土地生產(chǎn)力評價模型研究進展

王 賓，田軍倉

（1.銀川能源學院，寧夏銀川750105；2.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏銀川750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川750021；4.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用工程研究中心，寧夏銀川750021）

土地生產(chǎn)力評價模型研究進展

王 賓1，田軍倉2，3，4

（1.銀川能源學院，寧夏銀川750105；2.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏銀川750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川750021；4.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用工程研究中心，寧夏銀川750021）

土地生產(chǎn)力是衡量土地作物生產(chǎn)能力的重要指標。總結(jié)了國內(nèi)外有關(guān)土地生產(chǎn)力評價的方法和模型，土地生產(chǎn)力的評價主要是針對不同的評價區(qū)域創(chuàng)建適宜的評價模型，不同地區(qū)的學者提出了自己的評價觀點；并指出了土地生產(chǎn)力評價研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

土地生產(chǎn)力；模型；評價；發(fā)展趨勢

我國人口眾多，耕地資源緊張。近幾年，隨著城市工業(yè)化的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的日趨惡化，近10 a來，我國每年耕地面積減少40萬～47萬hm2。對農(nóng)業(yè)土地生產(chǎn)力進行評價，建立可行性的評價指標體系和評價方法，可為土地的可持續(xù)發(fā)展提供重要的理論依據(jù)。土地生產(chǎn)力評價的方法較多，應(yīng)用較廣泛的是指數(shù)模型評價方法，該方法在不同的地域可以結(jié)合本地域的特色進行評價。

本研究對國內(nèi)外土地生產(chǎn)力的評價從模型、3S技術(shù)等方面進行了綜述。

1 土地生產(chǎn)力評價的起源與發(fā)展

20世紀30年代初期，美國土壤保持局正式公布了土地潛力分類，1961年，世界上第1個土地評價系統(tǒng)由美國農(nóng)業(yè)部土頒布[1]。繼美國之后，加拿大和英國的相關(guān)部門也出臺了土地潛力分類評價系統(tǒng)[2]。20世紀70年代，聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）推出了一個土地生產(chǎn)力綜合評價指數(shù)（PI）模型，后來的科研工作者不斷地對其進行修訂，研究基于土壤侵蝕、不同作物根系等對土地生產(chǎn)力的影響，進而提出修訂后的不同PI模型。

國內(nèi)土地生產(chǎn)力的評價發(fā)展比較迅速，20世紀70—80年代，中國科學院地理科學與資源研究所按照統(tǒng)一規(guī)范進行了我國首次大規(guī)模的土地利用調(diào)查研究。1986年，中國科學院綜合考察委員會首次開展全國大規(guī)模的土地資源承載力研究，對我國的土地、人口與糧食之間的關(guān)系進行了綜合研究[3]。20世紀90年代，GIS技術(shù)以及遙感技術(shù)開始應(yīng)用于我國的土地資源調(diào)查[4-5]。1992年，劉紀遠在“國家資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動態(tài)研究”項目中首次運用GIS和遙感技術(shù)，構(gòu)建了我國第1個土地資源分類的資源數(shù)據(jù)庫。

2 國內(nèi)外土地生產(chǎn)力評價研究現(xiàn)狀

2.1 國外土地生產(chǎn)力評價研究現(xiàn)狀

2.1.1 因子分數(shù)和評價模型 1962年，羅馬尼亞農(nóng)業(yè)部門將土壤、氣候、地貌等圖綜合編制TEO圖，利用因子分數(shù)之和模型進行土地評價。該模型簡單實用，利用因子分數(shù)之和繪制的TEO圖，進行簡單的土地生產(chǎn)力評價。缺點是不能綜合不同作物對土地生產(chǎn)力的影響。

2.1.2 FAO土地生產(chǎn)力綜合評價指數(shù)模型 20世紀70年代，聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）推出了一個土地生產(chǎn)力綜合評價指數(shù)（PI）模型[6]。

