基于GIS的張掖市甘州區(qū)耕地地力評價

李慧芳，楊虎德，鄭隆舉，王小靜

(1.蘭州城市學(xué)院,甘肅蘭州 730070; 2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,甘肅蘭州 730070; 3.蘭州市園藝學(xué)校,甘肅蘭州 730070)

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基于GIS的張掖市甘州區(qū)耕地地力評價

李慧芳1，楊虎德2*，鄭隆舉1，王小靜3

(1.蘭州城市學(xué)院,甘肅蘭州 730070; 2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,甘肅蘭州 730070; 3.蘭州市園藝學(xué)校,甘肅蘭州 730070)

摘 要：耕地地力評價是摸清我國耕地資源狀況,提高耕地利用效率,促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)工作。本文運用GIS技術(shù),將土壤圖、土地利用現(xiàn)狀圖和村級行政圖進(jìn)行疊加來確定評價單元,選擇氣候、剖面性狀、耕地理化性狀、耕層養(yǎng)分狀況、土壤管理5個方面的11個評價因子,運用層次分析法和專家打分法確定其權(quán)重,對甘州區(qū)耕地進(jìn)行綜合評價。評價結(jié)果顯示,甘州區(qū)耕地中2級和3級耕地占耕地面積的絕大部分,評價結(jié)果與現(xiàn)實情況相符。

關(guān)鍵詞：GIS;耕地地力評價;評價因子;耕地資源信息化

文獻(xiàn)著錄格式:李慧芳,楊虎德,鄭隆舉,等.基于GIS的張掖市甘州區(qū)耕地地力評價[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,57 (4):568-572.

耕地地力是構(gòu)成耕地的各種自然因素和環(huán)境條件狀況的總和,表現(xiàn)為耕地生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量的高低和耕地環(huán)境狀況優(yōu)劣。耕地地力不僅受氣候、地形、土壤等自然因素影響,還受農(nóng)田灌排基礎(chǔ)設(shè)施、水土保持設(shè)施等眾多社會經(jīng)濟(jì)因素的影響[1]。耕地地力的內(nèi)涵包括耕地基礎(chǔ)地力、土壤肥力、土壤健康、耕地生產(chǎn)力等幾個概念。耕地地力評價可分為以產(chǎn)量為依據(jù)的耕地當(dāng)前生產(chǎn)能力評價和以自然要素為主的生產(chǎn)潛力評價。生產(chǎn)潛力評價又可分為以氣候要素為主的潛力評價和以土壤要素為主的潛力評價。本文所講的耕地地力評價是指當(dāng)前生產(chǎn)條件下,在各種自然要素相互作用下耕地所表現(xiàn)出來的潛在生產(chǎn)能力。

耕地地力評價工作是摸清我國耕地資源狀況,提高耕地利用效率,促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)工作,對確保糧食生產(chǎn)安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、指導(dǎo)農(nóng)作物的科學(xué)布局規(guī)劃、合理開發(fā)利用耕地資源,以及對耕地質(zhì)量實行動態(tài)監(jiān)測與管理均具有十分重要的現(xiàn)實意義[2]。

本文以張掖市甘州區(qū)的耕地資源為研究對象,運用遙感技術(shù)獲取最新土地利用現(xiàn)狀,利用全球定位系統(tǒng)準(zhǔn)確定位采樣調(diào)查點,結(jié)合GIS技術(shù)對耕地、土壤、農(nóng)田水利、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)等方面的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理,并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用層次分析法進(jìn)行耕地適宜性、耕地地力、土壤環(huán)境質(zhì)量等相關(guān)評價,從而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策服務(wù)。

1　研究區(qū)情況

1.1研究區(qū)氣候特點

張掖市甘州區(qū)地處甘肅省西北部,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。甘州區(qū)境內(nèi)地勢平坦,土壤肥沃,水源充足,黑河、山丹河、酥油口河、大野口河等河流貫穿而過,交通方便,耕作精細(xì),農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),古稱“金張掖”,司馬光在《資治通鑒》中曰“天下富庶莫如隴右”,現(xiàn)為我國重要的玉米商品種子生產(chǎn)基地。

1.2研究區(qū)土壤類型

由于中小地形、水文地質(zhì)和人類生產(chǎn)活動的影響,甘州區(qū)土壤呈現(xiàn)地域性土類間和土種間復(fù)區(qū)分布,土壤種類也比較多。根據(jù)土壤普查報告,在甘州區(qū)有11個土類26個亞類,36個土屬,75個土種;耕地土壤分為7個土類,11個亞類,20個土屬,70個土種。

2　研究方法

2.1耕地地力評價流程

通過收集各種數(shù)據(jù),建立耕地地力信息數(shù)據(jù)庫,運用土壤圖、土地利用現(xiàn)狀圖、村級行政圖互相疊加,確定評價單元,最后在評價單元上應(yīng)用專家評議確定的評價因子及權(quán)重,實現(xiàn)涼州區(qū)的耕地地力評價。技術(shù)路線見圖1。

