土地资源生产力评价及粮食生产潜力估算_以长清县为例

1、地球信息科学GEO - IN FO RM A T ION SC IEN C E第 2 期2001 年 07 月N o 12J u ly, 2001土地资源生产力评价及粮食生产潜力估算以长清县为例侯西勇孙希华(山东师范大学 人口·资源与环境学院, 济南, 250014)摘要: 以济南市长清县为例, 利用 G IS 技术和遥感技术, 从综合肥力的观点出发, 科学地考虑影响土地生产力水平的多种因素, 确定合理的数学模型, 对土地生产力水平进行定量化评价计算。 在此基础上对土地资源进行分等定 级研究和粮食生产潜力的计算, 计算结果精确到 30m ×30m 的像元分布数据。关键词:

2、土地生产力 综合评价指数 耕地生产潜力中国人口众多, 资源有限, 特别是耕地资源十分短缺, 人均占有量仅为世界平均水平的 29% 1 , 而 且随着社会经济的高速发展, 耕地资源总量逐渐减少。因此, 利用先进的技术, 立足于县级中小区域, 对土地生产力水平和生产潜力进行评价和科学的分等 定级, 这将有助于合理利用和保护耕地资源, 促进粮 食生产的持续增长。这对人口、土地及粮食问题解决途径是有益的探讨。则的基础上, 选取如下评价指标体系2 :土壤化学条件 ( F ) : 包括土壤有机质含量( F 1 )、土壤速效磷含量 (F 2 )、土壤速效钾含量 (F 3 )、土壤全氮含量(F 4 ) ;土壤

3、物理条件: 包括土壤机械构成 (Q )、土壤 有效厚度 (T )、地面坡度 (G ) ;生态条件:包括土壤酸碱度 (p H )、光热条件( P : 0积温分布)、水分供应能力 ( 地形的高程E )。(2) 单因素贡献函数。确定各指标参数对土地生 产力的定量化贡献函数是采用数量化方法对土地生 产力进行综合评价和计算的基本前提, 会直接决定 综合评价的科学性、可行性与合理性, 以及研究成果是否具有应用价值。 在参阅国内外有关文献的基础上, 确立了如表1 所示的单因素贡献函数2 。( 3) 土地生产力综合评价指数 (P I ) 模型。 参照 联合国粮农组织 1971 年提出的土地生产力指数模型, 取

4、 10 个单因素的几何平均值:土地资源生产力水平评价1土地 (资源) 生产力主要反映土地的自然属性,由土壤物理、化学和生态环境三方面所决定。而每一 方面又包括多个要素, 它们相互作用、相互影响, 共 同构成土地生产力这个开放的巨系统。因此, 评价方 案的科学性与评价技术手段的先进性将是客观反映 土地生产力水平本质特征及其空间分布规律的保证。1. 1土地生产力评价方案10P I =F 1 r F 2 r F 3 r F 4 r p H r Q r T r P r E r G评价指标体系的选取、单要素定量化贡献函数以及综合评价模型的确定是土地生产力评价方案的 重要内容和关键问题, 直接影响到评价的

5、科学性和 计算结果的准确性。(1) 评价指标体系。为了科学地评定土地生产力 水平, 在遵循综合性、主导性、可比性与科学性等原式中 P I 表示土地生产力综合评价指数。 P I 越大,土地质量越高, 反之, 土地质量则越差; P I 指数的分 布规律反映土地生产力水平的空间差异性。 因此,P I 指数的大小可以作为土地质量等级的划分标准,从而对土地资源进行分等定级研究。 另一方面, P I山东省教育厅研究课题(J 99E 02) 作者简介: 侯西勇, 1976 出生, 1998 获理学学士学位, 现于山东师范大学地理系攻读硕士学位。表 1 土地生产力自然评价指标体系及贡献函数f F 0 (f &

6、lt; F 0)| p H - 7|1-( 5< p H < 9)( t< 100cm )t1000. 2( 300m < e500m )件对扫描得到的栅格图像文件和 TM100000) 进行矢量化信息提取;遥感影像 ( 11. 2评价的方法与技术属性数据录入: 确定好各个评价因素原始数据的编码体系, 利用 A R C IN FO 软件的 DBM S 建 立原始属性数据库;空间数据与属性数据匹配连接: 建立空间拓 扑关系, 检验空间数据与属性数据录入的准确性与一致性;每个评价因素对应一个矢量化专题图层, 对 各个图层的坐标系、单位和比例尺等进行一致性检 验和归一化处理;

