基于GIS的皖江流域耕地地力评价研究*

毛 雪，孟源思，张东红，王 静，马友华※

(1.安徽农业大学经济管理学院,合肥 230036；2.安徽农业大学资源与环境学院,合肥 230036)

0 引言

耕地与人类的生活息息相关，是种植业赖以生存的土地，直接决定了粮食的产量、质量和农业生产的可持续性。为衡量土地利用的好坏，衍生出了耕地地力的概念。耕地地力好，农作物长势好，产量高；反之，则农作物长势差，产量低。有研究学者提出耕地的基础地力与土壤质量、土壤肥力、土壤生产力和土壤健康等有着紧密的联系[1]，很多人习惯将耕地的基础地力和农业生产能力等同看待，但实际上，产量水平和地力水平并不能直接等同。耕地地力是指在特定气候区域内，由立地条件、土壤理化性状、土壤管理和剖面形状等要素综合作用表现出来的生产能力[2]。

国内外的耕地地力评价研究有着几千年的发展史，主要呈两大趋势：从单一化向综合化过渡，从定性化向定量化演变。早期开展耕地评价是为了合理征收地税[3]，评价主要围绕土地性状、自然植被、生产力和水利条件等自然因素，处于定性描述阶段；随着信息化技术的迅速发展以及学科交叉研究的不断深入，GIS、RS、GPS(“3S”)技术和数学模型被广泛应用在耕地评价中，通过多维、多元信息的复合分析处理，逐渐建立了一系列土壤管理信息系统，如FAO世界土壤图、世界土壤资源数据库(SDB)、SOTER等[4-6]，耕地评价不仅注重研究土地的自然特性，还综合考虑与土地发展有关的社会经济因素，推动了评价由定性向定量的转变。目前，很多研究学者采用模糊综合评价法、回归分析法、主成分分析法、空间插值法等数学模型[7-10]开展耕地评价研究，评估土地生产潜力和土地适宜性，提高了耕地的利用水平。

皖江流域与长三角紧密相联，具有“安徽省对外开放的门户”的战略定位，自然环境优越，资源丰富，现有耕地271.267万hm2。现阶段皖江流域各县(区)已基本完成各自区域的耕地地力评价工作，但每个区域的自然和社会经济因素差异大，其评价方法、指标选取、指标体系建立，模型应用等方面不尽一致，直接汇总各县域的评价结果不仅难度大，且没有横向可比性，会导致整体评价结果出现同质不同等的问题。为了从整体发挥其区域性指导培肥地力工作的方向性，文章以皖江流域为研究对象，开展地貌类型分区评价，为制定精准的农业发展战略、实现农业可持续发展提供科学依据和理论指导。

1 研究区概况

皖江流域即长江的安徽段，长约416km，位于安徽省中南部地区，沿江通海、承东启西，地处东经115°45′～119°40′，北纬29°56′～33°22′之间。属于亚热带湿润性季风气候和暖温带半湿润气候，日照充足、气候湿润，年平均气温15.7～16.6℃。整个区域涉及江淮丘陵、沿江平原、大别山地和皖南山地等地貌单元，地势南北高、中间低，整体上自西南向东北倾斜。土地总面积为758万hm2，占该省土地面积的54.4%，其中，土地利用类型主要为水田和林地，分布有水稻土、潮土、红壤、黄壤、黄棕壤、砂姜黑土、黄褐土等12种土壤类型。2016年，皖江流域粮、棉、油总产量为1 530.49万t、19.70万t、123.15万t，分别占安徽省总产量的44.78%,76.05%,57.32%；2016年皖江流域农业总产值997.69亿元，占全省农业总产值的45%，是安徽省粮、棉、油等农产品主产区。

行政区划包括合肥、芜湖、铜陵、马鞍山、池州、宣城、安庆、滁州8市全境和六安市的金安区和舒城县，共59个县(市、区)，流域面积758万hm2(图1)。

图1 皖江流域行政区划

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

数据资料需要收集土壤、气候、水文和农田基本建设状况，采集数据包括皖江流域行政区划图、土壤图、地形地貌图、土地利用现状图(1∶500 000)，包括皖江流域59个县(区)2005—2016年测土配方施肥采样点数据以及监测点气象站≥10℃积温和降雨量的观测数据等，同时还需收集皖江流域的DEM数据，用于生成海拔和坡度。