圖1　耕地地力評價的流程

2.2資料收集

收集的資料主要包括:野外調(diào)查資料、化驗分析資料、社會經(jīng)濟(jì)等屬性資料。

第二次土壤普查資料,包括土壤志、土種志、土壤普查專題報告;各土種性狀描述,包括其發(fā)生、發(fā)育、分布、生產(chǎn)性能、障礙因素等;土地利用現(xiàn)狀調(diào)查資料,包括土地詳查資料,基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)劃定資料;統(tǒng)計資料,包括近3年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計資料,土壤監(jiān)測,田間試驗,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)歷年化肥、農(nóng)藥、除草劑等農(nóng)用化學(xué)品使用情況,農(nóng)作物布局等。

評價過程土壤養(yǎng)分資料采用的為2006—2007年的數(shù)據(jù),合計3 684條記錄,剔除試驗同一樣點的多次測定值97個,只保留基礎(chǔ)樣品數(shù)據(jù),參與耕地質(zhì)量評價的數(shù)據(jù)記錄為3 640個。以《縣域耕地資源管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典》為標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)入甘州數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)庫自檢功能,使數(shù)據(jù)符合數(shù)據(jù)字典規(guī)范。

2.3圖形數(shù)據(jù)矢量化

甘州區(qū)地圖采用1∶5萬地形圖為空間數(shù)學(xué)框架基礎(chǔ)。投影方式為高斯-克呂格投影,6度分帶。坐標(biāo)系及橢球參數(shù)為北京54坐標(biāo)系克拉索夫斯基橢球。高程系統(tǒng)為1956年黃海高程基準(zhǔn)。

空間數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括地形圖、土壤圖、土地利用圖、行政區(qū)劃圖、第二次土壤普查采樣點位圖等。由于大部分圖件歷史較長,有破碎和變形問題,掃描圖件后,為減少誤差,確定了20個以上特征控制點。應(yīng)用ArcGIS軟件,在1∶1 500比例尺下完成配準(zhǔn)、描繪等數(shù)字化處理。

圖2為甘州區(qū)土壤圖,根據(jù)甘州區(qū)縣級土種分類代碼,將轄區(qū)內(nèi)土壤劃分為11個土類,26個亞類,36個土屬,75個土種,另加9個亞類和14個土屬未再續(xù)分,共98個基礎(chǔ)上圖分類單元,968個圖斑。圖3為甘州區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖。

2.4生成面數(shù)據(jù)

根據(jù)甘州區(qū)采樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行評價因子插值來擬合整個平面值。這一方法的原理是用若干已知點來推測未知區(qū)域,將不連續(xù)的點狀數(shù)據(jù)形成連續(xù)的面狀區(qū)域,來描述整個研究區(qū)域的養(yǎng)分空間變異特征。在本次插值中,通過ArcGIS軟件,選擇克里格插值法進(jìn)行插值,使點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為面數(shù)據(jù),計算出評價單元因子數(shù)值。圖4是甘州區(qū)2006年采樣點分布圖,圖5是根據(jù)這些點上的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值得到的土壤全磷分布圖。同理,可以得到其他土壤養(yǎng)分等評價因子的面狀數(shù)據(jù)。

2.5建立基于GIS平臺的數(shù)據(jù)庫

評價單元的屬性信息用Access數(shù)據(jù)庫錄入,建立和評價單元圖相對應(yīng)的內(nèi)部標(biāo)識碼,應(yīng)用GIS技術(shù)實現(xiàn)圖和屬性的鏈接。

圖2　甘州區(qū)土壤分布

圖3　甘州區(qū)土地利用現(xiàn)狀

圖4　甘州區(qū)采樣點分布

圖5　甘州區(qū)土壤全磷分布

按照數(shù)據(jù)字典建立屬性數(shù)據(jù)的采集標(biāo)準(zhǔn)。采集標(biāo)準(zhǔn)包含對每個指標(biāo)完整的命名、格式、類型、取值區(qū)間等定義。在建立屬性數(shù)據(jù)庫時按數(shù)據(jù)字典要求,制訂統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編碼規(guī)則,進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)錄入(表1)。

屬性數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括田間試驗數(shù)據(jù)、土壤與植株測試數(shù)據(jù)和田間基本情況、施肥情況調(diào)查數(shù)據(jù)及農(nóng)戶調(diào)查等。屬性數(shù)據(jù)庫的建立獨立于空間數(shù)據(jù),按照數(shù)據(jù)字典要求在Access下建立。

表1　屬性數(shù)據(jù)庫表名稱

2.6 確定評價因子

評價因子和權(quán)重的確定是整個耕地地力評價過程的關(guān)鍵[3],所以嚴(yán)格遵循評價因子的原則選取,經(jīng)過專家會議反復(fù)討論,剔除對評價目標(biāo)影響較小或不穩(wěn)定的因子,使得最后確定的評價因子的影響都很顯著,穩(wěn)定性好,而且因子之間的相關(guān)性較弱。

從全國耕地地力評價因子總集65項指標(biāo)[4]中選取11項指標(biāo),其中:氣候2項,剖面性狀2項,耕地理化性狀2項,耕層養(yǎng)分狀況3項,土壤管理2項。具體如下。

