耕地评价原理与方法张炳宁

耕地地力评价原理与方法,张炳宁2007.5.14,第一节评价原理与方法第二节评价技术流程第三节建立县域耕地资源管理信息系统第四节选择评价因素第五节建立评价模型第六节评价结果检验第七节评价结果归入农业部地力等级体系第八节评价结果应用第九节作物适宜性评价,第一节评价原理与方法,耕地地力评价大体可分为以产量为依据的耕地当前生产能力评价和以自然要素为主的生产潜力评价。本次耕地地力评价是指耕地用于一定方式下，在各种自然要素相互作用下所表现出来的潜在生产能力。生产潜力评价又可分为以气候因素为主的潜力评价和以土壤因素为主的潜力评价。在一个较小的区域范围内（县域），气候因素相对一致，耕地地力评价可以根据所在地的地形地貌、成土母质、土壤理化性状、农田基础设施等因素相互作用表现出来的综合特征，揭示耕地潜在生物生产力的高低。,耕地地力评价结果表达方法一：回归模型法Y=b0+b1x1+b2x2+bnxm式中：Y单位面积产量Xi耕地自然属性（参评因素）bi该属性对耕地地力的贡献率（解多元回归方程求得）,耕地地力评价结果表达方法二：参数法IFI=b1x1+b2x2+bnxn式中：IFI耕地地力指数（integratefertilityindex)Xi耕地自然属性（参评因素）bi该属性对耕地地力的贡献率（层次分析方法或专家直接评估得到）,第二节评价技术流程,第三节建立县域耕地资源管理信息系统,第一次全国土壤普查第二次全国土壤普查（农化样点补充定位）历年土壤农化性状调查数据国土资源有关数据第二次土壤普查以来所有试验资料,一、建立耕地资源基础数据库,二、田间调查与取样,基本要求：GPS定位取样点数量设置原则：点位图转换成分布图后能真实地反应耕地地力的变化。从满足这个条件出发，取样点越少越好。,确定采样点数量kriging空间插值法,这一方法的原理是用若干已知点来推测未知区域，将不连续的点状数据形成连续的面状区域，来描述整个研究区域的空间变异特征。不同的耕地指标具有不同的空间变异及不同的统计特征，空间变异越大，取样数目应当越多。从理论上讲，在确定采样点数量时，应根据空间变异最大的那个指标确定采样点数量。但在实际应用时，应综合考虑各个指标对耕地地力的贡献以及其空间变异，确定适当的取样点数量。,确定采样点数量专家经验法,请当地有经验的专家根据土壤类型、农作物布局以地形的变化在地形图（万分之一或者五万分之一）上确定取样点位。采样人员带着图到实地，在位于采样单元相对中心位置的典型地块定点取样。这样做法的好处是可以先在图上观察样点分布的均匀度，并应用空间插值的方法检验样点的密度是否达到了一定的精度。田间调查人员根据在图上确定的点位到田间应用GPS定位取样。,耕地评价单元是具有专门特征的耕地单元，在评价系统中是用于制图的区域；在生产上用于实际的农事管理，是耕地地力评价的基础。在确定评价单元时可以应用以下几种基础图件：土地利用现状图土壤图行政区图,三、制作耕地资源管理单元图,土壤图：,根据土壤类型划分评价单元可以在一定程度上反映耕地地力的差异。这种方法的优点是能充分反映土壤在耕地地力中的主要矛盾，同时能够充分利用土壤普查中的资料，节省大量的野外调查工作量，具有较好的土壤和耕地利用基础，只要将耕地评价地区的土壤图连同土壤调查报告收集起来，就可以确定土地评价单元、单元的数量及其位置。这样划分的评价单元主要问题是实地缺乏明显的界线，而且往往和自然田块、行政界线不一致；另外，由于利用方式、耕作管理措施的差异，随着时间的推移，同一种土壤类型耕地地力会发生较大的差异。,行政区图：,用乡、村的行政界限为评价单元，更细的可以划分到生产队。这样划分的优点是行政隶属关系明确，适用于农业及农村经济管理。这样的评价单元内可能有两种或多种土壤类型；土地利用方式、管理方式都可能不一致，不适用于耕地地力的评价。,土地利用现状图：,按土地利用现状图的基础制图单元（自然地块或耕作规划单元）作为耕地评价单元。这样的单元内地形、水利状况基本一致，种植作物的种类、管理水平、常年产量也基本相同。不足之处是评价单元的区域较大，往往跨越乡界，另外同一单元内可能包含多种土壤类型。