对皖江流域测土配方施肥采样点数据进行遴选处理，最终得到皖江流域1.030 4万个采样点数据。扫描研究区域的基础图件资料导入到Arcgis9.3，经过高斯—克吕格投影和坐标系统配准校正后，对图件进行矢量化，在数字化过程中对出现错误的部分进行拓扑检查并校正，最后建立皖江流域耕地评价数据库。

2.2 研究方法

2.2.1 分区评价

皖江流域东西经度和南北纬度各相差4°之多，且全区域地貌类型复杂，海拔高度不一，积温与降水变化幅度大，建立一套统一的指标体系进行耕地地力评价会导致区域内气候和立地条件相对较差的地区耕地地力水平过低，反之亦然。所以采用多尺度指标分区法[11]对皖江流域进行分区评价，可以提高评价结果的准确性。该次评价利用地貌类型、降水、积温、海拔等大尺度指标将皖江流域分为平原区和山地丘陵区两大地貌类型区，尽量不打破县域之间的行政界限，同一区域内使用统一的指标体系，不同区域之间存在差异。

2.2.2 研究方法

基于农业部耕地资源管理信息系统，参照《测土配方施肥数据字典》，建立皖江流域数据资料的基础空间数据库和属性数据库。利用特尔菲法选取皖江流域平原区和山地丘陵区的评价指标，采用层次分析法计算单因素权重、模糊评价法建立隶属函数，最后利用加法模型计算皖江流域耕地地力综合指数，并组织相关专家对耕地地力评价结果进行校验。

图2 皖江流域平原区(左)、山地丘陵区(右)耕地地力评价指标体系

3 研究内容

3.1 选择评价因子

皖江流域平原区和山地丘陵区在选择评价因子时要遵循主导型、差异性、稳定性、现实性和综合性的原则[12]，采用特尔菲法[13]邀请安徽农业大学和省、市、县土壤肥料方面的专家组成专家技术组，基于以上原则结合皖江流域平原区和山地丘陵区的实际情况，最后选取气候、立地条件、土壤理化性状、土壤管理、剖面性状5个方面16个(平原区)、21个(山地丘陵区)显著影响耕地地力、与农业生产紧密相关，具有相对稳定性的因素，建立耕地地力评价指标体系(图2)。

3.2 确定评价因子权重及隶属度

耕地是一个信息量大、影响因素复杂的灰色系统，评价因子多且对耕地地力影响程度不一，为权衡评价因子在耕地地力中的重要性，该文采用层次分析法(AHP)[14]计算各评价因子权重(表1、表2)。将各个复杂的因素排列成彼此联系的有序层次，采用专家评估法对每个层次的各个因素进行数量化评估，最终确定层次判断矩阵[15]。评价因子间的数据量纲和数据类型不同，无法直接计算对耕地地力的影响程度，需要统一每一个评价因子的量纲。不同的评价因子有不同的衡量标准，对于定性因子，如地貌类型、剖面构型等直接采用多专家打分法获取隶属度，对于定量因子，如有机质、有效磷等采用模糊数学方法获取隶属度[16-17]，依据各评价因子的影响程度建立隶属函数，相应求得各评价因子的隶属度。

表1 平原区耕地地力评价因子及权重

表2 山地丘陵区耕地地力评价因子及权重

4 结果与分析

4.1 皖江流域耕地地力评价综合指数计算

该研究计算耕地地力综合指数(ICI)采用加法模型，将每个单因素进行特定组合，综合评价每个评价单元的耕地地力水平，计算皖江流域耕地地力评价综合指数公式为：

ICI=∑(Fi×Ci)

(1)

式(1)中：ICI(IntegratedCapabilityIndex)代表耕地地力数；Fi代表第i个因素评分值；Ci代表第i个因素的组合权重。

利用农业部耕地资源管理信息系统的综合指数公式自动计算，得出皖江流域平原区耕地地力综合指数ICI，最大值为0.938 95，最小值为0.611 00；皖江流域山地丘陵区耕地地力综合指数ICI，最大值为0.919 79，最小值为0.598 18，具体分值区间见表3、表4。

表3 皖江流域平原区耕地等级划分

表4 皖江流域山地丘陵区耕地等级划分

4.2 皖江流域平原区耕地地力等级分布及特征分析

该次评价采用累积频率曲线法来划分研究区耕地地力等级数目，将皖江流域平原区和山地丘陵区耕地地力等级划分为9等，最后基于Arcgis9.3绘制耕地地力评价等级图(图4、图6)。

