基于GIS的云南省勐?？h耕地地力評價與分析

許泉立+楊昆+易俊華

摘要：以云南勐海縣為研究對象，以ArcGIS軟件為平臺，以DEM分析、柵格計算和空間插值等空間分析技術(shù)為核心，結(jié)合德爾菲法、層次分析法、模糊隸屬度函數(shù)和耕地生產(chǎn)性能綜合指數(shù)（IFI）等方法，確立該縣耕地地力的主要影響因子及其權(quán)重，建立綜合評價體系及其空間計算模型，并對綜合評價結(jié)果做出分析。研究結(jié)果表明，勐?？h51 575.73 hm2的耕地分為6個等級，一至六級耕地分別占總耕地的14.12%、27.40%、20.17%、17.23%、12.70%、8.38%。勐?？h三級以上高質(zhì)量耕地占60%以上，耕地地力總體情況良好，大力提升三級及其以下耕地的耕作能力是改善本地區(qū)耕地質(zhì)量的主要途徑。

關(guān)鍵詞：耕地地力;耕地生產(chǎn)性能綜合指數(shù);模糊隸屬度函數(shù);地理信息系統(tǒng)

中圖分類號：F301.24;S153.6 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ?文章編號：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

耕地是農(nóng)民維持生存最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，是土地利用的一種重要類型，耕地保護(hù)的最終目的是有效地利用耕地。在廣大山區(qū)人為的過度墾殖使得土地退化問題尤為突出[2]，因此科學(xué)評價耕地是有效利用和合理開發(fā)耕地的基礎(chǔ)，對于耕地面積相對稀少山區(qū)而言顯得尤為必要。endprint

耕地地力評價是對耕地的生產(chǎn)能力和土壤相宜性進(jìn)行綜合評價，從而達(dá)到優(yōu)化利用耕地、最大限度發(fā)掘耕地潛力的目的，屬于土地利用評價的一部分[3]。其評價和分析方法分別經(jīng)歷了定性、定量、數(shù)學(xué)模型計算到地理空間模型評估等幾個階段[4]。而且，隨著“3S”（GIS、GPS、RS）技術(shù)的不斷發(fā)展和深入應(yīng)用，利用GIS技術(shù)進(jìn)行土地利用的數(shù)據(jù)更新、動態(tài)評價和分析等方面取得了很大進(jìn)展，并能快速完成多維、多元信息復(fù)合分析[5，6]。相對于其他土地利用評價技術(shù)，GIS利用其強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理和地學(xué)空間分析等特有功能，在評價因子的獲取、權(quán)重評估和分級，綜合評價指標(biāo)的空間模型化與量化，以及評價結(jié)果的可視化表達(dá)等方面都有著獨(dú)特的優(yōu)勢[7]。近些年，基于GIS技術(shù)的耕地地力評價也成為了土地利用適宜性評價和合理利用領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。比如，劉永文等[8]利用GIS技術(shù)評價和分析了重慶梁平縣的耕地質(zhì)量與時空布局。崔增團(tuán)等[7]應(yīng)用GIS技術(shù)，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)綜合評價等現(xiàn)代統(tǒng)計分析技術(shù)，對甘肅省肅州區(qū)河西走廊灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)耕地地力進(jìn)行了綜合評價。劉昱東等[9]利用GIS的空間分析技術(shù)對鐵嶺縣的耕地進(jìn)行了綜合評價和分級。崔磊等[10]結(jié)合GIS技術(shù)和層次分析法對河南省縣級耕地進(jìn)行了評價。劉暢等[11]將均衡函數(shù)的變權(quán)理論與GIS相結(jié)合，探討了耕地地力權(quán)重評價模型，并在高州市進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用。總之，基于GIS技術(shù)，通過結(jié)合多種數(shù)學(xué)模型來綜合評價耕地質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)耕地地力評價自動化和定量化的重要方法與途徑[12]。

