江西省耕地地力評價及養(yǎng)分分析

黃聰+趙小敏+郭熙+謝文+余錦鵬+張佳佳

摘要：在應(yīng)用GIS軟件的基礎(chǔ)上，以江西省為研究區(qū)域、耕地為評價對象，通過土地利用現(xiàn)狀圖與土壤圖的疊加獲取評價單元，結(jié)合江西省實際情況，選取立地條件、剖面性狀、耕層狀況和土壤管理等4個方面的13個指標構(gòu)建評價體系，遴選土壤樣點獲取耕地養(yǎng)分數(shù)據(jù)，在評價單元獲取相應(yīng)屬性數(shù)據(jù)后，結(jié)合特爾菲法和層次分析法確定權(quán)重，在省級耕地資源管理信息系統(tǒng)中構(gòu)建層次分析模型和隸屬度模型，計算耕地地力綜合指數(shù)，采用累積頻率曲線法對江西省耕地進行分等定級，并對耕地等級及其養(yǎng)分含量進行定量分析。此耕地地力評價實現(xiàn)了自動化、批量化和可視化，評價結(jié)果對測土配方施肥和今后耕地資源的管理工作都有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：耕地地力評價；地理信息系統(tǒng)；省級耕地資源管理信息系統(tǒng)；土壤養(yǎng)分；江西省；分等定級

中圖分類號： F301.24 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0421-05

耕地在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中扮演著重要的角色，是最為基本的生產(chǎn)資料，耕地地力的高低能直接影響我國主要農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展。耕地地力是耕地各因素組成的綜合基礎(chǔ)生產(chǎn)能力，是耕地土壤的剖面性狀、理化性狀、立地條件、自然環(huán)境、農(nóng)田排灌及施肥情況等因素的綜合體現(xiàn)[1]。地理信息系統(tǒng)（GIS）及相關(guān)數(shù)據(jù)庫軟件在土地評價當中的應(yīng)用越來越深入[2]。劉東海等對武漢市漢南區(qū)的耕地進行了耕地地力評價的研究[3]；侯浩等應(yīng)用GIS技術(shù)，基于耕地第二次土壤普查結(jié)果，結(jié)合“測土配方施肥”相關(guān)數(shù)據(jù)，對耕地進行分級[4]；另外，許泉立等學(xué)者對GIS技術(shù)在耕地地力評價過程中的應(yīng)用進行了探索[5-7]?；贕IS的耕地地力評價，推動了評價向定量化及自動化的方向發(fā)展，并且對數(shù)據(jù)更新也可以做到及時化，使耕地地力評價工作的開展越來越高效[8]。本研究旨在探討運用GIS技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代統(tǒng)計分析技術(shù)，進行江西省省級層面耕地地力評價。

1 研究區(qū)概況與基礎(chǔ)資料

1.1 研究區(qū)概況

江西省在我國東南部，地處長江中下游靠南邊的位置，地理坐標為113°34′36″～118°28′58″E，24°29′14″～30°04′41″N。江西省地貌主要由山地和丘陵構(gòu)成，地勢較高處大多位于省界。全省氣候溫暖，并且日照充足，雨量充沛，但總體有一定差異，東部和南部降雨較多。全省總面積16.69萬km2，承載著4 500多萬人口，下轄南昌市、贛州市和九江市等11個區(qū)市。江西省共有耕地3 084 983.79 hm2，其中水田為2 497 511.01 hm2，在總耕地面積中占比達到80.96%，旱地僅為18.48%，并且還有17 417.05 hm2的水澆地。江西土壤主要由紅壤、黃壤、山地黃棕壤、山地草甸土、紫色土、潮土、石灰土以及水稻土等土壤類型組成。

1.2 基礎(chǔ)資料與數(shù)據(jù)預(yù)處理

江西省耕地地力評價收集的資料中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料有全省已完成的縣級耕地地力評價相關(guān)資料、全省縣級樣點數(shù)據(jù)庫、土壤野外調(diào)查資料等；專題圖件資料有江西省土地利用現(xiàn)狀圖、全省縣級排水和灌溉圖、地形圖、土壤圖、地貌圖、行政區(qū)劃圖、水土流失圖等；其他資料有農(nóng)業(yè)部門第二次土壤普查資料、江西省統(tǒng)計年鑒、《江西土壤》、國土部門江西省土地變更調(diào)查表、江西省農(nóng)用地分等相關(guān)資料、進行肥料試驗的數(shù)據(jù)、耕地資源管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典等。首先要在收集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上獲取評價單元，目前對耕地地力評價單元的劃分有很多方法，比如地塊法、網(wǎng)格法和疊加法等，但至今沒有一個系統(tǒng)的劃分標準[9]，此次耕地地力評價先通過土壤圖、行政區(qū)劃圖及耕地圖層進行疊加裁剪獲取評價單元。

