【毕业学位论文】（Word原稿）GIS支持下北方旱区耕地地力的评价研究—以山西寿阳县为例生态学硕士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 持下北方旱区耕地地力的评价研究 以山西寿阳县为例 of of I 摘 要 中国 北方旱区主要分布在昆仑山 淮河一线以北的广大地区，包括 17个省的 966个县市，约占国土陆地面积的 56%，耕地面积占全国耕地总面积的 旱地面积占全国旱地面积的 73%。同时北方旱区是中国最具开发潜力的农业生产基地 ， 全国 85以上的后备土地资源也集中在 这里 。搞好 北方旱区 耕地 地力 评价的主要意义在于为合理利用土地资源、防止土地退化、耕地改良利用、耕地质量保护与建设、粮食安全和农业结构调整创造条件 。 本文以山西省寿阳县为研究区域， 采用特尔斐法选取了 10项因素作为耕地地力评价因子，运用层次分析法构造判别矩 阵确定了各个因子的权重，采用模糊数学方法，根据各因素的特点及其对耕地质量影响的构建了隶属函数，利用 利用 基于栅格数据评价模式 的模糊综合评价模型计算出了耕地地力综合指数为 寿阳县的耕地基础地力分成了六个等级， 等级划分的结果客观的反映了当地的实际情况； 一等地和二等地主要分布在以白马河及其支流为主的丘陵河谷地区， 三等地分布于潇河、白马河等河流的二级阶地和相当于二级阶地的地形部位，四等地分布在丘陵地区的梁，坡、峁等地形部位，五、六等地分布在全县海拔 1200从面积分布上看 ，以 二等地和三等地 为主，占寿阳总耕地的85%以上。文章最后 针对研究区实际情况，探索性地提出了研究区耕地科学利用模式和耕地改良措施 本文在研究过程中，构建软件平台应用于 构建数据库 ，通过参数计算和成果图输出的自动化，摸索出了一 套运用 方旱区 耕地地力调查与质量评价的有效工作方法和技术流 程。 关键词 ： 北方旱区 ， 寿阳 ， 耕地 ， 地力评价 ， 地理信息系统 “十一五”国家 863 项目“ 华北旱作节水技术集成示范基地 ”（ 2006农业结构调整重大技术研究专项 “华北地区农业环境评价体系研究”、 of n a in 66 7 6 of of of in is 5.4 of 3 of in as of it an of 5 of of of to in of of to 10 to by of is up in of on of on IS of is by of a in on on on of on of 200m At in In to IS is to an by 录 第一章 绪论 . 1 究的目的意义 . 1 地地力评价研究进展 . 2 地地力研究和评价的主要工作 . 2 地地力研究方法评述 . 3 理信息系统及其在耕地地力评价中的应用 . 4 究技术路线 . 5 第二章 研究区基本情况 . 6 本概况 . 6 然环境条件 . 7 候 . 7 形地貌 . 8 土母质 . 8 壤 . 8 被 . 8 地条件 . 9 会经济条件 . 9 第三章 数据资料和方法 . 10 础资料来源 . 10 字化与图形编辑 . 10 据处理 . 10 格尺寸的决定 . 10 度图的生成 . 13 分分布图的生成 . 14 据库的建立 . 17 算机应用环境和 件 . 21 算机应用环境 . 21 理信息系统软件 . 21 第四章 持下耕地地力评价 . 22 地地力评价的原则 . 22 地地力的评价方法 . 22 价单元的确定 . 24 地地力评价指标体系 . 25 重的确定 . 26 糊综合评价模型的建立 . 30 因子评价模型的建立 . 30 地地力等级的确定 . 34 格数 据评价模式的实现 . 34 第五章 评价结果分析 . 