,综合以上几种基础图的优缺点，我们推荐用土壤图(土种)与土地利用现状图（含行政区划图）叠加产生的图斑作为耕地管理单元,这样形成的管理单元空间界线及行政隶属关系明确，有准确的面积（要注意与当地政府发布的耕地面积一致），地貌类型与土壤类型一致，利用方式和耕作方法基本相同，这样得出的评价结果不仅可应用于农业布局规划等农业决策，还可以用于指导实际的农事操作，为实施精准农业奠定良好的基础。,四、耕地管理单元获取数据,耕地管理单元图的每个图斑都必须有参与评价指标的属性数据。根据不同类型数据的特点，可采用以下几种途径为评价单元获取数据：点位数据：点分布图插值（以点代面）评价单元赋值。如土壤有效磷点位图、速效钾点位图等等。矢量图：矢量图评价单元赋值。如土壤质地、容重等较稳定的土壤理化性状，可用一个乡范围内同一个土种的平均值直接为评价单元赋值。等值线图：等值线图栅格图评价单元赋值。如等高线、积温、降雨等。,第四节选择评价因素,一、评价指标选择原则,重要性：选取的因子对耕地地力有比较大的影响，如地形因素、土壤因素、灌排条件等等。易获取性：通过常规的方法可以获取，如土壤因素、灌排条件。差异性：选取的因子在评价区域内的变异较大，便于划分耕地地力的等级。如在地形起伏较大的区域，地面坡度对耕地地力有很大影响，必须列入评价项目之中；再如有效土层厚度是影响耕地生产能力的重要因素，在多数地方都应列入评价指标体系，但在冲积平原地区，耕地土壤都是由松软的沉积物发育而成，有效土层深厚而且比较均一，就可以不作为参评因素。稳定性：选取的评价因素在时间序列上具有相对的稳定性，如土壤的质地、有机质含量等，评价的结果能够有较长的有效期。评价范围：选取评价因素与评价区域的大小有密切的关系。当评价区域很大（国家或省级的耕地地力评价），气候因素（降雨、无霜期等等）就必须作为评价因素。本次调查以县为基本调查单位，在一个县的范围内，气候因素变化较小，在进行县域耕地地力评价时，气候因素可以不作为参评因子。,二、全国耕地地力评价指标体系全集,第五节建立评价模型,一、计算单因素评价评语：模糊评价法,特尔斐法简介模糊评价法基本原理建立隶属函数的方法隶属函数类型应用实例,（一）特尔斐法简介,一、确定提问的提纲列出的调查提纲应当用词准确，层次分明，集中于要判断和评价的问题。为了使专家易于回答问题，通常还在调查提纲的同时提供有关背景材料。二、选择专家为了得到较好的评价结果，通常需要选择对问题了解较多的专家1050人，少数重大问题可选择100人以上。,特尔斐法的基本步骤,三、调查结果的归纳、反馈和总结收集到专家对问题的判断后，应作一归纳。定量判断的归纳结果通常符合正态分布。在仔细听取了持极端意见专家的理由后，去掉两端各25的意见，寻找出意见最集中的范围，然后把归纳结果反馈给专家，让他们再次提出自己的评价和判断。这样反复34次后，专家的意见会逐步趋近一致。这时就可作出最后的分析报告。,特尔斐法的基本步骤,（二）模糊评价法基本原理,模糊子集：一个模糊性概念就是一个模糊子集，模糊子集取值自01中间任一数值（包括两端的0与1）。隶属度：元素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，部分符合取0与1之间一个中间值。隶属函数：表示元素与隶属度之间的解析函数。根据隶属函数，元素的每个值都可以算出其对应隶属度。,（三）建立隶属函数的方法：最小二乘法,假设我们给出一组耕层厚度的数据，请专家评估不同的耕层厚度对耕地生产能力的影响，得到相应的一组评价数据（隶属度）：,y=1/(1+a*(u-c)2),常数a如何确定呢？最理想的情形是选取的a值，能使曲线f(u)=1/(1+a*(u-c)2)经过图中所标出的各点，但在实际上这是不可能的。因此，我们只能要求选取这样的a值，使得耕层厚度为22，20，18，处的函数值f(ui)与专家评价的数值yi(1，0.97，0.91，)相差都很小。即：(i=0,1,2,，n)都很小。,建立隶属函数的方法：最小二乘法,由于任何实数的平方都是正数或零，因此我们可以考虑选取常数a，使,个偏差的绝对值都很小，这种根据偏差的平方和最小的条件来选择常数a的方法叫做最小二乘法。,最小来保证每,建立隶属函数的方法：最小二乘法,（四）隶属函数类型,根据模糊数学的理论，我们将选定的评价指标与耕地生产能力的关系分为戒上型、戒下型、峰型、直线型以及概念型5种类型的隶属函数。