（土壤学专业论文）基于gis的雅安市土地生产潜力研究.pdf

中文摘要 以地理信息系统( g s ) 为平台，建成雅安市气候、土壤、农业统计属性数据库 及基础地理信息库，按睢标识原则，与相应的空间数据联结，形成雅安市主要农业 资源空间和属性一体化数据库。经过空间和属性数据配准、叠加处理，生成雅安市 1 6 0 3 2 个土地生产潜力评价单元；在此基础上，应用“机制法”计算土地生产潜力， 其中用“土地生产力综合评价指数( p i ) ”作为“土壤有效系数”来订正气候生产潜 力，得到土地自然生产潜力。研究表明： 1 、全市除宝兴外，处于我国东部三等光温四级气候生产潜力西区。 2 、雅安市土壤的有效系数在o 3 0 4 7 0 8 5 5 0 之间，平均为o 6 4 3 9 ，全市土地自然 生产力水平为中等偏上，中低产田土占7 1 2 8 。 3 、雅安市土地自然生产潜力在7 8 4 3 - 1 7 3 3 5 k g ( h m 2 a ) 之间，土地自然生产潜力 的高低与地形、地势以及坡度密切相关，不同土壤间差异较大，一般是地势愈高、坡 度愈大、土壤质量愈差，土地的自然生产潜力就愈低，因此，陡坡耕地应退耕还林、 还草，对质量差的土地应进一步加以整治和改造，以提高其生产能力。 4 、雅安市土地自然生产潜力与目前的实际生产水平比较，其增产潜力平均为 2 3 5 3 ，说明农业技术和管理措施等的增产潜力较大；将目前土地的实际生产水平与 1 5 年前比较，土地的实际生产水平逐年上升，年均递增o 6 4 ，显然，土地的自然生 产潜力是可以通过各种农技措施来挖掘的。 5 、土地自然生产潜力水平的主要土壤限制因素为有机质、全氮，其次为速效磷和 土壤质地；区域潜在生产力差异的制约因素，主要为土壤，次为水分，水、土两项衰 减合计为4 5 9 9 ，石棉、汉源两县水、土衰减达到6 0 左右。 6 、林地潜力在3 9 8 6 1 5 0 3 4k g h m 2 之间，高等级林地比重小，以大相岭为界， 北部的各县林地生产力水平高，南部的两县林地生产力水平较低。 7 、天然草地生产潜力水平高，潜力在1 6 9 7 3 , - - 4 0 8 5 k g ( h r n 2 a ) 之间，以高产的一、 二、三级草地为主，且近1 0 年来该比例变化不大。 8 、利用新技术手段( g 1 8 ) 来研究传统问题，可以较全面地考虑影响土地生产潜 力的各种因素，反映各种因素的空间分布，能快速有效地进行计算和分析，提高研究 结果的可靠性，并能不断补充和更新资料，获取最新的信息，为农业、国土、林业等 政府部门进行农业结构调整、土地规划与整治、生态环境建设等提供时效性强、精确 度高的基础资料和科学依据。 关键词：土地生产潜力地理信息系统机制法土壤有效系数雅安市 1 、前言 资源、环境、人口三者之间的矛盾随着人口的增长而日益突出，由此引发的资源 短缺、环境恶化等问题益发受到注目。我国人多地少，农村人口庞大，农业资源特别 是耕地资源和水资源短缺将一直是制约我国农业发展的长期因素。研究表明f l 】，1 9 9 6 年我国人口为1 2 2 4 亿，生产谷物4 5 5 9 6 2 万t ，人均占有谷物3 7 2 5 k g ，按世界中等 发达国家粮食人均年4 5 0 5 0 0 起的消费水平，到我国人口增长高峰( 2 0 3 0 年) 的1 6 亿人计算，全国粮食需求总量约为7 2 8 亿t ，以耕地谷物产量4 2 5 0 - - 一6 0 0 0 k g h m 2 f 即 单产3 5 0 - - 4 0 0 k g 亩) 计( 比现有单产2 3 3 7 k 亩增长5 0 7 1 ) ，若保持现有谷物播种面 积占总耕地面积的比率不变的情况下，则需要保有耕地1 2 9 1 ，4 3 亿l a m 2 ( b p1 9 。3 亿 以1 4 亿亩) 。目前我国谷物总产量每年在5 亿t 左右，如果照此计算，届时谷物缺口 将达2 2 3 亿t ，占我国目前年均谷物总产量的4 4 6 0 ，是现有世界谷物市场出口 总量2 亿t 的1 1 1 6 倍左右。世界谷物的主要出口国是美国( 约l 亿t ) ，但到2 1 世 纪中叶，美国人口将增加9 5 0 0 万人，而农田和农用水资源将减少，其谷物出口不会 增多，届时仅非洲就需要进口2 5 亿t 谷物。因此，我国尽管加入了w t o ，粮食等主 要农业品的供应仍应立足于自给的方针不能动摇；进口只能是调剂。根据崔读昌【2 】 ( 2 0 0 1 ) 的计算，我国粮食作物光能利用率平均为o 1 4 ，达不到世界陆地植物平均 光能利用率o 3 的水平，更达不到高产地区一般农田o 4 的光能利用水平，而四川 农业光能利用率为o 1 3 0 1 7 ，全国热量利用效率平均为o 8 7 k e ( c d ) h r a 2 ，四川为 0 8 1 3k ( d ) h m 2 ，高于全国平均水平；全国降水量利用率平均为5 ，2 5 k g ( m m h r n 2 ) ， 四川为3 0 0 5 0 0k g ( m m h m 2 ) ，明显低于全国平均水平。