基于糧食產(chǎn)量等級的耕地地力評價尺度效應分析

房阿曼，陳偉強，程道全，朱帥蒙，馬會寧，趙 潔

(1.河南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，河南鄭州450002;2.河南省土壤肥料工作站，河南 鄭州450002)

在人口—資源—環(huán)境系統(tǒng)中，耕地是土地資源的精華，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的資源，耕地地力的好壞直接影響到中國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和糧食安全［1］。河南省從2008—2013年開展了省、市、縣3級耕地地力評價，探討不同尺度的耕地地力評價效應，這不僅能驗證評價結果、檢驗評價單元、評價指標的合理性，而且為指導科學施肥、建立精準農(nóng)業(yè)體系提供信息儲備，也能為糧食安全發(fā)展規(guī)劃、耕地質(zhì)量保護與建設、耕地改良利用提供科學依據(jù)［2，3］。國內(nèi)外土地評價方面的研究較多，國外主要注重耕地適宜性評價［4，5］，國內(nèi)代表性的研究有《中國1:100萬土地資源圖》［6］評價系統(tǒng)，國土部門的農(nóng)用地分等定級［7］等。近年來，國內(nèi)關于耕地地力尺度效應的分析專家也開始了相關研究，袁秀杰等［8］通過找出平原和丘陵區(qū)存在的內(nèi)在聯(lián)系，探索建立不同區(qū)域耕地質(zhì)量統(tǒng)一評價體系，對平原和丘陵區(qū)耕地地力評價結果進行對比分析。但是如何對同一地區(qū)不同尺度評價結果進行對比及影響因素分析的研究相對較少。尺度效應的分析，對于目前耕地地力評價結果在不同尺度的轉(zhuǎn)換與相互校核、完善耕地地力評價指標體系等方面具有一定的實踐指導意義。河南省偃師市和洛陽市于2009年和2012年分別完成了縣級耕地地力評價工作和市級耕地地力評價工作，2級耕地地力評價均根據(jù)文獻［9］中規(guī)定的技術方法完成。2級評價結果一致性如何，需要深入研究，由于2級評價各成體系，結果沒有直接的可比性，因此本研究采用耕地地力評價分值與糧食生產(chǎn)潛力換算的方法，將2級評價結果統(tǒng)一為糧食生產(chǎn)潛力，使2級評價結果具有可比性，以此分析縣、市2級耕地地力評價結果的尺度效應。

1 研究區(qū)概況

偃師市地處河南省西部，屬洛陽市，位于東經(jīng)112°26'15″～ 113°00'00″，北 緯 34°27'30″～34°50'00″。偃師南部為石質(zhì)山地，是嵩山山區(qū)的一部分，至南向北依次為低山丘陵、山前傾斜平地、伊洛河沖積平原，北部為黃土丘陵。全市耕地土壤有5個土類、9個亞類、16個土屬、25個土種;它是小麥良種繁育基地，被確定為全省農(nóng)業(yè)標準化先進縣(市)和全省畜牧業(yè)重點縣(市)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

耕地地力評價數(shù)據(jù)來自偃師市縣級耕地地力評價成果和洛陽市耕地地力評價成果的偃師市部分。糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自偃師市2008—2011年測土配方施肥項目“3414”試驗和示范試驗測定數(shù)據(jù)。

偃師市縣級耕地地力評價成果顯示，評價單元通過“土地利用現(xiàn)狀圖+土壤圖”疊加得到，共劃分了5 299個評價單元。專家采用特爾斐法，結合偃師市當?shù)氐膶嶋H情況，進行了評價指標的篩選，最終從全國耕地地力評價指標體系全集中選擇了地貌類型、耕層深度、灌溉保證、速效鉀、有機質(zhì)、有效磷、田面坡度、質(zhì)地和質(zhì)地構型共9項評價指標，利用層次分析法建立了指標權重。利用模糊隸屬函數(shù)法建立了各指標的隸屬函數(shù)，并計算了各評價單元9個指標的隸屬度。通過對單指標加權平均，得到耕地地力評價綜合分值，綜合分值介于0.36～1.00，劃分了5個地力等級。

洛陽市耕地地力評價成果中的偃師市成果顯示，評價單元通過“土地利用現(xiàn)狀圖+土壤圖”疊加生成，但由于地圖比例尺的縮小，土地利用現(xiàn)狀圖進行了制圖綜合，最終共劃分了3 925個評價單元。選擇了地貌類型、高程、灌溉類型、速效鉀、有機質(zhì)、有效磷、坡度、質(zhì)地、土壤剖面和礫石共計10個評價指標，并建立了權重。同樣，建立了單指標隸屬函數(shù)，計算了各評價單元單指標隸屬度。洛陽市耕地地力評價綜合分值為0.50～1.00，劃分了5個地力等級。

