GIS支持下的貴州省赫章縣耕地地力評價

摘要：以云貴高原典型區赫章縣耕地為研究對象，建立基于GIS的縣級耕地資源空間數據庫及屬性數據庫，運用層次分析法對赫章縣耕地地力進行評價。結果表明，赫章縣耕地地力共劃分為6個等級，一級地占全縣耕地面積的0.68%，二級地占7.20%，三級地占3.38%，四級地占28.77%，五級地占35.04%，六級地占24.92%。運用主成分分析法和專家實地調查法對赫章縣耕地地力評價結果進行驗證，結果表明運用層次分析法評價的結果符合赫章縣耕地地力實際情況。

關鍵詞：耕地地力評價；層次分析法；主成分分析法；貴州省赫章縣

中圖分類號：F323.211 文獻標識碼：A 文章編號：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礎地力，耕地地力評價是以利用方式為目的，估價耕地生產潛力和土地適宜性的過程，是客觀決策生態、環境、經濟、社會可持續發展的一項重要基礎性工作[1]。耕地地力是土壤各方面性質及影響其性質的相關因素的綜合反映，受氣候、地形、水文地質、管理水平、勞動投入、耕作時間等多方面因素的影響，因而表現出極強的空間差異特征[2]。依托測土配方施肥項目的實施，在GIS支持下運用層次分析法對貴州省赫章縣耕地地力進行評價，為進一步查清赫章縣耕地土壤的地力狀況、養分狀況以及耕地綜合生產能力等提供一定的理論依據。

1 研究區域概況

赫章縣屬于黔西高原中山峽谷區，處于滇東高原向黔中山地丘陵過渡的傾斜地帶，境內山高坡陡，峰巒重疊，溝壑縱橫，河流深切。全縣平均海拔1 996 m。全縣分高原和中山兩大地貌，高原占全縣總面積的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]。由于黔西北高原開始急劇下降并向黔中高原過渡的地段地勢高低起伏較大，水熱條件在垂直高度上有明顯的差異，使得赫章縣土壤的分布不僅具有水平地帶和垂直地帶分布規律的普遍性，而且還有高原山地土壤分布的特殊性。在全縣總面積中，有耕地97 985.91 hm2，其中，水田1 244.16 hm2，旱地96 578.22 hm2，水澆地163.53 hm2。耕地大部分分布在海拔1 800～2 600 m。全縣土地中，近94.11%是坡地，水土流失嚴重，耕地肥力不高。

2 材料與方法

2.1 評價步驟

以赫章縣耕地為評價對象，通過土壤圖、土地利用現狀圖、行政區劃圖疊加生成評價單元并建立其屬性數據庫。由省級專家組根據赫章縣耕地資源特點選擇評價因子并確定其權重。根據評價因子特點選擇不同的隸屬函數并確定其隸屬值，最后通過綜合評價模型計算得到耕地地力評價結果。采用主成分分析法和專家實地調查法對評價結果進行驗證。具體技術流程見圖1。

2.2 基礎數據來源

赫章縣依托測土配方施肥項目的實施，通過GPS定位，共采集土壤農化樣品6 500個、施肥調查樣品1 048個。土壤pH、全氮、堿解氮、有機質、緩效鉀、速效鉀、有效磷的分析方法及質量控制參照農業部印發的《測土配方施肥技術規范（2011年修訂版》。通過野外調查點來獲取地形地貌、土壤母質、水文狀況、土壤類型、土層厚度、質地、耕地利用現狀、灌排條件、作物產量、施肥水平等屬性數據。海拔高度的獲取則是利用ArcGIS 9.3軟件，將數字化的赫章縣地形圖生成數字高程模型（DEM），再通過空間分析（Spatial analyst）模塊下的表面分析（Surface analysis）功能來提取每個評價單元范圍內海拔高度的平均值，并將其賦給對應的評價單元。