在耕地面积增加已经受到严 重压迫，而事实上是耕地面积呈逐年减少趋势的情况下，只有依靠科技进步，提高土 地单位面积产量，因而，从动态上客观而准确地评定土地生产潜力，为进一步提高土 地生产力、挖掘农业资源潜力提供技术经济支持显得尤为必要。 土地生产力是土地的最本质属性，它是反映土地质量高低的重要指标。土地生产 潜力又是一个动态的概念，对土地生产潜力的认识可以归结为广义土地生产潜力和狭 义土地生产潜力 3 1 。本研究所讨论的土地生产潜力主要是指狭义的土地生产潜力。狭 义的土地生产潜力按其性质可分为土地自然生产潜力和土地经济生产潜力。土地自然 生产潜力是指土地在自然状态下，由水、热等自然供给条件决定的所能生产的物质产 品的数量，也就是在没有任何人类物质和管理投入情况下，土地所具有的自然产出能 力，一般用单位面积土地自然生产的干物质数量来表示。土地自然生产潜力的水平高 低受其所处环境条件制约，如地理位置、各自然环境因子及其匹配状况。土地自然生 产潜力，可以反映出一个地区自然生产力的最高水平、差异、限制因素，同时它也是 计算土地经济生产潜力的基础。土地自然生产潜力一般可以分为：光合生产潜力、光 温生产潜力、光温水生产潜力( 亦称气候生产潜力) 、光温水土潜力( 气候土壤生产 潜力或土地自然生产潜力) 等。 以往有关土地生产潜力的研究，从研究内容看，着重于建立各种统计模型或者经 验公式，而且研究主要集中在某一个方面，或者是作物的生理机制，或者是就单个生 态因子来研究，导致土地生产潜力与作物生产力、土壤生产力等概念的混淆，土地与 生物的结合不充分【4 】，研究区域范围较大，区域差异性不能很好地体现，从而影响到 计算结果和模型的普适性，土地的用途是多样的，土地的适宜性也是多样的，因而土 地生产潜力亦有多种，因此，如果将土地潜力笼统化、抽象化，则其研究结果缺乏针 对性、价值不大、适用性不高；从研究手段看，土地生产潜力、人口承载力、土地评 价等问题，传统的研究方法，是在大量收集资料、处理资料的基础上，手工编制地图， 进行分析总结，编写文字报告，发布研究成果的，此过程需要较长时间，往往是成果 问世之日，就已经过时。由于计算机技术的发展，特别是地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 强大的空间储存和分析功能，为在新技术手段下实现对土地本质 属性生产潜力动态研究提供了契机1 5 - 9 1 。g i s 具有强大的对空间数据进行储存、 处理、分析和可视化能力，其出现虽已有3 0 多年的历史，但真正被用于农业和自然 资源管理还只有十多年的时间，g i s 也可以将时间作为第四维空间考虑d 0 - ”j 。g i s 和 d b m s ( 数据库管理系统) 等新技术手段，具有极强的现势性，实时研究农业生产潜 力及其变化范围：同时这些手段，具有较强的空间分析功能，能充分表达地域差异， 从而提高了估算的准确性和可预测性，而且近年来气候变化剧烈，许多不确定因素可 以及时考虑进去。 因此，利用地理信息系统作为分析工具和手段，建立土地生产潜力的区域分异规 律模型，生成各因素空间分布图，从动态上把握雅安市的土地生产潜力及其数值分布 与空间分布是本研究的出发点。通过研究，以期达到下列目标：( 1 ) 为指导农业生产， 农业结构调整，农业产业化经营以及计算土地人口承载力，制定土地管理和人口政策， 编制土地利用总体规划提供依据；( 2 ) 为农用地分等定级工作提供前期准备。土地使 用制度将不断深入，土地的量和质一样受到重视，农用土地进入市场必须以土地质量 土地等级为依据，进行农用地分等定级，是一项紧迫的任务。农用地分等定级采 用土地生产潜力、土地利用系数和土地经济系数综合进行，其中土地生产潜力是第一 步工作 1 4 , 1 5 】；( 3 ) 为模拟作物生长发育过程和模型建立提供方法指导。作物生长发育 过程模拟是应用系统工程原理、动力学方法、计算机技术、仿真技术，集多学科于一 体而构建的作物土壤大气系统模拟模型，以此为农业及相关部门提供诊断和 预测信息、分析、评价和建议，提高决策效益。 2 、土地生产潜力研究概况 2 1 国内外研究进展 土地生产潜力的研究，如果从德国化学家李比西( j v o nl i e b i g ) 1 8 4 0 年发表化 学在农业及生理学中的应用算起，已有1 6 0 多年的历史了。研究早期，科学家们主 要对土地生产潜力与生态因子之间的相互关系进行了研究，总体来说这还是一种较为 2 直观的研究方法。他们通过测定( 作物) 生物产量来估算土地生产力，作物产量测定 主要用穗粒、粒重、粒数这一类指标；与此同时，农学家、土壤学家也研究了育种、 栽培、施肥、防治病虫害等措施对提高作物产量的作用。李比西( 1 8 4 3 ) 从植物群落 与其环境因子之间的相互关系入手，提出了最小因子定律。布莱克曼( b l a c k m a n ，1 9 0 5 ) 提出最大量限制作用的概念，后来经过谢尔福德( v e s h e l f o r d ，1 9 1 3 ) 的发展合并而 成“耐性定律”，从而确定了生态因子与作物产量的定性关系，但无法确定两者的 定量关系。但由于土地生产潜力的研究与生态学研究互相结合、互相补充，从因子与 产量的关系，让人们对土地的最大生产能力及其约束条件有了初步的认识，为人们在 农业耕作、栽培及管理等方面进行科学决策提供了帮助，也为后人的研究提供了一定 的理论基础。