專利名稱：一種基于土壤屬性空間分布的農(nóng)業(yè)面源磷污染估算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于面源污染管理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種簡單快捷的農(nóng)業(yè)面源污染的估算方法，尤其涉及一種基于土壤屬性空間分布的農(nóng)業(yè)面源磷污染估算方法。
背景技術(shù)：
農(nóng)業(yè)面源污染是指在農(nóng)田耕作等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，化肥、農(nóng)藥、土壤流失與農(nóng)業(yè)廢棄物等，在降水(灌溉)過程中，隨著地表徑流和地下滲漏等水文過程，攜帶污染物質(zhì)流入水體，進而發(fā)生污染。我們水資源的時空差異和高強度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加劇了農(nóng)業(yè)面源污染的程度，在工業(yè)點源和生活污染源得到有效的控制下面源的貢獻率達到40%-65%，迫切需要對農(nóng)業(yè)面源污染進行有效的估算和管理。現(xiàn)階段的面源污染研究中，野外實地監(jiān)測和模型模擬是最為主要的管理評估手段。隨著人們對面源污染認識的逐步深入，發(fā)現(xiàn)面源具有隨機性、廣泛性、滯后性、不確定性等特點。進行野外實地監(jiān)測往往需要長時間尺度和大范圍空間尺度的密集監(jiān)測，勞動強度增大、效率降低、周期延長、成本耗費大，使得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲得較為困難。因此，野外實地監(jiān)測在面源污染研究中多數(shù)情況下僅是作為一種輔助手段，主要用于各類面源模型的驗證和模型參數(shù)的校正。模型模擬在進行面源污染的量化研究以及影響評價和污染治理中，是比較直接和有效的研究方法。模型的優(yōu)勢在于可以在不需要野外實地面源污染監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況下，借助氣候、地形、土地利用、農(nóng)田管理等現(xiàn)成數(shù)據(jù)，對面源污染進行時間和空間序列上的模擬，可以直觀估算面源污染的負荷量及空間分布。模型模擬相較于野外實地監(jiān)測，有工作量小、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)易獲取、結(jié)果直觀可信等優(yōu)勢，但模型模擬也存在自身的缺陷:首先，每一次的模型模擬仍然需要詳細的氣象、土地利用、水文數(shù)據(jù)做支撐，在無資料地區(qū)的面源污染模擬中，數(shù)據(jù)是制約模型模擬的瓶頸；2.模型是對現(xiàn)實的近似模擬，由于模型本身的設(shè)計和機理缺陷以及各種不確定性因素對模型模擬精度的影響，模型模擬的并不能做到對現(xiàn)實情況百分百的模擬。鑒于這兩種面源污染評價方法有其各自的局限性，因此，為了更有效、快速地估算農(nóng)業(yè)面源污染負荷，有必要在野外實地監(jiān)測和模型模擬之外，建立一種行之有效的便捷的估算方法:在數(shù)據(jù)詳實的典型區(qū)域模擬基礎(chǔ)上，建立模型磷污染模擬結(jié)果與土壤屬性空間分布的響應關(guān)系，在相似區(qū)域通過現(xiàn)有或者實地監(jiān)測的土壤屬性空間分布情況反推農(nóng)業(yè)面源磷污染的負荷。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的:本發(fā)明的目的是提供一種基于土壤屬性空間分布的農(nóng)業(yè)面源磷污染估算方法，根據(jù)本發(fā)明，在建立土壤屬性空間分布與模型模擬的面源污染負荷響應關(guān)系的基礎(chǔ)上，只需獲取區(qū)域土壤屬性空間分布情況，即可快速有效地預測估算該研究區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的負荷。2、技術(shù)方案:本發(fā)明可通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
