基于GIS的張掖市甘州區耕地地力評價

2016-05-24 09:42:57李慧芳楊虎德鄭隆舉王小靜

浙江農業科學 2016年4期

李慧芳，楊虎德，鄭隆舉，王小靜

(1.蘭州城市學院,甘肅蘭州 730070; 2.甘肅省農業科學院,甘肅蘭州 730070; 3.蘭州市園藝學校,甘肅蘭州 730070)

基于GIS的張掖市甘州區耕地地力評價

李慧芳1，楊虎德2*，鄭隆舉1，王小靜3

(1.蘭州城市學院,甘肅蘭州 730070; 2.甘肅省農業科學院,甘肅蘭州 730070; 3.蘭州市園藝學校,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,促進現代農業發展的重要基礎工作。本文運用GIS技術,將土壤圖、土地利用現狀圖和村級行政圖進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重,對甘州區耕地進行綜合評價。評價結果顯示,甘州區耕地中2級和3級耕地占耕地面積的絕大部分,評價結果與現實情況相符。

關鍵詞：GIS;耕地地力評價;評價因子;耕地資源信息化

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

耕地地力是構成耕地的各種自然因素和環境條件狀況的總和,表現為耕地生產能力、產品質量的高低和耕地環境狀況優劣。耕地地力不僅受氣候、地形、土壤等自然因素影響,還受農田灌排基礎設施、水土保持設施等眾多社會經濟因素的影響[1]。耕地地力的內涵包括耕地基礎地力、土壤肥力、土壤健康、耕地生產力等幾個概念。耕地地力評價可分為以產量為依據的耕地當前生產能力評價和以自然要素為主的生產潛力評價。生產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前生產條件下,在各種自然要素相互作用下耕地所表現出來的潛在生產能力。

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,促進現代農業發展的重要基礎工作,對確保糧食生產安全和農產品質量、指導農作物的科學布局規劃、合理開發利用耕地資源,以及對耕地質量實行動態監測與管理均具有十分重要的現實意義[2]。

本文以張掖市甘州區的耕地資源為研究對象,運用遙感技術獲取最新土地利用現狀,利用全球定位系統準確定位采樣調查點,結合GIS技術對耕地、土壤、農田水利、農業經濟等方面的空間數據與屬性數據進行統一管理,并在此基礎上應用層次分析法進行耕地適宜性、耕地地力、土壤環境質量等相關評價,從而為農業生產決策服務。

1　研究區情況

1.1研究區氣候特點

張掖市甘州區地處甘肅省西北部,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。甘州區境內地勢平坦,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,農業發達,古稱“金張掖”,司馬光在《資治通鑒》中曰“天下富庶莫如隴右”,現為我國重要的玉米商品種子生產基地。

1.2研究區土壤類型

由于中小地形、水文地質和人類生產活動的影響,甘州區土壤呈現地域性土類間和土種間復區分布,土壤種類也比較多。根據土壤普查報告,在甘州區有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

通過收集各種數據,建立耕地地力信息數據庫,運用土壤圖、土地利用現狀圖、村級行政圖互相疊加,確定評價單元,最后在評價單元上應用專家評議確定的評價因子及權重,實現涼州區的耕地地力評價。技術路線見圖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:野外調查資料、化驗分析資料、社會經濟等屬性資料。

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,包括其發生、發育、分布、生產性能、障礙因素等;土地利用現狀調查資料,包括土地詳查資料,基本農田保護區劃定資料;統計資料,包括近3年農業生產統計資料,土壤監測,田間試驗,各鄉鎮歷年化肥、農藥、除草劑等農用化學品使用情況,農作物布局等。

評價過程土壤養分資料采用的為2006—2007年的數據,合計3 684條記錄,剔除試驗同一樣點的多次測定值97個,只保留基礎樣品數據,參與耕地質量評價的數據記錄為3 640個。以《縣域耕地資源管理信息系統數據字典》為標準,導入甘州數據,根據數據庫自檢功能,使數據符合數據字典規范。

2.3圖形數據矢量化

甘州區地圖采用1∶5萬地形圖為空間數學框架基礎。投影方式為高斯-克呂格投影,6度分帶。坐標系及橢球參數為北京54坐標系克拉索夫斯基橢球。高程系統為1956年黃海高程基準。

