基于GIS的秦岭山区县域耕地地力调查与评价研究

袁 媛，胡晓黎，雷 蕾，张鸿雁，常庆瑞

（1.商洛市气象局，陕西 商洛 726000；2. 西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100）

【研究意义】耕地作为农业生产最重要的资源之一，是人类生活及社会发展所依赖的物质基础，是否有效利用土地资源，对区域发展、人民生活水平的高低都有直接影响［1-2］。但是在实际生产过程中，人们常常忽略耕地质量退化、产量变低等不利影响的本质原因，这对我国粮食生产安全和人们生活质量的保障构成严重威胁［3-4］。因此，十分有必要建立区域内科学的耕地地力水平评价体系，为土地利用的合理规划和保持生态平衡提供重要理论依据。【前人研究进展】近年来，众多国内外学者研究关于耕地利用变化、耕地数量变化、耕地潜力等因素与粮食安全之间的关系，随着科学技术的进步以及“3S”技术在农业生产中应用地不断加深，对耕地地力调查与评价研究越来越深入，在该领域研究方法上也不断更新。【本研究切入点】以陕西省商南县为例，在全国第二次土壤普查［5-6］基础上，通过对研究区耕地的地貌特征、土壤结构、养分状况等的调查，利用“3S”等现代科学技术手段，选取耕地地力评价单元，构建耕地资源基础数据库及管理系统，并划定等级，评价耕地地力水平［7］。【拟解决的关键问题】本研究旨在实现不同等级土地的优化布局，进而指导高效农业生产、培肥土壤，提高研究区耕地资源的可持续发展利用［8］。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

商南县座落在陕西省东南部（110°24' ～111°01'E，33°06' ～ 33°44' N），属秦岭东段南麓，3省交汇，地联8县，全县地势西南和北部高、东南和中部低，海拔落差较大，最高处2 057 m，最低处仅216.4 m。境内有丹江、县河、滔河、武关河等6条河流，均属汉江水系。县域内大部分地区属暖温带气候，只有东南部为北亚热带气候，历年平均气温13.9 ℃，境内雨量充沛，年降水量862.4 mm，年日照时数1 675.5 h。土壤类型有棕壤、黄棕壤、新积土、潮土和紫色土。全县土地总面积2 307 km2，主要粮食作物为玉米、小麦、和马铃薯。

1.2 数据来源及评价数据库建立

本研究用于评价的基础资料包括商南县土地利用现状图（1∶50 000）、土壤图（1∶50 000）、地形图（1∶50 000）数据，全国第二次土壤普查的土壤养分数据及相关文字记录资料，县域气候、基本农田及水利设施建设、土壤肥力、土地资源调查和农业生产统计资料等。同时，结合商南县耕地实际情况，收集野外调查资料，编制《采样点基本情况调查表》《农户收入支出情况调查表》《农户施肥调查表》，调查内容主要包括农田基础设施、耕作制度、土壤类型、土壤性状、农民种植业、作物品种、产量及投入产出等方面的情况。根据以上调查内容在全县耕地上共布设大田采样点1 444个，采样时利用GPS定位仪在取样点确定经纬度，按要求填写调查表格，并根据实地调查走访情况，对采样点位置不合理的情况进行更正。

利用ArcMap 10.2软件对所用的图件资料进行矢量化处理，对图片进行编辑、转换、空间分析、拓扑分析以后，定性及定量提取商南县耕地分布、面积等数据，制作输出耕地资源管理单元图；对整理的各种调查信息及采样数据、土肥化验结果等分类录入Microsoft Office 2010 Access ，统一将这些数据使用dbf.格式导入ArcGIS 10.2系统中，最终建立商南县耕地地力调查与评价数据库［9］。

1.3 研究方法

本研究县域耕地地力评价技术路线见图1。

图1 县域耕地地力评价技术路线图Fig. 1 Technical roadmap of county-based cultivated land capacity evaluation