本發(fā)明一種基于土壤屬性空間分布的農(nóng)業(yè)面源磷污染估算方法，該方法具體步驟如下:步驟一:土壤屬性空間分布與面源污染負荷響應關(guān)系的建立( I)典型小研究區(qū)域選擇典型小研究區(qū)域的選擇是本發(fā)明實施方案的第一步，也是關(guān)鍵的一步。典型的小研究區(qū)應具備以下幾項基本特征:①區(qū)域較為典型，具備所研究大區(qū)域的地形、氣候、水文等基本特征，涵蓋大區(qū)域所有的土壤種類、土地利用種類；②區(qū)域氣象、地形地貌、水文數(shù)據(jù)完備，模型模擬精度高現(xiàn)有土壤屬性數(shù)據(jù)齊全或交通便利土壤樣品容易獲取。同時具有以上三種特征的小區(qū)域方能被選為建立土壤屬性與面源污染負荷空間分布響應的典型研究區(qū)。(2) 土壤屬性空間分布小研究區(qū)選定之后，需要對研究區(qū)內(nèi)土壤屬性的空間分布做詳細的分析。數(shù)據(jù)的收集工作是這一步驟中的核心步驟。一般情況下，在當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)部門保存有大量的土壤基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)足夠做土壤屬性的空間分布分析。如果現(xiàn)有資料不全，需要實地對研究區(qū)內(nèi)的土壤進行取樣分析。土樣的采集方法采用網(wǎng)格布點，在網(wǎng)格內(nèi)選定干擾較小的典型田塊，記錄其經(jīng)緯度、周圍地貌、去年種植作物種類和坡度等，并采用S路線進行耕作層土壤的采集。對土壤的基本理化性質(zhì)及土壤有機質(zhì)、氮磷等營養(yǎng)元素及重金屬元素等土壤屬性相關(guān)指標進行實驗測定。土壤數(shù)據(jù)測得之后，采用Gis中空間插值方法對土壤屬性進行空間插值，獲取空間分布信息?？臻g插值是根據(jù)已知的空間數(shù)據(jù)估計未知空間數(shù)據(jù)值的數(shù)學方法，已經(jīng)應用于土壤養(yǎng)分空間分異研究的插值方法主要是Kriging插值和BP神經(jīng)網(wǎng)絡法。本研究推薦選用Kriging方法對區(qū)域土壤的有機質(zhì)及氮、磷等屬性進行空間插值，得到具有空間連續(xù)數(shù)據(jù)的土壤屬性數(shù)據(jù)層。(3)典型區(qū)面源污染SWAT模型模擬通過對有關(guān)當?shù)夭块T和農(nóng)戶的調(diào)查，補充整理有關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，包括區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況、灌排方式、施肥方式以及社會經(jīng)濟條件等；收集研究區(qū)農(nóng)業(yè)氣象方面的資料，為數(shù)據(jù)分析提供背景氣象資料；運用環(huán)境遙感技術(shù)，解譯Landsat TM數(shù)據(jù)獲得研究區(qū)土地利用圖，分析區(qū)域內(nèi)各種土地利用的空間分布特征，建立模型所需的土地利用數(shù)據(jù)庫；以中科院南京土壤所提供的1:100萬土壤類型分布圖為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場土壤樣品試驗，建立模型所需土壤數(shù)據(jù)庫。