7、利用A rcV iew 软件的空间分析功能, 按照表1 中的单因素贡献函数对各个单因素专题图层数据 进行计算和处理, 得到可以直接按照“土地生产力综 合评价指数”模型进行多图层叠加计算的单因素数 据(空间数据和属性数据) 库。经过上述处理, 进行综合评价所需的单要素“空 间·属性一体化数据库”建立完毕3 。( 3) 评价模型的计算。 利用 G IS 软件空间分析 功能, 以“空间·属性一体化数据库”为基础, 按照进行土地生产力水平的评价研究, 传统方法费时费力, 而且成果质量低。 如何应用 G IS 技术和遥 感技术进行高精度研究计算, 是有待探讨的新方法和新技术。本文利用

8、 TM 遥感影像和专题地图等资料, 根 据 G IS 技术的特点和土地生产力的评价方案, 确定 图 1 所示的研究方法和工作过程。(1) 数据收集。 根据土地生产力的评价方案, 收 集长清县的以下相关数据和资料: 1998 年遥感影 像、土地利用现状图、行政区划图; 各个评价因素 的专题地图、统计资料; 社会、经济、人口、劳动力、 农业技术应用等方面的统计数据和文献资料。(2) 建立数据库。 其主要步骤有:图件扫描: 用扫描仪扫描地形图、专题地图、 土地利用类型图、行政区划图等图件, 并存贮为T IF、J P E G 等栅格数据类型的图像文件;空间数据数字化录入: 利用 A R C IN FO

9、 软评价指标贡 献 函 数函 数 说 明土壤养分 F1 (f F 0)(f ) =F 0 为各养分的丰值: 有机质 F 0 = 1. 5% , 速效磷 F 0 =15ppm , 全氮 F 0 = 0. 1% , 速效钾 F 0 = 70ppm ; f 为各养 分的实际含量。土壤酸碱性 pH0 (p H 5, p H f 9)(p H ) = 2土壤酸碱度大于 9 或小于 5, 作物较难生长。土壤机械组成Q(Q ) = 1- |Q - 25|100- 25Q 为直径小于 0. 01mm 物理颗粒含量。 经验表明, Q 在25% 左右为最佳土壤机械组成。土壤有效厚度 T1 ( t100cm )(f

10、 ) =t 为土壤有效厚度, 100cm 为最佳土层厚度底限。光热条件 P( 0积温)1 (p 5300)(p ) = (p - 4800) 500 ( 4800p < 5300)0 (p < 4800)p 是0积温分布, 5300为农作物最佳生长底限,4800为小麦杂粮( 玉米晚熟种) 复种的最低热量界限水分供应能力 E1 (e100m )0. 6 ( 100m < e300m )(e) =0 (e> 500m )e 是地形的高程, 它影响水的再分配和灌溉保证率。地面坡度 G1 (g 7°)(g ) = 1- 2. 35. sin (g - 7) ( 7&#

11、176;< g < 25°)0 (g 25°)g 为地面坡度, g 7°为最佳可耕地, g 25°不可用于耕 地。·62·地 球 信息 科 学2001 年 07 月P I 指数的数学模型进行多图层数据的叠加计算, 得到土地生产力综合评价指数像元分布数据。 分析计 算结果, 进行模型合理性检验, 如有必要, 对模型进科学性, 在全县 613 个自然村中取出 40 个具有代表性的村庄作为样本, 利用 G IS 软件的统计分析功 能, 求出扣除非耕地的全村平均 P I 数值; 然后利用 SY STA T 数学统计分析软件对样村的

12、 P I 指数和多 年平均粮食单产量 (Y ) 进行相关性分析:线性函数: Y = 2168. 2873 P I - 613. 063; 相关性系数: R = 0. 981;表明 P I 指数与多年平均粮食单产量之间为高 度正相关, 计算结果能够科学合理地反映土地生产力水平。( 2) 评价指数特征分析及土地分级。 利用 G IS软件的统计分析得出: 全县 P I 指数的最大值为 0.9034, 最小值为 0. 2975, 平均值为 0. 5954; 生产力水 平在平均值之上的土地占全县总面积的 54. 26% 。P I 指数在空间分布上具有如下特征: 长清县西 北部平原地区 P I 指数水平明