到目前为止，土地生产潜力影响因子的仍然归结为：光、热、水、土四 大类。土地的生产能力是一个十分复杂的问题，作物生长不仅受到外界生态因子的制 约，还受到作物生长的内部机理制约，该阶段的研究未能解决这些问题。 2 0 世纪2 0 年代，英国植物生理学家b l a c k m a n ，g r e g o r y 等人开创的生长分析学 派的工作，把土地生产潜力的研究引导到植物生理理论研究的轨道上来，使研究趋向 微观化。他们首先从植物生长与叶面积入手，提出叶面积指数和净同化率的正比关系， 并指出除叶面积指数外，尚需一些其他参数才能全面认识潜力的机理，这些参数主要 包括消光系数、叶层密度、叶倾角等，该研究主要是寻找合适的受光结构指标及其获 取方法。他们的研究为日后的工作打下了基础，并且把研究成果应用到生产实际中去。 如3 0 年代陆续发现植物生长激素，5 0 6 0 年代利用光合作用与产量关系原理，开创 的以培育矮杆、耐肥、抗倒、叶片直立、株型紧奏的水稻、小麦品种为主要内容的“绿 色革命” 1 6 j 。但土地、植物生产力的机理及描述缺乏定量特征。 1 9 6 3 1 9 7 2 年国际生物学计划( i b p ) 在世界范围内对第一性生物生产量进行了 一次大规模测定和普查，使产量因子相关模型的建立成为可能，土地生产潜力的研 究进入了定量化、数学化的阶段。由于数理科学的发展，土地生产潜力的统计分析更 加精确，同时，2 0 世纪5 0 年代d n a 双螺旋结构的揭示及遗传密码的破译，植物细 胞“全能性”理论，为揭示植物生长发育的机理创造了条件，环境因子以及植物的遗 传和生理生态特性等生物学因子综合作用，决定了不同生态条件下的植物生产，而土 地是各种因子的载体。所以，土地生产潜力研究进入了植物生理与生态紧密结合的时 代，表现为：( 1 ) 作物群体调控技术；( 2 ) 叶片同化能力；( 3 ) 群体受光率和受光模 型；( 4 ) 光合生产的源库关系。这些研究成果成为建立生产潜力模型的重要理论依据 【l7 1 。 6 0 年代到8 0 年代，生产力数值模型得到迅速发展，我国的研究起步较晚，但这 方面的工作卓有成效。2 0 世纪6 0 年代，竺可桢【】最早研究了我国的气候资源与粮食 产量的关系。这时的研究在实践上是运用土地生产力的概念进行相关研究( 如土地承 载力) ，在理论上未对其进行系统的研究；之后黄秉维提出光合生产潜力的定义，在 此基础上，许多学者提出了温度、水分等订正函数。建立起光温生产力、气候生产力 和气候- 土壤生产力模型，生产潜力研究逐步形成一个较系统的科学领域1 9 也2 1 。比较 有代表性的成果有黄秉维 2 3 1 的光能转换系数，龙斯玉 2 4 1 的光合有效辐射，李继由【2 5 】 的能量转换模型，于沪宁 2 6 1 的光合生产潜力模型，侯光良【2 7 】的气候潜力分区。到了8 0 年代，国外生产力数值模型，特别是f a o 的研究被介绍到中国【2 如”l ，土地生产潜力 研究更为广泛，研究手段和方法趋于多样化。刘金铜【3 2 t 等、沈思渊【3 3 】等人分别对我 国不同区域和作物的光合作用机理及其生产潜力进行了计算。进入9 0 年代，欧美等 国已经普遍采用数值方法研究生产力分布状况。在前期，由于计算机并不普及，科学 家们只能将作物生产潜力的计算机程序进行高度概括和简化，提出的模型往往是简化 模型p “。近年来，由于计算机技术的飞速发展，“3 s ”技术的日渐成熟，计算机数值 模拟广泛应用于研究中，定向培育农产品，如转基因植物，使土地生产潜力研究出现 了信息化和数字化趋势，归纳为两个大的方面：( 一) 作物生产潜力计算机动态模拟。 上世纪8 0 年代中后期曰益突出的“全球变化”，再次引起世界对土地承载力问题的关 注，导致土地生产潜力的研究多目标化和应用化，开始重视环境因子当前和未来变化 对土地生产力的影响 3 5 3 9 】。由于新型仪器可以在大田状况下测定叶片光合参数以及株 型结构数据，目前的研究侧重于机理模型和前期模型参数的修正以及计算机模拟生长 3 4 , 4 0 埘】。所以采用计算机技术构建动态机理模型，从作物的内部生理过程来解释作物 生长发育和产量的形成，成为这方面研究新的发展方向。在此基础上，产生了农业技 术决策支持系统d s s a t ，主要用于估算作物生产潜力，预测作物生长发育的动态， 以及为作物的播种、群体密度和水肥管理等农艺措施优化提供决策方案4 6 - - 4 s 。( 二) 数据库技术支持下的土地生产潜力和土地适宜性评价。土地质量评价的主要理论依据 是土地自然生产潜力的高低。土地自然生产力表现有质和量的两个方面。以土地生产 潜力为中心的农用地适宜性评价是评价土地对农作物的适宜性及其农业利用的可行 性，其核心是因地制宜，充分发挥农业资源的潜力，获取最佳的社会、经济和生态效 益。在不同时空尺度上进行研究，从群体监测作物生长遥感估产到从个体监测和 调控作物生长精确农业；利用“3 s ”技术，从大到全国小致一个小流域，是近年 来土地生产潜力研究的热点之一1 4 9 “”。 