生态位模型对于农田建设适宜性的研究进展

生态位模型对于农田建设适宜性的研究进展

学 号:107331602146

指导教师:郭凤霞

院系:生命科学技术学院

姓 名:高婷

2016年 12月 21 日

甘肃农业大学

生态位模型对于农田建设适宜性的研究进展

摘要：土地利用对环境具有重要影响，土地利用与生境条件匹配越好，土地利用的环境脆弱性效应值会越低。生态位适宜度模型将土地利用对环境脆弱性的影响定量化。选择生态环境不同的区域，通过调查选择样地，构建各土地利用方式的生态位适宜度模型，在此基础上，对各土地利用生态单元的生态环境现实条件与现状土地利用方式所要求的最佳生态环境进行比较计算生态位适宜度，获得土地效应分布图。制定标准进行比较土地利用强度与土地利用环境脆弱性效应之间呈现的关系用于研究土地的合理利用与管理，防止土地退化和促进生态环境改善具有一定意义。利用生态位模型进行高标准基本农田建设适宜性评价，丰富了生态位理论在不同领域中的应用，同时也为高标准基本农田建设项目选址及规划方案设计提供了依据。

关键词：土地利用，生态位适宜度模型，环境脆弱性，适宜度评价

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Abstract:：land use has an important impact on the environment, land use and habitat conditions, better land use environment vulnerability effect value will be lower. The nichefitness model will be the impact of land use on quantitative environmental vulnerability. Choose different ecological environment regions, through the survey sample selection, construction of various land use the nichefitness model based on the calculated nichefitness best ecological environment of land use ecological environment conditions for each land use ecological unit status and requirements, access to land effect distribution. The relationship between the present standards of land use intensity and land use environment is fragile effect for rational utilization of land and management, to prevent land degradation and promote ecological environment has a certain significance to improve the niche model. The suitability evaluation of high standard basic farmland construction, which enriches the application of niche theory in different fields, also provides the basis for the selection of high standard basic farmland construction projects and the design of planning scheme.

Keywords: land use, niche suitability model, environmental vulnerability, suitability evaluation

1.前言

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开展农村土地整治，大规模建设旱涝保收高标准基本农田是我国重要的战略举措[1]，对于区域粮食保障能力提升与新型农业现代化推进具有重大的意义。国内自 2008 年《政府工作报告》首次提出要“建设一批高标准农田”后，2009 年和 2010 年中央 1 号文件、全国“十二五”规划纲要相继提出了高标准基本农田建设的相关要求。2012 年,《全国土地整治规划（2011－2015 年）》明确提出“十二五”期间我国新建 4 亿亩旱涝保收高标准基本农田和《高标准基本农田建设标准》（TD/T 1033－2012）的颁布实施。各地纷纷开展高标准基本农田的建设工作，但在建设过程中存在一些问题，如：资金投入与耕地资源禀赋不匹配，投资分散，综合效益难以发挥等问题[1]。产生这些问题的根本原因在于高标准基本农田建设项目在选址和规划上缺乏因地制宜的科学方法指导。因此，系统地开展高标准基本农田建设适宜性评价及障碍因子诊断研究，为高标准基本农田建设项目的选址和规划方案的设计提供技术支撑，已成为我国目前高标准基本农田研究领域的重要课题。

国内外学者从相关理论政策[1-3]、评价方法[4-7]的构建、建设模式分区和时序安排[8-11]等方面进行了有益探索。但是在高标准基本农田建设标准、整治的重点和方向方面还有待深入，而生态位理论作为生态学的重要理论之一[12]，可以通过最适生态位解释高标准基本农田的建设标准，用区域的现状条件和最适生态位之间的差异程度，来确定整治的重点和方向。近年来，随着对生态位理论研究的不断深入，其与土地资源的研究联系越来越紧密。因此，可以用来衡量土地利用的环境脆弱性效应。建立各土地利用方式的生态位适宜度模型，计算土地利用对环境脆弱性的影响程度，为平原生态环境脆弱区的环境保护和土地资源可持续利用提供科学的依据。

2.研究现况

2.1 研究区概况

国内外各个研究区由其所处的自然条件决定，同时也受人类活动的影响。为定量分析高标准基本农田建设的适宜性探索了一条新路，以期为科学编制土地整治规划，提高资金使用效率，确保建设项目顺利落地提供参考。