式中，F(xiàn)1為土壤有機質(zhì)含量，F(xiàn)2為土壤速效磷含量，F(xiàn)3為土壤速效鉀含量，F(xiàn)4為土壤全氮含量；pH為土壤酸堿度，Q為土壤機械構(gòu)成，T為土壤有效厚度，P為光熱條件（≥0℃積溫），E為水分供應(yīng)能力和地形的高程，G為地面坡度。

該模型可應(yīng)用于一般的土地生產(chǎn)力評價，模型以自然條件狀態(tài)下的土壤為研究對象，認為土壤的物理條件、化學條件和生態(tài)條件對生產(chǎn)力起著重要作用。

2.1.3 土壤侵蝕對土地生產(chǎn)力影響模型 Pierce等[7]利用生產(chǎn)力指數(shù)模型研究長期土壤侵蝕對土地生產(chǎn)力的影響，指數(shù)模型表述如下。

式中，A，C，D為0～1之間的數(shù)，表示3因素對根生長的滿足程度；WFi為各土層理想的根分布狀況；n為100 cm厚土壤的分層數(shù)量。

該模型考慮到作物生長的差異性對土地生產(chǎn)力的影響，綜合考慮土壤侵蝕方面的影響，來模擬土地生產(chǎn)力的變化趨勢。該模型主要是評估土壤條件是否適宜根系的生長。

2.1.4 土地潛力生產(chǎn)力指數(shù)模型 1983年Kiniry等[8]和Pierce等[9]提出土地潛力生產(chǎn)力的評價模型，認為生產(chǎn)力指數(shù)（PI）應(yīng)由根系分布范圍內(nèi)各土層根系生長限制因子賦值并相乘，然后將各層次的值按根系分布權(quán)重求積求和得出。模型的一般表達式為如下。

式中，A，B，C為根系生長限制因子；WF為權(quán)重因子；i，n分別為土層序號及土層數(shù)。

該模型從作物的生長根系分布在土層根系的生長限制因子出發(fā)，多層次考慮權(quán)重影響，適合于單一作物的土地潛力生產(chǎn)力的評價。

2.1.5 林地生產(chǎn)力的PI指標模型 20世紀70年代，美國的Gale等[10]通過定量方法研究根系在不同深度土層中的分布，并根據(jù)土壤物理性質(zhì)和地形等因子對樹木根系分布特征值的影響，提出了評價林地生產(chǎn)力的PI（Productivity Index）指標法。該模型注重土壤的物理性質(zhì)和地形對森林植被的影響，能較好地評價林地基于不同植被的生產(chǎn)力特征。

2.1.6 土地評價和立地評價系統(tǒng) 20世紀80年代以來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及其地理信息系統(tǒng)在土地資源評價中的應(yīng)用，土地資源評價的理論和方法更加具有綜合性和精確性。隨著人們對可持續(xù)發(fā)展認識的提高，20世紀90年代以來，持續(xù)土地利用管理評價理論有了具體的表現(xiàn)，這是土地評價發(fā)展的新趨勢[11]。

2.2 國內(nèi)土地生產(chǎn)力評價研究現(xiàn)狀

2.2.1 最低因子限制指數(shù)模型 沈思淵等[12]根據(jù)淮北渦河流域的特點，進行土地自然生產(chǎn)潛力影響動態(tài)模型分析，研究認為，影響農(nóng)業(yè)自然生產(chǎn)力的因子是土壤養(yǎng)分，土壤的限制主要取決于最低影響因子數(shù)。

式中，Is為土壤肥力指數(shù)；Z為土壤剖面指數(shù)；T為表土質(zhì)地指數(shù)；B為土壤耕層結(jié)構(gòu)指數(shù)；Om為土壤有機質(zhì)指數(shù)；H為土壤實測的pH值；Ec為土壤代換量指數(shù)；Nu為土壤養(yǎng)分指數(shù)。

該模型主要分析限制因子對土地生產(chǎn)力的影響，能夠合理地得出土地肥力指數(shù)，進而分析土地生產(chǎn)力的影響因素。

2.2.2 礦區(qū)耕地生產(chǎn)力評價IFI模型 魯葉江等對[13]山東兗州礦區(qū)進行了研究，采用層次分析法和IFI模型對采煤礦區(qū)耕地生產(chǎn)力進行了評價，結(jié)果表明，該模型能很好地適用于礦區(qū)被破壞耕地評價定級。IFI的計算模型如下。

