基于PSR框架的耕地资源质量评价

郑艺颖 杨小雄 何启源

摘要综合运用遥感（RS）和地理信息系统（GIS）技术，提取Slope、RVI、SQI、DVI、LUD 5个因子作为评价指标。根据压力-状态-响应（PSR）框架，构建桂平市耕地资源质量评价体系，最终桂平市的耕地分为5个等级，针对不同的等级提出了耕地资源保护的政策建议，并在此基础上对桂平市耕地资源的改善进行了探讨。

关键词桂平市；PSR框架；耕地质量评价；评价指标体系

中图分类号S127文献标识码A文章编号0517-6611（2017）35-0193-05

AbstractThe research made a quantitative analysis using RS&GIS technology synthetically and abstracted five factor such as Slope，RVI ，SQI，DVI，LUD as cultivated land quality assessment indicator. By Virtue of PSR framework，the evaluation index system of Guiping City was constructed，and the cultivated land was devided into five grades and corresponding land resource protection suggestions were put forward respectively and on this basis，the improvement of cultivated land resources in Guiping City was discussed.

Key wordsGuiping City；PSR framework；Land quality assessment；Evaluation index system

耕地是整体农业发展基础中的基础，是农业生产最基本的条件，更是不可再生资源。高产优质作物需要建立在一定数量和质量的基础上。了解我国目前的耕地资源现状，深入研究耕地资源，对整个农业乃至今后国民经济的发展将起到至关重要的作用。

从20世纪90年代，经济飞速发展，耕地资源掠夺式的开发，致使耕地产投比失衡，土壤肥力开始退化，土壤养分逐渐流失，耕地质量逐步下降，不可避免地威胁到了人类社会的可持续发展，土壤质量问题便进入世界各国政府的视线，引起了专家学者的广泛关注。同时期，科学技术的迅速崛起，GIS等新技术和新方法开始广泛应用到耕地评价中[1]。如：方琳娜运用SPOT多光谱影像，构建了基于RS技术的耕地质量评价指标体系[2]；秦元伟等采用模糊综合评判方法，从农户对耕地质量影响的角度，构建了耕地质量综合评价指标体系[3]；赵建军等以吉林省为例，探讨基于 GIS 空间分析技术、层次分析法（AHP）和遥感数据的省级耕地质量评价理论框架体系[4]；黄厅厅等应用GIS空间分析技术，通过耕地模糊优选模型与理想点法相结合的耕地质量组合评价模型、相对变化率等方法对构建了耕地质量评价指标体系[5]。

笔者以广西桂平市为例，运用遥感和GIS的手段，基于PSR框架构建完整的耕地资源质量评价，为指导桂平市种植业结构合理布局，改善耕地质量，发展优势农产品，维系农业可持续发展提供科学依据。

1研究区域概况

桂平市，别名浔州，位于广西东南部，是泛珠三角洲经济圈和东盟自由贸易经济圈的结合部，又是连结华南经济区和西南经济区的重要城市，区位优势明显。全市位于109°41′～110°22′ E，22°52′～23°48′ N，北回归线横贯其中部。桂平市属于南亚热带，气候温和，雨量充沛、光照充足，蕴藏着丰富的资源。桂平过境河流干流有黔江、郁江、浔江，属于广西区内面积最大的冲积平原浔郁平原的核心部位，发展潜力巨大。

2数据来源和研究方法

2.1数据来源

该研究需要的数据为桂平市DEM数据、遥感影像数据、耕地数据和桂平市2015年土地利用变更成果数据。 GridDEM为全国数字高程数据，根据桂平市的矢量边界，桂平市共覆盖4幅DEM数据，条带号分别为E109N22、E110N22、E109N23、E110N23。Landsat 8 OLI卫星数字产品共8个波段，其中红外波段（red）和近红外波段（NIR）分别为第4和第5波段，可用其提取土壤退化和土壤水分指数。耕地数据来自于桂平市2015年耕地质量等别更新数据库。

