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黑龙江农垦区耕地地力评价方法与理论研究


摘要
在测土配方施肥调查工作大背景下,进行区域耕地地力调查和评价工作,为完善土地 管理和经营,为农业生产的合理布局和调控提供参考依据。 本文针对黑龙江农垦区 850 农场的现状, 首先收集了图件、 文本资料和采样化验数据等, 结合 GIS 空间分析技术和传统的耕地地力评价方法, 系统分析了影响耕地地力的诸因素, 包 括土壤养分和理化性状、成土母质、地形地貌、农田基础设施条件、水文地质因素等,对耕 地地力评价的过程和理论方法进行了探讨, 介绍了耕地资源基础信息库的建立、 评价单元的 划分、并采用特尔菲确定了参评因素的权重,利用模糊数学模型,结合层次分析法计算了 850 耕地地力综合指数,将该地的基础地力分为六个等级,并详细分析了各个等级土壤主要 营养元素的丰缺程度,其结果大致如下: 850 农场水田耕地总面积 330977.92 亩, 其中, 一二等地面积所占耕地总面积为 20.21%, 三四五等地所占比重较大,为 69.37%,六等地所占比重小,为 10.35%。土壤的速效钾、有 效磷、有机质等养分含量丰富,土壤呈现微酸性,且分散分布。 在研究过程中,构建了 GIS 软件,MAPGIS 、ARC/INFO、ARCMAP 和 ACCESS、EXCEL 等 软件平台应用于耕地地力等级划分, 通过参数计算和成果图输出的自动化, 摸索出了一整套 开展耕地地力调查和质量评价的有效工作方法和技术流程,大大减少了数字化编辑的工作 量,提高了工作效率。 关键词:3S 技术;耕地地力;等级划分

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Abstract
In the backdrop of the investigation fertilization in determining the soil, we surveyed and evaluated the regional farmland, in order to improve land management and operation and to provide reference for the rational distribution of agricultural production and regulation. Under the status of 850 Farm in the Heilongjiang Land Reclamation Area, this paper collected maps, text information and sample test data, etc, combining GIS technology and traditional evaluation methods of Farmland , systematic analyzed the various factors affecting fertility of arable land, including soil nutrients and physical and chemical properties, the soil parent material, topography, agricultural infrastructure, hydro-geological factors and so on, and discussed the process and the theoretical methods of the evaluation of farmland. This article describes the establishment of information database of the cultivated land resources and the division of the evaluation units, using the Oracle at Delphi to determine the weight of the leveling factors and fuzzy mathematical model, calculates by combining AHP the Composite Index Farmland of 850, divides the based soil fertility into six grades and give a detailed analysis the abundance and deficiency level of the main nutrient elements in the soil at all levels. The results are as follows: 850 farms, the total area of 330,977.92 acres of paddy land, among them, the fist and the second grade farmland are occupied 20.21% of the total area of cultivated land area, the third, the forth and the fifth class farmland has a larger proportion of 69.37% and the sixth grade has a small proportion of 10.35% Soil potassium, phosphorus, organic matter and other nutrient-rich soil showed slightly acidic, and the scattered distribution. In the course of the study, the GIS software, MAPGIS, ARC / INFO, ARCMAP and ACCESS, EXCEL and other software platforms are used in Farmland classification. According to the parameters and results of the automation of map output, we worked out a set of methods and techniques of
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effective work flow to carry out the investigation and quality evaluation of the fertility of arable land, greatly reducing the workload of the digital editing and improving the work efficiency. Keywords:3S technology;farmland fertility;classifacation

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目录
第一章 文献综述?????????????????????????? 1.1 前言?????????????????????????????? 1.2 研究背景??????????????????????????? 1.3 研究的目的意义????????????????????????? 1.4 课题研究基本概况???????????????????????? 1.4.1 主要研究内容???????????????????????? 1.4.2 技术手段?????????????????????????? 1.5 国内外研究简介?????????????????????????? 1.5.1 耕地地力评价与土地评价的关系???????????????? 1.5.2 国外研究情况????????????????????????? 1.5.3 国内研究情况????????????????????????? 第二章 理论与方法?????????????????????????? 2.1 耕地地力评价的理论依据?????????????????????? 2.2 耕地地力评价的原理???????????????????????? 2.3 耕地地力评价方法????????????????????????? 2.4 耕地地力评价技术路线??????????????????????? 第三章

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第一章 文献综述

1.1 前言

“万物土中生”, “有土斯有粮” ,土地是人类生存和发展的物质基础,也是立国安邦的 基本条件。耕地是土地的精华,是土壤中营养成分丰富,利于农作物生长的部分,也是人类 从事各种生产生活的空间载体。 耕地资源不只是一种陆地自然资源,它的存在、演化、发展还受到人类社会的影响,不 同的经济技术水平和社会历史背景, 人类对耕地资源的作用力不同, 耕作土壤的养分、 结构、 质地、灌溉设施条件等在时间和空间上也发生着根本的改变。 耕地地力是指耕地的自然要素在农业生产中变现出来的潜在生产能力。 地力好, 作物生 长好,产量高;地力差,作物生长不好,产量低。它是反映耕地内在的、基本性质的地力要 素构成的概念。 我国耕地退化严重。 每年水土流失量近 20—120 亿吨, 我国西南地区和大江大河流域尤 为突出;西北、华北、东北地区土地荒漠化、沙化、盐碱化直接威胁约 6000 万亩耕地生产 力;各种污染物造成目前我国近 2700 万公顷的土地受损,加上每年自然灾害损失的近百万 亩灾毁耕地和各种人为因素造成的耕地生态破坏,我国耕地现状堪忧。2000 年全国耕地面 积为 19.24 亿亩,2005 年下降为 18.31 亿亩 照此速度锐减,下个五年,我国耕地面积将越 过 18 亿亩的耕地红线,势必威胁国家的粮食安全。 [1] 付庆云.加强耕地保护,防止耕地退化 .国际动态与参考,2001 年第 40 期 从国家生存和安全出发, 开展耕地地力评价工作, 及时检测和掌控耕地资源的动态变化 情况,努力保持目前耕地数量,提高现有耕地质量,增加粮食产量和品质,大力开发后备耕 地资源,迎合现代农业发展和工业经济长足进步的需要服务。
[1]

1.2 研究背景

第二次土壤普查过去已经二十几年, 随着我国科学技术的发展和综合国力的提高以及全 球环境的逐年改变,人们施加于土地的影响力日趋加强,土地利用方式、耕作制度、土壤养 分、管理水平等都发生了很大变化;近年来,随著我国城市化、工业化进程的加快,人口的
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剧增,灌溉条件优越,经多年培育的高质量耕地被大量占用,许多不宜农用的土壤被垦为耕 地,使得我国中低产田的比例逐年上升,加上管理方式不当和技术措施的滞后,现有耕地质 量不容乐观。再者,我国耕地质量偏低的同时,土壤退化现象也很严重,水土流失、土壤盐 渍化、酸化、沙漠化、荒漠化的趋势仍在继续扩大,土壤内部结构的改变,使得土壤的保水 性和保肥性能下降;为了维持高产,我国现在主要靠增加农用化学品和能源,这样不仅增加 了农业成本的投入,而且使得农民的经济效益难于提高,投入产出比率失衡,大大削弱了农 业的国际竞争力。 耕地的潜在生产和再生产能力,不但体现在农业的产出上,而且渗透和扩展到工业的 各个层面。我国用占世界 7%的耕地,养活了占世界 22%的人口,难利用土地多,后备耕地 资源补充不足, 逐年下降的基础地力和与之相结果的脆弱生态, 已经影响到我国的粮食安全、 生态安全、农产品质量安全和经济发展,国家早已开始重视耕地质量提高,也开展了一系列 的耕地质量调查工作。 为了摸清我国耕地资源状况, 提高耕地利用效率, 促进现代农业发展, 2007 年,国家农业部结合测土配方施肥需要,开始在全国各地展开耕地地力评价工作。 黑龙江垦区地势平坦,土壤肥沃,灌溉条件便利,是全国规模最大、机械化程度最高 的国有商品粮生产基地、 农副产品加工基地和现代农业的示范基地, 耕地保有量 243.3 万公 顷,基本农田保护面积 194.1 万公顷,[2]另外,在财政部的支持下,按照“试点启动、区域 性调查、全面开展”的思路,2003 年到 2005 年间,开展了环太湖流域、珠江三角洲农产品 出口基地、华北高效农业区及东北黑土区的耕地地力调查与评价工作。[3] [2]张之一,翟瑞常,蔡德利.黑龙江土系概论,ISBN7-80717-424-2 [3] 在此大环境下,本研究以黑龙江农垦区的国有农场为单位,对其进行耕地生产力等级 评价, 其中主要阐述区域耕地地力评价的原理和方法, 用量化指标建立区域可比的土地等级 系列,编制耕地地力等级图、数字化土壤养分分布图、中低产田类型分布图、形成县域耕地 资源管理信息系统等。最终实现评价的系统化和评价的精度,增强评价结果的实用性和实效 性。

1.3 研究的目的意义

耕地地力评价是测土配方施肥工作的补充项目, 是利用现有的调查资料, 土壤和植物检 测结果以及田间试验分析数据,建立耕地资源管理信息系统,旨在从宏观和微观的角度,动
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态监测、科学的分析现有耕地资源的基本生产能力,摸清耕地质量高低、存在的主要问题, 有的放矢的提出具体解决措施,以便为科学指导农业生产,合理利用和规划管理耕地资源, 调整农业结构等提供客观详实的参考依据。 进行耕地地力评价,保护现有耕地资源不仅是保证国家粮食安全的基础,也是政治、经 济、社会持续发展的需要。

1.4 课题研究基本概况

1.4.1 主要研究内容

本研究以高纬度黑土为研究对象, 主要阐述耕地地力评价的方法和技术过程, 得出评价 的最终结果, 并对结果进行分析总结, 为科学合理的决策提供理论支撑。 主要研究内容如下: (1)阅读大量相关文献资料,归纳总结近几年耕地地力评价的进程和最新成果,评价手 段和技术水平发展情况。 (2)介绍耕地地力评价的主要方法和技术手段,包括特尔斐法、层次分析法、主成分分 析法、灰色关联度法、回归分析法、模糊综合评价法等,指出各种评价方法的优缺点。 (3)收集第二次土壤普查和农场近三年土壤检测样本材料,对特定的评价区域自然地理 环境进行分析,结合专家组制定该区域的耕地地力评价指标体系。 (4)应用相关数据图像分析软件,结合相应的指标量化方法,对评价区域进行指标归一 化处理,使指标量纲一元化,计算指标权重和隶属度,有利于指标间两两比较。 (5)确定评价单元,为评价单元赋值。 (6)生成评价效果图,对评价结果进行分析总结。

1.4.2 技术手段

(1)利用层次分析法确定各评价指标的权重,模糊综合评价法计算各因素的总影响度。 (2)结合现代技术,应用 RS 和 GPS 获取评价区全方位、时效性的空间数据和属性数据, 采用 GIS 分析软件对信息进行综合分析,生成评价效果图。

1.5 国内外研究简介
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1.5.1 耕地地力评价与土地评价的关系

