许泉立+杨昆+易俊华

摘要：以云南勐海县为研究对象，以ArcGIS软件为平台，以DEM分析、栅格计算和空间插值等空间分析技术为核心，结合德尔菲法、层次分析法、模糊隶属度函数和耕地生产性能综合指数（IFI）等方法，确立该县耕地地力的主要影响因子及其权重，建立综合评价体系及其空间计算模型，并对综合评价结果做出分析。研究结果表明，勐海县51 575.73 hm2的耕地分为6个等级，一至六级耕地分别占总耕地的14.12%、27.40%、20.17%、17.23%、12.70%、8.38%。勐海县三级以上高质量耕地占60%以上，耕地地力总体情况良好，大力提升三级及其以下耕地的耕作能力是改善本地区耕地质量的主要途径。

关键词：耕地地力;耕地生产性能综合指数;模糊隶属度函数;地理信息系统

中图分类号：F301.24;S153.6        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2014）12-2788-06

GIS-Based Evaluation for Farmland Fertility of Menghai County in Yunnan Province

XU Quan-li1，2a，YANG Kun2b，YI Jun-hua3

（1.School of Remote Sensing Information Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China;

2a.Faculty of Tourism and Geographic Science; b.School of Information Science，Yunnan Normal University，Kunming 650500，China;

3.Inspection Station of Surveying and Mapping Product in Yunnan province，Kunming 650034，China）

Abstract： To evaluate the farmland fertility of Menghai County in Yunnan province， the ArcGIS software was used to made DEM analysis，raster calculation and spatial interpolation of spatial analysis technology. Menghai County was selected as the study area to establish major factors of influence and their weights for the farmland land productivity. To built a comprehensive evaluation system and spatial computing model with Delphi method，analytic hierarchy process（AHP），fuzzy membership function，farmland integrated fertility index（IFI） and other methods were used. Spatial distribution，area statistics and farmland nutrient analysis for the evaluating results were analyzed. The results showed that 51 575.73 hectares of cultivated land in Menghai County was divided into 6 grades.The percentages of total farmland from Grade 1 to Grade 6 land were 14.12%，27.40%，20.17%，17.23%，12.70% and 8.38%，respectively. GIS method could satisfy the requirements for quantifying and automating farmland fertility evaluation.The cultivated land over Grade 3 occupied more than 60% of total land. The overall situation of cultivated land fertility in Menghai County was good.The government should adjust measures to maintain the existing quality of cultivated land resources，and to enhance the farming ability of cultivated land worse than Grade 3.

Key words： farmland fertility; farmland integrated fertility index; fuzzy membership function; geographic information system

耕地是农民维持生存最基本的物质基础[1]，是土地利用的一种重要类型，耕地保护的最终目的是有效地利用耕地。在广大山区人为的过度垦殖使得土地退化问题尤为突出[2]，因此科学评价耕地是有效利用和合理开发耕地的基础，对于耕地面积相对稀少山区而言显得尤为必要。endprint

耕地地力评价是对耕地的生产能力和土壤相宜性进行综合评价，从而达到优化利用耕地、最大限度发掘耕地潜力的目的，属于土地利用评价的一部分[3]。其评价和分析方法分别经历了定性、定量、数学模型计算到地理空间模型评估等几个阶段[4]。而且，随着“3S”（GIS、GPS、RS）技术的不断发展和深入应用，利用GIS技术进行土地利用的数据更新、动态评价和分析等方面取得了很大进展，并能快速完成多维、多元信息复合分析[5，6]。相对于其他土地利用评价技术，GIS利用其强大的空间数据管理和地学空间分析等特有功能，在评价因子的获取、权重评估和分级，综合评价指标的空间模型化与量化，以及评价结果的可视化表达等方面都有着独特的优势[7]。近些年，基于GIS技术的耕地地力评价也成为了土地利用适宜性评价和合理利用领域新的研究热点。比如，刘永文等[8]利用GIS技术评价和分析了重庆梁平县的耕地质量与时空布局。崔增团等[7]应用GIS技术，结合模糊数学综合评价等现代统计分析技术，对甘肃省肃州区河西走廊灌溉农业区耕地地力进行了综合评价。刘昱东等[9]利用GIS的空间分析技术对铁岭县的耕地进行了综合评价和分级。崔磊等[10]结合GIS技术和层次分析法对河南省县级耕地进行了评价。刘畅等[11]将均衡函数的变权理论与GIS相结合，探讨了耕地地力权重评价模型，并在高州市进行了试验应用。总之，基于GIS技术，通过结合多种数学模型来综合评价耕地质量是实现耕地地力评价自动化和定量化的重要方法与途径[12]。

