CN112598206B - 基于生态位理论的富硒土壤资源开发利用适宜性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于生态位理论的富硒土壤资源开发利用适宜性评价方法，获取研究区的原始数据，对原始数据进行预处理，得到底层数据库；定义富硒土壤资源生态位内涵，构建富硒土壤开发利用适宜性评价指标体系；计算富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数，生成富硒土壤资源开发利用适宜性评价图；根据自然断点法划分评价结果，形成高度适宜、中度适宜、轻度适宜和不适宜四个评价等级，生成富硒土壤资源开发利用适宜性分区图。本发明的方法综合多种影响因素对富硒土壤资源进行定量分析，实现了对富硒土壤资源绿色高效的开发利用，提高了富硒农业产业规划实施的针对性和精确性，对于加快把研究区的资源优势转化为资本优势具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及富硒土壤资源评价技术领域，特别涉及基于生态位理论的富硒土壤资源开发利用适宜性评价方法。
背景技术
如何科学高效绿色的对富硒土壤资源进行开发利用，是富硒产业发展的关键所在。目前富硒土壤资源的开发利用尚未形成统一的技术标准，多以主观因素为主来进行富硒产业的规划布局，从而在一定程度上造成了富硒土壤资源的浪费和低效利用，无法合理高效地利用富硒土壤资源来提升当地的资源效益和经济效益，因此需要一种系统的可量化的富硒土壤资源开发利用适宜性评价技术方法。
发明内容
本发明的目的在于提供基于生态位理论的富硒土壤资源开发利用适宜性评价方法，用以解决富硒土壤资源的浪费和低效利用，无法合理高效地利用富硒土壤资源来提升当地的资源效益和经济效益的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于生态位理论的富硒土壤资源开发利用适宜性评价方法，包括如下步骤：
步骤Sl：获取研究区的原始数据，对原始数据进行预处理，得到底层数据库；
步骤S2：定义富硒土壤生态位内涵，综合富硒土壤资源禀赋、地形坡度、土地利用类型、农业环境质量评价的农业生产条件因素，以及永久基本农田、生态保护红线划定情况，构建富硒土壤资源开发利用适宜性评价指标体系，并确定各评价指标的适宜性评价分值标准；
步骤S3：将各指标图层进行空间叠加，计算富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数，生成富硒土壤资源开发利用适宜性评价图；
步骤S4：划分评价结果，分析主导障碍因子，生成最终的富硒土壤资源开发利用适宜性分区图。
进一步地，步骤Sl中所述原始数据包括行政区划数据、高程数据、土地利用类型矢量数据、富硒土壤资源分布数据、生态红线划定范围数据、永久基本农田保护矢量数据、土壤样点检测数据。
进一步地，步骤Sl中对所述原始数据进行预处理，绘制底层数据图进一步包括：对行政区划图数据进行地图配准，再进行边界矢量化，得到研究区的矢量边界图；对高程数据，从地理空间数据云网站下载，然后基于行政边界进行裁剪，再运用ArcGIS软件提取研究区的坡度因子对其分为四个范围区域：<6°、6～15°、15～25°、>25°，并绘制坡度分级图；对土地利用类型矢量数据进行配准，再进行裁剪，重新划分为耕地、园地、林地、草地、其它农用地、建设用地、水域、其他土地八种地类，获取研究区的土地利用类型图；对富硒土壤资源分布数据进行配准，并且矢量化，得到富硒土壤资源分布矢量图；对生态红线划定范围数据进行配准，并且矢量化，得到研究区生态红线划定范围矢量图；对永久基本农田保护区数据进行配准，并且矢量化，得到研究区永久基本农田保护矢量图。
进一步地，步骤Sl中所述的土壤样点数据，经过实地踏勘，以随机和等量原则为前提，根据地形地貌和采样区面积大小(采样区面积小于10亩的一般取5-10个样本点，采样区面积10-40亩的一般取10-15个样本点，采样区面积大于40亩的一般取15-20个样本点)，采用对角线布点法、梅花形布点法、棋盘式布点法、蛇形布点法的取样方法，确定研究区土壤样本点的位置，用工具取其0～20cm的耕作层土壤500g，用木棒碾碎，过2mm尼龙筛去除沙子石块，干燥后装袋贴标签，送去检测机构检测其铜、铅、锌、铬、镍、镉、砷、汞元素的含量及PH值，得到研究区土壤样点检测数据，参考《农用地土壤污染风险管控标准》，采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对土壤样点中的重金属进行评价，得到土壤样点的综合评价指数，然后运用ArcGIS软件将土壤样本点矢量化后用克里金插值法进行插值，并根据分级标准划分为清洁、轻微污染、轻度污染、中度污染和重度污染五个等级，绘制研究区表层土壤环境地球化学综合等级图。
