基于GIS的黃土高原地貌復雜區(qū)縣域耕地地力評價——以陜西省澄城縣為例

付金霞,常慶瑞,李粉玲,楊香云,田永林,趙粉萍

(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院,陜西楊凌 712100;2.陜西省澄城縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,陜西澄城 715200）

基于GIS的黃土高原地貌復雜區(qū)縣域耕地地力評價
——以陜西省澄城縣為例

付金霞1,常慶瑞1,李粉玲1,楊香云1,田永林2,趙粉萍2

(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院,陜西楊凌 712100;2.陜西省澄城縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,陜西澄城 715200）

以黃土高原地貌復雜區(qū)的陜西省澄城縣為研究區(qū),通過野外采樣調(diào)查和室內(nèi)分析,獲取大量耕地地力相關(guān)信息,并借助GIS技術(shù)和綜合運用層次分析法、模糊數(shù)學法、綜合指數(shù)法等對研究區(qū)耕地地力進行自動化、定量化和可視化評價。結(jié)果表明:澄城縣耕地地力可分為5等,其中1等地占19.05%,2等地占22.75%,3等地占31.3%, 4等地占16.97%,5等地占9.94%。1、2、3等地主要分布在地勢較平坦、灌溉條件較好、肥力較高的黃土塬面上,而4、5等地主要分布于坡度較大、水土流失嚴重、土壤耕層較薄、肥力低的丘陵溝壑區(qū),利用類型主要為旱地。在全縣14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中,寺前鎮(zhèn)、韋莊鎮(zhèn)和城關(guān)鎮(zhèn)耕地地力水平較高,而堯頭鎮(zhèn)耕地地力較差。

GIS;黃土高原地貌復雜區(qū);耕地地力;空間分布

耕地地力是指在特定區(qū)域內(nèi)的特定土壤類型上,由耕地的地形地貌條件、成土母質(zhì)特征、土壤理化性狀、農(nóng)田基礎(chǔ)設施及培肥水平等綜合構(gòu)成的耕地生產(chǎn)力。近年來,我國各地逐步運用“3S”技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù),結(jié)合系統(tǒng)聚類、模糊數(shù)學、層次分析等現(xiàn)代統(tǒng)計分析技術(shù),進行耕地地力調(diào)查評價研究[1-9]。當前研究中,黃土高原地貌復雜區(qū)(塬、梁、山地、丘陵、溝壑兼有）的耕地地力評價研究較少,且耕地地力評價缺乏自動化、定量化和可視化研究。本研究結(jié)合農(nóng)業(yè)部耕地地力調(diào)查項目,借助 GIS技術(shù),綜合運用層次分析法、模糊數(shù)學法和綜合指數(shù)法等,以陜西省澄城縣為例,進行黃土高原地貌復雜區(qū)的縣域耕地地力評價,是空間信息技術(shù)和現(xiàn)代統(tǒng)計分析技術(shù)在耕地地力評價中的有益嘗試。同時,探究影響黃土高原地貌復雜區(qū)耕地地力的主要因素,開展縣域耕地地力評價,分析耕地地力與各影響因子的空間變異關(guān)系,對該區(qū)有效保護和合理利用耕地、推進耕地資源合理配置和優(yōu)化種植業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、提高耕地地力和實現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論價值和實踐意義[9]。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源及研究平臺

1.1 研究區(qū)概況

澄城縣位于陜西省中部,地處東經(jīng)109°40′30″～110°05′50″、北緯34°55′45″～35°27′05″,南北長58 km,東西寬37 km,幅員1 121 km2。海拔362～ 1 272 m,總地勢北高南低(高差910 m）,向東南傾斜。地形地貌復雜,主要由黃土塬地、丘陵溝壑、北部山地三大地貌單元構(gòu)成,川、塬、丘、山、溝皆有分布,以塬地為主。澄城縣屬暖溫帶半干旱大陸季風氣候,光能豐富,熱量適中,降水偏少,年均日照時數(shù)2 547 h,年均氣溫12.2℃,年均降雨量549.4 mm,年蒸發(fā)量1 192.1 mm,氣候南北差異較大。境內(nèi)主要有孔走河、長寧河、縣西河、大浴河4條河流,把全縣分割成三梁塬一臺塬,溝梁相間、塬高溝深?，F(xiàn)有耕地面積87 275.75 hm2,土壤類型主要為褐土、塿土、黃土性土、紅土、淤土,其中黃土性土面積最大。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究平臺