勐海县是闻名中外的普洱茶的故乡，也是我国产茶最早的地方之一。由于该县四季都适宜水稻生长，也盛产优质大米，因此自古有滇南粮仓的美誉，是国家级粮食生产基地和糖料基地。然而该县的耕地条件并不优越，优质耕地面积所占比例较小，以山区面积为主（达93.45%），坝区面积只占6.55%;另外该县地貌、水文和气候条件多样且变化复杂，是影响耕地质量的主要地理因素，有必要深入探究高原山区特殊地理环境对耕地地力的影响方式和程度，以便为该县的耕地质量评价和合理利用提供科学决策依据。

1  材料与方法

1.1  研究区域

勐海县位于云南省西南部、西双版纳傣族自治州西部，地处99°56′-100°41′E、21°28′-22°28′N之间。

1.2  方法

以ArcGIS软件为平台，以DEM分析、栅格计算和空间插值等空间分析技术为核心，结合德尔菲法、层次分析法、模糊隶属度函数和耕地地力综合指数函数等方法，加工制作了勐海县耕地地力评价基础数据，选取了耕地地力的主要地理影响因子，构建了影响因子综合权重计算模型，最终形成耕地地力评价体系及其空间计算模型[4]。具体研究方法及其技术流程见图1。

1.2.1  数据采集与处理  基础及专题地图资料。包括1∶50 000比例尺的寻甸县地形图，行政区划图，土地利用现状图，土壤图，道路交通图，水系图和居民点分布图。这些图件资料采用地理信息系统软件ArcGIS或MapGIS65进行数字化、图形编辑、图幅误差校正、拓扑查错等处理。

土壤属性资料。采用野外GPS定点采样，室内测试分析处理获取，包括pH、有机质、全氮、速效钾、有效磷等10余种在勐海全县范围内获取采样点。并将采样点位图与分析数据库进行连接，再运用ArcGIS中的克里金插值法（Kriging）对各属性数据进行最优化插值，从而自动生成各土壤养分属性专题图[5]。

1.2.2  评价单元与影响因子分析  目前，对土地评价单元的划分尚无统一的方法，有以土壤类型、以土地利用类区域耕地地力评价指标体系研究型、以行政区划单位、以方里网等多种方法。在本研究中，评价单元的划分采用土壤图与土地利用现状图叠置划分的方法，即“土地利用现状类型-土壤类型”的格式，这样划分兼顾土壤和作物利用类型，便于指导农业生产实际。其中，土壤类型划分到土种，土地利用现状类型划分到二级利用类型[13]。

影响因子的选择和分析采用德尔菲方法[14]，具体过程是：参考云南省耕地评价成果以及专家咨询意见，根据《全国耕地地力调查与质量评价技术规程》规定的全国耕地地力调查评价因素以及勐海县耕地的具体实际，择取了勐海县耕地地力评价因子由4个类别共16项评价指标构成，其中4个类别是立地条件、土壤条件、耕地养分和耕地剖面及理化性状;16个因子分别是灌溉保证率、种植制度、坡度、有机质、耕层厚度、海拔、速效钾、有效磷、排涝等级、成土母质、质地、pH、水溶态硼、有效锌、土壤类型和剖面结构等。同时，根据所选取的16个评价因素各自的属性和特点，分别归类为目标层（A）、准则层（B）、指标层（C）3个层次，如图2所示，以方便后面的专家打分和层次分析。

1.2.3  基于模糊隶属度函数的影响因子评价   评价因子对耕地地力的影响程度是一个模糊性概念，可以采用模糊数学的理论和方法进行描述。隶属度是评价因子的观测值符合该模糊性的程度（即某评价因子在某观测值时对耕地地力的影响程度），完全符合时隶属度为1，完全不符合时隶属度为0，部分符合时隶属度为0～1之间的任一数值[15，16]。隶属函数则表示评价因素的观测值与隶属度之间的解析函数，并根据此函数计算某种评价因子任意栅格的隶属度。本次评价中，勐海县选定的评价指标与耕地生产能力的关系分为戒上型、峰型以及概念型3种类型的隶属函数[17]，前2种可归称为数值型函数。概念型指标（如：地形因子和土壤类型等）直接给等级打分，无需计算;数值型的应用SPSS统计软件建立隶属度函数，获取分值，其数学表达如公式（1）所示：endprint

Yi=1/（1+ai×（ui-ci）2）                   （1）

其中第i个因子评语，为样品观测值，为标准指数，为系数。图3示例了峰型因子（pH）和戒上型因子（有机质）2种数值型指标的模糊隶属度函数的求解方法和结果;图4是依据求解的模糊隶属度函数计算得到的示例因子的可视化评价结果，其他影响因子以此类推。最后，概念型评价指标的隶属度赋值举例如表3所示;表4是所有数值型评价指标的模糊隶属度函数计算的结果。