2.3 評價單元劃分

評價單元的劃分采用“土地利用現狀類型-土壤類型-行政區劃”的格式，位于同一個村的相同土壤單元及土地利用現狀類型的地塊組成一個評價單元。同一評價單元內的土種相同，土地利用類型相同，交通、水利、經營管理方式等基本一致。此次評價劃分生成赫章縣耕地地力評價單元，共計28 973個。

2.4 評價因子的確定

構成耕地土壤的地力要素包括立體條件、土壤條件和農田基礎設施條件及培肥水平[4]。為排除主觀性選擇評價因子的影響，使篩選的主導評價因子能較全面客觀地反映評價區域耕地地力的現實狀況，在遵循穩定性、主導性、綜合性、差異性、定量和定性指標結合的原則的同時[5]，針對影響赫章縣耕地地力等級的主要因素和赫章縣土壤管理經驗，參照土壤學知識，咨詢有關專家，根據全國共用的耕地質量評價指標體系，采用德爾菲法選取了海拔、地形部位、灌溉能力、剖面構型、土體厚度、質地、有機質、有效磷、速效鉀、pH等10個評價因子。

2.5 評價因子隸屬函數的建立

各參評因子對耕地地力的影響程度都是單因素概念，由于評價指標單因子間的數據量綱和數據類型不同，只有讓每一個因素都處于同一量度后才能用來衡量綜合因子對耕地地力的影響程度。根據模糊數學理論，將選定的10個評價因子與耕地生產能力的關系分為戒上型、峰型、直線型和概念型4種類型的隸屬函數，通過隸屬函數將不同量綱的數據轉換成無量綱的、介于0～1之間的標準數據，即隸屬度[6]。

對于戒上型、峰型、直線型函數，用德爾菲法邀請專家對一組實測值評估出相應的一組隸屬度，根據相關數據的回歸分析和專家經驗，確定各因子的分值等級序列。并根據這兩組數據用縣域耕地資源管理信息系統的函數擬合工具進行擬合，計算出隸屬函數的參數，結果見表1。對于概念型的評價因子，則采用德爾菲法直接給出隸屬度（表2）。

3 基于層次分析法的地力評價

3.1 權重的確定

專家對評價因子進行可靠性判斷后，相應地給出相對重要性的定量表示[7，8]，在此過程中能有效地考慮到評價目標的特點，綜合各個指標的信息。赫章縣山高坡陡，峰巒重疊，溝壑縱橫，河流深切，地貌對土壤性質影響很大，一是土壤熟化程度不高，因山高坡陡，多形成一些幼年土；二是水土流失嚴重，土壤侵蝕和沉積速度快，土壤瘦薄。為此專家對海拔、地形部位、剖面構型和土體厚度給出了較高的權重。而針對赫章縣旱地多、水田很少的特點，灌溉能力在地力評價中的權重則較低。

根據專家對各評價因素重要性的打分結果，通過匯總統計各因素的權重，建立層次結構，構造判斷矩陣，經過層次單排序及其一致性檢驗、層次總排序及其一致性檢驗最后得到各評價因子的權重（表3）。

3.2 評價結果

利用累加模型計算耕地地力綜合指數IFI（Integrated fertility index），即對應于每個單元的綜合評分。

IFI=∑Fi×Ci （i=1，2，3，…，n）

式中，IFI代表耕地地力指數；Fi為第i個因素的評價評分；Ci為第i個因素的組合權重。計算參評因子的隸屬度進行加權組合得到每個評價單元的綜合評價分值，以其大小表示耕地地力的優劣。

參考《全國耕地類型區、耕地地力等級劃分》（NY/T309-1996）、貴州省耕地地力等級劃分標準（DB52/T435-2002）和《貴州省耕地地力評價技術規范》（DB52/T-2009），以耕地地力綜合指數為依據，采用累積曲線分級法進行分級，由耕地地力綜合指數曲線斜率的突變點（拐點）來確定等級的數目和劃分綜合指數的臨界點，在ArcGIS中，將耕地地力資源管理單元圖和單元得分情況表相掛接，最后得到耕地地力評價結果圖（圖2）。

