基于GIS的秦嶺山區(qū)縣域耕地地力調(diào)查與評價研究

袁 媛，胡曉黎，雷 蕾，張鴻雁，常慶瑞

（1.商洛市氣象局，陜西 商洛 726000；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

【研究意義】耕地作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的資源之一，是人類生活及社會發(fā)展所依賴的物質(zhì)基礎(chǔ)，是否有效利用土地資源，對區(qū)域發(fā)展、人民生活水平的高低都有直接影響［1-2］。但是在實際生產(chǎn)過程中，人們常常忽略耕地質(zhì)量退化、產(chǎn)量變低等不利影響的本質(zhì)原因，這對我國糧食生產(chǎn)安全和人們生活質(zhì)量的保障構(gòu)成嚴(yán)重威脅［3-4］。因此，十分有必要建立區(qū)域內(nèi)科學(xué)的耕地地力水平評價體系，為土地利用的合理規(guī)劃和保持生態(tài)平衡提供重要理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來，眾多國內(nèi)外學(xué)者研究關(guān)于耕地利用變化、耕地數(shù)量變化、耕地潛力等因素與糧食安全之間的關(guān)系，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及“3S”技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用地不斷加深，對耕地地力調(diào)查與評價研究越來越深入，在該領(lǐng)域研究方法上也不斷更新?！颈狙芯壳腥朦c】以陜西省商南縣為例，在全國第二次土壤普查［5-6］基礎(chǔ)上，通過對研究區(qū)耕地的地貌特征、土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分狀況等的調(diào)查，利用“3S”等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，選取耕地地力評價單元，構(gòu)建耕地資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)，并劃定等級，評價耕地地力水平［7］?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究旨在實現(xiàn)不同等級土地的優(yōu)化布局，進(jìn)而指導(dǎo)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、培肥土壤，提高研究區(qū)耕地資源的可持續(xù)發(fā)展利用［8］。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

商南縣座落在陜西省東南部（110°24' ～111°01'E，33°06' ～ 33°44' N），屬秦嶺東段南麓，3省交匯，地聯(lián)8縣，全縣地勢西南和北部高、東南和中部低，海拔落差較大，最高處2 057 m，最低處僅216.4 m。境內(nèi)有丹江、縣河、滔河、武關(guān)河等6條河流，均屬漢江水系?？h域內(nèi)大部分地區(qū)屬暖溫帶氣候，只有東南部為北亞熱帶氣候，歷年平均氣溫13.9 ℃，境內(nèi)雨量充沛，年降水量862.4 mm，年日照時數(shù)1 675.5 h。土壤類型有棕壤、黃棕壤、新積土、潮土和紫色土。全縣土地總面積2 307 km2，主要糧食作物為玉米、小麥、和馬鈴薯。

1.2 數(shù)據(jù)來源及評價數(shù)據(jù)庫建立

本研究用于評價的基礎(chǔ)資料包括商南縣土地利用現(xiàn)狀圖（1∶50 000）、土壤圖（1∶50 000）、地形圖（1∶50 000）數(shù)據(jù)，全國第二次土壤普查的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)及相關(guān)文字記錄資料，縣域氣候、基本農(nóng)田及水利設(shè)施建設(shè)、土壤肥力、土地資源調(diào)查和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計資料等。同時，結(jié)合商南縣耕地實際情況，收集野外調(diào)查資料，編制《采樣點基本情況調(diào)查表》《農(nóng)戶收入支出情況調(diào)查表》《農(nóng)戶施肥調(diào)查表》，調(diào)查內(nèi)容主要包括農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施、耕作制度、土壤類型、土壤性狀、農(nóng)民種植業(yè)、作物品種、產(chǎn)量及投入產(chǎn)出等方面的情況。根據(jù)以上調(diào)查內(nèi)容在全縣耕地上共布設(shè)大田采樣點1 444個，采樣時利用GPS定位儀在取樣點確定經(jīng)緯度，按要求填寫調(diào)查表格，并根據(jù)實地調(diào)查走訪情況，對采樣點位置不合理的情況進(jìn)行更正。

