基于GIS 的金塔县耕地质量等级评价及特征分析

2022-08-09谭思佳蔡立群

国土与自然资源研究 2022年5期

谭思佳，蔡立群*

（1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃兰州730000；2.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州730001）

0 引言

耕地是人类社会赖以生存与发展的必要物质基础[1]，也是作为土地资源中最为重要的一部分，耕地数量的多少和质量的高低，直接影响农业产业结构、耕地产出水平以及农产品质量[2]。对保障粮食安全、生态安全以及可持续发展具有重要作用[3]。所以，必须要了解耕地的质量情况并对耕地质量情况进行正确评价，全面了解耕地资源状况，实现人与土地互动的基础[4]。随着信息技术、计算机技术、空间技术的全面发展，GIS 在耕地上的应用也越来越广泛[5]，已经能在相当大的程度上推动耕地质量评价的定量化，自动化和智能化。近年来，越来越多的学者如赵建国等[6]、石淑芹等[7]、邢世和等[8]都利用GIS 软件针对不同地区进行耕地质量评价研究。

本文以甘肃省酒泉市金塔县为研究对象，应用ArcGIS 技术，建立代表性耕地样区，通过空间分析、层次分析等方法，初步对耕地土壤养分含量的分布特征以及耕地质量等级进行研究，为金塔县耕地质量的保护与提升提供科学依据。

1 研究区概况、资料收集与整理

1.1 研究区概况

金塔县位于中国的西北部，地处39°47′～40°59′N 与90°00′～100°20′E 之间。全县总面积188 万hm2，北靠蒙古额济纳旗，西与甘肃的嘉峪关、玉门市和肃北县接攘，南与酒泉市、张掖地区的高台县为邻。其县境内的东、南、北三面皆为山，并且中间均低平，地形方面略呈斜方，海拔在1 100~1 400 m 之间，相比其他地区高500~1 000 m。金塔县四季分明，气候干燥，降水量少，蒸发量大，夏季酷热，冬季寒冷，属于我国的典型温带大陆性干旱气候，其年平均气温为8℃，平均日照总时数为3 193.2 h。其县年平均降水量为59.5 mm，历年最多为127.0 mm，最少仅18.3 mm，并且主要集中在夏季。

1.2 资料收集与整理

评价收集基础图件资料、统计资料、测试化验分析资料、野外调查资料和其他资料等。其中，统计资料包括统计年鉴和农业统计年鉴等；测试化验分析资料包括有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾、pH 及土壤中其他的微量元素与重金属元素等；野外调查资料包括自然条件、生产条件、地理位置以及土壤剖面性状等；其他资料则包括全国第二次土壤普查资料、耕地质量监测点数据、水利区划相关资料、高标准农田建设等农田基础设施建设及历年相关田间试验资料等。

2 评价方法与步骤

金塔县耕地质量等级评价是依据《耕地质量等级》国家标准（GB/T33469-2016），在对耕地的养分状况、立地条件、剖面性状、耕层理化性状、健康状况进行分析的基础上，充分利用GIS 技术，通过层次分析、空间分析、综合指数等方法，对耕地质量、土壤健康状况以及田间基础设施构成的质量安全的能力进行综合评价，具体步骤如下：

（1）调查内容与样点布设。调查内容主要包括样点统一编号、采样年份、县（区）名称、乡（镇）名称、村组名称、海拔高度、经度、纬度等基本信息，立地条件、理化性状、障碍因素、耕作管理等相关数据。在进行样点布设时，通过土地利用现状图、土壤图和金塔县行政区划图叠加形成评价单元，根据评价单元的土壤类型、面积、数量、种植制度与作物类型、产量水平，同时充分考虑点位的均匀性，最终确定金塔县采样点的位置，并在图上标注，形成采样点位图。并遵循大致按照每667 hm2布设1 个样点的标准进行布点，共布设调查样点128 个，采样路线为“S”型，采样深度为0~20 cm，样品重量为1 kg。

（2）评价单元划分与数据获取。根据因素差异性、相似性和边界完整性原则，采用金塔县土壤图、金塔县土地利用现状图和金塔县行政区划图的组合叠置方法划分评价单元。科学获取评价单元数据，对土壤养分含量等定量数据、灌溉能力等定性因子、地貌类型等专题图形式的因子，采用空间插值、以点带面以及评价单元图进行叠加等方法获取各单元数据信息。

（3）评价指标及其权重的确定。依据指标选取的原则，针对金塔县耕地质量评价的要求和特点，依据《耕地质量等级》国家标准规定的“N+X”指标体系，建立金塔县耕地质量等级评价指标层次结构，共选取地形部位、灌溉能力、排水能力、耕层质地、质地构型、土壤容重、有效土层厚度、有机质、有效磷、速效钾、海拔、障碍因素、盐渍化程度、农田林网化程度、生物多样性、清洁程度等16 个指标。应用层次分析法与特尔斐法相结合的方法确定金塔县的指标权重（表1）。

表1 金塔县耕地质量等级评价指标权重

（4）指标隶属函数构建。隶属函数类型包括概念型、戒上型、戒下型、峰型、概念型等5 类函数。对概念型数据，直接采用特尔斐法给出隶属度（表2）。

表2 金塔县耕地质量等级评价函数型指标及隶属函数

（5）耕地质量等级划分。根据《耕地质量等级》（GB/T33469-2016），采用累加法计算各评价单元的耕地质量综合指数。耕地质量综合指数计算公式为：P=∑(Fi×Ci)

