基于GIS的天祝縣耕地地力等級(jí)評(píng)價(jià)

曹雪敏，楊虎德

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070）

土壤是人們賴(lài)以生存和發(fā)展的最根本的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤質(zhì)量是土壤特性的綜合反映，可以指示土壤條件差異及其動(dòng)態(tài)變化[1～2]。耕地地力是指在特定氣候區(qū)域由地形、地貌、成土母質(zhì)、土壤理化性狀、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施及培肥水平等要素綜合構(gòu)成的耕地生產(chǎn)能力，因此，耕地地力除了受土壤本身理化性質(zhì)的影響以外，還受到排灌能力等自然條件和人為因素的影響[3～6]。耕地地力評(píng)價(jià)不僅可以評(píng)估耕地的生產(chǎn)能力水平，及時(shí)掌握耕地土壤的基礎(chǔ)地理變化規(guī)律，而且可以用于指導(dǎo)耕地的合理利用、合理施肥，有效保護(hù)和提高耕地質(zhì)量，保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)[7]。近年來(lái)，有關(guān)耕地地力評(píng)價(jià)方面的研究已有很多文獻(xiàn)報(bào)道。采用GIS技術(shù)和模糊評(píng)價(jià)、層次分析及綜合指數(shù)法等不同方法開(kāi)展基于GIS的耕地地力質(zhì)量評(píng)價(jià)研究，評(píng)價(jià)結(jié)果可不同程度地反映研究區(qū)域內(nèi)耕地地力的狀況，對(duì)耕地地力評(píng)價(jià)具有可行性和科學(xué)性，對(duì)科學(xué)管理耕地具有指導(dǎo)意義[8]。天?？h第二次土壤普查距今已有25 a之久，隨著生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的變化，天祝縣耕地地力也發(fā)生了較大變化。我們?cè)谝巴庹{(diào)查和室內(nèi)化驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，以遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和統(tǒng)計(jì)軟件SPSS等技術(shù)方法及有關(guān)數(shù)學(xué)模型為依托，對(duì)天祝藏族自治縣的耕地地力進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期能直觀和準(zhǔn)確地反映出全縣的耕地地力現(xiàn)狀，為耕地資源的科學(xué)管理和可持續(xù)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

天祝藏族自治縣地處甘肅省中部，河西走廊和祁連山東端，東經(jīng)102°27′～103°46′，北緯36°31′～37°55′。東臨景泰縣，北接涼州區(qū)、古浪縣，南與永登縣相鄰，西北與肅南裕固族自治縣接壤，西與青海省門(mén)源、互助、樂(lè)都縣毗鄰。

地勢(shì)西北高，東南低，處于青藏高原、黃土高原和內(nèi)蒙古高原的交匯地帶，屬青藏高原東北邊緣，海拔2 040～4 874m?？h域國(guó)土面積7 147 km2，總耕地面積5.56萬(wàn)hm2，占國(guó)土面積的7.49%，全縣轄19個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，176個(gè)行政村。屬寒溫帶大陸性高原氣候，氣溫低、日照短，天氣多變，山地氣候垂直差異大。年平均氣溫-0.2℃，全年無(wú)霜期73 d，年均降水量411.33mm。主要土壤類(lèi)型有8個(gè)土類(lèi)19個(gè)亞類(lèi)24個(gè)土屬，耕地土壤類(lèi)型主要為山地黑鈣土、山地栗鈣土2種。全縣種植的主要農(nóng)作物有小麥、油菜、青稞、馬鈴薯、豌豆、蔬菜和飼草。2011年全縣農(nóng)作物播種面積5.56萬(wàn)hm2，其中糧食作物播種面積2.44萬(wàn)hm2，經(jīng)濟(jì)作物播種面積0.96萬(wàn)hm2。

2 資料與方法

2.1 研究資料及處理方法

2.1.1 基礎(chǔ)及專(zhuān)題地圖資料 包括1∶50 000地形圖、土壤圖、土地利用現(xiàn)狀圖、行政區(qū)劃圖、地貌類(lèi)型分區(qū)圖、灌溉分區(qū)圖、道路交通圖、居民點(diǎn)分布圖、水系分布圖等。對(duì)圖件資料采用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 9.2進(jìn)行數(shù)字化、圖形編輯、圖幅誤差校正、拓?fù)錂z查等處理[9]。

