基于PSR框架的耕地資源質(zhì)量評價

鄭藝穎 楊小雄 何啟源

摘要綜合運用遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，提取Slope、RVI、SQI、DVI、LUD 5個因子作為評價指標。根據(jù)壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）框架，構(gòu)建桂平市耕地資源質(zhì)量評價體系，最終桂平市的耕地分為5個等級，針對不同的等級提出了耕地資源保護的政策建議，并在此基礎(chǔ)上對桂平市耕地資源的改善進行了探討。

關(guān)鍵詞桂平市；PSR框架；耕地質(zhì)量評價；評價指標體系

中圖分類號S127文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）35-0193-05

AbstractThe research made a quantitative analysis using RS&GIS technology synthetically and abstracted five factor such as Slope，RVI ，SQI，DVI，LUD as cultivated land quality assessment indicator. By Virtue of PSR framework，the evaluation index system of Guiping City was constructed，and the cultivated land was devided into five grades and corresponding land resource protection suggestions were put forward respectively and on this basis，the improvement of cultivated land resources in Guiping City was discussed.

Key wordsGuiping City；PSR framework；Land quality assessment；Evaluation index system

耕地是整體農(nóng)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基本的條件，更是不可再生資源。高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)作物需要建立在一定數(shù)量和質(zhì)量的基礎(chǔ)上。了解我國目前的耕地資源現(xiàn)狀，深入研究耕地資源，對整個農(nóng)業(yè)乃至今后國民經(jīng)濟的發(fā)展將起到至關(guān)重要的作用。

從20世紀90年代，經(jīng)濟飛速發(fā)展，耕地資源掠奪式的開發(fā)，致使耕地產(chǎn)投比失衡，土壤肥力開始退化，土壤養(yǎng)分逐漸流失，耕地質(zhì)量逐步下降，不可避免地威脅到了人類社會的可持續(xù)發(fā)展，土壤質(zhì)量問題便進入世界各國政府的視線，引起了專家學者的廣泛關(guān)注。同時期，科學技術(shù)的迅速崛起，GIS等新技術(shù)和新方法開始廣泛應(yīng)用到耕地評價中[1]。如：方琳娜運用SPOT多光譜影像，構(gòu)建了基于RS技術(shù)的耕地質(zhì)量評價指標體系[2]；秦元偉等采用模糊綜合評判方法，從農(nóng)戶對耕地質(zhì)量影響的角度，構(gòu)建了耕地質(zhì)量綜合評價指標體系[3]；趙建軍等以吉林省為例，探討基于 GIS 空間分析技術(shù)、層次分析法（AHP）和遙感數(shù)據(jù)的省級耕地質(zhì)量評價理論框架體系[4]；黃廳廳等應(yīng)用GIS空間分析技術(shù)，通過耕地模糊優(yōu)選模型與理想點法相結(jié)合的耕地質(zhì)量組合評價模型、相對變化率等方法對構(gòu)建了耕地質(zhì)量評價指標體系[5]。

筆者以廣西桂平市為例，運用遙感和GIS的手段，基于PSR框架構(gòu)建完整的耕地資源質(zhì)量評價，為指導桂平市種植業(yè)結(jié)構(gòu)合理布局，改善耕地質(zhì)量，發(fā)展優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品，維系農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1研究區(qū)域概況

桂平市，別名潯州，位于廣西東南部，是泛珠三角洲經(jīng)濟圈和東盟自由貿(mào)易經(jīng)濟圈的結(jié)合部，又是連結(jié)華南經(jīng)濟區(qū)和西南經(jīng)濟區(qū)的重要城市，區(qū)位優(yōu)勢明顯。全市位于109°41′～110°22′ E，22°52′～23°48′ N，北回歸線橫貫其中部。桂平市屬于南亞熱帶，氣候溫和，雨量充沛、光照充足，蘊藏著豐富的資源。桂平過境河流干流有黔江、郁江、潯江，屬于廣西區(qū)內(nèi)面積最大的沖積平原潯郁平原的核心部位，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

