CN116267382A - 一种林下调水-保土-固碳的生态复合利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种林下调水‑保土‑固碳的生态复合利用方法，包括以下步骤：S1，林地选择；S2，整地；S3，选择林下作物；S4，耕地和草带配置。本发明通过无人机采集的图像确定的区域在林下分段种植草带，能够通过草带固持水土，保护生态环境，解决了林下清杂后水土流失的问题，同时优化林地空间结构，合理利用水热肥资源，保证生态效益与经济效益双收。
Description
技术领域
本发明涉及一种生态环境技术领域，特别是涉及一种林下调水-保土-固碳的生态复合利用方法。
背景技术
三峡库区位于川东平行岭谷区、大巴山褶皱带和川鄂湘黔隆起褶皱带三大构造单元交汇处，地貌类型复杂多样，地形起伏大，且库区内坡耕地面积广，土地利用强度大，农业生产方式粗放，土壤抗蚀性能低，再加上该地属于亚热带湿润性季风气候，年降雨量高，侵蚀性降雨集中，在人类活动与自然环境的双重影响下三峡库区成为长江经济带和长江上游水土流失最为严重的区域。但同时三峡库区是长江上游重要生态屏障区，是全国水资源战略储备库，水土流失降低土地质量和生产力，产生洪涝灾害；泥沙迁移输送为环境污染物提供载体，严重威胁三峡水库及其下游流域水环境安全和水生态健康。
近30年来，三峡库区相继实施了长江流域防护林体系建设、天然林资源保护、退耕还林还草、石漠化综合治理等林草重点生态工程。整体生态环境得到初步改善，但部分林地生态效益低下。库区现有水土流失面积1.59万km2，占库区土地总面积的34.49％，水土流失率远高于全国的平均水平，水土流失依旧严重，如何提高现有林地的生态效益成为了当前需要解决的重要问题之一。此外，大面积的“退耕还林”还导致了库区农民耕地资源紧张，农民的农业生计用地需求与当前生态保护修复的需求产生矛盾，如何利用有限的土地资源最大化提高农民的经济收益成为另一个需要攻克的难点。
因此，本发明针对三峡库区部分林地生态效益低下的问题以及当前生态保护修复需求与农民农业生计用地需求资源相冲突的问题，设计了一种草带和耕地相结合的林下种植方法，发挥林下经济潜力，既可增加地表粗糙度，增大降水入渗，减少径流侵蚀，防控水土流失，又能提高土地利用率，增加农户耕地面积，提高农户经济收入。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种林下调水-保土-固碳的生态复合利用方法。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种林下调水-保土-固碳的生态复合利用系统，包括无人机，所述无人机包括无人机本体，在无人机本体内设置有用于固定安装印制电路板的印制电路板固定安装座，印制电路板固定安装在印制电路板固定安装座上，在印制电路板上设置有控制器、GPS模块和无线传输收发模块；GPS模块用于定位无人机所在地理位置，无线传输收发模块用于无人机与云平台实现数据交互，控制器用于对无人机的控制和处理以及对其他数据的处理，控制器的位置数据端与GPS模块的位置数据端相连，控制器的数据收发端与无线传输收发模块的数据收发端相连；还包括设置在无人机本体上的摄像头，摄像头用于拍摄无人机飞行正下方的图像，摄像头的图像数据端与控制器的图像数据端相连；无人机根据云平台规划的飞行路径将拍摄的图像数据传输给云平台，云平台根据无人机拍摄的图像数据确定林下待种植的区域。
本发明还公开了一种林下调水-保土-固碳的生态复合利用方法，包括以下步骤：
S1，林地选择；
S2，整地；
S3，选择林下作物；
S4，耕地和草带配置。
在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S1中，林地选择包括以下步骤：
S11，云平台对无人机采集的图像数据进行色彩辨别：
若无人机采集的图像数据为彩色图像，则将彩色图像转换为灰色图像；将彩色图像转换为灰色图像的方法包括以下步骤：
S111，将图像形成图像阵列：
其中，RGB(1,1)表示在第1行第1列所在像素点的RGB值；
RGB(1,2)表示在第1行第2列所在像素点的RGB值；
RGB(1,3)表示在第1行第3列所在像素点的RGB值；
RGB(1,X)表示在第1行第X列所在像素点的RGB值；X表示图像横向像素点总个数；