1.3.1 确定评价因子 耕地地力评价是对研究区域土壤理化性状、地形地貌特征等自然条件对农作物生长影响大小程度的评价。本研究经过实地调查，根据可操作性、稳定性、相关性、主导性等原则，聘请省、市、县三级农业专家，在全国耕地地力评价指标体系要求下，通过专家组投票方式确定最终指标。选择12个对耕地地力影响较大且适合当地土地资源实际情况的因素作为评价指标，包括与土壤管理相关的要素（耕地基础设施具体灌溉情况）、土壤（结构、类型、质地情况）、土壤养分含量（全氮、有效磷、速效钾、有机质含量）以及地形地貌条件（海拔高度、土地坡度、地貌特征）［10］。

1.3.2 划分评价单元 为科学划分研究区耕地地力等级，将商南县土地利用现状图、土壤图、行政区划图在Arc map10.2软件中叠加形成的色斑图作为最终评价单元，三类图形的划分单元分别为二级利用类型、土种及镇一级，通过叠加，使得同一评价单元内的行政区域划分、土种类别及使用方式均达到一致，不同评价单元之间的可比性和差异性则同时体现［11-12］。

1.3.3 计算评价指标权重 不同评价指标对耕地地力评价结果反映土地质量的影响差异较大，各个因子之间相互影响、互相促进，因此应结合当地实际情况对所有选中指标赋予相应的权重［13］。为保证评价的客观性、准确性、真实性，本研究利用层次分析法进行评价，将所选的12个评价因子按照隶属关系排成目标层K（耕地地力）、准则层M（有相似特征的要素）、指标层N（参评因子）3个层次［14-15］。专家组在层次结构图中依据上下两层对应的重要程度赋予评估值，再经过计算分析形成判断矩阵，根据矩阵可得到各因子的特征向量（即权重）［16］。各指标的组合权重为MiNj，Mi为M层中决定矩阵的特征向量（i=1，2，3，4）；Nj指N层决定矩阵的特征向量（j=1，2，…12）。经计算，矩阵排列整体一致性较好，层次总排序、单排序及一致性检验的一致率（CR）均小于0.1。权重匹配结果见表1。

1.3.4 拟合隶属函数 根据所选的商南县耕地地力评价因子，结合模糊数学法，确定3种参评指标与耕地生产关系的函数模型，分别为概念型（耕地基础设施、灌溉水平、土壤结构、类型、质地、地形地貌）、戒上型（全氮、速效钾、有机质、有效磷）、直线型（海拔高度和坡度），将后两种模型的因子进行回归分析，建立拟合函数模型，通过精度检验，置信水平达到显著的可进行隶属度计算（表2）。同时，通过经验法给出评价因素相应的指标值与评估值［17-19］，结果见表3 。最后，

根据不同评价因子与耕地地力等级的相关性，对概念型因子直接赋予隶属度值［20］（表4）。

表1 评价指标组合权重匹配结果Table 1 Matching results of evaluation index combination weight

表2 所选因子类型及其隶属函数Table 2 Types of selected factors and the membership function

表3 数量型参评因子专家评估值Table 3 Expert evaluation value of quantitative participation factors

表4 专家组评估非数量型参评因子隶属度值Table 4 Membership value of non-quantitative type factors evaluated by expert group

1.3.5 耕地地力综合指数（IFI）的计算 本研究利用加法模型计算IFI［21］，对商南县耕地地力进行评价，公式如下：

式中，Fi为第i个指标的隶属度，Ci为第i个指标的组合权重。最后，利用耕地资源管理信息系统中的模块，计算得出商南县IFI最小值为0.5261703，最大值为0.862222。

1.4 耕地地力综合指数分级

在商南县耕地地力评价中，根据IFI累积频率曲线图与实际样点数，将累积曲线波动剧烈的拐点值作为各个等级的分级指标［22］，将商南县耕地地力分为5个等级：一级地，IFI＞0.75；二级地，0.7＜IFI≤0.75；三级地，0.65 ＜IFI≤0.7；四级地，0.6＜IFI≤0.65；五级地，IFI≤0.6。

2 结果与分析

基于耕地地力评价手段，利用Arcmap10.2软件的反距离加权法（IDW）对采样点的IFI进行空间插值，并根据分级标准对从土地利用现状图中提取的耕地进行计算，获取各评价等级耕地的面积及空间分布情况［23］。

商南县及各镇不同耕地地力水平面积统计结果见表5。研究区总耕地面积24 848.26 hm2，占全县土地面积的10.77%，其中一级地2 286.97 hm2、占总耕地面积的12.19%，二级地4 666.79 hm2、占17.49%，三级地8 733.13 hm2、占32.28%，四级地6 320.22 hm2，占25.10%，五级地2 841.16 hm2、占12.93%。