2數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

該研究需要的數(shù)據(jù)為桂平市DEM數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、耕地數(shù)據(jù)和桂平市2015年土地利用變更成果數(shù)據(jù)。 GridDEM為全國數(shù)字高程數(shù)據(jù)，根據(jù)桂平市的矢量邊界，桂平市共覆蓋4幅DEM數(shù)據(jù)，條帶號分別為E109N22、E110N22、E109N23、E110N23。Landsat 8 OLI衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品共8個波段，其中紅外波段（red）和近紅外波段（NIR）分別為第4和第5波段，可用其提取土壤退化和土壤水分指數(shù)。耕地數(shù)據(jù)來自于桂平市2015年耕地質(zhì)量等別更新數(shù)據(jù)庫。

2.2數(shù)據(jù)處理

該研究采用的是2015年7月21日的Landsat 8 OLI影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過對其進行波段合成，裁剪，圖像增強等處理分析，得到桂平市的遙感影像圖。對下載的覆蓋桂平市的4幅DEM數(shù)據(jù)在ENVI中進行鑲嵌和裁剪，得到桂平市的DEM數(shù)據(jù)。

2.3研究方法

該研究采用的研究方法是將遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合，提取5項評價指標。然后根據(jù)“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”框架（PSR），構(gòu)建桂平市耕地質(zhì)量評價指標體系。然后將提取的各項指標進行柵格化，利用arcgis的主成分分析功能進行疊加分析，獲得不同評價單元相應(yīng)的權(quán)重，最后按照指標權(quán)重將耕地質(zhì)量劃分為所需要的等級，最終得到桂平市耕地資源質(zhì)量評價模型。其中，用生產(chǎn)壓力指數(shù)（production press index， PPI）反映環(huán)境因子對耕地生產(chǎn)力的威脅程度，用耕地狀態(tài)指數(shù)（land status index，LSI）反映現(xiàn)有耕地的生產(chǎn)力，社會響應(yīng)指數(shù)（social response index，SRI）反映經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展及土地利用程度。

3評價指標提取

3.1坡度的提取與分類

坡度在一定程度會影響耕地質(zhì)量，耕地質(zhì)量隨著坡度地形的變化，土壤中的養(yǎng)分含量以及物理性質(zhì)相應(yīng)都會產(chǎn)生一定的變化。桂平市境內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造比較復雜、地貌類型復雜多樣，西北部是中、低山地區(qū)，屬于大瑤山支脈，東南部為大容山，大瑤山和大容山相對聳立，形似馬鞍。中部地形主要為開闊的潯江、郁江平原，猶如鞍部，地勢比較低平。桂平市總體丘陵較多，平地稍少，因此，該研究選用坡度作為PPI指數(shù)的一部分。根據(jù)研究區(qū)域范圍和DEM數(shù)據(jù)，利用Arcgis空間分析模塊提取坡度因子，并用自然斷裂點法生成坡度級別圖，如圖1。

3.2土壤退化指數(shù)（RVI）的提取與分類

RVI（Ratio Vegetation Index）指的是遙感比值指數(shù)，國內(nèi)外的相關(guān)研究表明，RVI可以很好地反映出農(nóng)作物所處耕地的環(huán)境脅迫程度[6]。該研究按照遙感影像中相對應(yīng)的波段信息進行波段比值運算，然后提取RVI指數(shù)用來表征土壤的退化程度，計算公式如下：

RVI=NIR/R（1）

式中，NIR表示近紅外波段，R表示紅色波段。最終將土壤退化指數(shù)劃分為5個級別，如圖2。

3.3土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI）的提取與分類

土壤質(zhì)量被定義為“特定類型土壤在自然或農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)改變邊界內(nèi)保持動植物生產(chǎn)力，保持或改善大氣和水的質(zhì)量以及人類健康和居住的能力”[7]。土壤質(zhì)量也就是指“土壤的運行能力”，即土壤自身實現(xiàn)各種功能的能力。土壤質(zhì)量是土壤的許多物理、化學和生物學性質(zhì)，以及形成這些性質(zhì)的一些重要過程的綜合體現(xiàn)，因此，從很多指標對土壤質(zhì)量進行分析[8]。例如：土壤的酸堿度、土壤有機質(zhì)含量、陽離子交換量、土壤障礙層深度、有效圖層厚度、速效磷、速效鉀、全氮等。因此，根據(jù)土壤質(zhì)量常用分析指標以及現(xiàn)有數(shù)據(jù)，選取了土壤酸堿度PH、土壤有機質(zhì)含量OM和有效土層厚度EST 3個指標作為SQI評價指標，利用SPSS的主成分分析對3個指標確定相應(yīng)的權(quán)重，得到SQI的公式為：