皖江流域平原区耕地总面积为93.463 8万hm2。其中1等地面积为8.131 4万hm2，占全区耕地面积8.7%；2等地面积为17.238 6万hm2，占全区耕地面积18.4%；3等地面积为20.994 4万hm2，占全区耕地面积22.5%；4等地面积为21.207 7万hm2，占全区耕地面积22.7%；5等地面积为12.571 8万hm2，占全区耕地面积13.5%；6等地面积为6.695 2万hm2，占全区耕地面积7.2%；7等地面积为2.653 2万hm2，占全区耕地面积2.8%；8等地面积为2.784 3万hm2，占全区耕地面积2.9%；9等地面积为1.186 8万hm2，分布最少，占全区耕地面积1.3%。由图3可知，皖江流域平原区域主要有2等地、3等地和4等地分布，占比达到63.6%，而9等地分布最少。具体耕地等级面积百分比如图3所示。

图3 皖江流域平原区耕地面积百分比

皖江流域平原区耕地地力等级空间分布划分如图4所示，1等地主要分布在长江中下游平原区域，以水稻土为主，成土母质为壤质河流冲积物，耕层质地以中壤土为主，少数为轻粘土、重壤土，耕层较厚，耕性良好，灌溉排涝能力强；2等地主要分布在芜湖市6.039 2万hm2，占2等地的35%，以水稻土为主，成土母质为壤质河流冲积物，耕层质地以中壤土为主，耕层较厚，耕性良好，灌溉排涝能力强；3等地主要分布在合肥市8.338 6万hm2，占3等地的40%，以水稻土为主，成土母质为黄土性沉积物，耕层质地以重壤土为主，灌溉排涝能力较强；4等地主要分布在安庆市5.275 4万hm2，占4等地的25%，以黄褐土为主，成土母质为黄土性沉积物，耕层质地以重壤土为主，耕层适中，灌溉排涝能力较强；5等地主要分布在芜湖市3.606 4万hm2，占5等地的29%，以黄褐土为主，成土母质为下蜀系黄土，耕层质地以轻粘土为主，灌溉排涝能力中等；6等地主要分布在芜湖市2.126 5万hm2，占6等地的32%，以黄褐土为主，成土母质为第四纪红土，耕层质地通体较粘，灌溉排涝能力中等；7等地主要分布在安庆市8 138hm2，占7等地的31%，以红壤为主，成土母质为厚层坡残积物，耕层质地以中粘土为主，耕层较薄，灌溉排涝能力较弱；8等地主要分布在安庆市1.115 2万hm2，占8等地的40%，以粗骨土为主，成土母质为中层坡残积物，耕层质地以轻壤土为主，耕层较薄，灌溉排涝能力较弱；9等地主要分布在安庆市6 428hm2，占9等地的54%，以粗骨土为主，成土母质为薄层坡残积物，耕层质地以砂壤土为主，耕层很薄，灌溉排涝能力弱。

图4 皖江流域平原区耕地地力等级

4.3 皖江流域山地丘陵区耕地地力等级空间分布及特征分析

皖江流域山地丘陵区耕地总面积为177.803 1万hm2。其中1等地面积为3.888 1万hm2，占全区耕地面积2.2%；2等地面积为15.249 4万hm2，占全区耕地面积8.6%；3等地面积为25.276 5万hm2，占全区耕地面积14.2%；4等地面积为46.151 2万hm2，占全区耕地面积26%；5等地面积为37.883 4万hm2，占全区耕地面积21.3%；6等地面积为18.922 7万hm2，占全区耕地面积10.5%；7等地面积为15.951 3万hm2，占全区耕地面积9%；8等地面积为8.808 6万hm2，占全区耕地面积5.0%；9等地面积为5.671 7万hm2，分布较少，占全区耕地面积3.2%。由图5可知，皖江流域山地丘陵区域主要有3等地、4等地和5等地分布，占比达到61.5%，而1等地分布最少。具体耕地等级面积百分比如图5所示。

