基于GIS的合肥市耕地地力评价*

朱海娣，王 丽，马友华，王 静

(1.江苏城乡建设职业学院,常州 213000； 2.安徽农业大学经济管理学院,合肥 230036； 3.合肥市农业经济与技术监督总站,安徽合肥 230036； 4.安徽农业大学资源与环境学院,合肥 230036)

0 引言

耕地作为土地的精华，是不可再生的自然资源，是人类获取粮食和其他农产品不可替代的生产资料，是农业持续发展的重要物质基础[1]。耕地质量的高低和数量的多少，直接影响农业产业结构、耕地产出水平及农产品质量[2]。因此必须要查清耕地质量和数量，进行耕地地力评价。提高耕地质量前提是摸清家底开展耕地地力评价[3]。

合肥市是安徽省省会，属于“长三角”城市群副中心，“一带一路”和长江经济带战略双节点城市，是沿海的腹地、内地的前沿[4]。2011年8月，合肥市行政区重新划定，庐江县与县级巢湖市划归合肥市管辖。结合GIS进行合肥市耕地地力评价不仅完成合肥全区域的耕地地力评价，而且对之前已完成地力评价的进行更新，有利于合肥市耕地资源得到合理的利用与保护，实现耕地资源的合理配置，达到耕地的动态平衡。

1 研究区概况、材料收集及数据库的建立

1.1 研究区域概况

合肥市在安徽省中部、江淮之间，北纬30°56′～32°33′、东经116°40′～117°58′。合肥市行政管辖范围包括四区4县1市：蜀山区、包河区、瑶海区、庐阳区、肥东县、肥西县、长丰县、庐江县、巢湖市。合肥市属北亚热带季风湿润气候区，全年平均气温17℃，年平均降水量为1 502mm，合肥地区年平均日照时数为2 035.2～2 162.6h[5]。

合肥市土壤母质类型包括基岩类残积坡积物、河流冲积物、黄土性占河流沉积物、下蜀系黄土等[6]。合肥市土壤分为8个土类， 15个亚类， 43个土属，土类包括水稻土、黄褐土、黄棕壤、黑色石灰土、紫色土、粗骨土、潮土和砂姜黑土。

1.2 研究区域资料收集与整理

收集2008—2018年内具有GPS定位的合肥市各县区的采样点化验数据资料，化验指标包括有机质、有效磷、速效钾、pH等其他理化性状指标，共收集1.109 0万个采样点； 1： 200 000的合肥市行政区划图、土地利用现状图以及原合肥市土壤图、庐江县土壤图、巢湖市土壤图； 农户施肥情况调查表以及合肥市粮食单产、总产、种植面积等相关统计资料。

为确保耕地地力评价结果的真实性、完整性、可靠性，对收集的数据进行了分类、筛选。利用ArcGIS9.3将合肥市土地利用现状图和合肥市行政区划图相叠加，导入采样点，再检测数据值是否异常。

1.3 数据库的建立

1.3.1 属性数据库的建立

属性数据库的建立主要是为了对大量数据进行统一管理，具有独立于空间数据库的进行录入的特点[7-8]。先在Excel中进行数据的批量录入，再利用Access转成标准的mdb格式，最后通过关键字段连接。整个操作过程中保证数据标志码的唯一性、注意数值类型的量纲、上下限等[9]。

1.3.2 空间数据库的建立

利用ArcGIS软件作为基础数据处理平台建立空间数据库。该研究采用1： 200 000比例尺作为合肥市耕地地力评价的空间数据库框架基础，采用西安1980坐标系，矢量数据采用Shape格式存储，栅格数据采用Grid格式存储。

土地利用现状图、行政区划图、合并后的土壤图和采样点位图是耕地地力评价最为基础的空间数据。将收集到的纸质的图件进行扫描、配准、纠正后进行数字化，采用MapGIS技术与ArcGIS自动矢量化技术相融合，生成电子图件，分别以点、线、面的形式储存和管理，同时将所有的图件转换到相同的坐标系统，最后导入耕地管理信息系统中建立合肥市工作空间。通过共同字段来连接和更新空间数据库和属性数据库。

