基于GIS的河西走廊灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)耕地地力評價研究*——以甘肅省肅州區(qū)耕地地力評價為例

崔增團，郭世乾

(甘肅省農(nóng)業(yè)節(jié)水與土壤肥料管理總站，蘭州 730020)

耕地質(zhì)量是確保國家糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的基礎(chǔ)，沒有可靠的耕地質(zhì)量，就不可能從根本上保障我國糧食安全和食品安全。耕地地力是耕地質(zhì)量的集中反映，包括耕地的立地條件、土壤條件和農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施及培肥水平等［1-2］。近年來，隨著“3S”技術(shù)不斷發(fā)展，已在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應用。如吳立忠以麥積區(qū)為例對黃土高原丘陵溝壑區(qū)耕地地力進行了評價研究［3］，魯明星等以鄂州市為例選擇了13個評價因子開展了基于GIS的華中丘陵區(qū)的耕地地力評價研究［4］。林碧珊等以土種為單元，采用限制因素法和綜合歸納法，對廣東省耕地地力因素進行系統(tǒng)分析和評比，評價耕地 (土種)地力等級［5］。

河西走廊灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)是我國著名的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，也是我國主要的商品糧生產(chǎn)基地、玉米制種基地及經(jīng)濟作物集中生產(chǎn)基地。該研究結(jié)合農(nóng)業(yè)部耕地地力調(diào)查項目，借助于GIS技術(shù)，綜合運用層次分析、模糊數(shù)學方法，以肅州區(qū)為例，探究其影響河西走廊灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)耕地地力的主要因素，開展耕地地力評價，摸清河西走廊灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)耕地綜合生產(chǎn)能力。

1 研究區(qū)域情況與條件

1.1 研究區(qū)域基本情況

甘肅省肅州區(qū)位于河西走廊中部的西端，東接高臺縣，北連金塔縣，西鄰嘉峪關(guān)市，南與肅南縣接壤，地處北緯39°10＇～39°59＇，東經(jīng) 98°20＇～99°18＇范圍之內(nèi)，海拔 1 340 ～2 200m 之間。東西長約104km，南北寬約84km，總面積3 449.5km2，耕地面積4.58萬hm2。年平均氣溫7.3℃，年平均降水量85.3mm，年平均蒸發(fā)量為2 148.8mm，年平均日照時數(shù)為3 033.4小時。可利用的水資源總量為15.46億m3，其中可利用的地表水6.98億m3，可利用的地下水8.52億m3，是典型的內(nèi)陸干旱荒漠綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，沒有灌溉就沒有農(nóng)業(yè)。全區(qū)轄15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，10個國營農(nóng)林場，124個村民委員會，790個村民小組。農(nóng)村總戶數(shù)5.87萬戶，農(nóng)村總?cè)丝?1.78萬人，農(nóng)村從業(yè)人員11.97萬人。境內(nèi)地勢平坦，土壤肥沃，水源充足，是一個人口密集，人多地少，耕地資源十分緊張的區(qū) (縣)。耕種土壤主要為灌漠土和潮土。

1.2 研究條件

屬性數(shù)據(jù)庫的建立主要應用ArcGIS 9.3及Microsoft Office Access 2007數(shù)據(jù)庫軟件，空間數(shù)據(jù)庫的建立主要應用ArcGIS 9.3軟件，評價指標的隸屬函數(shù)模型建立與層次分析主要應用SPSS 13.0進行分析。

2 研究方法

2.1 評價單元的確定

利用ArcGIS 9.3軟件對1∶5萬土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖、行政區(qū)劃圖、水利分區(qū)圖、地貌類型圖進行疊加求交，共生成4 526個評價單元，使單元空間界線及行政隸屬關(guān)系明確，有準確的面積，地貌類型及土壤類型一致，利用方式及耕作方法相同，便于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃和指導實際的農(nóng)事操作為原則。

2.2 評價指標的確定

2.2.1 確定原則

以選取的指標對耕地生產(chǎn)力有較大的影響、在評價區(qū)域內(nèi)的變異較大、在時間序列上具有相對的穩(wěn)定性、與當前生產(chǎn)密切相關(guān)等為原則。

2.2.2 確定方法

邀請18位有關(guān)專家在全國66個評價指標中采用特爾斐法和模糊評價法進行選取。

2.2.3 評價指標

確定土壤侵蝕程度、海拔高度、有效土層厚度、質(zhì)地構(gòu)型、剖面構(gòu)型、有機質(zhì)、有效磷、速效鉀、障礙層厚度、1m土層含鹽量、障礙層出現(xiàn)位置、灌溉模數(shù)、灌溉保證率13項指標耕地地力評價指標。

2.3 數(shù)據(jù)庫的建立

海拔高度指標的獲取，利用ArcGIS9.3軟件對肅州區(qū)地形圖進行DEM分析以后，采用區(qū)域統(tǒng)計加權(quán)平均的方法將值賦給相應的評價單元。