2.1.2 遙感影像 SPOT 5遙感影像，運(yùn)用Erdas8.7進(jìn)行幾何校正、圖像處理并進(jìn)行信息提取。

圖1 天祝藏族自治縣耕地地力等級(jí)分布

2.1.3 野外調(diào)查資料 野外調(diào)查點(diǎn)數(shù)據(jù)主要包括采樣點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)、地形地貌、障礙因素、土壤類(lèi)型、表層質(zhì)地、土壤母質(zhì)、土層厚度、灌排條件、耕地利用現(xiàn)狀、作物長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)量、管理措施水平等。根據(jù)野外調(diào)查資料，在Access平臺(tái)下，建立土樣數(shù)據(jù)庫(kù)[10]，并生成土壤采樣點(diǎn)點(diǎn)位分布圖。

2.1.4 室內(nèi)化驗(yàn)分析資料 包括pH值，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、緩效鉀、速效鉀等養(yǎng)分含量。

2.1.5 土壤養(yǎng)分分布圖 基于土壤采集樣點(diǎn)分布圖，采用ArcGIS中的地統(tǒng)計(jì)分析克里格（Kriging）差值法形成土壤養(yǎng)分分布圖（圖1），包括pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、緩效鉀、速效鉀等矢量分布圖。

2.2 研究方法

耕地地力評(píng)價(jià)是一種綜合性的多因素評(píng)價(jià)，難以用單一因素的方法劃定[11]。我們采用“全國(guó)耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程”推薦的方法，即綜合應(yīng)用相關(guān)分析因子分析，模糊評(píng)價(jià)、層次分析等數(shù)學(xué)原理，結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行計(jì)算機(jī)擬合、插值分析等方法構(gòu)建定性與定量相結(jié)合的耕地地力評(píng)價(jià)方法。

2.2.1 評(píng)價(jià)單元確定 利用耕地分布圖、土壤圖（以圖種圖斑為基礎(chǔ)）和土地利用現(xiàn)狀圖、行政區(qū)劃圖、灌溉分區(qū)圖、地貌類(lèi)型分區(qū)圖疊加求交形成的圖斑作為評(píng)價(jià)單元，將全縣共劃分耕地地力評(píng)價(jià)的基本單元7 495個(gè)，每個(gè)單元都有專(zhuān)門(mén)的特征屬性，單元內(nèi)部土壤類(lèi)型、利用方式、耕作方法、田間設(shè)施條件、理化性狀等基本一致。

2.2.2 參評(píng)因素的選擇 選取評(píng)價(jià)因素主要有4個(gè)原則[12]。一是對(duì)土地的生產(chǎn)力有比較大的影響；二是在評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)變異較大，便于劃分土地等級(jí)；三是以穩(wěn)定性高的因子為主，對(duì)一些影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定因子也予以考慮；四是因素之間要求相關(guān)性極小或不相關(guān)，相關(guān)性大不宜同時(shí)選擇評(píng)價(jià)因素。采用定量和定性方法結(jié)合，進(jìn)行了參評(píng)因素的選取，建立天祝縣耕地資源管理信息系統(tǒng)，采用綜合指數(shù)法對(duì)耕地地力進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)系統(tǒng)聚類(lèi)方法篩選影響耕地地力的理化性質(zhì)等定量指標(biāo)，利用Delphi法篩選影響耕地地力的立地條件、物理性狀等定性指標(biāo)，最后選取5類(lèi)約束因素（土壤養(yǎng)分、土壤管理、剖面構(gòu)型、立地條件、障礙因素）、11個(gè)指標(biāo)（速效鉀、有效磷、有機(jī)質(zhì)、灌溉模數(shù)、灌溉保證率、剖面構(gòu)型、質(zhì)地、海拔、地貌類(lèi)型、障礙層厚度、障礙層位置）作為天祝縣耕地地力評(píng)價(jià)的參評(píng)指標(biāo)（參評(píng)因素層次結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2）。