在模型數(shù)據(jù)庫建立之后，運用分布式水文模型SWAT作為面源模擬工具，將土壤屬性、土地利用和氣象等數(shù)據(jù)輸入模型系統(tǒng)，進行適當?shù)膮?shù)率定和調(diào)整之后，對研究區(qū)的面源磷污染負荷進行時空分布模擬。(4) 土壤屬性與面源污染負荷空間分布響應關(guān)系建立由于農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源是水田和旱田，將這兩種土地利用類型占主要優(yōu)勢的子流域的各土壤屬性與模型模擬的面源污染結(jié)果相對應，利用主成分分析的方法找出可以能為估算面源磷污染提供最多信息量的幾種屬性，以此為依據(jù)建立土壤屬性空間分布與面源污染之間的響應關(guān)系。步驟二:待估算區(qū)域土壤樣品采集與檢測同步驟一中的(2)相似，通過歷史數(shù)據(jù)收集和現(xiàn)場實驗，得出步驟一(4)中篩選出的土壤屬性的空間分布情況。步驟三:農(nóng)業(yè)面源污染負荷估算根據(jù)篩選出的土壤屬性的空間分布與響應關(guān)系估算出研究區(qū)域的面源磷污染負荷。步驟一的(4)中篩選出了提供面源污染信息量最多的幾種土壤屬性，通過步驟二中測得的土壤屬性分布規(guī)律，可以估算出該區(qū)域面源污染的狀況。3、優(yōu)點及功效:本發(fā)明一種基于土壤屬性空間分布的農(nóng)業(yè)面源磷污染估算方法，其優(yōu)點是:其一，這種方法只需建立響應關(guān)系，即可將之推廣到相似區(qū)域的面源污染估算中，簡單方便；其二，這種方法只需現(xiàn)場采集并檢測土壤屬性即可快速估算面源污染的負荷；其三，這種估算方法不完全基于簡單的數(shù)字模擬，有更深層的機理分析，結(jié)果較為準確。


圖1為基于土壤屬性空間分布的農(nóng)業(yè)面源污染估算方法的流程框2為水田子流域面源磷污染負荷與土壤屬性關(guān)系示意3為旱田子流域面源磷污染負荷與土壤屬性關(guān)系示意4為面源磷污染負荷與土壤0_20cm總磷相關(guān)性示意5為面源磷污染負荷與土壤0_20cm鋅相關(guān)性示意6為面源磷污染負荷與土壤20_40cm鉻相關(guān)性示意7為面源磷污染負荷與土壤20_40cm銅相關(guān)性示意圖
具體實施例方式本發(fā)明提出的面源污染估算方法，是一種從當前土壤屬性出發(fā)，通過結(jié)合土壤屬性與模型模擬的污染負荷結(jié)果的響應關(guān)系，快速估算面源污染負荷的方法。見圖1，本發(fā)明一種基于土壤屬性空間分布的農(nóng)業(yè)面源磷污染估算方法，該方法具體步驟如下:步驟一:本案例選擇東北地區(qū)典型的商品糧生產(chǎn)基地八五九農(nóng)場內(nèi)阿布膠河小流域作為實例分析。在本實例中土壤屬性的獲取主要來自農(nóng)場土壤的歷史資料整理和現(xiàn)場土壤樣品采集?，F(xiàn)場樣品采集以農(nóng)場范圍內(nèi)1.5km的網(wǎng)格布點，一共采集了 30個點各兩層(0-20cm, 20_40cm)的土壤樣品，分析檢測有效磷(Available phosphorus, AP)、總磷(Totalphosphorus, TP)、總氮(Total nitrogen, TN)、總鉀(Total K, TK)等八個物理屬性。通過結(jié)合農(nóng)場歷史土壤數(shù)據(jù)，對土壤屬性進行空間插值，得到土壤屬性的空間分布特征。分別通過遙感解譯，資料收集及農(nóng)戶調(diào)查，建立SWAT模型模擬所需的土壤、土地利用、氣象、農(nóng)田管理數(shù)據(jù)庫，在參數(shù)率定與驗證的基礎(chǔ)上運用模型對該區(qū)域的面源磷污染負荷進行時空分布模擬，分別輸出礦物質(zhì)磷(Sediment P)、有機磷(Organic P)、總磷(TP)的模擬結(jié)果，得到此三種形態(tài)磷污染負荷的空間分布情況。鑒于分兩層的8種土壤屬性的統(tǒng)計過程較繁復，需要從中篩選出最能影響面源磷污染的因子；又加之面源污染的主要來源是水田和旱田。