基于GIS的黃土高原南緣土石山區(qū)陜西隴縣耕地質(zhì)量評價研究

摘 要：以陜西省隴縣為研究區(qū)域，通過實地調(diào)查和室內(nèi)分析，綜合運用GIS技術(shù)、層次分析法、模糊聚類法和綜合指數(shù)法對研究區(qū)耕地質(zhì)量進(jìn)行定量評價。結(jié)果表明，隴縣耕地質(zhì)量可劃分為十等：二等地占1.31%，三等地占5.57%，四等地占5.87%，五等地占7.58%，六等地占16.19%，七等地占28.82%，八等地占24.07%，九等地占7.87%，十等地占2.72%。二、三等地主要為水澆地，集中分布在河谷平原;四至十等地多為旱地，其中四至六等地多分布于河谷平原、河谷階地，而七至十等地則位于海拔較高的中山、高丘陵地區(qū)，該區(qū)域地形較為破碎，土層薄，土壤養(yǎng)分含量低。因此，基于GIS建立了隴縣耕地質(zhì)量評價系統(tǒng)，以期為該縣耕地資源的科學(xué)管理、可持續(xù)利用提供理論支持，同時也為我國黃土高原南緣土石山區(qū)耕地質(zhì)量保護(hù)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：GIS; 土石山區(qū); 耕地質(zhì)量; 空間分布; 隴縣

中圖分類號：S158; P208""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""" 文章編號：1002-204X（2024）08-0026-07

doi：10.3969/j.issn.1002-204x.2024.08.006

Evaluation of Farmland Quality in Rocky Mountain Area at South Foot of Loess Plateau Based on GIS： A Case Study on Long County， Shaanxi Province

Duan Chunping

（Long County Agricultural Technology Extension Service Center， Baoji， Shaanxi 721200）

Abstract Taking Longxian County of Shaanxi Province as the study area， the quality of cultivated land in the study area was quantitatively evaluated by using GIS technology， analytic hierarchy process， fuzzy clustering method and comprehensive index method. The results showed that" the quality of cultivated land in Longxian County can be divided into 10 grades， among which the area of the second grade land to the tenth grade land accounted for 1.31%， 5.57%， 5.87%， 7.58%， 16.19%， 28.82%， 24.07%， 7.87% and 2.72% of the total cultivated land respectively. The second and third grade cultivated lands were mainly irrigated land， concentrated in valley plains. The cultivated land of grade 4 to 10 were mostly dry land， among which 4 to 6 grade lands were mainly located in valley plains and valley terraces， while 7 to 10 grade lands in high mountain and high elevation loess tableland areas. The terrain in this region is relatively broken， the soil layer is thin， and the soil nutrient content is low. Based on GIS， this study established the cultivated land quality evaluation system in Longxian County， which provided theoretical support for the scientific management and sustainable utilization of cultivated land resources in this county. At the same time， it also provides technical support for the quality protection of cultivated land in the rocky mountain area on the southern margin of the Loess Plateau.

Key words GIS; Soil-rock mountain area; Cultivated land quality; Spatial distribution; Longxian County

耕地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基本、最不可替代的重要生產(chǎn)資料，是社會和國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要資源，其數(shù)量和質(zhì)量直接關(guān)系到一個國家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展和人民生活水平[1-4]。耕地資源保護(hù)對于維護(hù)國家糧食安全、穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)社會運行、實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略及“藏糧于地”戰(zhàn)略具有重要意義[5-8]。然而，在耕地利用過程中，耕地質(zhì)量下降問題日益凸顯，對提高糧食安全水平、維護(hù)社會穩(wěn)定構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。對此，必須建立科學(xué)的耕地質(zhì)量評價體系，對耕地質(zhì)量進(jìn)行實時監(jiān)測和評價，為合理規(guī)劃土地利用、防止耕地質(zhì)量惡化提供必要的理論依據(jù)，以確保糧食和環(huán)境安全。

