GIS基础上耕地地力评价与分区管理研究一以武乡县为例
1绪论
1.1研究目的与意义
土壤是所有物质生产的源泉，土壤中的养分会直接影响作物的产量和品质，在农业生产中，为了达到增产增收的目的，加大了化肥的施用量。耕地是农业生产中不可替代的重要生产资料，是保持社会经济可持续发展的重要资源。合理利用良好的土壤耕地地力水平是实现区域农业经济可持续发展的重要基础和必要条件，因此，及时掌握耕地资源的变化情况对于合理利用耕地，进行耕地地力评价具有十分重要的意义。
目前我国化肥施用量占世界第一位，我国化肥平均用量是发达国家化肥安全施用上限的2倍，而这些肥料不能充分被农作物吸收利用，每公顷农田需要用近1.5g农药并且60%-70%残留土壤中，每年约50万吨农膜残留于土壤被指白色恐怖。在化肥施用中，氮肥的当季利用率只有30%左右，大约45%的氮肥被损失浪费，肥料的利用率低，不仅造成经济损失，引起环境污染和农产品质量下降。在一些低产区，土壤养分的缺乏限制了作物的增产。施肥不平衡，进一步加剧土壤养分在空间位置上的变异性。为了改善土壤质量，减少施肥的盲目性，提高肥料利用率和农作物产量，进行合理的分区是我国农业可持续发展的重大问题。
近年来，肥料的不合理利用对农作物造成的伤害、对土壤和环境造成的负面影响已受到政府和研究学者越来越多的关注，许多学者从耕地地力评价、耕地地力评价等方面进行了研究。因此，利用先进的GIS技术，结合区域的自然条件、土壤养分状况、地形地貌特征，探讨不同区域的特征，选择适宜种植的主要农作物，提出合理的施肥提议，从而进行合理的施肥，并为土地的合理开发利用提供支持。
为了保证国民经济可持续发展，实现耕地资源可持续发展，用科学量化的指标评价耕地地力和耕地的质量状况，根据区域土壤、地形地貌、肥力水平等多种综合因素进行耕地地力评价，对有效合理地利用有限的耕地资源，提高产量，保持土壤肥力，调整种植业结构具有重要的意义。同时，在此基础上结合GIS、RS、GPS等科学技术，对解决耕地地力评价及评价指标确定等问题提供了重要的技术支持和保证，提高了工作效率，对解决人口和粮食问题、资源与环境的稳定协调发展具有十分重要的意义。
1.2国内外理论研究及技术发展现状
1.2.1GIS技术在耕地地力评价中的应用
地理信息系统（GIS）是一种决策支持的空间信息系统，它是把地理和空间分布的关于数据进行存储和分析，并对整个或部分地球表面进行描述管理。它融合了数据库和计算机图形技术，进行储存和处理空间信息，为定量分析、土地评价、管理和决策研究服务。利用GIS建立属性数据库和空间数据库，选取评价因素、划分评价单元、获取评价信息和计算评价模型，能够快速全面的得出评价结果近年来，在精准农业、土壤调查和评价方面都得到了较好的应用。
我国地大物博，人口众多，对耕地评价的研究历史悠久，但对耕地地力评价研究较晚。根据记载，早在2000多年前就有按土壤的色泽、水分状况等来识别土壤肥力和分类。历代统治者为了巩固其统治和财政税收，进行土地登记时开展过农用地分等定级，以土地等级作为负担税赋的依据。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，较为系统的耕地评价始于新中国建立后，而耕地地力评价是建立在耕地评价的基础上进行研究的。
目前，我国在针对耕地地力评价技术方面的研究主要是针对地块进行。测土配方施月巴技术是耕地地力评价研究中的主要技术，我国的测土配方施肥技术仍需要继续深入研究，影响我国应用耕地地力评价技术的原因主要有：一是农村耕作经营分散、面积较小；二是农民的文化水平大部分较低，接受的专业化指导较少。只有在合理的耕地地力评价的基础上进行分区管理，使强烈推荐施肥的方法简易化、易行化，才有利于推广测土配方施肥技术。就我国目前的研究，通过土壤养分的空间变异的研究和耕地地力评价进行管理分区的可行性不高，研究仍在不断的研究改进中。根据区域土壤养分状况、种植制度等进行耕地分区管理，要注重作物的选择，合理施肥和土壤的培肥，对推广应用精准施肥技术，农业资源的可持续利用，促进我国农业持续高效的发展有十分重要的意义。根据我国目前的国情，对于小区域的小农户经营适宜幵展小规模分散经营的土壤养分分区管理的研究和应用，对于大区域、规模化的区域进行分区作物管理和强烈推荐施肥是一种切实可行的方法⑴。
