论文部分内容阅读
[摘 要] 在对隆化县耕地地力评价因子4大类10项指标的全面分析基础上，确定单因子权重和单因子隶属度，在ＧＩＳ（地理信息系统）技术系统的支持下，对全县耕地生产潜力作出正确评价，并对周边相同条件的县域耕地地力评价起到借鉴作用。
[关键词] 隆化县；耕地地力；指标分析
耕地是土地的精华，是人类物质产品的来源地。耕地地力评价是根据所在地特定气候区域以及地形地貌、成土母质、土壤理化性状、农田基础设施等耕地系统的各组成要素之间的相互作用而表现出来的综合特征，来评价耕地生物生产力的高低。耕地地力评价的任务就是通过对耕地资源的科学评价，了解耕地资源的利用现状和存在的问题，从而合理利用现有的耕地资源，治理或修复退化、沙化以及受污染的土壤，为农业结构调整、无公害农产品生产等农业决策提供科学依据，保障农业的可持续发展。目前在全国开展的县级耕地地力评价，是在GIS技术系统的支持下，运用相关分析、层次分析和模糊评价等数学方法和数学模型进行的。其中参评因子的选取、权重的计算、单因子隶属度的确定是决定评价成功与否的关键，也是重点研究的内容。
一、研究区概况
隆化县位于河北省北部，地理坐标116°47′45″～118°19′17″E，北纬41°08′47～41°50′09″N，地貌区划为冀北山地，海拔410～1670m，属中温带半湿润季风型气候。土壤类型以棕壤、褐土、潮土为主。全县总面积5462k㎡，其中耕地57333h㎡，为农业部第三批测土配方施肥项目县。按照项目要求，用GPS定位取土、调查，进行常规测试分析，查清了全县土壤肥力状况。采用GIS技术，建立了县级1：50000土壤空间数据库。在此基础上，对耕地质量进行了定量化和科学、准确的评价。
二、参评因子的选取和分析
根据主导因素原则、差异性原则、综合性原则和稳定性原则，在全国共用的47项指标体系框架中选择了气候、立地条件，土壤剖面性状、土壤理化性状4大类10项指标，作为隆化县耕地地力评价的依据。
1.气候因子分析
在耕地生产潜力评价中，反映气候条件的主要是水热条件。水热条件是自然地理环境中最活跃的因素，它是系统能量的源泉，决定着自然地理环境的复合，农业生产的潜在水平和实际水平。
影响隆化县耕地生产潜力的气候因子主要是无霜期和降水量，且无霜期比降水量更重要。
（1）无霜期。隆化县无霜期西北部100d、东南部160d，>10℃积温1800～3200，与无霜期分布趋势一致。这样温度条件，对当地主栽作物产量影响很大。无霜期短的地区，只能种植生育期短的玉米品种和杂粮，而且往往因晚霜造成毁种，秋季霜冻造成减产。无霜期长的中南部则可以种植水稻。
（2）降水量。隆化县年降水量400～550mm，呈西北低、东南高的趋势。150mm的差距虽然很小，但由于恰处于半湿润和半干旱气候的过渡地带，旱作农业区，降水量与时空分布的差异，仍对耕地的生产能力造成明显的影响。
2.立地条件分析
隆化县耕地立地条件中，地貌类型和成土母质对耕地地力影响较大，其中地貌类型的影响相对重要一些。
（1）地貌类型。地貌是通过地表物质和能量的再分配，对耕地的生产能力产生影响的。这里所说的地貌类型，是指中小地貌类型。当地耕地所处的地貌类型主要有：低山、黄土地貌、起伏洪积高台地、平坦河流高阶地、河流低阶地、河漫滩。
①低山：耕地多为坡耕地，分布零散，有不同程度的土壤侵蚀，跑水跑肥。阴坡温度低，阳坡干燥，对作物生长发育均有不良影响。
②黄土地貌：主要为黄土梁峁、沟谷及缓坡地，多数修筑为梯田，田面较平缓，有轻度侵蚀或无侵蚀。
③起伏洪积高台地：分布于低山河谷，多为古代洪积阶地，切割破碎，地面微倾斜，地下水位较低，对土壤无影响。
