一种基于格网的农田化肥施用量时空格局分析与诊断方法

1.本发明涉及农田化肥施用量时空格局分析与诊断的技术领域，尤其涉及一种基于格网的 农田化肥施用量时空格局分析与诊断方法。


背景技术：

2.农作物健康生长离不开化肥的辅助，施肥也是最后取得丰收的关键环节和必要因素。但 是困难在处理农田化肥污染问题时缺乏科学数据及技术方法支持，无法获取精细化的农田化 肥施用量时空格局从而进行有针对性的分析和诊断。
3.近年来随着3s技术的快速发展，利用gis、rs(遥感)技术结合传统的分析进行土壤肥 力评估、灾害监测的研究有增多的趋势，为农田化肥施用量时空格局分析与诊断提供了一种 可能性的途径。但是梳理文献发现，更多的研究还是集中在灾害的评价上，如段胜武等(2012) 利用10km网格绘制了吉林省农业干旱旱灾风险区划图，并利用景观格局破碎度对风险时空 格局进行评价；王光朋等(2020)以1km
×
1km格网尺度为评价单元，采用基于组合权重的 模糊综合评价法对京津冀都市圈的洪涝灾害进行了风险等级划分，并采用统计数据中的历史 洪水和人员伤亡点位数据对风险评价结果进行了可靠性验证。在土壤肥力评估方面，已研究 表明，基于土壤有机质进行农田化肥施用量推荐具有可行性(benbi和chand，2007；杨帆等， 2017)。刘峰等(2022)基于土壤调查数据，采用90m
×
90m的栅格单位，对我国土壤ph、 有机碳等系列关键属性进行了三维制图和评价。这些研究主要集中于将数据空间分布进行展 示，缺乏针对性的数据和方法对农田化肥施用量的研究。因此，为了满足智慧农业发展和农 田化肥土壤污染防治的需求，急需新的、快速、精细化的技术方法对农田化肥施用量时空格 局分析与诊断。