RGB(2,1)表示在第2行第1列所在像素点的RGB值；
RGB(2,2)表示在第2行第2列所在像素点的RGB值；
RGB(2,3)表示在第2行第3列所在像素点的RGB值；
RGB(2,X)表示在第2行第X列所在像素点的RGB值；
RGB(3,1)表示在第3行第1列所在像素点的RGB值；
RGB(3,2)表示在第3行第2列所在像素点的RGB值；
RGB(3,3)表示在第3行第3列所在像素点的RGB值；
RGB(3,X)表示在第3行第X列所在像素点的RGB值；
RGB(Y,1)表示在第Y行第1列所在像素点的RGB值；Y表示图像纵向像素点总个数；
RGB(Y,2)表示在第Y行第2列所在像素点的RGB值；
RGB(Y,3)表示在第Y行第3列所在像素点的RGB值；
RGB(Y,X)表示在第Y行第X列所在像素点的RGB值；令x＝1，y＝1；
S112，GRAY(y,x)＝R(y,x)×r+G(y,x)×g+B(y,x)×b，
其中，GRAY(y,x)表示在第y行第x列所在像素点的RGB值替换为灰色值；
R(y,x)表示在第y行第x列所在像素点的R值；
G(y,x)表示在第y行第x列所在像素点的G值；
B(y,x)表示在第y行第x列所在像素点的B值；
r表示R值的比例系数；0≤r≤1；
g表示G值的比例系数；0≤g≤1；
B表示B值的比例系数；0≤b≤1；且r+g+b＝1；
S113，判断x与X间的大小关系：
若x<X，则x＝x+1；返回步骤S112；
若x≥X，则执行下一步；
S114，判断y与Y间的大小关系：
若y<Y，则y＝y+1；x＝1；返回步骤S112；
若y≥Y，则执行下一张图像；直至采集的图像数据均为灰色图像后，执行下一步；
若无人机采集的图像数据为灰色图像，则执行下一步；
S12，将同一时刻同一角度的P张灰色图像转换为灰色统一图像，将同一时刻同一角度的P张灰色图像转换为灰色统一图像的方法为：
S121，令p＝1，x′＝1，y′＝1；x″＝1，y″＝1；
S122，将GRAYp(y′,x′)放入第y′行第x′列集合中；GRAYp(y′,x′)表示同一时刻同一角度的第p张灰色图像在第y′行第x′列所在像素点的灰色值；
S123，判断p与P间的大小关系：
若p<P，则p＝p+1；返回步骤S122；
若p≥P，则p＝1；执行下一步；
S124，判断x′与X间的大小关系：
若x′<X，则x′＝x′+1；返回步骤S122；
若x′≥X，则x′＝1；执行下一步；
S125，判断y′与Y间的大小关系：
若y′<Y，则y′＝y′+1；返回步骤S122；
若y′≥Y，则执行下一步；
S126，将第y″行第x″列集合{GRAY1(y″,x″),GRAY2(y″,x″),GRAY3(y″,x″),...,GRAYP(y″,x″)}中的灰色值按照从大到小的顺序依次排列，GRAY1(y″,x″)表示同一时刻同一角度的第1张灰色图像在第y″行第x″列所在像素点的灰色值，GRAY2(y″,x″)表示同一时刻同一角度的第2张灰色图像在第y″行第x″列所在像素点的灰色值，GRAY3(y″,x″)表示同一时刻同一角度的第3张灰色图像在第y″行第x″列所在像素点的灰色值，GRAYP(y″,x″)表示同一时刻同一角度的第P张灰色图像在第y″行第x″列所在像素点的灰色值；
S127，
其中，GRAY′(y″,x″)表示灰色统一图像中在第y″行第x″列所在像素点的灰色值；
GRAYi′(y″,x″)表示第y″行第x″列集合{GRAY1(y″,x″),GRAY2(y″,x″),GRAY3(y″,x″),...,GRAYP(y″,x″)}中的灰色值按照从大到小的顺序依次排列后处于i位的灰色值；
min表示第y″行第x″列集合{GRAY1(y″,x″),GRAY2(y″,x″),GRAY3(y″,x″),...,GRAYP(y″,x″)}中的灰色值按照从大到小的顺序依次排列后处于min位的灰色值；max<min<P；一般的，max＝2，min＝P-1；
max表示第y″行第x″列集合{GRAY1(y″,x″),GRAY2(y″,x″),GRAY3(y″,x″),...,GRAYP(y″,x″)}中的灰色值按照从大到小的顺序依次排列后处于max位的灰色值；
S128，判断x″与X间的大小关系：
若x″<X，则x″＝x″+1；返回步骤S126；
若x″≥X，则执行下一步；
S129，判断y″与Y间的大小关系：
