耕地地力评价原理与方法

一、耕地地力评价原理

(一)基本原理

耕地是土地的精华，是农业生产不可替代的重要生产资料，是保持社会和国民经济可持续发展的重要资源。保护耕地是我们的基本国策之一，因此，及时掌握耕地资源的数量、质量及其变化对于合理规划和利用耕地，切实保护耕地有十分重要的意义。在全面的野外调查和室内化验分析，获取大量耕地地力相关信息的基础上，进行了耕地地力综合评价，评价结果对于全面了解全市耕地地力的现状及问题、耕地资源的高效和可持续利用提供了重要的科学依据，为市域耕地地力综合评价提供了技术模式。

耕地地力评价大体可分为以产量为依据的耕地当前生产能力评价和以自然要素为主的生产潜力评价。本次耕地地力评价是指耕地用于一定方式下，在各种自然要素相互作用下所表现出来的潜在生产能力。

生产潜力评价又可分为以气候因素为主的潜力评价和以土壤因素为主的潜力评价。在一个较小的区域范围内(市域)，气候因素相对一致，耕地地力评价可以根据所在地的地形地貌、成土母质、土壤理化性状、农田基础设施等因素相互作用表现出来的综合特征，揭示耕地潜在生物生产力的高低。

耕地地力评价结果表达方法一:回归模型法

Y=b0+b1 x1+b2 x2+……+bn xm

式中:Y为单位面积产量;

　　xi为耕地自然属性(参评因素);

　　bi为该属性对耕地地力的贡献率(解多元回归方程求得)。可以根据地块参评因素直接估算确定地块产量，但在实际生产中，作物产量除与耕地自然要素有关外还与农民的技术水平、经济能力差异有直接关系。该表达方法理论上成立，实践中难以做到。

耕地地力评价结果表达方法二:参数法

IFI=b1 x1+b2 x2+……+bn xn

式中:IFI为耕地地力指数(integrate fertility index);

　　　xi为耕地自然属性(参评因素);

　　　bi为该属性对耕地地力的贡献率(层次分析方法或专家直接评估得到)。

根据IFI大小，不仅可以了解耕地地力的高低，而且可以直观的揭示影响耕地地力的障碍因素及其影响程度。采取合适的方法，可以将IFI数值与单位面积产量挂钩对接，更直观的反映耕地地力的高低。

(二)耕地地力评价原则

1.综合因素研究与主导因素分析相结合原则土地是一个自然经济综合体，是人们利用的对象，对土地质量的鉴定涉及自然、社会、经济多个方面，耕地地力也是各类要素的综合体现。所谓综合因素研究是指对地形地貌、土壤理化性状、相关社会经济因素之总体进行全面的分析、研究与评价，以全面了解耕地地力状况。主导因素是指对耕地地力起决定作用的、相对稳定的因子，在评价中要着重对其进行研究分析。因此，把综合因素与主导因素结合起来进行评价则可以对耕地地力做出科学准确的评定。

2.共性评价与专题研究相结合原则任丘市耕地利用存在菜地、果园、农田等多种类型，土壤理化性状、环境条件、管理水平等不一，因此耕地地力水平有较大的差异。考虑市域内耕地地力的系统性、可比性，针对不同的耕地利用等状况，选用的统一的共同的评价指标和标准，即耕地地力的评价不针对某一特定的利用类型。另一方面，为了解不同利用类型的耕地地力状况及其内部的差异情况，对有代表性的主要类型如蔬菜地等进行专题的深入研究。这样，共性的评价与专题研究相结合，使整个评价和研究具有更大的应用价值。

3.定量和定性相结合原则土地系统是一个复杂的灰色系统，定量和定性要素共存，相互作用，相互影响。因此，为了保证评价结果的客观合理，宜采用定量和定性评价相结合的方法。在总体上，为了保证评价结果的客观合理，尽量采用定量评价方法，对可定量化的评价因子如有机质等养分含量、土层厚度等按其数值参与计算，对非数量化的定性因子如土壤表层质地、土体构型等则进行量化处理，确定其相应的指数，并建立评价数据库，用计算机进行运算和处理，尽量避免人为随意性因素影响。在评价因素筛选、权重确定、评价标准、等级确定等评价过程中，尽量采用定量化的数学模型，在此基础上则充分运用人工智能和专家知识，对评价的中间过程和评价结果进行必要的定性调整，定量与定性相结合，选取的评价因素在时间序列上具有相对的稳定性，如土壤的质地、有机质含量等，从而保证了评价结果的准确合理，使评价的结果能够有较长的有效期。

4.采用GIS支持的自动化评价方法原则自动化、定量化的土地评价技术是当前土地评价的重要方向之一。近年来，随着计算机技术，特别是GIS技术在土地评价中的不断应用和发展，基于GIS的自动化评价方法已不断成熟，使土地评价的精度和效率大大提高。本次的耕地地力评价工作将通过数据库建立、评价模型及其与GIS空间叠加等分析模型的结合，实现了全数字化、自动化的评价流程，在一定的程度上代表了当前土地评价的最新技术方法。