④平坦河流高阶地：分布于低山宽谷，地势平坦开阔，地下水位3～5m，多为潮褐土，无侵蚀，一般有灌溉条件。
⑤河流低阶地：一般分布于河流两岸，受地下水侵润，多为潮土，且灌溉条件较好，有的地方可以引洪淤灌。
⑥河漫滩：多为河漫滩阶地，分布于低山河谷底部，多于时令河两岸呈条带状，土壤多为冲积土或堆垫土，有时受洪水威胁。
（2）成土母质。成土母质是土壤的物质基础和其他物质的来源，不同成土母质的矿物组成和化学性质各异，其直接影响土壤性质和肥力水平。隆化县成土母质主要划分为8个类型：酸性结晶岩类残积物、基性结晶岩类残积物、泥岩类残积物、砂岩类残积物、黄土母质、洪积物、冲积物、人工堆垫物。
①酸性结晶岩类残积物：微酸至中性，钾素较丰富，土壤质地较粗，结构疏松。
②基性结晶岩类残积物：一般磷素丰富，质地适中，结构较好，土层较厚。
③泥岩类残积物：土层较深厚，质地较细，矿质营养较丰富，一般呈中性反应。
④砂岩类残积物：土层较薄，土壤砾石含量较多，营养元素比较低，多属微酸性反应。
⑤黄土母质：多为第四纪风成黄土，土层深厚，结构较紧实，质地适中，矿物质营养丰富，保水保肥能力强。
⑥洪积物：质地、层次不够均匀，土层中普遍含有砾石，矿物质营养相对贫乏。
⑦冲积物：冲积母质的耕地土壤地形平坦，水分条件较好。质地、土体构型多样，土壤结构疏松，一般容易培肥改良和利用。
⑧人工堆垫物：多为黄土状物，厚度30～50cm，下面为砂砾质洪、冲积物。
3.剖面性状分析
土壤剖面性状是影响耕地生产能力的最重要、最直接的因子。其作用是多方面的，包括机械的、物理的、生物化学的。
隆化县土壤剖面性状对耕地生产能力影响最大的是障碍层类型和有效土层厚度，其次是土壤质地。
（1）土壤质地。土壤质地影响土壤水分和化学品的保持和传输，表现为通透性、保肥性和供肥性。它与土壤耕性、养分有效性、养分保持能量都有密切关系，并且对水分运動也有直接影响。 隆化縣耕地土壤质地分为砂质、砂壤质、轻壤质、中壤质和粘质五种，其中轻壤质和中壤质占面积比例较大，砂壤质次之，砂质和粘质面积很小。
①轻壤质和中壤质：土性良好、砂粘含量适宜的土壤。其特性是松而不散，粘而不硬，结构如绵。即通气透水，又保水保肥，肥力较高，适于种植各种作物。在当地的气候和耕作条件下，土壤结构和耕作性能方面，轻壤略优于中壤。
②砂壤质：土质疏松，通气透水，不粘不硬，易于耕作，但保水保肥能力较差。
③砂质：土质松散，通气透水，春季土温上升快，易于发芽出苗，但保肥力差，易干旱，本身养分少。
④粘质：有较高的保水保肥能力，含植物营养较多，但通气透水性不良，湿粘干硬，土块大，不易耕作。
（2）障碍层类型。隆化县土壤障碍层主要是砂砾层，存在于残积母质和洪、冲积、人工堆垫母质的土壤剖面中，由粗砂、砾石或卵石组成，厚度多大于30cm。根据出现部位，分为体（20～50cm）砂砾和底（50cm以下）砂砾两种。砂砾层严重漏水漏肥，影响作物根系发育，不利于耕作，而且很难改良。
（3）有效土层厚度。有效土层厚度决定作物生产力所必须的根系容量、水分和养分有效性。隆化县土层厚度划分为四种类型：＜30cm、30～50cm、50～100cm、＞100cm。一般来说，其他条件相同的情况下，土层厚度越深，耕地生产潜力越大。
4.土壤理化性状分析
（1）有机质。隆化县耕地土壤有机质含量9.3～32g/kg，有机质含量高低主要与土壤类型关系密切。土壤有机质是土壤肥力基础之一，能改善土壤的物理、化学、物理化学、生物学特性。有机质是决定土壤多种功能表现的重要成分，对土壤结构的形成、土壤养分的释放、土壤吸附和缓冲功能、土壤微生物活动等都起着至关重要的作用。其他条件相同的情况下，耕地生产潜力与有机质含量高低呈正相关。与有效磷和速效钾相比，有机质对耕地生产潜力的影响更重要。
