基于GIS 的宜章县耕地质量等级评价

文 雯，罗林涛,2，杜金花，谢大声，凌宏辉，刘云华

（1.长安大学地球科学与资源学院，陕西 西安 710054；2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710082；3.桃源县自然资源局，湖南 常德 415700）

耕地是人类赖以生存的基本要素，在人类的生产生活中扮演着不可缺少的角色[1-2]。耕地的质量直接影响农作物的产质量，也关系着国家粮食安全问题[3]。我国人口众多，人均土地少，人均耕地更少，且耕地后备资源严重不足，这是我国土地资源的基本国情[4]。耕地质量等级调查与评价是国土调查的重要组成部分，是农业农村部统一部署耕地的必然要求[5-6]。近年来，众多学者对耕地质量评价标准进行了积极有益的探索。奉婷等[7]在耕地自然质量、利用条件、空间形态与生态安全4 个方面选取相关指标，根据最大相似性原理划分地块，分析了北京平谷区耕地质量状况；卫新东等[8]利用分区组合法和分层抽样法布设监控点，从省域上建立了陕西省耕地质量监测样点体系；何新莹等[9]应用指标权重确定（Criteria Importance Though Intercriteria Correlation，简称CRITIC）法改进灰靶评价模型，提出了一种三重质量维度下的县域耕地质量评价新方法，并以赤壁市的耕地为例进行了实证分析，研究结果与现有的耕地质量等级评价结果基本一致；汪甜甜等[10]利用层次分析法、特尔斐法及模糊评价等方法对耕地质量进行了综合性评价；刘露等[11]利用计量经济学模型和二元Logistic 回归模型对江苏省东海县3 个比例尺下的耕地质量分等结果差异进行了研究。本文以宜章县作为研究对象，依据GB/T33469—2016 建立2022 年宜章县耕地质量评价体系，确定了适用于县级的统一指标体系和等级划分标准，厘清了全县耕地质量等级的分布特征，为宜章县耕地质量的保育和提高提供了有效的数据和经验，为当地农业生产的稳定和可持续发展提供了理论依据。

宜章县位于112°37'35"～113°20'29"E，24°53'38"～25°41'53"N 之间，地处湖南省南端，南岭山脉中段，骑田岭南麓，现辖19 个乡镇级行政区。据《宜章县统计年鉴2021 年》土地总面积为2 117 km2，占郴州市面积的10.8%。宜章县背倚三湘四水，面向粤港澳，古称“楚粤之孔道”，今为湖南“南大门”，是典型的山区农业县[12-13]。湖南省农业农村厅综合考虑该县实际情况，结合《关于印发〈湖南省第三次国土调查耕地质量等级调查与评价实施方案〉的通知》（湘农办函〔2020〕67 号）文件的要求，在该县开展了耕地质量等级调查评价工作。这对该县的粮食安全、农业产业结构调整、耕地质量分类管理等具有重要的指导意义[14]。

1 数据来源及评价指标体系建立

1.1 数据来源

研究所用的数据来自于2022 年宜章县第三次国土调查耕地质量等级调查与评价的相关成果资料以及宜章县自然资源局。有效土层厚度、质地构型、障碍因素3 个因子主要根据湖南第二次土壤普查和2021—2022 年湖南省第三次国土大调查试点等各土壤类型剖面数据进行补充。属性数据库主要保存原始数据，主要是样点调查属性数据，包括历史样点和新增调查样点。依据该数据库，利用GIS 软件插值和区域统计派生两个应用数据库，即评价指标属性数据库和非评价指标空间数据库，前者需要导入到耕地资源管理信息系统进行等级评价，后者供出专题图使用。空间数据库用于耕地评价和制图，分为基础空间数据库和专题空间数据库。

1.2 评价指标建立

GB/T33469—2016 耕地质量等级 中对耕地质量等级划分进行了定义。耕地质量等级划分是从农业生产角度出发，通过综合指数法对耕地地力、土壤健康状况和田间基础设施构成的满足农产品持续产出和质量安全的能力进行评价划分出的等级。按照GB/T33469—2016 的标准，宜章县所属区域范围为长江中下游区南岭丘陵山地农林区。因此，该研究从宜章县耕地实际条件出发，在立地条件、理化性状、养分状况、农田管理、生态环境5 个准则层中遴选出对宜章县耕地质量有显著影响的因素；其中，在立地条件中选取地形部位；在土壤理化性状方面选取了耕层质地、质地构型、容重、酸碱度、障碍因素、有效土层厚度共6 个评价指标；在养分状况方面，选取了有机质含量、有效磷和速效钾共3 个评价指标；在农田管理方面选取了灌溉能力、排水能力共2 个评价指标；在生态环境方面选取了清洁程度、生物多样性、农田林网化共3 个评价指标；构建一套宜章县耕地质量等级评价的指标体系[12-13,15-16]。