2.2数据处理

该研究采用的是2015年7月21日的Landsat 8 OLI影像数据为基础数据，通过对其进行波段合成，裁剪，图像增强等处理分析，得到桂平市的遥感影像图。对下载的覆盖桂平市的4幅DEM数据在ENVI中进行镶嵌和裁剪，得到桂平市的DEM数据。

2.3研究方法

该研究采用的研究方法是将遥感（RS）和地理信息系统（GIS）相结合，提取5项评价指标。然后根据“压力-状态-响应”框架（PSR），构建桂平市耕地质量评价指标体系。然后将提取的各项指标进行栅格化，利用arcgis的主成分分析功能进行叠加分析，获得不同评价单元相应的权重，最后按照指标权重将耕地质量划分为所需要的等级，最终得到桂平市耕地资源质量评价模型。其中，用生产压力指数（production press index， PPI）反映环境因子对耕地生产力的威胁程度，用耕地状态指数（land status index，LSI）反映现有耕地的生產力，社会响应指数（social response index，SRI）反映经济可持续发展及土地利用程度。

3评价指标提取

3.1坡度的提取与分类

坡度在一定程度会影响耕地质量，耕地质量随着坡度地形的变化，土壤中的养分含量以及物理性质相应都会产生一定的变化。桂平市境内地质构造比较复杂、地貌类型复杂多样，西北部是中、低山地区，属于大瑶山支脉，东南部为大容山，大瑶山和大容山相对耸立，形似马鞍。中部地形主要为开阔的浔江、郁江平原，犹如鞍部，地势比较低平。桂平市总体丘陵较多，平地稍少，因此，该研究选用坡度作为PPI指数的一部分。根据研究区域范围和DEM数据，利用Arcgis空间分析模块提取坡度因子，并用自然断裂点法生成坡度级别图，如图1。

3.2土壤退化指数（RVI）的提取与分类

RVI（Ratio Vegetation Index）指的是遥感比值指数，国内外的相关研究表明，RVI可以很好地反映出农作物所处耕地的环境胁迫程度[6]。该研究按照遥感影像中相对应的波段信息进行波段比值运算，然后提取RVI指数用来表征土壤的退化程度，计算公式如下：

RVI=NIR/R（1）

式中，NIR表示近红外波段，R表示红色波段。最终将土壤退化指数划分为5个级别，如图2。

3.3土壤质量指数（SQI）的提取与分类

土壤质量被定义为“特定类型土壤在自然或农业生态系统改变边界内保持动植物生产力，保持或改善大气和水的质量以及人类健康和居住的能力”[7]。土壤质量也就是指“土壤的运行能力”，即土壤自身实现各种功能的能力。土壤质量是土壤的许多物理、化学和生物学性质，以及形成这些性质的一些重要过程的综合体现，因此，从很多指标对土壤质量进行分析[8]。例如：土壤的酸碱度、土壤有机质含量、阳离子交换量、土壤障碍层深度、有效图层厚度、速效磷、速效钾、全氮等。因此，根据土壤质量常用分析指标以及现有数据，选取了土壤酸碱度PH、土壤有机质含量OM和有效土层厚度EST 3个指标作为SQI评价指标，利用SPSS的主成分分析对3个指标确定相应的权重，得到SQI的公式为：

SQI=PH×40.4%+OM×33.1%+EST×26.5%（2）

最终将SQI划分为5个级别，如图3。

3.4土壤水分指数（DVI）的提取与分类

土壤的水分含量对农业生产有着很大的影响，土壤的水分条件可以直接反应耕地的质量状况，是耕地质量评价必不可少的指标之一。所以，该研究将土壤的含水量作为其中的一个评价因子。在遥感影像中，红外波段对水分反应敏感，大量研究也表明，土壤水分指数DVI能够用来反应地表的湿度信息，表现土壤的含水量，指数的计算公式如下：