（2）有效磷。隆化县耕地土壤有效磷含量 4.0～54mg/kg，但大部分耕地为较低水平。土壤中有效磷包括水溶性磷、弱酸溶性磷，是可以被作物直接吸收利用的大量营养元素。同时有效磷的含量取决于土壤反应、总磷含量、有机质含量和颗粒组成等多种因子。因此有效磷也是最能反映土壤对作物供给水平的一个综合指标。
（3）速效钾。隆化县耕层土壤速效钾含量 58～271mg/kg，大部分耕地为中等以上含量水平，速效钾含量与成土母质类型、土壤质地相关。土壤速效钾是指水溶性钾和粘土矿物晶体外部吸持的交换性钾。这一部分钾素与作物吸收的钾有密切关系，对作物生长及品质起着重要作用，其含量水平不仅反映土壤的供钾能力，而且在一定程度上是土壤质量的主要指标之一。
三、单因素权重
单因素权重即各评价因子对耕地地力的影响程度，采用层次分析法确定，把各评价因子按照相互之间的隶属关系排成从高到低的若干层次，根据同一层次相对重要性相互比较的结果，决定层次各元素重要性先后次序，构建判断矩阵，利用统计工具计算参评因素的权重。
四、单因子隶属度
根据模糊数学的概念与方法，对不同类型的模糊子集，即选定的评价指标，建立不同类型的隶属函数关系。其中土壤理化性状为戒上型函数，其他均为概念型隶属函数。戒上型隶属度的计算，是根据一组分布均匀的实测值评估出对应的一组隶属度，在计算机中绘制这两组数值的散点图，再根据散点图进行曲线模拟，寻求参评因素实际值与隶属度关系方程，从而建立起隶属函数。
概念型隶属函数，其隶属度由专家评定判断得出。隶属度是指元素χ符合这个模糊性概念的程度。完全符合时隶属度为1，完全不符合时为0，部分符合即取0与1之间一个中间值。
1.降水量隶属函数及其描述
400～450mm隶属度0.4，450～500mm隶属度0.8，500～550mm隶属度1.0。
2.无霜期隶属函数及其描述
100～120d隶属度0.4，120～140d隶属度0.7，140～160d隶属度1.0。
3.地貌类型隶属函数及其描述
低山隶属度0.1，黄土地貌隶属度0.4，河漫滩隶属度0.5，起伏洪积高台地隶属度0.7，平坦河流高阶地隶属度0.9，河流低阶地隶属度1.0。
4.成土母质隶属函数及其描述
砂岩类残积物隶属度0.2，酸性结晶岩类残积物隶属度0.3，基性结晶岩类残积物隶属度0.4，人工堆垫物隶属度0.5，泥岩类残积物隶属度0.5，黄土母质隶属度0.6，洪积物隶属度0.8，冲积物隶属度1.0。
5.土壤质地隶属函数及其描述
砂质隶属度0.2，粘质隶属度0.4，砂壤质隶属度0.8，中壤质隶属度0.9，轻壤质隶属度1.0。
6.土层厚度隶属函数及其描述
＜30cm隶属度0.2，30～50cm隶属度0.6，50～100cm隶属度0.8，＞100cm隶属度1.0。
7.障碍层类型隶属函数及其描述
砂砾层隶属度0.4，无障碍层隶属度1.0。
8.土壤理化性状隶属函数的及其描述
速效钾a值=0.000431，b值=0，c值=171.54，ut值=0；有机质a值=0.014048，b值=0，c值=26.58，ut值=0；有效磷a值=0.004967，b值=0，c值=32，ut值=0。
五、结论
根据以上层次分析模型和隶属函数模型，通过GIS软件计算出每个评价单元的综合得分，利用累计曲线法进行地力等级的划分，其结果完全符合当地实际情况，这说明对各项评价因子的分析和判断是正确的。
参考文献
[1] 田有国，辛景树等.耕地地力评价.北京：中国农业科学技术出版社.2009