最終以模型劃分的子流域作為研究的最小單元，將這兩種土地利用類型占主要優(yōu)勢的各子流域的模型模擬結(jié)果與土壤屬性空間分布數(shù)據(jù)進行主成分性分析，以此為基礎(chǔ)，挖掘出影響磷污染的主要土壤屬性。分析結(jié)果表明:前兩個主成分在水田和旱田的表層總共貢獻了 86.3%,87.2%的信息量，在次表層(20-40cm)分別貢獻了 64.5%和73.4%的信息量(見圖2、圖3)。在水田部分，表層的AP、TP、SOC、Zn屬性能用以估算面源磷污染，在次表層Cu、Cr、SOC可作為可靠的估算因子；在旱田部分，TP、Zn可以作為表層的估算因子，Cu、Cr、AP是次表層的主要貢獻因子。總體來看，表層的TP和Zn，次表層的Cu和Cr可以作為快速估算該區(qū)域面源污染的土壤屬性。通過對篩選出來的4種屬性與面源磷污染兩種形態(tài)的相關(guān)關(guān)系可以驗證主成分分析的結(jié)果，這4種屬性均與面源磷污染有著較高的相關(guān)性(見圖4-圖7)，也就是說在該區(qū)域及相似區(qū)域只需要獲取表層的TP和Zn，次表層的Cu和Cr的數(shù)據(jù)就能大致地估算出該區(qū)域的面源磷污染負荷。步驟二:待估算區(qū)域土壤樣品采集與檢測同步驟一中的(2)相似，通過歷史數(shù)據(jù)收集和現(xiàn)場實驗，得出步驟一(4)中篩選出的土壤屬性的空間分布情況。步驟三:農(nóng)業(yè)面源污染負荷估算根據(jù)篩選出的土壤屬性的空間分布與響應關(guān)系估算出研究區(qū)域的面源磷污染負荷。步驟一的(4)中篩選出了提供面源污染信息量最多的幾種土壤屬性，通過步驟二中測得的土壤屬性分布規(guī)律，可以估算出該區(qū)域面源污染的狀況。這里，只需得到如步驟一中獲得的某研究區(qū)的表層的TP和Zn，次表層的Cu和Cr的分布數(shù)據(jù)，即可獲取該區(qū)域面源污染磷負荷的空間分布情況。
權(quán)利要求
1.一種基于土壤屬性空間分布的農(nóng)業(yè)面源磷污染估算方法，其特征在于:該方法具體步驟如下: 步驟一:土壤 屬性空間分布與面源污染負荷響應關(guān)系的建立 (1)典型小研究區(qū)域選擇 典型小研究區(qū)域的選擇是實施方案關(guān)鍵的一步；典型的小研究區(qū)應具備以下幾項基本特征:①區(qū)域較為典型，具備所研究大區(qū)域的地形、氣候和水文基本特征，涵蓋大區(qū)域所有的土壤種類、土地利用種類；②區(qū)域氣象、地形地貌、水文數(shù)據(jù)完備，模型模擬精度高；③現(xiàn)有土壤屬性數(shù)據(jù)齊全或交通便利土壤樣品容易獲??；同時具有以上三種特征的小區(qū)域方能被選為建立土壤屬性與面源污染負荷空間分布響應的典型研究區(qū)； (2)土壤屬性空間分布 小研究區(qū)選定之后，需要對研究區(qū)內(nèi)土壤屬性的空間分布做詳細的分析；數(shù)據(jù)的收集工作是這一步驟中的核心步驟，一般情況下，在當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)部門保存有大量的土壤基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)足夠做土壤屬性的空間分布分析；如果現(xiàn)有資料不全，需要實地對研究區(qū)內(nèi)的土壤進行取樣分析，土樣的采集方法采用網(wǎng)格布點，在網(wǎng)格內(nèi)選定干擾較小的典型田塊，記錄其經(jīng)緯度、周圍地貌、去年種植作物種類和坡度，并采用S路線進行耕作層土壤的采集；對土壤的基本理化性質(zhì)及土壤有機質(zhì)、氮磷營養(yǎng)元素及重金屬元素的土壤屬性相關(guān)指標進行實驗測定；土壤數(shù)據(jù)測得之后，采用GIS中空間插值方法對土壤屬性進行空間插值，獲取空間分布信息；空間插值是根據(jù)已知的空間數(shù)據(jù)估計未知空間數(shù)據(jù)值的數(shù)學方法，已經(jīng)應用于土壤養(yǎng)分空間分異研究的插值方法主要是Kriging插值和BP神經(jīng)網(wǎng)絡法；推薦選用Kriging方法對區(qū)域土壤的有機質(zhì)及氮、磷等屬性進行空間插值，得到具有空間連續(xù)數(shù)據(jù)的土壤屬性數(shù)據(jù)層； (3)典型區(qū)面源污染SWAT模型模擬 