本研究數(shù)據(jù)由屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)構(gòu)成。屬性數(shù)據(jù)包括第二次土壤普查所編撰的土壤志、研究區(qū)2006-2009年實施的“測土配方施肥”項目中采集的2 611個樣點數(shù)據(jù)(包括采樣點坐標、基本情況、土壤農(nóng)化分析數(shù)據(jù)）;空間數(shù)據(jù)包括1∶5萬地形圖、土壤圖、土地利用現(xiàn)狀圖、地貌類型圖和行政區(qū)劃圖。

屬性數(shù)據(jù)庫的建立主要利用 A rcGIS 9.3和Access 2003數(shù)據(jù)庫軟件,空間數(shù)據(jù)庫的建立和處理分析主要利用A rcGIS 9.3軟件,其結(jié)果調(diào)入縣域耕地地力管理信息系統(tǒng)中進行顯示和管理。評價指標的權(quán)重和指標內(nèi)不同數(shù)值的模糊隸屬度的確定,主要利用縣域耕地地力管理信息系統(tǒng)3.0進行分析。

2 澄城縣耕地地力評價過程

耕地地力評價的基本思路為:在建立研究區(qū)基礎(chǔ)地理要素(包括行政區(qū)劃、地形地貌、土壤、土地利用、樣點養(yǎng)分等）空間數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,獲取耕地地力評價單元,構(gòu)建耕地地力評價指標體系及其數(shù)據(jù)庫;運用層次分析法和模糊數(shù)學法確定各指標的權(quán)重和各指標內(nèi)部不同數(shù)值的模糊隸屬度,然后根據(jù)耕地地力評價模型,計算各評價單元耕地地力綜合指數(shù)并分級;最后分析各等級地的空間分布狀況和與各影響因素之間的關(guān)系。

2.1 確定評價單元

耕地地力評價單元是指潛在生產(chǎn)能力近似且邊界封閉具有一定空間范圍的耕地。在 GIS平臺支持下,本研究耕地地力評價單元采用土壤圖(土種）、土地利用現(xiàn)狀圖及行政區(qū)劃圖(村）疊置,并進行綜合取舍,形成評價單元圖斑。該方法的優(yōu)點是考慮全面、綜合性強;形成的評價單元行政隸屬關(guān)系明確,同一單元內(nèi)土壤類型一致、土地利用方式和耕作方法基本相同,既滿足了對耕地地力評價要求,又便于耕地利用與管理[9]。全縣共確定評價單元2 454個。

2.2 構(gòu)建評價指標體系

選擇評價指標時應使所選取的因子對耕地生產(chǎn)力有較大影響,在評價區(qū)域內(nèi)變異較大,便于劃分等級,同時必須注意因子的穩(wěn)定性和與當前生產(chǎn)的密切相關(guān)性。根據(jù)全國耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價指標體系總集,結(jié)合澄城縣的具體實際,遵循穩(wěn)定性、主導性、綜合性、差異性、定量性和現(xiàn)實性原則,選取立地條件(坡度、坡向、海拔高度、地貌類型）、土壤性質(zhì)(土壤類型、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、剖面構(gòu)型）、肥力狀況(土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、p H值）、土壤管理(農(nóng)田基礎(chǔ)設施、灌溉能力）4方面15項指標作為澄城縣耕地地力的評價指標。