37 地地力各等级数量 . 37 等级耕地的空间分布 . 37 同等级耕地利用及改良措施 . 40 第六章 . 41 要结论 . 41 在的问题及需要加强的工作 . 41 参考文献 . 43 致谢 . 46 作者简历 . 47 V 英文缩略表 英文缩写 英文全称 中文名称 理信息系统 栅图像数字化为矢量数据的软件 反距离权重 地地力综合指数 字高程模型 层次分析法 表目录 图 1- 1 寿阳县耕地地力评价流程图 . 5 图 2- 1 寿阳地理位置图 . 6 图 2- 2 寿阳县气候变化图 . 7 图 3- 1 寿阳县土壤图 . 11 图 3- 2 寿阳县地质地貌图 . 12 图 3- 3 寿阳县土壤养分插值点分布图 . 15 图 3- 4 克里格插值法三种模型检验（ N=100） . 17 图 3- 5 种指数检验（ N=100） . 17 图 3- 6 寿阳县有机质分布插值比较图 . 17 图 3- 7 耕地地力评价数据库示意图 . 18 图 3- 8 寿阳土壤速效磷、速效钾栅格图 . 19 图 3- 9 寿阳土壤 和土壤代换量栅格图 . 20 图 4- 1 寿阳县耕地地力评价中参评因素的层次结构 . 26 图 4- 2 有机质与隶属度关系曲线 . 32 图 4- 3 耕地地力评价流程图 . 35 图 4- 4 寿阳县耕地地力等级图 . 36 图 5- 1 各等级耕地的空间分布图 . 38 表 4- 1 的标度原则 . 28 表 4- 2 寿阳县耕地地力评价因素的权重 . 30 表 4- 3 参评因素的分级及其隶属度 . 31 表 4- 4 参评因素类型及其隶属函数 . 33 表 4- 5 寿阳县耕地地力综合指数 . 35 表 5- 1 寿阳县耕地地力评价结果面积统计 . 37 表 5- 2 寿阳县耕地地力等级的行政区域分布 . 39 中国农业 科学院 硕 士学位论文 第 一章 绪论 1 第一章 绪论 究的目的 意义 中国北方旱区主要分布在昆仑山 淮河 一线以北的广大地区，包括 17个省 （ 自治区、直辖市 ） 的 966个县 （ 市 ） ，约占国土陆地面积的 56%，其中耕地面积约 全国耕地总面积的 该区旱地面积占全国旱地面积的 73%，水浇地面积不足 20%，大部分地区年降水量为 300资源总量不足全国的 20%，耕地平均水量约 5580 3/信乃诠，王立祥，1998） 。同时北方旱区 又 是 我 国最具开发潜力的农业生产基地，这个地区地域辽阔，人均土地资源丰富，人均耕地、草地、果园、林地等分别比全国平均水平高 34、 56、 53和 15，全国 85以上的后备土地资源也集中在北方旱区 （李三爱， 2004） 。 中国粮食问题全球瞩目。就粮食安全状况而言，新中国成立后我国农业经过几十年长足发展，人民温饱问题基本解决，人民对粮食的数量需求基本得到保障，但是粮食安全问题并没有得到根本解决。 2003年我国粮食总产量只有 t，人均占有量不足 350食播种面积也降至建国以来的最低点 （卢良恕， 2004；徐建华，等， 2001） 。 耕地安全是粮食生产安全的保证，然而我国耕地资源形势已开始变得十分严峻，我国是一个人口大国，但又是一个耕地小国，特别是随 着工业化的进程加快，我国有限的耕地资源正在逐渐减少 。 耕地的危机不仅表现在总量和人均占有量的不断减少方面，同时更反映在耕地质量 的退化，土地生产率下降。我国耕地退化、地力下降的问题也十分突出， 主要表现在：水土流失、地力下降、盐碱化、沙化、污染严重，由于以上种种原因，再加上农田水利灌溉设施的不足和老化，农业基础设施薄弱，干旱、洪涝等自然灾害频繁增大，使我国耕地中的高产稳产农田比重很小，中低产田占 23以上，耕地质量差还在进一步恶化 （高旺盛，陈源泉，等， 2004） ，而影响耕地质量的关键因素是耕地地力问题。 