通過對有關(guān)當?shù)夭块T和農(nóng)戶的調(diào)查，補充整理有關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，包括區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況、灌排方式、施肥方式以及社會經(jīng)濟條件；收集研究區(qū)農(nóng)業(yè)氣象方面的資料，為數(shù)據(jù)分析提供背景氣象資料；運用環(huán)境遙感技術(shù)，解譯Landsat TM數(shù)據(jù)獲得研究區(qū)土地利用圖，分析區(qū)域內(nèi)各種土地利用的空間分布特征，建立模型所需的土地利用數(shù)據(jù)庫；以中科院南京土壤所提供的1:100萬土壤類型分布圖為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場土壤樣品試驗，建立模型所需土壤數(shù)據(jù)庫；在模型數(shù)據(jù)庫建立之后，運用分布式水文模型SWAT作為面源模擬工具，將土壤屬性、土地利用和氣象數(shù)據(jù)輸入模型系統(tǒng)，進行參數(shù)率定和調(diào)整之后，對研究區(qū)的面源磷污染負荷進行時空分布模擬； (4)土壤屬性與面源污染負荷空間分布響應關(guān)系建立 由于農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源是水田和旱田，將這兩種土地利用類型占主要優(yōu)勢的子流域的各土壤屬性與模型模擬的面源污染結(jié)果相對應，利用主成分分析的方法找出可以能為估算面源磷污染提供最多信息量的幾種屬性，以此為依據(jù)建立土壤屬性空間分布與面源污染之間的響應關(guān)系； 步驟二:待估算區(qū)域土壤樣品采集與檢測 同步驟一中的(2)相似，通過歷史數(shù)據(jù)收集和現(xiàn)場實驗，得出步驟一(4)中篩選出的土壤屬性的空間分布情況； 步驟三:農(nóng)業(yè)面源污染負荷估算根據(jù)篩選出的土壤屬性的空間分布與響應關(guān)系估算出研究區(qū)域的面源磷污染負荷；步 驟一的(4)中篩選出了提供面源污染信息量最多的幾種土壤屬性，通過步驟二中測得的土壤屬性分布規(guī)律，估算出該區(qū)域面源污染的狀況。
全文摘要
一種基于土壤屬性空間分布的農(nóng)業(yè)面源磷污染估算方法，該方法有三大步驟步驟一土壤屬性空間分布與面源污染負荷響應關(guān)系的建立，包含典型小研究區(qū)域選擇、土壤屬性空間分布、典型區(qū)面源污染SWAT模型模擬和土壤屬性與面源污染負荷空間分布響應關(guān)系建立；步驟二待估算區(qū)域土壤樣品采集與檢測；步驟三農(nóng)業(yè)面源污染負荷估算。根據(jù)本發(fā)明，在建立土壤屬性空間分布與模型模擬的面源污染負荷響應關(guān)系的基礎(chǔ)上，只需獲取區(qū)域土壤屬性空間分布情況，即可快速有效地預測估算該研究區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的負荷。它在面源污染管理技術(shù)領(lǐng)域里具有較好的應用前景。
文檔編號G06F19/00GK103106347SQ201310061140
公開日2013年5月15日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者歐陽威, 黃浩波, 郝芳華, 郭波波, 王雪蕾 申請人:北京師范大學