2 合肥市耕地地力评价等级划分

2.1 确立评价指标体系

评价指标的选取关乎地力评价结果的科学性、准确性[10]。10位专家依据以下几个原则选取指标：首先选取的指标应有较大影响力和敏感性； 其次在合肥市区域内有较大的变异，以便划分地力等级； 另外在时间序列上的稳定性，同时结合实际生产和数据的可获取情况，最终从立地条件、剖面组成、土壤理化性状、土壤管理4个方面选取了14个评价指标：地形部位、成土母质、地下水位、剖面剖面构型、有效土层厚度、耕层厚度、障碍层、耕层质地、pH、有机质、有效磷、速效钾、灌溉保证率和排涝能力。

2.2 确定评价指标权重

评价指标对耕地地力的影响各不相同，必须确定各自的权重[11]。确定指标权重必须科学有效、客观公正。该文采用层次分析法(AHP)，根据该次所选取的评价指标的属性和特点以及相互之间的隶属度，构建层次结构，分为3个层次：目标层(A层)、准则层(B层)、指标层(C层)[12]。目标层(A层)为耕地地力，准则层(B层)包括立地条件、剖面性状、土壤理化性状、土壤管理， 14个评价指标为指标层(C层)，其结构关系如图1所示。经过10位专家打分确定指标的重要性，构造判断矩阵，且通过一致性检验后生成各项指标权重(表1)。

图1 合肥市耕地地力评价指标层次结构

表1 合肥市耕地地力评价因子及权重

目标层A耕地地力准则层B指标权重Bi指标层C因子权重Ci组合权重CiBi立地条件0.257 4地形部位0.325 00.083 7成土母质0.390 00.100 4地下水0.285 00.073 4地形部位0.247 5剖面构型0.205 00.050 7有效土层厚0.285 00.070 5耕层厚度0.275 00.068 1障碍层类型0.235 00.058 2土壤理化性状0.306 9耕层质地0.238 80.073 3pH0.159 20.048 9有机质0.263 70.080 9有效磷0.164 20.050 4速效钾0.174 10.053 4土壤管理0.188 1灌溉保证率0.435 00.081 8排涝能力0.565 00.106 3

2.3 生成评价单元，获取评价单元数据

采用叠置法划分评价单元[13]，将合肥市土地利用现状图、土壤图、行政区划图三图叠加生成耕地地力评价单元图，相同的土壤单元、行政区划单位和土地利用现状类型的地块组成一个评价单元。将叠加后生成的小于1万m2细碎图斑合并，最终生成2.361 7万个耕地地力评价单元。

三图叠加之后生成的评价单元具有部分评价指标的属性数据，如土壤图中的耕层厚度、质地类型等属性数据，但仍需采样点的养分数据。该研究通过采用克吕格插值法和反距离权重法两种方法进行插值，生成养分栅格数据，再应用交叉验证法来验证其插值后的精度，利用均差(ME)或均方差(MSE)来作为评估这两种方法插值效果的标准。最后利用ArcGIS分析模块中的分区统计功能，通过唯一标志码连接养分数据，获得合肥市耕地地力评价单元数据。

2.4 计算指标评语

根据模糊数学基本原理和特尔斐法[14-17]，结合前人的研究成果和专家的打分、归纳、反馈、逐步收缩集中后，该研究涉及到戒上型、直线型、以及概念型这3种隶属函数。耕层厚度和灌溉保证率这两个评价指标隶属函数为戒上型函数，有效土层厚度、pH、有效磷、速效钾、有机质、地下水这些评价指标隶属函数为直线型，其他的则为概念型隶属函数，在县域耕地资源管理信息系统(CLRMIS)中带入数值进行函数拟合运算，计算出相应的隶属度，其结果如表2～4所示。

表2 合肥市戒上型耕地地力评价指标隶属函数

函数类型指标名称函数公式a值c值U值戒上型耕层厚度y=1/(1+a∗(u-c)^2)0.006 9632020戒上型灌溉保证率y=1/(1+a∗(u-c)^2)0.000 342106100

2.5 耕地地力综合指数的计算与等级划分

结合县域耕地管理信息系统利用加法模型自动计算耕地地力指数。模型公式为：IFI=Fi×Ci(i=1， 2， 3，…，n)，其中IFI为耕地地力指数，Fi=第i个因素的评价评语，Ci=第i个因素的组合权重[18]。采用累积频率曲线法划分耕地地力等级[19-20]，将全市耕地分为5级。经过专家反复的检验论证，生成最终的地力等级划分结果，见表5。

