房阿曼，陳偉強(qiáng)，程道全，朱帥蒙，馬會(huì)寧，趙 潔

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450002;2.河南省土壤肥料工作站，河南 鄭州450002)

在人口—資源—環(huán)境系統(tǒng)中，耕地是土地資源的精華，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的資源，耕地地力的好壞直接影響到中國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和糧食安全［1］。河南省從2008—2013年開展了省、市、縣3級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)，探討不同尺度的耕地地力評(píng)價(jià)效應(yīng)，這不僅能驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果、檢驗(yàn)評(píng)價(jià)單元、評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性，而且為指導(dǎo)科學(xué)施肥、建立精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系提供信息儲(chǔ)備，也能為糧食安全發(fā)展規(guī)劃、耕地質(zhì)量保護(hù)與建設(shè)、耕地改良利用提供科學(xué)依據(jù)［2，3］。國內(nèi)外土地評(píng)價(jià)方面的研究較多，國外主要注重耕地適宜性評(píng)價(jià)［4，5］，國內(nèi)代表性的研究有《中國1:100萬土地資源圖》［6］評(píng)價(jià)系統(tǒng)，國土部門的農(nóng)用地分等定級(jí)［7］等。近年來，國內(nèi)關(guān)于耕地地力尺度效應(yīng)的分析專家也開始了相關(guān)研究，袁秀杰等［8］通過找出平原和丘陵區(qū)存在的內(nèi)在聯(lián)系，探索建立不同區(qū)域耕地質(zhì)量統(tǒng)一評(píng)價(jià)體系，對(duì)平原和丘陵區(qū)耕地地力評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。但是如何對(duì)同一地區(qū)不同尺度評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比及影響因素分析的研究相對(duì)較少。尺度效應(yīng)的分析，對(duì)于目前耕地地力評(píng)價(jià)結(jié)果在不同尺度的轉(zhuǎn)換與相互校核、完善耕地地力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系等方面具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。河南省偃師市和洛陽市于2009年和2012年分別完成了縣級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)工作和市級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)工作，2級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)均根據(jù)文獻(xiàn)［9］中規(guī)定的技術(shù)方法完成。2級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果一致性如何，需要深入研究，由于2級(jí)評(píng)價(jià)各成體系，結(jié)果沒有直接的可比性，因此本研究采用耕地地力評(píng)價(jià)分值與糧食生產(chǎn)潛力換算的方法，將2級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)一為糧食生產(chǎn)潛力，使2級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果具有可比性，以此分析縣、市2級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)結(jié)果的尺度效應(yīng)。

1 研究區(qū)概況

偃師市地處河南省西部，屬洛陽市，位于東經(jīng)112°26'15″～ 113°00'00″，北 緯 34°27'30″～34°50'00″。偃師南部為石質(zhì)山地，是嵩山山區(qū)的一部分，至南向北依次為低山丘陵、山前傾斜平地、伊洛河沖積平原，北部為黃土丘陵。全市耕地土壤有5個(gè)土類、9個(gè)亞類、16個(gè)土屬、25個(gè)土種;它是小麥良種繁育基地，被確定為全省農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化先進(jìn)縣(市)和全省畜牧業(yè)重點(diǎn)縣(市)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

耕地地力評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)來自偃師市縣級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)成果和洛陽市耕地地力評(píng)價(jià)成果的偃師市部分。糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自偃師市2008—2011年測(cè)土配方施肥項(xiàng)目“3414”試驗(yàn)和示范試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)。

偃師市縣級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)成果顯示，評(píng)價(jià)單元通過“土地利用現(xiàn)狀圖+土壤圖”疊加得到，共劃分了5 299個(gè)評(píng)價(jià)單元。專家采用特爾斐法，結(jié)合偃師市當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，進(jìn)行了評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選，最終從全國耕地地力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系全集中選擇了地貌類型、耕層深度、灌溉保證、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、有效磷、田面坡度、質(zhì)地和質(zhì)地構(gòu)型共9項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用層次分析法建立了指標(biāo)權(quán)重。利用模糊隸屬函數(shù)法建立了各指標(biāo)的隸屬函數(shù)，并計(jì)算了各評(píng)價(jià)單元9個(gè)指標(biāo)的隸屬度。通過對(duì)單指標(biāo)加權(quán)平均，得到耕地地力評(píng)價(jià)綜合分值，綜合分值介于0.36～1.00，劃分了5個(gè)地力等級(jí)。