2 研究方法

本研究是以GIS軟件為基礎(chǔ)，對江西省耕地地力進行評價，在基礎(chǔ)資料收集的基礎(chǔ)上劃分評價單元，然后依據(jù)江西省實際情況建立評價指標體系，并獲取評價單元屬性數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建層次分析模型和隸屬函數(shù)模型計算綜合評價分值，最后對評價單元進行分等定級。

2.1 建立評價指標體系

評價指標的選取是評價過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，指標選取的科學(xué)性對評價結(jié)果的準確性有重要影響[10]。此次評價在獲取容易、差異性及穩(wěn)定性顯著、可比性等原則下進行。針對江西省具體情況，邀請該領(lǐng)域有經(jīng)驗的專家，依據(jù)全國耕地地力評價指標體系，從中選取確定了立地條件、剖面性狀、土壤管理和耕層狀況4方面的13個因素作為江西省耕地地力評價的指標。

耕地評價指標體系確定好后，要獲取影響評價單元地力的屬性數(shù)據(jù)，即建立空間數(shù)據(jù)庫。通過查看江西省第二次土壤普查的資料，獲取土體構(gòu)型、土壤質(zhì)地和成土母質(zhì)等屬性；然后通過地形圖提取坡度；接著進行數(shù)字化來獲取土壤侵蝕圖；并對排灌圖和地貌類型圖進一步處理；最后是遴選土壤樣點，對樣點數(shù)據(jù)進行空間插值和豐缺度分析。江西省土壤樣點數(shù)據(jù)遴選是在縣級耕地地力評價的基礎(chǔ)上進行的，這些樣點數(shù)據(jù)量大，要對縣級土壤樣點數(shù)據(jù)進行遴選。遴選過程中，先對數(shù)據(jù)進行前期處理，如對字段進行標準化處理、樣點圖投影到與土地利用現(xiàn)狀圖同一投影坐標系、刪除異常樣點等；遴選時反復(fù)調(diào)整，選取最有代表性的樣點，采用網(wǎng)格法、配合ArcGIS軟件的抽稀功能、通過養(yǎng)分豐缺度分析進行人工反饋；對初步遴選結(jié)果進行定性定量分析，并作出相應(yīng)的校正，檢查是否有點漂移，以及是否有屬性數(shù)據(jù)變異太大等情況[11]。通過以上對土壤樣點數(shù)據(jù)的嚴格篩選，最后在全省范圍內(nèi)遴選出土壤樣點。具體如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)標準化及權(quán)重的確定

評價指標體系確定之后，先對所有獲取的評價指標數(shù)據(jù)進行無量綱化處理。對于定性與定量化評價指標分別采用專家打分法和模糊評價法綜合確定各指標的隸屬度函數(shù)，隸屬度值范圍為0～1，完全符合該隸屬度時為1，部分符合時介于0到1之間[12]。指標分級中的專家打分范圍也是設(shè)定為0～1。此次評價指標與耕地地力之間的關(guān)系有戒上型、戒下型、概念型及峰型4種不同類型的隸屬函數(shù)，也可進一步歸為數(shù)值型和概念型2種類型。對于概念型的指標，其隸屬度就是專家打分的分值；對于數(shù)值型，隸屬度由其隸屬函數(shù)計算而來，其中，戒上型的為有效磷含量、速效鉀含量、耕層厚度和有機質(zhì)含量，戒下型的為坡度，峰型的為pH值。具體專家打分情況及擬合的隸屬函數(shù)如表1和表2所示。

越來越多的方法運用于評價因素權(quán)重的確定中，其中最主要的包含主成分分析法、模糊綜合評判法、層次分析法和特爾菲法等[13]。此次江西省耕地地力評價主要是結(jié)合了特爾菲法和層次分析法2種方法來確定所選評價指標的權(quán)重，首先請相關(guān)專家針對各層次的重要性給出各自的量化值，然后結(jié)合層次分析法，通過構(gòu)造判斷矩陣，得出各評價指標的組合權(quán)重（表3）。

2.3 構(gòu)建耕地資源管理信息系統(tǒng)

