（土壤学专业论文）基于dem的大同市土地生产潜力网格数据的生成与评价.pdf

摘要 如何对地貌类型多样化的区域土地生产潜力评价并生成网格数据，建立合理的评价模型是 区域农业生产、生态环境保护和水土资源可持续利用的重要基础性研究工作。 研究区大同的山地、丘陵面积约为其国土总面积的6 1 ，由于山区具有复杂的地形条件， 从而引起了日照条件、太阳辐射、温度、降水等生态环境因子复杂的时空变异，这些生态因子 引起了热量和水分的差异，直接决定着大同土地生产力的高低。将这些生态环境因子时空定革 化，并生成网格数据，在此基础上进行土地生产潜力评价，是本研究亟待解决的问题。本研究 以g i s 软件为工具，基于数字高程模型d e m 对大同农业用地进行生产潜力网格数据的生成与 评价。从建立山区生态环境因子时空分布模型入手，在复杂地形条件下生成日照时数、太阳辐 射、温度、降水与参照作物蒸散量等生态环境因子的网格数据，在此基础上利用联合国粮农组 织( f a o ) 的a e z 评价模型进一步模拟研究区农作物( 以春小麦、玉米、高梁为例) 的生产潜 力。结果表明研究区农业用地生产潜力受地形、降水量、土地质量限制作用明显，从而表明了 研究区应优化种植制度，加大水利建设，建立合理灌溉制度、改良土地质量的必要性。所以本 研究不仅对多山地、丘陵地区进行土地评价有重要的参考价值，对大同农业生产与区域可持续 发展也具有重要的指导意义。 关键词：地理信息系统、土地生产潜力评价、数字高程模型、生态区域法、栅格数据 a b s t r a c t h o wt oe v a l u a t et h ep o t e n t i a ll a n dp r o d u c t i v i t yi na r e aw i t hd i v e r s i f i e dp h y s i o g n o m yt y p e s ，a n d h o wt og e n e r a t eg d d d e dd a t a s e t sw i mt h eo b j e c t i v eo fe s t a b l i s h i n gas o u n d d e v e l o p e de v a l u a t i o n m o d e la r ei m p o r t a n ta n df u n d a m e n t a lw o r kf o rs t u d y i n ga g r i c u l t u r ep r o d u c t i o n ，e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o na n dt h es u s t a i n a b l eu s eo f w a t e ra n ds o i lr e s o u r c e sa tr e g i o n a ls c a l e t h em o u n t a i n sa n dh i l l sc o v e ra p p r o x i m a t e l y6 0 o fi t st o t a ll a n da r e a si nd a t o n g t h ec o m p l e x t e r r a i nc o n d i t i o n sc h a r a c t e r i z e db ym o u n t a i n o u sr e g i o n si n d u c e dh i g hs p a t i o t e m p o r a lv a r i a t i o n so n s u c he c o - - e n v i m n m e n t a lv a r i a b l e sa ss u n s h i n eh o u r s ，s o l a rr a d i a t i o n s ，t e m p e r a t u r e sa sw e l la s p r e c i p i t a t i o n s t h ev a r i a t i o n so f t h e s ev a r i a b l e sr e s u l ti nh i g h l yd i f f e r e dc o n d i t i o n si nh e a ta n dw a t e r , w h i c hw i l ld i r e c t l yd e t e r m i n et h ep o t e n t i a ll a n dp r o d u c t i v i t yi nd a t o n g q u a n t i f i c a t i o no ft h e s e e c o - - e n v i r o r t m e n tv a r i a b l e si ns p a c ea n dt i m ed o m a i n s ，a n dt h eg e n e r a t i o no f g r i d d i z e dd a t a s e t sw i t h t h eo b j e c t i