图5 皖江流域山地丘陵区耕地面积百分比

皖江流域山地丘陵区耕地地力等级空间分布划分如图6所示，1等地主要分布在皖江流域中部和北部区域，以水稻土为主，成土母质为壤质河流冲积物，海拔较低，耕层质地以重壤土为主，少数为轻粘土、轻壤土，耕层较厚，耕性良好，灌溉排涝能力强；2等地主要分布在滁州市5.191 6万hm2，占2等地的34%，以水稻土为主，成土母质为壤质河流冲积物，平均海拔63m，耕层质地以重壤土为主，灌溉排涝能力强；3等地主要分布在滁州市12.689 4万hm2，占3等地的50%，以水稻土为主，成土母质为壤质洪冲积物，平均海拔85m，耕层质地以重壤土为主，灌溉排涝能力较强；4等地主要分布在滁州市15.590 2万hm2，占4等地的34%，以水稻土为主；成土母质为壤质洪冲积物，平均海拔112m，耕层质地以重壤土为主，耕层适中，灌溉排涝能力较强；5等地主要分布在滁州市12.122 6万hm2，占5等地的32%，以黄褐土为主，成土母质为下蜀系黄土，平均海拔146m，耕层质地以重壤土为主，灌溉排涝能力中等；6等地主要分布在滁州市8.259 4万hm2，占6等地的44%，以黄褐土为主，成土母质为下蜀系黄土，平均海拔184m，耕层质地以轻粘土为主，灌溉排涝能力中等；7等地主要分布在滁州市6.106 8万hm2，占7等地的38%，以红壤为主，成土母质为厚层坡残积物，平均海拔223m，耕层质地通体较粘，耕层较薄，灌溉排涝能力较弱；8等地主要分布在滁州市2.627 5万hm2，占8等地的30%，以粗骨土为主，成土母质为中层坡残积物，平均海拔246m，耕层质地以砂壤土为主，耕层较薄，灌溉排涝能力较弱；9等地主要分布在安庆市2.779 1万hm2，占9等地的49%，以粗骨土为主，成土母质为薄层坡残积物，平均海拔275m，耕层质地以松砂土为主，耕层薄，灌溉排涝能力弱。

图6 皖江流域山地丘陵区耕地地力等级

5 皖江流域耕地土壤养分状况及改良措施

土壤养分与农业生产息息相关，显著影响着农产品产量的高低，且在短期内，土壤养分容易受外界因素的影响，发生变化。因此，该次皖江流域耕地地力评价选取了有机质、有效磷、速效钾3种土壤养分参评，参照全国第二次土壤普查时的土壤养分分级标准，将土壤有机质、有效磷、速效钾分为5个级别(表5)。

表5 土壤养分等级划分标准

5.1 土壤养分状况空间分布及评价

皖江流域土壤有机质含量总体呈东南高西北低的趋势，整体处于中等水平，平均含量为22.7g/kg。从表6可以看出，皖江流域平原区域土壤有机质含量处于二级的耕地面积为8 041hm2，占全区的1%；含量处于三级的耕地面积为82.521 8万hm2，占全区的88%；含量处于四级的耕地面积为10.138万hm2，占全区的11%。皖江流域山地丘陵区域土壤有机质含量处于二级的耕地面积为2.978 3万hm2，占全区的2%；含量处于三级的耕地面积为94.205 5万hm2，占全区的53%；含量处于四级的耕地面积为80.619 3万hm2，占全区的45%。两区域相比，山地丘陵区域土壤有机质变异性大于平原区域，呈中等变异性，平原区域土壤有机质含量呈弱变异性，且其离散程度小于山地丘陵区域的。

皖江流域土壤有效磷含量总体呈南高北低的趋势，整体处于中等水平，平均含量为13.4mg/kg。从表7可以看出，皖江流域平原区域土壤有效磷含量处于二级的耕地面积为2.206 7万hm2，占全区的2%；含量处于三级的耕地面积为74.597 7万hm2，占全区的80%；含量处于四级的耕地面积为15.858 5hm2，占全区的17%；含量处于五级的耕地面积为8 010hm2，占全区的1%。皖江流域山地丘陵区域土壤有效磷含量处于二级的耕地面积为5.087 2万hm2，占全区的3%；含量处于三级的耕地面积为149.083 5万hm2，占全区的84%；含量处于四级的耕地面积为22.009 1万hm2，占全区的12%；含量处于五级的耕地面积为1.623 4万hm2，占全区的1%。两区域相比，平原区域与山地丘陵区域的土壤有效磷变异性相近，呈中等变异性，且两者的离散程度相等，均为3.3。