空間數據庫的內容包括地形圖、土壤圖、土地利用圖、行政區劃圖、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。應用ArcGIS軟件,在1∶1 500比例尺下完成配準、描繪等數字化處理。

圖2為甘州區土壤圖,根據甘州區縣級土種分類代碼,將轄區內土壤劃分為11個土類,26個亞類,36個土屬,75個土種,另加9個亞類和14個土屬未再續分,共98個基礎上圖分類單元,968個圖斑。圖3為甘州區土地利用現狀圖。

2.4生成面數據

根據甘州區采樣點數據進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域,將不連續的點狀數據形成連續的面狀區域,來描述整個研究區域的養分空間變異特征。在本次插值中,通過ArcGIS軟件,選擇克里格插值法進行插值,使點數據轉化為面數據,計算出評價單元因子數值。圖4是甘州區2006年采樣點分布圖,圖5是根據這些點上的數據進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分等評價因子的面狀數據。

2.5建立基于GIS平臺的數據庫

評價單元的屬性信息用Access數據庫錄入,建立和評價單元圖相對應的內部標識碼,應用GIS技術實現圖和屬性的鏈接。

圖2　甘州區土壤分布

圖3　甘州區土地利用現狀

圖4　甘州區采樣點分布

圖5　甘州區土壤全磷分布

按照數據字典建立屬性數據的采集標準。采集標準包含對每個指標完整的命名、格式、類型、取值區間等定義。在建立屬性數據庫時按數據字典要求,制訂統一的基礎數據編碼規則,進行屬性數據錄入(表1)。

屬性數據庫的內容包括田間試驗數據、土壤與植株測試數據和田間基本情況、施肥情況調查數據及農戶調查等。屬性數據庫的建立獨立于空間數據,按照數據字典要求在Access下建立。

表1　屬性數據庫表名稱

2.6 確定評價因子

評價因子和權重的確定是整個耕地地力評價過程的關鍵[3],所以嚴格遵循評價因子的原則選取,經過專家會議反復討論,剔除對評價目標影響較小或不穩定的因子,使得最后確定的評價因子的影響都很顯著,穩定性好,而且因子之間的相關性較弱。

從全國耕地地力評價因子總集65項指標[4]中選取11項指標,其中:氣候2項,剖面性狀2項,耕地理化性狀2項,耕層養分狀況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:質地構型;有效土層厚度。

耕地理化性狀:質地; pH值。

耕層養分狀況:有機質(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(mm)。

2.7確定權重

層次分析法的基本原理是把復雜問題中的各個因素按照相互之間的隸屬關系排成從高到低的若干層次[5],根據對一定客觀現實的判斷,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,將復雜的土壤系統層次化,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;質地數據質量不好,用鹽分危害程度代替;大于20 cm以上砂粘土層算夾層土體。評價指標中,5項指標為概念函數,6項指標是數值型函數。表2是專家評議出來的各因子的權重。

表2　專家評議各因子權重

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,在評價系統中是用于制圖的區域,在生產上用于實際的農事管理,是耕地地力評價的基礎[7]。甘肅省土壤肥料工作站推薦用土壤圖、土地利用現狀圖和村級行政圖疊加產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系明確,有準確的面積,地貌類型及土壤類型一致,利用方式及耕作方法基本相同,這樣得出的評價結果不僅可應用于農業結構調整規劃,還可以用于指導實際的農事操作,為實施測土配方施肥工作奠定良好的基礎。

依據評價單元不宜過細過多的原則進行綜合取舍和其他技術處理,最終確定甘州區耕地地力評價單元9 369個。

3　結果與分析

3.1土地利用現狀分析

甘州區土地總面積366 443.3 hm2,農用地277 506.5 hm2,占全區土地總面積的75.7%;建設用地12 838.7 hm2,占3.5%;未利用地76 098.2 hm2,占20.8%。農用地中,耕地89 260.2 hm2,占全區農用地總面積的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%;其他農用地15 257.7 hm2,占5.5%。

3.2耕地地力分析

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