洛陽市耕地地力評(píng)價(jià)成果中的偃師市成果顯示，評(píng)價(jià)單元通過“土地利用現(xiàn)狀圖+土壤圖”疊加生成，但由于地圖比例尺的縮小，土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行了制圖綜合，最終共劃分了3 925個(gè)評(píng)價(jià)單元。選擇了地貌類型、高程、灌溉類型、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、有效磷、坡度、質(zhì)地、土壤剖面和礫石共計(jì)10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并建立了權(quán)重。同樣，建立了單指標(biāo)隸屬函數(shù)，計(jì)算了各評(píng)價(jià)單元單指標(biāo)隸屬度。洛陽市耕地地力評(píng)價(jià)綜合分值為0.50～1.00，劃分了5個(gè)地力等級(jí)。

偃師市“3414”試驗(yàn)和施肥示范試驗(yàn)，測(cè)定作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)共計(jì)131個(gè)，記載有試驗(yàn)區(qū)的土壤養(yǎng)分、不同組合施肥量，以及作物空白單產(chǎn)、不同施肥組合單產(chǎn)量等信息，選取每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的最高單產(chǎn)，作為耕地在養(yǎng)分充足供應(yīng)條件下糧食可實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)潛力。

2.2 研究技術(shù)路線

(1)耕地地力評(píng)價(jià)結(jié)果與產(chǎn)量樣點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)潛力空間關(guān)聯(lián)。利用GIS空間疊加分析，將作物產(chǎn)量樣點(diǎn)圖層與耕地地力評(píng)價(jià)圖層的信息進(jìn)行綜合，得到產(chǎn)量與評(píng)價(jià)綜合分值的關(guān)系表。

(2)耕地地力評(píng)價(jià)結(jié)果折算糧食可實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)潛力。利用回歸分析方法，建立作物在試驗(yàn)條件下的最高產(chǎn)量與耕地地力評(píng)價(jià)綜合分值之間的函數(shù)模型，再利用函數(shù)模型，以每個(gè)評(píng)價(jià)單元的評(píng)價(jià)綜合分值為自變量，計(jì)算糧食可實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)潛力。

(3)市、縣2級(jí)評(píng)價(jià)成果一致性評(píng)價(jià)。以作物最高單產(chǎn)為依據(jù)，劃分地力等級(jí)，將縣、市2級(jí)的評(píng)價(jià)結(jié)果疊加，分析評(píng)價(jià)結(jié)果的空間一致性［10］。

(4)耕地地力評(píng)價(jià)尺度效應(yīng)分析。利用統(tǒng)計(jì)分析，特別是因子分析，得到尺度效應(yīng)的影響因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)量樣點(diǎn)與評(píng)價(jià)結(jié)果疊加分析

根據(jù)空間關(guān)系，運(yùn)用ArcGIS空間分析工具，將偃師市產(chǎn)量樣點(diǎn)數(shù)據(jù)分別與縣、市2級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)結(jié)果疊加，建立產(chǎn)量與評(píng)價(jià)綜合分值空間關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 產(chǎn)量樣點(diǎn)與縣級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果疊加圖Fig.1 Superposed graph between production sample and the evaluation results at the county level

圖2 產(chǎn)量樣點(diǎn)與市級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果疊加圖Fig.2 Superposed graph between production sample and the evaluation results at the city level

3.2 產(chǎn)量樣點(diǎn)與縣、市級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果回歸分析