2 2 四川研究情况 四川农业大学课题组于1 9 9 2 年对全省土地人口承载力进行了研究1 6 2 】，土地人口 承载力的前提是土地生产潜力，该研究用机制法研究了全省土地生产潜力，其中光温 潜力应用农业生态区域法计算、水分有效系数用有效降水量与可能蒸散量 ( h l p e n m a n 公式计算) 的比来表示、土壤有效系数采用土壤供氮能力指标。以此 基础，按生态地理单元进行分区研究，按热量、蛋白质、脂肪指标计算了相应的人口 承载力。在第二次土壤普查中，雅安地区土壤普查小组 6 3 1 采用综合评分法，应用作物 常年产量、海拔高度、土层厚度、土壤质地、排灌条件、有机质含量、地形坡度及侵 4 蚀情况、土壤障碍因子层次等8 个指标对全区的农业土壤生产力进行了评级；用海拔 高度和土壤适宜性两个指标对自然土壤的生产力进行了分级，草地和林地的评价比较 少。四川省土地资源m - - 书对全省的土地生产潜力进行了分地域和代表性县( 市、 区) 的计算与研究。2 0 0 1 年中国土地规划勘测设计院出台了全国农用地分等定级 估计规程【6 ”，编制了全国各县光温和气候生产潜力指数速查表，表中列出了各省( 直 辖市、自治区) 有代表性县份的光温与气候生产潜力。针对雅安市以及区域内不同土 地利用类型、土壤类型的土地生产潜力的专门研究还没有。 2 3 土地生产潜力计算方法 土地生产潜力是通过植物的转化功能，将水分、c 0 2 及养分合成有机物质来实现 的，合成能力的大小通常取决于土地的潜力水平和结构。潜力结构大体上包括兰部分： 气候潜力结构，指与土地生产过程有关的气候转化因素的强度、组合及分布；土 壤潜力结构，指与士体内部影响植物生长的各要素的组成、强度和组合形式以及土壤 所处的环境条件；植被潜力结构。目前土地生产潜力的计算方法可归纳为三大类， 即趋势外推法、潜力衰减法和经验公式法： ( 1 ) 趋势外推法它以产量的统计为基础，利用指数平滑、自然增长、回归方 程、l o g i s t i c 曲线、灰色模型等方法，按历史发展趋势顺延外推，以确定未来的土 地生产力，其结果代表了所计算年份的现实生产潜力，这种方法简单易算，一般不需 要详尽的基础资料，而且计算结果直接与具体年份对照，发现问题，采取相应措施， 该法计算近期生产潜力结果较准确，而计算远期结果准确性较差。 ( 2 ) 机制法又称潜力衰减法或土地生产潜力逐级订正法，它是估算土地生产 潜力的基本方法，它是依据土地上能量转换和物质运输以及其作物的生物学特性来估 算土地生产潜力，所建立的模型又称为环境因子逐段订正模型，其中以光温阶乘型模 型、瓦格宁根模型和农业生态区模型为代表。计算程序为光合生产潜力一光温生产潜 力一光温水( 气候) 生产潜力一光温水土( 气候一土壤) 生产潜力( 土地自然生产潜 力) 。在实际计算中，一般先利用瓦格宁根模型和农业生态区域法模型计算光温生产 潜力，再利用衰减系数计算其它潜力。 ( 3 ) 经验公式法统计分析法通过对历史资料进行统计分析，归纳总结出 土地生产潜力与影响土地生产潜力的经验公式，然后在其基础上估算出不同条件下的 土地生产潜力。m i t o h l i c h 是最早建立这种模型的科学家之一。在所建模型中，最著名 的是l i e t h 等人所建立模型，他们根据一组与气候参数相匹配的生产力实测资料，拟 合并讨论了三类产量模型，即m i a m i 模型、m o n t r e a l 模型又称为桑斯维特纪念模型 ( t h o m t h w a i t em e m o r i a l ) 、格里纳里斯( g e s s n e r - - l i e t h ) 模型，这些模型计算 结果均为气候生产潜力，而且一般用于较大的研究区域。 3 、研究区概况 3 1 土地的资源环境特征 雅安市位于四川盆地西部边缘向青藏高原过渡的农棣交错地带，东邻成都市，南 连乐山市、凉山州，西接甘孜州，北接阿坝州，介于东经1 0 1 。5 6 7 2 0 ”至东经】0 3 。2 2 7 3 5 ”，北纬2 8 。5 1 7 1 8 ”至北纬3 0 。5 6 7 2 0 ”，南北相差约2 。全市辖7 县1 区，1 7 5 个乡镇。地处我国地势一、二级阶梯交界处的前沿，地形复杂，地貌多样， 土地类型多，以山地为主的地形特征明显。雅安市跨三大生态地理单元：大相岭以南 为川西南山地干热河谷区( 石棉、汉源) ，以北为盆周山地西部中亚热带湿润气候区 ( 包括雨城区、天全、荥经、宝兴、芦山) 和四川i 盆地盆西平原、低山丘陵亚热带湿 润气候区( 名山县) 。全境跨东部四川盆地与西部高原高山两个一级地貌区，成都平 原、川i 西北丘状高原山地、j i l 西南山地、川i 西北高山高原等四个二级地貌区，成都平 原、峨眉山中山、凉山山原、西昌盐源宽谷盆地中山、龙门山山地、贡嘎山极高山等 六个三级地貌区，北、西、南三面地势高，东部和中部地势低，自西北向东南倾斜， 海拔5 1 6 5 7 9 3 米，相对高差达5 2 7 7 米。中高山面积达1 1 1 5 0 万h m 2 ，占土地总面积 的7 3 2 9 ，山地面积占9 0 。平坝、丘陵、低山、台地面积仅4 0 6 3 万h m 2 ，占土地 总面积的2 6 7 1 t 6 6 1 。