13、显高于东南部山丘区和沿黄风沙区。 这表明西北部平原区土地生产力水平比较高, 与农业生产高产稳产区的现实地位相吻 合; 而山地丘陵区和沿黄区由于农业生产限制性因 素众多、限制性较强, 所以农业生产发展水平相对较 低。根据 P I 指数像元分布数据, 建立合理的土地 生产力等级划分方案, 对长清县土地分等定级, 并对 分级情况进行统计 (表 2)。总之, 上述属性数据统计与空间数据分析以及 土地等级划分的结果表明: 长清县土地生产力水平为中等偏上, 总体上比较理想, 但是空间分布很不均匀。因此, 从区域可持续发展角度出发, 应因地制宜,大力发展不同自然区各具特色的综合型农业经济。行调整并重新计算。

14、研究过程中 110 万的 TM遥感影像发挥了重要的作用, 其分辨率为 30m ×30m 。为保持一致, P I 指数的计算结果也精确到 30m ×30m 分辨率的像元分布数据。图 1 土地生产力评价技术路线图( 4) 土地生产力空间分布规律研究及土地等级划分。 根据 P I 指数像元分布数据, 分析长清县土地 生产力的空间分布规律, 确定土地生产力分级标准,对全县土地进行分等定级和土地资源适宜性评价研 究。长清县耕地生产潜力估算2耕地资源生产潜力是粮食生产研究的重要组成部分, 是土地资源承载力问题研究的先决条件和基 础。1. 3土地生产力综合评价指数计算结果分析2. 1理论

15、基础与计算方法土地生产力综合评价指数(P I) 的计算方法符合综合肥力的观点, 数据来源可靠, 计算过程严格细 致, 而且计算结果精度高。 因此 P I 计算结果能够科学地反映土地生产力水平; 同时, 也客观真实地反映了土地在农业生产上的限制性。(1) 评价指数科学性检验。为了检验评价结果的“机制法”(又称逆向限制因子修正法) 具有严密的理论基础和公式推导, 在计算耕地资源生产潜力 的诸多方法和公式中, 是应用最为广泛的。该方法黄秉维先生依据作物生产力形成的机理, 考虑光、温、水、土等自然生态因子以及施肥、耕作、育种、灌溉等农业技术因子, 从作物对光的利用, 特别是光合作用式表达如下4 :Y

16、G = Q r f (Q ) r f (T ) r f (W ) r f (S ) r f (M )2. 2光合生产潜力的计算光合生产潜力是农作物产量形成的基础。 如果植物叶片周围 CO 2 浓度正常, 温度条件适宜, 水分 供应充足, 土壤养分供应充分, 太阳辐射能被植物充 分利用, 一部分变为物化能, 贮存于光合产物中。 研 究表明, 光合产物占植物干重的 90% 左右。 除去呼 吸作用中碳水化合物损失等因素影响后, 最终所构 成的干物质量可以看成是最大的可能总生产量, 称 为光合潜力。它是理想条件下作物产量的上限, 是一=Y Q r f (T ) r f (W ) r f (S ) r

17、f (M )Y T r f (W ) r f (S ) r f (M )YW r f (S ) r f (M )Y S r f (M )YM式中: Q 为太阳总辐射量; f (Q ) 是光合有效系数; f (T )是温度有效系数; f (W ) 为水分有效系数; f (S ) 是土壤 有效系数; f (M ) 是社会有效系数; Y G 是粮食生产潜 力; Y Q 是光合生产潜力; Y T 是光温生产潜力; YW 是5个理论值。 其数学模型及简化公式分别如下 :表 2 土地分级结果统计表物生产潜力。光是作物进行物质生产的能量基础, 它在温度、水分、土壤以及人为因素等综合作用下而发 挥作用。如果没

18、有合适的温度, 光能生产潜力就难以发挥, 温度低于作物的生物学下限或高于上限, 光合产物都会接近于零。所以光温潜力是指当水分、土壤 肥力和农业技术措施等因素都处于最佳状态时, 由 太阳辐射和温度所决定的作物产量。温度有效系数 f (T ) 依据, 无霜期与作物可能的 生长季密切相关的理论基础来确定5 , 其物理意义和生物学意义比较明确, 能够很好地表示温度条件。因此, 可以用如下物理模型表示温度有效系数: f (T )= n 365; 其中 n 是研究区无霜期日数。 长清县多年平均无霜期为 215 天, 所以通过计算得到长清县光温生产潜力为 4524. 6k g 亩。(该计 算方式、计算结果对