DVI=NIR-R（3）

式中，NIR表示近红外波段，R表示红色波段。最终将DVI划分为5个级别，如图4。

3.5土地利用程度重分类

田间耕作的行为方式，是影响耕地质量的重要因素之一，质量产生的社会经济是评价耕地质量的重要指标[8]。不同的土地在开发、利用过程中形式多样化，在不同类型耕地的影响下，耕地在集约化程度、可持续发展程度等方面都有很大的差异。研究利用土地利用程度来反映农户耕作行为导致的耕地质量差异。利用Arcgis生成桂平市土地利用现状图，如图5，并为不同的土地利用类型，按照耕地质量，投入产出比的高低，赋予不同的分值。

综上所述，研究选用（Slope）坡度和（RVI）土壤退化指数表征（PPI）生产压力指数，（SQI）土壤质量指数和（DVI）土壤水分指数表征（LSI）耕地状态指数，（LUD）土地利用程度表征（SRI）社会响应指数，并以此构桂平市建耕地质量评价指标体系（表1～表2）。

4构建耕地质量评价指标体系

将提取的5项指标进行分级和标准化处理，具体见表2，运用Arcgis工具中的主成分分析工具，得出参与耕地质量评价各项指标主成分的特征值（表3），根据特征值可以得出各项指标的权重分别为0.35、0.29、0.19、0.12、0.05，由此可以得出LQI的综合评价模型为：

LQI=Slope×0.35+DVI×0.29+RVI×0.19+LUD×012+SQI×0.05（4）

根据公式，利用GIS软件计算LQI的评价结果，并参考相关耕地分等定级以及土地利用/土地覆被信息资料，对分级阈值进行相应的调整，最终得到LQI的评价结果图，各耕地等级所占面积见表4。评价结果可以为桂平市耕地分等定级以及估价提供参考。

基于上述方法，可以得到桂平市的耕地质量评价体系和评价模型，评价结果将研究区域划分为5个等级，总面积为1 274.168 km2。其中一级耕地占28.23%，比例最大，主要集中分布在南梧二级公路两边以及浔江流域的河流冲击平原区及村镇附近。这些地区的土壤养分含量较高，保水保肥能力强，排灌条件好，有充足的灌溉水源。因此该级别的耕地是反展无公害和绿色农产品的优质生产基地，应增强此级别的耕地管理，采取优良的栽培技术，防止掠夺式经营和破坏式耕种，加强农田基础设施建设。

二级耕地占19.53%，主要分布在浔江流域两岸及分支河流的冲击积平原，也是桂平市双季稻的种植区域，土壤结构合理生产能力强、养分丰富、水分条件好，排灌条件良好，有充分的灌溉水源，能保证作物全生育期的灌排水要求。对于二级土壤，应加强合理化利用土地，规范化栽培，防止在耕地的利用中不规范或破坏型方式的出现，加强土壤的利用与管理，挖掘耕地的生产潜力。

三级耕地占17.26%，主要分布在浔江平原以及其他支流形成的冲积平原区，这些区域地势较低，排灌条件较好，能基本满足排灌水要求。部分分布在低丘坡麓的中下部，这些地区靠附近水库或山塘水灌溉。水田以双季稻为主，旱地以种植大豆和油料作物花生為主，园地以荔枝、龙眼等果树为主。该级耕地有很大的生产潜力，改良该类土地将有更大的空间促进农业生产的发展。提高该级耕地的基础设施建设，配备相应的农业及生物促使，重复加强土壤生产能力。