近年來，許多研究者綜合運用“3S”技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)與系統(tǒng)聚類、模糊數(shù)學(xué)、層次分析法等方法，對不同區(qū)域耕地質(zhì)量評價進(jìn)行研究，取得了較大進(jìn)展。如張海濤等[9]將層次分析法（AHP）的原理和方法引入耕地生產(chǎn)力評價，確定評價因子權(quán)重，快速準(zhǔn)確地評價江漢平原后湖地區(qū)耕地自然生產(chǎn)力;林碧珊等[10]以土種為單位，采用限制因子法和綜合歸納法，對耕地因子進(jìn)行了系統(tǒng)分析和評價;何毓蓉等[11]利用土壤質(zhì)量系數(shù)評價了川江流域幾個典型農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的耕地生產(chǎn)潛力，為西南丘陵區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了參考;謝葉偉等[12]運用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)對東北黑土區(qū)耕地質(zhì)量進(jìn)行了評價，為該地區(qū)耕地退化的治理和可持續(xù)利用提供決策依據(jù)。在當(dāng)前研究中，對黃土高原南緣土石山區(qū)耕地質(zhì)量評價研究較少，且耕地質(zhì)量評價缺乏自動化、定量化及可視化研究。因此，本研究以陜西省隴縣為例，運用層次分析法和模糊評價法對當(dāng)?shù)馗刭|(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行定量評價，并對其空間分布及主要影響因素進(jìn)行分析，旨在為黃土高原南緣土石山區(qū)耕地質(zhì)量評價指標(biāo)的選擇和評價方法的選擇作出有益探索。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

隴縣位于陜西西部、隴山東坡、千水上游（圖1），地理位置為34°35'17\"～35°6'45\" N，106°26'32\"～107°8'11\" E，是寶雞市西北部的一個山區(qū)縣。全縣地勢西北高東南低，最高海拔為2 452 m，縣域南北寬57.6 km，東西長59.7 km。隴縣氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫達(dá)10.7 ℃，年均降水量達(dá)600.1 mm。其土壤類型主要為黃綿土、新積土、紅黏土、粗骨土、棕壤、褐土、潮土、黑壚土、沼澤土、山地草甸土，其中黃綿土占比最大。全縣總面積達(dá)2 285.2 km2，其中耕地面積約為55 243.50 hm2，是一個典型的農(nóng)業(yè)縣。

1.2 數(shù)據(jù)資料來源

評價過程收集了野外調(diào)查資料、分析化驗資料、基礎(chǔ)圖件資料、統(tǒng)計資料和其他資料等，其中：野外調(diào)查資料包括地理位置、自然條件、生產(chǎn)條件、土壤剖面性狀（國土資源局二調(diào)信息、土壤二普資料）等信息;分析化驗資料包括有機(jī)質(zhì)、pH值，以及土壤中的大、中、微量元素等;統(tǒng)計資料包括統(tǒng)計年鑒、農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒等;其他資料包括第二次土壤普查相關(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)資料、水利區(qū)劃相關(guān)資料、耕地質(zhì)量監(jiān)測點數(shù)據(jù)資料及歷年相關(guān)田間試驗資料等。

2 隴縣耕地質(zhì)量評價過程

本研究采用層次分析法和模糊聚類法建立評價模型，利用GIS對隴縣耕地質(zhì)量進(jìn)行定量評價。評價主要參照顧志權(quán)等[13]和QI Y等[14]的方法，其中一些步驟和方法略有調(diào)整。具體評價過程為評價單元的劃分—評價因子的確定—評價指標(biāo)數(shù)據(jù)庫的建立—評價指標(biāo)權(quán)重的確定—評價指標(biāo)不同數(shù)值的模糊隸屬度確定—耕地質(zhì)量綜合指數(shù)計算與分級—提取隴縣耕地質(zhì)量等級評價結(jié)果。

2.1 評價單元的劃分

本研究采用土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖、地貌類型圖、行政區(qū)劃圖疊置，進(jìn)行綜合取舍，形成評價單元圖斑，即“土地利用現(xiàn)狀圖-土壤圖-地貌類型圖-行政區(qū)劃圖”的格式。該方法考慮全面，形成的評價單元隸屬關(guān)系明確，同一評價單元內(nèi)的耕作方式、土壤類型、土地利用方式較為相似，不僅滿足了對耕地質(zhì)量的評價要求，而且便于耕地的維護(hù)與管理[15-16]。最終全縣共確定評價單元5 051個。

2.2 評價因子的確定

耕地質(zhì)量評價因子的選擇是影響評價結(jié)果科學(xué)性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟[2]，通常在選擇評價指標(biāo)時遵循以下原則：①選取指標(biāo)對耕地質(zhì)量影響較大;②選取指標(biāo)在研究區(qū)變異較大，便于劃分等級;③選取指標(biāo)相對穩(wěn)定且長期有效;④注意指標(biāo)可獲取、可測量、可比較、易于量化。本研究綜合考慮以上原則及隴縣的實際情況，結(jié)合土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科知識，采用特爾菲法[2-3]選取立地條件（地形部位、農(nóng)田林網(wǎng)化、海拔）、剖面性狀（有效土層厚度、障礙因素、質(zhì)地構(gòu)型）、耕層理化性質(zhì)（耕層質(zhì)地、土壤容重、pH）、養(yǎng)分狀況（有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀）、健康狀況（生物多樣性、清潔程度）、土壤管理（灌溉能力、排水能力）6個方面的16個評價因子構(gòu)建耕地質(zhì)量評價指標(biāo)體系。