技术实现要素：

4.针对目前农田化肥施用量数据精细化水平低且缺乏针对性分析的技术问题，本发明提出 一种基于格网的农田化肥施用量时空格局分析与诊断方法，通过对时序县域单元的农田化肥 施用量数据格网化处理，结合土壤有机质数据进行农田化肥施用量阈值的确定，充分发挥了 gis格网技术在农田化肥污染防治中的优势，实现格网尺度农田化肥施肥量的精细化时空格 局分析和诊断，降低了化肥使用的盲目性。
5.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于格网的农田化肥施用量 时空格局分析与诊断方法，包括以下步骤：
6.(1)获取时序县域单元农田化肥施用量数据；
7.(2)获取区域内县级行政区划数据；
8.(3)获取土壤有机质数据；
9.(4)基于gis技术将步骤(1)的时序县域单元农田化肥施用量数据与步骤(2)中区域 内县级行政区划数据耦合，得到耦合农田化肥施用量数据；
10.(5)利用空间插值法将耦合农田化肥施用量数据进行空间插值，采用重聚类方法
将空间 插值后的数据格网化为1km
×
1km，得到格网化农田化肥施用量数据；
11.(6)基于gis技术将步骤(3)的土壤有机质数据格网化为1km
×
1km，得到格网化土 壤有机质数据；
12.(7)基于格网化农田化肥施用量数据对农田化肥施用量时空格局进行分析；
13.(8)基于格网化土壤有机质数据建立改进型的曲线模型确定每个网格农田化肥施用量阈 值；
14.(9)基于每个网格农田化肥施用量阈值与格网化农田化肥施用量数据进行比较，实现农 田化肥施用量诊断。
15.优选地，所述时序县域单元农田化肥施用量的数据包括2012-2021年各县/市/区农田化肥 施用量数据，并按照县/市/区整理储存为excel表格。
16.优选地，所述步骤(4)中耦合的方法为：用arcgis软件打开.shp格式的区域内县级行 政区划数据，利用join功能，依据县/市区名将步骤(1)的excel表格数据耦合到.shp格式的 区域内县级行政区划数据中，形成一个新的格式为.shp的数据文件，得到耦合农田化肥施用 量数据文件。
17.优选地，所述步骤(5)中的空间插值法为克里格空间插值法，克里格空间插值法将耦合 农田化肥施用量数据文件中2012-2021年各年度各县/市/区农田化肥施用量数据分别进行空间 插值，分别命名为a
2012
、a
2013
、
……a2020
数据文件，然后采用重聚类方法将插值结果格网化 为1km
×
1km，命名为a’2012
、a’2013
、
……
a’2020
数据文件，相对应的每个格网农田化肥施用 量的值记为a’2012ij
、a’2013ij
……
a’2021ij
，i和j分别为第i行第j列的格网位置。
18.优选地，所述克里格空间插值法的计算方法为：
[0019][0020]
其中，z
*
(x0)是待估点x0处的估计值，z(xi)是xi处农田化肥施用量统计值，xi表示位置，λi是分配给每个统计值的权重且∑λi＝1；n是参与待估点x0估值的实测值的数目。
[0021]
优选地，所述步骤(6)中得到格网化土壤有机质数据的方法为：用arcgis软件中打开 步骤(3)的.mdb格式的土壤有机质数据，采用重聚类方法将土壤有机质数据格网化为1km
ꢀ×
1km，数据文件命名为s，相对应的每个格网有机质值记为s
ij
，单位为g/kg，i和j分别为 第i行第j列的格网位置。
[0022]
优选地，所述步骤(8)中农田化肥施用量阈值的确定方法为：
[0023]
基于1km
×
1km格网的农田化肥施用量t
ij
和有机质s
ij
数据，通过改进型的曲线模型建 立农田化肥施用量t
ij
和有机质s
ij
之间的关系，所建立的改进型的曲线模型如下：
[0024][0025][0026]
式中，e为自然底数，β
ij
为残差、用来校正所建立模型；h
ij
为每个格网农田化肥施用量 的平均值。
[0027]
优选地，所述步骤(9)中农田化肥施用量诊断的方法为：将步骤(5)得到的每个格网 农田化肥施用量的值a’2012ij
、a’2013ij
……
a’2021ij
采用栅格计算方法进行平均的平均值hij
，单 位为kg/亩；将平均值h
ij
与步骤(8)中的每个网格农田化肥施用量阈值t
ij
进行减法运算， 差值记为m
ij
；
[0028]
如果差值m
ij
＞0，说明该格网农田化肥施用量超过了阈值，应该对化肥施用量进行控制， 预防土壤化肥污染；如果差值m
ij
≤0，说明农田化肥施用量在阈值范围内。
[0029]
优选地，所述平均值：
[0030][0031]
所述差值m
ij
＝h
ij-t
ij
。
[0032]
本发明的有益效果：本发明基于时序县域单元的农田化肥施用量数据，采用格网技术对 数据进行处理，充分掌握农田化肥施用量的时空变化格局，并将代表土壤肥力的土壤有机质 数据作为参考进行农田化肥施用量的指导，充分发挥了gis格网技术在农田化肥污染防治中 的优势，实现格网尺度农田化肥施肥量的精细化时空格局分析和诊断，降低了化肥使用的盲 目性，为土壤污染防治提供科学的数据和技术支撑。
[0033]
与现有技术相比，本发明提出的技术方案充分考虑了农田化肥施用量的空间相关性，在 省、市、县等较大尺度上，突破了行政区域的限制，格网尺度实现了更具有针对性的农田化 肥施用量时空格局分析和诊断，既提高了工作效率，也能够有效地提高农田化肥污染防治的 准确性与精度。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术 描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一 些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些 附图获得其他的附图。