有機質(zhì)、有效磷、速效鉀、1m土層含鹽量等指標的獲取，是以肅州區(qū)耕地地力調(diào)查項目中用GPS準確定位采集的4 600個耕層調(diào)查樣，按照按常規(guī)方法進行化驗分析［6］，經(jīng)地統(tǒng)計分析符合空間插值條件，利用ArcGIS中普通Kriging插值方法進行空間插值。

有效土層厚度、質(zhì)地、剖面構(gòu)型、障礙層厚度、障礙層出現(xiàn)位置、土壤侵蝕程度是通過土壤圖關(guān)聯(lián)屬性數(shù)據(jù)以后，生成評價單元過程中直接賦值。

灌溉模數(shù)、灌溉保證率是通過1∶5萬灌溉分區(qū)圖與管理單元圖疊加以后，進行屬性提取。

2.4 單因素評價

2.4.1 概念性指標評價

概念型指標評價采用專家經(jīng)驗法，直接對評價單元進行模糊評價確定隸屬度 (表1、表2、表3、表4，表5)。

表1 土壤侵蝕程度隸屬度

表2 質(zhì)地構(gòu)型隸屬度

表3 灌溉保證率隸屬度

表4 灌溉模數(shù)隸屬度

表5 剖面構(gòu)型隸屬度

2.4.2 數(shù)值性指標評價

數(shù)值型指標采用特爾斐法和模糊評價法，用SPSS 13.0軟件建立評價指標實際值和代表生產(chǎn)力水平的隸屬度 (0～1值)間隸屬函數(shù)模型 (表6)。

表6 數(shù)值型評價指標的隸屬函數(shù)類型

2.5 計算評價指標權(quán)重

表7 各個因素的組合權(quán)重計算結(jié)果

采用層次分析法確定每一個評價因素對耕地地力貢獻大小。依據(jù)14項指標要素間的關(guān)系，構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)圖，比較同一層次各因素對上層次的相對重要性，給出數(shù)字化的評估，形成判斷矩陣，計算層次分析結(jié)果 (表7)。

2.6 計算耕地地力綜合指數(shù) (IFI)

利用前面2.2節(jié)至2.5節(jié)中選擇的評價指標及各指標隸屬度、隸屬函數(shù)模型和組合權(quán)重，采用加法模型 (下式)計算耕地地力綜合指數(shù)IFI:

式中:IFI(Integrated Fertility Index)代表耕地地力指數(shù);

F i=第i個因素隸屬度;CiBi=第i個因素的組合權(quán)重。

2.7 確定耕地地力綜合指數(shù)分級方案

利用SPSS 13.0分析軟件評價耕地地力，采取累積曲線分級法劃分耕地地力等級，將肅州區(qū)耕地地力劃分為4級 (表8)。

2.8 確定國家耕地地力等級

在每一個地力等級上選取10%的管理單元，獲得了453個管理單元上的IFI值，并獲取了所選取的管理單元上近3年實際的年平均產(chǎn)量，然后對所選管理單元上的IFI值和實際產(chǎn)量進行回歸模擬，r=0.89＊＊，計算各相應等級上的概念性產(chǎn)量，按照農(nóng)業(yè)部《全國耕地類型區(qū)耕地地力等級劃分》標準歸入以概念性產(chǎn)量表示的地力等級體系 (表8)。

表8 肅州區(qū)耕地地力等級與國家地力等級劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 各級等級基本情況

由表8可見，肅州區(qū)總耕地面積為4.58萬hm2，耕地地力等級可分為4個等級，一、二、三等地占的比例較大，分別為36.1%、37.2%和21.6%，占總耕地的94.9%，四等地占的比例較小，為5.1%。根據(jù)《全國耕地類型區(qū)耕地地力等級劃分》農(nóng)業(yè)行業(yè)標準，肅州區(qū)一至四等地，分別對應國家三至六等地。

3.2 耕地地力等級空間分布特點及土壤屬性分析

由圖1、表9可知，肅州區(qū)一等地主要分布在肅州區(qū)北部地區(qū)，土種以灌淤土和潮土為主，地貌類型以傾斜沖洪積平原為主，耕層質(zhì)地構(gòu)型以輕壤質(zhì)和中壤質(zhì)為主，灌溉保證率均在75%以上，土層厚，有效土層厚度大于1m，地勢平坦，降水量少，無明顯障礙層，耕層土壤鹽分平均含量為0.26%，土壤理化性狀良好，可耕性強。耕層土壤pH值為8.56，有機質(zhì)14.86g/kg，有效鋅 1.19mg/kg，有效磷 18.39mg/kg，速效鉀 160.69mg/kg，堿解氮 72.45mg/kg。