SQI=PH×40.4%+OM×33.1%+EST×26.5%（2）

最終將SQI劃分為5個級別，如圖3。

3.4土壤水分指數(shù)（DVI）的提取與分類

土壤的水分含量對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著很大的影響，土壤的水分條件可以直接反應(yīng)耕地的質(zhì)量狀況，是耕地質(zhì)量評價必不可少的指標之一。所以，該研究將土壤的含水量作為其中的一個評價因子。在遙感影像中，紅外波段對水分反應(yīng)敏感，大量研究也表明，土壤水分指數(shù)DVI能夠用來反應(yīng)地表的濕度信息，表現(xiàn)土壤的含水量，指數(shù)的計算公式如下：

DVI=NIR-R（3）

式中，NIR表示近紅外波段，R表示紅色波段。最終將DVI劃分為5個級別，如圖4。

3.5土地利用程度重分類

田間耕作的行為方式，是影響耕地質(zhì)量的重要因素之一，質(zhì)量產(chǎn)生的社會經(jīng)濟是評價耕地質(zhì)量的重要指標[8]。不同的土地在開發(fā)、利用過程中形式多樣化，在不同類型耕地的影響下，耕地在集約化程度、可持續(xù)發(fā)展程度等方面都有很大的差異。研究利用土地利用程度來反映農(nóng)戶耕作行為導致的耕地質(zhì)量差異。利用Arcgis生成桂平市土地利用現(xiàn)狀圖，如圖5，并為不同的土地利用類型，按照耕地質(zhì)量，投入產(chǎn)出比的高低，賦予不同的分值。

綜上所述，研究選用（Slope）坡度和（RVI）土壤退化指數(shù)表征（PPI）生產(chǎn)壓力指數(shù)，（SQI）土壤質(zhì)量指數(shù)和（DVI）土壤水分指數(shù)表征（LSI）耕地狀態(tài)指數(shù)，（LUD）土地利用程度表征（SRI）社會響應(yīng)指數(shù)，并以此構(gòu)桂平市建耕地質(zhì)量評價指標體系（表1～表2）。

4構(gòu)建耕地質(zhì)量評價指標體系

將提取的5項指標進行分級和標準化處理，具體見表2，運用Arcgis工具中的主成分分析工具，得出參與耕地質(zhì)量評價各項指標主成分的特征值（表3），根據(jù)特征值可以得出各項指標的權(quán)重分別為0.35、0.29、0.19、0.12、0.05，由此可以得出LQI的綜合評價模型為：

LQI=Slope×0.35+DVI×0.29+RVI×0.19+LUD×012+SQI×0.05（4）

根據(jù)公式，利用GIS軟件計算LQI的評價結(jié)果，并參考相關(guān)耕地分等定級以及土地利用/土地覆被信息資料，對分級閾值進行相應(yīng)的調(diào)整，最終得到LQI的評價結(jié)果圖，各耕地等級所占面積見表4。評價結(jié)果可以為桂平市耕地分等定級以及估價提供參考。

基于上述方法，可以得到桂平市的耕地質(zhì)量評價體系和評價模型，評價結(jié)果將研究區(qū)域劃分為5個等級，總面積為1 274.168 km2。其中一級耕地占28.23%，比例最大，主要集中分布在南梧二級公路兩邊以及潯江流域的河流沖擊平原區(qū)及村鎮(zhèn)附近。這些地區(qū)的土壤養(yǎng)分含量較高，保水保肥能力強，排灌條件好，有充足的灌溉水源。因此該級別的耕地是反展無公害和綠色農(nóng)產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)基地，應(yīng)增強此級別的耕地管理，采取優(yōu)良的栽培技術(shù)，防止掠奪式經(jīng)營和破壞式耕種，加強農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