表3 合肥市直线型耕地地力评价指标隶属函数

函授类型指标名称条件名称函数公式a值b值U1值U2值条件内容直线型有效土层厚条件1y=b+a∗u01有效土层厚 ≥100条件2y=b+a∗u0.01010100有效土层厚 > 10 And 有效土层厚 <100条件3y=b+a∗u01有效土层厚 ≤10直线型pH条件1y=b+a∗u01pH ≥6.5 And pH ≤7.5条件2y=b+a∗u0.333 33-1.166 673.56.5pH >3.5 And pH <6.5条件3y=b-a∗u0.54.757.59.5pH >7.5 And pH <9.5条件4y=b+a∗u00pH ≤ 3.5 或 pH ≥ 9.5直线型有效磷条件1y=b+a∗u01有效磷 ≥20条件2y=b+a∗u0.050020有效磷 <20直线型速效钾条件1y=b+a∗u01速效钾 ≥150条件2y=b+a∗u0.006 6600150速效钾 <150直线型有机质条件1y=b+a∗u01有机质 ≥20条件2y=b+a∗u0.040025有机质 <20直线型地下水条件1y=b+a∗u1001地下水 ≤1条件2y=b-a∗u0.33103.030地下水 >1 And 地下水 <3

表4 合肥市概念型耕地地力评价指标隶属函数

评价指标评价因子描述及隶属度地形部位描述平原、山间盆地河流阶地倾斜平原、平畈冲田塝田缓坡地、低山坡地、低洼田古河道、古河床、浅平洼地中坡地陡坡地隶属度10.90.80.70.60.50.40.3成土母质描述壤质河、湖冲沉积物壤质洪冲积物粘质河、湖冲沉积物、黄土性沉积物粘质洪冲沉积物下蜀系黄土、第四纪红土、厚层坡残积物砂质河、湖冲沉积物中层坡残积物薄层坡残积物隶属度10.90.80.70.60.50.40.3剖面构型描述A-Ap-W-C、A-Ap-P-WA-Apg-P-W-CA-Ap-P-C、A-Ap-Gw-GA-B-C、A-Ap-B-C、Ae-Ap-B-CAe-Ape-W-CA-B-BtA-Ap-G、A-Apg-G、A-(B)-CAg-G、Ag-Apg-G、A-C、A-CvA-R隶属度10.90.80.70.60.50.40.30.2障碍层类型描述无砂姜层、白土层黏磐层夹砂层砂砾层隶属度10.50.30.20.1耕层质地描述中壤重壤轻粘中粘轻壤重粘砂壤紧砂、松砂隶属度10.90.80.70.60.50.40.3排涝能力描述强较强中较弱弱隶属度10.90.70.50.3

表5 合肥市耕地地力等级划分标准

合肥市耕地地力等级一等地二等地三等地四等地五等地综合指数(IFI)≥0.8300.830～0.7950.750～0.7950.725～0.750≤0.725

3 评价结果与分析

3.1 合肥市耕地地力等级空间分布分析

3.1.1 合肥市耕地地力等级在行政区域的分布

合肥市总耕地面积为55.883 0万hm2，合肥市耕地主要分布在所辖的肥东县、肥西县、长丰县、庐江县和巢湖市(表6)。合肥市一等地主要分布在巢湖市、肥西县和庐江县，各占一等地面积的49.5%，19.93%，14.05%，二等地主要分布在肥西县、庐江县和肥东县，各占二等地面积的27.84%，26.46%和15.38%，三等地主要分布在肥东县、长丰县和庐江县，各占三等地29.81%，24.53%和18.75%，四等地主要分布在肥东县、长丰县和庐江县，各占四等地31.23%，29.64%和17.4%，五等地主要分布在长丰县、肥东县和庐江县，各占40.18%，29.76%和17.61%，合肥市耕地地力等级分布见图2。