根據(jù)作物單產(chǎn)與耕地地力評(píng)價(jià)得分關(guān)聯(lián)表，分析建立回歸模型。將產(chǎn)量樣點(diǎn)數(shù)據(jù)分為小麥產(chǎn)量樣點(diǎn)和玉米產(chǎn)量樣點(diǎn)2類，為了更好地研究產(chǎn)量與評(píng)價(jià)得分的關(guān)系，首先將評(píng)價(jià)得分按適當(dāng)?shù)拈g隔進(jìn)行分組，統(tǒng)計(jì)每組的平均產(chǎn)量和評(píng)價(jià)平均得分，然后再進(jìn)行回歸分析，得到回歸模型(表1)，經(jīng)回歸檢驗(yàn)，回歸方程達(dá)到極顯著水平。

表1 縣、市2級(jí)評(píng)價(jià)得分與產(chǎn)量的線性回歸模型Table 1 The linear regression model of evaluation scores and productions at the county and city level

3.3 耕地地力評(píng)價(jià)得分與糧食單產(chǎn)潛力折算

根據(jù)以上建立的回歸方程，以縣、市2級(jí)各個(gè)評(píng)價(jià)單元的分值預(yù)測(cè)小麥、玉米生產(chǎn)潛力，小麥、玉米生產(chǎn)潛力之和為單元糧食生產(chǎn)總潛力。

式中:M總為全年糧食單產(chǎn)潛力;M小麥為小麥單產(chǎn)潛力;M玉米為玉米單產(chǎn)潛力。

縣級(jí)和市級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)得分轉(zhuǎn)換為糧食產(chǎn)量后，基本統(tǒng)計(jì)量如表2所示，市級(jí)計(jì)算得到的糧食產(chǎn)量略高于縣級(jí)，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差也高于縣級(jí)。

表2 縣、市2級(jí)評(píng)價(jià)得分轉(zhuǎn)換為糧食產(chǎn)量后統(tǒng)計(jì)量Table 2 Statistics of food production converted from evaluation scores in county and city

3.4 縣級(jí)與市級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果尺度效應(yīng)分析

按糧食產(chǎn)量1 500 kg的間隔，分別將縣級(jí)評(píng)價(jià)和市級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為3個(gè)耕地地力等級(jí)，即:1等地(≥16 500 kg)，2等地(15 000～16 500 kg)，3等地(≤15 000 kg)。由表3可以看出，市等級(jí)劃分結(jié)果顯示，偃師市的耕地地力主要為1等地，縣等級(jí)劃分結(jié)果顯示，偃師市的耕地地力等級(jí)相對(duì)均勻地劃分到1等地和2等地中。

通過ArcGIS的空間分析功能，分析縣、市2級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果的空間分布差異。計(jì)算縣、市2級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果的等級(jí)差，公式為:

式中:p為尺度效應(yīng)指數(shù);l縣等級(jí)為縣級(jí)尺度評(píng)價(jià)等級(jí);l市等級(jí)為市級(jí)尺度評(píng)價(jià)等級(jí)。當(dāng)p為0時(shí)，表示縣、市2級(jí)尺度評(píng)價(jià)結(jié)果一致;當(dāng)p為非零時(shí)，說明其存在評(píng)價(jià)尺度差異。p為正時(shí)，說明縣級(jí)尺度評(píng)價(jià)等級(jí)低于市級(jí)尺度評(píng)價(jià)等級(jí)，當(dāng)P為負(fù)時(shí)，說明縣級(jí)尺度評(píng)價(jià)等級(jí)高于市級(jí)尺度評(píng)價(jià)等級(jí)。分析結(jié)果如圖3所示。

表3 縣、市兩級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)比表Table 3 Comparison table of farmland productivity evaluation grades at the county and city level

圖3 縣、市2級(jí)尺度耕地力評(píng)價(jià)結(jié)果一致性分析結(jié)果Fig.3 Analysis of space consistency of farmland productivity evaluation results between the county and city level