v eo fc a r r y i n go u tp o t e n t i a ll a n dp r o d u c t i v i t ye v a l u a t i o n sa r et h em a i nr e s e a r c hq u e s t i o n s n e e d sa d d r e s s i n gi nt h et h e s i s t h et h e s i si sb a s e do nad e m d e r i v e da p p r o a c ht og e n e r a t et h eg r i d d e dd a t a s e t sa n dp e r f o r m p o t e n t i a ll a n dp r o d u c t i v i t ya n a l y s i so na 鲥c u l t m a ll a n d si nd a t o n g ，u s i n gg i sa s am a i nr e s e a r c ht 0 0 1 t h er e s e a r c hs t a r t e df r o me s t a b l i s h i n gt h ed i s t r i b u t e ds p a t i o - t e m p o r a im o d e lo ne c o e n v i r o n m e n t a l v a r i a b l e si nm o u n t a i n o u sa r e a si nd a t o n g t h eg d d d e dd a t a s e t so f t h e s ev a r i a b l e su n d e rt h ec o n d i t i o n s o fc o m p l e xt e r r a i n ss u c ha ss u n s h i n eh o u r s ，s o l a rr a d i a t i o n s ，t e m p e r a t u r e s ，p r e e i p a t i o n sa sw e l la s c r o pr e f e r e n c ee v a p o t r a n s p i r a t i o n sw e r eg e n e r a t e d p r o c e e d i n gf r o mt h i s ，t h ef a o - a e za p p r o a c hi s a d o p t e dt os i m u l a t et h ep o t e n t i a lp r o d u c t i v i t yi nc r o p sl i k es p r i n gw h e a t ，m a i z ea n ds o r g h u m ，t h e r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h es i g n i f i c a n tc o n s t r a i n t si m p o s e db yf a c t o r sl i k et e r r a i n s ，p r e c i p i t a t i o n sa sw e l l a sl a n dq u a l i t i e s ，t h u ss h o w i n gt h en e c e s s i t yo fo p t i m i z i n gc r o p p i n gp a t t e r n s ，r e i n f o r c i n ga g r i c u l t u r a l w a t e ri n f r a s t r u c t u r e ，e s t a b l i s h i n ga p p r o p r i a t ei r r i g a t i o ns y s t e m ，m a di m p r o v i n gs o i lq u a l i t i e si nt h e s t u d i e da r e a s t h e r e f o r e t h er e s u l t sr e l e a s e df r o mt h er e s e a r c hw i l ln o to n l yo f f e rv a l u a b l er e f e r e n c e s f o rl a n d u s ee v a l u a t i o n si nc o m p a r a b l em o u n t a i n o u sa n dh i l l r e g i o n s ，b u tw i l ls h e dl i g h to nt h e s u s t a i n a b l er u r a la n dr e g i o n a ld e v e l o p m e n ti nd a t o n g k e y w o r d ：g i s ；p o t e n t i a ll a n dp r o d u c t i v i t ye v a l u a t i o n ；d e m ；a e z ；g r i dd a t a 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 裴景 时间：2 ，。