表明雅安市自然地理环境具有很强的过渡性、复杂性和地域性 特征。图1 为雅安市政区图。 图1 雅安市政区田 十底图1 ：2 5 万，雅安市国土局 全市位于中亚热带湿润季风气候区，年平均气温1 4 1 - 1 7 9 ，年降雨 7 2 6 1 1 7 7 4 3 m m ，年均日照为7 9 1 3 1 4 7 7 9 小时，年均无霜期为2 8 0 - - 3 2 0 天。气候的 总体特征是气候温和，雨量充沛，四季分明，南北差异明显。大相岭以南汉源、石棉 为亚热带干热河谷气候，北部六县一区为亚热带湿润季风气候。气候垂直变化显著， 水平基带内冬暖少严寒，夏无酷暑，气候温和；春季回暖早，冷暖变化大；降水集中， 秋季多绵雨。雅安一天全之间称为“华西雨屏”，风力小夜雨多，雾稀寡日照。向高 处气候过渡为山地暖温带、山地寒温带、山地亚寒带、山地寒带。全境水资源丰富， 但时空分布不均。雅安市复杂多样的自然环境特征，导致该区域动植物种类多，生物 多样性特色显著，为发展多样性农业生产和特色经济、药用植物等提供了条件。 3 2 土地利用情况 全市土地总面积1 5 3 1 4 k m 2 ，其中耕地面积1 4 2 8 7 2 1 3h m 2 ( 1 9 9 6 年1 0 月3 1 日土 地利用变更调查数据) ，人均占有量分别为l h m 2 和o 0 9h m 2 ，全市还有未利用土地 1 6 4 3 8 4 4 9h m 2 ，土地利用率为8 9 1 9 ，土地垦殖指数为9 2 7 ，耕地复种指数达 2 1 7 0 0 。耕地面积占全区面积的9 3 9 ，其中灌溉水田5 3 1 2 6 3 3h m 2 ，占耕地面积 的3 7 1 8 ；望天田1 9 0 4 9 9h m 2 ，占1 3 4 ；旱地8 6 5 3 0 1 2h m 2 ，占6 0 5 8 ；菜地1 3 1 0 1 9 h m 2 ，占0 9 。耕地主要集中分布在青衣江流域和大渡河流域平坝区及名山丘陵区， 各县区的耕地是汉源、名山、雨城比重大；其次是天全和荥经；芦山和石棉再次之： 宝兴最少，仅为全区耕地面积的3 9 ( 表1 ) 。 表1雅安市土地利用分区面积表m 7 j ( h m 2 ) 地类项目全市雨城名山荥经汉源石棉天全芦山宝兴 面积1 5 2 i 3 2 8 51 0 6 7 3 l6 2 4 2 6 91 7 8 1 0 4 12 3 最2 澌42 6 符l9 92 3 3 5 7 4 8】j 6 殳43 1 3 3 2 5 9 总计 1 0 01 0 01 0 0l o o1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 农业面积1 6 3 4 4 l3 1 9 3 43 2 8 0 01 5 0 7 03 2 0 9 59 1 6 32 2 5 5 71 6 5 1 53 3 0 6 用地区1 0 7 42 9 9 25 3 4 08 4 61 3 4 73 4 l9 4 61 4 1 61 0 5 园业面积3 4 3 0 76 8 5 54 6 2 27 3 91 3 8 4 63 3 1 37 4 01 0 7 l3 0 7 6 用地区2 2 66 4 37 5 20 4 45 8 11 2 40 3 l0 9 2o 9 8 林业面积9 6 0 3 9 96 0 4 4 81 3 6 1 l1 5 5 4 0 31 1 3 6 9 0 1 9 8 1 5 11 4 7 4 2 69 3 9 0 61 7 7 7 6 5 用地区 6 3 1 35 6 6 32 2 1 68 7 2 54 7 7 37 3 9 96 1 7 9 8 0 5 l5 6 6 4 牧业面积8 1 1 2 0 00o7 4 1 32 3 7 8 23 5 9 54 8 84 5 8 4 2 用地区5 3 30003 “8 8 81 5 lo 4 21 4 6 l 建设面积2 3 3 7 7 6 2 5 45 7 9 61 9 1 83 0 5 l1 5 8 52 0 7 61 5 3 l1 0 6 3 用地区 6 8 75 8 69 4 41 0 81 2 8 0 6 60 8 71 3 l0 2 7 其它面积 2 5 8 6 8 51 2 4 04 5 9 74 9 3 03 1 6 4 53 1 6 4 56 2 1 8 23 1 2 88 2 8 5 l 用地区1 71 1 67 4 82 7 72 8 61 1 8 22 6 0 6 2 6 82 6 4 0 土地资源中“四低”土地为3 2 7 6 万h m 2 。其中，中低产田( 土) 1 0 5 8 万h m 2 ， 占耕地总面积的7 4 0 5 。坡耕地面积大，全市2 5 。以上的坡耕地达3 1 8 万h m 2 ，占 耕地面积的2 2 2 6 ，这部分耕地将在今后1 0 年内逐步退耕还林还草。从上分析可知， 雅安市的土地资源形势是严峻的，耕地承受着较大的压力，特别是耕地后备资源不足， 中低产田土比重大等问题突出，因此，响应“绿色家园、生态雅安”的发展战略，本 研究应用g i s 方法，研究到具体地块和土壤的土地生产潜力，在较小区域上有针对性 7 地指导生产实际。 