其中，Wi表示第i評價指標的權(quán)重；Ui表示第i評價指標的隸屬度值。

采用層次分析法和IFI模型綜合對礦區(qū)耕地生產(chǎn)力進行評價，評價模型考慮到評價指標所占的權(quán)重，避免了人為因素對生產(chǎn)力評價的影響。

2.2.3 煤矸石充填復(fù)墾區(qū)土壤生產(chǎn)力評價MPI模型 劉會平等[14]以淮南礦區(qū)新莊孜煤礦土地復(fù)墾區(qū)為研究對象，研究了不同覆土厚度的煤矸石充填復(fù)墾區(qū)土壤生產(chǎn)力狀況，運用MPI模型，對不同覆土厚度的復(fù)墾地塊生產(chǎn)力進行評價。

劉青柏等[15]應(yīng)用復(fù)墾土壤生產(chǎn)力指數(shù)的修正模型（MPI）對阜新礦區(qū)矸石山復(fù)墾土地生產(chǎn)力進行了評價，結(jié)果表明，MPI模型考慮了影響土壤生產(chǎn)力的因子間相關(guān)性和時空變異性，此模型適用于矸石山復(fù)墾土壤生產(chǎn)力的質(zhì)量評價。

MPI考慮土壤因子時空變異和養(yǎng)分因子與環(huán)境因子相關(guān)性，從不同土層的各個樣點環(huán)境因子出發(fā)，應(yīng)用向量的理論進行分析，并采用因時空變異而加的修正系數(shù)進行修訂，對于復(fù)墾土地生產(chǎn)力的評價有一定的意義。

2.2.4 中國北方耕地PI模型 孫振寧等[16]以我國北方4個耕地類型區(qū)為研究區(qū)域，采用生產(chǎn)力指數(shù)模型PI，對北方土壤生產(chǎn)力進行評價，得出東北黑土區(qū)、北方平原區(qū)、北方山地丘陵區(qū)和黃土高原區(qū)具體PI數(shù)值。采用的PI模型如下。

式中，A代表土壤有效含水量的適宜度；C代表土壤容重適宜度；D代表土壤pH值的適宜度，O代表有機質(zhì)指標；WF為指標權(quán)重系數(shù)。

王恩利等[17]采用FAO計算作物生產(chǎn)力的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域法，對黃淮海地區(qū)冬小麥、夏玉米生產(chǎn)力進行評價，認為作物生產(chǎn)力的高低，主要依賴于當?shù)氐臍夂蛸Y源（輻射、溫度、水分等）、土地資源（土質(zhì)、土層厚度、土壤肥力、有機質(zhì)含量等）和人工投入的物質(zhì)能量和技術(shù)。

我國北方耕地PI模型采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)力指數(shù)模型進行評價，評價指標選取靈活，適用于大多數(shù)的土地生產(chǎn)力的評價，但在多作物的土地上，此模型的評價還具有一定的局限性。

2.2.5 土地生產(chǎn)力多因素綜合評價模型 韓榮青[18]以主要作物類型為對象，對招遠市域主要作物的土地生產(chǎn)力評價進行了研究，評價采用層次分析法（AHP）對指標權(quán)重進行確定，采用多因素綜合評價模型。

式中，S為某評價單元分值，Wi為第i個因子的權(quán)重，Ci為評價單元對應(yīng)的第i個分子分值，n為因子總數(shù)。

趙忠等[19]利用層次分析法（AHP）對陜西省淳化縣嘴頭村、西坡村的坡地自然生產(chǎn)力（NSP）進行了評價。評價指標選取對黃土溝坡地自然生產(chǎn)力有重要影響的土壤理化性質(zhì)和樹種根系分布特性，共兩大類9個指標作為自然生產(chǎn)力的評價指標。