箩年；月幽日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生躲野、跌 帆加s 年多月弘日 导师签名 朝锄 时间：2 一厂年月奠咽 中国农业大学硕士学位论文1 引言 1 1 选题依据 1 引言 中国人口众多，自然资源十分有限，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2 9 ，而且随着社会经济的高度发展，企业厂房占用耕地，造成耕地数量的减少；工 业“三废”污染土地，造成土地生产力的降低。土地退化( 土地沙化、水土流失、土地沼泽化、次 生盐碱化1 成为土地生产力的严重威胁。所以，为了保证土地利用的可持续性发展，必须利用先 进的技术对土地进行生产力评价，针对不足，有的放矢，这将有助丁合理利用和保护耕地资源， 促进粮食生产的持续增长，无论是在理论还是技术上都是对人口，十地及粮食问题解决的有利 途径。尤其实在我过加入了w t o 后，国外农产品的大量涌入，对我过农业是一次严峻的考验。 如何审时度势，进行适当的政策调整，充分发挥土地生产力，使土地创造出更加有效的价值， 对土地进行科学。准确定量的生产力评价是非常重要的。土地生产潜力作为土地最本质的属性 受气候、土壤、植物自身等多因子的影响，关系到一个区域的社会经济发展方向，是区域开发 和生态环境建设的重要基础条件，因此一直是农学、土壤、地理等多学科的研究热点。 首先，研究区大同属干旱地区，降雨量少，蒸发量大，植被稀少，多年以来对矿产资源的 强力开发，使生态环境十分脆弱，环境破坏严重，突出的表现在：1 ) 水土流失严重。据测算， 全市水土流失面积5 7 1 3 6 平方公里，占全市总面积的3 7 7 ，地貌侵蚀严重，全市达0 2 1 万 吨平方公里，自然植被破坏，生土不断裸露，土地退化，连年的治理减少了流失面积，但是缺 乏天然屏障和植被破坏很容易形成新的水土流失。旱、涝、风沙等自然灾害频繁发生，制约了 农业和农村的发展；2 ) 矿区生态破坏严重。大同市矿产资源丰富，煤、高岭土、黄金、镁、硅 石、花岗岩等的开采，使得地面塌陷，裂缝，地下水位下降，植被破坏严重，生态环境失衡， 煤矸石堆放存量达2 9 3 3 万吨，露天堆放和矸石山自然排放的有害物质，污染了环境，小煤窑的 分布、造成了资源浪费的同时，扬尘污染对生态环境造成了损害，加大了发生自然灾害的可能 性。3 ) 草地退化、面积减少。大同市山地丘陵区面积占全市面积的6 1 ，因此种草种树有着 良好的基础。草地的建设能够维护自然生态的平衡。然而大同市现有草地面积只有5 5 9 万亩， 沙化、盐碱化严重，占草地面积的7 7 ，生态环境生物总量不足，分布不均，质量不高。 再者，大同是一个多山地，丘陵的地区。资源的开发、利用与环境保护在实现大同可持续 性发展战略中占有非常重要的地位。复杂的山区地形，形成了丰富多样的土地资源，为农林牧 副产业的综合发展提供了有利条件。但是，长期以来，由于对土地资源缺乏正确地认识，土地 利用布局极不合理，出现毁林开荒、滥垦滥伐等现象，造成水土流失严重、土地退化面积增大、 山地灾害频繁、生态环境恶化等环境问题，丰富多样的山区土地资源得不到合理的开发，不能 充分发挥山区优势，人民生活贫困。因此，合理地开发利用土地资源对于大同经济发展和生态 环境建设具有重要的意义。其中，土地资源评价对于建立合理的山区土地资源的开发利用而言， 是一项重要的基础性研究工作，一直以来处于重要的位置，前人做了大最的工作，同时大同的 土地生产潜力评价，存在其特殊的问题：大同具有复杂的山区地形条件，引起了日照条件、太 阳辐射、温度、降水等生态环境因子的复杂的时空变异，这些生态环境网子决定了土地生产潜 中国农业大学硕士学位论文1 目【言 力的高低。因此，如何将这些生态环境因子时空定龟化，生成网格数据，并在此基础上进行七 地生产潜力评价，是大同土地资源研究中亟待解决的问题。 1 2 研究目标 大同当前面临的生态环境不容乐观，造成耕地面积的日益减少，加之人口的不断增加，人 口、粮食、资源、能源的矛盾更加尖锐，它直接关系到大同社会、经济、十地、环境、农业能 否持续发展，资源能否得到持续利用。所以本研究利用g i s 和d e m ，从建立山区生态环境因 子时空分布入手，生成大同复杂地形条件下日照时数、太阳辐射、温度、降水等生态环境冈f 的网格数据。在此基础上进行土地生产潜力的评价。这项工作为解决当地实际情况，更好地利 用和保护土地资源提供科学的依据和策略，真正意义上做到大同人地关系的协调和土地资源的 可持续性发展。 1 3 国内外研究进展 1 3 1 土地生产力概念 土地生产力也叫土地生物生产能力，即十地在一定条件下能够生产出满足人类某种需要的 植物和动物产品的内在能力。至于土地生产力的层次，传统的观点是把七地生产力划分为两个 层次：一是潜在的土地生产力，二是现实的土地生产力。