利用ArcMap 10.2軟件對所用的圖件資料進(jìn)行矢量化處理，對圖片進(jìn)行編輯、轉(zhuǎn)換、空間分析、拓?fù)浞治鲆院螅ㄐ约岸刻崛∩棠峡h耕地分布、面積等數(shù)據(jù)，制作輸出耕地資源管理單元圖；對整理的各種調(diào)查信息及采樣數(shù)據(jù)、土肥化驗結(jié)果等分類錄入Microsoft Office 2010 Access ，統(tǒng)一將這些數(shù)據(jù)使用dbf.格式導(dǎo)入ArcGIS 10.2系統(tǒng)中，最終建立商南縣耕地地力調(diào)查與評價數(shù)據(jù)庫［9］。

1.3 研究方法

本研究縣域耕地地力評價技術(shù)路線見圖1。

圖1 縣域耕地地力評價技術(shù)路線圖Fig. 1 Technical roadmap of county-based cultivated land capacity evaluation

1.3.1 確定評價因子 耕地地力評價是對研究區(qū)域土壤理化性狀、地形地貌特征等自然條件對農(nóng)作物生長影響大小程度的評價。本研究經(jīng)過實地調(diào)查，根據(jù)可操作性、穩(wěn)定性、相關(guān)性、主導(dǎo)性等原則，聘請省、市、縣三級農(nóng)業(yè)專家，在全國耕地地力評價指標(biāo)體系要求下，通過專家組投票方式確定最終指標(biāo)。選擇12個對耕地地力影響較大且適合當(dāng)?shù)赝恋刭Y源實際情況的因素作為評價指標(biāo)，包括與土壤管理相關(guān)的要素（耕地基礎(chǔ)設(shè)施具體灌溉情況）、土壤（結(jié)構(gòu)、類型、質(zhì)地情況）、土壤養(yǎng)分含量（全氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)含量）以及地形地貌條件（海拔高度、土地坡度、地貌特征）［10］。

1.3.2 劃分評價單元 為科學(xué)劃分研究區(qū)耕地地力等級，將商南縣土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖、行政區(qū)劃圖在Arc map10.2軟件中疊加形成的色斑圖作為最終評價單元，三類圖形的劃分單元分別為二級利用類型、土種及鎮(zhèn)一級，通過疊加，使得同一評價單元內(nèi)的行政區(qū)域劃分、土種類別及使用方式均達(dá)到一致，不同評價單元之間的可比性和差異性則同時體現(xiàn)［11-12］。

1.3.3 計算評價指標(biāo)權(quán)重 不同評價指標(biāo)對耕地地力評價結(jié)果反映土地質(zhì)量的影響差異較大，各個因子之間相互影響、互相促進(jìn)，因此應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況對所有選中指標(biāo)賦予相應(yīng)的權(quán)重［13］。為保證評價的客觀性、準(zhǔn)確性、真實性，本研究利用層次分析法進(jìn)行評價，將所選的12個評價因子按照隸屬關(guān)系排成目標(biāo)層K（耕地地力）、準(zhǔn)則層M（有相似特征的要素）、指標(biāo)層N（參評因子）3個層次［14-15］。專家組在層次結(jié)構(gòu)圖中依據(jù)上下兩層對應(yīng)的重要程度賦予評估值，再經(jīng)過計算分析形成判斷矩陣，根據(jù)矩陣可得到各因子的特征向量（即權(quán)重）［16］。各指標(biāo)的組合權(quán)重為MiNj，Mi為M層中決定矩陣的特征向量（i=1，2，3，4）；Nj指N層決定矩陣的特征向量（j=1，2，…12）。經(jīng)計算，矩陣排列整體一致性較好，層次總排序、單排序及一致性檢驗的一致率（CR）均小于0.1。權(quán)重匹配結(jié)果見表1。

1.3.4 擬合隸屬函數(shù) 根據(jù)所選的商南縣耕地地力評價因子，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)法，確定3種參評指標(biāo)與耕地生產(chǎn)關(guān)系的函數(shù)模型，分別為概念型（耕地基礎(chǔ)設(shè)施、灌溉水平、土壤結(jié)構(gòu)、類型、質(zhì)地、地形地貌）、戒上型（全氮、速效鉀、有機質(zhì)、有效磷）、直線型（海拔高度和坡度），將后兩種模型的因子進(jìn)行回歸分析，建立擬合函數(shù)模型，通過精度檢驗，置信水平達(dá)到顯著的可進(jìn)行隸屬度計算（表2）。同時，通過經(jīng)驗法給出評價因素相應(yīng)的指標(biāo)值與評估值［17-19］，結(jié)果見表3 。最后，