2.3 指標體系數(shù)據(jù)庫的建立

坡度、坡向、海拔指標的獲取是依據(jù)澄城縣地形圖,利用A rcGIS進行DEM分析后,采用分區(qū)統(tǒng)計的方法將值賦給相應的評價單元。地貌類型指標是基于地貌類型矢量圖和評價單元圖疊置將值賦給相應的評價單元。土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、p H值等指標的獲取,是基于澄城縣耕地地力調(diào)查項目與測土配方施肥項目中用 GPS準確定位采集的2 611個耕層調(diào)查樣點,按常規(guī)方法進行化驗分析,經(jīng)統(tǒng)計分析符合空間插值條件后,利用A rcGIS中Kriging方法進行空間插值,并采用分區(qū)統(tǒng)計平均值的方法將值賦給相應的評價單元。土壤類型、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和剖面構(gòu)型依據(jù)評價單元的土壤類型關(guān)聯(lián)屬性表直接賦值。農(nóng)田基礎(chǔ)設施、灌溉能力指標的屬性數(shù)據(jù),利用以點代面的方法賦值給評價單元。

2.4 評價指標權(quán)重的確定

采用層次分析法確定各評價指標權(quán)重。通過建立層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序、層次總排序及其一致性檢驗得到澄城縣15個評價指標的組合權(quán)重(表1）,其中灌溉能力、坡度、地貌類型、有機質(zhì)、農(nóng)田基礎(chǔ)設施指標的組合權(quán)重較高,即為影響該縣耕地地力最重要的指標。

表1 澄城縣耕地地力評價指標權(quán)重Table 1 Evaluation indexes′weights of farm land productivity in Chengcheng County

2.5 評價指標不同數(shù)值的模糊隸屬度的確定

評價指標內(nèi)部不同數(shù)值的重要性賦值采用模糊隸屬函數(shù)模型。根據(jù)模糊數(shù)學的理論,將選定的評價指標與耕地生產(chǎn)能力的關(guān)系分為戒上型、峰型、直線型及概念型4種類型的隸屬函數(shù)[10,11]。前3種數(shù)值型指標采用特爾斐法和模糊評價法,建立評價指標實際值和代表生產(chǎn)力水平的隸屬度(0～1）間隸屬函數(shù)關(guān)系;而概念型指標如坡向、質(zhì)地、剖面構(gòu)型等,與耕地生產(chǎn)能力之間是一種非線性的關(guān)系,采用專家經(jīng)驗法直接給出隸屬度。利用縣域資源管理信息系統(tǒng)隸屬函數(shù)分析模塊對澄城縣15項評價指標確定隸屬函數(shù)模型(表2、表3）。

表2 數(shù)值型評價指標隸屬函數(shù)Table 2 Membership functions of numerical evaluation indexes

表3 概念型評價指標隸屬度Table 3 Membership of conceptual evaluation indexes

2.6 耕地地力綜合指數(shù)計算與分級

利用累加模型計算耕地地力綜合指數(shù)(Integrated Fertility Index,IFI）,對應于每個圖斑的綜合指數(shù)計算方法如下:

式中:IFI為耕地地力指數(shù);Fi為第i個因素的隸屬度;Ci為第i個參評因素對組合權(quán)重值。根據(jù)綜合指數(shù)計算結(jié)果,結(jié)合耕地類型分區(qū)[12],采用累積曲線分級法,將研究區(qū)耕地地力分為5級(表4）。

表4 澄城縣耕地地力等級劃分Table 4 Grades standard of farmland productivity in Chengcheng County