若y″<Y，则y″＝y″+1；x″＝1；返回步骤S126；
若y″≥Y，则执行下一步；
S13，将灰色值处于第一设定灰度阈值和第二设定灰度阈值之间的像素点作为待选择区域，第二设定灰度阈值大于第一设定灰度阈值。
在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S1中，选择的林地应为坡度30°以下的人工林，郁闭度60％～80％。
在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S2中，整地包括清杂、开挖排水沟和开垦耕地，即清理林地碎石、灌丛杂物、在林地的四周开挖排水沟和在林下坡地上沿等高线构建若干横坡。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤S3中，耕地种植作物为适宜林下温度、湿度的耐阴作物。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤S4中，耕地和草带配置中草带应紧邻耕地的下坡面，宽度应不小于50cm；耕地沿坡面的宽度应小于被改造坡面的细沟侵蚀发生临界长度的坡长。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤S4中，草带的种类可为林下自然生长草类，或是人工移植适宜草类。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明通过无人机采集的图像确定的区域在林下开垦耕地，提高土地利用率，增加耕地面积，改善农村经济发展，减缓人地矛盾；在林下分段种植草带，能够通过草带固持水土，保护生态环境，解决了林下清杂后水土流失的问题，同时优化林地空间结构，合理利用水热肥资源，保证生态效益与经济效益双收；构建实现了生态保护与种植模式相结合，是环境友好、生态健康、可持续利用的水土流失防控和耕地种植方案，同时增加了林地多种经营和生物多样性，促进生态农业向优发展。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明构建的林下种植平面示意图。
图2是图1的纵剖面示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以三峡库区的典型退耕林地为实施例，进一步说明防控水土流失的林下种植方法的具体实施方式：
该区域属于亚热带湿润性季风气候，年均气温18.2℃，无霜期340d，年降水量1172.1mm，雨季集中在5～9月。属于丘陵低山地貌，海拔117～1680m。土壤类型主要为紫色土，具有结构水稳性差，遇水极易分散、崩解等特点，为易蚀性土壤。此区重要的社会特点是人地矛盾突出和经济水平落后。大面积退耕还林导致区内可耕地面积急剧减少，进一步加剧了矛盾。针对三峡库区部分林地生态效益低下和耕地紧张的问题发明一种退耕林下调水-保土-固碳的种植方法。
本实施例选择三峡库区的典型“退耕还林工程”种植的银杏-香樟混交林地，坡度为15度，坡向朝东，树龄为21年，林分相对密度为65％，由于其树形巨大的特点，林地盖度约为85％，树高15～25m。
清除林地中的灌木、石块等杂物，保留地表生长杂草。由于该人工林生长速度快，林下灌丛较少，但杂草丰富，因此草带可选用原位生长草本植物加以修整后利用，未经过移栽扰动的草带固土效果更好。
以三峡库区坡耕地细沟发生临界坡长进行整地，通过分析三峡库区近10年的降雨数据和土壤条件，根据细沟发生的临界坡长公式：
IR＝aJ2-bJ+c，
式中IR为临界坡长，单位为米，J为坡度，单位为度，范围为0～90°，a表示坡度二次系数，单位为m/°2(米每平方度)，范围为0.0075～0.010，优选0.0084，b表示坡度一次系数，单位为m/°(米每度)，范围为0.50～0.60，优选0.59，c表示坡长系数，单位为m，范围为10.00～12.00，优选11.24。本实例涉及的15°坡度的退耕林地计算得出细沟发生的临界坡长为4.28m，即IR＝0.0084*152-0.59*15+11.24＝1.89-8.85+11.24＝4.28。