土地生产力的增进过程是现实土地生 产力向潜在土地生产力不断逼近的过程。在这一过程中，把土地生产力增进的阶段性和全过程 性结合在一起，把近期目标和长远目标结合在一起，有利于促进土地生产力的可持续增进。 1 ，3 2 土地评价研究进展 土地评价的产生已有2 0 0 0 多年的历史，但一般认为，科学的土地评价最初出现在二十世纪 三十年代。如德国财政部1 9 3 4 年提出的农地评价条件，美国1 9 3 7 年提出的斯托利指数分级， 它们都是以赋税为目的的。另外还有以合理利用土地为目的的土地评价研究，图是随着资源调 查与土地合理利用规划而产生和发展起来的。3 0 年代早期，美国提出了士地利用潜力分类。最 初是以土地分类为基础，按土壤、坡度、侵蚀类型和侵蚀程度划分了八个土地利用潜力级，目 的是为水土保持服务。1 9 6 1 年，美国农业部土壤保持局正式颁布了土地潜力分类系统，它是世 界上第一个较为全面的土地评价系统。该系统将士地分为潜力级、潜力亚级和潜力单元。其中 潜力级共有八级，是以土地类型为依据，按土壤、坡度、侵蚀程度划分的，从1 级到8 级，土 地在利用时受到的限制与破坏时逐级增强，而作物选择余地逐级减少。其中1 4 级土地在良好 的管理之下，可生产适宜的农作物，而5 8 级则不能用于耕作。在每一潜力级中，根据主要限 制性因素种类分为四个亚级，分别表示侵蚀、水分、表层土壤和气候条件四个限制性类型，它 明显地表示出每一个特殊的危害以及与之相关的管理问题的范围和程度。此后，又在同一级内， 2 中国农业大学硕士学位论文i 引言 i i i 根据生产利用上的相似性分出单元，来反映土地适宜性相似的农作物分类，具有相似的保护和 管理措施以及相似的潜在生产力。该系统客观地反映了各级土地对利用的限制性程度，揭示了 土地潜在生产力的逐级变化，便于进行所有土地之间的等级比较，适于任何自然环境和任何农 作技术水平的土地潜力分类。它强调不合理的土地利用可能对环境产生的不良后果，便于结合 利用进行土地保护。继美国之后，加拿大土地清查中的土地潜力分类系统( 1 9 6 3 ) ，英国土壤调 查局的土地利用潜力分类系统( 1 9 6 9 ) 相继推出。 上世纪7 0 年代，随着更广泛的资源调查和遥感技术手段在资源调查研究中的应用，产生了 一系列数据和自然要素图，土地资源的科学研究开始从土地清查走向土地评价，从般目的的 十地评价过渡到有针对性的专门评价。士地评价研究进一步深化。评价：1 。作在世界各地广泛展 开，许多国家发展了自己的评价系统，采用了不同的分类体系。为了建立一个统一的十地评价 系统联合国粮农组织于1 9 7 6 年颁布了“土地评价纲要”，该纲要把土地适宜性定义为一定的土 地类型对规定用途的适宜性，其评价系统有四个等级：1 ) 土地适宜纲表示土地对所考虑的特 定利用方式评价为适宜或不适宜；2 ) 土地适宜类反映土地对某些利用方式的适宜程度；3 ) 土 地适宜亚类反映土地限制性类别的差异；4 ) 土地适宜单元反映级内所需经营管理的次要差别。 该评价考虑了与土地用途有密切关系的社会经济因素，适用性广，并且可根据当地情况作出进 一步修正或补充。在此之后，f a o 进行了农业生态区( a e z ) 计划的研究，从气候和土壤的生 产潜力分析入手，进行土地适宜性评价，并在非洲、东南亚和西实施应用( 1 9 7 8 1 9 8 0 ) 。 近2 0 年来，随着计算机在土地资源调查与评价中的广泛应用，土地评价又有新的发展。主 要进行了以下几个方面的工作： 首先，土地评价中采用了一些新的方法：如模糊数学理论方法。模糊数学是研究和处理模 糊体系规律性的理论和方法，把普通集合论只取0 或1 两个值的特征函数，推广到( 0 ，1 ) 区 间上取值的隶属函数，把绝对的属于或不属于的“非此即彼”扩张为更加灵活的渐变关系；网而 把“非此即彼”中间过渡的模糊概念用数学方法处理。这种方法利用隶属度表达士地一作物的适 宜性，突破了原有方法对于适宜性等级的“c r i s p ”集的认识。l i u ，c h a n g a n d b u f r o u g h ，e ( 1 9 8 7 ) ； t a n g ，h u a j u ne r e ( 1 9 9 1 ，1 9 9 2 ) ；v a nr a n s te e t ( 1 9 9 6 ) ，c h a a e q ie c t ( 1 9 9 9 ) n i s a ra h a m e de t c ( 2 0 0 0 ) 在 传统的土地评价方法基础上，将模糊推理方法用于定量土地评价，并进行验证与比较。研究表 明模糊逻辑用于土地适宜性决策，与传统方法相比，可避免不确定性和复杂性产生的影响， 提高了评价结果的准确性；k o l l i a sa n dk a l i v a s ( 1 9 9 8 ) 在a r c i n f 0 7 1 ，1 版基础上，通过a m l ( a r c i n f o 宏语言) ，根据模糊集理论，开发出f u z z y l a n d 系统，并利用此系统在希腊p q 部进行实证研究，成功地进行了两种专题的土壤分类：土地农用退化风险以及作物适宜性。