勐?？h是聞名中外的普洱茶的故鄉(xiāng)，也是我國產(chǎn)茶最早的地方之一。由于該縣四季都適宜水稻生長，也盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大米，因此自古有滇南糧倉的美譽(yù)，是國家級糧食生產(chǎn)基地和糖料基地。然而該縣的耕地條件并不優(yōu)越，優(yōu)質(zhì)耕地面積所占比例較小，以山區(qū)面積為主（達(dá)93.45%），壩區(qū)面積只占6.55%;另外該縣地貌、水文和氣候條件多樣且變化復(fù)雜，是影響耕地質(zhì)量的主要地理因素，有必要深入探究高原山區(qū)特殊地理環(huán)境對耕地地力的影響方式和程度，以便為該縣的耕地質(zhì)量評價和合理利用提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區(qū)域

勐?？h位于云南省西南部、西雙版納傣族自治州西部，地處99°56′-100°41′E、21°28′-22°28′N之間。

1.2 ?方法

以ArcGIS軟件為平臺，以DEM分析、柵格計算和空間插值等空間分析技術(shù)為核心，結(jié)合德爾菲法、層次分析法、模糊隸屬度函數(shù)和耕地地力綜合指數(shù)函數(shù)等方法，加工制作了勐?？h耕地地力評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選取了耕地地力的主要地理影響因子，構(gòu)建了影響因子綜合權(quán)重計算模型，最終形成耕地地力評價體系及其空間計算模型[4]。具體研究方法及其技術(shù)流程見圖1。

1.2.1 ?數(shù)據(jù)采集與處理 ?基礎(chǔ)及專題地圖資料。包括1∶50 000比例尺的尋甸縣地形圖，行政區(qū)劃圖，土地利用現(xiàn)狀圖，土壤圖，道路交通圖，水系圖和居民點(diǎn)分布圖。這些圖件資料采用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS或MapGIS65進(jìn)行數(shù)字化、圖形編輯、圖幅誤差校正、拓?fù)洳殄e等處理。

土壤屬性資料。采用野外GPS定點(diǎn)采樣，室內(nèi)測試分析處理獲取，包括pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、有效磷等10余種在勐海全縣范圍內(nèi)獲取采樣點(diǎn)。并將采樣點(diǎn)位圖與分析數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，再運(yùn)用ArcGIS中的克里金插值法（Kriging）對各屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)化插值，從而自動生成各土壤養(yǎng)分屬性專題圖[5]。

1.2.2 ?評價單元與影響因子分析 ?目前，對土地評價單元的劃分尚無統(tǒng)一的方法，有以土壤類型、以土地利用類區(qū)域耕地地力評價指標(biāo)體系研究型、以行政區(qū)劃單位、以方里網(wǎng)等多種方法。在本研究中，評價單元的劃分采用土壤圖與土地利用現(xiàn)狀圖疊置劃分的方法，即“土地利用現(xiàn)狀類型-土壤類型”的格式，這樣劃分兼顧土壤和作物利用類型，便于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際。其中，土壤類型劃分到土種，土地利用現(xiàn)狀類型劃分到二級利用類型[13]。

影響因子的選擇和分析采用德爾菲方法[14]，具體過程是：參考云南省耕地評價成果以及專家咨詢意見，根據(jù)《全國耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的全國耕地地力調(diào)查評價因素以及勐?？h耕地的具體實(shí)際，擇取了勐?？h耕地地力評價因子由4個類別共16項(xiàng)評價指標(biāo)構(gòu)成，其中4個類別是立地條件、土壤條件、耕地養(yǎng)分和耕地剖面及理化性狀;16個因子分別是灌溉保證率、種植制度、坡度、有機(jī)質(zhì)、耕層厚度、海拔、速效鉀、有效磷、排澇等級、成土母質(zhì)、質(zhì)地、pH、水溶態(tài)硼、有效鋅、土壤類型和剖面結(jié)構(gòu)等。同時，根據(jù)所選取的16個評價因素各自的屬性和特點(diǎn)，分別歸類為目標(biāo)層（A）、準(zhǔn)則層（B）、指標(biāo)層（C）3個層次，如圖2所示，以方便后面的專家打分和層次分析。