江西省耕地地力評價過程中，在進行評價單元屬性數(shù)據(jù)獲取的階段，已經(jīng)在ArcGIS中建立起了空間-屬性數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上運用江蘇省揚州市土壤肥料站開發(fā)的省級耕地資源管理信息系統(tǒng)，構(gòu)建層次分析模型和隸屬函數(shù)模型，然后對耕地地力評價單元進行分等定級，最后輸出評價單元入庫表格和耕地地力評價分等圖。主要流程包括建立工作空間、導(dǎo)入評價單元、建立層次分析模型和隸屬函數(shù)模型、建立評價模型，最后進行分等定級。

2.4 綜合地力指數(shù)確定與分級

在長期的研究與實踐當中，累積頻率曲線法、聚類法和自然斷點法等是耕地地力評價的主要方法，本研究主要采用累積頻率曲線法對江西省耕地進行分等定級。本研究采用加法模型來計算耕地地力的綜合指數(shù)（IFI），并通過累積頻率曲線對耕地等級進行劃分[14]。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地地力等級劃分結(jié)果

利用省級耕地資源管理信息系統(tǒng)，對評價單元的屬性庫進行操作，將全省耕地共分為7個等級，然后統(tǒng)計各等級耕地面積及占比情況（表5）。由分析評價結(jié)果可知，江西省耕地地力等級從一等地到七等地的面積近似呈正態(tài)分布，質(zhì)量較好的一等、二等地占耕地總面積的比例為22.53%，共695 246.32 hm2；三等到五等耕地的比例較高，占耕地總面積的比例依次為17.67%、21.09%和19.28%；生產(chǎn)力較低的六、七等地面積分別為426 321.54、173 002.94 hm2。

3.2 耕地地力等級空間分布

對耕地評價單元分等定級之后，可以發(fā)現(xiàn)耕地等級的高低在地域分布上有明顯的規(guī)律，由平坦耕地到有坡度的耕地，耕地地力等級有明顯的變化[15]。江西省耕地地力等級分布情況見表6和圖2?？傮w來看，江西省優(yōu)質(zhì)耕地主要集中于南昌市周圍，也是圍繞鄱陽湖水系向外輻射分布。其中，一等地分布最多的是上饒市，面積達69 823.61 hm2，分布最少的是贛州市，面積僅有1 429.72 hm2；二等地主要分布區(qū)域是南昌市和宜春市；三等地分布最多的前2個市依次為吉安市和宜春市，占三等地總面積的41.41%；四等地面積分布最大的2個市為宜春市和上饒市；五等地面積分布最大的3個市依次為上饒市、吉安市和贛州市；六等地中贛州市擁有的面積最大，有92 305.77 hm2；七等地的分布集中區(qū)域是九江市，占七等地總面積的35.34%。

3.3 主要養(yǎng)分含量狀況

根據(jù)各養(yǎng)分含量對作物的影響程度以及江西省養(yǎng)分含量的實際值，將有機質(zhì)含量、有效磷含量、速效鉀含量和pH值等4種養(yǎng)分含量進行分級（表7）。

對江西省耕地主要養(yǎng)分值進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表8，結(jié)合表7養(yǎng)分分級情況進行分析，江西省耕地有機質(zhì)含量均值為31.3 g/kg，處于中等水平，最小值都處于中下的水平，并且變異系數(shù)為17.0%，說明江西省耕地有機質(zhì)含量整體上還是有一定差異性，整體水平有待提高；耕地有效磷含量的平均值處于中上的水平，為21.8 mg/kg，但變異系數(shù)達34.7%，變異性處于中等偏上的水平，反映了有效磷在全省耕地中分布不均，各地有效磷含量需要有針對性的提升；速效鉀平均水平為89.3 mg/kg，處于中等水平，但最大值僅為185.0 mg/kg，處于二級水平，且變異系數(shù)是25.8%，變異性處于中等，整體來說，耕地速效鉀含量也有待提高；江西省耕地pH值平均值為5.2，并且變異系數(shù)只有6.4%，最大值也只有7.4，可見江西省耕地整體上偏酸性。

4 結(jié)論

針對耕地的自然屬性及相應(yīng)的管理特征，進行耕地地力綜合評價，對今后耕地的管理以及測土配方施肥的順利實施都有重要的指導(dǎo)意義[16-19]。本研究對江西省耕地的立地條件、土壤管理、耕層狀況和剖面形狀等條件進行了綜合考慮，以此構(gòu)建耕地地力評價指標體系，并且通過GIS軟件和省級耕地資源管理信息系統(tǒng)對耕地的屬性信息和空間信息進行了統(tǒng)一存儲，實現(xiàn)了耕地地力等級劃分的自動化、批量化和可視化，對今后耕地地力評價技術(shù)手段的改進和工作的開展有一定的指導(dǎo)意義。