李鵬等[20]對渭北黃土高原地區(qū)溝坡地進行生產(chǎn)力評價，從層次分析法對溝坡地自然生產(chǎn)力、現(xiàn)實生產(chǎn)力進行了評價。采用NSPI模型對溝坡地的自然生產(chǎn)力和現(xiàn)實生產(chǎn)力進行評價。

式中，i為評價因子編號；n為評價因子總數(shù)；Xi為某評價因子；Wi為某評價因子權(quán)重。

土地生產(chǎn)力多因素綜合評價法，考慮到各評價因子之間的相互影響，注重各因子之間的權(quán)重，避免了單一因素過多從而限制計算結(jié)果，此方法多適用于復(fù)雜情況下的土地生產(chǎn)力評價。

2.2.6 基于GIS技術(shù)的土地生產(chǎn)力評價 俞聯(lián)平等[21]以甘州區(qū)天然草原為研究對象，利用3S技術(shù)對其進行生產(chǎn)力評價，結(jié)果表明，土壤調(diào)整植被指數(shù)（MSAVI）與產(chǎn)量之間存在很好的正相關(guān)關(guān)系。

劉海斌等[22]利用地理信息系統(tǒng)GIS技術(shù)，對評價指標專題圖進行疊加運算處理后，將黃土塬區(qū)西坡村土地歸并劃分為39個生產(chǎn)力單元，并利用修正后的生產(chǎn)力指數(shù)（PI）模型和投入產(chǎn)出方法，計算得出其潛在生產(chǎn)力與現(xiàn)實生產(chǎn)力。修正后的PI模型如下。

式中，PI為生產(chǎn)力指數(shù)，無量綱；A為有機質(zhì)適宜度；B為全氮適宜度；C為全磷適宜度；D為坡度適宜地；E為土壤適宜度，WF為權(quán)重因子。

尹少鵬[23]選取ARCVIEW軟件，利用其二次開發(fā)語言，進行了基于GIS技術(shù)的土地生產(chǎn)力評價信息系統(tǒng)的設(shè)計研究，并把土壤侵蝕模型、生產(chǎn)潛力模型、成本效益模型等進行空間分析及模型的建立和運算。

崔青春等[24]研究了GIS與土地生產(chǎn)力評價模型的集成，認為土地生產(chǎn)力評價模型與GIS集成的實現(xiàn)包含地理信息系統(tǒng)、土地生產(chǎn)力評價的數(shù)學方法及模型庫、數(shù)據(jù)分析、成果輸出、戰(zhàn)略制定和執(zhí)行5部分。

歐陽進良等[25]根據(jù)地理信息系統(tǒng)，以曲周縣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況為研究對象，采用指數(shù)和法（i）進行土地綜合生產(chǎn)力評價與土地質(zhì)量變化的研究。

式中，F(xiàn)i為某因素的分等定級值，Wi為該因素對土地質(zhì)量的影響權(quán)重。

2001年，侯西勇[26]進行了長清縣土地資源生產(chǎn)力、生產(chǎn)潛力及耕地增產(chǎn)潛力的評價研究，研究采用地理信息系統(tǒng)GIS為平臺進行生產(chǎn)力的評價，研究認為，生產(chǎn)力的影響有自然條件影響和社會經(jīng)濟條件影響2個方面，其評價應(yīng)從2個方面展開。

基于GIS技術(shù)的土地生產(chǎn)力評價能很好地把傳統(tǒng)意義上的評價結(jié)果直觀地變現(xiàn)于地理信息系統(tǒng)中，在GIS平臺上，研究者可以很好地對各種模型的計算結(jié)果進行對比，從而得出不同評價模型對生產(chǎn)力評價結(jié)果的影響，可以對比不同的評價方法，進而得出較為合理的評價模型。

3 存在的問題

土地生產(chǎn)力的評價主要是從PI指數(shù)模型出發(fā)，結(jié)合評價區(qū)的特點，研究適合本區(qū)域的土地生產(chǎn)力評價模型，修訂后的PI模型，能從實際出發(fā)，解決本區(qū)域在土地生產(chǎn)力評價上的不足。同時，考慮到不同評價因子之間的影響，多因素綜合評價模型也被越來越多地采用。由上述分析可知，國內(nèi)外的土地生產(chǎn)力評價模型各有特點，但同時也存在以下幾方面的問題。