1.2.3 ?基于模糊隸屬度函數(shù)的影響因子評價 ? 評價因子對耕地地力的影響程度是一個模糊性概念，可以采用模糊數(shù)學(xué)的理論和方法進(jìn)行描述。隸屬度是評價因子的觀測值符合該模糊性的程度（即某評價因子在某觀測值時對耕地地力的影響程度），完全符合時隸屬度為1，完全不符合時隸屬度為0，部分符合時隸屬度為0～1之間的任一數(shù)值[15，16]。隸屬函數(shù)則表示評價因素的觀測值與隸屬度之間的解析函數(shù)，并根據(jù)此函數(shù)計算某種評價因子任意柵格的隸屬度。本次評價中，勐?？h選定的評價指標(biāo)與耕地生產(chǎn)能力的關(guān)系分為戒上型、峰型以及概念型3種類型的隸屬函數(shù)[17]，前2種可歸稱為數(shù)值型函數(shù)。概念型指標(biāo)（如：地形因子和土壤類型等）直接給等級打分，無需計算;數(shù)值型的應(yīng)用SPSS統(tǒng)計軟件建立隸屬度函數(shù)，獲取分值，其數(shù)學(xué)表達(dá)如公式（1）所示：endprint

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

其中第i個因子評語，為樣品觀測值，為標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，為系數(shù)。圖3示例了峰型因子（pH）和戒上型因子（有機(jī)質(zhì)）2種數(shù)值型指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)的求解方法和結(jié)果;圖4是依據(jù)求解的模糊隸屬度函數(shù)計算得到的示例因子的可視化評價結(jié)果，其他影響因子以此類推。最后，概念型評價指標(biāo)的隸屬度賦值舉例如表3所示;表4是所有數(shù)值型評價指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)計算的結(jié)果。

1.2.4 ?基于層次分析法的影響因子權(quán)重計算 ?研究表明，為了增加賦值的科學(xué)性，降低主觀性，層次分析法（AHP）是一種較為合理的影響因子權(quán)重計算方法[18]，本研究采用層次分析法來計算耕地地力評價模型中各影響因子的權(quán)重。層次分析法的基本原理，可以用以下的簡單事例分析來說明[19，20]。假設(shè)有n個物體A1，A2，…，An的質(zhì)量分別記為W1，W2，…，Wn。現(xiàn)將每個物體的重量兩兩進(jìn)行比較。若取質(zhì)量向量[W1，W2，…，Wn]·T，則有：

AW=n·W ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

W是判斷矩陣A的特征向量，n是A的一個特征值。根據(jù)線性代數(shù)知識可以證明，n是矩陣A的唯一非零的和最大的特征值。建立比較矩陣后，就可以求出各個因素的權(quán)值，采取和積法計算出各矩陣的最大特征根λmax及其對應(yīng)的特征向量W，并用CR=CI/RI進(jìn)行一致性檢查。其中CR表示一致性比率，CI表示一致性指標(biāo)，RI表示隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)一致性系數(shù)CR<0.1時，說明一致性較好，權(quán)重匹配合理。

表5是利用層次分析法對目標(biāo)層進(jìn)行權(quán)重計算和驗(yàn)證的過程，其他影響層次及其因子的權(quán)重確定方法以此類推。最后，根據(jù)計算得到的準(zhǔn)則層B的特征向量（判斷權(quán)重）和各影響因子的特征向量（因子權(quán)重），將綜合權(quán)重■B■C■的結(jié)果作為各評價因子的最終權(quán)重，其計算結(jié)果見表6。

權(quán)重計算和檢驗(yàn)結(jié)果如下：特征向量值為[0.368 6，0.216 8，0.184 3，0.122 9]，最大特征根為5.000 0，RI=1.12，CI=-5.534 723 214 184 47E-06，CR=0.000 004 94<0.1，一致性檢驗(yàn)通過。

