基于GIS的河西走廊灌溉农业区耕地地力评价研究*——以甘肃省肃州区耕地地力评价为例

崔增团，郭世乾

(甘肃省农业节水与土壤肥料管理总站，兰州 730020)

耕地质量是确保国家粮食安全和农产品质量安全的基础，没有可靠的耕地质量，就不可能从根本上保障我国粮食安全和食品安全。耕地地力是耕地质量的集中反映，包括耕地的立地条件、土壤条件和农田基础设施及培肥水平等［1-2］。近年来，随着“3S”技术不断发展，已在农业领域得到广泛应用。如吴立忠以麦积区为例对黄土高原丘陵沟壑区耕地地力进行了评价研究［3］，鲁明星等以鄂州市为例选择了13个评价因子开展了基于GIS的华中丘陵区的耕地地力评价研究［4］。林碧珊等以土种为单元，采用限制因素法和综合归纳法，对广东省耕地地力因素进行系统分析和评比，评价耕地 (土种)地力等级［5］。

河西走廊灌溉农业区是我国著名的灌溉农业区，也是我国主要的商品粮生产基地、玉米制种基地及经济作物集中生产基地。该研究结合农业部耕地地力调查项目，借助于GIS技术，综合运用层次分析、模糊数学方法，以肃州区为例，探究其影响河西走廊灌溉农业区耕地地力的主要因素，开展耕地地力评价，摸清河西走廊灌溉农业区耕地综合生产能力。

1 研究区域情况与条件

1.1 研究区域基本情况

甘肃省肃州区位于河西走廊中部的西端，东接高台县，北连金塔县，西邻嘉峪关市，南与肃南县接壤，地处北纬39°10＇～39°59＇，东经 98°20＇～99°18＇范围之内，海拔 1 340 ～2 200m 之间。东西长约104km，南北宽约84km，总面积3 449.5km2，耕地面积4.58万hm2。年平均气温7.3℃，年平均降水量85.3mm，年平均蒸发量为2 148.8mm，年平均日照时数为3 033.4小时。可利用的水资源总量为15.46亿m3，其中可利用的地表水6.98亿m3，可利用的地下水8.52亿m3，是典型的内陆干旱荒漠绿洲灌溉农业区，没有灌溉就没有农业。全区辖15个乡镇，10个国营农林场，124个村民委员会，790个村民小组。农村总户数5.87万户，农村总人口21.78万人，农村从业人员11.97万人。境内地势平坦，土壤肥沃，水源充足，是一个人口密集，人多地少，耕地资源十分紧张的区 (县)。耕种土壤主要为灌漠土和潮土。

1.2 研究条件

属性数据库的建立主要应用ArcGIS 9.3及Microsoft Office Access 2007数据库软件，空间数据库的建立主要应用ArcGIS 9.3软件，评价指标的隶属函数模型建立与层次分析主要应用SPSS 13.0进行分析。

2 研究方法

2.1 评价单元的确定

利用ArcGIS 9.3软件对1∶5万土地利用现状图、土壤图、行政区划图、水利分区图、地貌类型图进行叠加求交，共生成4 526个评价单元，使单元空间界线及行政隶属关系明确，有准确的面积，地貌类型及土壤类型一致，利用方式及耕作方法相同，便于农业结构调整规划和指导实际的农事操作为原则。

2.2 评价指标的确定

2.2.1 确定原则

以选取的指标对耕地生产力有较大的影响、在评价区域内的变异较大、在时间序列上具有相对的稳定性、与当前生产密切相关等为原则。

2.2.2 确定方法

邀请18位有关专家在全国66个评价指标中采用特尔斐法和模糊评价法进行选取。

2.2.3 评价指标

确定土壤侵蚀程度、海拔高度、有效土层厚度、质地构型、剖面构型、有机质、有效磷、速效钾、障碍层厚度、1m土层含盐量、障碍层出现位置、灌溉模数、灌溉保证率13项指标耕地地力评价指标。