4 、研究内容和方法 4 1 研究内容 以雅安市土地资源的自然、社会、经济属性为基础，根据光、温、水、土对土地 生产能力和潜力的作用与影响，以雅安市土地光合生产潜力、光温生产潜力、气候生 产潜力、气候一土壤生产潜力、林地生产潜力、宜牧土地潜力为重要指标，系统地研 究雅安市耕地生产潜力、宜林地生产潜力和牧草地生产潜力及其分级与分布，为雅安 市农业的持续发展提供科学依据。 4 2 研究方法 土地生产潜力研究是一项专业性和系统性强、涉及内容多的研究工作( 见图2 ) ， 根据研究的目的、任务和范围，以土地资料收集、整理与分析为基础，以野外土地的 自然、社会、经济属性调查为补充或辅助，应用国产m a p g i s 分析软件，首先，对雅 安全市，包括7 县1 区，建立空间数据和属性数据数据库，然后，划分潜力单元，用 建立的空间和属性数据库进行叠加，生成潜力单元属性数据，并计算土地的各种生产 潜力、绘制土地生产潜力分布图、分析土地生产力发挥所存在的问题等，在此基础上 提出相应的措施和建议。具体工作程序由以下四个部分组成： 地理信息系统g i s fl 数据库管理系统。b m s 空间数据库：行政区划、土壤、地形、地类ff 属性数据库；气候、土壤、农业统计 l y l l 空间数据与属性数据匹配联结成一体化数据库i f 划分潜力单元 i 辐射、温度、降水 ii 土壤类型、土壤性状、土壤养分、地形坡度 光合生产潜力1f 温度有效系数i i i 、 【光温生产潜力i _ r j 水分有效系数i、 【 气候生产潜力卜r _ 1 土壤有效系数 l l 土地生产潜力 】 y 。 1 分据统计 i1 分臻制阁 i 、i 潜力井析 l 图2 基于g i s 的土地生产潜力研究方法流 l 1 工具准备：根据研究的目的、任务、范围、方法，收集准备与研究有关的自然 和社会经济资料，并选择适宜的计算机和g i s 分析软件。本研究选择雅安全市，包括 7 县l 区；应用国产m a p g i s 6 0 软件。 2 数据处理：将收集的图件资料和属性资料，利用g i s 处理平台，形成空间数据 和属性数据，并建立相应的数据库。 3 划分潜力单元：用建立的空间和属性数据库进行叠加，生成潜力单元。 4 计算结果分析：根据计算结果，绘制土地生产潜力分布图。分析土地生产力发 挥所存在的问题，提出相应的措施和建议。 4 2 1 数据资料收集与整理 4 2 1 1 收集资料 根据研究的需要，本次研究主要收集的资料包括：( 1 ) 1 9 6 1 1 9 9 0 年雅安市分县 以及雨城区1 9 8 1 2 0 0 0 年地面气象资料，包括气温、降水量、总辐射、生理辐射、日 照、湿度、气压、风、蒸发和地面温度；( 2 ) 土壤资料，主要来源于第二次全国土壤 普查，雅安全市5 6 个土属和6 个自然土壤亚类，并进行面积加权平均，对雨城区主 要耕地土壤进行采样化验分析；( 3 ) 社会经济统计资料，包括雅安全市及分县累年土 地面积、人口、耕地、主要农产品产量、农业总产值、水利建设数据以及2 0 0 0 年各 县主要粮食作物播种面积和产量等数据；( 4 ) 基础及专题图件资料，雅安市1 ：2 5 万 地形图、行政区划图、土地利用现状图和1 ：2 0 万土壤图等。 4 2 12 数据处理和数据库建立 国产m a p g i s 是集数字制图、数据库管理及空间分析为一体的空间信息系统，它 分为输入、图形编辑、库管理、空间分析、输出以及实用服务六大部分。系统采用矢 量和栅格数据混合的结构，力求矢量数据和栅格数据形成体的同时，又考虑到栅格 数据既可以和矢量数据相对独立存在，又可以作为矢量数据的属性，以满足不同问题 对矢量、栅格数据的不同需要。应用m a p g i s 软件建立起所需要的空间数据库和属性 数据库，工作过程为： ( 1 ) 扫描：在扫描前，对图幅进行必要的检查与预处理，用v i d a r 大幅扫描仪 将基本图件扫描成证文件格式( 注意：必须是未压缩格式，否则姒p g i s 系统不接受) ， 共4 个图幅，因土壤图图幅较大，扫描时分为两糖，在a u t o c a d 下将其旋转、拼接而 成整幅土壤图，形成3 幅基本底图。 ( 2 ) 空间数据数字化录入：数据分层与编辑层名词：为了有效的管理和利用 空间数据，在g i s 中引入“图层”的概念，通常将具有相同属性的地理要素划分为一 层。本研究根据国土基础信息数据分类与代码( g b t1 3 9 2 3 9 2 ) 和国家基本比 例尺地形图分幅和编号( g b t1 3 9 8 9 - 9 2 ) 进行数据分层和编辑层名词典，1 ：2 5 万雅 安市地形图分为：图幅基本信息图层( l 3 y a s 0 1 ) ，数字化地形图的总体描述，内容包括 角点坐标、图幅号、比例尺、调查单位及出版年代等；水系图层( l 3 y a s 0 2 ) ，包括河流、 9 湖泊、水库、沼泽地、千出滩等及其类别和名称；居民地图层( l 3 y a s 0 3 ) ，包括乡镇及 以上各级政府驻地和居民地名称；境界图层( l 3 y a s 0 4 ) ，包括县以上( 含县) 各级行政 区划界线和其它特殊地区、自然保护区界线；地形等高线图层( l 3 y a s 0 5 ) ，包括地形等 高线及高程、各类测量控制点、山峰高程点。