圖2 天祝縣耕地地力評(píng)價(jià)因子層次結(jié)構(gòu)

2.2.3 參評(píng)因素權(quán)重的確定 采用層次分析法（AHP），在確定約束層和指標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)后，將每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)約束層的權(quán)重系數(shù)乘以約束層對(duì)耕地地力的權(quán)重系數(shù)[13]，得到各參評(píng)因素的實(shí)際權(quán)重（表1）。

表1 天?？h耕地地力各評(píng)價(jià)因子權(quán)重

2.2.4 參評(píng)因素的隸屬函數(shù)擬合 將選定的評(píng)價(jià)指標(biāo)與耕地生產(chǎn)能力的關(guān)系分為戒上型函數(shù)、戒下型函數(shù)、峰型函數(shù)、直線型函數(shù)以及概念型函數(shù)5種類(lèi)型的隸屬函數(shù)，對(duì)不同類(lèi)型的函數(shù)采用回歸分析方法或Delphi法評(píng)估出相應(yīng)的單因素隸屬度，并且根據(jù)評(píng)估值擬合隸屬函數(shù)。

2.2.5 綜合指數(shù)計(jì)算與分級(jí) 資源管理信息系統(tǒng)采用加法模型計(jì)算耕地綜合地力指數(shù)（IFI），根據(jù)綜合指數(shù)的變化規(guī)律，運(yùn)用累積曲線法確定等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將天?？h耕地地力進(jìn)行劃分。

式中，F(xiàn)i表示第i個(gè)因子隸屬度，Ci表示第i個(gè)因素的權(quán)重。

3 結(jié)果與分析

3.1 天祝縣耕地地力等級(jí)劃分

根據(jù)天?？h耕地地力綜合指數(shù)結(jié)果，結(jié)合該地區(qū)的實(shí)際，將天祝縣的耕地地力劃分為5個(gè)等級(jí)，即一等耕地IFI＞0.5100，二等耕地IFI為0.510 0～0.445 0，三等耕地IFI為0.445 0～0.429 5，四等耕地IFI為0.429 5～0.365 5，五等耕地IFI＜0.365 5。各等級(jí)耕地比例相對(duì)較為均衡，其中一等耕地面積為0.81萬(wàn)hm2，占耕地總面積的14.6%；二等耕地面積為1.16萬(wàn)hm2，占耕地總面積的20.9%；三等耕地面積為1.62萬(wàn)hm2，占耕地總面積的29.2%；四等耕地面積為1.21萬(wàn)hm2，占耕地總面積的21.8%；五等耕地面積為0.75萬(wàn)hm2，占耕地總面積的13.5%（表2、圖3）。

表2 天祝縣耕地地力等級(jí)分布情況

圖3 天?？h不同等級(jí)耕地面積（萬(wàn)hm2）

3.2 耕地地力等級(jí)的行政區(qū)域分布

由表3可以看出，天祝縣一等耕地主要分布在打柴溝鎮(zhèn)、華藏寺鎮(zhèn)、哈溪鎮(zhèn)、松山鎮(zhèn)等莊浪河周邊一帶，二等耕地主要分布在哈溪、朵什、賽什斯、安遠(yuǎn)等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），三等耕地主要分布在松山、華藏寺、西大灘、賽什斯、祁連等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），四等耕地主要分布在松山、西大灘、安遠(yuǎn)、哈溪、朵什等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）；五等耕地主要分布在大紅溝、東大灘、打柴溝、旦馬等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）。

4 結(jié)論與建議

1） 評(píng)價(jià)結(jié)果將天祝縣耕地地力劃分為5個(gè)等級(jí)，其中一等耕地面積為0.81萬(wàn)hm2，占耕地總面積的14.6%；二等耕地面積為1.16萬(wàn)hm2，占耕地總面積的20.9%；三等耕地面積為1.62萬(wàn)hm2，占耕地總面積的29.2%；四等耕地面積為1.21萬(wàn)hm2，占耕地總面積的21.8%；五等耕地面積為0.75萬(wàn)hm2，占耕地總面積的13.5%。