对于前四种类型,可以用特尔斐法对一组实测值评估出相应的一组隶属度，并根据这两组数据拟合隶属函数;也可以根据唯一差异原则,用田间试验的方法获得测试值与产量的一组数据，将产量转换为0-1之间数值表达的一组数据，再用测试值与转换后的数据拟合隶属函数。鉴于质地对耕地其它指标的影响,有机质、阳离子代换量、速效钾等指标应按不同质地类型分别拟合隶属函数。,（1）戒上型函数模型（有效土层厚度、有机质含量等等）,式中,yi为第i个因素评语ui为样品观测值ci为标准指标ai为常数ut为指标下限值。,（2）戒下型函数模型（坡度、土壤容重等）,式中ut为指标上限值。,（3）峰型函数模型（pH）,式中,ut1、ut2分别为指标上、下限值。,（4）直线型函数模型（灌溉模数）,yi=b+ai*ui,（5）概念型指标（剖面构型、地貌类型、土壤质地等）,这类指标其性状是定性的、综合性的，与耕地生产能力之间是一种非线性的关系，如地貌类型、土壤剖面构型、质地等。这类因素的评价可采用特尔菲法直接给出隶属度。,隶属函数分析模块,隶属函数分析功能简介,耕层厚度隶属函数拟合,耕层厚度隶属函数拟合,ph隶属函数拟合,y,ph隶属函数拟合,容重隶属函数拟合,容重隶属函数拟合,质地隶属度及其描述,坡向隶属度及其描述,地貌类型隶属度及其描述,排涝能力隶属度及其描述,隶属函数模型编辑,隶属函数模型编辑,二、计算单因素权重：层次分析法,层次分析法基本原理层次分析法基本步骤应用实例,（一）层次分析法基本原理,层次分析方法的基本原理是把复杂问题中的各个因素按照相互之间的隶属关系排成从高到底的若干层次，根据对一定客观现实的判断就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。,判断矩阵一般形式及其特点：,判断矩阵标度及其含义,标度含义,1表示两个因素相比，具有同样重要性3表示两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要5表示两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要7表示两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要9表示两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要2,4,6,8上述两相邻判断的中值倒数因素i与j比较得判断bij，则因素j与i比较的判断bji=1/bij,（二）层次分析法基本步骤,建立层次结构模型构造判断矩阵层次单排序及其一致性检验层次总排序层次总排序一致性检验,层次分析模型应用举例,应用实例(江苏省仪征市）,三、计算耕地生产性能综合指数(IFI),加法模型IFI=FiCi(i=1,2,3,n)式中:IFI(IntegratedFertilityIndex)代表耕地地力数;F=第i个因素评语;Ci=第i个因素的组合权重。乘法模型IFIM1M2M3Mn式中：M1F1C1;=F2C2;Mn=FnCn乘法与加法结合的模型IFIMjFiCi(i=1,2,3,nj),十、确定地力综合指数分级方案,等距法,累积频率曲线法,第六节评价结果检验,在拟合隶属函数和评估各个要素对耕地地力的权重时，都依赖于专家的经验。由于专家认识程度的分歧以及数学方法的局限，第一轮评价结果与耕地的实际生产能力难免会发生一定的偏差。第一轮评价工作完成后，应邀请参与制定隶属函数和层次分析判断矩阵的专家依据概念性产量对评价结果进行评估。如两者相差太大，则必须重新拟合隶属函数和评估各个要素对耕地地力的权重。如此经过若干个回合，直至绝大多数专家对评价结果满意为止。,第七节评价结果归入农业部地力等级体系,概念性产量：,根据统计学原理，当调查点达到一定数量时，调查产量的统计值将逐渐趋近于某一个指定的辖区（如一个村、一个乡、一个县）或某一个特定的土壤类型平均地力等级，我们将它定义为概念性产量。,在依据自然要素评价的每一个地力等级内随机选取10%的管理单元，调查近三年实际的年平均产量，经济作物统一折算为谷类作物产量，将这两组数据进行相关分析，根据其对应关系，将用自然要素评价的耕地地力等级分别归入相应的概念型产量表示的地力等级体系。,评价结果归入农业部地力等级体系,两种评价方法的比较与转换,根据自然要素评价评价实质：耕地生产