耕地评价是土地评价的一个小分支。 土地评价是指为了某种目的, 在一定用途的条件下, 对土地质量的高低或土地生产力的 大小进行评定的过程。 换言之,就是对构成土地的不同因子,如气候、土壤、地形、植被、 水文、 地质等的基本状况以及对土地投资的效益进行综合评审和鉴定, 是在摸清了土地资源 的类型和分布区域后进行的,目的是评定土地资源的质量。概括的说,土地评价就是针对某 种具体的用途,对土地的生态、经济、社会效益高低进行综合评定,阐明土地对某种用途的 适宜程度、限制条件、生产潜力、经济效益、环境影响程度等等(林培,1996) 。 [4] 刘黎明, 土地资源学[M].中国农业大学出版社, 2004.2ISBN 7-81066-727-0/S.532 根据不同的评价目的,不同的评价方法手段和评价对象,土地评价又分为许多类型。在 倪绍详主编的《土地类型与土地评价概论》中,从评价途径的不同把土地评价分为直接评价 和间接评价; 按评价性质类别和方法不同又把土地评价分为定性评价、 定量评价和经济评价; 按照服务目标的类别区分再把土地评价分为单目标和多目标评价,另外按评价对象的不同, 土地评价又可以分为农业用地评价、林业用地评价、牧业用地评价、城镇用地评价、旅游用 地评价、自然保护区用地评价、交通用地评价等。 耕地评价属于农业用地评价范畴,又称种植业评价。是以种植业为目的,评价土地的适 应性和适应程度的过程。 耕地是种植农作物的土地。 耕地地力是指在一定时期, 在自然和社会经济条件综合作用 的情况下,某一区域耕作土壤表现出来的生产能力。包括作用于耕地的区域气候、地质、地 貌、成土母质、土壤理化性状、农田基础设施、培肥水平等因素的综合表现。根据影响耕作 土壤质量和健康状况的参数,能够探知耕地对某一作物的潜在生产力和适应程度。 耕地地力评价是以鉴定土地生产能力高低为目的, 评价对象是耕地生产力, 并不针对具 体的利用类型,只针对耕地生产力的土地质量评价。 耕地地力评价是土地评价学中的一个新分支, 在评价的方法和技术手段上与土地评价具 有相似之处,只是较之土地评价方法手段上还不成熟和完善,需要不断的探索和补充(县域 耕地地力评价,硕士研究生论文)
[5] [4]

[5]王静宇.县域耕地地力评价方法及其应用研究.[硕士研究生论文].昆明:昆明理工大学, 2008.
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1.5.2 国外研究情况

国外关于耕地地力评价的研究历史悠久,在古希腊、埃及、罗马帝国等文献中都有相关 耕地分等的记载,古罗马著名学者和农学家瓦罗,在《论农业》一书中提到按农地价值大小 来分类,进行土壤的分等定级。[6] 国外早期的土地评价主要服务于国家税收。
【7】

在 15 世纪, 莫斯科公国为了分封土地和

征收赋税, 将耕地分为上、 中、 下三等, 随后奥地利 (1717) 、 法兰西 (1808) 、 普鲁士 (1861) 等国也相继开展了以赋税为目的的农用地等级评价,德国开展农用地估价工作已经有 180 多 年历史, 它主要是评定分值为 100 分的当地最好农业企业, 以其耕地及草地每公顷净收入的 相对值为基础来征收土地税,进行土地归并、土地调换,作为地租地价的法律依据 。 18 世纪第二次工业革命以后,科学技术飞速进步,随着崭新科学领域的开辟,出现了 新的研究手段和研究方法, 各国学者掀起了新一轮土地研究的热潮, 并形成新的土壤分级系 统,如俄罗斯著名的土壤地理学家道库恰耶夫,对黑钙土进行了详细的科学考察,并同气象 学家、经济学家一道开展了土地评价工作,于 1886 年在《尼日格勒州土地的鉴定材料》的 著作中,对耕地评价体系进行了全面系统的阐述,其方法体系目前仍在前苏联各国使用。紧 接着, 在 20 世纪 30 年代初期, 英国学者伍德里治 (W.S.Wood Ridge) 和昂斯特德 (J.F.Ustead) 从地形地貌及地质的角度,提出一些土地分级的术语,学者波纳(R.Boume) ,在他的《区域 调查和大英帝国农业资源估计的关系》一文中,将土地划分为三种不同的土地单位,成为研 究土地分级的先驱。美国 1933 年提出“斯托利指数分等” (STR)和康乃尔评价系统(comel system),德国财政部 1934 年提出的《农用地评价条例》 ,根据土地性质状况对土地产量高 低的影响划分耕地等级。 此外澳大利亚从 1946 年设立联邦科学与工业组织以来,一直致 力于资源调查和评价工作, 在澳大利亚开展土地资源综合调查, 建立了一系列分类和评价体 统,并形成了一套较为规范的调查、评价、制图的方法和手段。这些理论和学说为后期的耕 地地力评价奠定了基础。 总的来说,在 20 世纪 60 年代以前,国外耕地地力分级评价的主要特点表现为(1)以 考虑自然属性对土地的影响为主。 (2)评价的方法和技术手段简单,结果也粗糙。 (3)主要 是定性评价为主。 1961 年,美国农业部土壤保持局,根据美国土壤调查成果,对美国土地资源生产潜力 的评价和划分,颁布了世界上第一个比较全面的土地资源评价系统——土地潜力分级。 进入 70 年代以后,计算机和遥感技术广发应用,使耕地地力评价工作的广度和深度都
-9【2】 [8]

得到了长足的发展,该时期,耕地地力评价大多以耕地合理利用和管理为目的进行。 1972 年 FAO 组织国际专家会议,对土地概念、土地利用类型、土地评价方法、诊断指标体系等进 行讨论研究,于 1976 年颁布了《土地评价纲要》[4]弥补了土地潜力分级的不足,该系统的 发布有力的促进了国际上有关耕地资源评价研究。 该时期土地评价的特点呈现出定性和定量 相结合的特点。60 年代中期系统分析和模型模拟开始应用到定量评价土地质量上来,荷兰 瓦格宁根农业大学通过建立土地综合质量与土地性质之间的数学模型, 对土地质量高低进行 评价。 20 世纪 90 年代,随着信息时代的到来,地理信息系统(GIS) ,全球定位系统(GPS) , 遥感卫星技术(RS)为耕地评价提供了更广阔的发展空间。技术手段的不断进步,使得评价 更直观,更实效,该时期评价的主要特点是以定量评价为主,所以提高了评价的精度和准确 性, 实现了耕地质量变化的空间动态模拟。 如 V.J.Kollias 等应用 GIS 分析软件 (ARK/INFO) 具有的模糊处理能力进行土地资源评价。在此基础上, 1981 年美国农业部土壤保持局提出 了“土地评价和立地评价系统” ,加拿大的杜曼斯基和斯图尔特参照美国土壤保持局研究理 论,结合 GIS 技术发展了联合国粮农组织的农业生态区计划方法。[5] 近年来复杂的数学模型同 GIS 技术结合进行土地评价的方法越来越广泛推广, 不仅大大 提高了评价因子的选取手段, 而且一些影响耕地质量的定性因素, 通过数学的模糊模型和地 理信息系统软件的强大数据、 图像分析处理功能进行了量化处理, 让评价的结果真实的逼近 客观事实。

1.5.3 国内研究现状

我国耕地地力评价思想萌芽很早。早在 2000 多年前的《尚书·禹贡篇》和《管子·地 员篇》 ,就有按土壤色泽、性质、水分状况及所处的位置等对黄河和长江中下游土地进行分 级评价的记载,为征收赋税,将天下九州土地分成三等九级, 《周礼·地官司徒》则重在以 土壤肥力高低不同来指导农业生产,北魏《齐民要术》中也有土地分等的思想,这是有关土 壤评价的最早记载[6\7],在漫长的封建社会, 各个朝代的行政部门常常按土壤的颜色、 质地、 结构、有机质、盐碱地等来评定土地优劣,进行赋税的征收,但之前的耕地评价很零散,没 有形成统一的体系,新中国成立以后,我国开展了大规模的,系统的土地评价工作。 新中国成立初期,为了中国经济的发展和解决 4 亿人民的温饱问题,1950 年召开了全 国土壤肥料大会, 决定大范围开垦荒地, 研究了我国中低产田的类型并提出改良措施和途径
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方法,1951 年财政部组织查田定产,根据影响土地质量的自然条件,如:气候、地形地貌、 日照、温度、风向、水利设施等,另外考虑经营条件(当地农户对土地所施加的劳力、蓄力、 肥料及耕作技术等)对全国耕地进行评定等级。[10] 1958 我国开展第一次土壤普查,除青海、西藏、台湾等省外,在全国的各个省、市、 自治区、直辖市都对土壤的性质、数量、分布、类型及各种土壤类型的基本形状进行了全面 的调查,完成资料的汇总;为适应改革开放的需要,1979 到 1985 年间我国进行了第二次土 壤普查,是在第一次的基础上,以乡为单位,以村为基础,逐丘逐块进行,对全国全部土壤 进行资源性普查,调查结果自下而上逐级汇总,耕地地力评价工作是其中非常重要的内容。 期间陆续编写出版了《中国土壤》 《中国土种志》 《中国土壤普查数据》 ,同时绘制了 1:100 万中国土壤图,1:400 万中国土壤改良利用分区图、土壤养分图、土壤利用现状图及其他一 些附件等。查清了全国土壤的类型、分布和基本性状,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[9],例如对东北平原地区进行国土整治,黄淮海滨海地区中低产田 改良,治理黄土高原区的水土流失,防止西北干旱半干旱区的荒漠化等。这些工作为我国耕 地资源合理利用,农业持续发展奠定了坚实的基础。 20 世纪 90 年代,3S(GIS、GPS、RS)技术广泛应用到农用地评价中,逐步实现了耕地 评价的实时性、精确性和动态评价,提高了评价的精度和科学性。1984 年至今,农业技术 推广服务中心将国家级耕地土壤监测点从 1995 年的 153 个增至 1997 年的 200 个,到 2008 年又扩增到 365 个, (我国耕地质量检测步入新阶段,农业日报 2009 年 7 月 21 日)各个省 都设立了监测点, 并建立了数据库, 为耕地质量动态变化网络的建立提供了接近发达国家的 详实资料。耕地地力评价经历了一个逐步完善的过程: “七五”时期,中国农科院和中国农 业部根据耕地土壤的有机质含量高低、土壤的理化性状、土壤的立地条件、障碍因子和农用 地生产力水平等综合因素将全国农用地划分为 5 个等级,1995 年对部分省区的县级耕地进 行了质量评价,给出了评价区耕地的质量指数,1997 年,农业部根据粮食单产水平,把全 国耕地划分为 7 个类型区、10 个耕地地力等级,并分别建立了各类型区耕地地力等级范围 和评价指标体系。[8] 2002 年至今,在 30 个省(市、区) ,已经完成了 288 个县的耕地地力调查与质量评价 工作。涉及耕地面积 2.9 亿亩,占全国耕地面积的 16%,这些项目县在此期间共采集各类样 品 17 万多个,分析化验 250 多万项次,绘制专题地图 4000 余副。项目县的农科教工作人员 以“县域耕地资源管理信息系统”为载体,建立了耕地资源属性数据库,其中包括耕地土壤 养分数据库、采样点基本信息数据库、农户调查与农业生产情况数据库等,其次还建立了耕
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地资源基础图件及成果图件数据库,包括土壤图、土地利用现状图、耕地地力等级分布图、 土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、PH 值等级分布图等。农业部还组织专家编写和完善 了《耕地地力调查与质量评价技术规程》 ,补充了省级的耕地地力评价指标体系。 (为耕地质 量建设提供基础数据,农业日报,2009 年 7 月 21 日) 。 我国耕地地力评价的研究,不止考虑影响耕地质量的自然因素,更综合考虑了社会、 经济、生态等因素对耕地质量的影响,为摸清我国耕地质量现状,耕地土壤环境质量状况及 耕地生产能力奠定了基础, 为保障国家粮食安全和国民经济发展、 社会稳定等作出里了巨大 贡献, 使耕地地力评价研究向多元化、综合化、 生态化、精确化、 定量化和动态化方向发展。 [8]

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第二章 理论与方法
2.1 耕地地力评价的理论依据

一 马克思地租理论 按照地租地价理论观点, 土地劳动生产率差别表现在两方面, 一是土地肥力和位置差异 引起的差别, 二是同一地块土地面积上追加的投资引起的劳动生产率差别。 耕地地力分等定 级是以相对稳定的自然条件为主要评价指标, 反映因耕地资源潜在的区域自然水平、 平均利 用质量和效益水平不同而造成的耕地生产力水平差异。 二 土地肥力理论 耕地地力分等的基础是耕地的粮食生产能力, 即耕地生产力水平等级, 它主要取决于耕 作土壤的肥力水平。 土壤肥力是指持续和稳定的供应植物生长所需的水、 肥、 气、 热的能力, 耕作土壤肥力不同,其质量差异明显,从而耕地生产能力也有等级之分。 三 耕地质量观 耕地地利用方式不同,对应不同的土壤质量水平,表现出迥异的土地质量内容,而且耕 地质量与其效益息息相关, 二者不可分割。土地质量是自然条件和社会环境因素共同作用 的结果,是一种综合特性,各个因素独自作用于土地又相互制约,相互影响,表现出质量的 差异性,既等别。

2.2 耕地地力评价的原理

耕地地力评价主要根据所在地的土壤养分、土壤理化性状、土壤剖面构型、灌溉条件、 地质地貌类型、农田基础设施条件等要素相互影响、相互作用表现出来的综合特征,研究耕 地潜在的生物生产能力高低。 主要用两种方法来表达耕地地力评价结果: 一种方法,回归模型法,关系式如下: 如果以 B 表示作物单位面积产量,以 A1 , A2 , A3 ...An 代表各参评因子的参量,那么有:

B ? f ? A1 , A2 , A3 ...An

?

