GIS支持下的贵州省赫章县耕地地力评价

GIS支持下的贵州省赫章县耕地地力评价
作者：李莉婕，童倩倩，孙长青，赵泽英，彭志良，李裕荣，李玲
来源：《湖北农业科学》2013年第04期
摘要：以云贵高原典型区赫章县耕地为研究对象，建立基于GIS的县级耕地资源空间数据库及属性数据库，运用层次分析法对赫章县耕地地力进行评价。

结果表明，赫章县耕地地力共划分为6个等级，一级地占全县耕地面积的0.68%，二级地占7.20%，三级地占3.38%，四级地占28.77%，五级地占35.04%，六级地占24.92%。

运用主成分分析法和专家实地调查法对赫章县耕地地力评价结果进行验证，结果表明运用层次分析法评价的结果符合赫章县耕地地力实际情况。

关键词：耕地地力评价；层次分析法；主成分分析法；贵州省赫章县
中图分类号：F323.211 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）04-0798-05
Evaluation of Arable Land Productivity Supported by GIS in Hezhang County
LI Li-jie1，TONG Qian-qian1，SUN Chang-qing1，ZHAO Ze-ying1，PENG Zhi-liang1，LI Yu-rong1，LI Ling2
（1.Guizhou Agricultural Science and Technology Information Institute， Guiyang 550006，China；
2. Hezhang County Agriculture and Animal Husbandry Bureau in Guizhou Province， Hezhang 553200，Guizhou，China）
Abstract： Through constructing the special database and attribute database based on GIS， the arable land productivity of Hezhang county was evaluated using the method of analytic hierarchy process（AHP）. The productivity of arable land in Hezhang county was divided into 6 levels. The first level land accounted for 0.68% of the total land， the second， third， fourth， fifth， and sixth level land accounted for 7.20%，3.38%，28.77%，35.04% and 24.92% respectively. Then， the evaluation result was verified using principal component analysis（PCA） and experts field investigation. The verification results showed that evaluation result with AHP was in good coincidence with the reality of arable land productivity in Hezhang county.
Key words： arable land soil productivity evaluation； analytic hierarchy process （AHP）；principal component analysis （PCA）； Hezhang county of Guizhou province
耕地地力是耕地的基础地力，耕地地力评价是以利用方式为目的，估价耕地生产潜力和土地适宜性的过程，是客观决策生态、环境、经济、社会可持续发展的一项重要基础性工作
[1]。

耕地地力是土壤各方面性质及影响其性质的相关因素的综合反映，受气候、地形、水文地质、管理水平、劳动投入、耕作时间等多方面因素的影响，因而表现出极强的空间差异特征[2]。

依托测土配方施肥项目的实施，在GIS支持下运用层次分析法对贵州省赫章县耕地地力进行评价，为进一步查清赫章县耕地土壤的地力状况、养分状况以及耕地综合生产能力等提供一定的理论依据。

1 研究区域概况
赫章县属于黔西高原中山峡谷区，处于滇东高原向黔中山地丘陵过渡的倾斜地带，境内山高坡陡，峰峦重叠，沟壑纵横，河流深切。

全县平均海拔1 996 m。

全县分高原和中山两大地貌，高原占全县总面积的19.2%，主要分布在西北部和西南部；中山占80.8%，其中高中山占61.30%，中中山占18.94%，低中山占0.56%[3]。

由于黔西北高原开始急剧下降并向黔中高原过渡的地段地势高低起伏较大，水热条件在垂直高度上有明显的差异，使得赫章县土壤的分布不仅具有水平地带和垂直地带分布规律的普遍性，而且还有高原山地土壤分布的特殊性。

在全县总面积中，有耕地97 985.91 hm2，其中，水田1 244.16 hm2，旱地96 578.22 hm2，水浇地163.53 hm2。

耕地大部分分布在海拔1 800～2 600 m。

全县土地中，近94.11%是坡地，水土流失严重，耕地肥力不高。

2 材料与方法
2.1 评价步骤
以赫章县耕地为评价对象，通过土壤图、土地利用现状图、行政区划图叠加生成评价单元并建立其属性数据库。

由省级专家组根据赫章县耕地资源特点选择评价因子并确定其权重。

根据评价因子特点选择不同的隶属函数并确定其隶属值，最后通过综合评价模型计算得到耕地地力评价结果。

采用主成分分析法和专家实地调查法对评价结果进行验证。

具体技术流程见图1。

2.2 基础数据来源
赫章县依托测土配方施肥项目的实施，通过GPS定位，共采集土壤农化样品6 500个、施肥调查样品1 048个。

土壤pH、全氮、碱解氮、有机质、缓效钾、速效钾、有效磷的分析方法及质量控制参照农业部印发的《测土配方施肥技术规范（2011年修订版》。

通过野外调查点来获取地形地貌、土壤母质、水文状况、土壤类型、土层厚度、质地、耕地利用现状、灌排条件、作物产量、施肥水平等属性数据。

海拔高度的获取则是利用ArcGIS 9.3软件，将数字化的赫章县地形图生成数字高程模型（DEM），再通过空间分析（Spatial analyst）模块下的表面分析（Surface analysis）功能来提取每个评价单元范围内海拔高度的平均值，并将其赋给对应的评价单元。