[2] 徐建明，张甘霖，谢正苗等.土壤质量指标与评价.北京：科学出版社.2010
[3] 赵晓敏，郭熙等.区域土地质量评价.北京：中国农业科学技术出版社.2005
[关键词] 隆化县；耕地地力；指标分析
耕地是土地的精华，是人类物质产品的来源地。耕地地力评价是根据所在地特定气候区域以及地形地貌、成土母质、土壤理化性状、农田基础设施等耕地系统的各组成要素之间的相互作用而表现出来的综合特征，来评价耕地生物生产力的高低。耕地地力评价的任务就是通过对耕地资源的科学评价，了解耕地资源的利用现状和存在的问题，从而合理利用现有的耕地资源，治理或修复退化、沙化以及受污染的土壤，为农业结构调整、无公害农产品生产等农业决策提供科学依据，保障农业的可持续发展。目前在全国开展的县级耕地地力评价，是在GIS技术系统的支持下，运用相关分析、层次分析和模糊评价等数学方法和数学模型进行的。其中参评因子的选取、权重的计算、单因子隶属度的确定是决定评价成功与否的关键，也是重点研究的内容。
一、研究区概况
隆化县位于河北省北部，地理坐标116°47′45″～118°19′17″E，北纬41°08′47～41°50′09″N，地貌区划为冀北山地，海拔410～1670m，属中温带半湿润季风型气候。土壤类型以棕壤、褐土、潮土为主。全县总面积5462k㎡，其中耕地57333h㎡，为农业部第三批测土配方施肥项目县。按照项目要求，用GPS定位取土、调查，进行常规测试分析，查清了全县土壤肥力状况。采用GIS技术，建立了县级1：50000土壤空间数据库。在此基础上，对耕地质量进行了定量化和科学、准确的评价。
二、参评因子的选取和分析
根据主导因素原则、差异性原则、综合性原则和稳定性原则，在全国共用的47项指标体系框架中选择了气候、立地条件，土壤剖面性状、土壤理化性状4大类10项指标，作为隆化县耕地地力评价的依据。
1.气候因子分析
在耕地生产潜力评价中，反映气候条件的主要是水热条件。水热条件是自然地理环境中最活跃的因素，它是系统能量的源泉，决定着自然地理环境的复合，农业生产的潜在水平和实际水平。
影响隆化县耕地生产潜力的气候因子主要是无霜期和降水量，且无霜期比降水量更重要。
（1）无霜期。隆化县无霜期西北部100d、东南部160d，>10℃积温1800～3200，与无霜期分布趋势一致。这样温度条件，对当地主栽作物产量影响很大。无霜期短的地区，只能种植生育期短的玉米品种和杂粮，而且往往因晚霜造成毁种，秋季霜冻造成减产。无霜期长的中南部则可以种植水稻。
（2）降水量。隆化县年降水量400～550mm，呈西北低、东南高的趋势。150mm的差距虽然很小，但由于恰处于半湿润和半干旱气候的过渡地带，旱作农业区，降水量与时空分布的差异，仍对耕地的生产能力造成明显的影响。
2.立地条件分析
隆化县耕地立地条件中，地貌类型和成土母质对耕地地力影响较大，其中地貌类型的影响相对重要一些。
（1）地貌类型。地貌是通过地表物质和能量的再分配，对耕地的生产能力产生影响的。这里所说的地貌类型，是指中小地貌类型。当地耕地所处的地貌类型主要有：低山、黄土地貌、起伏洪积高台地、平坦河流高阶地、河流低阶地、河漫滩。
①低山：耕地多为坡耕地，分布零散，有不同程度的土壤侵蚀，跑水跑肥。阴坡温度低，阳坡干燥，对作物生长发育均有不良影响。
②黄土地貌：主要为黄土梁峁、沟谷及缓坡地，多数修筑为梯田，田面较平缓，有轻度侵蚀或无侵蚀。
③起伏洪积高台地：分布于低山河谷，多为古代洪积阶地，切割破碎，地面微倾斜，地下水位较低，对土壤无影响。
④平坦河流高阶地：分布于低山宽谷，地势平坦开阔，地下水位3～5m，多为潮褐土，无侵蚀，一般有灌溉条件。