(2-1)

(2.1)式中,通常表示为:B=F(C·E·S) ,其中 C 代表作物状态集合,E 为气候环境

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变量集合,S 为土壤环境变量集合。 该方法的优点在于一旦满足上述函数关系式, 就能根据评价区的自然参评因子的参量估 算出作为单位面积产量; 不足之处在于, 在实际生产中, 很多因子是不可控制和容易变化的, 其中单位面积产量不仅受到自然因素的影响, 其次还要受到耕种者的技术水平、 科学文化素 质、经济能力差异的影响。 另一种耕地地力评价的理论法,参数法,是用耕地自然要素评价的指数来表示,表达式 为:

IFI ? b1 x1 ? b2 x2 ? ? bn xn

(2-2)

其中,IFI 为耕地地力指数:Xi 表示耕地自然属性;bi 表示参评因素对耕地地力的贡 献率, 通常采用层次分析法或专家评估法求得。 采用耕地地力指数法可以更直观的揭示影响 耕地地力的障碍隐因素及其程度大小。采用相应的数学方法,还可以将耕地地力指数 IFI 值转换为单位面积产量,从而更直观的反映耕地的真实地力水平。 本研究采用耕地自然要素评价的指数来表示耕地地力高低。[17]

2.3 耕地地力评价方法

纵观国际国内土地评价的发展历史,[20]不难看出其方法的发展历程大致经过了以定 性为基础的“级别法”和以定量为基础的“参数法”[19],以及目前应用最多的 3S 技术与参 数法相结合的评价方法三个阶段。 土地评价方法大致分为两大体系。一类是参数体系,即采用参数方法来评价土地等级。 参数法又称评分法,是土地评价数量化的一种方法,它是根据土地评价的目的,选取有关的 土地特性和其它社会经济特征, 并根据在其内部或相互之间的重要性分别给出数字值来代替 评价要素, 然后按照数学规律将这些数字值加以结合, 其中考虑到各要素之间的相互关系和 相互作用,产生最后的性能指数,最后将这种指数转而用于按值的次序对土地进行分等,用 以反映土地质量的高低;[21]另一类是类别体系,亦称归纳法,该方法以针对一定得利用方 式的土地潜力和限制因素,作为评价耕地质量差异的依据。 耕地是个复杂的土地系统, 在环境历史演化中, 不仅受到自然因素的影响而且还烙上了 社会经济因素影响的印记,其中有些因素是稳定的,有些因素是易变的;一些因素可以被量 化测算,一些难于精确的、直接的被量化,但这些因素之间又相互联系,彼此影响,共同作

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用着耕地的质量。[22]所以,耕地系统本身的复杂性决定耕地地力评价方法研究的难度。耕 地时土地资源的一个重要组成部分, 土地评价方法的研究和选取是决定评价结果可靠性的重 要环节,通过分析和总结,现代土地资源综合评价方法一般有如下几种: (1) 加权指数法[23] 在耕地地力评价时,要充分考虑自然、社会、经济、生态因素对作物产量的影响,选取 合适的评价因子,根据经验或数学方法确定评价因子的权重,然后,按照评价单元累加或联 乘各参评因素的指数获得指数和或者指数积, 再对照事先设定的不同耕地等级指数范围, 评 定各单元的耕地等级。[24] 加权指数和法公式如下:

G ? ? g i pi
i ?1

m

加权指数积法公式如下:

G ? ? g i pi
i ?1

m

式中: G ——耕地等指数

gi ——各评价单元的单因子指数 pi ——各因子的权重

m ——评价因子的总数目
i ——评价因子的编号
(2) 主成分分析法[25][26] 主成分分析法的主要目的是用较少的变量去解释原资料中的大量变量的方差-协方差结 构。在耕地地力评价中,因素因子较多,数据信息量大,运用主成分分析法,不仅可以使耕 地地力评价中所采集的大量信息最大可能的减少损失, 而且可通过数学变幻将原来的多个因 素因子转化为少数几个相互线性无关的主要分量, 从而实现简化数据结构, 并根据主成分的 方差贡献率客观的确定权重, 避免评价指标的共线性和权重确定的人为性, 使评价结果趋于 客观合理。 (3) 回归分析法[27] 回归分析法是一种数理统计方法,在掌握大量影响耕地质量的因子的观察数据的基础 上,确定各个因素之间的关系,建立回归分析方程,然后,在进行耕地地力评价时,建立耕
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地质量与相关影响因子的回归模型, 计算出单个或多个因素影响下的耕地地力评分值, 在计 算机帮助下,应用回归模型进行耕地质量评价。 (4) 模糊聚类分析法{30} 聚类分析也称群分析或点群分析, 是研究多要素事物分类问题的数学方法。 基本原理是根据 样本自身属性, 用数学方法按照一定得相似性或差异性指标, 定量地确定样本之间的亲疏关 系 本方法用模糊数学的隶属函数求出各因子的隶属度, 建立模糊关系矩阵, 再对其进行标 准化和模糊变形,求出传递闭包矩阵,最后用动态聚类方法求出耕地质量级别。本方法主要 用在耕地适应性评价中。[31] (5) 模糊综合法[28][29] 这种方法是建立在模糊数学的基础上,利用隶属度理论把定性评价转化为定量评价,用 几种隶属函数对耕地地力指标进行标准化, 其中, 需要确定各项指标对总的耕地地力的权重, 在建立隶属函数时,经常采用的函数类型包括:戒上型、戒下型、概念型、梯形,其中需要 确定一些函数的参数。 该方法充分考虑了耕地质量界线的模糊性, 利用最大隶属度或主导因 素原则对综合评判矩阵确定分等结果,消除人为分等定级的影响。 除以上介绍的几种常用的耕地评价方法外,在有关土地评价系统中,还常用到灰色关联 度分析法和人工神经网络等空间分析方法来分析耕地这个空间实体的属性和特质。

2.4 耕地地力评价技术路线

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田间采样化验数据、 “3S”图 件和统计资料的收集与整理

耕地地力基础资 源信息库

硬件和软件设备准备

确定评价单元

设立田间调查取样点

自然环境要素 土壤理化要素

构建评价 指标体系

田间基础 设施条件

连接属性数据库与空间数据库

评价区耕地地力 管理信息系统

定性评价

评价单元赋值 确定评价指标权重

定量评价

计算耕地地 力综合指数 面积 量算 面积变化 定量 指标 空间分布

耕地地力分等定级

评价结果

图 2.1

耕地地力评价技术路线

Fig.2.1 Technical line of Farmland fertility Evaluation

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第三章 耕地地力评价流程
3.1 资料的收集与整理

3.1.1 原则与内容

建国以来,全国相继开展了土地利用现状调查,土壤定位监测,土壤环境监测,水资源 调查和两次土壤普查等,取得了丰富的调查成果和资料。2002 年以来,全国各地相继开展 了耕地地力调查和测土配方施肥工作, 采集了大量的农情调查、 土壤化验数据和田间试验成 果。 这些数据资料和成果为开展耕地地力评价提供了丰富的基础资料。收集并充分利用这 些资料,可以避免大量的重复工作,从而起到事半功倍的作用。 耕地地力评价涉及评价地区耕地的多方面信息,只有充分了解和掌握被评价地区的实 际情况, 才能保证对各种信息进行合理的选择和利用, 确保重要信息不遗漏、 无差错。 所以, 需要广泛收集与地力评价有关的各类自然和社会经济资料,做好数据准备。主要包括: (1)野外调查资料 按野外调查点获取,主要包括地形地貌、土壤母质、水文状况、土壤类型、土层厚度、 耕层质地、耕地利用现状、灌排条件、作物产量、施肥水平等。其中的部分内容可通过第二 次土壤普查资料获得。 (2)化验分析资料 化验分析数据包括土壤有机质、 全氮、 速效氮、全磷、有效磷、速效钾等大量元素含量, 有效锌、硼、钼等微量元素含量,其中耕地地力评价的必测项目包括了:pH 值、有机质、全 氮、有效磷、缓效钾、速效钾;由测土配方施肥项目所取土壤样品化验分析得到。 (3)社会经济等属性资料 第二次土壤普查资料,包括土壤志、土种志、土壤普查专题报告;各土种性状描述,包 括其发生、发育、分布,生产性能、障碍因素等; 土地利用现状调查资料,包括土地详查资料,基本农田保护区划定资料; 统计资料,包括近三年农业生产统计资料,土壤监测,田间试验,各乡镇历年化肥、农 药、除草剂等农用化学品销售及使用情况,农作物布局等。全县及各乡(镇)基本情况、自 然资源状况描述; (4)其他相关资料,如水土保持、土壤改良、生态环境建设、水利区划,土壤典型剖
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面、土壤肥力监测、当地典型景观等照片,特色农产品介绍、地方介绍资料等。

3.1.2 研究区资料来源
(一)图件资料的收集 图件资料指印刷的各类地图、专题图以及数字化矢量和栅格图。所有图件比例尺均为 1:50000。本项目收集了以下的图件资料: ①地块图(土地利用现状图) :地块间以地物界线(路、渠、沟、林、坎等)或权属界线 进行划分,包括耕地和非耕地。农场长期都是以地块作为基本的生产管理单位,每个地块有 自己的名称, 并且建立了对应的农业生产档案。 在图件的属性表内根据地块档案添加了田块 的利用类型等内容,所以该图件也反映了土地的利用现状。 ②行政区划图:农场的行政区划以生产队为最基本单位,为方便生产队的管理,地块没 有跨越生产队边界的情况,每个生产队的地块(包括非耕地)单独命名。所以行政区划图可 以在地块图的基础上生成。 ③土壤图:来自第二次土壤普查成果图。 ④地貌类型分区图。 ⑤土壤采样点点位图。 (二)数据、文本资料及其来源 ①850 农场土壤样品检测结果,包括田间调查项目和实验室分析的土壤常规和微量元素 项目。 ② 850 农场地块档案,包括地块名称、承包农户、作物种类、品种、单产、总产、面 积、整地、防病、施肥等内容. ③850 农场 1999 年第四次土壤普查数据,包括全氮、全磷、全钾、pH 值、有机质、速 效氮、速效磷、速效钾等 8 项指标的 980 余个采样点数据。 ④ 850 农场土壤分类情况,主要土壤的发生、发育、分布、性状描述、植被类型、生 产性能、障碍因素等。 ⑤ 组织各队的技术员调查了旱田每个地块的排涝能力、抗旱能力、田面坡度、地形部 位等四项指标。 下表是属性数据的主要来源表。

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农场行政编码表????????????? 民政局 农场基本情况统计表??????????? 农业局 农场农业基本情况统计表????????? 农业局 土地利用现状分类统计表????????? 国土局 基本农田保护区基本情况统计表(村)??? 国土局 土壤分类系统表 ??????????土壤普查资料 各土种典型剖面理化性状统计表??? 土壤普查资料 地貌类型属性表?????????? 土壤普查资料 土壤肥力监测点基本情况统计表?????? 土肥站 土壤农化数据表????????????? 土肥站 农田水利综合分区统计表????????? 水利局 灌溉渠道基本情况统计表????????? 水利局 主要河流、湖泊基本情况统计表?????? 水利局 公路网基本情况统计表?????????? 交通局