氣候:≥10℃積溫;無霜期(d)。

剖面性狀:質(zhì)地構(gòu)型;有效土層厚度。

耕地理化性狀:質(zhì)地; pH值。

耕層養(yǎng)分狀況:有機(jī)質(zhì)(g·kg-1);有效磷(mg·kg-1);有效鋅(mg·kg-1)。

土壤管理:灌溉保證率;灌溉模數(shù)(mm)。

2.7確定權(quán)重

層次分析法的基本原理是把復(fù)雜問題中的各個因素按照相互之間的隸屬關(guān)系排成從高到低的若干層次[5],根據(jù)對一定客觀現(xiàn)實的判斷,就同一層次相對重要性相互比較,決定層次各元素重要性先后次序。

本研究采用層次分析法,將復(fù)雜的土壤系統(tǒng)層次化,從而能更直觀地分析各因子之間的差異,并將其量化[6]。具體步驟與特爾斐法相同,首先確定各評價因子,建立層次模型,列表形成矩陣,由專家打分確定權(quán)重值,然后分析匯總。

在實際計算過程中,≥10℃積溫用海拔代替;質(zhì)地數(shù)據(jù)質(zhì)量不好,用鹽分危害程度代替;大于20 cm以上砂粘土層算夾層土體。評價指標(biāo)中,5項指標(biāo)為概念函數(shù),6項指標(biāo)是數(shù)值型函數(shù)。表2是專家評議出來的各因子的權(quán)重。

表2　專家評議各因子權(quán)重

2.8確定評價單元

耕地評價單元是具有專門特征的耕地單元,在評價系統(tǒng)中是用于制圖的區(qū)域,在生產(chǎn)上用于實際的農(nóng)事管理,是耕地地力評價的基礎(chǔ)[7]。甘肅省土壤肥料工作站推薦用土壤圖、土地利用現(xiàn)狀圖和村級行政圖疊加產(chǎn)生的圖斑作為耕地地力評價的評價單元。這樣形成的評價單元空間界線及行政隸屬關(guān)系明確,有準(zhǔn)確的面積,地貌類型及土壤類型一致,利用方式及耕作方法基本相同,這樣得出的評價結(jié)果不僅可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃,還可以用于指導(dǎo)實際的農(nóng)事操作,為實施測土配方施肥工作奠定良好的基礎(chǔ)。

依據(jù)評價單元不宜過細(xì)過多的原則進(jìn)行綜合取舍和其他技術(shù)處理,最終確定甘州區(qū)耕地地力評價單元9 369個。

3　結(jié)果與分析

3.1土地利用現(xiàn)狀分析

甘州區(qū)土地總面積366 443.3 hm2,農(nóng)用地277 506.5 hm2,占全區(qū)土地總面積的75.7%;建設(shè)用地12 838.7 hm2,占3.5%;未利用地76 098.2 hm2,占20.8%。農(nóng)用地中,耕地89 260.2 hm2,占全區(qū)農(nóng)用地總面積的32.2%;園地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%;其他農(nóng)用地15 257.7 hm2,占5.5%。

3.2耕地地力分析

甘州區(qū)耕地地力分級標(biāo)準(zhǔn)取值為0.63,0.58,0.51,0.43。根據(jù)每個評價單元的綜合指數(shù)和《全國耕地類型區(qū)、耕地地力等級劃分》(NY/T 309—1996)標(biāo)準(zhǔn),將張掖市甘州區(qū)耕地地力劃分為5個等級。由表3可知,甘州區(qū)耕地中2級和3級耕地占耕地面積的絕大部分。甘州區(qū)農(nóng)用耕地面積11.58萬hm2,通過平差計算,實際種植面積9.11萬hm2,剔除國營農(nóng)場面積,實際農(nóng)戶耕種面積6.44萬hm2。

表3　甘州區(qū)土地等級劃分

利用ArcGIS強(qiáng)大的空間分析功能,生成甘州區(qū)耕地地力評價圖(圖6)和甘州區(qū)中低產(chǎn)田分布圖(圖7)?？傮w上看,平原潮土耕地類型區(qū)地力較好,山地丘陵耕地類型區(qū)地力較差。

圖6　甘州區(qū)耕地地力評價

圖7　甘州區(qū)中低產(chǎn)田分布

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(責(zé)任編輯：高 峻)

中圖分類號：S159.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0528-9017(2016)04-0568-05

DOI10.16178/j.issn.0528-9017.20160435

收稿日期:2016-02-14

基金項目:隴原青年創(chuàng)新人才扶持計劃(2014)

作者簡介:李慧芳(1979—),女,甘肅靖遠(yuǎn)人,碩士,講師,研究方向為數(shù)字農(nóng)業(yè)、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用,E-mail:6888729@qq.com。

通信作者:楊虎德(1967—),男,甘肅民勤人,副研究員,從事土壤環(huán)境數(shù)字及農(nóng)業(yè)研究工作,E-mail:596259707@qq.com。