均匀地划分到1等地和2等地中。

通过ArcGIS的空间分析功能，分析县、市2级评价结果的空间分布差异。计算县、市2级评价结果的等级差，公式为:

式中:p为尺度效应指数;l县等级为县级尺度评价等级;l市等级为市级尺度评价等级。当p为0时，表示县、市2级尺度评价结果一致;当p为非零时，说明其存在评价尺度差异。p为正时，说明县级尺度评价等级低于市级尺度评价等级，当P为负时，说明县级尺度评价等级高于市级尺度评价等级。分析结果如图3所示。

表3 县、市两级耕地地力评价等级对比表Table 3 Comparison table of farmland productivity evaluation grades at the county and city level

图3 县、市2级尺度耕地力评价结果一致性分析结果Fig.3 Analysis of space consistency of farmland productivity evaluation results between the county and city level

经统计，县级与市级2级尺度评价结果一致性的面积比率为68.43%，县级尺度评价结果的18.16%低于市级尺度的评价等级，县级高于市级等级的面积占13.41%。分析不同地形及地表覆盖的尺度效应，由图3可以看出，偃师县中部伊洛河冲积平原地区尺度效应具有较好的一致性。尺度效应指数大于1的主要分布在北部黄土丘陵区，小于1的主要分布在南部石质山地区。

分析不同土壤类型上的尺度效应，由表4可以看出，潮土类的尺度效应高于风沙土，在潮土类中潮土复区、盐化潮土、两合土3个土属的尺度效应明显。

3.5 县、市2级评价结果尺度效应因子分析

分析县级耕地地力评价得分与市级各评价因素单指标隶属度之间的相关关系，以及市级耕地地力评价得分与县级评价因素单指标隶属度之间的相关关系，从评价因素的角度诊断尺度效应的原因。经分析(表5，表6)，县级耕地地力评价得分与市级的质地、砾石、坡度、地貌类型、速效钾、有效磷、有机质、土壤剖面、高程9个因素隶属度有显著正相关关系，但是与灌溉类型隶属度之间呈负相关。市级耕地地力评价得分与县级的地貌类型、耕层深度、灌溉保证、速效钾、田面坡度、有机质、有效磷7个因素隶属度之间有显著正相关关系，与质地和质地构型隶属度之间不相关。

表4 不同土壤类型上的尺度效应Table 4 The scale effect of different soil types %

表5 县级耕地地力评价得分与市级评价因素隶属度相关分析Table 5 Correlation analysis of membership between evaluation scores at the county level and evaluation factors at the city level

表6 市级耕地地力评价得分与县级评价因素隶属度相关分析Table 6 Correlation analysis of membership between evaluation scores at the city level and evaluation factors at the county level

从以上分析可知，造成县、市级评价结果不一致，引起尺度效应的关键因素指标主要有市级尺度的灌溉类型，以及县级尺度的质地和质地构型。

4 结论

通过对比分析偃师市的市、县2级评价成果，以ArcGIS为工具，利用试验中的最高单产为衡量标准，研究了2级评价结果的尺度效应问题，结论如下:

(1)市、县2级评价的综合分值与小麦、玉米2种作物的最高单产之间有显著线性相关关系，通过模型预测，县级评价综合分值折算的平均粮食单产为 15 663.15 kg· hm-2，市 级 折 算 结 果为15 807.24 kg·hm-2。

(2)县级评价结果与市级评价结果空间一致性达到68.43%，主要分布在中部伊洛河平原地区，北部的黄土丘陵区和南部的石质山地区尺度效应比较明显;潮土类中潮土复区、盐化潮土和两合土3个土属上的尺度效应高于其它土壤类型。

(3)通过因素分析显示，市级尺度的灌溉类型和县级尺度的质地和质地构型指标是造成尺度效应的关键因素。

［1］ 鲁明星，贺立源，吴礼树.我国耕地地力评价研究进展［J］.生态环境，2006，15(4):866-871.

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