进一步地，步骤S2中所述的富硒土壤资源开发利用适宜性评价指标体系，由土壤富硒情况、地形坡度、土地利用类型、农业环境质量、生态保护区、永久基本农田六个指标构建而成；将土壤富硒情况、土地利用类型、生态保护三个评价因子划为正向因子，地形坡度、农业质量环境、永久基本农田三个评价因子划为负向因子，确定正向因子的最适生态位指数值为100，负向因子的最适生态位指数值为10。
进一步地，步骤S2中所述的各评价指标的适宜性评价分值标准，土壤富硒情况的适宜性评价分值标准为：富硒土壤为100分，潜在富硒土壤为70分，足硒为40分，缺硒为10分；地形坡度的适宜性评价分值标准为：>25°为100分，15～25°为70分，6～15°为40分，<6°为10分；土地利用类型的适宜性评价分值标准为：耕地、园地为100分，林地、草地、其它农用地为70分；农业环境质量的适宜性评价分值标准为：重度污染为100分，中度污染为70分，轻度污染为40分，清洁和轻微污染为10分；生态保护指标的适宜性评价分值标准为：生态红线范围外为100分，生态红线范围内为10分；永久基本农田指标的适宜性评价分值标准为：基本农田划定范围外为100分，基本农田划定范围内为10分。
进一步地，步骤S3中所述的将各指标图层进行空间叠加，是运用ArcGIS软件的空间分析工具箱下的空间链接工具，将各指标图层基于同一属进行空间叠加，得到附带所有评价指标属性的评价底图。
进一步地，步骤S3中所述的计算富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数，是参考徐小千(2018)等的研究运用正向因子评价模型、适度因子评价模型、负向因子评价模型、综合生态位适宜度指数模型，分别计算出各正向因子和负向因子的生态位适宜度指数，以及各评价单元的富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数，制作富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数属性表，再运用ArcGIS软件绘制富硒土壤资源开发利用适宜性评价图。正向因子评价模型为：式中Ni为富硒土壤资源各评价因子i(i∈[1,n])的生态位适宜度，Xi为评价因子i的现实生态位，Diopt为富硒土壤资源评价因子i的最适生态位，Dimix为评价因子i的生态位的最小值；适度因子评价模型为：
式中Dimax为评价因子i的生态位的最大值；负向因子评价模型为：/>富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数模型为：/>式中N为富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数。
进一步地，步骤S4中所述的划分评价结果是基于自然断点法将富硒土壤资源开发利用适宜性结果分级，分为高度适宜区、中度适宜区、轻度适宜区和不适宜区四个等级，再运用障碍因子模型计算得到各区的主导障碍因子，障碍因子模型为：S＝min﹛Ni，Ni……Nn﹜，式中S为评价单元的障碍因子，Ni为第i个评价因子的生态位适宜度指数值，最终生成研究区富硒土壤资源开发利用适宜性分区图。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提供了富硒土壤资源开发利用适宜性评价的新方法，构建富硒土壤资源开发利用适宜性评价的指标体系，并确定各评价指标的适宜性评价分值标准和最适阈值。
2.基于生态位理论定量计算富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数，运用GIS技术定量划分4级富硒土壤资源开发利用适宜性分区，分析影响各区富硒土壤资源功能分区的主导障碍因素，便于相关的富硒产业的定位规划和实施落地。
3.本发明克服了以往富硒土壤资源的低效利用和富硒产业规划布局的主观性，实现了对富硒土壤资源绿色高效的开发利用，提高了富硒农业产业规划实施的针对性和精确性，对于加快把研究区的资源优势转化为资本优势具有重要意义。
附图说明
图1为本发明富硒土壤资源开发利用适宜性评价流程图；
图2为本发明的富硒土地资源开发利用适宜性评价结果；