结 果表明，该系统具有三方面的优越性：考虑了士壤性质的空间变异：使用者可以通过隶属度表 达他们的主观意见：是种更为简明和实用的土地资源分类与评价方法。 其次，建立了多种多样的土地评价专家系统，并在世界的许多地方得到了广泛的应用。专 家系统，是指在一般情况下，由领域专家来总结自己的经验和知识，由知识工程师把专家的知 识转换成计算机可以存储的形式存入知识库。基于规则的专家系统主要采用逻辑推理，因为在 事实与结论之间被赋予了i f , t h e n 这样的强约束条件，从而在事实与结论之间拥有确定的因果 关系。这种推理以数理逻辑作为数学手段，推理是形式化的、单调的，同时也是严格的，所以 这是一种确定性的推理。能清晰地面向用户对所得出的结论给予解释。 3 中国农业大学硕士学位论文1 引言 最常用的有a l e s 系统( r o s s i t e ra n dv a nw a n a b e k e ，1 9 9 0 ) 和m i c r o l e i s 系统 ( r o s a d e h a 1 9 9 2 ) 。a l e s ( a u t o m a t e d l a n d e v m u a f i o ns y s t e m ) 是一个基丁；二专家知识的i f t h e n 规则式专家系统框架，在此基础上根据不同的需要，通过写入相应的规则，可以建立各自的应 用专家系统。如孙鲁平( 1 9 9 9 ) 在北京山区板栗进行土地适宜性评价中，充分考虑燕山板栗的 生态要求，利用a l e s 建立决策树，进行板栗的土地适宜性评价。y i z e n g a wa n dv e r h e y e ( 1 9 9 5 ) 在a l e s 框架基础上建立l e v - c e t 系统( l a n d e v a l u a t i o ns y s t e m f o r c e n t r a l e t h i o p i a ) ，用于评 价埃塞阿比亚中部大麦、玉米和苔麸的土地利用潜力。w a n d a h w ae t c ( 1 9 9 6 ) 在a l e s 基础上 建立了定性土地评价模型p y c u l t 评价肯尼亚某作物p y r e t h r u m 的土地适宜性，并分析其生产 的限制因素；利用i d t i s i 进行空间分析并得到土地适宣性评价的图表。b o u m ae t c ( 1 9 9 3 ) 利 用a l e s 和l e a c h ( 用于计算土壤含水量) 为工具进行农场尺度上的土地评价；m i c r o l e i s ( m i c r o c o m p u t e r - b a s e dm e d i t e r r a n e a nl a n de v a l u a t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e m ) 系统是一种建立在半经 验模型的土地评价专家系统，包含总体土地潜力评价、农业土壤适宜性评价、作物产量预测、 林地适宜性评价等多种模块。将土地评价作为不同地区土壤污染的预测t 具( r o s a ，d e l a 1 9 9 2 ) 。 m a c h i n a n d n a v a s ( 1 9 9 5 ) 利用m i c r o u i s 专家系统和g i s 软件1 d r i s i 进行西班牙某地区的土 地评价与半干旱农业系统的保持研究。该研究利用m i c r o l e i s 的c e r n a t a n a 模块评价总体 的土地生产潜力；利用a l m a g r a 模块评价农业土壤的适宜性：并利用s i e r r a 模块评价林 地的适宜性，最终得到各自的专题图。n a v a sa n dm a c h i n ( 1 9 9 7 ) 利用m i c r o l e i s 专家系统和 g i s 软件i d r i s i 进行西班牙某地区的土壤侵蚀风险分析。该研究利用m i c r o l e i s 的 c e r n a t a n a 模块评价总体的土地生产潜力：利用s i e r r a 模块评价林地的适宜性。之后进行 土壤侵蚀风险分析。该研究综合了土壤侵蚀率、坡度等级、植被覆盖度、降水侵蚀以及干旱程 度，将土壤侵蚀风险化为三个不同的级别。r o s a , d e l a ( 1 9 9 8 ) 利用的p a n t a n a l 模块( 一种用于 进行土地利用限制性土地特定农业用途的退化风险定量评价模型) 进行集约经营租放经营方 式代表的不同水分管理条件下的各种不同土壤污染的风险分析。 再次，土地评价应用领域的不断扩大，不但在传统的资源开发利用方面得到利用而且在环 境治理与保护、气候条件对农业生产等诸多研究领域得到应用。如d e l a r o s a ( 1 9 9 3 ) 在a l e s 框架基础上建立a r e n a l 专家系统，进行欧洲的土地污染脆弱性评价。n a v a s a n d m a c h i n ( 1 9 9 7 ) 利用m i c r o l e i s 专家系统和g i s 软件i d r i s i 进行两班牙某地区的土壤侵蚀风险分析。