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，縣級(jí)與市級(jí)2級(jí)尺度評(píng)價(jià)結(jié)果一致性的面積比率為68.43%，縣級(jí)尺度評(píng)價(jià)結(jié)果的18.16%低于市級(jí)尺度的評(píng)價(jià)等級(jí)，縣級(jí)高于市級(jí)等級(jí)的面積占13.41%。分析不同地形及地表覆蓋的尺度效應(yīng)，由圖3可以看出，偃師縣中部伊洛河沖積平原地區(qū)尺度效應(yīng)具有較好的一致性。尺度效應(yīng)指數(shù)大于1的主要分布在北部黃土丘陵區(qū)，小于1的主要分布在南部石質(zhì)山地區(qū)。

分析不同土壤類型上的尺度效應(yīng)，由表4可以看出，潮土類的尺度效應(yīng)高于風(fēng)沙土，在潮土類中潮土復(fù)區(qū)、鹽化潮土、兩合土3個(gè)土屬的尺度效應(yīng)明顯。

3.5 縣、市2級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果尺度效應(yīng)因子分析

分析縣級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)得分與市級(jí)各評(píng)價(jià)因素單指標(biāo)隸屬度之間的相關(guān)關(guān)系，以及市級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)得分與縣級(jí)評(píng)價(jià)因素單指標(biāo)隸屬度之間的相關(guān)關(guān)系，從評(píng)價(jià)因素的角度診斷尺度效應(yīng)的原因。經(jīng)分析(表5，表6)，縣級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)得分與市級(jí)的質(zhì)地、礫石、坡度、地貌類型、速效鉀、有效磷、有機(jī)質(zhì)、土壤剖面、高程9個(gè)因素隸屬度有顯著正相關(guān)關(guān)系，但是與灌溉類型隸屬度之間呈負(fù)相關(guān)。市級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)得分與縣級(jí)的地貌類型、耕層深度、灌溉保證、速效鉀、田面坡度、有機(jī)質(zhì)、有效磷7個(gè)因素隸屬度之間有顯著正相關(guān)關(guān)系，與質(zhì)地和質(zhì)地構(gòu)型隸屬度之間不相關(guān)。

表4 不同土壤類型上的尺度效應(yīng)Table 4 The scale effect of different soil types %

表5 縣級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)得分與市級(jí)評(píng)價(jià)因素隸屬度相關(guān)分析Table 5 Correlation analysis of membership between evaluation scores at the county level and evaluation factors at the city level

表6 市級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)得分與縣級(jí)評(píng)價(jià)因素隸屬度相關(guān)分析Table 6 Correlation analysis of membership between evaluation scores at the city level and evaluation factors at the county level

從以上分析可知，造成縣、市級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果不一致，引起尺度效應(yīng)的關(guān)鍵因素指標(biāo)主要有市級(jí)尺度的灌溉類型，以及縣級(jí)尺度的質(zhì)地和質(zhì)地構(gòu)型。

4 結(jié)論

通過對(duì)比分析偃師市的市、縣2級(jí)評(píng)價(jià)成果，以ArcGIS為工具，利用試驗(yàn)中的最高單產(chǎn)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，研究了2級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果的尺度效應(yīng)問題，結(jié)論如下:

(1)市、縣2級(jí)評(píng)價(jià)的綜合分值與小麥、玉米2種作物的最高單產(chǎn)之間有顯著線性相關(guān)關(guān)系，通過模型預(yù)測(cè)，縣級(jí)評(píng)價(jià)綜合分值折算的平均糧食單產(chǎn)為 15 663.15 kg· hm-2，市 級(jí) 折 算 結(jié) 果為15 807.24 kg·hm-2。

(2)縣級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果與市級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果空間一致性達(dá)到68.43%，主要分布在中部伊洛河平原地區(qū)，北部的黃土丘陵區(qū)和南部的石質(zhì)山地區(qū)尺度效應(yīng)比較明顯;潮土類中潮土復(fù)區(qū)、鹽化潮土和兩合土3個(gè)土屬上的尺度效應(yīng)高于其它土壤類型。

(3)通過因素分析顯示，市級(jí)尺度的灌溉類型和縣級(jí)尺度的質(zhì)地和質(zhì)地構(gòu)型指標(biāo)是造成尺度效應(yīng)的關(guān)鍵因素。

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