李慧芳，杨虎德，郑隆举，王小静

(1.兰州城市学院,甘肃兰州 730070; 2.甘肃省农业科学院,甘肃兰州 730070; 3.兰州市园艺学校,甘肃兰州 730070)



基于GIS的张掖市甘州区耕地地力评价

李慧芳1，杨虎德2*，郑隆举1，王小静3

(1.兰州城市学院,甘肃兰州 730070; 2.甘肃省农业科学院,甘肃兰州 730070; 3.兰州市园艺学校,甘肃兰州 730070)

摘 要：耕地地力评价是摸清我国耕地资源状况,提高耕地利用效率,促进现代农业发展的重要基础工作。本文运用GIS技术,将土壤图、土地利用现状图和村级行政图进行叠加来确定评价单元,选择气候、剖面性状、耕地理化性状、耕层养分状况、土壤管理5个方面的11个评价因子,运用层次分析法和专家打分法确定其权重,对甘州区耕地进行综合评价。评价结果显示,甘州区耕地中2级和3级耕地占耕地面积的绝大部分,评价结果与现实情况相符。

关键词：GIS;耕地地力评价;评价因子;耕地资源信息化

文献著录格式:李慧芳,杨虎德,郑隆举,等.基于GIS的张掖市甘州区耕地地力评价[J].浙江农业科学,2016,57 (4):568-572.

耕地地力是构成耕地的各种自然因素和环境条件状况的总和,表现为耕地生产能力、产品质量的高低和耕地环境状况优劣。耕地地力不仅受气候、地形、土壤等自然因素影响,还受农田灌排基础设施、水土保持设施等众多社会经济因素的影响[1]。耕地地力的内涵包括耕地基础地力、土壤肥力、土壤健康、耕地生产力等几个概念。耕地地力评价可分为以产量为依据的耕地当前生产能力评价和以自然要素为主的生产潜力评价。生产潜力评价又可分为以气候要素为主的潜力评价和以土壤要素为主的潜力评价。本文所讲的耕地地力评价是指当前生产条件下,在各种自然要素相互作用下耕地所表现出来的潜在生产能力。

耕地地力评价工作是摸清我国耕地资源状况,提高耕地利用效率,促进现代农业发展的重要基础工作,对确保粮食生产安全和农产品质量、指导农作物的科学布局规划、合理开发利用耕地资源,以及对耕地质量实行动态监测与管理均具有十分重要的现实意义[2]。

本文以张掖市甘州区的耕地资源为研究对象,运用遥感技术获取最新土地利用现状,利用全球定位系统准确定位采样调查点,结合GIS技术对耕地、土壤、农田水利、农业经济等方面的空间数据与属性数据进行统一管理,并在此基础上应用层次分析法进行耕地适宜性、耕地地力、土壤环境质量等相关评价,从而为农业生产决策服务。

1　研究区情况

1.1研究区气候特点

张掖市甘州区地处甘肃省西北部,位于河西走廊中段的黑河流域,100°04′—100°52′E,38°32′—39°24′N,海拔1 410～3 633 m。甘州区境内地势平坦,土壤肥沃,水源充足,黑河、山丹河、酥油口河、大野口河等河流贯穿而过,交通方便,耕作精细,农业发达,古称“金张掖”,司马光在《资治通鉴》中曰“天下富庶莫如陇右”,现为我国重要的玉米商品种子生产基地。

1.2研究区土壤类型

由于中小地形、水文地质和人类生产活动的影响,甘州区土壤呈现地域性土类间和土种间复区分布,土壤种类也比较多。根据土壤普查报告,在甘州区有11个土类26个亚类,36个土属,75个土种;耕地土壤分为7个土类,11个亚类,20个土属,70个土种。

2　研究方法

2.1耕地地力评价流程

通过收集各种数据,建立耕地地力信息数据库,运用土壤图、土地利用现状图、村级行政图互相叠加,确定评价单元,最后在评价单元上应用专家评议确定的评价因子及权重,实现凉州区的耕地地力评价。技术路线见图1。