二級耕地占19.53%，主要分布在潯江流域兩岸及分支河流的沖擊積平原，也是桂平市雙季稻的種植區(qū)域，土壤結(jié)構(gòu)合理生產(chǎn)能力強、養(yǎng)分豐富、水分條件好，排灌條件良好，有充分的灌溉水源，能保證作物全生育期的灌排水要求。對于二級土壤，應(yīng)加強合理化利用土地，規(guī)范化栽培，防止在耕地的利用中不規(guī)范或破壞型方式的出現(xiàn)，加強土壤的利用與管理，挖掘耕地的生產(chǎn)潛力。

三級耕地占17.26%，主要分布在潯江平原以及其他支流形成的沖積平原區(qū)，這些區(qū)域地勢較低，排灌條件較好，能基本滿足排灌水要求。部分分布在低丘坡麓的中下部，這些地區(qū)靠附近水庫或山塘水灌溉。水田以雙季稻為主，旱地以種植大豆和油料作物花生為主，園地以荔枝、龍眼等果樹為主。該級耕地有很大的生產(chǎn)潛力，改良該類土地將有更大的空間促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。提高該級耕地的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，配備相應(yīng)的農(nóng)業(yè)及生物促使，重復加強土壤生產(chǎn)能力。

四級耕地占22.03%，該級比例相對也較高，主要分布在各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的寬谷平原區(qū)域，其中有相當大一部分面積分布在低丘陵區(qū)，水田以種植水稻為主，水源條件好的地方則種植雙季稻，水源條件差的地方以早稻為主；旱地以種植木薯、花生、蔬菜、玉米為主；園地一般種植水果。水田的排灌條件基本滿足農(nóng)作物的生長需求，其中一部分山塘水庫可以自留灌溉，天然河道與田間溝渠用來排水，分布于低丘陵的耕地灌溉則有些不足，另外有部分水田的地下水位則偏高。該級耕地在管理上應(yīng)因地制宜，有針對性地進行改良，對于漬潛稻田型應(yīng)開深溝，消除地下水造成的通透性差、肥力不協(xié)調(diào)的危害；對于障礙層次型，應(yīng)通過深耕增加耕作層厚度，增強蓄水保肥能力；對于灌溉改良型耕地應(yīng)豐富水源，可以增設(shè)有機肥等措施改良土壤。

五級耕地占12.95%，大部分分布在一些低丘山麓、丘陵谷地、丘間的洼地等區(qū)域。水田面積所占比例少，旱地以種植紅薯、花生等為主；園地以種植水果為主。灌溉條件差，其中低丘坡腳旱地基本無灌溉條件，部分水田由于地勢較高無法灌溉而變成了望天田。該級別的耕地應(yīng)以培肥為主，采用冬種綠肥，秸稈還田，增施有機肥，用地與養(yǎng)地相結(jié)合同時改善農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施，提高灌溉能力。

5結(jié)果與討論

該研究根據(jù)壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）框架，利用遙感數(shù)據(jù)提取相應(yīng)的指標，建立耕地質(zhì)量評價體系以及評價模型，根據(jù)該模型獲取的評價結(jié)果符合研究區(qū)域的實際情況，具有可行性。研究結(jié)果將研究區(qū)域的耕地劃分為5個等級，對應(yīng)劃分的耕地等級結(jié)合桂平市耕地具體情況提出了主要的管理措施及相應(yīng)的建議。桂平市雖然是國家糧食生產(chǎn)先進縣（市），但桂平市是山區(qū)農(nóng)業(yè)縣級市，耕地資源較缺乏，人均耕地面積少，隨著人口的不斷增長，城鎮(zhèn)工業(yè)化的不斷推近，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的大力調(diào)整，人口與耕地、其他產(chǎn)業(yè)與農(nóng)業(yè)用地的矛盾將進一步加劇，耕地面積將會越來越少，因此該研究對于更好地了解桂平市耕地質(zhì)量現(xiàn)狀，改善耕地質(zhì)量管理體質(zhì)，如何科學利用耕地、進一步提高桂平市耕地綜合生產(chǎn)能力，促進桂平市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展有著深遠影響。

