基于GIS 的金塔縣耕地質(zhì)量等級評價(jià)及特征分析

譚思佳，蔡立群*

（1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州730001）

0 引言

耕地是人類社會賴以生存與發(fā)展的必要物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，也是作為土地資源中最為重要的一部分，耕地?cái)?shù)量的多少和質(zhì)量的高低，直接影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、耕地產(chǎn)出水平以及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量[2]。對保障糧食安全、生態(tài)安全以及可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[3]。所以，必須要了解耕地的質(zhì)量情況并對耕地質(zhì)量情況進(jìn)行正確評價(jià)，全面了解耕地資源狀況，實(shí)現(xiàn)人與土地互動的基礎(chǔ)[4]。隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)的全面發(fā)展，GIS 在耕地上的應(yīng)用也越來越廣泛[5]，已經(jīng)能在相當(dāng)大的程度上推動耕地質(zhì)量評價(jià)的定量化，自動化和智能化。近年來，越來越多的學(xué)者如趙建國等[6]、石淑芹等[7]、邢世和等[8]都利用GIS 軟件針對不同地區(qū)進(jìn)行耕地質(zhì)量評價(jià)研究。

本文以甘肅省酒泉市金塔縣為研究對象，應(yīng)用ArcGIS 技術(shù)，建立代表性耕地樣區(qū)，通過空間分析、層次分析等方法，初步對耕地土壤養(yǎng)分含量的分布特征以及耕地質(zhì)量等級進(jìn)行研究，為金塔縣耕地質(zhì)量的保護(hù)與提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況、資料收集與整理

1.1 研究區(qū)概況

金塔縣位于中國的西北部，地處39°47′～40°59′N 與90°00′～100°20′E 之間。全縣總面積188 萬hm2，北靠蒙古額濟(jì)納旗，西與甘肅的嘉峪關(guān)、玉門市和肅北縣接攘，南與酒泉市、張掖地區(qū)的高臺縣為鄰。其縣境內(nèi)的東、南、北三面皆為山，并且中間均低平，地形方面略呈斜方，海拔在1 100~1 400 m 之間，相比其他地區(qū)高500~1 000 m。金塔縣四季分明，氣候干燥，降水量少，蒸發(fā)量大，夏季酷熱，冬季寒冷，屬于我國的典型溫帶大陸性干旱氣候，其年平均氣溫為8℃，平均日照總時(shí)數(shù)為3 193.2 h。其縣年平均降水量為59.5 mm，歷年最多為127.0 mm，最少僅18.3 mm，并且主要集中在夏季。

1.2 資料收集與整理

評價(jià)收集基礎(chǔ)圖件資料、統(tǒng)計(jì)資料、測試化驗(yàn)分析資料、野外調(diào)查資料和其他資料等。其中，統(tǒng)計(jì)資料包括統(tǒng)計(jì)年鑒和農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒等；測試化驗(yàn)分析資料包括有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、速效鉀、pH 及土壤中其他的微量元素與重金屬元素等；野外調(diào)查資料包括自然條件、生產(chǎn)條件、地理位置以及土壤剖面性狀等；其他資料則包括全國第二次土壤普查資料、耕地質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)、水利區(qū)劃相關(guān)資料、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)等農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及歷年相關(guān)田間試驗(yàn)資料等。

2 評價(jià)方法與步驟

金塔縣耕地質(zhì)量等級評價(jià)是依據(jù)《耕地質(zhì)量等級》國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T33469-2016），在對耕地的養(yǎng)分狀況、立地條件、剖面性狀、耕層理化性狀、健康狀況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，充分利用GIS 技術(shù)，通過層次分析、空間分析、綜合指數(shù)等方法，對耕地質(zhì)量、土壤健康狀況以及田間基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成的質(zhì)量安全的能力進(jìn)行綜合評價(jià)，具體步驟如下：

（1）調(diào)查內(nèi)容與樣點(diǎn)布設(shè)。調(diào)查內(nèi)容主要包括樣點(diǎn)統(tǒng)一編號、采樣年份、縣（區(qū)）名稱、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）名稱、村組名稱、海拔高度、經(jīng)度、緯度等基本信息，立地條件、理化性狀、障礙因素、耕作管理等相關(guān)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行樣點(diǎn)布設(shè)時(shí)，通過土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖和金塔縣行政區(qū)劃圖疊加形成評價(jià)單元，根據(jù)評價(jià)單元的土壤類型、面積、數(shù)量、種植制度與作物類型、產(chǎn)量水平，同時(shí)充分考慮點(diǎn)位的均勻性，最終確定金塔縣采樣點(diǎn)的位置，并在圖上標(biāo)注，形成采樣點(diǎn)位圖。并遵循大致按照每667 hm2布設(shè)1 個(gè)樣點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行布點(diǎn)，共布設(shè)調(diào)查樣點(diǎn)128 個(gè)，采樣路線為“S”型，采樣深度為0~20 cm，樣品重量為1 kg。