图1　耕地地力评价的流程

2.2资料收集

收集的资料主要包括:野外调查资料、化验分析资料、社会经济等属性资料。

第二次土壤普查资料,包括土壤志、土种志、土壤普查专题报告;各土种性状描述,包括其发生、发育、分布、生产性能、障碍因素等;土地利用现状调查资料,包括土地详查资料,基本农田保护区划定资料;统计资料,包括近3年农业生产统计资料,土壤监测,田间试验,各乡镇历年化肥、农药、除草剂等农用化学品使用情况,农作物布局等。

评价过程土壤养分资料采用的为2006—2007年的数据,合计3 684条记录,剔除试验同一样点的多次测定值97个,只保留基础样品数据,参与耕地质量评价的数据记录为3 640个。以《县域耕地资源管理信息系统数据字典》为标准,导入甘州数据,根据数据库自检功能,使数据符合数据字典规范。

2.3图形数据矢量化

甘州区地图采用1∶5万地形图为空间数学框架基础。投影方式为高斯-克吕格投影,6度分带。坐标系及椭球参数为北京54坐标系克拉索夫斯基椭球。高程系统为1956年黄海高程基准。

空间数据库的内容包括地形图、土壤图、土地利用图、行政区划图、第二次土壤普查采样点位图等。由于大部分图件历史较长,有破碎和变形问题,扫描图件后,为减少误差,确定了20个以上特征控制点。应用ArcGIS软件,在1∶1 500比例尺下完成配准、描绘等数字化处理。

图2为甘州区土壤图,根据甘州区县级土种分类代码,将辖区内土壤划分为11个土类,26个亚类,36个土属,75个土种,另加9个亚类和14个土属未再续分,共98个基础上图分类单元,968个图斑。图3为甘州区土地利用现状图。

2.4生成面数据

根据甘州区采样点数据进行评价因子插值来拟合整个平面值。这一方法的原理是用若干已知点来推测未知区域,将不连续的点状数据形成连续的面状区域,来描述整个研究区域的养分空间变异特征。在本次插值中,通过ArcGIS软件,选择克里格插值法进行插值,使点数据转化为面数据,计算出评价单元因子数值。图4是甘州区2006年采样点分布图,图5是根据这些点上的数据进行空间插值得到的土壤全磷分布图。同理,可以得到其他土壤养分等评价因子的面状数据。

2.5建立基于GIS平台的数据库

评价单元的属性信息用Access数据库录入,建立和评价单元图相对应的内部标识码,应用GIS技术实现图和属性的链接。

图2　甘州区土壤分布

图3　甘州区土地利用现状

图4　甘州区采样点分布

图5　甘州区土壤全磷分布

按照数据字典建立属性数据的采集标准。采集标准包含对每个指标完整的命名、格式、类型、取值区间等定义。在建立属性数据库时按数据字典要求,制订统一的基础数据编码规则,进行属性数据录入(表1)。

属性数据库的内容包括田间试验数据、土壤与植株测试数据和田间基本情况、施肥情况调查数据及农户调查等。属性数据库的建立独立于空间数据,按照数据字典要求在Access下建立。

表1　属性数据库表名称

2.6 确定评价因子

评价因子和权重的确定是整个耕地地力评价过程的关键[3],所以严格遵循评价因子的原则选取,经过专家会议反复讨论,剔除对评价目标影响较小或不稳定的因子,使得最后确定的评价因子的影响都很显著,稳定性好,而且因子之间的相关性较弱。

从全国耕地地力评价因子总集65项指标[4]中选取11项指标,其中:气候2项,剖面性状2项,耕地理化性状2项,耕层养分状况3项,土壤管理2项。具体如下。

气候:≥10℃积温;无霜期(d)。

剖面性状:质地构型;有效土层厚度。

耕地理化性状:质地; pH值。

耕层养分状况:有机质(g·kg-1);有效磷(mg·kg-1);有效锌(mg·kg-1)。

土壤管理:灌溉保证率;灌溉模数(mm)。

2.7确定权重

层次分析法的基本原理是把复杂问题中的各个因素按照相互之间的隶属关系排成从高到低的若干层次[5],根据对一定客观现实的判断,就同一层次相对重要性相互比较,决定层次各元素重要性先后次序。

本研究采用层次分析法,将复杂的土壤系统层次化,从而能更直观地分析各因子之间的差异,并将其量化[6]。具体步骤与特尔斐法相同,首先确定各评价因子,建立层次模型,列表形成矩阵,由专家打分确定权重值,然后分析汇总。