从评价结果（表5）可以看出，商南县耕地地力等级与坡度、土壤构造、地貌类型均密切相关，具有明显的地域分布特征。随着地力水平的变化，地貌类型从较为平坦的坡塬地和在沟底的沟谷地过渡到高程较高的山地和洪积（或新冲积）形成的滩地，不同类型地貌上各地力等级的耕地面积及占比见表6。

2.1 一级地地力调查评价

从表7可以看出，商南县一级地面积2 286.97 hm2，占研究区耕地面积的12.19%，全县各镇均有分布，主要集中在城关镇和试马镇。地貌类型分布特征是主要集中在河谷川塬上，其余则在浅山丘陵上，其中河谷川塬上的一级地有1 760.76 hm2、占一级地总面积的76.99%，浅山丘陵有526.30 hm2、占24.03%；面积较大的土壤类型为黄棕壤，有1 753.31 hm2、占一级地的76.67%；且一级地坡度较小，大多分布在15°以下，仅有少量地块坡度略超过15°，无明显土壤侵蚀现象，土壤养分含量较高。一级地地势平坦、土层深厚、土壤养分含量高、水土流失较轻，多数地区灌溉条件好，有较高生产力，适宜多种作物的生长。但部分地方易受干旱威胁，在生产上存在肥力后劲不足问题，因此应增施有机肥料，提高土壤抗旱续墒和保肥能力，改善土质结构。在耕种过程中，出现重复开垦、不注重养护等问题，建议合理规划轮作制度、科学使用配方施肥、改善和加强土壤肥力。

2.2 二级地地力调查评价

商南县二级地面积4 666.79 hm2，占研究区耕地面积的17.49%，各镇均有分布，主要集中在城关镇和富水镇。其中，分布在浅山丘陵上的面积有4 502.19 hm2、占二级地96.47%，河谷川塬有156.63 hm2、占3.36%，中山地貌中的二级地占比最小、只有7.96 hm2，占0.17%；土壤类型主要为黄棕壤，面积为4 340.03 hm2，占二级地的93.00%，土壤养分含量仍较高（表7）。分布在二级地的地势也比较平缓，坡度落差不大，土体较厚，水土流失较轻，但部分田块灌溉条件欠佳，生产性能比一级地低。部分地块的土种（如泥潮土），质地粘重、通透性较差，在干旱时节常出

现龟裂、雨季积水成涝、耕种易起泥条、限制生产力等问题。因此，需要设法排水除涝，掺沙改善土壤构造，加施有机肥，增强团粒结构，进行土壤培肥与改良等［24］。

表5 商南县不同地力等级的耕地面积及占比Table 5 Cultivated land area and proportion of different land grades in Shangnan county

表6 商南县不同类型地貌上各地力等级耕地面积及占比Table 6 Cultivated land area and proportion of different land grades in different geomorphic types in Shangnan county

表7 商南县不同地力等级耕地土壤养分含量Table 7 Soil nutrient content of different land grades in Shangnan County

2.3 三级地地力调查评价

商南县三级地面积8 733.13 hm2，占研究区耕地面积的32.28%，各镇均有分布，主要集中在城关镇、富水镇和金丝峡镇。其中，分布在浅山丘陵上的有三级地 8 619.75 hm2、占98.70%，中山地貌93.36 hm2、占1.07%，河谷川塬仅20.02 hm2、占0.23%；土壤类型主要为黄棕壤，面积为7 724.66 hm2、占88.45%，土壤养分含量略低于前一、二级地（表7）。三级地的坡地耕地面积较前一、二级增多，坡度和水土流失增大，土壤腐殖质层、有效土层的厚度有所降低，且无灌溉能力的耕地面积增加，耕地生产力因此下滑，可通过平整土地、改善土体厚度、增强土壤肥力、提高蓄水保墒能力、防止水土流失、增建灌溉设施等措施，逐步建成高产旱作基本农田。