草带可通过物理、生物、化学等作用将坡面径流泥沙拦截、吸收和过滤，具有减缓径流流速、减少地表坡面水土流失量和增加土壤抗侵蚀能力的功效。但草带对地表坡面减流、减沙效益主要受降雨强度、草带空间分布、草带宽度、坡度等因素的影响。位于坡面中下部的草带水土保持功效显著高于坡面中上部分，草带宽度也会显著影响减沙效益，试验得出75cm宽度的草带减沙效益均高于50cm和100cm宽度草带，这是因为草带过窄过滤泥沙效果不明显，而草带过宽将上方径流所携带的泥沙过滤充分，水流变得清澈，导致径流通过草带后挟沙能力变大，并且径流在草带上汇集形成集中流增大径流对草带下方的剥蚀率，因此基于以上结论本实例的草带宽度设置为75cm。
由于本实例是在10m×3m的径流小区内进行，考虑到样地规格且坡长不能大于细沟侵蚀临界坡长，因此将耕地长度设置4.25m，草带宽度为0.75m。
以径流小区顶端为起点，清理径流小区内0～4.25m和5～9.25m的地面杂草和枯枝落叶，在两小块耕地的下坡保留0.75m的原始草地即坡面4.25～5m和9.25～10m位置，拦截上坡泥沙，如图1和2所示。为清晰的了解该实例的水土保持效果，另在该径流小区旁边设置同等大小全裸对照组，即全部清理完地面杂草、杂物等。
下面结合实验数据对本发明作进一步描述。
表1两种模式坡面径流量和泥沙流失量的对比
由表1可知，退耕林下采取种植草带的技术，起到有效的减流减沙效果，可在相似区域推广本发明专利的种植改造技术，起到防治林地水土流失同时增加耕地面积之效用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种林下调水-保土-固碳的生态复合利用系统，包括无人机，所述无人机包括无人机本体，在无人机本体内设置有用于固定安装印制电路板的印制电路板固定安装座，印制电路板固定安装在印制电路板固定安装座上，在印制电路板上设置有控制器、GPS模块和无线传输收发模块；控制器的位置数据端与GPS模块的位置数据端相连，控制器的数据收发端与无线传输收发模块的数据收发端相连；还包括设置在无人机本体上的摄像头，摄像头的图像数据端与控制器的图像数据端相连；其特征在于，无人机根据云平台规划的飞行路径将拍摄的图像数据传输给云平台，云平台根据无人机拍摄的图像数据确定林下待种植的区域。
2.一种林下调水-保土-固碳的生态复合利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，林地选择；
S2，整地；
S3，选择林下作物；
S4，耕地和草带配置。
3.根据权利要求2所述的林下调水-保土-固碳的生态复合利用方法，其特征在于，在步骤S1中，林地选择包括以下步骤：
S11，云平台对无人机采集的图像数据进行色彩辨别；
S12，将同一时刻同一角度的P张灰色图像转换为灰色统一图像；
S13，将灰色值处于第一设定灰度阈值和第二设定灰度阈值之间的像素点作为待选择区域，第二设定灰度阈值大于第一设定灰度阈值；根据待选择区域获取待选择区域的位置。
4.根据权利要求2所述的林下调水-保土-固碳的生态复合利用方法，其特征在于，在步骤S1中，选择的林地应为坡度30°以下的人工林，郁闭度60％～80％。
5.根据权利要求2所述的林下调水-保土-固碳的生态复合利用方法，其特征在于，在步骤S2中，整地包括清杂、开挖排水沟和开垦耕地，即清理林地碎石、灌丛杂物、在林地的四周开挖排水沟和在林下坡地上沿等高线构建若干横坡。
6.根据权利要求2所述的林下调水-保土-固碳的生态复合利用方法，其特征在于，步骤S3中，耕地种植作物为适宜林下温度、湿度的耐阴作物。
7.根据权利要求2所述的林下调水-保土-固碳的生态复合利用方法，其特征在于，步骤S4中，耕地和草带配置中草带应紧邻耕地的下坡面，宽度应不小于50cm；耕地沿坡面的宽度应小于被改造坡面的细沟侵蚀发生临界长度的坡长。
8.根据权利要求2所述的林下调水-保土-固碳的生态复合利用方法，其特征在于，步骤S4中，草带的种类可为林下自然生长草类，或是人工移植适宜草类。
9.根据权利要求2所述的林下调水-保土-固碳的生态复合利用方法，其特征在于，步骤S2中，整地坡长与坡度的关系为：
IR＝aJ2-bJ+c，
其中，IR为临界坡长；
J为坡度。
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2023
- 2023-02-16 CN CN202310122663.XA patent/CN116267382A/zh active Pending
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