3.1 模型的準確性難以把握

目前，土地生產(chǎn)力評價模型種類較多，具體在實際中采用哪種模型，還存在很大爭議。傳統(tǒng)的PI模型雖適用于大多數(shù)土地生產(chǎn)力的評價，但是在實際選用的過程中，還存在不同作物對土地生產(chǎn)力的影響，PI模型就沒能考慮到這一點，其他修訂后的PI模型僅僅是研究者在當?shù)匦^(qū)域范圍內(nèi)進行的短時間的評價，并沒用經(jīng)過實際的檢驗、修正。因此，準確性很難把握。

3.2 評價模型難以操作

在實際的土地生產(chǎn)力評價模型因子的選取過程中，模型精度越大，選取的因子也越多，而因子之間的相互影響又難以操作。因此，計算或估算的操作程度很難把握。

3.3 評價模型的選擇存在困難

評價模型具體采用哪種，才能適合本區(qū)域的地理狀況，在實際的評價過程中還存在如何選擇的問題。本研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的研究者僅僅是在重復(fù)以前的評價模型，具體的評價模型對本地區(qū)的實用性有多大，并沒有很好地分析；另外，不同模型的計算結(jié)果也有差異，具體選擇的模型是否合理還存在一定的爭議。

4 土地生產(chǎn)力評價發(fā)展趨勢

國外土地生產(chǎn)力的評價發(fā)展較為迅速，所建立的評價模型也具有較好的實用性，其中，F(xiàn)AO提出建立的PI模型具有代表性，能應(yīng)用于一般的土地生產(chǎn)力評價。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，20世紀以來，國外土地生產(chǎn)力的評價向著信息化方面發(fā)展。

國內(nèi)土地生產(chǎn)力評價的發(fā)展主要是從模型方面和基于3S技術(shù)方面來說，模型方面，國內(nèi)學者從不同作物、不同土地類型來進行生產(chǎn)力的評價，并劃分相應(yīng)的評價等級，取得了一定的成績。3S技術(shù)方面，國內(nèi)學者從相應(yīng)的GIS平臺設(shè)計開發(fā)評價信息系統(tǒng)，為土地生產(chǎn)力的評價提供了信息化支持。

國內(nèi)外對土地生產(chǎn)力的評價已經(jīng)取得了一定的成果。在評價模型上整合區(qū)域特色采用合適的模型進行評價，但是僅依靠模型進行評價數(shù)據(jù)工作量大；隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，土地生產(chǎn)的評價越來越多地依靠GIS軟件來進行評價指標的空間展示和評價模型的計算。另外，根據(jù)土地生產(chǎn)力評價的實際需求，在GIS平臺開發(fā)出相應(yīng)的土地生產(chǎn)力評價信息系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢之一。

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Research Progress on Land Productivity Evaluation Model

WANGBin1，TIANJuncang2，3,4
（1.Yinchuan EnergyInstitute，Yinchuan 750105，China；2.College ofCivil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China；3.Research Center ofWater-savingIrrigation and Water Resource Regulation and Control Engineering Technologyin Ningxia，Yinchuan 750021，China；4.Research Center ofModern Agricultural Water Resources Efficient Utilization Engineeringin Arid Region，Yinchuan 750021，China）

Land productivity is an important indicator to measure land crop production capacity.This paper reviews the methods and models on the assessment of land productivity,land productivity evaluation is mainly aimed at creating appropriate evaluation areas. The scholars of different parts put forward their own point of view.Finally,this paper points out the trend of developments in the field of land productivityassessment.

land productivity;model；evaluate;development trends

F323.211

A

1002-2481（2016）08-1232-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.08.43

2016-04-12

國家科技支撐計劃課題（2007BAQ0005501）；銀川能源學院科研項目（2014KYZ05）

王 賓（1984-），男，山東濰坊人，工程師，碩士，主要從事精準節(jié)水灌溉與信息系統(tǒng)新技術(shù)研究工作。田軍倉為通信作者。