图3为本发明富硒土地资源开发利用适宜性分区图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例以江西省宜春市袁州区作为富硒土壤资源开发利用适宜性评价的案例，分级进行了富硒土壤资源开发利用适宜性分区划定，富硒土壤资源开发利用适宜性评价流程如图1，具体步骤如下：富硒土壤资源开发利用适宜性评价中的图件数据和矢量处理均通过地理信息系统软件进行，本实施例具体使用但不局限于ArcGIS软件，表格数据通过Excel完成。
1.获取袁州区的行政区划数据、高程数据、土地利用类型矢量数据、富硒土壤资源分布数据、生态红线划定范围数据、永久基本农田保护矢量数据、土壤样点检测数据等原始数据，并进行预处理和信息提取，并绘制袁州区的各个底层数据库。
1.1获取袁州区的行政区划，先进行地图配准，得到袁州区矢量边界数据。该步骤可以使用ArcGIS软件中的配准模块进行地图配准。
1.2获取覆盖袁州区的DEM(Digital Elevation Model)数据，可从地理空间数据云网站下载，然后利用袁州区矢量边界，裁剪DEM数据，得到以上述边界界定的DEM；在经过裁剪的DEM数据基础上，进一步提取出袁州区的坡度，并绘制地形坡度图。该步骤可以在ArcGIS软件中的surface analysis模块中进行。再使用ArcGIS软件的重分类工具将坡度重新划分为四个范围：<6°、6～15°、15～25°、>25°，得到袁州区地形坡度分级栅格图，进一步将栅格图转为矢量。本实施例的DEM数据来源于地理空间数据云的分辨率为30米的数据，但数据来源不局限于此，也可以采用其他方式获取。
1.3获取袁州区土地利用类型数据(实施例的数据来源于2017年)，根据土地利用类型分类与三大地类对应表，重新划分为耕地、园地、林地、草地、其它农用地、建设用地、水域、其他土地八种土地利用类型，生成袁州区土地利用类型图。
1.4获取袁州区富硒土壤资源分布图(实施例的数据来源于2018年)，首先进行配准，再利用ArcGIS软件进行矢量化，获取袁州区富硒土壤资源分布图，该富硒土壤资源分布图有三个等级：富硒、潜在富硒、缺硒。
1.5获取袁州区生态保护红线划定范围图，首先进行配准，再利用ArcGIS软件进行矢量化，获取袁州区生态保护红线分布示意图。
1.6获取袁州区永久基本农田划定范围图，首先进行配准，再利用ArcGIS软件进行矢量化，获取袁州区永久基本农田分布示意图。
1.7获取袁州区土壤样本点数据需经实地踏勘，以随机和等量原则为前提，采用对角线布点法取样方法，根据地形地貌和采样区面积大小，确定袁州区79个土壤样本点的位置，用工具取其20cm左右的耕作层土壤500g，用木棒碾碎，过2mm尼龙筛去除沙子石块，干燥后装袋贴标签，送去检测机构检测其铜、铅、锌、铬、镍、镉、砷、汞元素的含量及PH值，得到袁州区土壤样点检测数据，参考《农用地土壤污染风险管控标准》，采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对土壤样点中的重金属进行评价，得到土壤样点的综合评价指数，然后运用ArcGIS软件将土壤样本点矢量化后用克里金插值法进行插值，并根据分级标准划分为清洁、轻微污染、轻度污染、中度污染和重度污染五个等级，生成袁州区表层土壤环境地球化学综合等级图。
2.构建富硒土壤资源开发利用适宜性评价指标体系，由土壤富硒情况、地形坡度、土地利用类型、农业环境质量、生态保护区、永久基本农田六个指标构建而成；将土壤富硒情况、土地利用类型、生态保护三个评价因子划为正向因子，地形坡度、农业质量环境、永久基本农田三个评价因子划为负向因子，确定正向因子的最适生态位指数值为100，负向因子的最适生态位指数值为10；考虑富硒土壤资源开发利用的功能需求和富硒产业发展的落地条件，将各评价指标的分级分值划分为10、40、70、100，得出袁州区富硒土地资源开发利用适宜性评价指标体系及最适生态位值，见表1所示。
表1为富硒土地资源开发利用适宜性评价指标体系及最适生态位值
3.运用ArcGIS软件将各指标图层进行空间叠加，得到附带所有评价指标属性的评价底图。计算富硒土壤资源生态位适宜度指数，基于各指标适宜性评价分级分值和最适生态指数值，运用生态位适宜度指数模型计算各正向因子和负向因子的生态位适宜度指数，以及各评价单元的富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数，制作袁州区富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数属性表，再通过ArcGIS软件绘制出袁州区富硒土壤资源开发利用适宜性评价结果图。
3.1将各指标图层进行空间叠加，是运用ArcGIS软件的空间分析工具下的空间链接工具，将各指标图层基于同一属进行空间叠加，得到附带所有评价指标属性的评价底图。
3.2计算正向因子的生态位适宜度指数。