在实际计算过程中,≥10℃积温用海拔代替;质地数据质量不好,用盐分危害程度代替;大于20 cm以上砂粘土层算夹层土体。评价指标中,5项指标为概念函数,6项指标是数值型函数。表2是专家评议出来的各因子的权重。

表2　专家评议各因子权重

2.8确定评价单元

耕地评价单元是具有专门特征的耕地单元,在评价系统中是用于制图的区域,在生产上用于实际的农事管理,是耕地地力评价的基础[7]。甘肃省土壤肥料工作站推荐用土壤图、土地利用现状图和村级行政图叠加产生的图斑作为耕地地力评价的评价单元。这样形成的评价单元空间界线及行政隶属关系明确,有准确的面积,地貌类型及土壤类型一致,利用方式及耕作方法基本相同,这样得出的评价结果不仅可应用于农业结构调整规划,还可以用于指导实际的农事操作,为实施测土配方施肥工作奠定良好的基础。

依据评价单元不宜过细过多的原则进行综合取舍和其他技术处理,最终确定甘州区耕地地力评价单元9 369个。

3　结果与分析

3.1土地利用现状分析

甘州区土地总面积366 443.3 hm2,农用地277 506.5 hm2,占全区土地总面积的75.7%;建设用地12 838.7 hm2,占3.5%;未利用地76 098.2 hm2,占20.8%。农用地中,耕地89 260.2 hm2,占全区农用地总面积的32.2%;园地2 229.9 hm2,占0.8%;林地12 446.1 hm2,占4.5%;牧草地158 312.4 hm2,占57.0%;其他农用地15 257.7 hm2,占5.5%。

3.2耕地地力分析

甘州区耕地地力分级标准取值为0.63,0.58,0.51,0.43。根据每个评价单元的综合指数和《全国耕地类型区、耕地地力等级划分》(NY/T 309—1996)标准,将张掖市甘州区耕地地力划分为5个等级。由表3可知,甘州区耕地中2级和3级耕地占耕地面积的绝大部分。甘州区农用耕地面积11.58万hm2,通过平差计算,实际种植面积9.11万hm2,剔除国营农场面积,实际农户耕种面积6.44万hm2。

表3　甘州区土地等级划分

利用ArcGIS强大的空间分析功能,生成甘州区耕地地力评价图(图6)和甘州区中低产田分布图(图7)。总体上看,平原潮土耕地类型区地力较好,山地丘陵耕地类型区地力较差。

图6　甘州区耕地地力评价

图7　甘州区中低产田分布

参考文献:

[1]田燕,孙婷婷,马军成,等.基于“3S”技术的耕地质量动态监测初探[J].畜牧与饲料科学,2009,30 (6):17-19.

[2]鲁明星,贺立源,吴礼树.我国耕地地力评价研究进展[J].生态环境,2006,15 (4):866-871.

[3]李月梅,杨文辉,韩燕.基于GIS的青海省县级耕地地力评价研究[J].河南农业科学,2011,40 (9):66-69.

[4]黄健,李会民,张惠琳,等.基于GIS的吉林省县级耕地地力评价与评价指标体系的研究[J].吉林农业科学,2007,32 (1):57-62.

[5]危向峰,段建南,胡振琪,等.层次分析法在耕地地力评价因子权重确定中的应用[J].湖南农业科学,2006 (2):39-42.

[6]赵其国,孙波,张桃林.土壤质量与持续环境Ⅰ.土壤质量的定义及评价方法[J].土壤,1997 (3):113-120.

[7]白根川,王昌全,夏建国,等.基于GIS技术的平昌县域耕地地力评价[J].中国农学通报,2012,28 ( 29 ):212-220.

(责任编辑：高 峻)

中图分类号：S159.2

文献标志码：A

文章编号：0528-9017(2016)04-0568-05

DOI10.16178/j.issn.0528-9017.20160435

收稿日期:2016-02-14

基金项目:陇原青年创新人才扶持计划(2014)

作者简介:李慧芳(1979—),女,甘肃靖远人,硕士,讲师,研究方向为数字农业、地理信息系统应用,E-mail:6888729@qq.com。

通信作者:杨虎德(1967—),男,甘肃民勤人,副研究员,从事土壤环境数字及农业研究工作,E-mail:596259707@qq.com。