3.2 GIS 在耕地地力评价中的应用
3.2.1 耕地地力评价资源数据库建立流程图(图 3.1) 3.2.2 属性数据库的建立 首先要对属性数据进行分类编码, 这样一边节省内存空间和便于用户理解使用, 为后期 实现与空间数据库连接做好必要准备。 编码形成的数据为元数据, 即描述数据库中各类数据 及其组合的数据集合,也称数据字典,是提供查询的唯一入口,所以要避免重复数据项的出 现。 农业部组织专家编写的《耕地资源数据库数据字典》 ,对空间数据、属性数据和连接空 间与属性数据的外部数据给予了系统编码, 并对各数据项的取值范围进行了描述, 为评价结 果的数据汇总作了充分准备。 本研究区数据编码建立了到田块的 18 位编码, 其中 15-18 位为田块编码, 13-14 位为生 产队编码,10-12 位为管理区或场直编码,7-9 位为农场编码。

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属性数据可以独立在 Access\、Dbase、Foxbase、或 SQL Serber 等数据库下完成。采用 Excel 表格最简便,但是数据格式需要转换为标准数据库格式才能与空间数据库进行连接。 这里统一转化为与 arcGIS9.0 兼容的 dbf 格式。 3.2.3 空间数据库的建立 本研究的空间数据库指的是在地理信息系统平台上建立的描述空间数据关系的集合。 空 间数据的获取有多种方式,有数据转录和数据测量等,其中几何校正、投影转换、分类处理 等为为数据转录,这类数据只需转换数据记录格式,使其满足系统设计需要即可。本研究中 数据规范地图采用 1:5 万地图为空间数学框架基础;投影方式为高斯--克吕格投影,6 度分 带,中央经度为东经 135°;坐标系及椭球参数:北京 54 坐标系/克拉索夫斯基椭球体; 野外调查 GPS 定位数据:初始数据采用经纬度并在调查表格中记载,然后转入 ArcGIS 软件, 系统与图件匹配时,再投影转换为上述直角坐标系坐标,以 Shape 文件格式存储;栅格数据 转化为 Grid 格式存储,矢量数据转换为 Shape 格式和 Coverage 格式存储。 (1)图件扫描数字化 对于纸制图件,要把空间的点、线、面以及拓扑关系录入计算机系统软件,建立空间数 据库,必须进行数字化过程,一般采用扫描数字化完成。 扫描前图件应整理平整,没有网格线的地图每幅图精确的量出 20 个以上的特征点,用 铅笔在图上标出,并记录下准确的坐标值,以便用于扫描图像校正。扫描影像能够区分图内 各要素,若有线条不清晰现象,需重新扫描。扫描分辨率设置为 400dpi。图像数据经过角度 纠正,纠正后的图幅下方两个内图廓点的连线与水平线的角度误差不超过 0.2 度。 由于扫描过程中扫描仪对纸质地图的碾压, 并且纸质地图本身也存在变形, 扫描后的图 像需要先进行校正再进行矢量化。 本研究采用二次多项式的方法进行扫描图像校正。 纠正后 控制点的点位绝对误差与图面值不超过 0.2mm。 有公里网格线的地图,以公里网格线交叉点为图形纠正控制点,每幅图应选取不少于 20 个控制点。 对扫描图件进行矢量化, 其中要求图内各要素的采集无错漏现象, 图层分类和命名符合 统一的规范,各要素的采集与扫描数据相吻合,线划(点位)整体或部分偏移的距离不超过图 面值的 0.3mm,面状图形数据中没有碎片多边形。图形数据及属性数据的输入正确,另外, 野外调查 GPS 定位数据的误差在 15 米以内。

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空间数据

属性数据

数字地图

图形预处理

提取与检验

编辑、格式转换

扫描、数字化

编码

坐标转换

编辑修改

录入

拓扑 校 正 编码转换

生成拓 扑关系

审查修改

添加自定义项、录入数据、特征编码

坐标转换

图形拼接

属性数据库与空间 数据库通过编码连接

数据库

图 3.1 耕地地力评价资源数据库的建立流程图 Fig.3.1 The flow of chart establishment on land resources database (2)取样点坐标变换 要综合评价耕地土壤的养分状况,合理施肥和管理,就涉及到土壤样品的采集。根据收 集到的图件资料,在预定采样点的位置,然后手持 GPS 导航仪,到实地选取取样地块,记 录采样点的经纬度, 再把采集到的代表评价区土壤特性的土壤样本进行科学处理, 最后送至
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实验室进行测试分析,从而得到各采样点的测试值。 由于图件数据大多是北京 54 坐标系,其采用的是克拉索夫斯基椭球体。而野外调查 GPS 定位数据是 WGS84 坐标系,其采用的是 WGS84 椭球体。不同的椭球体之间相同的地 理位置有不同的经纬度坐标,而相同的坐标可能代表不同的位置。通过实际测量对比发现, 两种坐标系上相同的经纬度坐标在实际位置上大概有 70-80m 的偏差,所以必须进行不同椭 球体之间坐标的转换。这种转换都需要转换参数,目前我国在北京 54 坐标系和 WGS84 坐 标系之间没有全国统一的转换参数, 且各地的转换参数不同。 一般实际应用中都是通过实测 的办法计算局部地区的转换参数。本项目通过黑龙江省测绘局购买了本地区三角点的北京 54 坐标及其对应的 WGS84 坐标,采用 3 参数的转换方法,计算了本地区的转换参数。实现 了两种坐标系统之间的转换,使得坐标框架得到了统一,GPS 定位数据和地图数据能够很 好的对应到一起。由北京 54 平面坐标计算 WGS84 平面坐标的坐标转换计算过程如下: ⅰ 由北京 54 平面坐标计算北京 54 经纬度坐标。即将以米为单位的平面坐标转换为以 度、分、秒表示的地理坐标,计算中以克拉索夫斯基椭球体的参数和本地区的中央经线作为 输入参数。 ⅱ 由北京 54 经纬度(大地)坐标计算北京 54 空间直角坐标。即将为以度、分、秒表 示的地理坐标转换为以地心为原点,以 x,y,z 表示的空间三维直角坐标。 ⅲ 利用计算的坐标转换参数,采样三参数法,由北京 54 空间直角坐标计算 WGS84 空 间直角坐标。 ⅳ 由 WGS84 空间直角坐标计算 WGS84 经纬度(大地)坐标。计算中以 WGS84 椭球 体的参数和本地区的中央经线作为输入参数。 ⅴ 由 WGS84 经纬度坐标计算 WGS84 平面坐标。

3.3 研究区概况 3.3.1 研究区自然地理条件与农业经济概况
黑龙江 850 农场地处黑龙江省东部的密山市、虎林市和宝清县两市一县的交界处, 场部南临风光旖旎的兴凯湖, 北倚巍巍屹立的完达山, 地理坐标为: 132°15′E—132°51′ E,45°41′N—45°54′N,属三江平原完达山亚区地带。西北部为完达山低山丘陵区, 东南部为七虎林河、穆棱河冲积平原。土壤肥沃,水资源充足,自然资源丰富。[38](农 垦总局牡丹江分局商务之窗,黑龙江牡丹江分局 850 农场地理位置)农场土地总面积为 505 平方公里, 现有耕地 45 万亩, 林地 13.5 万亩, 其中天然次生林 8 万亩, 森林覆盖率为 17.8%; 现有草原牧地 1.7 万亩,水面 0.5 万亩。耕地的 80%是低湿耕地。农场属温带大陆季风性气
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候,有效积温 2501℃,年平均降雨量 540mm,全年平均日照 2305 小时,无霜期 134 天。场 区经济以农业为主,兼营林、牧。农作物以种植小麦、大豆、玉米为主,经济作物以 种 植 甜 菜 为 主 。 近 年 来 , 农 业 总 产 值 近 亿 元 。 [39] (百度百科, 850 农场 - 资源, http://baike.baidu.com/view/274。该区交通条件便利,通讯设施完备,境内有六处 火车站和一处客运站,每天有无对铁路客车和四十多辆公路客车贯穿全场。拥有铁路 专用线 1.8 公里,同时拥有占地面积 7.973 平方米的发货站台,拥有 12 ,000 平方米 的农用飞机场一处。 全场总人口 1.5 万人,下设 13 个管辖区急 16 个工商运建服企业。建场以来,累计完成 固定资产投资 3.9 亿元, 用于农业机械更新及现有机械配套, 农业综合机械化水平高达 92%。 农场拥有大米加工、玉米烘干、生物肥料、种子加工及粮食处理等 10 余家工业企业,水稻 年 加 工 能 力 20 万 吨 , 年 产 种 子 4500 吨 , 生 物 肥 料 年 产 量 近 8000 吨 。 [40] (http://81nd_mhb.2008red.com/81nd_mhb/article_62_6478_1.shtml)

3.3.3 耕地土壤立地条件与农田基础设施
(1)耕地土壤类型及面积 850 农场土壤类型主要为白浆土、黑土和沼泽土。

Fig.3.2 The farmland soil types of evaluation region

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白浆土是发育于温带和暖温带湿润季风气候条件下,有周期性滞水淋溶的土壤。 主要特征是在腐殖质层下有一灰白色的紧实亚表层,即白浆层,厚 20 ~ 40 厘米。世 界各地都有存在。中国主要分布在黑龙江东部、东北部和吉林东部,以三江平原最为 集中。 [41] (百度百科) 白浆土在八五零农场水田的总面积为 298926.4 亩,占水田总面积的 90.31%,是水田中 分布最广的土类,在各管理区均有分布。其中砂底草甸白浆土分布面积为 73570.17 亩,占 水田总面积的 22.22% 黑土是温带半湿润气候、草原化草甸植被下发育的土壤,是温带森林土壤向草原 土壤过渡的一种草原土壤类型,目前我国土壤分类系统,将黑土列入半水成土纲中。 我国黑土分布在吉林省和黑龙江省中东部广大平原上。美国黑土分布在中部偏北的湿 草原带,故称湿草原土。 [42](百度百科 http://baike.baidu.com/view/56774.htm?fr ) 八五零农场黑土主要是黑土亚类,剖面构型为平面型。成土母质为黄土状粘质沉积物。质地 为粘壤土或壤质粘土,土壤呈中性。交换性盐基以钙镁为主,盐基饱和度大于 98%,阳离 子有效交换量大于 20me/100g 土。该土种基础肥力高,保水保肥性能好,适种玉米、大豆、 小麦等作物,耕性好,产量高,目前绝大部分已开垦为农田。该土种虽无明显的障碍因素, 但其自然肥力有逐渐下降的趋势,表现为耕层颜色变浅,有机质含量减少,导致土壤理化性 质相应变坏。改良利用方面,首先应以保护为主,防止土壤侵蚀,控制水土流失;其次是培 肥土壤,增加有机物料的投入,如施用玉米秸、泥炭和优质农家肥。在此基础上改变传统耕 种习惯,试行免耕法,对保持土壤肥力具有一定作用。 沼泽土是发育于长期积水并生长喜湿植物的低洼地土壤。其表层积聚大量分解程 度低的有机质或泥炭,土壤呈微酸性至酸性反应;底层有低价铁、锰存在。沼泽土分 布,以寒带森林苔原和温带森林草原地区较集中。中国主要分布于东北、青藏高原和 新疆北部山地,以三江平原、川西北高原的松潘草地较集中。 [43] (百度百科)沼泽 土在八五零农场水田的总面积为 11456.00 亩,占水田总面积的 3.46%。主要分布在第 4 管理 区。 表 3.3 850 农场土壤类型及面积一览表

(2)耕地立地条件状况
①田面坡度:
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田面坡度是影响耕地地力的重要因素,尤其对于旱田有较大的影响。田面坡度过大会 造成土壤流失,影响机械耕作。下表是 850 农场旱田各个地块的田面坡度统计结果,下图是 田面坡度频率图。可以看出 850 农场旱田大多比较平整,小于 5.0 度的地块占 78.9%,大于 10 度的地块只占 7%。 图3.4 旱田田面坡度频率图
120 100 80