2 耕地质量等级评价体系

2.1 评价单元的确定

评价单元利用土壤图、土地利用现状图、行政区划图叠置取交方法制作。评价完成后利用行政区划图的县域边界进行统计。其中，土壤类型划分到亚类，以耕地属性按耕地质量评价要求，参考亚类边界进行进一步分割，对于分割后的细碎图斑，再进行融合。最后利用ArcGIS 10.0 进行叠加分析、拓扑检查[17-18]。采用Excel 管理数据，采用SPSS 软件统计分析属性数据，最终汇总得到34 749 个评价单元。

2.2 评价指标权重确定

依据农业农村部印发《全国耕地质量等级评价指标体系》，按照基础性指标和区域补充性指标相结合的原则选定了各区域所辖二级农业区的评价指标，采用层次分析法确定评价区域耕地质量各指标的权重，明确了耕地质量等级划分指数，形成了宜章县耕地质量等级评价指标体系，如表1 所示。

表1 宜章县耕地质量等级评价指标权重

2.3 评价指标隶属函数与隶属度

隶属度是评价因子的观测值符合该模糊性概念的程度（即某评价因子在某观测值时对耕地质量的影响程度[19]），完全符合时隶属度为1，完全不符合时隶属度为0，部分符合时隶属度为0～1 之间的数值。

根据上述理论，可将各评价因子隶属函数模型归为数值型和概念型2 大类（表2 和表3）。数值型包括戒上型（有机质、速效钾、有效土层厚度、有效磷）和峰型（pH 值、土壤容重）；概念型主要包括地形部位、障碍因素、生物多样性、排水能力、灌溉能力、农田林网化程度、清洁程度、耕层质地和质地构型。对于概念型函数指标，由于其与耕地质量之间的非线性关系，只能通过历史经验、专家打分法[17]来对等级赋分，如表3 所示。耕地质量评价过程中需要采用GIS 对数值型指标进行插值，对于不符合指标特征的极值需要提前剔除，为了保证极值剔除的科学性、严谨性、统一性、标准化，需要根据不同指标的特征进行逐一修正[15,18]。

表2 数值型指标隶属度

表3 概念型函数指标隶属度

（1）戒上型函数模型：

式（1）中：yi第i 个因子的隶属度值，ui为样品实测值，ci为标准指标，ai为系数，ut为指标下限值。

（2）峰型函数模型：

式（2）中：yi第i个因子的隶属度值，ui为样品实测值，ci为标准指标，ai为系数，ut1、ut2为指标上、下限值。

2.4 耕地质量等级划分

采用累加法计算各单元的耕地质量指数（IFI）。

式（3）中：Fi表示第i个因子的指标隶属度，Ci表示第i个指标因子的组合权重值。根据上述公式计算得出等级划分标准，如表4 所示。

表4 耕地质量等级划分标准

3 结果与分析

3.1 宜章县耕地质量等级评价结果

3.1.1 总体评价根据上述评价方法，对宜章县耕地质量的评价结果如表5 所示。宜章县耕地总面积为29 528.11 hm2，四级地面积最大，为5 153.39 hm2，面积比例为17.45%；其次是三级地，面积为4 434.67 hm2，面积比例为15.02%；十等地面积最少，为1 182.50 hm2，面积比例为4.00%。应用累计频率曲线法，计算不同等级耕地面积，利用ArcGIS 10.0 软件生成耕地质量等级分布图，如图1 所示。

图1 宜章县耕地质量等级分布

表5 宜章县高中低产耕地质量等级情况统计

3.1.2 行政区域划分从表5 和图1 可以看出，宜章县高产耕地面积为9 198.88 hm2，占全县耕地的31.16%；高产耕地主要分布在天塘镇、黄沙镇、一六镇等区域，其中天塘镇高产耕地面积为1 020.24 hm2，占全县高产耕地的11.09%。中产耕地面积为12 867.98 hm2，占全县耕地的43.58%；中产耕地主要分布在玉溪镇、梅田镇、五岭镇等区域，其中玉溪镇中产耕地面积为1 599.99 hm2，占全县中产耕地的12.43%。低产耕地面积为7 461.25 hm2，占全县耕地的25.26%；低产耕地主要分布在天塘镇、笆篱镇、杨梅山镇等区域，其中天塘镇低产耕地面积827.01 hm2，占全县低产耕地的11.08%。从表5 中还可以看出，水田的质量等级中没有十级地，以高、中产田为主，高产水田面积为9 198.88 hm2，占全县水田面积的42.42%；低产水田面积分布较少，为2 230.68 hm2，占全县水田面积的10.28%。旱地的质量等级分布在四级地到十级地，其中低产旱地面积5 230.57 hm2，占全县耕地总面积的66.67%。