2.3 评价单元划分
评价单元的划分采用“土地利用现状类型-土壤类型-行政区划”的格式，位于同一个村的相同土壤单元及土地利用现状类型的地块组成一个评价单元。

同一评价单元内的土种相同，土地利用类型相同，交通、水利、经营管理方式等基本一致。

此次评价划分生成赫章县耕地地力评价单元，共计28 973个。

2.4 评价因子的确定
构成耕地土壤的地力要素包括立体条件、土壤条件和农田基础设施条件及培肥水平[4]。

为排除主观性选择评价因子的影响，使筛选的主导评价因子能较全面客观地反映评价区域耕地地力的现实状况，在遵循稳定性、主导性、综合性、差异性、定量和定性指标结合的原则的同时[5]，针对影响赫章县耕地地力等级的主要因素和赫章县土壤管理经验，参照土壤学知识，咨询有关专家，根据全国共用的耕地质量评价指标体系，采用德尔菲法选取了海拔、地形部位、灌溉能力、剖面构型、土体厚度、质地、有机质、有效磷、速效钾、pH等10个评价因子。

2.5 评价因子隶属函数的建立
各参评因子对耕地地力的影响程度都是单因素概念，由于评价指标单因子间的数据量纲和数据类型不同，只有让每一个因素都处于同一量度后才能用来衡量综合因子对耕地地力的影响程度。

根据模糊数学理论，将选定的10个评价因子与耕地生产能力的关系分为戒上型、峰型、直线型和概念型4种类型的隶属函数，通过隶属函数将不同量纲的数据转换成无量纲的、介于0～1之间的标准数据，即隶属度[6]。

对于戒上型、峰型、直线型函数，用德尔菲法邀请专家对一组实测值评估出相应的一组隶属度，根据相关数据的回归分析和专家经验，确定各因子的分值等级序列。

并根据这两组数据用县域耕地资源管理信息系统的函数拟合工具进行拟合，计算出隶属函数的参数，结果见表1。

对于概念型的评价因子，则采用德尔菲法直接给出隶属度（表2）。

3 基于层次分析法的地力评价
3.1 权重的确定
专家对评价因子进行可靠性判断后，相应地给出相对重要性的定量表示[7，8]，在此过程中能有效地考虑到评价目标的特点，综合各个指标的信息。

赫章县山高坡陡，峰峦重叠，沟壑纵横，河流深切，地貌对土壤性质影响很大，一是土壤熟化程度不高，因山高坡陡，多形成一些幼年土；二是水土流失严重，土壤侵蚀和沉积速度快，土壤瘦薄。

为此专家对海拔、地形部位、剖面构型和土体厚度给出了较高的权重。

而针对赫章县旱地多、水田很少的特点，灌溉能力在地力评价中的权重则较低。

根据专家对各评价因素重要性的打分结果，通过汇总统计各因素的权重，建立层次结构，构造判断矩阵，经过层次单排序及其一致性检验、层次总排序及其一致性检验最后得到各评价因子的权重（表3）。

3.2 评价结果
利用累加模型计算耕地地力综合指数IFI（Integrated fertility index），即对应于每个单元的综合评分。

IFI=∑Fi×Ci （i=1，2，3，…，n）
式中，IFI代表耕地地力指数；Fi为第i个因素的评价评分；Ci为第i个因素的组合权重。

计算参评因子的隶属度进行加权组合得到每个评价单元的综合评价分值，以其大小表示耕地地力的优劣。

参考《全国耕地类型区、耕地地力等级划分》（NY/T309-1996）、贵州省耕地地力等级划分标准（DB52/T435-2002）和《贵州省耕地地力评价技术规范》（DB52/T-2009），以耕地地力综合指数为依据，采用累积曲线分级法进行分级，由耕地地力综合指数曲线斜率的突变点（拐点）来确定等级的数目和划分综合指数的临界点，在ArcGIS中，将耕地地力资源管理单元图和单元得分情况表相挂接，最后得到耕地地力评价结果图（图2）。

从赫章县耕地地力评价结果图可以看出，一级地和二级地集中分布在野马川镇、古达乡和白果镇等乡（镇），该区域土层深厚，地势平坦，利用类型大多为水田，土壤发育熟化程度好，水利设施良好。