d e l a r o s a ( 1 9 9 8 ) 利用m i e r o l e i s 的p a n t a n a l 模块进行不同水分管理条件下的各种不同土壤污染的风险 分析。k o l l i a sa n d k a l i v a s ( 1 9 9 8 ) 利用f u z z y l a n d 系统迸行土地农用退化风险评价。b r i g n a l l a n dr o u n s e v e l l ( 1 9 9 4 ，1 9 9 5 ) ；r o u n s e v e l le t c ( 1 9 9 6 ) 利用土地适宜性评价模型方法研究英格 兰和威尔士的农业草地适宜性级别的分布，并通过调整土地评价模型的气候参数，利用草地生 产潜力模型预测不同类型气候变化的影响( 平均温度增加2 0 c ，降水n q - 1 0 ) 。 最后，土地评价方法逐渐由专家知识驱动模式向土地利用过程驱动模式的转变。传统土地 评价依赖专家知识，当前的土地评价通过建立定量化的过程模型，分析作物生长的生态环境条 件与生理过程，并且将这些过程相结台预测土地资源的生产潜力，进行士地利用优化，大大增 加了土地资源研究的科学性，提高了研究结果的准确性。j o h n s o na n dc r a m b ( 1 9 9 3 ，1 9 9 6 ) 认 为现有的土地评价方法不能表明生物自然因子、作物生产力和管理支出之间存在的客观联系， 也不能够反映出技术、经济条件发展产生的影响。提出三元集成土地评价方法，进行区域的四 4 中国农业大学硕士学位论文 1 引言 种土地分配方案的风险分析：首先在作物模拟模型( a u s c a n e ) 与当地专家意见的基础上， 进行作物产量预测；其次利用专家系统( a l e s ) 综合生物自然与经济数据；最后利用r i s k 软 件包进行土地经济收益风险分析。h a n s e n ( 1 9 9 8 ) 利用作物模拟模型d s s a t ( d e c i s i o ns u p p o r t s y s t e mf o r a g r o t e c h n o l o g y t r a n s f e r ) 预测作物产量、收获时间和灌溉要求；利用g l e a m s 模拟 模型预测土壤侵蚀、氮( n 0 3 - ) 的移动和病虫害，利用a r c v i e w 和a r g i s w i n 从空间上显 示模型的运行结果。在波多黎哥进行试验，取得了经济目标最大化，水消耗量、土壤流失和污 染最小化的最优土地利用方案。 经历了几十年的发展，土地评价已经成为多学科的综合研究领域。涉及到士壤学、农学、 生态学、地理学、数学与系统科学、计算机与信息技术等诸多方面。进入二十世纪九十年代， d u m a n s k i ( 1 9 9 3 ) 等在可持续发展思想基础上，义提出了可持续土地利用管理评价新思想。这 一涉及面更广的研究，必将会使更多的研究人员、土地利用和管理者和政府官员，关注并参与 到士地评价研究中来。同时，土地评价的发展又面临着新的挑战和机遇。传统的定性、半定量 土地评价方法过多依赖于专家经验又难以推广开来。而定量土地评价方法以十壤水动力学模型 与作物生长模拟模型为基础。人们却义对这些模型中涉及到的某些机理过程缺乏准确的认识。 随着相关学科的发展，又给研究者们提供了新的解决问题的思路、方法与手段。首先，土 地评价研究中采用了移植、组合、修正、比较等科学研究方法，产生了许多新的土地评价理论 与方法。其次，新的数学方法，特别是可以用于描述复杂的客观世界的模糊数学方法和人工神 经网络为代表的非线性数学方法在土地评价中的应用，必然会使土地评价的结果更具准确性。 再次，计算机与信息科学的发展为土地评价的研究提供了可靠的数据源与研究工具。遥感技术 的应用为土地评价提供了可靠的数据源。计算机软硬件的发展，使二维g i s 在土地评价中的应 用变成现实( l e e w i l l i a m s ，1 9 8 5 ) 。经历十多年的发展，二维g i s 技术已经发展成熟，计算机软 硬件的发展，又给三维g i s 与虚拟现实技术的发展奠定了基础。利用这些技术，人们实现了空 间目标的可视化。如果能够将这些新技术引入到土地评价中，那么，我们所获得的不仅是传统 的手工制图方法也可以得到的图件资料，而且还可以在计算机上看到研究对象的实体，可谓是 一目了然。可以断言，在不久地将来，综合了“3 s ”技术最新研究成果的三位土地评价研究，必 将会成为一个新的研究领域。另外，以专家系统为代表的人工智能技术，以模拟人的思维过程 为手段，以实现对客观世界的认知。它与人工神经网络、“3 s ”技术的结合，必将会提高土地评 价的科学性、精确性与实用性。总之，科学的发展与人类的进步必将使土地评价科学研究走向 一个新的阶段。 1 3 3 土地生产力研究进展 土地生产潜力评价是任何目的的土地评价工作都极为关注的主要问题之一，它是比较不同 类型土地之间生产力水平差异的基础，由绝对( 或相对) 产量或者由一个产量级表示的特定作 物的多年平均产量。作物生产潜力的形成是大气一作物土壤开放系统内进行的。