2.4 四级地地力调查评价

商南县四级地面积6 320.22 hm2，占研究区耕地面积的25.10%，各镇均有分布，主要集中在试马镇、金丝峡镇和富水镇。其中，分布在浅山丘陵上的面积最大、有5 399.22 hm2、占四级地85.43%，中山地貌有917.52 hm2、占14.52%，河谷川塬的分布最少、只有3.48 hm2、占0.05%；土壤类型主要是黄棕壤，面积为4 964.54 hm2、占四级地的78.55%（表7）。四级地的生产性能中等，耕地坡度、水土流失情况继续增强，肥力减弱，土层变薄，大部分耕地无灌溉能力，严重影响生产性能。因此，可进行修建梯田、引水防旱、培肥土壤，提高灌溉能力及土壤湿度，逐步建成稳产旱作基本农田。

2.5 五级地地力调查评价

商南县五级地面积2 841.16 hm2，仅占研究区耕地面积的12.93%，各镇均有分布，但主要集中在十里铺镇。其中，分布在中山地貌上有2 123.62 hm2、占74.75%，浅山丘陵分布的五级地有717.53 hm2、占25.25%；土壤类型主要是黄棕壤，面积为1 742.37 hm2、占61.33%（表7）。五级地所处的坡度多数较大，土壤表层质地疏松，易导致水土流失，土体厚度、腐殖质层厚度均较低，生产性能中等偏下。对于小于15°的坡耕地，可通过粮草轮作、增施有机肥，提高土壤养分，防止水土流失，建设农田基础设施，提高耕地生产能力，逐步改良为旱作基本农田。对于大于15°的坡耕地，应全部退耕还林还草。

3 讨论

本研究在保护秦岭生态和发展高效农业、助力脱贫攻坚的大背景下，以地处秦岭东段南麓的陕西省商南县作为研究区，建立秦岭山区县域耕地地力评价体系，通过对评价指标组合权重匹配结果的分析比较，发现灌溉能力、地貌类型、有机质、坡度为影响商南县耕地地力评价的主要因子。这些自然条件会限制土层结构、土壤蓄水能力，影响农业生产性能，因此，改善这些因素是提高本区耕地生产地力主要途径。研究表明，商南县地力较好的耕地主要集中分布在低海拔（800 m）以下较平坦的川道、丘陵地带，此区土层深厚，土壤养分含量高，水土流失较轻，多数地区灌溉条件好，是商南县高产田的主要分布区域，也是科管条件较好，人为干预较多的地区。三、四级耕地多分布在海拔800～1 200 m之间的中高山区，此区海拔较高，坡度增大，水分涵养能力较差，土壤肥力脊薄，交通不便，人为管理难度大的区域。后期可通过加强基础设施建设，加大科技投入，提高科管水平，更换种植方式（间作、轮作、套种等），改善土体结构，增强土壤肥力，增建灌溉设施等措施提高耕地地力生产水平。五级地所处坡度较大，一般海拔在1 200 m以上、交通极为不便、人为影响较小的区域，此区土壤表层板结，土层薄、腐殖质层厚度均较低，无灌溉条件，管理难度较大，只能采取自然耕作的方式，靠天吃饭。大于15°的坡耕地已不适合耕种，应全部退耕还林还草。分析发现县域耕地地力固然与海拔、地形地貌等自然因素有关，但可以通人工干预改变或提高地力，随着现代科学管理水平的提高，耕作方式、种植制度等人为因素对耕地地力也存在一定影响，本研究没有作深入探讨，这为以后研究提出了新的方向。

4 结论

本研究选取土壤管理相关的要素、土体构造、土壤养分含量以及地形地貌条件等4个方面中与耕地地力相关性大且可操作性、稳定性和主导性都较好的12个指标作为参评指标，构建耕地地力优劣评价指标体系，对陕南山区县域耕地地力进行分级。结果表明，商南县耕地总面积24 848.26 hm2，1～5级耕地面积分别为 2 286.97、4 666.79、8 733.13、6 320.22、2 841.16 hm2。其中一、二级耕地主要集中分布在海拔800 m以下的河谷川塬和浅山丘陵地带，三、四级耕地多分布在海拔800～1 200 m之间的浅山丘陵和中山地貌上，而五级地位于海拔1 200 m以上的山坡或高山上。建议通过改善影响地力的主要因子来提高地力，为区域内土地合理利用规划、农业生产经营、生态平衡保护、耕地资源的可持续发展提供保障。