1 ：2 5 万雅安市土地利用现状图分为：土 地利用现状图斑( l 3 y a s 0 6 ) 和地类代码( l 3 y a s 0 7 ) 。1 ：2 0 万雅安市土壤图：土壤图 斑( l 3 y a s 0 8 ) 和土壤类型代码( l 3 y a s 0 9 ) 。编辑系统库和系统环境设置：m a p g i s 系统提供的系统库目录有子图库、填充图案库、线形库和颜色色谱库，在e 盘设置工 作目录“z q y 毕业论文”，d 盘设置矢量字库( t r u et y p e ) 。装入光栅文件。设置 矢量化参数：主要包括抽稀因子、同步步数和最小线长的设置，本研究设置参数分别 为系统默认的l 、4 和1 。设置矢量化范围：分为窗口方式和全区域方式。修改 工程文件中的文件状态。数据输入，包括控制点输入，用红色“+ ”字子图采集内 图廓交点及部分经纬网交点，保存为点文件( w t ) ；输入点图元；线元矢量化，采用 交互矢量化方式。最后激活左窗口，选择相应文件，保存项目。 本图基础图件来自于雅安市国土局雅安地区1 ；2 5 万地形图1 9 9 6 ( 3 ) 图形数据编辑：图形数据经过扫描矢量数字化后，必须对矢量数字化数据 进行编辑，使其建立正确的拓扑关系，通过编辑形成了地形图、土地利用现状图和土 壤图的相应点、线文件，并通过造区形成土地利用现状区文件( 共计2 1 0 6 个图斑) 、 土壤区文件( 共计7 6 1 个图斑) 和行政区划图( 8 个图斑) 。在“线编辑”功能中， 用“修改线属性”给等高线赋值，在“空间分析”子系统的“d e m 分析”模块下，生 成雅安市d e m ( 图3 ) ；用“平面等值线图绘制”功能生成坡度图。在“实用服务”中， 对上述点、线、区文件进行投影变换，对坐标系、单位、比例尺等进行一致性检验和 归一化处理，至此空间数据库建立完毕。 ( 4 ) 属性数据库：在a c c e s s 下，建立雅安市气象数据库( 包括气温表、降水表、 蒸发表、日照表、辐射表、气压表、风速表、云量表) 、雅安市土壤属性数据库( 包 括5 6 个土属表、6 个自然土壤亚类表) 、土地利用分类数据库( 按最新分类的一、二 和三级地类表、行政区划表，行政区划代码按民政部编码标准) 和农业统计数据库( 8 县区) ，共4 个外部数据库；将各个表文件转化成d b f 格式，属性数据库建立完毕。 ( 5 ) 空间数据库和属性数据库匹配联结：利用m a p g i s 库管理模块中“属性管理 子系统”的“属性”功能，将属性库的d b f 表文件转化为m a p g i s 内部格式文件( w b ) ； 利用“联结属性”功能，导入空间文件和对应的属性文件进行联结。这样空间和属性 一体化数据库就建立完毕。 4 2 2 潜力单元划分 潜力单元是进行土地生产潜力研究的基本单位，它是由影响作物生长的诸因素 组成的一个空间实体。在同一评价单元内，其地形地貌、土壤及气候等基本属性是一 致的；不同的评价单元都应有自己独特的自然属性，既有差异性又有可比性。对于潜 力单元的划分尚无统一的方法，有以土壤类型、土地利用类型、行政区划单位、像元 以及方里网等多种方法。本次雅安市土地生产潜力单元的划分采用土壤图、土地利用 现状图、地形坡度图、行政区化图四图叠加方法，重叠区域即为潜力单元。其中，土 壤类型划分到土属，土地利用现状类型划分到二级利用类型，行政区划分到县级。在 “空间分析”模块中，调入“土壤图区文件”、“地形坡度图区文件”、“土地利用现状 图”和“行政区划区文件”，四图逐叠加形成1 6 0 3 2 个潜力单元。 4 2 3 土地生产潜力的计算 本次研究应用“机制法”来估算各种生产潜力。由于光、温、水等气候因子县内 变异小于全市的变异性，加之更详细的资料难于收集或本来缺乏，所以用主要气候要 素的平均值来代表全县的情况。 4 2 3 ，1 光合生产潜力y q 计算 光合生产潜力或者叫光能生产潜力，是指当温度、水分、土壤、肥力和农业技 术措施等均处于最适条件下，只考虑太阳辐射条件所确定的土地生产潜力，亦即由太 阳辐射决定的单位面积土地上作物群体光合作用所能产生的最高产量。因此，光合生 产潜力的大小仅取决于作物光能利用率。常见的计算指标有太阳辐射总量，生理辐射 总量，光能利用率，干物质产热率，日照时数等。荷兰学者c t d e w i t 提出的方法是 常用计算方法之一，我国广泛应用的公式有黄秉维订正和修改多项参数后得到的较为 通用的经验公式。