表6 皖江流域平原区和山地丘陵区耕地土壤有机质含量面积分级 g/kg、%

表7 皖江流域平原和山地丘陵区耕地土壤有效磷含量面积分级 mg/kg、%

皖江流域土壤速效钾含量总体呈北高南低的趋势，整体含量较缺，平均含量为87.7mg/kg。从表8可以看出，皖江流域平原区域土壤速效钾含量处于三级的耕地面积为17.698 5万hm2，占全区的19%；含量处于四级的耕地面积为73.961万hm2，占全区的79.1%；含量处于五级的耕地面积为1.804 4万hm2，占全区的1.91%。皖江流域山地丘陵区域土壤速效钾含量处于二级的耕地面积为382hm2，占全区的0.02%；含量处于三级的耕地面积为76.528 7万hm2，占全区的43%；含量处于四级的耕地面积为96.202 4万hm2，占全区的54.1%；含量处于五级的耕地面积为5.033 8万hm2，占全区的2.88%。两区域相比，山地丘陵区域土壤速效钾变异性大于平原区域，两区域都呈强变异性，且平原区域土壤速效钾的离散程度小于山地丘陵区域的。

表8 皖江流域平原和山地丘陵区耕地土壤速效钾含量面积分级 mg/kg、%

5.2 皖江流域不同耕地地力等级合理利用措施

1～3等地自然条件优越，适于农作物生长和耕作，应以维护和提高耕地地力为主。首先要增加土壤养分含量，增施有机肥，实行秸秆还田，提高土壤有机质含量；采用轮作、合理复种制度，保持耕地原有好的地力水平，不断优化耕地土壤资源；增强耕作层的保水保肥性，对山地丘陵区域中旱地耕地的山、田、林、水等地进行统一、综合的科学管理；禁止闲置抛荒高产田耕地，加强对耕地的保护，有效指导农业产业结构调整，以提高当地的农业收入。

4～6等地主要分布在皖江流域西北部，耕地中的养分含量相对于东部和北部偏低，要增施有机肥、钾肥、磷肥，采用平衡施肥或测土配方施肥，高效利用肥料，改善土壤养分；由于自然条件制约，中产田含有一定的障碍层因素，灌排能力较差，应改变灌溉方式，建立完善的疏通排涝系统；同时将坡地改为梯田，做好水土保持，提高耕地利用能力。

7～9等地主要分布在皖江流域山地丘陵区域，该地区土壤养分含量低，缺乏农业基础设施，应根据当地养分含量丰缺，针对性合理施肥，并配合施用适量的石灰等碱性物质或碱性肥料与土壤中的酸性相中和，以改善土壤理化性状；加强基础设施配套建设，在灌溉能力弱的地区，修建排灌渠道，适当调低地下水位，消除耕作层、犁底层积水的现象，提高土壤管理能力；该地区土层较薄、成土母质和质地较差，应采用土壤改良的方法消除耕地的障碍因素，在冬季时可深耕翻动耕地表层土壤，以增加活土层。

6 结论

通过开展皖江流域耕地地力评价研究，得到的主要结论如下。

(1)皖江流域平原区域划分为9个等级：1～3等地占全区耕地面积的50%；4～6等地占全区耕地面积的43%；7～9等地占全区耕地面积的7%；皖江流域山地丘陵区域划分为9个等级：1～3等地占全区耕地面积的25%；4～6等地占全区耕地面积的58%；7～9等地占全区耕地面积的17%，可以看出皖江流域耕地地力水平总体较高，且平原区的耕地地力水平高于山地丘陵区。

(2)皖江流域耕地土壤有机质含量呈东南高西北低的趋势，全区以中等水平为主，平均含量为22.7g/kg；土壤有效磷含量呈南高北低的趋势，全区以中等水平为主，平均含量为13.4mg/kg；土壤速效钾含量呈北高南低的趋势，大部分地区含量较缺，平均含量为87.7mg/kg。

(3)皖江流域1～3等地应以维护和提高耕地地力为主，加强耕地的保护和管理；4～6等地应主要改善土壤养分，建立完善的疏通排涝系统，提高耕地利用能力；7～9等地应重点加强农业基础设施配套建设，改良土壤障碍层因素。