图2 合肥市耕地地力等级分布

图3 合肥市耕地土壤有机质分布 图4 合肥市耕地土壤有效磷分布

图5 合肥市耕地土壤速效钾分布

3.1.2 合肥市耕地地力等级地域分布及特征分析

合肥市耕地一等地面积为8 299.57hm2，占总耕地面积14.85%。一等地主要是水田，土壤类型主要是黄褐土和水稻土，下属系黄土和粘质河、湖冲沉积物为主要成土母，地貌类型以平原和台地为主，无障碍层，灌溉保证率中等，排涝能力强。

合肥市耕地二等地面积为17.587 392万hm2，占总耕地面积31.47%，二等地主要利用类型是水田，地形以平原和平畈冲田为主，少数分布在中坡地、河流阶地，土壤类型主要是黄褐土和水稻土，成土母质主要为下蜀系黄土和砂质河、湖冲沉积物，少数地区存在黏磐层障碍层，灌溉保证率中等，排涝能力中等偏强。

合肥市耕地三等地面积为19.561 768万hm2，占总耕地面积35.00%，三等地地形部位主要是中坡地和平畈冲田，耕层质地主要是重壤和中壤，障碍层类型为黏磐层和砂砾层，灌溉排涝能力中等。

合肥市耕地四等地面积为5.722 019万hm2，占10.24%。四等地地形以中坡地、平畈冲田和塝地为主，土壤类型主要是黄褐土、紫色土和水稻土，耕层质地主要是重壤和中壤，障碍层类型主要是黏磐层，少数是砂砾层； 灌溉能力一般。

合肥市耕地五等地面积为4.711 883万hm2，占8.43%，五等地地形以陡坡地、中坡地和塝田为主，土壤类型主要是黄褐土、紫色土、水稻土和黑色石灰土，重壤和中壤占比较多，障碍层类型主要是黏磐层，少数是砂砾层，灌溉排涝能力较低。

表6 合肥市耕地地力等级的行政区域分布

hm2,%

表7 合肥市各县区耕层土壤主要养分平均含量及分级水平

县区名有机质平均含量(g/kg)分级水平有效磷平均含量(mg/kg)分级水平速效钾平均含量(mg/kg)分级水平包河区19.77较缺15.82中等109.42中等巢湖市24.99中等14.55中等100.08中等肥东县20.06中等14.19中等104.72中等肥西县19.05较缺16.19中等107.30中等庐江县11.20较缺13.01中等91.33较缺庐阳区16.74较缺13.53中等112.57中等蜀山区18.26较缺15.43中等113.17中等瑶海区20.70中等14.34中等109.93中等长丰县18.38较缺14.26中等105.18中等合肥市20.36中等14.46中等102.19中等

表8 合肥市不同等级耕地主要养分平均含量与分级水平

等级有机质平均含量(g/kg)分级水平有效磷平均含量(mg/kg)分级水平速效钾平均含量(mg/kg)分级水平一等地23.65中等16.10中等107.61中等二等地20.14中等14.98中等103.21中等三等地19.72较缺14.26中等101.95中等四等地19.18较缺13.16中等99.76较缺五等地19.12较缺13.14中等96.43较缺

3.2 合肥市耕地主要养分空间分布特征分析

3.2.1 合肥市不同行政区域的耕地主要养分特征分析

合肥市耕地土壤有机质平均含量为20.36g/kg，处于中等水平。在合肥市所辖县区中巢湖市的有机质平均含量最高，为24.99g/kg，庐江县有机质含量最低，为11.20g/kg(表7、图3)。巢湖市、肥东县、瑶海区的有机质平均含量处于中等水平，其他县区均属于较低水平。合肥市有机质平均含量在40g/kg之上属于丰富水平的有巢湖市、肥西县、蜀山区。有机质含量在30～40g/kg之间属于较丰富水平的巢湖市占比最多，达到66.19%，面积为2.349 956万hm2。有机质含量在20～30g/kg之间属于中等水平的肥东县占比最多，达到29.45%，面积为6.772 083万hm2。有机质含量在10～20g/kg之间较缺乏的肥西县面积最大，为9.704 115万hm2，占33.08%。