3.1.3 土壤养分划分对汇总的指标进行调整，参照第二次土壤普查标准（表6）将土壤养分划分为1～5 级。如表7 所示，宜章县高产地除有效磷外，其余养分指标平均值较高，土壤有机质、速效钾、pH 值等级主要分布在1 级，有效磷等级相对较低；中产地有机质含量较高，以1 级和2 级为主，有效磷、速效钾含量等级较多的分布在3～5 级质量水平，低于高产耕地，部分耕地存在酸化现象，pH 等级分布在4～5 级，土壤容重在理想范围内；低产地土壤养分状况相较于中高产地有所下降，土壤养分状况不均衡，需根据实际情况施用适当肥料改善低产田肥力水平。此外，低产田整体pH 值偏酸需加强治理。

表6 宜章县耕地理化性质分级标准

表7 宜章县高中低产耕地理化性质统计 （hm2）

3.1.4 耕层质地划分如表8 所示，宜章县高产耕地的土壤耕层质地以壤质为主，重壤面积分布最大，为4 810.76 hm2，其次是轻壤，面积为2 705.36 hm2，中壤面积分布相对较少，面积为278.05 hm2。此外，高产耕地有少量黏土，土壤容重在理想范围内，土壤通气状况良好，有利于土壤形成良好的结构。中产耕地整体偏黏重，45.83%的耕地土壤质地为重壤，28.03%的耕地土壤为黏土，中壤面积比率2.01%，土壤质地水平相对较差，土壤结构水平也相应的 下降。低产耕地较高中产耕地整体偏黏重，黏土面积比率达50.69%，重壤面积比率为34.91%，土壤质地水平相对最差，土壤结构水平也相应下降。

3.1.5 地形部位划分如表8 所示，从地形部位来看，高产耕地主要分布在丘陵下部，其次是山地坡下、丘陵中部，山地坡中的耕地分布较少；总体来看，宜章县高产耕地的立地条件好。相对于高产耕地，宜章县中产耕地的立地条件一般，中产耕地主要位于丘陵下部和丘陵中部。低产耕地主要分布在丘陵下部和山地坡中，而丘陵中部、山地坡下的低产耕地占比其次，山地坡上也有耕地分布，但主要是地产耕地。

3.1.6 基础设施划分灌溉及排水设施方面，高产耕地均较好，均为充分满足或满足，可加强维护，确保灌排沟渠畅通。与高产耕地相比，中产耕地的灌溉和排水能力有所下降，基本满足和不满足的比例均有提高。而相比于中高产耕地，低产耕地的灌溉能力则进一步下降，灌溉能力不满足的耕地面积达到63.92%，需完善灌溉设施。此外，仍有相当部分低产耕地的排水能力为不满足，排水设施可进一步改善。

3.1.7 障碍因素需要注意的是宜章县的中产耕地和低产耕地均存在障碍因素，其中16.51%的中产耕地和37.59%的低产耕地存在障碍因素。中产耕地和低产耕地障碍因素都以渍潜为主，面积分别为1 621.38 和1 233.43 hm2，分别占中低产耕地的12.61%和16.53%，瘠薄、酸化和障碍层次占比较低。

3.2 评价因子隶属度分析

宜章县各级各类耕地评价因子隶属度值如表9所示。15 个耕地评价因子中，隶属度均值小于0.7的是有效磷和灌溉能力2 个因子，隶属度均值在0.7～0.8 之间的有速效钾和地形部位2 个因子，清洁程度、有机质、障碍因素、有效土层厚度、土壤容重、农田林网化程度6 个因子的隶属度均值在0.9 以上，其他5 个因子隶属度均值在0.8～0.9 之间。

表9 宜章县各级耕地各类评价因子的隶属度

15 个因子中，除地形部位、质地构型、有效土层厚度、生物多样性、农田林网化程度、清洁程度等6 个因子不能或较难改变外，其他因子都可通过人工干预来改善因子状况，达到提升耕地质量的目的。总体上看，宜章县耕地质量评价指标中清洁程度、有机质、障碍因素、有效土层厚度、容重、农田林网化程度等6 个因子表现较优，后期需加强维护，而有效磷和灌溉能力2 个因子表现较差，亟待改善。