2.2 材料与方法的选择

根据生态位适宜性理论，每一土地利用方式都有对应的需求生态位，且不同的土地利用方式的需求生态位是不一样的。土地利用单元的立地环境部分构成现实生n 个环境因子的实测值分别记作x1,x2,?,xn,在n 维超体积空间中用点 Xi=(x1,x2,?,xn)表示，如果该点

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落入水稻田的需求生态位对应的超体积中，即 Xi∈En，则表示该单元的现实生态位能满足该土地利用方式的需求，因此在该土地利用影响下，生态环境能保持它的功能和稳定性，环境脆弱性正向发展，脆弱程度逐渐降低；如果该点没有落入水稻田的需求生态位对应的超体积中，即 Xi?En，表示立地环境条件不能满足水稻田的生态需求，两者关系处于不适宜状态，随着土地利用时间的推移，生态环境逆向退化，脆弱度提高。并且

Xi 与 En 的距离越远，土地利用对环境脆弱性的影响越强，脆弱度越高。因此，土地利用对环境脆弱性的影响程度可以用生态位适宜度值 Vf=(xi,En)衡量[3]。

2.3模型的构建

2.2.1 单因子土地利用生态位适宜度

土地利用对环境的要求通常可以分为 2 类，第 1 类是正向因子，即对于特定的土地利用，i 因子必须满足其最低要求，而且越丰富越好，如有机质含量；第 2 类是负向因子，如土壤含盐量。由于环境指标与土地利用的适宜生态位之间具有一定的模糊性，因此，研究中采用模糊数学方法表达各环境指标的生态位适宜度。第 1 种类型环境因子的生态位适宜度用戒下型函数表达[21]，建立函数公式为

? ?

0

x ≤ x1

fi? ?a ? x ) ? x1)? b x1? x ( x2 ? ?

1 /( x2 ? x2 （1） x ≥ x2

式中，fi 为第 i 种资源环境的生态位适宜度，x 为环境指标的现状值，x1 为 i 种资源环境要求的最低值，x2 为 k 种土地利用要求的理想值，a,b 为模型参数。

第 2 种类型的环境因子生态位适宜度?(xi,En)用戒上型函数表达，建立函数公式为

? ?

? x2

1

（2） 0

x ≤ x1

fi? ?a ( x? ? x1)? b x1? x x1) /( x2 ?

?

x ≥ x2

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对于很难用连续的数量来描述或表达的地貌类型、土壤质地和土壤剖面构型等环境因子，根据土地利用对环境的要求情况，采用 DELPHI 法对其生态位适宜度给予对应的表达。

2.2.2 土地利用环境脆弱效应综合评价模型

采用指数和法与Shefold 限制性定律相结合的方法构建土地利用生态单元的环境脆弱效应值模型，具体公式如下

?

n ?

1 n n ?i i

w?fLEVI ??? f i?

? i ?1 ? i?1

式中，LEVI 为土地利用生态单元的环境脆弱效应值，n为环境空间维数，fi 为第 i 个环境因子的土地利用生态位适宜度值。wi 为第 i 个环境因子的权重，采用 AHP 法确定。

2.3 数据收集与处理 2.3.1 材料

土地利用现状图：2007 年 1∶50 000 垦利县土地利用现状图。土地利用生态环境数据：地形地貌数据、土壤类型图、土壤质地及土体构型图、土壤含盐量分布图、土壤养分采样点数据、地下水矿化度、地下水埋深、种植制度等图件数据。其中前三项数据来源于第二次土壤普查资料。其他数据资料来源于 2007 年地力调查资料[5]。

2.3.2 数据处理

统一数学基础：所有数据均采用统一的投影方式和坐标系统，投影为高斯克吕格投影，北京 54 坐标，比例尺为 1∶50 000。土地利用方式的划分：纯天然的土地利用方式，如自然草场，湿地，水域，滩涂，自然保护区等，是自然演化的结果，因此其生态位适宜度都为 1，而盐碱地属过去人们不合理的土地利用行为造成的土地退化现象，生态位适宜度为 0。考虑目前人为活动影响下的土地利用方式，根据垦利县土地利用现状图确定本研究的土地利用方式为两大类：农用地和建设用地，建设用地对环境脆弱

