基于gis的山區(qū)耕地生態(tài)適宜性評價模型構(gòu)建及應(yīng)用

基于gis的山區(qū)耕地生態(tài)適宜性評價模型構(gòu)建及應(yīng)用

0種植適宜性評價對云南農(nóng)業(yè)的重要意義【研究意義】玉米是云南省最大的種植水稻，占云南省種植面積的56%。由于受氣候、地形、生產(chǎn)水平等條件影響,云南省玉米單產(chǎn)水平的區(qū)域差異大,總體水平不高。因此對玉米種植適宜性進行評價,對指導(dǎo)云南山區(qū)、半山區(qū)作物種植,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】作物適宜性評價是進行生產(chǎn)區(qū)劃的重要手段,廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。近年隨著研究的深入,作物適宜性評價對象由基本糧油作物擴展到具有地方特色的名特優(yōu)作物和綠色農(nóng)產(chǎn)品1材料和方法1.1研究領(lǐng)域的總結(jié)尋甸縣位于東經(jīng)102°41′—103°33′,北緯25°20′—26°01′,區(qū)域面積3966km1.2評價單元的確定氣象數(shù)據(jù)包括2015—2017年的逐日平均溫度、逐日日照時數(shù)、日降水量(云南省尋甸縣43個氣象觀測點數(shù)據(jù));基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)包括1﹕50000尋甸縣的行政區(qū)劃圖、土壤類型分布圖、土地利用現(xiàn)狀圖、高程點數(shù)據(jù)、地貌類型圖、排澇圖、灌溉圖、面狀水系等;土壤屬性數(shù)據(jù)包括1146個采樣點的土壤質(zhì)地、pH、有機質(zhì)含量、有效磷含量、速效鉀含量、堿解氮含量等(2008年全國測土配方施肥數(shù)據(jù))。本研究使用ArcGIS將土地利用現(xiàn)狀、土壤類型、行政區(qū)劃進行疊加分析,提取耕地利用類型,獲得8415個不規(guī)則圖斑作為評價單元。將研究區(qū)采樣點的數(shù)值型評價指標進行空間插值分析,轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù);將概念型的評價指標由矢量轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù),最后通過柵格的統(tǒng)計分析獲得各評價單元各指標的數(shù)值。1.3評價指標體系的建立本研究通過WebofScience和CNKI數(shù)據(jù)庫檢索2008—2018年間關(guān)于玉米種植適宜性評價方面的中英文文獻,并從41篇英文、33篇中文中遴選和抽取23篇文獻,獲得37個評價指標。37個評價指標包含了中國農(nóng)業(yè)部全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心提供的耕地地力評價指標體系,涉及氣象、土壤養(yǎng)分、立地條件和土地管理4大類。圖1列出了其中頻度最高的20個指標,后經(jīng)11位專家結(jié)合云南實際情況對37個指標進行遴選、評價和打分,采用德爾菲法對打分情況進行統(tǒng)計分析,最終確定了18個評價指標構(gòu)建的評價指標體系(表1)。1.4單因素對玉米溫濕度適宜度模型的改進根據(jù)數(shù)據(jù)類型將生態(tài)適宜性評價指標分為數(shù)值型和概念型兩類。數(shù)值型因子可根據(jù)模型和函數(shù)進行定量計算,本研究數(shù)值型因子11項,包括氣象要素4個因子和表2所列7個因子。以往研究多采用隸屬度函數(shù)法進行評價,但氣象要素作為玉米生長發(fā)育影響最重要的要素,相關(guān)生理生態(tài)研究中越來越多地采用更加科學(xué)和精確的作物模型來量化。同時考慮到氣象因子年內(nèi)變化較大,而影響作物生長的僅僅為作物生育期內(nèi)的氣象條件,因此本研究應(yīng)用作物模型方法,以研究區(qū)玉米生育期內(nèi)(5—9月)氣象因子為評價指標溫度適宜度模型采用分段函數(shù)法降水量對玉米產(chǎn)量有著明顯的正效應(yīng)玉米是高光效的C當作物生長發(fā)育所需要的其他條件均得到滿足時,在一定溫度范圍內(nèi),氣溫和發(fā)育速度成正相關(guān),依據(jù)≥10℃積溫構(gòu)建積溫適宜度模型其余的數(shù)值型因子仍采用相對成熟的隸屬度函數(shù)法(表2)。