四级耕地占22.03%，该级比例相对也较高，主要分布在各个乡镇的宽谷平原区域，其中有相当大一部分面积分布在低丘陵区，水田以种植水稻为主，水源条件好的地方则种植双季稻，水源条件差的地方以早稻为主；旱地以种植木薯、花生、蔬菜、玉米为主；园地一般种植水果。水田的排灌条件基本满足农作物的生长需求，其中一部分山塘水库可以自留灌溉，天然河道与田间沟渠用来排水，分布于低丘陵的耕地灌溉则有些不足，另外有部分水田的地下水位则偏高。该级耕地在管理上应因地制宜，有针对性地进行改良，对于渍潜稻田型应开深沟，消除地下水造成的通透性差、肥力不协调的危害；对于障碍层次型，应通过深耕增加耕作层厚度，增强蓄水保肥能力；对于灌溉改良型耕地应丰富水源，可以增设有机肥等措施改良土壤。

五级耕地占12.95%，大部分分布在一些低丘山麓、丘陵谷地、丘间的洼地等区域。水田面积所占比例少，旱地以种植红薯、花生等为主；园地以种植水果为主。灌溉条件差，其中低丘坡脚旱地基本无灌溉条件，部分水田由于地势较高无法灌溉而变成了望天田。该级别的耕地应以培肥为主，采用冬种绿肥，秸秆还田，增施有机肥，用地与养地相结合同时改善农田基础设施，提高灌溉能力。

5结果与讨论

该研究根据压力-状态-响应（PSR）框架，利用遥感数据提取相应的指标，建立耕地质量评价体系以及评价模型，根据该模型获取的评价结果符合研究区域的实际情况，具有可行性。研究结果将研究区域的耕地划分为5个等级，对应划分的耕地等级结合桂平市耕地具体情况提出了主要的管理措施及相应的建议。桂平市虽然是国家粮食生产先进县（市），但桂平市是山区农业县级市，耕地资源较缺乏，人均耕地面积少，随着人口的不断增长，城镇工业化的不断推近，农业产业结构的大力调整，人口与耕地、其他产业与农业用地的矛盾将进一步加剧，耕地面积将会越来越少，因此该研究对于更好地了解桂平市耕地质量现状，改善耕地质量管理体质，如何科学利用耕地、进一步提高桂平市耕地综合生产能力，促进桂平市农业生产的可持续发展有着深远影响。

5.1农业生产条件需进一步改善

桂平市现在的农业基础设施。特别是很多小水利和灌溉设施是20世纪六七十年代建设的，现已严重老化失修，需要大资金投入维修和重建，而当地群众的投入能力很有限，需要政府给大力支持。现在桂平市许多村团农用水资源变得较紧张，有不少的水田不得不改为旱地。因此，桂平市需要进一步提高农业生产条件，改善现有的农业基础设施。

5.2科学利用耕地资源

目前，桂平市很多土地都是分散经营，农民自主种植。所以种植经济效益相对低下，而且各村屯外出务工人员较多，农村青壮年劳动力从事农业生产的力量明显不足，村屯中的留守人员多为老弱病残幼，因此耕地丢荒现象还相对普遍。部分农户对于农业生产的投入能力比较薄弱、生产资金缺乏，重用轻养和不合理利用耕地的现象普遍存在。因此，应进一步加大桂平市农业产业结构的优化和调整。

5.3强化科学管理，加强法制观念

学习、宣传有关法律法规并按照法律法规，对资源环境进行合理开发利用和保护，提高人口素质。尤其要加强普及和教育有关生态环境的知识。深入了解目前农村生态环境恶化的原因及其现状，对其造成的危害要有危机感，对改善农村生态环境要有紧迫感。根据桂平市的具体情况，制定和完善农业生态平衡的环境政策。

5.4综合规划全面发展，走生态农业之路

生态农业主要是将生态经济学原理和系统工程原理作为理论指导，采用农业生态工程技术，把传统农业技术和现代农业技术进行有机结合，形成一个良性循环、高效集约的农业。科学利用耕地，调整农业产业结构，用地养地结合，开发农村能源，保护自然资源，结合桂平市具体情况，综合规划全面发展，走生态农业之路，是桂平市今后健康、可持续、科学发展的必经之路。

参考文献

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