2）天?？h一等耕地土壤類(lèi)型主要以山地黑鈣土和山地栗鈣土為主，含有少量的潮土和草甸土。土壤質(zhì)地以中壤為主，熟化土層厚度大多在60 cm以上，地貌類(lèi)型主要為河谷平原區(qū)和淺山區(qū)，耕地灌排設(shè)施健全，灌溉保證率高，灌溉水質(zhì)好，地勢(shì)平坦，無(wú)明顯障礙層，土壤理化性狀良好，可耕性強(qiáng)，土壤肥力高。耕層土壤含有機(jī)質(zhì)33.5 g/kg、全氮1.88 g/kg、堿解氮117mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷26.4 mg/kg、全鉀19.1 g/kg、速效鉀265mg/kg、緩效鉀1 287mg/kg。在農(nóng)業(yè)利用中應(yīng)主要推廣測(cè)土配方施肥技術(shù)，加強(qiáng)耕地保護(hù)。

二等耕地土壤類(lèi)型主要以山地黑鈣土和山地栗鈣土為主，也有少量的山地褐土，土壤質(zhì)地以中壤為主，土壤熟化層厚，地貌類(lèi)型以中山區(qū)為主，少量分布在河谷平原區(qū)和淺山區(qū)，灌溉保證率較高，可耕性較強(qiáng)，土壤肥力較高。耕層土壤含有機(jī)質(zhì)30.9 g/kg、全氮1.87 g/kg、堿解氮116 mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷25mg/kg、全鉀19.4 g/kg、速效鉀251mg/kg、緩效鉀1 295mg/kg。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用中，要加強(qiáng)農(nóng)業(yè)灌溉，推廣農(nóng)田節(jié)水技術(shù)，調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)，種植低耗水作物，重視有機(jī)肥的生產(chǎn)和使用。

三等耕地土壤類(lèi)型以山地黑鈣土和山地栗鈣土為主，有少量山地灰褐土，土壤質(zhì)地以均質(zhì)中壤為主，灌溉保證率較差，地貌類(lèi)型以淺山區(qū)為主，少量分布在中山區(qū)。土壤理化性狀良，可耕性較強(qiáng)。耕層土壤含有機(jī)質(zhì)33.4 g/kg、全氮1.98 g/kg、堿解氮110mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷24 mg/kg、全鉀18.5 g/kg、速效鉀281mg/kg、緩效鉀1 279mg/kg。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)針對(duì)性的采取工程措施，加強(qiáng)和完善排水系統(tǒng)設(shè)施建設(shè)，增施有機(jī)肥料和秸稈還田，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，推廣農(nóng)田節(jié)水技術(shù)。

四等耕地土壤類(lèi)型以山地黑鈣土和山地栗鈣土為主，有少量山地灰褐土和亞高山草甸土，土壤質(zhì)地中壤為主，主要為旱地，無(wú)灌溉條件。地貌類(lèi)型以淺山區(qū)、中山區(qū)和亞高山區(qū)為主。耕層土壤含有機(jī)質(zhì)32.4 g/kg、全氮1.88 g/kg、堿解氮112 mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷23.6 mg/kg、全鉀19.4 g/kg、速效鉀260mg/kg、緩效鉀1 267mg/kg。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)注意增施有機(jī)肥，推廣地膜覆蓋技術(shù)及儲(chǔ)水保墑技術(shù)。

五等耕地土壤以山地栗鈣土為主，有少量山地黑鈣土、山地灰褐土和亞高山草甸土，土壤質(zhì)地以中壤為主，無(wú)灌溉條件，地貌類(lèi)型以淺山區(qū)和亞高山區(qū)為主。耕層土壤含有機(jī)質(zhì)33.9 g/kg、全氮1.94 g/kg、堿解氮123mg/kg、全磷1.00 g/kg、有效磷26.5mg/kg、全鉀19.8 g/kg、速效鉀280mg/kg、緩效鉀1 295mg/kg。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)推廣地膜覆蓋栽培技術(shù)，種植節(jié)水作物，推廣儲(chǔ)水保墑技術(shù)，或進(jìn)行種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，合理利用土地資源，開(kāi)展退耕還草發(fā)展畜牧業(yè)。

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