(三)耕地地力评价指标

任丘市耕地地力评价，在全国的64项指标体系框架中，选取了包括土壤管理、土壤物理性状、土壤化学性状3大类共8个指标，建立了任丘市耕地地力评价指标体系(表2－2)。

表2－2　任丘市耕地地力评价指标体系

续表

二、耕地地力评价方法

(一)耕地地力评价技术流程

图2－1　耕地地力评价技术流程

(二)耕地地力评价方法

评价方法分为单因子指数法、综合指数法。单因素评价模型采用模糊评价法、层次分析法，综合指数评价模型用聚类分析法、累加模型法等。

1.模糊评价法模糊数学的概念与方法在农业系统数量化研究中得到广泛的应用。模糊子集、隶属函数与隶属度是模糊数学的三个重要概念。一个模糊性概念就是一个模糊子集，模糊子集A的取值自0→1中间的任一数值(包括两端的0与1)。隶属度是元素χ符合这个模糊性概念的程度。完全符合时隶属度为1，完全不符合时为0，部分符合即取0与1之间一个中间值。隶属函数μA (χ)是表示元素χi与隶属度μi之间的解析函数。根据隶属函数，对于每个χi都可以算出其对应的隶属度μi。

应用模糊子集、隶属函数与隶属度的概念，可以将农业系统中大量模糊性的定性概念转化为定量的表示。对不同类型的模糊子集，可以建立不同类型的隶属函数关系。

在这次土壤质量评价中，我们根据模糊数学的理论，将选定的评价指标与耕地生产能力的关系通过戒上型函数表示。也可以根据唯一差异原则，用田间试验的方法获得测试值与耕地生产能力的一组数据，用这组数据直接拟合隶属函数。

表2－3　任丘市要素类型及其隶属函数模型

2.单因素权重(层次分析法)层次分析方法的基本原理是把复杂问题中的各个因素按照相互之间的隶属关系排成从高到低的若干层次，根据对一定客观现实的判断就同一层次相对重要性相互比较的结果，决定层次各元素重要性先后次序。这一方法在耕地地力评价中主要用来确定参评因素的权重。

(三)耕地地力评价步骤

1.评价工作底图及其数据库的建立利用数据化的任丘市土壤图、土地利用现状图和基本农田保护图，借助MAPGIS空间分析模块进行叠加分析形成评价工作底图，并建立相应的图形及属性数据库。

2.评价指标因子的确定为做好任丘市耕地地力评价工作，经过研讨确定了评价指标的选取、量化以及评价方法。认为耕地地力主要受土壤管理、成土母质、土壤养分等多种因素的影响，不同土壤剖面类型、不同母质发育的土壤，耕地地力差异较大，各项指标对地力贡献的份额在不同地块也有较大的差别，并对每一个指标的名称、释义、量纲、上下限给出准确的定义并制定了规范。在全国64项指标体系框架中，选取了包括土壤管理、土壤物理性状及土壤化学性状3类8个指标，作为耕地地力评价指标体系(表2－2)。

3.评价因子隶属函数的确定评价因子对耕地地力的影响程度是一个模糊性概念问题，可以采用模糊数学理论和方法进行描述。根据模糊数学提出模糊子集、隶属函数和隶属度的概念，一个评价因子对耕地地力的影响即构成一个模糊子集A，模糊子集A的取值是0～1的任何数值(包括0和1)。隶属度是评价因素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地力的影响程度)，完全符合时为1，完全不符合时为隶属度0，部分符合时隶属度为0～1的任何数值。隶属函数则表示评价因素的观测值与隶属度之间的解析函数，根据评价因子的隶属函数，对某评价因子的观测值均可计算出其对应的隶属度。

根据上述理论，项目评价技术小组在深入分析诸评价因子对耕地地力影响规律的基础上，确定出各评价因子的隶属函数模型，主要包括戒上型、戒下型、峰型和概念型。

4.评价因子图及属性数据库的建立土壤养分状况(有机质、速效钾、有效磷)、土壤剖面性状、质地构型、土壤管理(灌溉能力、排涝能力、农田基础设施)因子均以数据化的任丘市耕地地力调查与评价工作底图为基础，根据样点的土种类型及其代表的面积范围，遵循地形地貌相同、土种类型相同且与样点距离最短的原则对工作底图的图斑进行必要的归并细分，制作出各评价因子图，然后通过人机对话输入各单元上述评价因子相应的分析测试资料和野外实地调查资料，建立上述评价因子的图形和属性数据库。

5.评价单元图及其数据库的建立借助MAPGIS的空间分析模块，将各评价因子图两两叠加形成最小图斑作为评价单元，并自动建立评价单元图形和属性数据库。任丘市共选用采样点1628个，划分评价单元1500个。

6、确定评价因子的权重根据《实施方案》要求，任丘市耕地地力评价采用层次分析法(AHP)确定各评价因子的权重。AHP法是将复杂问题的各个因素通过划分相互联系的有序层次使之条理化，再根据同决策者的对话，较客观的判断给每一层次各因素相对重要性的定量表示，确定出每一层次各因素相对重要性的权重值，各评价因子的权重采用农业部“耕地资源管理信息系统”软件的层次分析法模块进行计算。