田块数

60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 14 15 17 20 21 25 坡度

Fig.3.4 ②地形部位: 地形部位对土壤的成土过程有重要的影响,有利的地形部位土层较厚,并且易于土壤 养分的积累,土壤养分含量丰富,土壤肥沃。反之则土层较薄,土壤养分含量缺乏,土壤贫 瘠。下表是850农场旱田各个地块的地形部位统计结果,下图是地形部位频率图。可以看出 850农场旱田地形部位以岗平地、岗坡地为主,占旱田地块数量的82.4%。河漫滩和洼地属 地形部位很差的耕地,容易发生涝灾,这类耕地占旱田总量的9%。

Chart 3.5

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3.6 旱田地形部位频率图
250 200

地块数

150 100 50 0 岗平地 漫岗地 岗坡地 坡洼地 地形部位 平地有洼 河漫滩 洼地

Fig.3.6

3.3.4 农田基础设施状况

850 农场建场以来,累计完成固定资产投资 3.9 亿元,用于农业机械更新及现有机械配 套,农业综合机械化水平高达 92%。拥有各类联合收获机 148 台,大中型拖拉机 350 台, 各类汽车 252 台,其中载重汽车 150 台,各类农业机械设施 2010 台套,各类国产和进口喷 灌机械 155 台套;拥有 12,000 平方米的农用飞机场一处。绿色食品生产基地 17 万亩,无公 害食品生产基地 10 万亩。 850 农场水资源丰富,地下水位平均为 1.9~2.9 米,可利用水量达 9000 万平方米。境 内建有一座可灌溉用水量 0.47 亿立方米的云山水库。 农场耕地的灌溉水源包括河流、水库和井水。其中水田灌溉以井水为主,灌溉面积为 301651.3 亩, 占水田总面积的 91.14%。 水库灌溉面积为 15291.5 亩, 占水田总面积的 4.62%。 河流灌溉面积为 14035.16 亩,占水田总面积的 4.24%。从各管理区来看,第 1 管理区全部 为河流灌溉,第 2 管理区、第 3 管理区全部为水库水灌溉,第 4 管理区、第 5 管理区以及种 子公司、畜牧队、东沟林场以井水灌溉为主,同时有部分河流水灌溉的水田。其他管理区则 全部是井水灌溉。如下表为农场耕地灌溉水源情况统计。

表 3.7 水田灌溉水源统计表
水源 管理区 河流
面积 百分比

水库
面积 百分比

井水
面积 百分比

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第 1 管理区 第 2 管理区 第 3 管理区 第 4 管理区 第 5 管理区 第 6 管理区 第 7 管理区 第 8 管理区 第 9 管理区 第 10 管理区 第 11 管理区 第 12 管理区 第 13 管理区 种子公司、畜牧队、 东沟 合计

5333.26

100% 8654.00 6637.50 100% 100% 17055.80 29558.51 29998.70 27603.60 25618.92 33849.95 24671.80 23779.14 52126.15 34397.00 70.29% 98.8% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 72.50%

7209.00 358.00

29.71% 1.2%

1134.9

27.5%

2991.42

14035.16

4.24%

15291.5

4.62%

301651.3

91.14%

农场灌溉方式包括沟灌和喷灌两种方式。 沟灌一般采用土渠进行输水, 喷灌一般采用移 动输水管进行输水。850 农场水田全部采用沟灌,旱田全部实现了喷灌。如下表为农场输水 方式情况统计。 (1)排涝能力 排涝能力对旱田影响较大, 尤其是一些低洼易涝地, 必需配备完善的排涝设施才能保证 耕地的正常收获。对 850 农场的旱田的排涝能力分了五个等级,统计结果如下表。可以看出 850 农场旱田具有较好的排涝能力,但仍有较大比例的旱田排涝设施不足,需要进一步进行 排涝设施的建设。 表 3.8 排涝能力 等级 弱 较弱 中 频率 45 57 103 百分比 12.2 15.4 27.8

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较强 强 合计 (2)抗旱能力:

107 58 370

28.9 15.7 100.0

抗旱能力是指土壤在无灌溉的条件下能抵抗干旱维持作物存活的天数,决定于土壤条 件,地形部位等因素。一般比较粘重的土壤,作物维持的天数长,比较疏松的土壤,作物维 持的天数短; 另外地势低洼的部位作物也比较耐旱。 下图是 850 农场旱田田块抗旱能力频率 分布图。最短的不到十天,是一些砂土质地的土壤。最长的达到 60 天,是些粘土质地的土 壤。

图 3.9
70 60 50

田块数

40 30 20 10 0 8 10 12 13 15 20 25 26 30 31 35 36 37 38 40 43 45 46 49 50 55 60 天数

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第四章 GIS 支持下的 850 耕地地力评价

4.1 耕地地力等级评价主要内容

现有耕地地力等级评价的一般模型采用“加权指数求和法” ,过程为:构建耕地地力分 等定级的评价指标体系, 然后对评价指标的因素因子赋予权重, 再以评价因素因子与其权重 乘积的和作为量化指标进行耕地的分等和定级。 步骤一般是: 确定评价单元→评价单元赋值→构建评价指标体系→计算指标权重→加权 求和→耕地分等定级。因此,耕地评价区具体的自然环境和社会经济条件,确定了评价单元 构建好耕地地力评价指标体系后, 数据的提取和处理、 因素因子权重的确定以及评价方法和 技术手段的选择等方面是至关重要的, 这一系列将显著影响耕地地力分等评价成果的科学性 和客观性。 3.4.1 评价单元的确定 耕地质量相对均一并由线状地物或权属界线构成的封闭的基本空间单位叫耕地的评价 单元。它既是完整反映自身特性的最基本地块,又是评价中获取数据的基础工作单元。本研 究区为黑龙江三江平原农垦区为评价区域,以农场为评价单位来进行耕地质量评价。 (一)确定评价单元需遵循的原则 ①主导因素原则:不同地形区、水热状况、地下水埋藏情况、土壤条件、盐碱度等为土 地单元划分的主要决定因素。 ②相似性原则:单元内部的自然条件、社会经济因素相对均一,同一因素分值差异应满 足相似性统计检验。 ③边界清晰原则:单元内保证边界闭合,形成封闭的图斑,并且在实地明显可辨。 (二)常见的确定耕地评价单元的基本方法如下: (1)以土壤类型作为评价单元。 优点能充分反映土壤在土地综合体中的主要矛盾,同时能充分利用土壤普查中的资料, 节省大量的野外调查工作量,较好的土壤和耕地利用基础。不足之处在于,这种确定方式常 常使评价单元与地面的地块边界和行政边界不一致,不利于评价结果的应用[11] (2)以土地利用类型为评价单元。 耕地类型可以看成是一定气候条件下的地貌、土壤、植被等土地要素组成的性质均一 的综合体,它反映耕地的全部自然特性,其中也体现了人类活动的结果,所以,它不仅反映
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耕地利用的不同, 而且还表现了其他耕地要素及人类活动结果的相对一致性和差一性, 但这 种方法只考虑同一土地利用类型, 而忽略了土地分类单元内的土壤自然属性、 社会经济因素 可能存在的巨大差异, 从而造成单元内各影响因素选取的困难, 使得评价结果和实际情况存 在较大差异。[12,13] (3)采用网格作确定评价单元 常用地理经纬网来划分方格网,每一个网为一个评价单元,该方法简单,但是土地评价 单元内的土地性质获取较困难。 (4)以图件叠加作为评价单元。 该方法以土壤图、 土地利用现状图、 行政区划图和地貌图叠置而成的土地资源类型为评 价单元, 既反映了土壤作为自然综合体的全部自然属性, 也体现了耕地其他特征及人类活动 结果的相对统一性和差异性, 便于耕地的合理利用和农业机构的调整, 不足之处是工作量大, 成本高。[]14,15] 叠置法不适合本地区的地理条件。 叠置法对地形、 土壤类型和土地利用类型不太单一的 地区较为实用。 而黑龙江垦区各农场的情况却恰恰相反。 黑龙江垦区各农场实行的是大机械 化作业方式, 农业机械化已达到发达国家水平。 由于垦区地理条件好, 地势平整, 航化作业、 大马力机械在垦区已经得到了广泛的应用。 为配合这种大机械化的作业方式, 垦区耕地的利 用方式往往都是大面积集中连片的。从图上来看就是地形、土地利用类型等都比较单一,所 以这些图件在划分评价单元的叠置过程中起的作用很小, 形成的评价单元面积偏大, 数量偏 少。 黑龙江垦区农场田块划分清晰,界线变动很小,命名方法完整,并且长期以来,以田块 名称为基础,为每个田块建立了完备的历史生产档案。内容包括地块面积,种植的作物,作 物生长的每一阶段采用的农业生产措施, 产量水平等多种信息。 所以很容易根据生产档案获 取每个田块的属性信息, 为耕地地力评价和报告编写提供数据支持。 同时评价的结果也便于 同生产档案资料进行对比,分析评价结果的合理性,发现规律,提出合理的耕地改良和利用 建议, 并将它们落实到地块, 更紧密的实际生产相结合, 真正为生产实际服务。 在田块内部, 农业设施相同,每年的耕作措施、栽培方法、种植制度、农药和肥料使用等都基本一致。经 过多年的耕作, 使得多数评价指标在田块内部性质更加一致, 而在田块间表现出更大的差异。 所以以田块作为评价单元,更便于耕地地力等级的划分,评价结果更加合理

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3.5.2 评价单元赋值

根据各评价指标的空间分布图或者属性数据库, 将个评价因子数据赋值给评价单元, 本 研究参评因子主要是点位图和矢量图两种表达形式,将采用不同的方法为评价单元赋值。 以点位分布图为评价单元赋值 在耕地地力评价中,这类参评因子主要是:土壤容重、PH 值、有机质、有效磷、速效 钾等表示土壤养分的主要成分。这些因子都是通过田间采样分析获得的。我们都知道,这些 土壤性质的空间变异性很大, 严格的说每个因子的取值只能代表该采样点的个别性质, 而不 能代表整个评价单元。 要将这些点位分布图转化为能够代表面状特征的栅格图, 然后与矢量格式的评价单元图 叠加, 利用评价单元图对落入每个评价单元内的栅格单元的取值进行加权统计, 把统计值作 为该评价因子在这个评价单元内的取值,本研究采用的统计值是各栅格单元的平均值。 由于现有的点位数据不能完全的覆盖所要求的区域范围, 所以需要用空间数据插值的方 法将离散的采样点数据内插为连续的数据表面。这样可以更好的反映连续分布的空间现象, 并对其变化作出模拟,对不同分区的未知数据进行推求。[36](基于 GIS 的空间插值方法研 究) 空间数据插值:即对一组已知空间数据,可以使离散点的行驶,也可以是分区数据的形 式,要从这些数据中找到一个函数关系式,使该关系式最好的逼近已知的空间数据,并能根 据该函数关系式推求出区域范围内其它 任意点或任意分区的值。[35] 常用的插值方法有:多边形插值法,反距离加权法,移动拟合法,线性内插法,双线性 多项式插值法,样条函数和克立格(Kriging)插值法等。由于土壤为连续的分布曲面,在 这些方法中, 克立格插值法以能提供最佳线性无偏估计而逐渐被广泛运用, 也是本研究应用 较多的插值方法。 克立格插值法(暂定,需要修改,借 GIS 空间分析原理与方法) 该方法是以区域化变量为核心和理论基础,以空间相关和半方差函数为基本工具的一种 插值方法。 其假设区域化变量满足二阶平稳和本征假设, 根据样本点确定研究对象随空间位 置而变化的规律,以此去推算未知点的属性值。这个规律,就是变异函数,变异函数也称半 方差函数,是地统计学所特有的基本工具,其计算公式为:

? (h) ?