對于定性描述和概念型評價因素,如排澇能力、成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、坡向、地貌類型等,采用模糊數(shù)學(xué)的思想,確定不同適宜性等級的隸屬度,用0—1之間的數(shù)值表示(表3)。1.5生態(tài)適宜性指數(shù)的計算根據(jù)各指標的隸屬度函數(shù),計算各指標適宜性。采用層次分析法,依據(jù)各指標權(quán)重計算氣象、土壤養(yǎng)分、立地條件、土地管理的適宜性指數(shù)(公式5),最后綜合計算玉米生態(tài)適宜性指數(shù)(公式6)。權(quán)重的計算采用層次分析法(AHP),根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型,在詢問專家的意見和打分基礎(chǔ)上構(gòu)造判斷矩陣,并對判斷矩陣進行一致性檢驗。當一致性檢驗值小于0.1時檢驗通過,最終得到各指標的權(quán)重分配表(表1)。式中,U為適宜性指數(shù),C為權(quán)重,U、U2適宜區(qū)的選取根據(jù)模型計算出的氣候條件、土壤養(yǎng)分、立地條件、土地管理和綜合評價結(jié)果。利用自然斷點法分類評價顯示土壤養(yǎng)分和土地管理兩類評價中80%以上為適宜或高度適宜區(qū)(圖2—3),而氣候和立地條件中的適宜、高適宜區(qū)占比較低,分別為58%和42%。氣候條件適宜區(qū)和高適宜區(qū)平均海拔為2158m;不適宜區(qū)主要分布在東、西部,平均海拔為2052m。立地條件不適宜區(qū)主要分布在中部以東地區(qū)。土壤養(yǎng)分不適宜區(qū)集中分布在西北到東南一線上。土地管理幾乎沒有不適宜區(qū)域。3本研究的結(jié)論需要利用具有更高的精確性和機理性本研究改進了玉米生態(tài)適宜性評價的指標選擇和隸屬度計算的方法,在指標選擇方面,系統(tǒng)分析了近10年文獻資料,結(jié)合國家標準、云南實際特點以及專家意見,從30多個指標中篩選出18個評價因子,評價指標的選擇比較客觀和全面。在隸屬度計算方面對氣象因子、非氣象類的數(shù)值型因子和概念型因子分別采用了不同的方法。對生理生態(tài)研究比較成熟的氣象因子,以玉米生育期內(nèi)的氣象條件取代全年數(shù)值,以基于生理生態(tài)的作物模型法取代傳統(tǒng)基于數(shù)理統(tǒng)計的隸屬度函數(shù)法,從而使評價更科學(xué),機理性更強。非氣象類的數(shù)值型因子則沿用相對成熟的隸屬度函數(shù)法。對土壤類型、質(zhì)地等概念型指標則基于前人研究進行了數(shù)值化。上述幾方面使本研究評價模型及結(jié)果具有更高的精確性和準確度?，F(xiàn)有研究劃分評價單元的方法主要有不同圖層疊加形成的圖斑作為評價單元、地形-母質(zhì)-土壤單元(即SOTER單元)作為評價單元和在GIS的支持下以不同精度的地理網(wǎng)格作為評價單元。云南山多地少,耕地資源相當匱乏且分散零星,若采取宏觀、集中連片的適宜性評價方法和簡單的柵格插值計算,評價結(jié)果與實際偏差很大,缺乏用地區(qū)域的空間細化信息。本研究將柵格插值與圖斑計算結(jié)合起來,用多個圖層相互疊加的圖斑作為評價單元,保證每一個圖版(評價單元)有唯一的多個字段的屬性值,克服了土地利用類型性質(zhì)上的不均一性和土壤類型地域邊界上的不一致性,不僅便于表達土壤空間分布與特性的空間關(guān)系,并能將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)緊密集成,保持信息的一致性。根據(jù)每個圖版的地類、土壤屬性、種植玉米的適宜性評價值,因地制宜,可精確地指導(dǎo)不同地塊的玉米種植技術(shù)和人為影響措施。評價結(jié)果可以反映研究區(qū)實際環(huán)境和生產(chǎn)水平。從結(jié)果分析來看,適宜性分區(qū)多呈碎片化,沒有明顯的規(guī)律性,這與袁磊等本研究在評價模型的算法和檢驗中仍存在不足,其中對土壤養(yǎng)分和立地條件的評價與氣候適宜性評價相比,精確性和機理性還有待于提高;另外研究僅以尋甸為案例進行了研究和應(yīng)用,今后還需要在更多地區(qū)通過更多試驗數(shù)據(jù)進行模型檢驗和算法改進。4評價單元的選擇本研究綜合氣候條件、土壤肥力、立地條件和土地管理4方面18個因子,應(yīng)用作物模型與隸屬度函數(shù)法構(gòu)建了玉米生態(tài)適宜性的評價模型,以土地利用、土壤類型