偃師市“3414”試驗和施肥示范試驗，測定作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)共計131個，記載有試驗區(qū)的土壤養(yǎng)分、不同組合施肥量，以及作物空白單產(chǎn)、不同施肥組合單產(chǎn)量等信息，選取每個實驗點的最高單產(chǎn)，作為耕地在養(yǎng)分充足供應條件下糧食可實現(xiàn)的生產(chǎn)潛力。

2.2 研究技術路線

(1)耕地地力評價結果與產(chǎn)量樣點可實現(xiàn)的生產(chǎn)潛力空間關聯(lián)。利用GIS空間疊加分析，將作物產(chǎn)量樣點圖層與耕地地力評價圖層的信息進行綜合，得到產(chǎn)量與評價綜合分值的關系表。

(2)耕地地力評價結果折算糧食可實現(xiàn)的生產(chǎn)潛力。利用回歸分析方法，建立作物在試驗條件下的最高產(chǎn)量與耕地地力評價綜合分值之間的函數(shù)模型，再利用函數(shù)模型，以每個評價單元的評價綜合分值為自變量，計算糧食可實現(xiàn)的生產(chǎn)潛力。

(3)市、縣2級評價成果一致性評價。以作物最高單產(chǎn)為依據(jù)，劃分地力等級，將縣、市2級的評價結果疊加，分析評價結果的空間一致性［10］。

(4)耕地地力評價尺度效應分析。利用統(tǒng)計分析，特別是因子分析，得到尺度效應的影響因素。

3 結果與分析

3.1 產(chǎn)量樣點與評價結果疊加分析

根據(jù)空間關系，運用ArcGIS空間分析工具，將偃師市產(chǎn)量樣點數(shù)據(jù)分別與縣、市2級耕地地力評價結果疊加，建立產(chǎn)量與評價綜合分值空間關聯(lián)關系，結果見圖1和圖2。

圖1 產(chǎn)量樣點與縣級評價結果疊加圖Fig.1 Superposed graph between production sample and the evaluation results at the county level

圖2 產(chǎn)量樣點與市級評價結果疊加圖Fig.2 Superposed graph between production sample and the evaluation results at the city level

3.2 產(chǎn)量樣點與縣、市級評價結果回歸分析

根據(jù)作物單產(chǎn)與耕地地力評價得分關聯(lián)表，分析建立回歸模型。將產(chǎn)量樣點數(shù)據(jù)分為小麥產(chǎn)量樣點和玉米產(chǎn)量樣點2類，為了更好地研究產(chǎn)量與評價得分的關系，首先將評價得分按適當?shù)拈g隔進行分組，統(tǒng)計每組的平均產(chǎn)量和評價平均得分，然后再進行回歸分析，得到回歸模型(表1)，經(jīng)回歸檢驗，回歸方程達到極顯著水平。

表1 縣、市2級評價得分與產(chǎn)量的線性回歸模型Table 1 The linear regression model of evaluation scores and productions at the county and city level

3.3 耕地地力評價得分與糧食單產(chǎn)潛力折算

根據(jù)以上建立的回歸方程，以縣、市2級各個評價單元的分值預測小麥、玉米生產(chǎn)潛力，小麥、玉米生產(chǎn)潛力之和為單元糧食生產(chǎn)總潛力。

式中:M總為全年糧食單產(chǎn)潛力;M小麥為小麥單產(chǎn)潛力;M玉米為玉米單產(chǎn)潛力。

縣級和市級耕地地力評價得分轉(zhuǎn)換為糧食產(chǎn)量后，基本統(tǒng)計量如表2所示，市級計算得到的糧食產(chǎn)量略高于縣級，同時標準差也高于縣級。

表2 縣、市2級評價得分轉(zhuǎn)換為糧食產(chǎn)量后統(tǒng)計量Table 2 Statistics of food production converted from evaluation scores in county and city

3.4 縣級與市級評價結果尺度效應分析

按糧食產(chǎn)量1 500 kg的間隔，分別將縣級評價和市級評價結果劃分為3個耕地地力等級，即:1等地(≥16 500 kg)，2等地(15 000～16 500 kg)，3等地(≤15 000 kg)。由表3可以看出，市等級劃分結果顯示，偃師市的耕地地力主要為1等地，縣等級劃分結果顯示，偃師市的耕地地力等級相對均勻地劃分到1等地和2等地中。