耕地地力 是指在特定气候区域以及地形、地貌、成土母质、土壤理化性状、农田基础设施及培肥水平等要素综合构成的耕地生产能力，由立地条件、土壤条件、农田基础设施条件及培肥水平等因素影响并决定 （ 王蓉芳，曹富有，彭世琪，等， 1996； 周勇 ， 田有国， 2003）。 其基本特征是形成速度慢，修复难度大，构成要素关联度高，对环境变化反应敏感。因此，开展 北方旱区 耕地地力评价研究具有重要的科学价值和实际意义。 第一 中国北方旱地农田大多是黄土母质及经过搬运的黄土母质上发育的土壤，土壤的基本情况是土层深厚、适耕性好、土壤 中性偏碱、富含钾、营养元素普遍偏低，干旱且水土流失严重， 因此，加强耕地地力的研究有利于深入了解耕地质量特性，为耕地质量建设提供理论依据。 第二 着我国农业生产的发展，肥药结构也发生了巨大变化。目前，我国肥料用量不断增加，已经成为世界肥料消费量最大的国家，但肥料比例严重失调，利用率低，氮肥当季利用率只有 30%左右。肥料资源配置本来就不合理，区域分布也不平衡，西北地区只有 10左右；有机肥开发利用不足，投入量下降。同时，农药、重金属污染也十分严重，据统计，全国有 1300 万 地受到不同程度的农药污染，有近 2000 万 地受到中国农业 科学院 硕 士学位论文 第 一章 绪论 2 镉、砷、铬、铅等重金属的污染。因此，加强 北方旱区 耕地地力研究有利于从机理上探讨耕地最合理的肥药结构，减少农田污染，提高耕地质量。 第三 国耕地资源短缺，人均占有耕地面积持续下降，再加上我国工业化和城镇化步伐的加快，人增地减的趋势难以逆转。因此，必须注重耕地质量建设，提高耕地的持续增产能力，通过提高质量弥补耕地数量不足，才能从根本上提高农业综合生产能力，确保国家的粮食安全 （ 彭世琪， 2002） 。 综上所述，面对耕 地数量减少、质量退化等问题，为了保证国家粮食安全、农产品质量安全、人类健康和社会经济可持续发展 ， 加强 北方旱区 耕地地力评价研究，对于我国 北方旱区 耕地质量的建设和提高耕地持续增产能力具有重要的意义。 地 地力 研究 和评价的主要工作 我国耕地评价历史悠久，早在 2000 多年前就有按土壤色泽、性质、水分状况来识别土壤肥力和分类的记载。在几千年的农业社会中，耕地定级估价的理论与实践都有很大的发展，而较为系统的耕地评价始于新中国建立后。建国以来，我国耕地评价的发展历程大概如下： 1950 年，全国土壤肥料大会召开， 重点是部署 研究新中国经济的发展和 4 亿人民的吃饭问题，在 全国 范围内开展了 中低产田的区域、类型、改良措施和途径 的 研究，推动了新中国耕地评价工作的发展。 1958 年开展了第一次土壤普查工作， 1960 年各省、自治区、直辖市完成普查和资料汇总（除西藏、青海和台湾）。这是我国土壤资源的一次全面的调查，完成了全国土地资源中土壤的类型、数量、分布和各种类型土壤基本性状的调查。 1984 年开始进行第二次土壤普查，首次在全国范围内对全部土壤类型进行资源性调查，耕地基础性状和生产能力的评价是其非常重要的内容。到 1994 年，全国陆续编写了中国土壤、中国土种志、中国土壤普查数据以及 1 100万中国土壤图、 1 400 万中国土壤改良分区图、土壤养分图等，查清了全国土壤的类型、分布和基本性状，以及耕地资源的数量、利用现状和耕地中存在的主要障碍因素 （ 全国土壤普查办公室，1995） 。 20 世纪 80 年代末期，随着 3S（ 术和地图、自动制图技术等高新技术的发展与应用，在数据更新、动态评价、评价精度方面取得很大进展，并能快速完成多维、多元信息复合分析 （ 傅伯杰， 1990） 。近年来发展的空间决 策支持系统通过 术与专业模型和数学方法的集成，更有利于土地资源的合理管理与使用。 