正向因子评价模型为：式中Ni为富硒土壤资源各评价因子i(i∈[1,n])的生态位适宜度，Xi为评价因子i的现实生态位，Diopt为富硒土壤资源评价因子i的最适生态位，Dimix为评价因子i的生态位的最小值。
3.3计算负向因子的生态位适宜度指数
负向因子评价模型为：
3.4计算各评价单元的富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数
富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数为：式中N为富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数。
3.5运用ArcGIS软件基于评价单元编号这一属性，将袁州区富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数属性表链接进评价底图中，袁州区综合生态位适宜度指数范围为0～1，生成袁州区富硒土壤资源开发利用适宜性评价结果图，如图2所示。
4.基于自然断点法将得到的袁州区富硒土壤资源开发利用适宜性结果进行分区，并分析各区的主导障碍因子，生成袁州区富硒土壤资源开发利用适宜性分区图。
4.1将袁州区富硒土壤资源开发利用适宜性评价图导入ArcGIS软件中，选择自然断点法对其综合生态位适宜度指数进行分区，表2所示为袁州区富硒土壤资源开发利用适宜性分区划分标准。
表2为富硒土地资源开发利用适宜性分区划分标准
| 级别 | 生态位适宜度值 | 开发利用适宜性 |
| Ⅰ级 | ≥0.8879 | 高度适宜区 |
| Ⅱ级 | 0.7560～0.8879 | 中度适宜区 |
| Ⅲ级 | 0.0001～0.7560 | 轻度适宜区 |
| Ⅳ级 | ≤0.0000 | 不适宜区 |
4.2运用障碍因子模型分析各区的主导障碍因子
障碍因子模型为：S＝min﹛Ni，Ni……Nn﹜。式中S为评价单元的障碍因子，Ni为第i个评价因子的生态位适宜度指数值。取Ni最小的3个作为该评价单元的障碍因子。图3和表3所示为袁州区富硒土壤资源开发利用适宜性分区结果及主导障碍因素，从图表中可以看出，袁州区富硒土壤资源开发利用高度适宜区和中度适宜区总面积占袁州区国土总面积的54.83％，主要分布于洪塘镇、新田镇、寨下镇、金瑞镇、天台镇、西村镇、南庙镇，其主要障碍因素为农业质量环境、地形坡度、土壤富硒状况和土地利用类型，区内以低丘岗地位置，地势相对比较平坦，生态环境条件良好、交通条件优越，特别是区内富硒相关农业产业发展和生态旅游资源开发比较成熟，利于发展富硒种养产业、做特做优一产，择地建成富硒种养业基地，并建设若干富硒产品标准化生产基地；轻度适宜区面积占袁州区国土总面积的8.3％，主要分布于新坊镇、彬江镇、慈化镇，其主要障碍因素为地形坡度、农业质量环境、生态保护红线划定区，该区生态环境较好、旅游资源较多，通过土地整治工程可发展富硒林果业，适宜打造“富硒+现代农业+文化旅游”产业，形成富硒产业多层次、多元化发展的态势；不适宜区面积占袁州区国土总面积的仅36.88％，主要分布于洪江镇、温汤镇、慈化镇、飞剑潭乡，其主要障碍因素为基本农田区、生态保护红线划定区、土壤富硒情况，该区域文化、旅游、温泉资源十分丰富，旅游资源开发相对成熟，应以旅游产业为龙头，主要依托旅游文化和富硒产业的互动，相互引领、相互支撑，带动整个区域的农业经济发展，走“富硒+文化旅游”现代农业经济的发展模式。
表3为富硒土地资源开发利用适宜性评价分区结果及主导障碍因素
综上所述，本发明在遵从研究区资源禀赋的前提下，以提升资源优势为目标，并基于生态位理论判定富硒土壤资源开发利用的适宜性程度，构建富硒土壤资源开发利用适宜性评价指标体系，进而划定富硒土壤资源开发利用适宜性四级分区，克服了以往富硒土壤资源的低效利用和富硒产业规划布局的主观性，解决了无法合理高效地利用富硒土壤资源来提升当地的资源效益和经济效益的问题，提高了富硒农业产业规划实施的针对性和精确性，对于加快把研究区的资源优势转化为资本优势具有重要意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.基于生态位理论的富硒土壤资源开发利用适宜性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：获取研究区的原始数据，对原始数据进行预处理，得到底层数据库；
步骤S2：定义富硒土壤生态位内涵，综合富硒土壤资源禀赋、地形坡度、土地利用类型、农业环境质量评价的农业生产条件因素，以及永久基本农田、生态保护红线划定情况，构建富硒土壤资源开发利用适宜性评价指标体系，并确定各评价指标的适宜性评价分值标准；