1 N ( h) [ z(ua ) ? z(ua ? h)]2 2 N (h) ? a ?1
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其中, N (h) 为相隔距离矢量 h 的所有样点对的个数。 z(ua ) ? z(ua ? h) 为相隔距离 h 的两点

z(ua ) 、 z(ua ? h) 属性值之差, ? (h) 为半方差函数值。
半方差函数是地统计学建立实验模型, 拟合理论模型的关键函数, 也是分析空间变异影响因 子的有效判断方法,常用的半方差理论模型有球状(Spherical )模型、高斯(Gaussian)模型、指 数( Exponential)模型和线性〔Linear to sill)等模型。 在 ARCGis 中有专门的地统计学模块来完成克吕格插值的功能。 其插值主要包括以下一些步 骤: ①数据检验。 即检验进行插值的数据是否满足正态分布, 只有近似满足正态分布的数据才能 得到较好的插值结果。如果数据不满足正态分布,可以对数据进行转换,使转换后的数据符 合正态分布特征,再进行以下的插值分析。 ②趋势面分析。在很多情况下,进行插值的数据都存在一个趋势面,可以在插值之前探索数 据存在的趋势面, 在将次趋势面去除后再进行插值, 然后再将去除的趋势面加到插值后的栅 格图像,得到最终的插值结果。在某些情况下,这样可以提高插值的精度。 ③半方差函数拟合。 这一步是克吕格插值的关键, 拟合出的半方差函数理论模型描述了数据 的空间变异规律, 是克吕格插值的基础。 地统计学模块中提供了多种可供选择的半方差理论 模型,选择哪一种模型进行拟合并没有统一的准则,通常需要反复试验,通过最终的插值效 果来决定最适宜的半方差理论模型。 ④空间插值。确定在每个插值点周围参与插值计算的数据,完成插值过程,得到整个分析区 域的栅格图。 ⑤ 误差分析。通过均差(ME)或均方差(MSE)来判断插值效果。 (2)插值效果对比 事实上, 并不存在一种对所有问题都最佳的插值方法, 克吕格插值法也不是本研究采用 的唯一方法。 通常需要根据养分的空间变异性选取多种插值方法进行比较确定。 对于不同空 间插值方法的估计值效果的检验,一般采用交叉验证法(cross validation)来验证其插值的效果 (王坷,2000) 。即将一部分已知数据点设置为检验采样点,分别假设各检验采样点的值未 知, 用周围采样点的值通过插值的方法来估算, 然后根据所有检验采样点实际观测值与估算 值的误差大小评判插值方法的优劣。 可以采用均差(ME)或均方差(MSE)来作为评估这两种方 法插值效果的标准。 均差是样本数据估计值与真实值差的平均值, 反映了总体误差或精度水 平。均方差是样本数据估计值与真实值差的均方差,反映了估计值的离散程度。
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2.栅格单元尺寸的确定[cbz1] 在采样点数据插值时要涉及到栅格单元尺寸的问题, 即每个栅格单元所对应的实际地物 的大小。栅格的尺寸越小,数据信息量丢失得越少,相应的精度越高,但数据量也将成倍地 增大,从而加大数据获取和处理的难度;栅格的尺寸越大,数据信息量丢失越多,相应的精 度越低。因此,确定栅格的合理尺寸是数据转换的关键技术之一。 本项目以 1: 5 万地图为基础, 根据矢量数据栅格化所用的栅格大小来确定栅格单元的尺寸。 根据地图的制图规范,在各种比例尺的地图上,规定每种地物都有相应的最小上图面积。在 将矢量地图进行扫描转换为栅格数据时, 栅格单元的合理尺寸应保证矢量图上最小上图面积 的地物不丢失。 (林辉,2000;王思远,1999) 根据 1:5 万的土地利用现状图的制作规范,耕地的最小上图面积是 6mm2,在实地上相当于 15000m2,即边长为 122.47m 的正方形,为保证耕地图斑的数据信息尽量不丢失,栅格单元的 合理尺寸可以通过下面的方法来确定。

图 栅格尺寸的选择 如图所示,设上图图斑最小面积为 A,当栅格变长为 H 时,该图 斑可能得不到反映而丢失,当边长为 H/2 时,该图斑就得到反映,故栅格的合理尺寸可以定 义为:

1 H ? (min{Aij }) 2 2

1

(2-8)

式中,H 为栅格的尺寸,i 为专题图类型,如土地利用现状图等;j 为 i 类图中的面状地物类 型,如耕地,水域等。 则根据以上公式得知 1:5 万土地利用现状图在从矢量向栅格转换时栅格的合理尺寸应为 61.24 米,但为了分析和统计数据方便,采用 50*50 米的栅格大小。[36](地理信息系统概论) (二) 以矢量图为评价单元赋值 本研究中这类因子包括田面坡度、地形部位、质地、潜水埋深、排涝能力、抗旱能力等 6 个评价因子。这类因子在每个地块上只有一个数据,表现在图形上即为各因子的面状矢量 图。由于都是以作为评价单元的地块为基本单位,所以它们可以直接参与评价运算,不需要 特别处理。
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3.8 评价指标的选取 由于不同区域的自然条件不同, 耕地的利用改造程度千差万别, 各个定级因素和因子所 起的作用有区别, 所以, 在耕地生产力等级评价中不可能也没有必要对所有的因素和因子全 部计算分析;另外,对于特殊的地区,还要考虑适合当地的特殊因素,总的来说,在耕地地 力评价中,评价指标的选取一般遵循以下几个原则: (1)选取对耕地地力影响较大的因素。如丘陵山区,地形对耕地地力影响大,指标选 取是有关耕地的坡度、坡向等则应作为评价因素,而平原冲积地带由于土壤平坦均一,土壤 理化性状成为主要评价因素。 (2)选择对农作物具有长期稳定影响的因子,而不是短期易变的因子。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。 (3)为了显示区域差异性,便于分等,选择区域内具有较大变异特征的因子。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。 (4)选取评价因素与评价区域的大小有密切关系。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。 (5)以定量指标为主,定性与定量相结合。 (6)充分利用现有资料。多年的测土配方施肥工作,很多农场积累了大量的有用数据, 充分利用这些数据,是有效开展评价工作的基础。 (7)评价因素必须有很好的操作性和实际意义。 (二)确定评价指标的方法 特尔斐法[16,17]是 1964 年由美国兰德公司(RAND Corporation)的道尔奇(N.Dalkdy) 和赫尔曼(O.Helmer)发明的, 经过诸多领域证明的一种科学的技术测量方法。 主要以问卷的 形式对一组选定的专家进行咨询,经过几轮征询使专家的意见趋于一致从而获得预测结果, 其特点在于能客观的中和多数专家经验, 结果建立在统计分析的基础上, 具有一定的稳定性。 该方法又分为平均型、极端型和缓和型。 综合多位土壤和农学专家的意见,在耕地地力评价总集的基础上,选择了 20 个评价指 标组成黑龙江农垦区耕地地力评价因子集。

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3.8.1

指标权重赋值

权重是指某一指标在整体评价中的相对重要程度。 在具体的评价过程中, 权重是被评价 对象的不同侧面的重要程度的定量分配,是对各评价因子在总体评价中的区别对待。[16] 确定权重常用的方法有层次分析法、回归分析法、专家经验法,本研究指标权重确定采 用层次分析法。 层次分析法(AHP)是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂(T.L.Saaty)于上世纪 70 年 代初,为美国国防部研究“根据各个工业部门对国家福利的贡献大小而进行电力分配”课题 时,应用网络系统理论和多目标综合评价方法,提出的一种层次权重决策分析方法。 【】 该方法将定量分析与定性分析结合起来, 用决策者的经验判断各衡量目标能否实现的标 准之间的相对重要程度, 并合理的给出每个决策方案的每个标准的权数, 利用权数求出各方 案的优劣次序,比较有效的应用于那些难于用定量方法解决的问题。[17] 层次分析法的一般步骤: ① 明确解决的问题。在此研究中为黑龙江国营农场耕地地力高低。 ② 建立层次结构模型 在深入分析实际问题的基础上, 将有关的各个因素按照不同属性自上而下的分解成若干 层次。 同一层的诸因素从属于上一层的因素或对上层因素的影响, 同时又支配下一层因素或 受到下层因素的作用,而同一层因素之间尽量相互独立。最上层为目标层,通常只有一个因 素,最下层通常为方案或对象层,中间可以有一个或几个层次,通常为准则或指标层。下图 为层次结构模型的详解图。 A1

B1

? ?

Bn-1

Bn

C1

C2

C3

? ?

Cn-3

Cn-2

Cn-1

Cn

图 2.2 层次结构模型图 A 为目标层,表示决策的目的、要解决的问题。在此为耕地地力等级。 B 为准则层,解决问题要考虑的因素、决策的准则。耕地地力评价中,准则层根据评价 区域的具体情况,一般考虑耕地的障碍因素、土壤状况、剖面构型、立地条件、土地管理等 等。
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C 为指标层, 表示决策时的备选方案。 如土壤状况这一准则中的备选方案就有土壤质地、 容重、PH 值、有机质、有效磷、速效钾等。 ③ 构造判断矩阵 在确定各层次各因素之间的权重时,如果只是定性的结果,常常不容易被别人接受,因 而 Santy 等人提出一致矩阵法,即: ● 不把所有因素放在一起比较,而是两两比较。 ● 对此采用相对尺度,以尽可能减少性质不同的诸因素相互比较的困难,以提高准确 度。 设目标层 A 为耕地地力,准则层 B 为评价因素集设为 a ? a1 , a2 ...a j ,本次调查的评 价因素有 6 个,既为 a1 =气候, a2 =立地条件, a3 =剖面构型, a4 =土壤状况, a5 =障碍 因素, a6 =土壤管理。 aij 表示 a i 比 a j 对于上层的相对重要性, aij 的取值按表 2.3 进行。 根据表 2.3 中的九标度法, 本研究邀请了对耕地地力有一定研究和认识的专家学者, 按照准 则层 B 各因素对目标层 A、指标层 C 各因素对准则层 B 相应因素的相对重要性,给出数量化 的评估,评估的初步结果经合适的数学处理后反馈给各位专家和学者,请其确认,多次征求 意见后,形成判断矩阵。 判断矩阵是表示本层多个因素针对上一层某一个因素的相对重要性的比较。 判断矩阵的 元素 aij 用 Santy 的 1-9 标度方法给出。 表 2.3,判断矩阵元素 aij 的标度方法

?

?

标度 1 3 5 7 9 2,4,6,8 倒数

含义 表示两个因素相比,具有同样重要性 表示两个因素相比,一个因素比另一个因素稍微重要 表示两个因素相比,一个因素比另一个因素明显重要 表示两个因素相比,一个因素比另一个因素强烈重要 表示两个因素相比,一个因素比另一个因素极端重要 上述两相邻判断的中值 因素 i 与 j 比较的判断 aij,则因素 j 与 i 比较的判断 aij =1/ aij

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设 要 比 较 各 准 则 层 B1 , B2 , . B .. n 对 目 标 层 A 的 重 要 性 , Bi : B j ? aij

矩阵

A ? ?aij ?n?n

,

aij >0 aij ? 1

a ji

,则形成判断矩阵(A-B)如表 2.3 所示,如下表所示

bij

A B1 B2 B3 … Bn

B1 1 b21 b31 … bi1

B2 b12 1 b32 … bn2

B3 b13 b23 1 … bn3

… … … … 1 …

Bn b1j b2n b3n … 1

表 2.4 同样的方法,可建立准则层相对指标层间的判断矩阵。 ④ 计算权向量并作一致性检验 对于每一个成对比较矩阵计算最大特征根及对应特征向量, 利用一致性指标, 随机一致 性指标和一致性比率做一致性检验,若检验通过,特征向量(归一化后)即为权向量;若不 通过,需重新重复第二步骤。根据表 2.4 原理建立比较矩阵后,求出各因素的权重,采用几 何 平 均 近 似 法 [18], 计 算 各 矩 阵 的 最 大 特 征 值

?max 和 对 应 的 特 征 向 量 W , 并 用

CR ? CI / RI 进行一致性检验。计算步骤如下:
ⅰ 分别对判断矩阵每一行元素进行联乘积 M i

Mi =?

?a
i ?1

n

ij

?i ? 1,2,3,...,n?

(2-3)

ⅱ 分别计算各行 M i 的几何平均数

W ? n MI
ⅲ 对向量 W 作归一化处理

?i ? 1,2,3,...,n?

(2-4)

- 39 -

Wi ?

W

?W
1

n

?i ? 1,2,3,...,n?