生产潜力的 高低一方面取决于作物遗传性及其对环境条件的适应性和环境资源的数量、质量及其对作物的 适宜性程度；另一方面取决于技术水平和物资投入。一个地区的土地生产潜力是以上诸多因子 综合作用的结果。影响作物的主要环境因子为光照、温度、水分和土壤因子，土地生产潜力大 中国农业大学硕士学位论文 l 引言 体上按光合潜力一光温潜力气候潜力一士地潜力呈倒金字塔式逐级递减。土地潜力评价己逐 渐地以定性走向半定量、定量的评价。 国外土地生产潜力研究始于植物生产力形成因素的研究。从士地生产潜力研究的发展历程 看，大致可分为3 个时期。第一时期是在l i e b i g 以前，此阶段的主要贡献是豫里士多德依据自己 的研究，对土壤、水、二氧化碳、光与植物体形成关系的初步认识，以及d e s a u s s l 。l r e 对植物的气 体交换研究后提出的光合作用基本表达式：第二时期是从l i e b i g 的最小因子定律的提出到国际 生物学计划的实旌。1 8 4 0 年l i e b i g 在研究干物质生产与营养物质供应关系时指出：植物生长取 决于最小状态的营养物质量，后人称之为l i e b i g 最小因子定律。在此基础上，t y l e r 把l i e b i g 最小 因子定律发展到植物营养因子以外的其他环境因子，被称为泛l i e b i g 最小园子定律，这为后续植 物生产力研究奠定了先验知识基础。进入2 0 世纪以来，人们开始致力于作物生长机理模型的研 究，这一时期主要偏重于对土壤水分平衡模型的研究。土壤水分平衡模型研究的主要目的预测或 估算土壤有效水分及其与作物生长的关系：第三时期是以1 9 6 4 年国际生物学计划实施为标志。 国际生物学计划以研究生物量为中心，在全世界范围内对第一性生物生产量进行了一次大规模 的测定和普查，并促使建立了根据植物产量与环境因子关系原理用于估测作物生产力的经验或 机理数学模型。同时该计划也掀起了作物机理模型的研究热潮，由此逐步形成了利用机理模型估 算作物生产潜力的基本思路。例如，英国土壤学家r b t i n k e r 在生产潜力研究中，将影响产量的因 子分为3 类，即作物因子、环境因子和管理冈子，当3 类因子均处于最佳状态时，作物产量即达到 最高限值，然后逐项分析不利因子对作物产量上限的衰减，求出不同层次作物生产潜力。随着对作 物生长机理的深入研究，促进了人们对作物与环境关系的认识，但将作物生长机理模型应用于土 地生产潜力估算还是近2 0 年的事情，这依赖于系统分析原理在作物生态系统研究中的应用，以及 预测主要农作物产量的作物生长模式的研究和发展。在土地生产潜力估算方法体系中以f a o 粮 农组织推广并被广泛应用的农业生态区划法( a e z ) 为代表，其思路和方法框架被世界不同区域采 用，并被广泛地应用于土地生产潜力评价中，同时这种方法的世界范围推广也促进了更精细、更准 确的土地利用定量模型的发展。如荷兰科学家d r i e s s e n 等基于土地利用系统分析和作物生产动 态模型，于1 9 9 2 年完成了土地利用定量模型可被应用于耕地持续利用管理当中。 我国土地生产潜力研究进展我国土地生产潜力研究起步虽晚，但发展甚快。任美锷1 9 5 0 年 发表的“四川省农作物生产力的地理分布文，标志着我国对作物生产力研究的开始。1 9 6 3 年 气象学家竺可桢从气候角度对作物光合潜力进行了初步研究。黄秉维从综合角度提出了作物生 产潜力的研究思路，并对l o o m i s 和w i l l i a m s 所提出的光合潜力计算公式进行了修改，得出了简化 的光合潜力计算式，后被广泛应用。陈明容首次把温度效应系数引入到生产潜力的估算中，尔后， 于沪宁等分别对温度效应系数进行了深入研究，并推导出了各自的光温生产潜力计算式。随着作 物气候生产潜力机理- 经验模型研究深入和广泛实践，特别是f a o 粮农组织“农业生态区划 法”( a e z ) 在中国土地生产潜力研究中的应用和推广，我国有关学者开始注意士壤下垫面和管理 因子对作物生产力形成的影响，如林培( 1 9 9 4 ) 等探讨了土壤效应系数。从总体上已经形成由光 合潜力、光温潜力、光温水潜力到土地生产潜力的经验机理模型和成熟的计算流程，并被广泛 地应用到不同尺度的土地生产潜力评价中。( 林培，2 0 0 1 ) 目前，虽然国内外生产潜力的模型很多，但主要可分为机理模型和统计模型两大类。统计 模型主要采用协方差分析、多因子分析、主成分分析和聚类分析等方法。而机理模型则是以自 6 中国农业大学硕士学位论文 1 引言 然科学理论特别是农学理论为基础，研究作物产量和土壤水分、气候条件等控制生长的环境因 子之间的因果关系，并在此基础上建立反映这种关系的产量预测模型。尽管统计模型具有因子 易取、计算方便等优点，但在因子的选取和模型形式本身有很大的随意性，仅适于研究区的实 际情况。而许多机理模型在逻辑上不够严密，考虑的作物因子不全面，而且大多数不针对特定 的土地利用方式及作物的生育期进行评价，比如光温生产潜力模型中孙惠南模型、李世奎模型、 丁| 沪宁一赵丰收模型都没有针对特定的作物及作物生育期进行评价，而把作物简单地分为c 3 、 c 4 作物；气候生产潜力模型中m i a m i 模型要素简单操作方便，但只考虑温度和降水因子； t h o m t h w a i t 模型计算蒸散量时主要考虑了辐射蒸散；李世奎的作物水分反应系数取多数作物的 平均值；筑后模型把生理生态学与统计学相结合，综合考虑了诸因子的作用，但没有针对特定 的作物进行评价。