1984 年至今，农业部在全国 200 个点上持续开展耕地地力监测和评价工作，并建立了数据库。在这个项目的带动下，各省都建立了监测点，并取得了一大批成果 （ 钟永红，彭世琪，等， 2003） 。 1986 年，原农牧渔业部土地管理局以水、热、土等自然条件为评价因素，来划分农用地自然生产潜力的级别。 1997 年，农业部根据粮食单产水平把全国耕地划分为七个耕地类型区、十个耕地地力等级，并分别建立了各类型区耕地等级范围及基础地力要素指标体系。从 20 世纪 90 年代开始，许多专家、学者从自然、环境、经济和社会各个方面探讨了可持续土地利用管理评价的指标和方法 （ 傅伯杰，陈利项，等， 1997；陈百明， 2002） ，耕地评价研究进一步向综合化、多元化、精确化、定量化、生态化和动态化方向发中国农业 科学院 硕 士学位论文 第 一章 绪论 3 展。 地地力研究方法评述 我国耕地地力研究最原始的方法，可追溯到古代赋税和土地买卖交易对耕地质量的划分。建立在近代科学方法基础上的耕地地力研究，属于当前为多种目的服务得土地评价系统，包括一下几个组成部分，即评价的地类单元和地力等级系统的框架；构成地力评价的基本要素及 地力等 级系统的数量化与非数量化的技术指标；评价工作的程序和方法；整个系统的操作与应用 （ 王蓉芳，曹富有，彭世琪，等， 1996） 。国内在这一领域内的 研究方法 可以归纳为几 大类 ： 第一 为土壤农化法或土壤肥力法。这种方法的特点是筛选一些与耕地生产能力直接关联的土壤理化形状要素 指标 ，作为地力评价的基础，如土壤有机质、氮磷钾及其他植物营养元素的含量；土壤酸碱度、交换量以及土壤质地、容重、障碍层次等物理性状；当然也可以延伸到一些其他地力要素，如地形、母质、土体厚度、水分 状况等方面。但其核心和重点是土壤肥力，土壤中植物营养元素的丰缺程度，土壤的供肥水平和土壤的潜在供肥能力。简单地说就是评价耕地的肥沃和瘠薄程度。地力监测与肥料试验中设立的空白区产量，就是这种方法所要表现的地力概念。由于这种系统是以土壤养分含量为基础，所以其服务的目标，就是耕地土壤的肥力建设（土壤培肥），指导施肥以及作物种植计划安排。评价单元可以是反映土壤生产性能的基层分类单元，土种、变种或土壤，也可以是田间规划所划分的耕作地块，种植区划所安排的作物田块。 土 壤农化界 多侧重于土壤肥力的研究。 第二 适宜性和适宜程度为基础的地力研究系统，习惯上叫做适宜性评价。泛义上的适宜性评价涉及三个层次的问题。第一个层次为土地的概念，包括农地、工矿交通用地、城镇居民点用地的全部土地资源利用与开发的评估。为国民经济长远计划和国土开发的宏观规划服务，解决资源合理配置，生产力布局和生态环境保护等高层决策依据。第二个层次是农用地中，农林牧渔用地的适宜性评价，这是土地适宜性评价系统中应用最普遍、最广泛的层次。解决合理的用地结构和农业布局问题。联合国粮农组织的土地评价大纲，国内一些资源调查中使用的评价方法，都是属于这一范围。第 三个层次就是指农用地中耕地、林地、园地、草地的适宜性程度评价，这个系统可以成为各类用地独立的评价体系，如耕地的评价、林地的评价，也可以是整个适宜性评价体系 的 一个组成部分，一个最基础的层次。整个适宜性评价是立足于土地的适宜性与适宜性程度，为合理的土地利用服务，所以其评价项目就是与利用目标直接关联的适宜性与限制性因素。在我国及其复杂多样的自然条件下，其决定因素必然 是 一些高层次的地学条件，如气候水文、地形地貌、土壤植被类型等。评价单元则是上述要素构成的自然综合体、不同层次的土地类型单元，适宜性评价是地学的方法，广 泛应用于农业和土地资源的调查、区划、土地利用规划。 第三 食产量水平为基础的地力概念与研究方法 。