4 结论与建议

4.1 结 论

（1）按照耕地质量评价的技术路线，计算每个耕地评价单元的质量等级，并根据每个耕地评价单元的面积进行加权平均，得到宜章县耕地质量平均等级为4.91。

（2）宜章县高产耕地面积为9 198.88 hm2，占全县耕地的31.16%，主要分布在天塘镇、黄沙镇、一六镇等区域，其中天塘镇高产耕地面积1 020.24 hm2，占全县高产耕地的11.09%；中产耕地面积为12 867.98 hm2，占全县耕地的43.58%，主要分布在玉溪镇、梅田镇、五岭镇等区域，其中玉溪镇中产耕地面积1 599.99 hm2，占全县中产耕地的12.43%；低产耕地面积为7 461.26 hm2，占全县耕地的25.27%，主要分布在天塘镇、笆篱镇、杨梅山镇等区域，其中天塘镇低产耕地面积827.01 hm2，占全县低产耕地的11.08%。

（3）根据调查得到的数据制作的宜章县耕地质量等级图可以清楚直观地表现研究区各乡、镇耕地质量的空间分布情况，为宜章县耕地质量的保育和提高提供了有效的数据和经验，为当地农业生产的稳定和可持续发展提供了理论依据。

4.2 加强宜章县耕地质量保育的建议

4.2.1 加强高产耕地保育力度高产耕地评价因子中，清洁程度、有效土层厚度、障碍因素、农田林网化程度、耕层质地、有机质、容重、pH 值、生物多样性9 个因子的隶属度都大于0.9，表明在宜章县今后耕地保育工作的重点应该是注意防止耕地污染，加大对耕地耕作层和林网的保护，维护耕地生物多性，注意土壤培肥，防止土壤次生潜育化；排水能力、灌溉能力、质地构型3 个因子的隶属度均值在0.8～0.9 之间，表明宜章县后期耕地保育工作中应该注重完善农田排灌系统，提升耕地排灌能力，质地构型可以通过增施有机肥、种植绿肥加以调节；有效磷、速效钾、地形部位3 个因子的隶属度均值在0.7～0.8 之间，其中地形部位是不能人工的干预，而有效磷和速效钾可以通过推广有机肥改善土壤质地、合理使用磷肥保证作物磷肥供给、增施钾肥改善作物钾素供应等途径提升因子隶属度水平。

4.2.2 明确中产耕地的改良方略中产耕地评价因子中，清洁程度、有机质、障碍因素、有效土层厚度、农田林网化程度、容重、pH 值7 个因子的隶属度大于0.9，表明宜章县后期耕地保护工作中应该注意防止耕地污染，加大对耕地耕作层和农田林网的保护，科学施用有机肥，保持土壤有机质稳定，注意土壤培肥防止土壤次生潜育化；生物多样性、质地构型、耕层质地3 个因子的隶属度均值在0.8～0.9 之间，表明宜章县应大力推广绿肥种植，改善耕层质地，改良质地构型，防止过度使用农药、除草剂，维护耕地生物多样性；速效钾、有效磷、灌溉能力、排水能力、地形部位5 个因子的隶属度均值在0.8 以下，表明在后期耕地保护工作中应该合理增施磷肥和钾肥，以保证作物磷素和钾素的供给，加强农田灌排系统的修缮，提升灌排能力。

4.2.3 强化低产耕地质量提升措施低产耕地评价因子中，清洁程度、农田林网化程度、容重3 个因子的隶属度大于0.9，表明宜章县后期耕地保护工作中应该注意防止耕地污染，加大对农田林网的保护，推广施用有机肥，维护土壤容重；有效土层厚度、生物多样性、有机质、障碍因素、耕层质地和pH 值6 个指标的隶属度均值在0.8～0.9 之间，表明宜章县后期耕地保育工作中应该加强土壤酸化治理，加强病虫害生物防治，防止过度使用农药、除草剂，维护耕地生物多性，在耕地资源利用过程中注意对耕地耕层的保护，科学施用有机肥，保持土壤有机质稳定；速效钾、有效磷、排水能力、灌溉能力、质地构型、地形部位6 个因子的隶属度均值在0.8 以下，表明宜章县后期耕地改良工作中应该结合高标准农田建设等项目加大灌排渠道的建设力度，有效提升耕地灌排能力，合理增施磷肥和钾肥以保证作物磷素和钾素的供给，大力推广绿肥种植、增施有机肥，改良质地构型。