(1)建立层次结构。耕地地力的层次结构可由3个层次构成，即目标层(A)、准则层(B)和指标层(C)。目标层(A)即耕地地力的高低，准则层(B)即耕地地力的系列构成要素(如土壤管理、土壤物理性状和土壤理化性状等要素)，指标层(C)即每一构成要素的若干评价指标(即评价因子)，由耕地地力A、构成因素B和评价因子C之间构成层次关系如下。

构造层次模型

(2)建立比较矩阵。由项目顾问组在对目标层与准则层之间进行相关性分析的基础上，采用特尔菲法分别就土壤管理、土壤物理性状和土壤理化性状等要素之间相对耕地地力的重要性做出判断，即由专家通过构成要素之间相对耕地地力重要性的两两比较进行经验赋值，然后将各专家的经验赋值取平均值，从而获得准则层对于目标层的比较矩阵。在进行构成要素之间的两两比较时，按从重要到次要的顺序赋值(表2－4)。

表2－4　准则层对于目标层的判别矩阵

同理，通过专家对评价指标之间相对准则层重要性的两两比较进行经验赋值，将各专家的经验赋值取平均值，即可分别获得指标层对于准则层的比较矩阵(表2－5至表2－7)。

表2－5　指标层对于准则层土壤管理的判别矩阵

表2－6　指标层对于准则层土壤物理性状的判别矩阵

表2－7　指标层对于准则层土壤化学性状的判别矩阵

(3)各层次要素权重系数的计算。层次分析的目的是确定各层次要素的权重系数Wi，在比较矩阵中计算出其最大的特征值λmax，则规范化后的特征向量W即为权重系数。

A·W=λmax·W

式中:A为判断矩阵;

λmax为A的最大特征值;

W为对应于λmax的正规化特征向量。

(4)可信度检验。通常采用一致性检验的方法对计算结果的可信度进行经验，检验公式为:

C.I=(λmax－n)/n－1C.R=C.I/R.I

式中:C.I为判断矩阵的一致性;

　　C.R为判断矩阵的随机一致性;

　　R.I为平均随机一致性指标。

一般认为C.R＜0.1时，判断矩阵具有满意的一致性，计算结果是可信的。任丘市耕地地力构成要素层次分析法计算结果的可信度检验表明，各层次要素计算结果的C.R值均小于0.1，故计算结果都是可信的(表2－8)。

层次分析报告

模型名称:任丘耕地地力评价层次

计算时间:2011－12－17 11:32:47

构造层次模型

表2－8　层次分析结果表

本报告由县域耕地资源管理信息系统V3.2分析提供

(5)任丘市耕地地力要素层次单排序和总排序。检验合格的正规化特征向量W=［W1，W2，W3，…Wn］T(即权向量)的各个分量Wi即为对于评价层次相对上一层的权重值，根据权重值的大小对任丘市耕地地力要素层次进行单排序，建立各层次权向量W的层次单排序向量X=［X1，X2，…，Xn］。

层次总排序即计算指标层C相当于目标层A的相对重要性排序权重值，实际是各层次上层次单排序权重值

7.评价单元属性数据的标准化利用所建立的戒下型评价因子的隶属函数经验公式即概念型评价因子隶属度的专家评语，对各评价单元的诸评价因子属性数据进行标准化，转化为隶属度数值。

8.计算每个评价单元的总和地力指数采用加权指数和法计算每个评价单元的综合地力指数，计算公式为:

Y=Σai·Xi

式中:Y为评价单元的综合地力指数;

　　ai为第i个评价因子的权重;

　　Xi为第i个评价因子的得分值。

9.耕地地力等级评价利用“耕地资源管理信息系统”的耕地地力等级评价模块进行任丘市耕地地力等级评价，采用累加法制作耕地综合地力指数分布曲线图，分析综合地力指数的分布规律，根据分布曲线的明显转折点确定任丘市耕地综合地力指数的分级方案和耕地地力等级的划分标准。

10.确定评价单元的限制型参照《全国中低产类型划分与改良技术规范》，联系河北省耕地实际，由项目顾问组采用特尔菲法建立河北省耕地中低产田限制型指标体系。

11.归入农业部地力等级体系利用耕地地力调查样点的近三年粮食单产的平均值作为该样点所在评价单元的产量指标，参照农业部确定的耕地地力等级划分指标，将任丘市耕地地力等级归入全国农业部确定的等级体系。

12.面积统计汇总以基本农田保护块面积为控制，进行耕地地力等级面积统计，以乡镇为单位进行面积汇总。

13.评价成果图编辑输出对评价成果图进行编辑修饰，输出耕地地力评价系列成果图，包括任丘市耕地地力现状图、任丘市耕地土壤类型图、任丘市基本农田保护区图、任丘市耕地地力评价因子图、任丘市耕地地力等级图。