合肥市耕地中有效磷平均含量均处于中等水平，为14.46mg/kg。合肥市所辖县区中肥西县的有效磷平均含量最高，为16.19mg/kg，庐江县有效磷含量最低，为13.01mg/kg(表7)。有效磷含量40mg/kg之上属于丰富水平的有肥西县、庐江县，有效磷含量在20～40mg/kg之间属于较丰富水平的巢湖市占比最多，达到28.36%，面积为1.301 495万hm2，有效磷含量在10～20mg/kg之间属于中等水平的肥东县占比最多，达到23.30%，面积为10.241 594万hm2。有效磷含量在5～10mg/kg之间属于较缺水平的庐江县面积最大，为4.496 180万hm2，占61.25%，合肥市耕地土壤有效磷分布图见图4。

合肥市耕地土壤中速效钾的平均含量为102.19mg/kg，在所辖县区中肥西县的速效钾平均含量最高，为113.17mg/kg，庐江县速效钾含量最低，为91.33mg/kg(表7)。速效钾含量200mg/kg之上属于丰富水平的只有肥东县。速效钾含量在150～200mg/kg之间属于较丰富水平的肥东县占比最多，达到90.33%，面积为8 140.75hm2。速效钾含量在100～150mg/kg之间属于中等水平的长丰县占比最多，达到24.77%，面积为7.855 388万hm2。速效钾含量在50～100mg/kg之间属于较缺水平的长丰县面积最大，为4.004 589万hm2，占17.21%，合肥市耕地土壤速效钾分布见图5。

3.2.2 合肥市耕地不同地力等级的主要养分特征分析

有机质、有效磷和速效钾在不同等级耕地上含量有差异，合肥市耕地质量从一等地到五等地逐渐下降，养分含量也逐渐下降(表8)。有机质在一等地和二等地中平均含量为23.65g/kg和20.14g/kg，处于中等水平，在三，四，五等地中处于较缺水平，分别为19.72g/kg、19.18g/kg和19.12g/kg； 在不同等级耕地中有效磷含量均处于中等水平； 合肥市耕地中速效钾含量在一，二，三等地中处于中等水平，在四等地和五等地中均处于较缺水平。

4 合肥市土壤改良和耕地质量提升对策和建议

4.1 加强和充实耕地管理机构，建立和完善耕地质量监测体系

加强和充实合肥市耕地管理机构，建立依法管理耕地质量的体制，执行并完善耕地质量管理法规，建立和完善耕地质量监测体系。在合肥市的县、区土地管理机构加强培养专业技术人员力度，促进依法管理耕地质量，严格执行国家和地方已颁布的法规，建立土地质量监测体系。严格依照《土地法》《基本农田保护条例》《安徽省农田环境保护条例》中关于耕地质量保护的条款，对已造成耕地损毁或质量恶化等违法行为依照规定进行处罚，尤其是合肥市现处于快速发展阶段，严格把控城乡建设、交通运输等非农业占用耕地。建立切实可行的责任制，不断促进各级政府和耕地所有者保护耕地质量的职责和意识，建立和完善耕地质量监测体系。

4.2 制定保护耕地质量的鼓励政策

合肥市政府应制订政策，从多方面大力鼓励农民向耕地投资，结合经济奖惩办法，改变掠夺性的经营方式，恢复地力，保护耕地。例如，对于促进耕地质量提升的个人或单位给予名誉和物质奖励。物质奖励可以包括减免部分税收或者发放有机肥等实用性物品，为种植大户优先提供贷款和技术服务等。

4.3 加强农业技术培训，推广农业标准化生产

(1)制定合理的农业技术培训计划，规范农民的栽培措施，进行系统的技术培训，如在巢湖、庐江等地可安排1月1次的专业种植水稻施肥培训，在长丰县可安排草莓种植培训等； (2)充分发挥合肥市县、乡农技推广队伍的作用，建立一批种植业示范户，建设农业科技示范园，推广农业标准化生产，减少不正确的耕种行为造成耕地质量下降，如在包河区设置葡萄种植科技示范园，推广种植葡萄的科学示范；(3)加强耕地质量提升和管理的科技宣传，要使合肥市全体市民都来关注耕地质量，关注农产品品质，可以开展农产品知识竞赛，让普通市民群众也参与进来，多关注耕地质量，促进品质提升。