邓根云对光合生产潜力通式中的系数进行了修正，计算了全国光热 资源和气候生产潜力，其模型为【2 0 1 ： y 萨缨f e q 1 旷1 丽“”一g 式中，c ：能量转换系数，即1 9 干物质所结合的化学能，根据a l b r i t t o n 的资料，冬 小麦为1 7 7 9 1 0 4 j k g ，水稻为1 6 7 4 1 0 4 j k g ，夏玉米为1 7 0 4 1 0 4 j k g ，油料作物较 高，大多数作物的平均值为1 7 7 9 1 0 4 j k g ( 或4 2 5 0 卡克) ；f ：光能利用率，作物的 最高光能利用率，即作物光合作用结合的能量占太阳总辐射的比率，从理论上估算， 光能利用率的“上限”或最大光能利用率高者为8 - 1 0 ，低者为5 “，l o o m i s 得出的结果为5 3 ，黄秉维取6 1 3 ，李明启用灌浆期的资料推算为4 ，据i b p 的 调查，最高值是1 9 6 9 年在日本琦玉县玉米上测得的结果为4 6 ，还有取高值 1 6 2 0 ，低值1 0 1 4 ，该模型是在光能利用率为4 ，较高投入水平下主要农作 物及年光合作用的经济产量；e ：经济系数，( 表2 ) ；q ：总辐射( j m 2 ) ，其计算公式 为：q = q o ( a + b n n ) ，式中q o 为理想大气总辐射( 可以查天文年鉴，按纬度插值得到) ； n n 为日照百分率；a 、b 为回归系数，也可用气象站的资料【郁1 。计算时y o 换算成公 制单位。 表2主要作物的生长期和经济系数【6 2 】 4 2 3 2 光温生产潜力y t 光温生产潜力是指在水分、土壤、品种等条件下，由光照、温度两因素决定的生 产能力，它是现实自然光热条件下作物产量的上限，通常反映着区域的最大生产能力。 一般地，光温生产潜力可用通过三种方法估算：( 1 ) 在前面计算出的光合生产潜力 y o 的基础上，用温度订正函数f ( t ) 乘以光合生产潜力，就得出光温生产潜力y t ，即 耳= 厂( f ) ；( 2 ) 瓦格宁根法( w a g e n i n g e n ) ，由瓦格宁根国际土地开垦和改良协会 制定的改编方法，以c - td e w i t ，b i e r h u i z e n ，r i j t e m a ，h e d d e s 和k e w a h i k 等人以前的研究 为基础，这一方法主要适用于估算小麦、玉米、高粱、苜蓿等作物的产量，是一种应 用较广的光温潜力模型：( 3 ) f a 0 的农业生态区域法( a e z ，a g r o e c o l o g i c a l z o n e s p r c l j e c t ) ，1 9 7 7 年卡萨姆( a h k a s s a m ) 利用d e w i t 的公式并根据农业生态区域发展 而成的方法，该方法基本思路与瓦格宁根法相似，但适用于较多的作物种类，应用范 围广而得到普遍认可。 机制法计算光温潜力的关键在于确定温度订正函数，( r ) 。温度订正函数前期研究 多采用植物生长的上限、最适、下限三基点温度来进行确定。邓根云从气候资源利用 的角度，概括各种作物光合过程的共同特征，提出个统一的线性温度影响函数，其 表达式为【2 0 】： f0 t 3 0 。c f ( t ) = r 3 0 0 。c t 3 0 。c i1t 3 0 。c t 为生长期内的日或者月平均温度。 4 2 3 3 光温水( 气候) 生产潜力y w 的计算 光温水生产潜力是指作物在光照、温度和水分等因素综合作用下的生产能力，也 称为气候生产潜力。它是在光温潜力的基础上，加入影响作物生长发育的水分因素后 得到的农作物生产潜力。旱作农业或称雨养农业所求得的就是这种潜力。计算的一般 表达式为： y = j r r - ，( w ) 水分有效系数或水分衰减系数厂( 们的模型比较多。假设过多降水无效情况下的 水分订正函数，用实际有效降水量与作物生长期内的潜在蒸散量来求取水分有效函数 是我国使用较普遍的方法，其模型为【1 9 】： 删= 晔篙 r 为作物生长期内有效降水量，单位哪；e 为潜在蒸散量，单位m m 。蒸散量有两种方 法计算：一种是空气饱和差法，即伊万诺夫法；另一种方法是彭曼法，即作物的需水 量一般用作物的蒸散量来反映，由于作物蒸散量的测定缺乏有效的手段，用可能蒸散 量来反映，本研究直接引用相关的结果 6 2 】。 瓦格宁根法、f a o a e z 法是气候生产潜力的重要模型，自然植被气候生产力模 型，常见的有筑后模型、迈阿密模型等。迈阿密模型由h 莱斯于1 9 7 1 年在美国迈阿 密讨论会上首先提出，其公式是伫1 】： ， 3 0 0 0 。再丽而 y 。为以年平均温度( t ) 计算的生物生产量( m 2 a ) ； 耳= 3 0 0 0 ( 1 一e 。0 ”州9 ) y p 为以年降水量( p ) 计算的生物生产量。迈阿密模型计算的是自然植被第一性生物生 产量( n n p m ) ，再根据l i c b i g 定律选择其中的低值作为森林和草地区的气候生产潜 力y w 。 土地的光温水( 气候) 生产潜力还没有考虑到土壤的作用，因此，在光温水潜力 的基础上，必须经过土壤有效系数“衰减”，才能得到符合实际的光温水土生产潜力。 4 2 3 4 光温水土( 气候一土壤) 生产潜力( 土地自然生产潜力) 的计算 4 2 3 4 1 土壤单因素贡献函数与土壤有效系数 在一定的气候与投入水平条件下，某种土壤能够满足作物生长的生态、生理要求 的程度称其为该土壤对这种作物的土壤有效系数。土壤有效系数由土壤条件决定，土 壤对作物的限制性越大，则土壤修正系数越小；在分析土壤有效系数时，必须同时考 虑其它因素；由于作物的生态、生理要求不一样，在同一评价单元中，不同的作