通過ArcGIS的空間分析功能，分析縣、市2級評價結果的空間分布差異。計算縣、市2級評價結果的等級差，公式為:

式中:p為尺度效應指數(shù);l縣等級為縣級尺度評價等級;l市等級為市級尺度評價等級。當p為0時，表示縣、市2級尺度評價結果一致;當p為非零時，說明其存在評價尺度差異。p為正時，說明縣級尺度評價等級低于市級尺度評價等級，當P為負時，說明縣級尺度評價等級高于市級尺度評價等級。分析結果如圖3所示。

表3 縣、市兩級耕地地力評價等級對比表Table 3 Comparison table of farmland productivity evaluation grades at the county and city level

圖3 縣、市2級尺度耕地力評價結果一致性分析結果Fig.3 Analysis of space consistency of farmland productivity evaluation results between the county and city level

經(jīng)統(tǒng)計，縣級與市級2級尺度評價結果一致性的面積比率為68.43%，縣級尺度評價結果的18.16%低于市級尺度的評價等級，縣級高于市級等級的面積占13.41%。分析不同地形及地表覆蓋的尺度效應，由圖3可以看出，偃師縣中部伊洛河沖積平原地區(qū)尺度效應具有較好的一致性。尺度效應指數(shù)大于1的主要分布在北部黃土丘陵區(qū)，小于1的主要分布在南部石質(zhì)山地區(qū)。

分析不同土壤類型上的尺度效應，由表4可以看出，潮土類的尺度效應高于風沙土，在潮土類中潮土復區(qū)、鹽化潮土、兩合土3個土屬的尺度效應明顯。

3.5 縣、市2級評價結果尺度效應因子分析

分析縣級耕地地力評價得分與市級各評價因素單指標隸屬度之間的相關關系，以及市級耕地地力評價得分與縣級評價因素單指標隸屬度之間的相關關系，從評價因素的角度診斷尺度效應的原因。經(jīng)分析(表5，表6)，縣級耕地地力評價得分與市級的質(zhì)地、礫石、坡度、地貌類型、速效鉀、有效磷、有機質(zhì)、土壤剖面、高程9個因素隸屬度有顯著正相關關系，但是與灌溉類型隸屬度之間呈負相關。市級耕地地力評價得分與縣級的地貌類型、耕層深度、灌溉保證、速效鉀、田面坡度、有機質(zhì)、有效磷7個因素隸屬度之間有顯著正相關關系，與質(zhì)地和質(zhì)地構型隸屬度之間不相關。

表4 不同土壤類型上的尺度效應Table 4 The scale effect of different soil types %

表5 縣級耕地地力評價得分與市級評價因素隸屬度相關分析Table 5 Correlation analysis of membership between evaluation scores at the county level and evaluation factors at the city level

表6 市級耕地地力評價得分與縣級評價因素隸屬度相關分析Table 6 Correlation analysis of membership between evaluation scores at the city level and evaluation factors at the county level

從以上分析可知，造成縣、市級評價結果不一致，引起尺度效應的關鍵因素指標主要有市級尺度的灌溉類型，以及縣級尺度的質(zhì)地和質(zhì)地構型。

4 結論

通過對比分析偃師市的市、縣2級評價成果，以ArcGIS為工具，利用試驗中的最高單產(chǎn)為衡量標準，研究了2級評價結果的尺度效應問題，結論如下:

(1)市、縣2級評價的綜合分值與小麥、玉米2種作物的最高單產(chǎn)之間有顯著線性相關關系，通過模型預測，縣級評價綜合分值折算的平均糧食單產(chǎn)為 15 663.15 kg· hm-2，市 級 折 算 結 果為15 807.24 kg·hm-2。

(2)縣級評價結果與市級評價結果空間一致性達到68.43%，主要分布在中部伊洛河平原地區(qū)，北部的黃土丘陵區(qū)和南部的石質(zhì)山地區(qū)尺度效應比較明顯;潮土類中潮土復區(qū)、鹽化潮土和兩合土3個土屬上的尺度效應高于其它土壤類型。

(3)通過因素分析顯示，市級尺度的灌溉類型和縣級尺度的質(zhì)地和質(zhì)地構型指標是造成尺度效應的關鍵因素。

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