2.3 数据库的建立

海拔高度指标的获取，利用ArcGIS9.3软件对肃州区地形图进行DEM分析以后，采用区域统计加权平均的方法将值赋给相应的评价单元。

有机质、有效磷、速效钾、1m土层含盐量等指标的获取，是以肃州区耕地地力调查项目中用GPS准确定位采集的4 600个耕层调查样，按照按常规方法进行化验分析［6］，经地统计分析符合空间插值条件，利用ArcGIS中普通Kriging插值方法进行空间插值。

有效土层厚度、质地、剖面构型、障碍层厚度、障碍层出现位置、土壤侵蚀程度是通过土壤图关联属性数据以后，生成评价单元过程中直接赋值。

灌溉模数、灌溉保证率是通过1∶5万灌溉分区图与管理单元图叠加以后，进行属性提取。

2.4 单因素评价

2.4.1 概念性指标评价

概念型指标评价采用专家经验法，直接对评价单元进行模糊评价确定隶属度 (表1、表2、表3、表4，表5)。

表1 土壤侵蚀程度隶属度

表2 质地构型隶属度

表3 灌溉保证率隶属度

表4 灌溉模数隶属度

表5 剖面构型隶属度

2.4.2 数值性指标评价

数值型指标采用特尔斐法和模糊评价法，用SPSS 13.0软件建立评价指标实际值和代表生产力水平的隶属度 (0～1值)间隶属函数模型 (表6)。

表6 数值型评价指标的隶属函数类型

2.5 计算评价指标权重

表7 各个因素的组合权重计算结果

采用层次分析法确定每一个评价因素对耕地地力贡献大小。依据14项指标要素间的关系，构造层次结构图，比较同一层次各因素对上层次的相对重要性，给出数字化的评估，形成判断矩阵，计算层次分析结果 (表7)。

2.6 计算耕地地力综合指数 (IFI)

利用前面2.2节至2.5节中选择的评价指标及各指标隶属度、隶属函数模型和组合权重，采用加法模型 (下式)计算耕地地力综合指数IFI:

式中:IFI(Integrated Fertility Index)代表耕地地力指数;

F i=第i个因素隶属度;CiBi=第i个因素的组合权重。

2.7 确定耕地地力综合指数分级方案

利用SPSS 13.0分析软件评价耕地地力，采取累积曲线分级法划分耕地地力等级，将肃州区耕地地力划分为4级 (表8)。

2.8 确定国家耕地地力等级

在每一个地力等级上选取10%的管理单元，获得了453个管理单元上的IFI值，并获取了所选取的管理单元上近3年实际的年平均产量，然后对所选管理单元上的IFI值和实际产量进行回归模拟，r=0.89＊＊，计算各相应等级上的概念性产量，按照农业部《全国耕地类型区耕地地力等级划分》标准归入以概念性产量表示的地力等级体系 (表8)。

表8 肃州区耕地地力等级与国家地力等级划分

3 结果与分析

3.1 各级等级基本情况

由表8可见，肃州区总耕地面积为4.58万hm2，耕地地力等级可分为4个等级，一、二、三等地占的比例较大，分别为36.1%、37.2%和21.6%，占总耕地的94.9%，四等地占的比例较小，为5.1%。根据《全国耕地类型区耕地地力等级划分》农业行业标准，肃州区一至四等地，分别对应国家三至六等地。

3.2 耕地地力等级空间分布特点及土壤属性分析

由图1、表9可知，肃州区一等地主要分布在肃州区北部地区，土种以灌淤土和潮土为主，地貌类型以倾斜冲洪积平原为主，耕层质地构型以轻壤质和中壤质为主，灌溉保证率均在75%以上，土层厚，有效土层厚度大于1m，地势平坦，降水量少，无明显障碍层，耕层土壤盐分平均含量为0.26%，土壤理化性状良好，可耕性强。耕层土壤pH值为8.56，有机质14.86g/kg，有效锌 1.19mg/kg，有效磷 18.39mg/kg，速效钾 160.69mg/kg，碱解氮 72.45mg/kg。