3 評價結(jié)果與分析

3.1 各等級耕地的空間分布

澄城縣耕地面積87 275.75 hm2,耕地地力評價結(jié)果見圖1和表5。該縣3等地耕地面積最大,占總耕地面積的31.3%;其次是2等地、1等地和4等地,分別占總耕地面積的 22.75%、19.05%和16.97%;5等地面積最小,占總耕地面積的9.94%。1等地集中分布在地勢平坦、灌溉條件較好的黃土塬面上,坡度小于3°的1等地面積占該等級總面積的91.69%;土壤類型主要為塿土和黃土性土,面積分別占1等地總面積的58.32%和40.55%,肥力水平高,水土流失較輕;農(nóng)田基本設施配套或基本配套,主要土地利用類型為水澆地,生產(chǎn)性能高,適合種植多種作物。2等地和3等地主要分布在地勢較平坦、灌溉條件較好的黃土塬面上,部分位于丘陵溝壑區(qū)和山區(qū),坡度小于3°的2等地、3等地面積分別約占其總面積的75.09%、75.83%;土壤類型主要為黃土性土和塿土,肥力水平較高;部分地塊無灌溉條件,土地利用類型多為旱地和水澆地,生產(chǎn)性能比1等地低。4等地主要分布在丘陵溝壑區(qū),部分分布在黃土塬面和山區(qū),坡度小于3°、3°～15°、大于15°的4等地面積分別占該等級總面積的36.87%、48.75%、14.38%,坡耕地面積增多;土壤類型主要為黃土性土,面積占4等地總面積的92.59%,水土流失增強,土層變薄,肥力下降;約99.83%的4等地無灌溉能力,除少量水澆地和菜地外,主要土地利用類型為旱地。5等地主要分布在丘陵溝壑區(qū),其面積占總面積的78.09%;大部分位于7°以上的坡耕地上,坡度大于7°的5等地面積占該等級總面積的74.38%;土壤類型主要為黃土性土和褐土,表層疏松,水土流失嚴重,肥力較低;基本無灌溉能力,全為旱地。

圖1 澄城縣耕地地力等級分布Fig.1 Grades distribution of farmland productivity in Chengcheng County

3.2 各等級耕地的行政區(qū)域分布

在耕地地力等級分布圖與行政區(qū)劃圖疊置分析的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計各等級耕地在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分布狀況(表5）。由表5可知,1等地主要分布在寺前鎮(zhèn)和韋莊鎮(zhèn),分別占全縣1級耕地總面積的32.30%和22.77%,分別占本鎮(zhèn)總耕地面積的70.25%和49.75%,且韋莊鎮(zhèn)2級耕地亦占該鎮(zhèn)耕地面積的41.55%,此兩鎮(zhèn)耕地具有較高的生產(chǎn)力;2等地主要分布在王莊鎮(zhèn)、韋莊鎮(zhèn)、馮原鎮(zhèn)、劉家洼鄉(xiāng),分別占全縣2級耕地總面積的24.80%、15.92%、15.58%、13.19%;3等地主要分布在馮原鎮(zhèn)、安里鄉(xiāng)、交道鎮(zhèn),分別占全縣3級耕地總面積的21.49%、16.16%、11.09%;4等地主要分布在趙莊鎮(zhèn)和堯頭鎮(zhèn),分別占全縣 4級耕地總面積的27.19%、18.76%,其他各鄉(xiāng)鎮(zhèn)也有一定數(shù)量的分布;5等地主要分布在馮原鎮(zhèn)、交道鎮(zhèn)和堯頭鎮(zhèn),分別占全縣5級耕地總面積的28.09%、12.17%、10.00%。全縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中,寺前鎮(zhèn)、韋莊鎮(zhèn)和城關(guān)鎮(zhèn)的耕地地力水平較高,而堯頭鎮(zhèn)地形復雜,溝深坡陡、溝峁較多,土壤侵蝕嚴重,耕作不便,耕地地力最差,生產(chǎn)水平低下,無1等地;4等地面積最多,占全鎮(zhèn)耕地面積的70.73%;其次為 5等地,占全鎮(zhèn)耕地面積的22.08%;2、3等地共占全鎮(zhèn)耕地面積的7.19%。

表5 澄城縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)各等級耕地面積Table 5 Farmland area of different productivity grades in each town of the Chengcheng County

4 結(jié)論

(1）本研究以黃土高原地貌復雜區(qū)的陜西省澄城縣的耕地作為評價對象,借助 GIS技術(shù)和綜合運用層次分析法、模糊數(shù)學法、綜合指數(shù)法等對研究區(qū)耕地地力進行自動化、定量化和可視化評價,并采用累計曲線法劃分耕地地力等級。通過 GIS強大的數(shù)據(jù)獲取、處理和分析功能,實現(xiàn)了評價單元的科學劃分和評價指標屬性值的自動計算,并統(tǒng)一管理和實時顯示耕地地力評價過程中的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),科學合理地定位和定量分析耕地地力與各影響因子之間的關(guān)系;GIS、GPS技術(shù)和現(xiàn)代統(tǒng)計分析技術(shù)相結(jié)合,不僅提高了耕地地力評價結(jié)果的精度,而且較準確地反映了耕地地力的空間分布和空間差異,為研究區(qū)耕地地塊的有效保護、合理利用和提高耕地地力提供了理論依據(jù)。