三级地和四级地在全县范围广泛分布，主要分布在赫章县西北部的河镇乡、德卓乡和可乐乡，北部的财神镇，中部的白果镇和南部的雉街乡。

赫章县五、六等级地所占面积比例较大，共占全县耕地面积的59.96%（表5），主要分布在河镇乡、双坪乡、妈故镇、朱明乡等乡（镇），地形部位以低中山中上部和高中山中上部为主，耕作水平较较低，土壤相对贫瘠。

4 评价结果验证
4.1 主成分分析法对评价结果的验证
主成分分析法可求取参评因子的权重和减少参评项目，以此突出主要的项目，压缩次要的项目，避免均衡评价产生的误差[9]。

主成分的权重则可以通过特征值的贡献率来确定。

将数据输入至SPSS统计分析软件中进行主成分分析得到各主成分的特征值、累积方差贡献率和主成分载荷（表6、表7）并提取主成分。

前7个主成分的累积方差贡献率达到了87.466%，已达到85%以上（提取主成分的个数一般要求累积贡献率要超过85%）。

因此提取7个主成分。

将以上10个指标依次用变量x1～x10表示，即地形部位x1，灌溉能力x2，质地x3，剖
面构型x4，海拔高度x5，土体厚度x6，pH x7，有机质x8，有效磷x9，速效钾x10。

7个主
成分分别用F1～F7表示。

则表达式分别为：
F1=-0.600x1-0.003x2+0.440x3+0.782x4-0.433x5+0.548x6-
0.557x7+0.344x8+0.069x9+0.145x10 （1）
F2=0.607x1+0.519x2+0.023x3+0.365x4+0.385x5+0.592x6+0.439x7+0.190x8+0.513x9+0.385x 10 （2）
F3=-0.049x1+0.266x2+0.631x3-0.179x4+0.577x5-0.333x6-0.408x7-0.005x8-0.020x9+0.280x10 （3）
F4=0.084x1+0.125x2-0.316x3-0.011x4+0.293x5+0.082x6-0.179x7+0.705 x8-0.484x9-0.189x10 （4）
F5=0.037x1-0.656x2-0.009x3-0.198x4+0.001x5-0.058x6+0.051x7+0.422x8+0.218x9+0.549x10 （5）
F6=-0.109x1-0.128x2+0.178x3-0.064x4+0.163x5-0.062x6+0.063x7+0.282x8+0.546x9-0.612x10 （6）
F7=0.155x1-0.306x2+0.462x3+0.046x4+0.084x5+0.235x6+0.309x7-0.048x8-0.383x9-0.167x10 （7）
以每个主成分的方差贡献率作为权重，构造综合评价函数模型：
F=（0.211F1+0.191F2+0.119F3+0.101F4+0.100F5+0.085F6+0.067F7）/0.875 （8）
根据综合评价函数模型，将评价单元数据代入公式（1）～（8）计算出评价得分。

运用层次分析法和主成分分析法从不同角度对赫章县耕地地力进行评价，结果显示无论是空间分布还是等级划分面积比例都相差不大，证明此次评价所选择的评价因子及其所确定的权重符合赫章县耕地地力的实际情况。

4.2 专家实地调查对评价结果的验证
赫章县耕地粮食产量为3 000～12 000 kg/hm2，根据粮食产量划分赫章县耕地地力等级，则一级地粮食水平为10 500～12 000 kg/hm2，以下每隔1 500 kg/hm2划分一个等级，六级地粮食水平为3 000～4 500 kg/hm2。

在每一地力等级内随意选取10%的管理单元，调查近3年实际的平均粮食产量对评价结果进行验证，结合毕节市土肥站、赫章县土肥站等相关专家实地抽样
调查分析，结果表明此次赫章县耕地地力评价结果符合赫章县耕地地力实际情况，具有科学的指导意义。

5 小结
赫章县地处乌江源头，山高坡陡，沟谷纵横，耕地利用障碍因素多，耕地地力等级较低，中低产田面积所占比例较大。

根据评价结果显示：
一级地、二级地土壤发育熟化程度好，生产性能好。

在用地过程中应注意合理利用，实施秸秆还田和增施有机肥，以保证土壤养分的均衡，确保综合生产能力的稳步提高。

三级地、四级地是赫章县综合生产力中等偏上耕地。

耕地土壤速效钾和有效磷含量较低，对于作物产量的提高和品质的改善有较大影响，应加强土壤培肥措施，科学管理经营，生产上应重点防止土壤肥力的衰退，做到用、养结合，增加有机肥的施用比例。

五、六等级地面积所占比例较大。

土壤养分含量除有机质含量较高外，其余养分含量均处于中等偏下水平。

耕地利用障碍因素总体可以归结为酸、冷、瘦、薄、石、沙、黏。

应重点抓好地力培肥，防止重用轻养，开展围绕林业经济的开发，加快特色中药材如半夏、天麻，特色农产品如核桃等产业的发展。

参考文献：
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