圖1 肅州區(qū)耕地地力等級

二等地主要分布在肅州區(qū)中北部的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及西南部的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，土種以潮土和灰棕漠土為主，地貌類型以淺山區(qū)和低洼地為主，耕層質(zhì)地構(gòu)型以均質(zhì)輕壤、均質(zhì)中壤和夾黏中壤為主，灌溉保證率在65%以上，有效土層厚度在29～100cm，降雨量少，有明顯障礙層，耕層土壤鹽分平均含量為0.22，有輕度鹽堿危害，可耕性較強。耕層土壤pH值為8.54，有機質(zhì)14.27g/kg，有效鋅1.22mg/kg，有效磷18.10mg/kg，速效鉀149.53mg/kg，堿解氮68.68mg/kg。主要影響因素是土壤障礙層位置和厚度。

表9 不同等級土壤屬性分析

三等地主要分布在肅州區(qū)中部西洞鎮(zhèn)、清水鎮(zhèn)、黃泥堡鄉(xiāng)、豐樂鄉(xiāng)、鏵尖鄉(xiāng)，土種以灰棕漠土為主，耕層質(zhì)地構(gòu)型以均質(zhì)輕壤、夾黏中壤和夾砂輕壤為主，灌溉保證率均在65%以下，有效土層厚度在29～100cm，降雨量少，海拔高，有明顯障礙層，1m土層鹽分含量平均值為0.26%，土壤理化性狀良好，可耕性較強。耕層土壤pH值為8.54，有機質(zhì)14.68g/kg，有效鋅1.20mg/kg，有效磷18.14mg/kg，速效鉀157.07mg/kg，堿解氮70.25mg/kg。主要影響因素是鹽堿危害，土層中存在障礙層。

四等地主要分布在肅州區(qū)祁連山一帶。土種以山地灰棕漠土為主，地貌類型為緩坡地，耕層質(zhì)地構(gòu)型以均質(zhì)中壤和均質(zhì)輕壤為主，灌溉保證率均在65%以上，有效土層厚度22～48cm，土層薄，有明顯障礙層，耕層土壤鹽分含量平均值為0.25%;受鹽堿和風蝕危害，可耕性較好。耕層土壤pH值為8.54，有機質(zhì) 13.97g/kg，有效鋅 1.19mg/kg，有效磷 17.78mg/kg，速效鉀 149.91mg/kg，堿解氮 69.53mg/kg。主要影響因素為灌溉保證率差。

4 結(jié)論

(1)以甘肅省肅州區(qū)為例，應用GIS技術(shù)，結(jié)合層次分析法和模糊數(shù)學綜合評價方法等現(xiàn)代統(tǒng)計分析技術(shù)對河西走廊灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)耕地地力評價指標權(quán)重分析結(jié)果表明，剖面構(gòu)型、障礙因素、土壤管理是影響該區(qū)域耕地生產(chǎn)潛力最重要的因素，其重要程度依次為:剖面構(gòu)型＞障礙層位置＞質(zhì)地構(gòu)型＞灌溉保證率＞土體含鹽量＞有機質(zhì)＞有效土層厚＞海拔高度＞障礙層厚度＞有效磷＞灌溉模數(shù)＞土壤侵蝕程度＞速效鉀。

(2)肅州區(qū)耕地地力等級可分為4等，一、二、三等地占的比例較大，分別為36.1%、37.2%和21.6%，占總耕地的94.9%，四等地占的比例較小，為5.1%。與國家耕地地力等級對比，肅州區(qū)一至四等地，分別對應國家三至六等地，該區(qū)域耕地綜合生產(chǎn)能力普遍較高。

(3)從肅州區(qū)耕地地力評價結(jié)果及屬性分析，一等地應主要測土推廣配方施肥技術(shù)，加強耕地保護和建設(shè);二等地除推廣測土配方施肥外，還要注意深耕，加強水肥管理;三等地應大力推廣防鹽堿技術(shù)，增施有機肥，推廣綠肥種植，還應加強水利設(shè)施建設(shè)，提高灌溉保證水平;四等地應大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，如應推廣地膜覆蓋防滲技術(shù)，渠道防滲技術(shù)，膜下滴灌技術(shù)，提高水分利用效率。

［1］王蓉芳，曹富有，彭世琪，等.中國耕地基礎(chǔ)地力與土壤改良.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，1996

［2］趙其國，孫波，張?zhí)伊?土壤質(zhì)量與持續(xù)環(huán)境:l.土壤質(zhì)量的定義及評價方法.土壤，1997，29(3):113～120

［3］吳立忠，郭世乾，張保田.基于GIS的黃土高原丘陵溝壑區(qū)的耕地地力評價研究——以天水市麥積區(qū)耕地地力評價為例.中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2009，30(6):35～40

［4］魯明星，賀立源，吳禮樹，等.基于GIS的華中丘陵溝壑區(qū)的耕地地力評價研究.農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22(8):96～101

［5］林碧珊，湯建東，張滿紅.廣東省耕地地力等級研究與評價.生態(tài)環(huán)境，2005，14(1):145～149

［6］鮑士旦.土壤農(nóng)化分析.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社.2000