通過對江西省耕地分等定級結(jié)果分析，江西省耕地地力各級別包含的耕地范圍近似呈正態(tài)分布，前三等優(yōu)質(zhì)耕地所占的比例不高，總體看江西省耕地地力處于中等水平，且各級別耕地在各設(shè)區(qū)市分布不均，耕地地力有待提升。從耕地養(yǎng)分分析可知，江西土壤偏酸，需要通過科學(xué)施肥等相應(yīng)措施對土壤酸度進行調(diào)節(jié)[20]，并且各養(yǎng)分含量總體處于中等水平，且具有一定的變異性，可進一步結(jié)合測土配方施肥提出相應(yīng)的對策。此次江西省耕地地力的研究，對江西省耕地進行了分等定級，反映了耕地地力的實際情況，其中充分考慮了耕地的自然性狀和對耕地的管理情況，為今后耕地地力的提升和耕地資源的保護提供了可靠的支持。對于評價結(jié)果，一方面可以結(jié)合測土配方施肥項目，對耕地土壤的養(yǎng)分狀況有針對性地進行改善；另一方面，可以為指導(dǎo)種植業(yè)的布局等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動提供科學(xué)的依據(jù)。

參考文獻：

[1]向永生，賀立源，鄧正緒.基于GIS的恩施州耕地地力評價[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，54（6）：1324-1327.

[2]Reshmidevi T V，Eldho T I，Jana R. A GIS-integrated fuzzy rule-based inference system for land suitability evaluation in agri-cultural water-sheds[J]. Agricultural Systems，2009，101（1）：101-109.

[3]劉東海，李雙來，陳云峰，等. 武漢市漢南區(qū)耕地地力評價[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（23）：5722-5725.

[4]侯 浩，常慶瑞. 基于GIS的銅川市印臺區(qū)耕地地力評價研究[J]. 西北林學(xué)院學(xué)報，2014，29（5）：169-175.

[5]許泉立，楊 昆，易俊華. 基于GIS的云南省勐海縣耕地地力評價與分析[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，53（12）：2788-2793.

[6]崔增團，郭世乾. 基于GIS的河西走廊灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)耕地地力評價研究——以甘肅省肅州區(qū)耕地地力評價為例[J]. 中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2012，33（1）：56-61.

[7]盛 艷，姚云峰，秦富倉，等. 基于GIS的耕地地力等級劃分研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2014，28（6）：27-32.

[8]張艷粉，任圓圓，陳偉強. 基于GIS的洛陽市耕地地力評價研究[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，47（4）：470-474.

[9]張興嘉. 基于GIS的耕地地力評價單元劃分研究[D]. 蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[10]彭 建，蔣一軍，劉 松，等. 我國農(nóng)用地分等定級研究進展與展望[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2005，13（4）：167-170.

[11]汪 璐. 江西省耕地質(zhì)量評價及時空變化研究[D]. 南昌：江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[12]楊 琳，朱阿興，秦承志，等. 運用模糊隸屬度進行土壤屬性制圖的研究——以黑龍江鶴山農(nóng)場研究區(qū)為例[J]. 土壤學(xué)報，2009，46（1）：9-15.

[13]張海濤，周 勇，汪善勤，等. 利用GIS和RS資料及層次分析法綜合評價江漢平原后湖地區(qū)耕地自然地力[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19（2）：219-223.

[14]胡德波，陳 敏，楊志新，等. 綏江縣耕地質(zhì)量評價與比較[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，30（1）：107-111.

[15]宋 戈，李 丹，梁海鷗，等. 松嫩高平原黑土區(qū)耕地質(zhì)量特征及其空間分異——以黑龍江省巴彥縣為例[J]. 經(jīng)濟地理，2012，32（7）：129-134.

[16]張鐵嬋. 耕地土壤養(yǎng)分空間變異與地力評價研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

[17]翟曉藝，張亞麗，周 揚，等. 縣域-市域耕地地力評價結(jié)果的對比銜接——以河南省漯河市為例[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（6）：367-370.

[18]匡麗花，葉英聰，趙小敏. 南方水稻主產(chǎn)區(qū)土地整治區(qū)域耕地質(zhì)量等級變化[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（5）：362-365.

[19]肖 軼，尹 珂. 綜合國土整治前后的耕地質(zhì)量評價——以重慶市大路鎮(zhèn)為例[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（1）：333-337.

[20]劉廷武，李 聰，趙偉男，等. 洪澤湖南岸近30年來土壤酸化趨勢分析[J]. 農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)：英文版，2015，16（9）：1955-1958.