19、普通塑料大棚、高温塑料大棚不加考虑, 后文中均直接引用该计算结果; 如果考虑,则另论。)t2 Q P ( t) r F ( t) K 3 A 3tY Q =H ) d t;C r (1 - B ) r (1 -1666. 7 × 104× F ×QY Q =C × 1000式中 K 是单位换算系数; A 是经济系数; Q P 是光合有效辐射; F 是最大光能利用率 ( 最大理论值为 15.68 ) ; C 是干物质发热量; B 是植物体含水率; H 是含灰分率。Y Q 的单位是 k g 亩; 666. 7×104 是一 亩耕地有多少平方厘米;

20、C 是干物质发热量, 即能量转换系数, 用 1 克干物质所结合的化学能来表示, 多数作物的平均值为 4.25 千卡克; F 是光能利用率是太阳总辐射, 单位是千卡( 在此取 3.92% ) ; Qcm 2; 1000 是 1 千克等于多少克的换算数。将以上数值代入得: Y Q = 62. 7483 Q 。 黄秉维先生修正后的 公式为: Y Q = 61. 53 Q 。长清县多年平均太阳辐射总量为 124. 9 千卡cm 2 , 本文采用 Y Q = 61. 53 Q 进行 计算, 得到长清县光合生产潜力为 7681. 4 千克亩。2. 4气候生产潜力的计算2. 3光温生产潜力的计算气候生产潜力

21、 ( 光温水生产潜力) , 是光温生产潜力 Y T 受水分条件 f (w ) 限制而衰减后的作物生 产潜力, 也就是土壤肥力和农业技术措施等因素处光温生产潜力是在光合生产潜力 Y Q 的基础上, 经过温度有效系数 f (T ) 进行“衰减”后形成的作土 地 等 级 项目极差差等较差中等较高高等合计综合评价指数< 0. 400. 40 0. 500. 50 0. 600. 60 0. 700. 70 0. 80> 0. 80面积(km 2)61. 85216. 79285. 11409. 46209. 4126. 571209. 19面积比( % )5. 1117. 9323. 58

22、33. 8617. 322. 20100. 00·64·地 球 信息 科 学2001 年 07 月于最佳状态, 由太阳辐射、温度和水分等气候资源因素所确定的作物产量上限。 在作物的光合作用过程 中, 水分也是十分重要的。光合作用生成的碳水化合 物, 本身就含有水分, 光合作用过程中, 为维持其生 理机能, 必须通过根系吸收大量的水分, 同时也通过叶面蒸腾掉大量的水分。在农业气候学中, 湿润系数是常用的水分供应 指标, 并常被用作水分有效系数来对光温生产潜力 进行订正。它有多种定义和公式, 朱志辉等认为如果 将降水进行人为的合理分配, 并根据不同情况选择 旱生与湿生植物, 则

23、对理想状况下气候生产潜力的 估算可用降水量 ( r) 与蒸发力 ( E 0 ) 的比值来对光温 生产潜力进行订正5 :要了。特别是近年来, 气候干旱缺水已经严重地制约了粮食的进一步增产。 因此在土地生产潜力计算的 基础上, 引入灌溉有效系数 f (m ) ( 各个村庄有效灌溉面积与耕地总面积的比值) 来对土地生产潜力进行订正, 最终得到土地社会生产潜力像元分布数据。 对计算结果进行统计分析, 得到长清县平均的社会生产潜力为 713. 8k g 亩, 像元最大值、最小值 分别为 1614. 2k g 亩、201. 8k g 亩。2. 7各级生产潜力计算结果分析对比分析目前实际产量与各级生产潜力之

24、间的大小关系, 能够直观地反映出长清县土地资源生产 潜力的水平。长清县 1996、1997、1998 三个年份的粮食单产( r < E 0 )f (w ) = rE 0分别为: 373.56k g 亩、361. 20k g 亩和 384. 21k g 长清县多年平均降水量 r 为 644. 4mm , 蒸发力 E 0为 1399. 7mm 。 通过计算得到长清县气候生产潜力 为 2083. 1k g 亩。亩, 反映了长清县目前的粮食生产水平。三年间粮食产量的平均值为 372. 99k g 亩, 分别是光合生产潜 力的 4. 86 、光温生产潜力的 8. 24 、气候生产潜 力的 17.