就是最常见的高产田、中产田、低产田划分方法，这种方法的核心，就是直接以粮食单位面积产量的水平，划分耕地的高中低档次，也可以划分为不同的产量等级。粮食单产的计算方法，一般是以某一期间单产的平均数，作为排除了一些偶然因素的正常产量，代表其地力水平，粮食产量的基础数据来自调查统计。所以其地力评价单元，不像前两种方法是一个独立的自然单元。如土壤肥力的土壤基层分类单元，如一个经营地块，一户、一村、一 乡乃至一个县。从而出现吨粮县、高产县之类的中国农业 科学院 硕 士学位论文 第 一章 绪论 4 说法，这种方法广泛应用于农业统计分析、计划管理等方面。 地理信息系统（ 20 世纪 60 年代开始迅速发展起来的一种决策支持系统，它是以采集、存贮、管理、分析、描述和应用整个或部分地球表面与空间和地理分布有关数据的计算机系统，由计算机系统、数据库和用户组成，智能化的 包括知识和推理组成的专家系统。 集地理学、信息学、计算机科学、空间科学、地球科 学和管理科学等多学科为一体的新兴边缘学科（黄杏元，汤勤，等 ， 1990；陈述彭，鲁学军，等， 1999；汤国安，赵牡丹， 2000）。它研究计算机技术与空间地理分布数据的结合，通过一系列空间操作和分析，为地理科学、环境科学和工程设计，乃至国民经济的发展、城市建设及企业经营提供对规划、管理和决策有用的信息，并回答用户提出的有关问题。它具有以下三个特征：一是具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性；二是以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析和动态预测的能力。三是 在计算机系统支持下，完成空间地理世界管理、地理分析和地理决策。它的兴起为土地资源定量化、自动化评价提供了现代化的技术工具。通过地理信息系统软件建立空间数据库和属性数据库，进行评价单元的划分，评价因素选取、评价信息获取，评价模型计算，可以全面快速得出评价结果，并且对评价结果的调整也比较方便 （ 李勇，苏文贵，肖笃宁， 1996；尹君，许嗥，林培， 1998；张炳宁，张月平，张秀美，等， 1999；刘友兆，夏敏，杨建海， 2001） 。 地理信息系统从 20 世纪 70 年代开始正式运行起就被广泛用于土地资源清查、土地评价、土地利用 规划、综合制图等方面。在这方面国外的研究较多，如：加拿大土壤信息系统，新西兰微型计算机土地信息系统，澳大利亚 划的土地利用规划信息系统以及英国的土地资源信息系统等。这些系统将土地评价和规划相结合，具有综合性和使用性，是当时土地分类评价和规划的有效手段。近年来，联合国组织研制专用于农用土地评价研究人地关系的软件 件系统。地理信息系统在我国土地评价中的应用始于刘岳等到北京十三陵地区的研究，但较粗略。 黄杏元（ 1993） 等在福建军沙县土地评价中所应用的评价系统可将由 动派生的地形要素与由图形 数字化产生的土壤数据进行复合，从而完成土地分类与评价 。 何建邦 等研制的黄土高原信息系统（ 立在 础上，使评价在科学、实用、可操作性等方面迈出了一大步。现在运用 数据库技术进行评价信息的获取、数据输入及量化、评价单元的生成、评价因子分析、级别划分、评价结果分析、面积量算及成果图的输出乃至建成集成系统来支持评价工作的全过程已成为现代评价的研究热点之一，并取得了不少成功的经验。如史志华 （ 1999） 以三峡库区王家桥小流域土壤肥力综合评价中，提供了一种应用 合数学模型评价土壤肥力的 途径；刘钦普 （ 2002） 在 术支持下完成了许昌市耕作土壤肥力的综合评价。 毕如田 ，王镔，等 （ 2005） 通过叠加土地利用现状图、基本农田规划图和土壤图而形成评价单元，用 15 项耕地地力指标计算每一个评价单元的