相比之下。联合国粮农组织的农业生态区法( a e z ) 是一套比较成功的评价 土地资源及其生产潜力的方法，综合考虑了影响作物生长及其产量的辐射、温度因子并依据作 物本身的特点考虑了生长期长度，在考虑降水同时也考虑灌溉，考虑土壤湿度同时也考虑作物 根深的变化，考虑全生育期的同时也以旬为单位逐一考察不同生育期。( 李相玺，2 0 0 1 ) 1 3 4 山区土地生态因子的研究 山区复杂的地形条件引起了热量和水分条件的差异，从而影响植物的分布与作物的的生产 潜力。因此进行山区资源与环境问题的研究，首先必须研究山区土地生态因子的时空变异规律。 山地日照条件的研究 表征日照条件的重要指标主要是日照时数，前人提出的日照计算方法主要有三种：一是经 验方程法，即利用研究区域若干站点的气象资料，建立区域日照时数随海拔高度、经纬度变化 的区域经验方程( 王宇，1 9 8 4 ) 。这种方法易于理解，操作方便。但是由于气象站点数量有限， 且往往处于平坦开阔地点( 或山顶) ，没有地形遮蔽的影响。对于海拔差异悬殊，地形复杂的山 区，利用这种方法推测区域日照条件的分布往往不能够反映出地形的影响；二是解析法，傅抱 璞( 1 9 8 3 ) 提出了坡地和其它一些特殊地形下可照时数的理论计算方法，探讨了坡地日照的特 点和变化规律。解决了一些理想化地形日照时数的计算问题，然而，对于具有复杂遮蔽的实际 地形，还需实际测定，故前人提出第三种方法，即图解法( 翁笃鸣，1 9 9 0 ) ，将测点遮蔽图配上 太阳视运动迹线来确定遮蔽地点的日出、日落时间和可照时数。此方法考虑了地形的影响，但 在实际工作中，为了确定遮蔽区域内不同点的日照条件，不得不采用经纬仪测绘各点的遮蔽图， 工作量大，有时是不可能的。因此需要借助新的技术手段才能够实现山地日照时数的时空模拟。 山地太阳辐射条件的研究 太阳辐射是生态系统重要的环境因子，对于山区土地生产潜力而言，太阳辐射的多少直接 决定了所评价的作物的光合生产潜力，并且作物对水分的需要量( e t m ) 取决于作物系数( k 。) 与参照作物蒸散量( e t o ) ，而太阳辐射是计算参照作物蒸散量的主要参数，进而对水分条件限 制下的作物气候生产潜力具有重要的影响。因此，在地形复杂的山区，进行太阳辐射的模拟并 掌握其时空变化规律，对于山区农业自然资源优化利用具有十分重要的实践意义。太阳辐射的 时空分布，在全球尺度上受纬度和季节的制约，在景观尺度上，则更多地取决于当地的地形与 气候状况。傅抱璞提出了坡面太阳辐射的积分模式，并讨论了典型地形的太阳辐射的计算方法 7 中国农业大学硕士学位论文 1 引言 ( 傅抱璞，1 9 8 3 ) ：d o z i e r , j a n d f r e w , j ( 1 9 9 0 ) 发展了利用数字高程模型模拟太阳辐射的方法， 是模拟精度更高，空间性更强，并且开发出能显著减少数据运算时间的快速方法。f u ，pa n d r i c h ， p m ( 1 9 9 9 ) 则在半球遮蔽算法( h e m i s p h e r i a l v i e w s h e d a l g o r i t h m ) 基础上，进行专业模块的开发。 这些工作使基于计算机的区域太阳辐射模拟变为现实。 山区温度条件的研究 山区地形复杂、温度的空间变化很大，山区气象站点稀少，因而山区无气象观测地方温度 的方法和地形对温度影响问题受到了国内外的普遍关注。目前一些国内夕 气候科学家提出了 些推算方法( 于沪宁，1 9 8 5 ) 。在推算方法中，有的是先将影响一地温度( 两地温差) 的要素分 解为订正项，然后再综合，得出任意地点温度的推算值：有的是建立温度与影响要素之间的多 元线性回归方程，用以进行温度推算，这种方法也是最为普遍应用的方法( 卢其尧，1 9 8 8 ) 山区降水量的推算方法 山区降水量的分布，受山区地形条件的影响非常复杂，受到宏观地理因素经度、纬度和海 拔高度、坡度和坡向等多种因素的影响( 翁笃鸣，1 9 9 0 ) 。山区降水量的推算方法有两类：建立 经验方程法和空间插值法。与温度的推算相比较，温度的影响因素较为简单，利用区域气象站 点的观测值建立往往可以建立较为满意的回归方程；而降水景影响因素较多，受环流影响，地 形作用非常复杂，利用空间插值的方法较为普遍。 参照作物蒸散量的推算方法 参照作物蒸散量的计算对于确定作物需水量、研究区域水资源平衡等具有重要的价值。其 计算方法有多种，如布莱尼一克莱德尔法( b l a n e g c r i d d l e ) 、辐射法( r a d i a t i o nm e t h o d ) 、彭曼 法( p e n m a n ) 、彭曼- 孟蒂斯法( p e n m a n m o n t e i t h ) 等。将多种方法进行比较的基础上，1 9 9 0 年f a o 在意大利召开的蒸散量计算的专题国际会议上推荐用p e n m a n - m o n t e i t h 计算参照物的蒸 散