1.2.4  基于层次分析法的影响因子权重计算  研究表明，为了增加赋值的科学性，降低主观性，层次分析法（AHP）是一种较为合理的影响因子权重计算方法[18]，本研究采用层次分析法来计算耕地地力评价模型中各影响因子的权重。层次分析法的基本原理，可以用以下的简单事例分析来说明[19，20]。假设有n个物体A1，A2，…，An的质量分别记为W1，W2，…，Wn。现将每个物体的重量两两进行比较。若取质量向量[W1，W2，…，Wn]·T，则有：

AW=n·W                             （2）

W是判断矩阵A的特征向量，n是A的一个特征值。根据线性代数知识可以证明，n是矩阵A的唯一非零的和最大的特征值。建立比较矩阵后，就可以求出各个因素的权值，采取和积法计算出各矩阵的最大特征根λmax及其对应的特征向量W，并用CR=CI/RI进行一致性检查。其中CR表示一致性比率，CI表示一致性指标，RI表示随机一致性指标。当一致性系数CR<0.1时，说明一致性较好，权重匹配合理。

表5是利用层次分析法对目标层进行权重计算和验证的过程，其他影响层次及其因子的权重确定方法以此类推。最后，根据计算得到的准则层B的特征向量（判断权重）和各影响因子的特征向量（因子权重），将综合权重■B■C■的结果作为各评价因子的最终权重，其计算结果见表6。

权重计算和检验结果如下：特征向量值为[0.368 6，0.216 8，0.184 3，0.122 9]，最大特征根为5.000 0，RI=1.12，CI=-5.534 723 214 184 47E-06，CR=0.000 004 94<0.1，一致性检验通过。

1.2.5  综合评价指标计算模型  根据《农业部耕地地力评价规程》和《农业部耕地地力评价方案》的要求，勐海县耕地地力评价采用耕地生产性能综合指数（Integrated Fertility Index，IFI），其计算公式如下所示：

IFI=■Fi×Wi                          （3）

其中，Fi表示第i个影响因子的空间评价值（隶属度）;Wi表示第i个影响因子的组合权重。最后，采用累积曲线分级法划分耕地地力等级，将勐海县耕地地力划分为6级，如图5所示。

2  结果与分析

2.1  统计分析

勐海县耕地地力评价结果如图6所示，统计分析如表7所示。

2.2  各等级耕地养分分析

利用GIS叠加与领域统计分析等方法，得到了各级耕地的养分分析情况（表8）。综合此表和总体评价图，对各级耕地的养分含量、成因以及优化利用作出如下分析。

一级地属高稳产田区，温度适宜、肥力最高，主要分布于海拔1 500 m以下，坡度小于20°的低山、河流低阶地、山间盆地等平缓地带，灌溉和排涝条件较好，土壤发育程度高，生产性能好，土壤的适种性和可耕性好，宜耕期长，并增施有机肥和配合磷钾肥，防止地力下降。在生产规划上应种植耐肥高产品种。

二级地肥力较高，温度适宜，主要分布于海拔1 500 m以下，坡度小于20°的低山、河流低阶地、山间盆地等平缓地带，属旱涝保收型农田。可以通过改良灌溉设施，增施有机肥等逐渐提高土壤有机质。

三级地温度较好、肥力基本协调，主要分布于1 750 m以下的河流低阶地、起伏河流高阶地和山间盆地地等相对平缓的地带，灌溉和排涝条件比1、2级地次之，作物基本能保收。可以通过改良和增加灌溉设施，深耕结合施用增施有机肥、种植绿肥熟化土壤，从而加深熟化土层，提高作物的产量。

四级地温度中等、肥力不协调，主要分布于海拔1 000 m到1 750 m之间的低山、起伏河流高阶地和倾斜侵蚀剥蚀低台地，灌溉条件、宜种性、可耕性一般，宜结合地形进行坡改梯地建设。

五级地温度一般、养分不协调，主要分布于海拔1 500 m以上的低山、起伏河流高阶地和倾斜侵蚀剥蚀低台地，灌溉条件差，应加强治水改土，增加灌排配套设施。

六级地温度一般、养分不协调，主要分布于海拔1 500 m以上的低山、起伏河流高阶地和倾斜侵蚀剥蚀低台地，灌溉条件、宜种性、可耕性较差，应加强治水改土，提高作物的抗灾能力。

3  结论

1）结合GIS和统计学方法，较好地满足了县级耕地地力定量化和自动化评价的需求，提升了其评价的效率。

2）勐海县耕地资源紧缺，总体耕地质量较好，一到三级优质耕地大于60%。建议在保持现有优质耕地资源的同时，应该加大对三级以上耕地资源的合理开发和利用。

3）山区耕地质量的影响因子相对较多，物理、化学和生物过程相对较复杂，如何定量化判断耕地地力评价结果的精度还有待深入研究。endprint

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