2.3 評價指標(biāo)數(shù)據(jù)庫的建立

數(shù)據(jù)庫建設(shè)包括空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫建設(shè)?？臻g數(shù)據(jù)庫包括道路、水系、采樣點點位圖、評價單元圖、土壤圖、行政區(qū)劃圖等。道路、水系通過土地利用現(xiàn)狀圖提取;土壤圖通過掃描紙質(zhì)土壤圖件拼接校準(zhǔn)后矢量化;評價單元圖通過土地利用現(xiàn)狀圖、行政區(qū)劃圖、土壤圖疊加而成;采樣點點位圖通過野外調(diào)查采樣數(shù)據(jù)表中經(jīng)緯度坐標(biāo)生成。屬性數(shù)據(jù)庫包括調(diào)查檢測屬性數(shù)據(jù)表、土地利用現(xiàn)狀屬性數(shù)據(jù)表、行政編碼表、交通道路屬性數(shù)據(jù)表等。通過分類整理后，以編碼形式進(jìn)行管理。

2.4 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

由于各因子對耕地質(zhì)量影響不同，因此本研究采用層次分析法確定各評價指標(biāo)權(quán)重，通過建立層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建判斷矩陣，經(jīng)過層次單排序、層次總排序及一致性檢驗（在一致性檢驗中，各判斷矩陣CR值都小于0.1，通過檢驗，說明判斷矩陣權(quán)重分配合理）得到隴縣16個評價指標(biāo)的組合權(quán)重[17]。其中：地形部位、灌溉能力、有機(jī)質(zhì)、質(zhì)地構(gòu)型、耕層質(zhì)地等指標(biāo)的組合權(quán)重較高，即為影響該縣耕地質(zhì)量最重要的指標(biāo)。各參評因子組合權(quán)重計算結(jié)果如表1所示。

2.5 評價指標(biāo)不同數(shù)值的模糊隸屬度確定

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論[2]，最終確定下來的評價指標(biāo)與耕地質(zhì)量的關(guān)系分為戎上型（有機(jī)質(zhì)、速效鉀、有效磷、有效土層厚度）、峰型（pH、土壤容重）、直線型（海拔）、概念型（地形部位、耕層質(zhì)地、質(zhì)地構(gòu)型、生物多樣性、清潔程度、障礙因素、灌溉能力、排水能力、農(nóng)田林網(wǎng)化）4種類型的隸屬函數(shù)[18-19]。

2.5.1 數(shù)值型指標(biāo)隸屬度的確定

對于戎上型、峰型、直線型3種數(shù)值型指標(biāo)，利用特爾菲法對參評指標(biāo)的實測值評估其相應(yīng)的隸屬度，并根據(jù)實測值與隸屬度擬合的隸屬函數(shù)，進(jìn)行顯著性分析。本研究中各數(shù)值型指標(biāo)隸屬函數(shù)均在0.05水平達(dá)到顯著相關(guān)[13-20]，隸屬函數(shù)模型如表2所示。

2.5.2 概念型指標(biāo)隸屬度的確定

對于概念型指標(biāo)，采用特爾菲法進(jìn)行賦值，即以特征值作為隸屬函數(shù)，如表3所示。

2.6 耕地質(zhì)量綜合指數(shù)計算與分級

利用累加模型計算耕地質(zhì)量綜合指數(shù)（Integrated Fertility Index， IFI），對應(yīng)每個圖斑綜合指數(shù)計算方法如下：

IFI=∑Fi×Ci" （i=1，2，3，...，n）

式中：IFI表示耕地質(zhì)量綜合指數(shù)，F(xiàn)i表示第i個因子的隸屬度，Ci表示參評因子的組合權(quán)重。根據(jù)耕地資源管理信息系統(tǒng)模塊的組合權(quán)重計算結(jié)果，結(jié)合評價結(jié)果綜合指數(shù)排序及耕地類型分區(qū)[21]，采用耕地質(zhì)量綜合指數(shù)累積頻率曲線突變點進(jìn)行分級，將研究區(qū)耕地質(zhì)量分為十級（表4）。

3 結(jié)果與分析

3.1 隴縣各評價等級耕地空間分布

隴縣共有耕地面積55 243.50 hm2，耕地質(zhì)量評價結(jié)果如圖2、表5和表6所示，二、三等耕地主要分布在河谷平原，平均海拔為932.87 m，水利設(shè)施良好，土地利用方式以水澆地為主，土壤類型中黑壚土、黃綿土占比較大，土壤中有效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量高，理化性狀和耕作條件良好，是隴縣高產(chǎn)田耕地分布區(qū)域。