4.4 依据保护耕地质量的原则调整农业和农村经济结构

遵循可持续发展原则，优质化、区域化发展思路，以土地适应性为主要因素决定其利用途径和方法，发展优势和特色农产品，调整农业和农村经济结构，着力抓好龙头建设，实施品牌战略，增强优势产业辐射力和带动力，才能实现经济发展与土壤环境改善的统一。如在合肥市推进设施栽培、林果业、养殖业、农村能源和农田综合治理等，建设农林牧副渔综合发展基地，使成为全市的结构调整样板路、生态农业示范路、假日休闲观光路、农民增收致富路。

4.5 推广平衡施肥技术，提高施肥效果

改变施肥品种结构，增加土壤有机质，调节土壤施肥比例，保持土壤中各养分元素的平衡，提高土壤的通透性，易耕作，保肥水。充分发挥合肥市各县区农技站经销肥料的积极性，与各街镇农技站开展专用肥连锁经营，开展“测土配方、生产供应、施肥技术指导”一条龙施肥技术服务，加速该市平衡施肥技术产业化，通过专用配方肥的形式将平衡施肥技术直接送到千家万户，落实到田间地头。

4.6 用养结合，探索用地与养地新模式

针对各种作物的生物学特性、栽培特点及其对肥料影响不同，进行合理搭配、轮换种植，探索用地与养地的新模式，如在包河区推广莲藕和蔬菜瓜果轮作方式。只有实现用养结合，才能长久有效保护耕地。

4.7 根据合肥市耕地地力评价结果，改良土壤，提高耕地地力等级

根据合肥市地力评价结果，合理改良土壤，提升耕地质量，提高耕地地力等级。在合肥市耕地质量较差的地区加强排涝设施的建设，改善土壤的理化性状，提升有机质和速效钾分含量，全面培肥地力，提升耕地质量。如实施秸秆还田计划，提升土壤碳存量，增加有机质，改善土壤理化性质，促进农业可持续发展； 有目的性增施化肥，促进耕地养分提升，在局部地区注重有机肥和钾肥的混合施用； 建立完善的灌排体系，提升灌溉排涝能力，增加生产潜力； 因地制宜新修水库，确保灌溉水源，防止旱灾的发生； 保护耕层土壤的同时有计划的平整土地，治理陡坡地和塝田，减少水土流失。

5 结论

(1)合肥市耕地地力评价选取14个评价因子：地形部位、成土母质、地下水位、剖面剖面构型、有效土层厚度、耕层厚度、障碍层、耕层质地、pH、有机质、有效磷、速效钾、灌溉保证率和排涝能力。

(2)合肥市耕地地力分5个等级，一,二,三,四,五等地分别占合肥市总耕地面积的14.85%,31.47%,35.00%,10.24%和8.43%。一等地主要集中分布在巢湖市、庐江县和肥西县，二等地主要集中分布在肥西县、庐江县和肥东县，三,四,五等地主要集中分布在肥东县、长丰县和庐江县。

(3)一,二等地主要是水田，地貌类型以平原、台地和平畈冲田为主，少数二等地存在黏磐层障碍层，灌溉排涝能力强。三,四等地地形部位主要是中坡地、平畈冲田和塝地为主，耕层质地主要是重壤和中壤，障碍层类型为黏磐层和砂砾层，灌排能力一般，土壤养分含量与一,二等地相比有所下降。五等地地形以陡坡地、中坡地和塝田为主，耕层质地主要是重壤和中壤，障碍层类型主要是黏磐层，少数是砂砾层，灌溉排涝能力较低，土壤养分含量低。

(4)合肥市耕地土壤有机质、有效磷和速效钾的平均含量分别为20.36g/kg,14.46mg/kg和102.19mg/kg，均处于中等水平。巢湖市的有机质平均含量最高，肥西县的有效磷和速效钾平均含量最高，庐江县有机质、有效磷、速效钾平均含量均最低。

(5)结合合肥市耕地地力的评价结果，分析影响地力的主导因素，合肥市耕地等级较低的地区耕地土壤养分含量一般，剖面发育不良，质地不佳，耕层薄，农田基础设施不配套。今后需要改良土壤物理性状，培肥地力，完善农田基础设施，扩大经济效益，改善耕地环境，减少污染，促进合肥市耕地资源的可持续利用。