⑤河流低阶地：一般分布于河流两岸，受地下水侵润，多为潮土，且灌溉条件较好，有的地方可以引洪淤灌。
⑥河漫滩：多为河漫滩阶地，分布于低山河谷底部，多于时令河两岸呈条带状，土壤多为冲积土或堆垫土，有时受洪水威胁。
（2）成土母质。成土母质是土壤的物质基础和其他物质的来源，不同成土母质的矿物组成和化学性质各异，其直接影响土壤性质和肥力水平。隆化县成土母质主要划分为8个类型：酸性结晶岩类残积物、基性结晶岩类残积物、泥岩类残积物、砂岩类残积物、黄土母质、洪积物、冲积物、人工堆垫物。
①酸性结晶岩类残积物：微酸至中性，钾素较丰富，土壤质地较粗，结构疏松。
②基性结晶岩类残积物：一般磷素丰富，质地适中，结构较好，土层较厚。
③泥岩类残积物：土层较深厚，质地较细，矿质营养较丰富，一般呈中性反应。
④砂岩类残积物：土层较薄，土壤砾石含量较多，营养元素比较低，多属微酸性反应。
⑤黄土母质：多为第四纪风成黄土，土层深厚，结构较紧实，质地适中，矿物质营养丰富，保水保肥能力强。
⑥洪积物：质地、层次不够均匀，土层中普遍含有砾石，矿物质营养相对贫乏。
⑦冲积物：冲积母质的耕地土壤地形平坦，水分条件较好。质地、土体构型多样，土壤结构疏松，一般容易培肥改良和利用。
⑧人工堆垫物：多为黄土状物，厚度30～50cm，下面为砂砾质洪、冲积物。
3.剖面性状分析
土壤剖面性状是影响耕地生产能力的最重要、最直接的因子。其作用是多方面的，包括机械的、物理的、生物化学的。
隆化县土壤剖面性状对耕地生产能力影响最大的是障碍层类型和有效土层厚度，其次是土壤质地。
（1）土壤质地。土壤质地影响土壤水分和化学品的保持和传输，表现为通透性、保肥性和供肥性。它与土壤耕性、养分有效性、养分保持能量都有密切关系，并且对水分运動也有直接影响。 隆化縣耕地土壤质地分为砂质、砂壤质、轻壤质、中壤质和粘质五种，其中轻壤质和中壤质占面积比例较大，砂壤质次之，砂质和粘质面积很小。
①轻壤质和中壤质：土性良好、砂粘含量适宜的土壤。其特性是松而不散，粘而不硬，结构如绵。即通气透水，又保水保肥，肥力较高，适于种植各种作物。在当地的气候和耕作条件下，土壤结构和耕作性能方面，轻壤略优于中壤。
②砂壤质：土质疏松，通气透水，不粘不硬，易于耕作，但保水保肥能力较差。
③砂质：土质松散，通气透水，春季土温上升快，易于发芽出苗，但保肥力差，易干旱，本身养分少。
④粘质：有较高的保水保肥能力，含植物营养较多，但通气透水性不良，湿粘干硬，土块大，不易耕作。
（2）障碍层类型。隆化县土壤障碍层主要是砂砾层，存在于残积母质和洪、冲积、人工堆垫母质的土壤剖面中，由粗砂、砾石或卵石组成，厚度多大于30cm。根据出现部位，分为体（20～50cm）砂砾和底（50cm以下）砂砾两种。砂砾层严重漏水漏肥，影响作物根系发育，不利于耕作，而且很难改良。
（3）有效土层厚度。有效土层厚度决定作物生产力所必须的根系容量、水分和养分有效性。隆化县土层厚度划分为四种类型：＜30cm、30～50cm、50～100cm、＞100cm。一般来说，其他条件相同的情况下，土层厚度越深，耕地生产潜力越大。
4.土壤理化性状分析
（1）有机质。隆化县耕地土壤有机质含量9.3～32g/kg，有机质含量高低主要与土壤类型关系密切。土壤有机质是土壤肥力基础之一，能改善土壤的物理、化学、物理化学、生物学特性。有机质是决定土壤多种功能表现的重要成分，对土壤结构的形成、土壤养分的释放、土壤吸附和缓冲功能、土壤微生物活动等都起着至关重要的作用。其他条件相同的情况下，耕地生产潜力与有机质含量高低呈正相关。与有效磷和速效钾相比，有机质对耕地生产潜力的影响更重要。