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性的影响与农用地显著不同，因篇幅所限，将对其另文介绍，因此，本文以农用地为例，研究土地利用的环境脆弱性效应。根据种植制度将农用地细分为：水稻田、小麦田（种植小麦—玉米、小麦-棉花）、棉田（种植一季棉花）、林地（柽柳林、刺槐林）、园地（种植冬枣）、人工草地（种植苜蓿）。

对土壤养分采样点数据进行插值、图件资料进行栅格化及匹配等处理,建立研究区土地生态环境空间数据库。所以高标准基本农田建设须满足一些特定的条件，包括自然禀赋、基础设施、可持续性和空间稳定性等，它们共同构成一个生态因子空间。本研究基于区域范围内耕地的现实条件与高标准基本农田建设之间的匹配关系，当设定评价单元完全满足高标准基本农田建设条件时，该评价单元的生态位适宜度为 1。当评价单元完全不满足高标准基本农田建设条件时，该评价单元的生态位适宜度为 0。因此，高标准基本农田生态位适宜度的取值应在[0,1]之间。

3 土地利用需求生态位确定

土地利用需求生态位是由若干环境因子构成的一个多维空间，但获取所有的环境因子信息非常困难。因此，根据垦利县土地资源的基本状况，获取对土地利用影响大、差异大并且稳定性强的主导因素构成土地需求生态位。

各土地利用生态适宜位采用样地法确定。所谓样地，对农用地来说，指相对县域内其他地块来讲产出高且稳定的地块，实际操作中通过参考垦利县统计年鉴和多年的土地利用详查资料以及土地资源调查报告确定。然后，对样地的生态环境条件进行调查分析，并通过对当地问卷调查和征询专业技术人员的意见,确定相应土地利用的需求生态位。

这里还应该有障碍因子诊断模型构建，高标准基本农田项目的建设必须把握需求最迫切、影响地力提高的突出性障碍因素，制定有针对性的规划方案，解决主要问题[25]，以便于有针对性地在建设过程中消除障碍因子。

4 确定单因子土地利用生态位适宜度

1）定性数据的土地利用生态位适宜度采用 DELPHI 法对于地貌类型、土体构型和灌排保证率等定性数据的定量化评价。

2）土壤化学指标的土地利用生态位适宜度在这些指标中，土壤表层含盐量属戒上型指标，有机质、碱解氮、速效钾和速效磷皆属戒下型指标。

3）潜水埋深和地下水矿化度的环境脆弱性效应潜水埋深和地下水矿化度的环境脆弱性效应指对种植作物造成潜在盐碱化的高低，与作物根系活动层深度和土壤质地有关，

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参考目前研究成果，小麦的耐盐性为1‰～2‰；棉花为<4‰；苜蓿为 4‰～5‰；冬枣为 3‰～4‰；柽柳为 10‰～20‰。地下水上升高度（安全深度）：中壤 2～3 m；砂壤<2 m，黏土<1.7 m，重壤<1.7 m，轻壤 2.2 m。

通过与作物安全深度的比较来确定分值，潜水埋深小于 2 m 时，由于小于作物安全深度，盐碱化的危害大小与地下水矿化度和作物耐盐性决定，潜水埋深大于 2 m 时，由于高于作物安全深度，地下水对环境不会构成危害。潜水埋深大于 1 m 小于 2 m 时，由于不同质地土壤作物安全深度，盐碱化的危害受土壤质地、作物根系活动层深度、地下水矿化度和作物耐盐性综合影响。

5 实证研究进展

5.1土地利用环境脆弱效应值计算

利用国外先进研究方法，得到土地利用环境脆弱性指数，然后，采用等距法将土地利用的环境脆弱效应划分为 5 个级别：稳定(0.8,1]、较稳定(0.6,0.8]、临界脆弱(0.4,0.6]、较脆弱（0.2,0.4]、脆弱（0,0.2]，分布图和各级脆弱水平土地占农用地总面积的比例。 5.2评价单元的划分

高标准基本农田建设需落实到具体的地块，注重实际操作性，因此，本研究以地块即耕地图斑为评价单元。以各地各年土地利用变更数据库为基础，提取耕地图斑，把面积过小的图斑进行合并后得到高标准基本农田的评价单元图。