2研究区的概况和数据基础
2.1研究区概况
2.1.1地理位置和行政区划
武乡县位于山西省东南部，太行山西麓。东与左权、黎城县为界，西与平遥、祁县相连，南同襄垣、泌县接壤，北与榆社邻。地理坐标为：东径112036°-113022°，北纬36039°-37008°之间。东西长123m，南北宽20m，本县国土总面积为1610hm2。境内山恋起伏，沟壑纵横，地势受太行山背斜和亲水盆地两大地质构造的影响，形成东西高峻，中部低凹，由东西两端向中间倾斜。东西两山海波为最高（华儿堪）海波2008m，中部地区海波1000-1200m，最低（下北漳）海波890m。县境内权温公路贯串东西，太焦铁路、榆黄公路和长太高速横穿南北，交通比较方便。本县最高海拔为2008m，最低海拔为890m，境内平均海拔120m。研究区位示意图如图2-1所示。
2.1.2地形地貌
武乡县以形态特征可划分为两大地貌类型，即丘陵、平原。其由平原到山地垂直分布的主要地形地貌有河流及河谷冲积平原（河漫滩、一级阶地、二级阶地，山前倾斜平原（洪积扇上、中、下等），丘陵（梁地、坡地等）和山地（石质山、土石山等）。
2.2数据来源与预处理
2.2.1耕地背景资料
耕地自然条件资料，包括土壤、水文、气候、农田基本建设状况；耕地利用资料，包括标准耕作制度中所涉及指定作物的面积、单产和总产的统计资料、土地利用样点基本情况、农业技术实验资料、农业生产实测资料等；耕地经济资料，人均耕地、亩均资金投入、亩均收益、人均收入、道路网分布、道路级别标准等。
（1）立地条件：指耕地土壤的自然环境条件，它包含与耕地与质量直接相关的地貌类型及地形部位、成土母质、田面坡度等。
1）地貌类型及其特征描述：武乡县由平原到山地垂直分布的主要地形地貌有河流及河谷冲积平原（河漫滩、一级阶地、二级阶地，山前倾斜平原（洪积扇上、中、下等，丘陵（梁地、坡地等）和山地（石质山、土石山等。
2）成土母质及其主要分布：在武乡县耕地上分布的母质类型有洪积物、壤质黄土母质（物理粘粒含量35%-45%）。
（2）土壤属性
土体构型：指土壤剖面中不同土层间质地构造变化情况，直接反映土壤发育及障碍层次，影响根系发育、水肥保持及有效供给，包括有效土层厚度、耕作层厚度、质地构型等三个因素。
①有效土层厚度：指土壤层和松散的母质层之和，按其厚度（cm）深浅从高到低依次分为6级进入地力评价系统。
②耕层厚度：按其厚度（cm）深浅从高到底依次分为6级进入地力评价系统。
③质地构型：武乡县耕地质地构型主要分为通体型（包括通体壤、通体點、通体砂、夹砂（包括壤夹砂、黏夹砂、底砂、夹點（包括壤夹點、砂夹點、深點、夹烁、底烁、通体少碌、通体多砾、通体少姜、浅姜、通体多姜等。
2）耕层土壤理化性状：分为较稳定的理化性状（容重、质地、有机质、和易变化的化学性状（有效磷、速效钟〉两大部分。
（3）农田基础设施条件
1）灌溉保证率：指降水不足时的有效补充程度，是提高作物产量的有效途径，分为充分满足，可随时灌溉；基本满足，在关键时期可保证灌溉；一般满足，大旱之年不能保证灌溉；无灌溉条件等4种情况。
2）梯田化水平：按园田化和梯田类型及其熟化程度分为地面平坦，园田化水平高；地面基本平坦，园田化水平较高；高水平梯田；缓坡梯田，熟化程度5年以上；新修梯田；坡耕地等6种类型。
3研究区土壤养分空间变异研究......19
3.1土壤养分空间插值分析......19
3.2土壤养分空间变异分析.....20
4研究区耕地地力评价及分区研究.........35
4.1耕地地力评价及分区的原则及方法.......35
5研究区的分区类型及主要措施........43
5.1河谷阶地粮、菜的高产区........43