根據(jù)不同評價因子與耕地地力等級的相關(guān)性，對概念型因子直接賦予隸屬度值［20］（表4）。

表1 評價指標(biāo)組合權(quán)重匹配結(jié)果Table 1 Matching results of evaluation index combination weight

表2 所選因子類型及其隸屬函數(shù)Table 2 Types of selected factors and the membership function

表3 數(shù)量型參評因子專家評估值Table 3 Expert evaluation value of quantitative participation factors

表4 專家組評估非數(shù)量型參評因子隸屬度值Table 4 Membership value of non-quantitative type factors evaluated by expert group

1.3.5 耕地地力綜合指數(shù)（IFI）的計算 本研究利用加法模型計算IFI［21］，對商南縣耕地地力進(jìn)行評價，公式如下：

式中，F(xiàn)i為第i個指標(biāo)的隸屬度，Ci為第i個指標(biāo)的組合權(quán)重。最后，利用耕地資源管理信息系統(tǒng)中的模塊，計算得出商南縣IFI最小值為0.5261703，最大值為0.862222。

1.4 耕地地力綜合指數(shù)分級

在商南縣耕地地力評價中，根據(jù)IFI累積頻率曲線圖與實際樣點數(shù)，將累積曲線波動劇烈的拐點值作為各個等級的分級指標(biāo)［22］，將商南縣耕地地力分為5個等級：一級地，IFI＞0.75；二級地，0.7＜IFI≤0.75；三級地，0.65 ＜IFI≤0.7；四級地，0.6＜IFI≤0.65；五級地，IFI≤0.6。

2 結(jié)果與分析

基于耕地地力評價手段，利用Arcmap10.2軟件的反距離加權(quán)法（IDW）對采樣點的IFI進(jìn)行空間插值，并根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)對從土地利用現(xiàn)狀圖中提取的耕地進(jìn)行計算，獲取各評價等級耕地的面積及空間分布情況［23］。

商南縣及各鎮(zhèn)不同耕地地力水平面積統(tǒng)計結(jié)果見表5。研究區(qū)總耕地面積24 848.26 hm2，占全縣土地面積的10.77%，其中一級地2 286.97 hm2、占總耕地面積的12.19%，二級地4 666.79 hm2、占17.49%，三級地8 733.13 hm2、占32.28%，四級地6 320.22 hm2，占25.10%，五級地2 841.16 hm2、占12.93%。

從評價結(jié)果（表5）可以看出，商南縣耕地地力等級與坡度、土壤構(gòu)造、地貌類型均密切相關(guān)，具有明顯的地域分布特征。隨著地力水平的變化，地貌類型從較為平坦的坡塬地和在溝底的溝谷地過渡到高程較高的山地和洪積（或新沖積）形成的灘地，不同類型地貌上各地力等級的耕地面積及占比見表6。

2.1 一級地地力調(diào)查評價

從表7可以看出，商南縣一級地面積2 286.97 hm2，占研究區(qū)耕地面積的12.19%，全縣各鎮(zhèn)均有分布，主要集中在城關(guān)鎮(zhèn)和試馬鎮(zhèn)。地貌類型分布特征是主要集中在河谷川塬上，其余則在淺山丘陵上，其中河谷川塬上的一級地有1 760.76 hm2、占一級地總面積的76.99%，淺山丘陵有526.30 hm2、占24.03%；面積較大的土壤類型為黃棕壤，有1 753.31 hm2、占一級地的76.67%；且一級地坡度較小，大多分布在15°以下，僅有少量地塊坡度略超過15°，無明顯土壤侵蝕現(xiàn)象，土壤養(yǎng)分含量較高。一級地地勢平坦、土層深厚、土壤養(yǎng)分含量高、水土流失較輕，多數(shù)地區(qū)灌溉條件好，有較高生產(chǎn)力，適宜多種作物的生長。但部分地方易受干旱威脅，在生產(chǎn)上存在肥力后勁不足問題，因此應(yīng)增施有機肥料，提高土壤抗旱續(xù)墑和保肥能力，改善土質(zhì)結(jié)構(gòu)。在耕種過程中，出現(xiàn)重復(fù)開墾、不注重養(yǎng)護(hù)等問題，建議合理規(guī)劃輪作制度、科學(xué)使用配方施肥、改善和加強土壤肥力。