25、91 、土地生产潜力平均值的 30. 07 、社 会生产潜力平均值的 52. 25 。以上数字表明: 长清县土地资源生产潜力比较 理想, 农业发展前景良好。通过大力提高农业科技水 平, 充分发挥土地资源潜在优势, 积极克服各种限制 性因素等措施可以使粮食生产水平不断地提高。2. 5土地生产潜力的计算土地生产潜力是在气候生产潜力 YW基础上,经过土壤有效系数 f (s“) 衰减”后形成的, 因为无论土壤综合条件多么优越, 都会或多或少地限制气候 生产潜力的充分发挥。土壤有效系数决定于土地的自然属性, 主要包 括生态因子与土壤因子, 因此该系数的确定必须充 分考虑生态与土壤的各个方面。 土地生产力

26、综合评价指数 (P I) 实际上就是对土地自然属性的科学评 价, 所以可以作为土壤有效系数。 由于 P I 指数已经 精确到 30m ×30m 的像元数据, 所以用其对气候生产潜力进行订正后将得到同样精度的土地生产潜力像元分布数据。经过计算, 统计分析得到长清县平均土地生产结语3通过地理信息系统的土地生产力评价和生产潜力研究认为:( 1) 形成了比较完整的土地资源质量评价指标 体系, 丰富并优化了土地质量评价、生产潜力计算的 方法和模型。潜力为 1240.3k g 亩, 像元最大值、最小值分别为( 2) 借助 G IS评价土地生产力水平和计算耕地1881. 87k g 亩、619.

27、72k g 亩。生产潜力, 可以全面综合地考虑各种影响因素, 并能够快速有效地进行计算和分析。 土地生产力综合评 价指数、耕地生产潜力等数据的计算结果精确到30m ×30m (合 1. 35 亩) 的像元分布数据, 范围小, 精 度高, 推广应用价值大, 可以直接指导农业生产和规划。( 3) 采用土地资源生产力综合评价指数 P I 作 为修正系数进行土地生产潜力的估算; 以及有效灌 溉系数作为修正系数进一步计算社会生产潜力, 具 有现实指导意义。2. 6社会生产潜力的计算光合潜力、光温潜力、气候潜力及土地生产潜力都是对土地在自然生态条件下进行的计算, 并没有 进一步考虑人类活动等社会

28、经济因素对作物生长的 影响。长清县属于暖温带大陆性半湿润季风气候, 干 旱缺水是农业生产的重要制约因素, 农作物的生长 以及产量高低主要决定于人为的灌溉作用, 特别是 长清县山地丘陵区的坡式梯田, 灌溉条件就更为重参考文献和较高等; 而山地丘陵区和沿黄滩区农业生产限制性因素众多、限制性较强, 土地质量等级较差, 是农 业生产重点改造区。(5) 全县 P I 指数平均值为 0. 5954, 整体水平比 较理想; 土地生产潜力和社会生产潜力平均值分别为 1240. 3k g 亩、713. 8k g 亩, 远远大于目前粮食单 产量 372. 99k g 亩的水平。总之, 长清县农业发展前景广阔。计算

29、表明, 土地资源生产力综合评价指数 P I 与 实际产量高度相关, 据此, 可选取标准地块, 定准基 准价, 进行土地资源的分等定级和估价工作, 是一有李晶宜. 中国农业资源的可持续利用. 中国人口·资源与环境. 1998, 8 (4) : 11 15陶永铁. 土地资源评价与后备资源开发研究. 区域可持续 发展决策支持系统研究. 北京: 宇航出版社, 1995 党安荣、周艺等. 地理信息系统支持下的中国耕地面积空 间变化研究. 中国人口·资源与环境. 1998, 8 (4) : 45 50 党安荣、周艺等. 地理信息系统支持下的中国粮食生产潜 力研究. 遥感学报. 1999, 3 (3) : 225 229欧阳海等. 农业气候学. 北京: 气象出版社, 199012345Eva lua t ion on L an d Fer t il ity an d Com puta t ion ofCult iva ted L an d Po ten t ia l Produc t iv ityIllustra ted by the exam p le of Chan gq in g coun tyH o u X iyo n gSu n X ih u