（2）評價(jià)單元?jiǎng)澐峙c數(shù)據(jù)獲取。根據(jù)因素差異性、相似性和邊界完整性原則，采用金塔縣土壤圖、金塔縣土地利用現(xiàn)狀圖和金塔縣行政區(qū)劃圖的組合疊置方法劃分評價(jià)單元?？茖W(xué)獲取評價(jià)單元數(shù)據(jù)，對土壤養(yǎng)分含量等定量數(shù)據(jù)、灌溉能力等定性因子、地貌類型等專題圖形式的因子，采用空間插值、以點(diǎn)帶面以及評價(jià)單元圖進(jìn)行疊加等方法獲取各單元數(shù)據(jù)信息。

（3）評價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重的確定。依據(jù)指標(biāo)選取的原則，針對金塔縣耕地質(zhì)量評價(jià)的要求和特點(diǎn)，依據(jù)《耕地質(zhì)量等級》國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“N+X”指標(biāo)體系，建立金塔縣耕地質(zhì)量等級評價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)，共選取地形部位、灌溉能力、排水能力、耕層質(zhì)地、質(zhì)地構(gòu)型、土壤容重、有效土層厚度、有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、海拔、障礙因素、鹽漬化程度、農(nóng)田林網(wǎng)化程度、生物多樣性、清潔程度等16 個(gè)指標(biāo)。應(yīng)用層次分析法與特爾斐法相結(jié)合的方法確定金塔縣的指標(biāo)權(quán)重（表1）。

表1 金塔縣耕地質(zhì)量等級評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

（4）指標(biāo)隸屬函數(shù)構(gòu)建。隸屬函數(shù)類型包括概念型、戒上型、戒下型、峰型、概念型等5 類函數(shù)。對概念型數(shù)據(jù)，直接采用特爾斐法給出隸屬度（表2）。

表2 金塔縣耕地質(zhì)量等級評價(jià)函數(shù)型指標(biāo)及隸屬函數(shù)

（5）耕地質(zhì)量等級劃分。根據(jù)《耕地質(zhì)量等級》（GB/T33469-2016），采用累加法計(jì)算各評價(jià)單元的耕地質(zhì)量綜合指數(shù)。耕地質(zhì)量綜合指數(shù)計(jì)算公式為：P=∑(Fi×Ci)

式中，P 表示耕地質(zhì)量綜合指數(shù)；Fi表示第i 個(gè)評價(jià)指標(biāo)的隸屬度；Ci表示第i 個(gè)評價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重。

采用等距離法將耕地質(zhì)量劃分為十個(gè)等級。一等地的耕地質(zhì)量相對較好，十等地耕地質(zhì)量相對較差，按照金塔縣耕地質(zhì)量等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，金塔縣耕地質(zhì)量綜合指數(shù)（IFI）值在一至六等地之間（表3）。

表3 金塔縣耕地質(zhì)量等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 金塔縣土壤養(yǎng)分元素含量

經(jīng)過對金塔縣的耕作層的土樣進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，測出其土壤養(yǎng)分的元素含量，得到金塔縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的養(yǎng)分元素含量平均值，金塔縣的土壤養(yǎng)分元素含量平均值分別為：有機(jī)質(zhì)12.90 g/kg、全氮0.80 g/kg、有效磷26.95 mg/kg、速效鉀147.77 mg/kg、有效鐵10.57 mg/kg、緩效鉀515.23 mg/kg、有效銅1.22 mg/kg、有效鋅0.74 mg/kg、有效錳6.41 mg/kg。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分元素平均值詳見表4。

表4 金塔縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤養(yǎng)分元素平均含量

3.2 金塔縣耕地?cái)?shù)量等級分析

金塔縣耕地質(zhì)量等級調(diào)查評價(jià)總面積為49 187.15 hm2，金塔縣耕地質(zhì)量等級由高到低依次為一等到六等，一到六等地耕地面積分別為13.90%、27.70%、26.75%、16.63%、8.28%、6.74%，其中二、三、四等耕地面積占比較大。采用耕地質(zhì)量等級面積加權(quán)法，計(jì)算可得到金塔縣耕地質(zhì)量的平均等級為2.98 等（圖1，圖2，表5，表6）。

圖2 金塔縣耕地質(zhì)量等級分布圖

表5 金塔縣耕地質(zhì)量等級面積比例及主要分布區(qū)域

表6 金塔縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同等級耕地面積比例情況

圖1 金塔縣耕地質(zhì)量等級比例圖

評價(jià)為一等地的耕地面積為6 835.82 hm2，占金塔縣評價(jià)耕地總面積的13.90%，主要分布在金塔鎮(zhèn)、東壩鎮(zhèn)、三合鄉(xiāng)、鼎新鎮(zhèn)、大莊子鎮(zhèn)、古城鄉(xiāng)、中東鎮(zhèn)、羊井子灣，有良好穩(wěn)定的灌溉水源和充足的光熱，有機(jī)質(zhì)含量高，以草甸土、潮土、灌淤土為主，耕地存在輕度鹽漬化，其土壤平均pH 為8.61，沒有明顯的障礙因素。