5.3高标准基本农田建设适宜性评价

高标准基本农田生态位是由若干因子构成的一个多维空间，但要获取所有评价因子比较困难，因此，在参考相关文献的基础上[4-11]，我们可以以自然禀赋、基础设施条件、高标准基本农田的可持续性和空间稳定性等 4 个方面构建评价指标体系，与高标准基本农田具有质量良好布局稳定、设施配套、可持续利用的特征相匹配，选取指标。

5.3评价因子最适值的确定

对高标准基本农田建设而言，每个评价因子都有一个最适的生态位值，其中土壤质地、有效土层厚度、土壤有机质含量、坡度、集中连片程度和 pH 值等指标最适值的确定根据《高标准基本农田建设标准》（TD/T 1033－2012）、《高标准农田建设标准》（NY/T 2148 8

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－2012）和《农用地质量分等规程》（GBT 28405－2012）。田间道路通达度、排水健全度、灌溉保证率、土地利用程度等指标属越大越好的指标直接按分值 100 分作为最适值。而土壤污染程度属越小越好的指标把 0作为最适值。城镇（县城、乡镇、产业集聚区）距离、距主干道距离最适值的确定根据现场调查确定。然后根据各个地方分别做不同调查[14-16]。

5.4 结论与讨论

从土地利用方式与生态环境脆弱性的关系来看，在农用地中，棉田占主导地位，垦利县园地、林地和牧草地占的比例较低，且都处稳定水平。棉田中临界脆弱的土地面积占所有临界脆弱水平土地面积的 66.9%，脆弱水平以下的土地面积占所有脆弱水平以下土地面积的85.3%，表明垦利县土地环境脆弱性度主要取决于旱地，是土地调整的重点。园地、牧草地和林地的生态环境效应值均在 0.5 以上，是与立地环境非常匹配的土地利用方式，这三类用地所占比率越高，整个县的生态环境会越稳定；反之，则逆向退化，脆弱度逐渐升高，说明这三类用地是降低垦利县环境脆弱性的最佳土地利用方式。土地利用的环境脆弱性效应与土地利用强度的关系。目前有成果的是土地利用方式的脆弱级数据及各类型对应的汇总数据计算各土地利用方式中临界脆弱水平以下的土地的内部比例为：水稻田的为 59%、麦田的为 59%，棉田的为 53%、园地的为 25%、林地的为 1%、牧草地的为 0%，目前研究成果认为土地利用方式的利用强度的高低一般为：水田、水浇地、旱地、园地、林地、牧草地。两者顺序一致，这一现象表明土地利用强度越高土地利用的环境脆弱度越高。

6.结束语

在全球和区域尺度上开展了卓有成效的工作，如 Kalnay 等研究了土地利用对地表温度的影响[3]，Sala 等对土地利用对生物多样性的影响进行了研究[4]，Solomon 等探索了土地利用/覆被变化对土壤有机质的影响[5]，Sliva等研究了土地利用变化对河流水质的影响[6]，Costanza 等人测算了全球 16 个不同土地利用/土地覆被类型对应生态系统的服务功能的经济价值[7]，Dale 对土地利用变化和全球气候变化的关系进行研究等

[8]

，还有些研究分析了土地利用变化对痕量气体排放和陆地生态系统碳密度的影响等。中国学者对区域土地利用的生态环境影响也进行了较为深入的研究。如傅伯杰等利

[9]

用景观学方法对黄土丘陵沟壑区土地利用结构与生态过程之间的作用关系进行了系统

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分析[10]。史培军等采用模型模拟了深圳市土地利用变化对流域径流的影响[11]。还有些学者特别关注喀斯特地区、西北干旱区和农牧交错带等生态脆弱区的土地利用变化的环境效应评估等[12-15]。从国际和国内研究看，目前绝大部分工作是针对土地利用对某一生态环境要素的效应展开，土地利用对生态环境的综合效应研究较少，对于不同的土地利用方式的生态环境因子权重确定和定性指标生态位适宜度的量化还是凭经验确定，因此，最后的分析结果避免不了人为因素的干扰，因此我们应加强这一方面的探索。

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