1.2.5 ?綜合評價指標(biāo)計算模型 ?根據(jù)《農(nóng)業(yè)部耕地地力評價規(guī)程》和《農(nóng)業(yè)部耕地地力評價方案》的要求，勐?？h耕地地力評價采用耕地生產(chǎn)性能綜合指數(shù)（Integrated Fertility Index，IFI），其計算公式如下所示：

IFI=■Fi×Wi ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

其中，F(xiàn)i表示第i個影響因子的空間評價值（隸屬度）;Wi表示第i個影響因子的組合權(quán)重。最后，采用累積曲線分級法劃分耕地地力等級，將勐海縣耕地地力劃分為6級，如圖5所示。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?統(tǒng)計分析

勐海縣耕地地力評價結(jié)果如圖6所示，統(tǒng)計分析如表7所示。

2.2 ?各等級耕地養(yǎng)分分析

利用GIS疊加與領(lǐng)域統(tǒng)計分析等方法，得到了各級耕地的養(yǎng)分分析情況（表8）。綜合此表和總體評價圖，對各級耕地的養(yǎng)分含量、成因以及優(yōu)化利用作出如下分析。

一級地屬高穩(wěn)產(chǎn)田區(qū)，溫度適宜、肥力最高，主要分布于海拔1 500 m以下，坡度小于20°的低山、河流低階地、山間盆地等平緩地帶，灌溉和排澇條件較好，土壤發(fā)育程度高，生產(chǎn)性能好，土壤的適種性和可耕性好，宜耕期長，并增施有機(jī)肥和配合磷鉀肥，防止地力下降。在生產(chǎn)規(guī)劃上應(yīng)種植耐肥高產(chǎn)品種。

二級地肥力較高，溫度適宜，主要分布于海拔1 500 m以下，坡度小于20°的低山、河流低階地、山間盆地等平緩地帶，屬旱澇保收型農(nóng)田。可以通過改良灌溉設(shè)施，增施有機(jī)肥等逐漸提高土壤有機(jī)質(zhì)。

三級地溫度較好、肥力基本協(xié)調(diào)，主要分布于1 750 m以下的河流低階地、起伏河流高階地和山間盆地地等相對平緩的地帶，灌溉和排澇條件比1、2級地次之，作物基本能保收?？梢酝ㄟ^改良和增加灌溉設(shè)施，深耕結(jié)合施用增施有機(jī)肥、種植綠肥熟化土壤，從而加深熟化土層，提高作物的產(chǎn)量。

四級地溫度中等、肥力不協(xié)調(diào)，主要分布于海拔1 000 m到1 750 m之間的低山、起伏河流高階地和傾斜侵蝕剝蝕低臺地，灌溉條件、宜種性、可耕性一般，宜結(jié)合地形進(jìn)行坡改梯地建設(shè)。

五級地溫度一般、養(yǎng)分不協(xié)調(diào)，主要分布于海拔1 500 m以上的低山、起伏河流高階地和傾斜侵蝕剝蝕低臺地，灌溉條件差，應(yīng)加強(qiáng)治水改土，增加灌排配套設(shè)施。

六級地溫度一般、養(yǎng)分不協(xié)調(diào)，主要分布于海拔1 500 m以上的低山、起伏河流高階地和傾斜侵蝕剝蝕低臺地，灌溉條件、宜種性、可耕性較差，應(yīng)加強(qiáng)治水改土，提高作物的抗災(zāi)能力。

3 ?結(jié)論

1）結(jié)合GIS和統(tǒng)計學(xué)方法，較好地滿足了縣級耕地地力定量化和自動化評價的需求，提升了其評價的效率。

2）勐海縣耕地資源緊缺，總體耕地質(zhì)量較好，一到三級優(yōu)質(zhì)耕地大于60%。建議在保持現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)耕地資源的同時，應(yīng)該加大對三級以上耕地資源的合理開發(fā)和利用。

3）山區(qū)耕地質(zhì)量的影響因子相對較多，物理、化學(xué)和生物過程相對較復(fù)雜，如何定量化判斷耕地地力評價結(jié)果的精度還有待深入研究。endprint

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