式中，P 表示耕地质量综合指数；Fi表示第i 个评价指标的隶属度；Ci表示第i 个评价指标的组合权重。

采用等距离法将耕地质量划分为十个等级。一等地的耕地质量相对较好，十等地耕地质量相对较差，按照金塔县耕地质量等级的划分标准，金塔县耕地质量综合指数（IFI）值在一至六等地之间（表3）。

表3 金塔县耕地质量等级划分标准

3 结果与分析

3.1 金塔县土壤养分元素含量

经过对金塔县的耕作层的土样进行化学实验分析，测出其土壤养分的元素含量，得到金塔县各乡镇的养分元素含量平均值，金塔县的土壤养分元素含量平均值分别为：有机质12.90 g/kg、全氮0.80 g/kg、有效磷26.95 mg/kg、速效钾147.77 mg/kg、有效铁10.57 mg/kg、缓效钾515.23 mg/kg、有效铜1.22 mg/kg、有效锌0.74 mg/kg、有效锰6.41 mg/kg。各乡镇土壤养分元素平均值详见表4。

表4 金塔县各乡镇耕地土壤养分元素平均含量

3.2 金塔县耕地数量等级分析

金塔县耕地质量等级调查评价总面积为49 187.15 hm2，金塔县耕地质量等级由高到低依次为一等到六等，一到六等地耕地面积分别为13.90%、27.70%、26.75%、16.63%、8.28%、6.74%，其中二、三、四等耕地面积占比较大。采用耕地质量等级面积加权法，计算可得到金塔县耕地质量的平均等级为2.98 等（图1，图2，表5，表6）。

图2 金塔县耕地质量等级分布图

表5 金塔县耕地质量等级面积比例及主要分布区域

表6 金塔县各乡镇不同等级耕地面积比例情况

图1 金塔县耕地质量等级比例图

评价为一等地的耕地面积为6 835.82 hm2，占金塔县评价耕地总面积的13.90%，主要分布在金塔镇、东坝镇、三合乡、鼎新镇、大庄子镇、古城乡、中东镇、羊井子湾，有良好稳定的灌溉水源和充足的光热，有机质含量高，以草甸土、潮土、灌淤土为主，耕地存在轻度盐渍化，其土壤平均pH 为8.61，没有明显的障碍因素。

评价为二等的耕地，面积为13 626.59 hm2，占27.70%，主要分布在中东镇、古城乡、西坝镇、东坝镇、金塔镇、大庄子镇、三合乡、鼎新镇、羊井子湾、航天镇，以草甸土、潮土、风沙土、灌淤土、灰棕漠土、沼泽土为主，耕地存在轻度盐渍化，其土壤平均pH 为8.63，没有明显障碍因素。

评价为三等的耕地，面积为13 155.36 hm2，占26.75%，主要分布在东坝镇、鼎新镇、金塔镇、三合乡、大庄子镇、航天镇、中东镇、古城乡、西坝镇、羊井子湾，以草甸土、潮土、风沙土、灌淤土、灰棕漠、盐土为主，这部分耕地土壤存在小面积的障碍层次，存在轻度盐渍化，其土壤平均pH 为8.64。

评价为四等的耕地，面积为8 179.77 hm2，占16.63%，主要分布在东坝镇、古城乡、大庄子镇、西坝镇、中东镇、金塔镇、三合乡、鼎新镇、航天镇、羊井子湾，以草甸土、风沙土、灌淤土、灰棕漠土、盐土为主，这部分耕地土壤存在轻度盐渍化，其土壤平均pH 为8.64。

评价为五等的耕地，面积为4 075.11 hm2，占8.28%，主要分布在航天镇、古城乡、西坝镇、大庄子镇、中东镇、东坝镇、金塔镇，以草甸土、风沙土、灌淤土、灰棕漠土、盐土为主，这部分耕地土壤养分贫瘠，这部分耕地土壤存在小面积的障碍层次，轻度盐渍化，其土壤平均pH 为8.68。

评价为六等的耕地，面积为3 314.5 hm2，占6.74%，主要分布在航天镇、大庄子乡、鼎新镇，仅分布有盐土，这部分耕地土壤存在小面积障碍层次，养分少数贫瘠，存在轻度盐渍化，其土壤平均pH 为8.67。

4 结论

依据《耕地质量等级》（GB/T33469-2016）国家标准，以甘肃省金塔县耕地作为基本评价对象，通过地理信息系统（ArcGIS）对空间数据和属性数据进行处理和分析，按照耕地质量综合指数分级方案划分金塔县耕地等级，统计结果表明甘肃省金塔县一到六等耕地均有分布，各等级耕地地力均存在显著差异。通过面积加权法计算得到金塔县耕地质量平均等级为2.98 等，分布有一至六等级地，七、八、九、十等级地没有分布；其中二等地占比最大，占金塔县耕地的27.70%，且位于金塔县西部的中东镇耕地质量最好；六等地占比最小，占金塔县耕地的6.74%。二、三、四等级地为金塔县耕地质量等级的主体，面积占比分别为27.70%、26.75%、16.63%。因此，金塔县耕地质量水平整体较高。