（2）有效磷。隆化县耕地土壤有效磷含量 4.0～54mg/kg，但大部分耕地为较低水平。土壤中有效磷包括水溶性磷、弱酸溶性磷，是可以被作物直接吸收利用的大量营养元素。同时有效磷的含量取决于土壤反应、总磷含量、有机质含量和颗粒组成等多种因子。因此有效磷也是最能反映土壤对作物供给水平的一个综合指标。
（3）速效钾。隆化县耕层土壤速效钾含量 58～271mg/kg，大部分耕地为中等以上含量水平，速效钾含量与成土母质类型、土壤质地相关。土壤速效钾是指水溶性钾和粘土矿物晶体外部吸持的交换性钾。这一部分钾素与作物吸收的钾有密切关系，对作物生长及品质起着重要作用，其含量水平不仅反映土壤的供钾能力，而且在一定程度上是土壤质量的主要指标之一。
三、单因素权重
单因素权重即各评价因子对耕地地力的影响程度，采用层次分析法确定，把各评价因子按照相互之间的隶属关系排成从高到低的若干层次，根据同一层次相对重要性相互比较的结果，决定层次各元素重要性先后次序，构建判断矩阵，利用统计工具计算参评因素的权重。
四、单因子隶属度
根据模糊数学的概念与方法，对不同类型的模糊子集，即选定的评价指标，建立不同类型的隶属函数关系。其中土壤理化性状为戒上型函数，其他均为概念型隶属函数。戒上型隶属度的计算，是根据一组分布均匀的实测值评估出对应的一组隶属度，在计算机中绘制这两组数值的散点图，再根据散点图进行曲线模拟，寻求参评因素实际值与隶属度关系方程，从而建立起隶属函数。
概念型隶属函数，其隶属度由专家评定判断得出。隶属度是指元素χ符合这个模糊性概念的程度。完全符合时隶属度为1，完全不符合时为0，部分符合即取0与1之间一个中间值。
1.降水量隶属函数及其描述
400～450mm隶属度0.4，450～500mm隶属度0.8，500～550mm隶属度1.0。
2.无霜期隶属函数及其描述
100～120d隶属度0.4，120～140d隶属度0.7，140～160d隶属度1.0。
3.地貌类型隶属函数及其描述
低山隶属度0.1，黄土地貌隶属度0.4，河漫滩隶属度0.5，起伏洪积高台地隶属度0.7，平坦河流高阶地隶属度0.9，河流低阶地隶属度1.0。
4.成土母质隶属函数及其描述
砂岩类残积物隶属度0.2，酸性结晶岩类残积物隶属度0.3，基性结晶岩类残积物隶属度0.4，人工堆垫物隶属度0.5，泥岩类残积物隶属度0.5，黄土母质隶属度0.6，洪积物隶属度0.8，冲积物隶属度1.0。
5.土壤质地隶属函数及其描述
砂质隶属度0.2，粘质隶属度0.4，砂壤质隶属度0.8，中壤质隶属度0.9，轻壤质隶属度1.0。
6.土层厚度隶属函数及其描述
＜30cm隶属度0.2，30～50cm隶属度0.6，50～100cm隶属度0.8，＞100cm隶属度1.0。
7.障碍层类型隶属函数及其描述
砂砾层隶属度0.4，无障碍层隶属度1.0。
8.土壤理化性状隶属函数的及其描述
速效钾a值=0.000431，b值=0，c值=171.54，ut值=0；有机质a值=0.014048，b值=0，c值=26.58，ut值=0；有效磷a值=0.004967，b值=0，c值=32，ut值=0。
五、结论
根据以上层次分析模型和隶属函数模型，通过GIS软件计算出每个评价单元的综合得分，利用累计曲线法进行地力等级的划分，其结果完全符合当地实际情况，这说明对各项评价因子的分析和判断是正确的。
参考文献
[1] 田有国，辛景树等.耕地地力评价.北京：中国农业科学技术出版社.2009
[2] 徐建明，张甘霖，谢正苗等.土壤质量指标与评价.北京：科学出版社.2010
[3] 赵晓敏，郭熙等.区域土地质量评价.北京：中国农业科学技术出版社.2005