(2）綜合選取立地條件(坡度、坡向、海拔高度、地貌類型）、土壤性質(zhì)(土壤類型、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、剖面構(gòu)型）、肥力狀況(土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、p H值）、土壤管理(農(nóng)田基礎(chǔ)設施、灌溉能力）4方面15項指標作為澄城縣耕地地力的評價指標,系統(tǒng)全面地考慮了該區(qū)耕地的地形地貌、成土母質(zhì)、土壤理化性狀、農(nóng)田基礎(chǔ)設施和培肥水平等條件,其中灌溉能力、坡度、地貌類型、有機質(zhì)、農(nóng)田基礎(chǔ)設施為影響該縣耕地地力最重要的指標,亦是影響黃土高原地貌復雜區(qū)耕地地力的關(guān)鍵因素。

(3）澄城縣耕地地力等級可分為5等,其中3等地耕地面積最大,占總耕地面積的31.3%;2等地、1等地和 4等地分別占總耕地面積的 22.75%、19.05%和16.97%;5等地面積最小,占總耕地面積的9.94%。1、2、3等地主要分布在地勢較平坦、灌溉條件較好、肥力較高的黃土塬面上,而4、5等地主要分布于坡度較大、水土流失嚴重、土壤耕層較薄、肥力低的丘陵溝壑區(qū),且利用類型主要為旱地。

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Evaluation of Farm land Productivity in Com plex Topography Regions of Loess Plateau Based on GIS: A Case Study in Chengcheng County of Shaanxi Province

FU Jin-xia1,CHANG Qing-rui1,L IFen-ling1,YANG Xiang-yun1,TIAN Yong-lin2,ZHAO Fen-ping2
(1.College of Resource and Environment,N orthw est A griculture&Forest University,Yang ling 712100;
2.A gricultural Technology Extension Center of Chengcheng County of Shaanxi Province,Chengcheng 715200,China）

Through field investigation and laborato ry analysisof samp les to get a lot of information about farm land p roductivity of Chengcheng County of Shaanxi Province located in comp lex topography regions of Loess Plateau,the farm land p roductivity was evaluated automatically,quantitatively and visually w ith the integrated use of GIS,Analytical Hierarch Program(AHP）, Fuzzy Mathematical Theory(FM T）and Comp rehensive Index Method.GISwas used to construct spatial database of the geographic elements and evaluation units,evaluation index system of the study area,then to p rocess and analyze the spatial data. AHP was used to determine the weight of each index.FM T was used to determine the fuzzy membershipsof the indicato rs′different numerical values.CIM was used to determine the index of each evaluation units of farm land p roductivity.The results showed that the farm land p roductivity of Chengcheng County can be classified into 5 grades.The area of grade 1 accounted for 19.05%,grade 2 for 22.75%,grade 3 fo r 31.3%,grade 4 for 16.97%,and grade 5 fo r 9.94%of the total area respectively. The first 3 gradesof farm land mainly distributed in the loess plateau w ith flat terrain,better irrigation and higher fertility,but, grade 4 and 5 mainly distributed in the hilly regionsw ith steep slope,serious soil erosion,thin topsoil,lower fertility and mostly dry land.In 14 tow nsof Chengcheng County,the farm land p roductivity of Siqian tow n,Weizhuang tow n and Chengguan tow n were higher and that in Yaotou tow n was lower.

GIS;complex topography regionsof Loess Plateau;farm land p roductivity;spatial distribution

F301;P208

A

1672-0504(2011）04-0057-05

2010-10-22;

2011-03-08

國家自然科學基金項目(30872073）;陜西省自然科學基金項目(SJ08D08）

付金霞(1978-）,女,博士研究生,講師,主要從事 GIS在資源環(huán)境中的應用研究。E-mail:fujinxia405@nw suaf.edu.cn