2.2 二級地地力調(diào)查評價

商南縣二級地面積4 666.79 hm2，占研究區(qū)耕地面積的17.49%，各鎮(zhèn)均有分布，主要集中在城關(guān)鎮(zhèn)和富水鎮(zhèn)。其中，分布在淺山丘陵上的面積有4 502.19 hm2、占二級地96.47%，河谷川塬有156.63 hm2、占3.36%，中山地貌中的二級地占比最小、只有7.96 hm2，占0.17%；土壤類型主要為黃棕壤，面積為4 340.03 hm2，占二級地的93.00%，土壤養(yǎng)分含量仍較高（表7）。分布在二級地的地勢也比較平緩，坡度落差不大，土體較厚，水土流失較輕，但部分田塊灌溉條件欠佳，生產(chǎn)性能比一級地低。部分地塊的土種（如泥潮土），質(zhì)地粘重、通透性較差，在干旱時節(jié)常出

現(xiàn)龜裂、雨季積水成澇、耕種易起泥條、限制生產(chǎn)力等問題。因此，需要設(shè)法排水除澇，摻沙改善土壤構(gòu)造，加施有機肥，增強團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，進(jìn)行土壤培肥與改良等［24］。

表5 商南縣不同地力等級的耕地面積及占比Table 5 Cultivated land area and proportion of different land grades in Shangnan county

表6 商南縣不同類型地貌上各地力等級耕地面積及占比Table 6 Cultivated land area and proportion of different land grades in different geomorphic types in Shangnan county

表7 商南縣不同地力等級耕地土壤養(yǎng)分含量Table 7 Soil nutrient content of different land grades in Shangnan County

2.3 三級地地力調(diào)查評價

商南縣三級地面積8 733.13 hm2，占研究區(qū)耕地面積的32.28%，各鎮(zhèn)均有分布，主要集中在城關(guān)鎮(zhèn)、富水鎮(zhèn)和金絲峽鎮(zhèn)。其中，分布在淺山丘陵上的有三級地 8 619.75 hm2、占98.70%，中山地貌93.36 hm2、占1.07%，河谷川塬僅20.02 hm2、占0.23%；土壤類型主要為黃棕壤，面積為7 724.66 hm2、占88.45%，土壤養(yǎng)分含量略低于前一、二級地（表7）。三級地的坡地耕地面積較前一、二級增多，坡度和水土流失增大，土壤腐殖質(zhì)層、有效土層的厚度有所降低，且無灌溉能力的耕地面積增加，耕地生產(chǎn)力因此下滑，可通過平整土地、改善土體厚度、增強土壤肥力、提高蓄水保墑能力、防止水土流失、增建灌溉設(shè)施等措施，逐步建成高產(chǎn)旱作基本農(nóng)田。

2.4 四級地地力調(diào)查評價

商南縣四級地面積6 320.22 hm2，占研究區(qū)耕地面積的25.10%，各鎮(zhèn)均有分布，主要集中在試馬鎮(zhèn)、金絲峽鎮(zhèn)和富水鎮(zhèn)。其中，分布在淺山丘陵上的面積最大、有5 399.22 hm2、占四級地85.43%，中山地貌有917.52 hm2、占14.52%，河谷川塬的分布最少、只有3.48 hm2、占0.05%；土壤類型主要是黃棕壤，面積為4 964.54 hm2、占四級地的78.55%（表7）。四級地的生產(chǎn)性能中等，耕地坡度、水土流失情況繼續(xù)增強，肥力減弱，土層變薄，大部分耕地?zé)o灌溉能力，嚴(yán)重影響生產(chǎn)性能。因此，可進(jìn)行修建梯田、引水防旱、培肥土壤，提高灌溉能力及土壤濕度，逐步建成穩(wěn)產(chǎn)旱作基本農(nóng)田。