評價為四至六等耕地多分布在河谷平原、河谷階地等區(qū)域，在黃土坪、高丘陵等區(qū)域也有少量分布，平均海拔為1 050.36 m，土地利用方式以旱地為主。其土壤中速效鉀、有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量較高，土壤類型以黃綿土為主，部分耕地存在灌排水障礙，土地利用限制條件總體較小。

評價為七至十等耕地多分布在中山、高丘陵、黃土坪等區(qū)域，這些區(qū)域海拔相對較高，約為1 282.32 m，土壤類型主要有黃綿土、棕壤、粗骨土等，土地利用方式為旱地，土壤中養(yǎng)分含量較低。該區(qū)域地形破碎、土層薄，土壤養(yǎng)分含量低，存在明顯的灌溉、培肥等障礙，生產(chǎn)力低下。

3.2 隴縣各評價等級耕地行政區(qū)分布

將耕地質(zhì)量評價等級圖與行政區(qū)劃圖疊置分析，得到各等級耕地在各鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的分布，劃分評價結(jié)果如圖2和表6所示。將隴縣耕地質(zhì)量等級由高到低依次劃分為一至十等，一等耕地質(zhì)量最好，十等耕地質(zhì)量最差。采用耕地質(zhì)量等級面積加權(quán)法，計算得到隴縣耕地質(zhì)量平均等級為6.70。

評價為二至三等的高等級耕地面積為3 802.38 hm2，占隴縣評價耕地總面積的6.88%，主要分布在曹家灣鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)、東風(fēng)鎮(zhèn)、東南鎮(zhèn)。這部分耕地基礎(chǔ)質(zhì)量等級較高，農(nóng)田設(shè)施條件好，無明顯障礙因素，應(yīng)加強(qiáng)耕地保育和利用，確保耕地質(zhì)量穩(wěn)中有升。

評價為四至六等的中等級耕地面積為16 373.94 hm2，占29.64%，廣泛分布在全縣，以東南鎮(zhèn)、溫水鎮(zhèn)、東風(fēng)鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)為主。這部分耕地立地條件較好，具備一定的農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施，是發(fā)展糧食、蔬菜和經(jīng)濟(jì)作物的重點生產(chǎn)區(qū)域，今后應(yīng)重點加強(qiáng)耕地質(zhì)量等級培育，提高耕地有效養(yǎng)分含量，完善灌溉條件。

評價為七至十等的低等級耕地面積為35 067.18 hm2，占63.48%，覆蓋全縣絕大部分區(qū)域，主要分布在東風(fēng)鎮(zhèn)、河北鎮(zhèn)、溫水鎮(zhèn)等地。這部分耕地立地條件較差，大部分灌溉困難，基礎(chǔ)質(zhì)量等級較低，部分耕地存在障礙因素，應(yīng)大力開展農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，改良土壤，培肥地力，提高耕地質(zhì)量等級。

4 結(jié)論

本研究以黃土高原南緣土石山區(qū)的陜西省隴縣的耕地作為評價對象，運用GIS技術(shù)及層次分析法、模糊聚類法、綜合指數(shù)法等研究方法，結(jié)合累積曲線劃分耕地質(zhì)量等級，選取立地條件、剖面性狀、耕層理化性質(zhì)、養(yǎng)分狀況、健康狀況、土壤管理6個方面對研究區(qū)耕地質(zhì)量影響較大、變異明顯且相對穩(wěn)定的16個指標(biāo)作為評價因子，構(gòu)建耕地質(zhì)量評價體系，得出如下結(jié)論。

（1）對比層次分析法中的各指標(biāo)組合權(quán)重，地形部位、灌溉能力、有機(jī)質(zhì)、質(zhì)地構(gòu)型、耕層質(zhì)地為影響研究區(qū)耕地質(zhì)量的重要指標(biāo)，亦是影響黃土高原南緣土石山區(qū)耕地質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

（2）隴縣的耕地質(zhì)量等級可分為一至十等，其中二至三等耕地占總耕地面積的6.88%，這部分耕地大多位于河谷平原，農(nóng)田設(shè)施條件好，無明顯障礙因素;評價為四至六等的中等級耕地面積占29.64%，主要分布于河谷平原及河谷階地，這部分耕地立地條件較好，具備一定的農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施，是發(fā)展糧食、蔬菜和經(jīng)濟(jì)作物的重點生產(chǎn)區(qū)域;評價為七至十等的低等級耕地面積占63.48%，覆蓋全縣絕大部分區(qū)域，主要分布在海拔較高的中山、高丘陵、黃土坪等地，這部分耕地立地條件較差，大部分灌溉困難，基礎(chǔ)質(zhì)量等級較低。

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責(zé)任編輯：周慧