評價(jià)為二等的耕地，面積為13 626.59 hm2，占27.70%，主要分布在中東鎮(zhèn)、古城鄉(xiāng)、西壩鎮(zhèn)、東壩鎮(zhèn)、金塔鎮(zhèn)、大莊子鎮(zhèn)、三合鄉(xiāng)、鼎新鎮(zhèn)、羊井子灣、航天鎮(zhèn)，以草甸土、潮土、風(fēng)沙土、灌淤土、灰棕漠土、沼澤土為主，耕地存在輕度鹽漬化，其土壤平均pH 為8.63，沒有明顯障礙因素。

評價(jià)為三等的耕地，面積為13 155.36 hm2，占26.75%，主要分布在東壩鎮(zhèn)、鼎新鎮(zhèn)、金塔鎮(zhèn)、三合鄉(xiāng)、大莊子鎮(zhèn)、航天鎮(zhèn)、中東鎮(zhèn)、古城鄉(xiāng)、西壩鎮(zhèn)、羊井子灣，以草甸土、潮土、風(fēng)沙土、灌淤土、灰棕漠、鹽土為主，這部分耕地土壤存在小面積的障礙層次，存在輕度鹽漬化，其土壤平均pH 為8.64。

評價(jià)為四等的耕地，面積為8 179.77 hm2，占16.63%，主要分布在東壩鎮(zhèn)、古城鄉(xiāng)、大莊子鎮(zhèn)、西壩鎮(zhèn)、中東鎮(zhèn)、金塔鎮(zhèn)、三合鄉(xiāng)、鼎新鎮(zhèn)、航天鎮(zhèn)、羊井子灣，以草甸土、風(fēng)沙土、灌淤土、灰棕漠土、鹽土為主，這部分耕地土壤存在輕度鹽漬化，其土壤平均pH 為8.64。

評價(jià)為五等的耕地，面積為4 075.11 hm2，占8.28%，主要分布在航天鎮(zhèn)、古城鄉(xiāng)、西壩鎮(zhèn)、大莊子鎮(zhèn)、中東鎮(zhèn)、東壩鎮(zhèn)、金塔鎮(zhèn)，以草甸土、風(fēng)沙土、灌淤土、灰棕漠土、鹽土為主，這部分耕地土壤養(yǎng)分貧瘠，這部分耕地土壤存在小面積的障礙層次，輕度鹽漬化，其土壤平均pH 為8.68。

評價(jià)為六等的耕地，面積為3 314.5 hm2，占6.74%，主要分布在航天鎮(zhèn)、大莊子鄉(xiāng)、鼎新鎮(zhèn)，僅分布有鹽土，這部分耕地土壤存在小面積障礙層次，養(yǎng)分少數(shù)貧瘠，存在輕度鹽漬化，其土壤平均pH 為8.67。

4 結(jié)論

依據(jù)《耕地質(zhì)量等級》（GB/T33469-2016）國家標(biāo)準(zhǔn)，以甘肅省金塔縣耕地作為基本評價(jià)對象，通過地理信息系統(tǒng)（ArcGIS）對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，按照耕地質(zhì)量綜合指數(shù)分級方案劃分金塔縣耕地等級，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明甘肅省金塔縣一到六等耕地均有分布，各等級耕地地力均存在顯著差異。通過面積加權(quán)法計(jì)算得到金塔縣耕地質(zhì)量平均等級為2.98 等，分布有一至六等級地，七、八、九、十等級地沒有分布；其中二等地占比最大，占金塔縣耕地的27.70%，且位于金塔縣西部的中東鎮(zhèn)耕地質(zhì)量最好；六等地占比最小，占金塔縣耕地的6.74%。二、三、四等級地為金塔縣耕地質(zhì)量等級的主體，面積占比分別為27.70%、26.75%、16.63%。因此，金塔縣耕地質(zhì)量水平整體較高。

5 建議

金塔縣各等級耕地均存在輕度鹽漬化，為防止鹽漬化進(jìn)一步發(fā)生，依據(jù)金塔綠洲特殊的地域環(huán)境和自然條件，可添加有機(jī)肥中和土壤酸堿濃度，提高土壤的松散度，有效緩解土壤鹽漬化。

金塔縣耕地土壤中評價(jià)為一至三等的耕地面積為33 617.77 hm2，占耕地總面積的68.35%，這部分耕地基礎(chǔ)質(zhì)量較高，障礙因素不明顯，應(yīng)按照用養(yǎng)結(jié)合方式開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，加強(qiáng)水土資源保護(hù)，合理規(guī)劃，確保金塔縣的耕地質(zhì)量穩(wěn)中有升。