5.1農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件需進一步改善

桂平市現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施。特別是很多小水利和灌溉設(shè)施是20世紀六七十年代建設(shè)的，現(xiàn)已嚴重老化失修，需要大資金投入維修和重建，而當?shù)厝罕姷耐度肽芰苡邢?，需要政府給大力支持。現(xiàn)在桂平市許多村團農(nóng)用水資源變得較緊張，有不少的水田不得不改為旱地。因此，桂平市需要進一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，改善現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施。

5.2科學利用耕地資源

目前，桂平市很多土地都是分散經(jīng)營，農(nóng)民自主種植。所以種植經(jīng)濟效益相對低下，而且各村屯外出務(wù)工人員較多，農(nóng)村青壯年勞動力從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的力量明顯不足，村屯中的留守人員多為老弱病殘幼，因此耕地丟荒現(xiàn)象還相對普遍。部分農(nóng)戶對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的投入能力比較薄弱、生產(chǎn)資金缺乏，重用輕養(yǎng)和不合理利用耕地的現(xiàn)象普遍存在。因此，應(yīng)進一步加大桂平市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和調(diào)整。

5.3強化科學管理，加強法制觀念

學習、宣傳有關(guān)法律法規(guī)并按照法律法規(guī)，對資源環(huán)境進行合理開發(fā)利用和保護，提高人口素質(zhì)。尤其要加強普及和教育有關(guān)生態(tài)環(huán)境的知識。深入了解目前農(nóng)村生態(tài)環(huán)境惡化的原因及其現(xiàn)狀，對其造成的危害要有危機感，對改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境要有緊迫感。根據(jù)桂平市的具體情況，制定和完善農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡的環(huán)境政策。

5.4綜合規(guī)劃全面發(fā)展，走生態(tài)農(nóng)業(yè)之路

生態(tài)農(nóng)業(yè)主要是將生態(tài)經(jīng)濟學原理和系統(tǒng)工程原理作為理論指導，采用農(nóng)業(yè)生態(tài)工程技術(shù)，把傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)進行有機結(jié)合，形成一個良性循環(huán)、高效集約的農(nóng)業(yè)?？茖W利用耕地，調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，用地養(yǎng)地結(jié)合，開發(fā)農(nóng)村能源，保護自然資源，結(jié)合桂平市具體情況，綜合規(guī)劃全面發(fā)展，走生態(tài)農(nóng)業(yè)之路，是桂平市今后健康、可持續(xù)、科學發(fā)展的必經(jīng)之路。

參考文獻

[1] 劉欽普. GIS 和 SPSS 技術(shù)支持下的許昌市耕作土壤肥力綜合評價[J].土壤，2002，34（2）：94-98.

[2] 方琳娜，宋金平.基于SPOT多光譜影像的耕地質(zhì)量評價：以山東省即墨市為例[J].地理科學進展，2008，27（5）：71-78.

[3] 秦元偉，趙庚星，董超，等.鄉(xiāng)鎮(zhèn)級耕地質(zhì)量綜合評價及其時空演變分析[J].自然資源學報，2010，25（3）：454-464.

[4] 趙建軍，張洪巖，王野喬，等.基于AHP和GIS的省級耕地質(zhì)量評價研究：以吉林省為例[J].土壤通報，2012，43（1）：70-75.

[5] 黃廳廳，盧德彬，楊建.基于GIS的省級耕地質(zhì)量綜合評價及時空演變分析：以貴州省為例[J].水土保持研究，2017，24（3）：253-257.

[6] SARAH C D，MARTHA S G，JOHAN C V.Effects of mercury onvisible/near - infrared reflectance spectra of mustard spinach plants（Brassica rapa P.）[J].Environmental pollution，2007，148（1）：301-311.

[7] 張華，張甘霖.土壤質(zhì)量指標和評價方法[J].土壤，2001，33（6）：326-330，333.

[8] 鄭昭佩，劉作新.土壤質(zhì)量及其評價[J].應(yīng)用生態(tài)學報，2003，14（1）：131-134.

[9] 張衍毓，王靜，史衍璽 等.基于農(nóng)戶的耕地質(zhì)量認識及其響應(yīng)機制研究[J].資源科學，2006，28（2）：74-81.