(2-5)

ⅳ 计算判断矩阵的最大特征值 ?max 首先用判断矩阵 A 右乘列向量 Wi ,将得到的各行 ? AWi ? 的值代入下面的公式即可求得

?max 的值: ?max =
ⅴ 进行判断矩阵的一致性检验

1 n ? AWi ? ? n i ?1 Wi

(2-6)

n 阶正互反阵 A 的最大特征根 ? ≥ n ,当且仅当 ? ≥ n 时 A 为一致阵。
由于 ? 连续的依赖于 aij ,则 ? 比 n 大的越多, A 的不一致性越严重。用最大特征值对 应的特征向量作为被比较因素对上层某因素影响程度的权向量, 其不一致性程度越大, 引起 的判断误差越大。因而可以用 ? ? n 数值的大小来衡量 A 的不一致程度。 所以,在层次分析法中,引入判断矩阵最大特征根外的其余特征根的负平均值

CI ?

? ?n
n ?1

来作为衡量判断矩阵偏离一致性的指标,检查决策者判断思维的一致性。 其中, CI =0,有完全的一致性; CI 接近于 0,有满意的一致性; CI 越大,不一致 越严重。为了排除随机因素对一致性的影响,需要将 CI 值与平均随机一致性指标 RI 进行 比较。对于 1~9 维的判断矩阵 Saaty 的结果如表 2.4 表示: 2.4 判断矩阵 RI 值 n RI 1 0 2 0 3 0.58 4 5 6 7 8 9 10 11

0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45 1.49 1.51

随机一致性指标 RI 定义一致性性比率:

CR ?

CI RI

一般认为 CR >O.10 时,判断矩阵具有满意的一致性。通过一致性检验。可用其归一 化特征向量作为权向量,否则要重新构成对比较矩阵 A ,对 aij 加于调整。 在这里我还应该列举一个 850 的实际例子(参考陈保证老师的材料)
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⑤ 层次总排序并作一致性检验 计算某一层次所有因素对于最高层总目标相对重要性的权值, 称为层次总排序。 这一过 程是从最高层次向最低层次依次进行的。 在图 2.2 中 B 层 m 个因素 B1 , B2 ,...,Bm , 对总目标 A 的排序为:

b1 , b2 ,...,bm
C 层 n 个因素对上层 B 中因素为 B j 的层次单排序为

c1 j , c2 j ,...,cnj , j ? 1,2,...,m
C1 : b1c11 ? b2 c12 ? ... ? bm c1m

C 层的层次总排序为

C2 : b1c21 ? b2 c22 ? ... ? bm c2m
?

C3 : b1cn1 ? b2 cn2 ? ... ? bm cnm
即 C 层第 i 个因素对总目标的权值为:

?b c
j ?1

m

j ij

,下为耕地地力评价指标权重计算方法表,

在本评价中,每个指标只属于一个准则层,所以每个指标在各准则层的权重只有一项非零。 表 2.5 耕地地力评价权重计算 B C

B1 , B2 ,...,Bn
b1 , b2 ,...,bm
C 层的层次总排序

C1

c11

c12

?

c1m

?b c
j ?1 m j ?1

m

j 1j

= c1

C2
?

c 21
?

c 22
?

? ?

c2m
?

?b c
?
m

j 2j

? c2

Cn

cn1

cn 2

?

c nm

?b c
j ?1

j nj

? cn

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如 B 层总排序权值已满足“归一化”条件。如果 B 层

B1 , B2 ,...,Bn 对上层(A 层)中

因素 Aj ( j ? 1,2,...,m) 的层次单排序一致性指标为 CI j ,随机一致性值为 RI j ,则层次总排 序的一致性比率为:

CR ?

a1CI 1 ? a2 CI 2 ? ... ? am CI m a1 RI1 ? a2 RI 2 ? ... ? am RI m

当 CR <0.1,认为层次总排序通过一致性检验。层次总排序具有满意的一致性,否则需要重 新调整判断矩阵的元素取值。 计算最下层对目标的组合权向量,并酌情作组合一致性检验,若检验通过,则可按照组 合权向量表示的结果进行决策, 否则重新考虑模型或构造一致性比率, 较大的成对比较矩阵。 根据最下层的层次总排序做出最后决策, 影响黑龙江农垦区耕地地力指标的组合权重计算结 果如表 2.6。 表 2.6 黑龙江农垦区各个因素组合权重计算结果 (这个表是错误的, 应先计算出准则层的)

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B1 0.1375

B2 0.0958

B3 0.1008

B4

B6

B6

0.3833 0.1200 0.1625

C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18 C19 C20

0.2683 0.2865 0.2029 0.2421 0.4509 0.5491 0.4663 0.5337 0.1803 0.1680 0.1771 0.1871 0.4465 0.1166 0.3150 0.3658 0.3183 0.3175 0.3237 0.3588

0.0369 0.0394 0.0279 0.0333 0.0432 0.0526 0.0470 0.0539 0.0691 0.0644 0.0679 0.0717 0.0656 0.0447 0.0378 0.0439 0.0382 0.0516 0.0526 0.0583

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所得组合权重的即为耕地地力评价因子的权重, 对表 2.6 中各评价因子进行排序, 从中 可以看到, 黑龙江农垦区各评价因子对该区耕地地力的影响程度为: 有机质 (C12) >质地 (C9) >PH 值(C11)>有效磷(C13)>容重(C10)>种植制度(C20)>耕层厚度(C8)>抗旱能 力(C19) 、地形部位(C6)>排涝能力(C18)>剖面构型(C7)>速效钾(C14)>1 米土层含 盐量(C16)>田面坡度(C5)>无霜期(C2)>潜水埋深(C17)>障碍层类型(C15)>年降 水量(C1)>干燥度(C4)>≥10℃积温(C3) 。

3.8.2 单因素评价指标隶属度计算

由于各个指标的量纲不统一,没有可比性,直接用来评价是困难的,所以必须对参评的 指标进行标准化处理。 数据标准化的方法很多, 本研究采用隶属函数的方法来对耕地地力的 各评价因子进行量化。在各指标数据标准化过程中用到了模糊子集、隶属函数、隶属度等三 个模糊数学的重要概念。一个模糊性概念就是一个模糊子集,模糊子集的取值在[0,1]间的 任一数值; 隶属函数是元素与隶属度间的解析关系, 根据隶属函数, 对于每个集合中的元素, 都可以求出对应的隶属度来, 隶属函数是确定隶属度的基础, 隶属度是集合中某一元素符合 这个模糊性概念的程度,完全符合时隶属度为 1,完全不符合时隶属度为 0,部分符合则取 0 到 1 之间的一个值。 依照模糊数学原理, 将选定的评价指标与耕地地力关系分为戒上型函数 (有效土层厚度、 有机质含量等) 、戒下型函数(坡度、土壤容重等) 、峰型函数(PH 值) 、直线型函数(障碍 层、灌溉指数等)和概念型函数(剖面构型、地貌类型、土壤质地等)5 种。对于前四种类 型,可以根据专家经验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,利用最 小二乘法拟合隶属函数,也可以用田间试验的方法获得测试值与耕地生产能力的一组数据, 用这组数据直接拟合隶属函数。 例如表 2.7,根据一组实测数据,拟合耕层厚度的隶属函数。 耕 层 厚 度 (cm) 专家评分值 1.00 0.96 0.90 0.82 0.72 0.60 0.46 0.30 20.00 18.00 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00

y=1/(1+0.0104(u-c)2)

c=20

ut<5

模糊数学应用到耕地地力评价中,可以将农业系统中大量模糊的定性概念转化为定量数

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据来表示。对不同类型的模糊子集,应该建立不同的隶属函数关系。 (1)戒上型函数模型(有效土层厚度、有机质含量等)

戒上型

?0 ? 1 ? Fi ? ? 2 ?1 ? ai (u i ? ci ) ? ?1

ui ? ut u t ? u i ? ci ci ? u i

式中 Fi 为第 i 个因素评语;ui 为样品观测值:ci 为标准指标;ai 为系数;ut 为指标下限值。 (2)戒下型函数模型(坡度、土壤容重等)

戒下型

?0 ? 1 ? Fi ? ? 2 ?1 ? ai (u i ? ci ) ? ?1 ?0 ? 1 ? Fi ? ? 2 ?1 ? ai (u i ? ci ) ? ?1

ut ? ui ci ? u i ? u t u i ? ci u i ? u t1或u i ? u t 2 u t1 ? u i ? u t 2 u i ? ci

(3)峰型函数模型(pH)

ut1 和 ut2 分别为指标上下限值 (4)直线型(排涝模数等)

Fi ? au j ? c j
(5)概念型指标(剖面构型、地貌类型、土壤质地等) 土壤质地对土壤其他因素都有较大影响的因子。 一般的, 水田和旱田对土壤质地有不同 的要求,水田的土壤质地比较粘重,而旱田的土壤则较为疏松。所以,对水田来说,重壤、 中壤都是比较适宜的土壤,粘土的分值也比较高,砂壤的分值则很低,不适宜作为水田;而 旱田中壤、轻壤都是比较适宜的土壤,砂壤也是较为适宜的土壤,对大多旱田作物可获得较 好的收成,粘土的分值则很低,不适宜作为旱田。砂土不论对于水田还是旱田都是一种很差 的土壤类型,保水保肥能力差,作物产量低。 概念性指标表达的土壤性状为定性和综合性的内容,这类要素的评价可以用特尔斐法请 专家,通过实测值评估出相应的一组隶属度,然后通过这两组数据,用数据分析软件 SPSS10.0 拟合隶属函数,计算出隶属函数的参数,下面是参评指标的分级及其对应的专家 赋值和隶属度。 水田土壤质地分级及其分值表
- 45 -

质地 分值

重壤 100

中壤 80

粘土 65

轻壤 50

砂壤 30

砂土

20

旱地土壤质地分级及其分值表 质地 分值 中壤 100 轻壤 80 砂壤 60 重壤 40 砂土 20 粘土 20

土壤有机质 有机质是土壤肥力高低的重要标志,其中含有大量的植物生长所必需的大 量元素和微量元素[32],在降低土壤密度、增加土壤持水性和增强土壤团聚体的稳定性上具 有重要作用,并且直接作用于作物生长。[33] 由于土壤质地对有机质在土壤中的富集和作 物的吸收都有影响, 所以根据土壤质地分成两种类型分别拟合隶属函数。 一般比较粘重的土 壤利用养分的富集,但不利于作物对养分的吸收,所以同样养分含量的土壤,质地疏松的土 壤分值应该高一些,相反粘重的土壤分值则应该低,上面分组体现了这点。 东北地区土壤有机质含量普遍比较丰富,所以临界值也取得比较高。粘土、重壤质地土 壤的临界值为 60g/kg;中壤、轻壤、砂壤、砂土质地的土壤临界值为 55g/kg。土壤中有机 质含量越高,土壤分值越高,所以拟合的为戒上型的隶属函数。
有机质分级及其分值(粘土、重壤)

分级 分值

<20 25

20-25 30

25-30 40

30-35 52

35-40 64

40-45 74

45-50 82

50-55 90

55-60 95

>60 100

有机质分级及其分值(中壤、轻壤、砂壤、砂土)

分级 分值

<15 30

15-20 40

20-25 52

25-30 64

30-35 74

35-40 82

40-45 90

45-50 95

>55 100

有效磷是作物必需的一种速效的营养元素。 与有机质一样, 土壤质地对有效磷在土壤中 的富集和作物的吸收也有同样的影响,所以也根据土壤质地分成两种类型分别拟合隶属函 数。粘土、重壤质地土壤的临界值为 45mg/kg;中壤、轻壤、砂壤、砂土质地的土壤临界值 为 40mg/kg。土壤中有效磷含量越高,土壤分值越高,所以拟合的为戒上型的隶属函数。
有效磷分级及其分值(粘土、重壤) - 46 -

分级 分值

<5 25

5-10 32

10-15 40

15-20 50

20-25 60

25-30 70

30-35 80

35-40 88

40-45 94

>45 100

有效磷分级及其分值(中壤、轻壤、砂壤、砂土)