图1 肃州区耕地地力等级

二等地主要分布在肃州区中北部的各乡镇以及西南部的部分乡镇，土种以潮土和灰棕漠土为主，地貌类型以浅山区和低洼地为主，耕层质地构型以均质轻壤、均质中壤和夹黏中壤为主，灌溉保证率在65%以上，有效土层厚度在29～100cm，降雨量少，有明显障碍层，耕层土壤盐分平均含量为0.22，有轻度盐碱危害，可耕性较强。耕层土壤pH值为8.54，有机质14.27g/kg，有效锌1.22mg/kg，有效磷18.10mg/kg，速效钾149.53mg/kg，碱解氮68.68mg/kg。主要影响因素是土壤障碍层位置和厚度。

表9 不同等级土壤属性分析

三等地主要分布在肃州区中部西洞镇、清水镇、黄泥堡乡、丰乐乡、铧尖乡，土种以灰棕漠土为主，耕层质地构型以均质轻壤、夹黏中壤和夹砂轻壤为主，灌溉保证率均在65%以下，有效土层厚度在29～100cm，降雨量少，海拔高，有明显障碍层，1m土层盐分含量平均值为0.26%，土壤理化性状良好，可耕性较强。耕层土壤pH值为8.54，有机质14.68g/kg，有效锌1.20mg/kg，有效磷18.14mg/kg，速效钾157.07mg/kg，碱解氮70.25mg/kg。主要影响因素是盐碱危害，土层中存在障碍层。

四等地主要分布在肃州区祁连山一带。土种以山地灰棕漠土为主，地貌类型为缓坡地，耕层质地构型以均质中壤和均质轻壤为主，灌溉保证率均在65%以上，有效土层厚度22～48cm，土层薄，有明显障碍层，耕层土壤盐分含量平均值为0.25%;受盐碱和风蚀危害，可耕性较好。耕层土壤pH值为8.54，有机质 13.97g/kg，有效锌 1.19mg/kg，有效磷 17.78mg/kg，速效钾 149.91mg/kg，碱解氮 69.53mg/kg。主要影响因素为灌溉保证率差。

4 结论

(1)以甘肃省肃州区为例，应用GIS技术，结合层次分析法和模糊数学综合评价方法等现代统计分析技术对河西走廊灌溉农业区耕地地力评价指标权重分析结果表明，剖面构型、障碍因素、土壤管理是影响该区域耕地生产潜力最重要的因素，其重要程度依次为:剖面构型＞障碍层位置＞质地构型＞灌溉保证率＞土体含盐量＞有机质＞有效土层厚＞海拔高度＞障碍层厚度＞有效磷＞灌溉模数＞土壤侵蚀程度＞速效钾。

(2)肃州区耕地地力等级可分为4等，一、二、三等地占的比例较大，分别为36.1%、37.2%和21.6%，占总耕地的94.9%，四等地占的比例较小，为5.1%。与国家耕地地力等级对比，肃州区一至四等地，分别对应国家三至六等地，该区域耕地综合生产能力普遍较高。

(3)从肃州区耕地地力评价结果及属性分析，一等地应主要测土推广配方施肥技术，加强耕地保护和建设;二等地除推广测土配方施肥外，还要注意深耕，加强水肥管理;三等地应大力推广防盐碱技术，增施有机肥，推广绿肥种植，还应加强水利设施建设，提高灌溉保证水平;四等地应大力发展农业节水技术，如应推广地膜覆盖防渗技术，渠道防渗技术，膜下滴灌技术，提高水分利用效率。

［1］王蓉芳，曹富有，彭世琪，等.中国耕地基础地力与土壤改良.北京:中国农业出版社，1996

［2］赵其国，孙波，张桃林.土壤质量与持续环境:l.土壤质量的定义及评价方法.土壤，1997，29(3):113～120

［3］吴立忠，郭世乾，张保田.基于GIS的黄土高原丘陵沟壑区的耕地地力评价研究——以天水市麦积区耕地地力评价为例.中国农业资源与区划，2009，30(6):35～40

［4］鲁明星，贺立源，吴礼树，等.基于GIS的华中丘陵沟壑区的耕地地力评价研究.农业工程学报，2006，22(8):96～101

［5］林碧珊，汤建东，张满红.广东省耕地地力等级研究与评价.生态环境，2005，14(1):145～149

［6］鲍士旦.土壤农化分析.北京:中国农业出版社.2000