步骤S3：将各指标图层进行空间叠加，计算富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数，制作富硒土壤资源开发利用综合生态位适宜度指数属性表，再运用 ArcGIS 软件的空间分析工具箱下的空间链接工具，将各指标图层基于同一属进行空间叠加，得到附带所有评价指标属性的评价底图；
步骤S4：划分评价结果，分析主导障碍因子，生成最终的富硒土壤资源开发利用适宜性分区图；
所述步骤S1中所述原始数据包括行政区划数据、高程数据、土地利用类型矢量数据、富硒土壤资源分布数据、生态红线划定范围数据、永久基本农田保护矢量数据、土壤样点检测数据；
所述步骤S1中对所述原始数据进行预处理，绘制底层数据图进一步包括：
对行政区划图数据进行地图配准，再进行边界矢量化，得到研究区的矢量边界图；对高程数据，从地理空间数据云网站下载，然后基于行政边界进行裁剪，再运用ArcGIS软件提取研究区的坡度因子对其分为四个范围区域：<6°、6~15°、15~25°、>25°，并绘制坡度分级图；对土地利用类型矢量数据进行配准，再进行裁剪，重新划分为耕地、园地、林地、草地、其它农用地、建设用地、水域、其他土地八种地类，获取研究区的土地利用类型图；对富硒土壤资源分布数据进行配准，并且矢量化，得到富硒土壤资源分布矢量图；对生态红线划定范围数据进行配准，并且矢量化，得到研究区生态红线划定范围矢量图；对永久基本农田保护区数据进行配准，并且矢量化，得到研究区永久基本农田保护矢量图；
所述步骤S1中所述的土壤样点数据，经过实地踏勘，以随机和等量原则为前提，根据地形地貌和采样区面积大小，采用对角线布点法的取样方法，确定研究区土壤样本点的位置，用工具取其0~20cm的耕作层土壤500g，用木棒碾碎，过2mm尼龙筛去除沙子石块，干燥后装袋贴标签，送去检测机构检测其铜、铅、锌、铬、镍、镉、砷、汞元素的含量及PH值，得到研究区土壤样点检测数据，采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对土壤样点中的重金属进行评价，得到土壤样点的综合评价指数，然后运用ArcGIS软件将土壤样本点矢量化后用克里金插值法进行插值，并根据分级标准划分为清洁、轻微污染、轻度污染、中度污染和重度污染五个等级，绘制研究区表层土壤环境地球化学综合等级图；
所述步骤S2中所述的富硒土壤资源开发利用适宜性评价指标体系，由土壤富硒情况、地形坡度、土地利用类型、农业环境质量、生态保护区、永久基本农田六个指标构建而成；将土壤富硒情况、土地利用类型、生态保护三个评价因子划为正向因子，地形坡度、农业质量环境、永久基本农田三个评价因子划为负向因子，确定正向因子的最适生态位指数值为100，负向因子的最适生态位指数值为10；
所述步骤S2中所述的各评价指标的适宜性评价分值标准，土壤富硒情况的适宜性评价分值标准为：富硒土壤为100分，潜在富硒土壤为70分，足硒为40分，缺硒为10分；地形坡度的适宜性评价分值标准为：>25°为100分，15~25°为70分，6~15°为40分，<6°为10分；土地利用类型的适宜性评价分值标准为：耕地、园地为100分，林地、草地、其它农用地为70分；农业环境质量的适宜性评价分值标准为：重度污染为100分，中度污染为70分，轻度污染为40分，清洁和轻微污染为10分；生态保护指标的适宜性评价分值标准为：生态红线范围外为100分，生态红线范围内为10分；永久基本农田指标的适宜性评价分值标准为：基本农田划定范围外为100分，基本农田划定范围内为10分;
所述步骤S4中所述的划分评价结果是基于自然断点法将富硒土壤资源开发利用适宜性结果分级，分为高度适宜区、中度适宜区、轻度适宜区和不适宜区四个等级，再运用障碍因子模型计算得到各区的主导障碍因子，生成研究区富硒土壤资源开发利用适宜性分区图。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
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| "基于生态位适宜度变权法的东北典型黑土区耕地整治适宜性评价研究——以公主岭市为例";徐小千;《中国优秀硕士论文全文数据库》(第4期);第8-20页 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112598206A (zh) | 2021-04-02 |
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