2.5 五級地地力調(diào)查評價

商南縣五級地面積2 841.16 hm2，僅占研究區(qū)耕地面積的12.93%，各鎮(zhèn)均有分布，但主要集中在十里鋪鎮(zhèn)。其中，分布在中山地貌上有2 123.62 hm2、占74.75%，淺山丘陵分布的五級地有717.53 hm2、占25.25%；土壤類型主要是黃棕壤，面積為1 742.37 hm2、占61.33%（表7）。五級地所處的坡度多數(shù)較大，土壤表層質(zhì)地疏松，易導(dǎo)致水土流失，土體厚度、腐殖質(zhì)層厚度均較低，生產(chǎn)性能中等偏下。對于小于15°的坡耕地，可通過糧草輪作、增施有機肥，提高土壤養(yǎng)分，防止水土流失，建設(shè)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施，提高耕地生產(chǎn)能力，逐步改良為旱作基本農(nóng)田。對于大于15°的坡耕地，應(yīng)全部退耕還林還草。

3 討論

本研究在保護(hù)秦嶺生態(tài)和發(fā)展高效農(nóng)業(yè)、助力脫貧攻堅的大背景下，以地處秦嶺東段南麓的陜西省商南縣作為研究區(qū)，建立秦嶺山區(qū)縣域耕地地力評價體系，通過對評價指標(biāo)組合權(quán)重匹配結(jié)果的分析比較，發(fā)現(xiàn)灌溉能力、地貌類型、有機質(zhì)、坡度為影響商南縣耕地地力評價的主要因子。這些自然條件會限制土層結(jié)構(gòu)、土壤蓄水能力，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性能，因此，改善這些因素是提高本區(qū)耕地生產(chǎn)地力主要途徑。研究表明，商南縣地力較好的耕地主要集中分布在低海拔（800 m）以下較平坦的川道、丘陵地帶，此區(qū)土層深厚，土壤養(yǎng)分含量高，水土流失較輕，多數(shù)地區(qū)灌溉條件好，是商南縣高產(chǎn)田的主要分布區(qū)域，也是科管條件較好，人為干預(yù)較多的地區(qū)。三、四級耕地多分布在海拔800～1 200 m之間的中高山區(qū)，此區(qū)海拔較高，坡度增大，水分涵養(yǎng)能力較差，土壤肥力脊薄，交通不便，人為管理難度大的區(qū)域。后期可通過加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加大科技投入，提高科管水平，更換種植方式（間作、輪作、套種等），改善土體結(jié)構(gòu)，增強土壤肥力，增建灌溉設(shè)施等措施提高耕地地力生產(chǎn)水平。五級地所處坡度較大，一般海拔在1 200 m以上、交通極為不便、人為影響較小的區(qū)域，此區(qū)土壤表層板結(jié)，土層薄、腐殖質(zhì)層厚度均較低，無灌溉條件，管理難度較大，只能采取自然耕作的方式，靠天吃飯。大于15°的坡耕地已不適合耕種，應(yīng)全部退耕還林還草。分析發(fā)現(xiàn)縣域耕地地力固然與海拔、地形地貌等自然因素有關(guān)，但可以通人工干預(yù)改變或提高地力，隨著現(xiàn)代科學(xué)管理水平的提高，耕作方式、種植制度等人為因素對耕地地力也存在一定影響，本研究沒有作深入探討，這為以后研究提出了新的方向。

4 結(jié)論

本研究選取土壤管理相關(guān)的要素、土體構(gòu)造、土壤養(yǎng)分含量以及地形地貌條件等4個方面中與耕地地力相關(guān)性大且可操作性、穩(wěn)定性和主導(dǎo)性都較好的12個指標(biāo)作為參評指標(biāo)，構(gòu)建耕地地力優(yōu)劣評價指標(biāo)體系，對陜南山區(qū)縣域耕地地力進(jìn)行分級。結(jié)果表明，商南縣耕地總面積24 848.26 hm2，1～5級耕地面積分別為 2 286.97、4 666.79、8 733.13、6 320.22、2 841.16 hm2。其中一、二級耕地主要集中分布在海拔800 m以下的河谷川塬和淺山丘陵地帶，三、四級耕地多分布在海拔800～1 200 m之間的淺山丘陵和中山地貌上，而五級地位于海拔1 200 m以上的山坡或高山上。建議通過改善影響地力的主要因子來提高地力，為區(qū)域內(nèi)土地合理利用規(guī)劃、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營、生態(tài)平衡保護(hù)、耕地資源的可持續(xù)發(fā)展提供保障。