5.1.1河谷阶地粮、菜的高产区区域特点及属性分析..........43
5研究区的分区类型及主要措施
5.1河谷阶地粮、菜的高产区
5.1.1河谷阶地粮、菜的高产区区域特点及属性分析
（1）区域特点
本区分布在池潭河、蟠洪河两岸的河漫滩、一级、二级阶地，海拔为900-1100m，平均1005m。包括故城、涌泉、丰州、故县、大有、监漳、婦龙、洪水等乡镇。本区耕地地力评价主要为级地，区域耕地面积5673.65hm2，占总耕地面积17.2%。本区域水土流失较轻，地下水位高，水源比较充足，属井河两灌区，水利条件较好，田园化水平高，交通便利，农业生产条件优越。年平均气温9-10摄氏度，年降水量580mm，无霜期天，气候温和，热量充足，农业生产水平较高，一年一作的耕种制度。
（2）属性分析
本区耕地土壤包括潮土、粗骨土、褐土、红粘土、新积土，成土母质主要为洪积物、黄土母质、砂质黄土母质（物理粘粒含量<30%）、红土母质、冲积物，地形坡度为0-15，耕层厚度平均值为47cm，pH值的变化范围7.66-8.27，平均值为8.05，地势平缓，无侵蚀，保水，地下水位浅且水质良好，灌溉保证率为60%。土壤肥力高，适种性广，是本县主要产粮区。种植作物主要有玉米、小麦、谷子、蔬菜等农作物。
本区耕地土壤有机质平均含量17.05g/g，属省三级水平；有效磷平均含量为10.40mg/g,属省四级水平；速效钾的平均含量为169.55mg/g,属省三级水平；全氮平均含量为0.69g/g，属省五级水平。缓效钾平均含量为962.91mg/g，属省二级水平。中微量元素养分含量有效硫均值为40.94mg/g，有效铜平均值为0.83mg/g,有效猛平均值为13.37mg/g，有效锌的平均值为0.99mg/g，有效铁平均值为7.54mg/g，均为四级水平，有效硼平均值为0.42mg/g，为五级水平，土壤硼含量较低。本区土壤养分统计见表5-1所示。
6结论与讨论
6.1结论
本研究以山西省长治市武乡县为例进行研究，调查了武乡县的土地资源条件、地形地貌特征、土壤养分状况、气候、成土母质等自然条件和近十年的农作物产量、农作物种植状况，以土地利用现状、第二次土地调查、土壤养分空间分布特征、土地综合分区结果为基础，按照土壤养分状况相似性指标和地貌相似性的划分原则，基于GIS技术研究了武乡县土壤养分分布状况，将武乡县主要划分为4个施肥区：河谷阶地粮、菜的高产区；沟谷地及丘陵下部中产；低山丘陵中部杂粮区；山地；丘陵上部林果区。研究结果可以为武乡县土地的高效集约利用提供支持，提高肥料利用率和农作物生产率。
根据本县种植业结构调整的原则和依据，结合本次耕地地力调查结果，认为本县主要为杂粮种植生产区。
（1）对研究区土壤养分数据进行统计分析得出：土壤有机质、全氮平均含量分别为17.14g/g和0.70g/g,属于偏低范围；土壤pH、有效憐、速效钾的平均含量分别为8.04、10.27mg/g和171.38mg/g，属于正常范围。从变异系数看，研究区域内各土壤属性存在不同程度的变异，变异系数范围在1.19-32.19%。的变异系数最低，仅为1.19%，属于弱变异。速效钾、有机质的变异系数在，属于中度变异。土壤全氮、有效磷的变异系数在16.26-32.19%,属于中强度变异。
（2）河谷阶地粮、菜的高产区的耕地面积5673.45hm2,占总耕地面积17.02%。本区域是武乡县主要的粮食生产和蔬菜生产基地。土壤有机质和速效钾的平均含量分别为17.05g/g和169.55mg/g，属省三级水平；有效磷的平均含量为10.40mg/g。属省四级水平；全氮平均含量为0.69g/g，属省五级水平。本区域在作物选择上，应以建设蔬菜、设施农业、玉米、小麦基地为主攻方向，大力发展高产高效粮田，扩大粮、菜面积，在现有基础上，优化结构，建立无公害粮、菜生产基地。施肥上，应加大土壤培肥力度，全面推广多种形式秸秆还田，以增加土壤有机质，改良土壤理化性状，注重作物合理轮作。
参考文献（略）