分级 分值

<5 35

5-10 42

10-15 50

15-20 60

20-25 70

25-30 80

30-35 88

35-40 94

>40 100

速效钾同样是作物必需的一种速效的营养元素。与有机质、有效磷一样,土壤质地对速 效钾在土壤中的富集和作物的吸收也有同样的影响, 所以也根据土壤质地分成两种类型分别 拟合隶属函数。粘土、重壤质地土壤的临界值为 190mg/kg;中壤、轻壤、砂壤、砂土质地 的土壤临界值为 170mg/kg。土壤中速效钾含量越高,土壤分值越高,所以拟合的为戒上型 的隶属函数。
速效钾分级及其分值(粘土、重壤)

分级 分值

<30 35

30-60 42

60-90 50

90-110 60

110-130 70

130-150 82

150-170 89

170-190 95

>190 100

速效钾分级及其分值(中壤、轻壤、砂壤、砂土)

分级 分值

<30 42

30-60 50

60-90 60

90-110 70

110-130 82

130-150 89

150-170 95

>170 100

pH 值分级及其分值

分 级 分 值

<4.8

4.8-5.1

5.1-5.4

5.4-5.7

5.7-6.0

6.0-6.3

6.3-6.6

6.6-6.9

> 6.9

35

42

50

60

70

82

89

95

100

地形部位分级及其分值

分级 分值

岗平地

漫岗地

岗坡地

坡洼地

平地有洼

河漫滩

洼地

100

80

70

60

50

30

30

田面坡度分级及其分值

分级 分值 100

0

1 90

3 80

5 65

10 50

15 35

20 20

25 10

排涝能力分级及其分值

- 47 -

分级 分值


100

较强
80


60

较弱
40


20

抗旱能力分级及其分值

分级 分值

15 40

25 50

30 60

35 70

40 80

45 90

55 95

>55 100

表 参评因素类型及其隶属函数
函数类型 戒上型 戒上型 戒上型 戒上型 戒上型 戒上型

因子
有机质(粘土-重壤) (g/kg) 有机质(中壤-砂土) (g/kg) 有效磷(粘土-重壤) (mg/kg) 有效磷(中壤-砂土) (mg/kg) 速效钾(粘土-重壤) (mg/kg) 速效钾(中壤-砂土) (mg/kg) pH 质地 地形部位 田面坡度 排涝能力 抗旱能力

函数
1/(1+0.000924(μ-c)2) 1/(1+0.00095(μ-c)2) 1/(1+0.003 (μ-c)2) 1/(1+0.0029 (μ-c)2) 1/(1+0.00013 (μ-c)2) 1/(1+0.00014 (μ-c)2) 1/(1+ 0.4588 (μ-c)2)

参数
c=60.9 c=55.1 c=43.9 c=40.2 c=190.4 c=169.3 c=6.79

参数
μt=5 μt=5 μt=5 μt=5 μt=30 μt=30 μt1=4.7, μt2=7.1

峰型 概念型 概念型
戒下型

1/(1+0.01(μ-c)2)

c=0.25

μt=25

概念型
戒上型

1/(1+0.002(μ-c)2)

c=55

μt=8

图 田面坡度隶属函数图
120 100 80

分值

60 40 20 0 0 2.5 5 7.5 10 12.5 坡度 15 17.5 20 22.5 25

- 48 -

有机质隶属函数图
1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 20 25 30 35 40 45 50 55

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 25 30 35 40 45 50 55 60

pH 值隶属函数图
1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 4 4.5 5 5.5 6 6.5 6.75 7 7.5 8 8.5 9 9.5

有磷隶属函数图

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 16 20 24 28 32 36 40

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 16 20 24 28 32 36 40 44

粘重土壤 1.2

速效钾隶属函数图
1.2
隶属函数值

疏松土壤

隶属函数值

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 50 70 90 110 130 150 速效钾含量(mg/kg) 170 190

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 50 70 90 110 130 150 速效钾含量(mg/kg) 170 190

3.9 计算耕地地力综合指数
采用累加法计算各评价单元综合地力指数。

IFI ? ?( Fi ? Ci ) (i=1,2,3?? ??,n)
式中: IFI ——耕地地力综合指数(Integrated Fertility Index)
- 49 -

Fi ——第 i 个评价因子的隶属度 Ci ——第 i 个评价因子的组合权重

IFI水田 ? F有机质 ? 0.3 ? FpH ? 0.2 ? F有效磷 ? 0.2 ? F速效钾 ? 0.15 ? F质地 ? 0.15F容重

- 50 -

第五章 耕地地力评价结果分析 5.1 耕地地力等级划分
将评价后的属性数据进行统计,计算各耕地地力等级面积。 850 农场水田耕地总面积 330977.92 亩,其中,一等地面积为 24621.29 亩,占耕地总面积的 7.44%;二等地面积为 42263.34 亩, 占耕地总面积的 12.77%; 三等地面积为 69038.59 亩, 占耕地总面积的 20.86%; 四等地面积为 90915.23 亩,占耕地总面积的 27.47%;五等地面积为 69882.78 亩,占耕地总 面积的 21.11%;六等地面积为 34256.69 亩,占耕地总面积的 10.35%。 耕地地力评价结果面积统计 等级 一等地 二等地
42263.34 12.77%

三等地
69038.59 20.86%

四等地
90915.23 27.47%

五等地
69882.78 21.11%

六等地
34256.69 10.35%

总计
330977.92 100.00%

面积 (亩) 24621.29 百分比
7.44%

从空间上来看,850 农场耕地地力分布大致为:一级二级地主要分布在农场的中部和西 部地区,该区土壤养分丰富、质地良好,农业基础设施完备,适宜于水稻种植。三级四级地 在该农场占据了较大比例,居主体地位。五级六级地主要分布在该农场的南部地区,该区土 壤砂性增加,保肥保水能力下降,土壤水肥气热配置欠佳,使得耕地地力下降。 从各管理区来看 850 农场耕地地力分布情况, 大致如下: 一级地主要分布在 2 管理区、 3 管理区、8 管理区、11 管理区等;二级地主要分布在 9 管理区、12 管理区、6 管理区、3 管理区;三级地主要分布在 12 管理区、10 管理区、13 管理区、9 管理区、4 管理区等;四 级地主要分布在 12 管理区、13 管理区、9 管理区、6 管理区、8 管理区等;五级地主要分布 在 1 管理区、7 管理区、5 管理区、12 管理区、11 管理区等;六级地主要分布在 5 管理区、 7 管理区、6 管理区、12 管理区等;
850 耕地地等级的行政区域分布
等级 管理区 1 管理区 2 管理区 一等地 面积 0 2842 % 0.00% 二等地 面积 123.0 % 2.31% 三等地 面积 937.8 % 四等地 面积 % 五等地 面积 % 六等地 面积 158 0 0 1540 13107 % 2.96% 0.00% 0.00% 6.35% 43.81%

17.58% 2049.3 38.42% 2065.2 38.72% 185 2.14% 170 151.8 1.96% 2.29%

32.84% 3287.7 37.99% 2169.3 25.07%

3 管理区 1663.9 25.07% 1627.6 24.52% 2087.5 31.45% 1106.7 16.67% 4 管理区 2900.7 11.95% 2392.2 5 管理区 6 管理区 7 管理区 0 1247 1330 0.00% 4.16% 4.82% 242 9.86% 0.81% 6600.5 27.20% 2144.6 7.17% 7838

32.30% 2993.4 12.34% 11264 37.65%

3159.2 10.56%

5493.6 18.31% 5051.7 16.84% 9998.4 33.33% 4681.5 15.61% 3526.5 11.76% 2293 8.31% 7.87% 3018 2379 10.93% 4746.4 17.19% 9.29% 11278 40.86% 4938.4 17.89% 0 2326.6 0.00% 6.87%

8 管理区 5797.9 22.63% 2015.8 9 管理区 2164.5 6.39%

9565.8 37.34% 5860.4 22.88% 9924 29.32% 2207.2 6.52%

8101.8 23.93% 9125.8 26.96%

- 51 -

10 管理区 986.9

4.00%

2769.2 11.22% 9238.7 37.45% 6581.3 26.68% 3955.5 16.03% 1140.2 5959 25.06% 1446.5

4.62% 6.08% 7.49% 4.77% 12.79% 10.35%

11 管理区 4866.4 20.46% 3333.6 14.02% 3152.7 13.26% 5021.3 21.12% 12 管理区 13 管理区 种子公司 和畜牧队 全场 822 0 0 24621 1.58% 0.00% 0.00% 7.44% 6149.4 11.80% 12736 24.43% 20406 9378 955.4 90915

39.15% 8108.8 15.56% 3903.7 27.26% 10230 29.74% 1642.2 527.6 34257

4110.4 11.95% 9036.7 26.27% 324.08 42263 7.85% 12.77% 1360.5 32.97% 69039 20.86%

23.15% 958.76 23.24% 27.47% 69883 21.11%

5.1.1 分等情况
八五〇农场水田耕地地力等级分布图

八五〇农场旱田耕地地力等级分布图

- 52 -

一等地面积为 24621.29 亩,占耕地总面积的 7.44%。主要分布于农场的中部、西部。8 管理区、11 管理区、4 管理区、2 管理区、9 管理区等面积较大。其中速效钾含量中等,平 均值为 152.09mg/kg;PH 平均值为 6.00,呈弱酸性;有效磷含量丰富,平均为 35.05mg/kg; 有机质含量高,平均为 51.98mg/kg。 二等地面积为 42263.34 亩,占耕地总面积的 12.77%。在农场中部分布最为集中,在其 他区域也有零散分布。二级地主要分布在 9 管理区、12 管理区、6 管理区、13 管理区、11 管理区等。其中速效钾平均值为 142.15mg/kg ; PH 平均值为 5.89 ;有效磷平均值为 32.50mg/kg;有机质平均含量为 49.81mg/kg。 三等地面积为 69038.59 亩,占耕地总面积的 20.86%。在农场分布较为分散,其中东北 和中部相对较多。主要分布在 12 管理区、10 管理区、13 管理区、9 管理区、4 管理区等土 壤属性总体良好,有机质、有效磷、速效钾含量丰富,土壤呈微酸性。其中有机质、速效钾 均值与一、二等地有较大的差异,但含量依然比较丰富。有局部地块土壤呈现出酸性。土壤 的主要营养元素平均值含量:速效钾为 127.56mg/kg,PH 值为 5.85,有效磷为 31.11mg/kg,, 有机质为 45.42mg/kg. 四等地面积为 90915.23 亩,占耕地总面积的 27.47%。在农场分布较为分散,尤以中部 相对较多。四级地主要分布在 12 管理区、13 管理区、9 管理区、6 管理区、8 管理区等。 , 有机质、有效磷、速效钾含量丰富,土壤呈微酸性。其中有机质、速效钾均值与三等地有较 大的差异,局部地块有机质含量已经较低。有局部地块土壤呈现出酸性。其土壤主要养分含

- 53 -

量平均值分别是:速效钾为 107.58mg/kg,PH 为 5.81,有效磷为 31.00mg/kg,有机质为 40.32mg/kg。 五等地面积为 69882.78 亩,占耕地总面积的 21.11%。在农场分布较为分散,尤以南部 和东部相对较集中。五级地主要分布在 13 管理区、7 管理区、5 管理区、12 管理区、11 管 理区等。其中有机质含量下降明显,局部地区低于 30mg/kg。土壤营养元素含量平均值分别 为:速效钾 97.14mg/kg,PH 值 5.77,有效磷 31.31mg/kg,有机质 35.78mg/kg。 六等地面积为 34256.69 亩,占耕地总面积的 10.35%。六级地集中分布在南部地区。六 级地主要分布在 5 管理区、7 管理区、6 管理区、12 管理区等。而 2 管理区、3 管理区、8 管理区则没有六级地分布。六等地土壤属性总体较差。整体土壤酸性明显。有机质处于中等 偏小水平。速效钾含量中等,但有效磷含量总体丰富。其中有机质含量局部地块接近极低水 平。土壤主要营养元素平均值含量为:速效钾 85.47mg/kg,PH 值 5.77,有效磷 29.80mg/kg, 有机质 32.44mg/kg。

5.1.2 评价区土壤养分空间变异分析

- 54 -

第六章 对策与建议 6.1 耕地地力建设与土壤改良利用

- 55 -

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