從赫章縣耕地地力評價結果圖可以看出，一級地和二級地集中分布在野馬川鎮、古達鄉和白果鎮等鄉（鎮），該區域土層深厚，地勢平坦，利用類型大多為水田，土壤發育熟化程度好，水利設施良好。三級地和四級地在全縣范圍廣泛分布，主要分布在赫章縣西北部的河鎮鄉、德卓鄉和可樂鄉，北部的財神鎮，中部的白果鎮和南部的雉街鄉。赫章縣五、六等級地所占面積比例較大，共占全縣耕地面積的59.96%（表5），主要分布在河鎮鄉、雙坪鄉、媽故鎮、朱明鄉等鄉（鎮），地形部位以低中山中上部和高中山中上部為主，耕作水平較較低，土壤相對貧瘠。

4 評價結果驗證

4.1 主成分分析法對評價結果的驗證

主成分分析法可求取參評因子的權重和減少參評項目，以此突出主要的項目，壓縮次要的項目，避免均衡評價產生的誤差[9]。主成分的權重則可以通過特征值的貢獻率來確定。將數據輸入至SPSS統計分析軟件中進行主成分分析得到各主成分的特征值、累積方差貢獻率和主成分載荷（表6、表7）并提取主成分。

前7個主成分的累積方差貢獻率達到了87.466%，已達到85%以上（提取主成分的個數一般要求累積貢獻率要超過85%）。因此提取7個主成分。

將以上10個指標依次用變量x1～x10表示，即地形部位x1，灌溉能力x2，質地x3，剖面構型x4，海拔高度x5，土體厚度x6，pH x7，有機質x8，有效磷x9，速效鉀x10。7個主成分分別用F1～F7表示。則表達式分別為：

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+0.385x10 （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）

以每個主成分的方差貢獻率作為權重，構造綜合評價函數模型：

F=（0.211F1+0.191F2+0.119F3+0.101F4+0.100F5+0.085F6+0.067F7）/0.875 （8）

根據綜合評價函數模型，將評價單元數據代入公式（1）～（8）計算出評價得分。

運用層次分析法和主成分分析法從不同角度對赫章縣耕地地力進行評價，結果顯示無論是空間分布還是等級劃分面積比例都相差不大，證明此次評價所選擇的評價因子及其所確定的權重符合赫章縣耕地地力的實際情況。

4.2 專家實地調查對評價結果的驗證

赫章縣耕地糧食產量為3 000～12 000 kg/hm2，根據糧食產量劃分赫章縣耕地地力等級，則一級地糧食水平為10 500～12 000 kg/hm2，以下每隔1 500 kg/hm2劃分一個等級，六級地糧食水平為3 000～4 500 kg/hm2。在每一地力等級內隨意選取10%的管理單元，調查近3年實際的平均糧食產量對評價結果進行驗證，結合畢節市土肥站、赫章縣土肥站等相關專家實地抽樣調查分析，結果表明此次赫章縣耕地地力評價結果符合赫章縣耕地地力實際情況，具有科學的指導意義。

5 小結

赫章縣地處烏江源頭，山高坡陡，溝谷縱橫，耕地利用障礙因素多，耕地地力等級較低，中低產田面積所占比例較大。根據評價結果顯示：

一級地、二級地土壤發育熟化程度好，生產性能好。在用地過程中應注意合理利用，實施秸稈還田和增施有機肥，以保證土壤養分的均衡，確保綜合生產能力的穩步提高。

三級地、四級地是赫章縣綜合生產力中等偏上耕地。耕地土壤速效鉀和有效磷含量較低，對于作物產量的提高和品質的改善有較大影響，應加強土壤培肥措施，科學管理經營，生產上應重點防止土壤肥力的衰退，做到用、養結合，增加有機肥的施用比例。

五、六等級地面積所占比例較大。土壤養分含量除有機質含量較高外，其余養分含量均處于中等偏下水平。耕地利用障礙因素總體可以歸結為酸、冷、瘦、薄、石、沙、黏。應重點抓好地力培肥，防止重用輕養，開展圍繞林業經濟的開發，加快特色中藥材如半夏、天麻，特色農產品如核桃等產業的發展。

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