[0035]
图1为本发明的流程示意图。
[0036]
图2为本发明格网土壤有机质空间的分布示意图。
[0037]
图3为本发明农田化肥施用量平均值空间分布图。
具体实施方式
[0038]
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付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。
[0039]
如图1所示，一种基于格网的农田化肥施用量时空格局分析与诊断方法，包括如下步骤：
[0040]
(1)获取时序县域单元农田化肥施用量的数据
[0041]
从河南省统计局网站下载2012-2021年各县(市/区)农田化肥施用量数据，并按照县(市 /区)整理，储存为excel表格。
[0042]
(2)获取河南省县级行政区划数据
[0043]
从地理国情数据云平台下载河南省县级行政区划数据，格式为.shp。
[0044]
(3)获取土壤有机质数据
[0045]
从国家地球系统科学数据中心下载土壤有机质数据，格式为.mdb。
[0046]
(4)基于gis技术将时序县域单元农田化肥施用量数据与河南省内县级行政区划数据耦 合，得到耦合农田化肥施用量数据。
[0047]
用arcgis软件中打开步骤(2)的.shp格式数据，利用软件的join功能，依据县(市/ 区)名将步骤(1)的excel数据耦合到.shp格式数据中，形成一个新的格式为.shp的数据文 件，命名为a数据文件。将两个数据进行耦合的好处是使得行政区划数据的位置信息赋予时 序县域单元农田化肥施用量数据。
[0048]
(5)利用空间插值法将耦合农田化肥施用量数据进行空间插值，采用重聚类方法将空间 插值后的数据格网化为1km
×
1km，得到格网化农田化肥施用量数据。
[0049]
在步骤(4)的基础上，采用克里格空间插值技术将a数据文件中2012-2021年各县(市 /区)农田化肥施用量数据进行空间插值，分别命名为a
2012
、a
2013
、
……a2020
数据文件，然 后采用重聚类方法将插值结果格网化为1km
×
1km，命名为a’2012
、a’2013
、
……
a’2020
数据文 件，相对应的每个格网农田化肥施用量的值记为a’2012ij
、a’2013ij
……
a’2021ij
，i和j分别为第i 行第j列的格网位置，i、j的取值范围分别为[1，625,]和[1，549]。
[0050]
所述空间插值方法计算公式为：
[0051][0052]
其中，z
*
(x0)是待估点x0处的估计值，z(xi)是农田化肥施用量统计值，λi是分配给每个 统计值的权重且∑λi＝1。n是参与待估点x0估值的实测值的数目，λi与x0位置距离越远， 值越小，取值范围一般为[0，1]，n一般取值为[12，15]。
[0053]
所述空间插值的作用使得每个1km
×
1km格网具有精细化的农田化肥施用量数据，突破 了一个县只有一个值的局限性。本步骤重聚类的作用是使得农田化肥施用量数据统一到1km
ꢀ×
1km格网尺度。
[0054]
(6)基于gis技术将步骤(3)的土壤有机质数据格网化为1km
×
1km，得到格网化土 壤有机质数据。
[0055]
用arcgis软件中打开步骤(3)的.mdb格式数据，采用重聚类方法将土壤有机质数据格 网化为1km
×
1km，数据文件命名为s，相对应的每个格网有机质值记为s
ij
，单位为g/kg， i和j分别为第i行第j列的格网位置。格网土壤有机质空间分布图见图2。本步骤重聚类的作 用是使得土壤有机质数据统一到与农田化肥施用量数据相同的1km
×
1km格网尺度。
[0056]
(7)基于格网化农田化肥施用量数据对农田化肥施用量时空格局进行分析。
[0057]
将步骤(5)得到的每个格网农田化肥施用量的值a’2012ij
、a’2013ij
……
a’2021ij
格网化数据 采用栅格计算方法进行平均，得到农田化肥施用量时空格局分布图见图3，每个1km
×
1km 结果记为平均值h
ij
，单位为kg/亩。h
ij
计算公式如下：
[0058][0059]
从图3可知，河南省农田化肥施用量时间上呈现逐年减少的趋势，空间上呈现出东高西 低、从南到北递减的时空格局。此时空格局分析为对后续农田化肥施用量阈值确定进行模型 校正提供数据支撑。
[0060]
(8)基于格网化土壤有机质数据确定每个网格农田化肥施用量阈值
[0061]
基于步骤(6)得到的每个格网有机质值s
ij
，对每一个1km
×
1km格网的农田化肥施用 量进行阈值确定，记为t
ij
，单位为kg/亩，i和j分别为第i行第j列的格网位置。
[0062]
所述农田化肥施用量阈值的确定方法为：基于1km
×
1km格网的农田化肥施用量t
ij
和 有机质s
ij
数据，通过改进曲线拟合模型建立二者之间的关系，所建立的模型如下：
[0063][0064][0065]
式中，e为自然底数，β
ij
为残差，用来校正所建立模型。
[0066]
土壤有机质是土壤肥沃程度的综合指示性指标，利用有机质确定农田化肥施用量阈值综 合考虑了土壤环境条件，可以消除单一指标带来的不确定性。
[0067]
(9)基于每个网格农田化肥施用量阈值与格网化农田化肥施用量数据进行比较，实现农 田化肥施用量诊断。
[0068]
将步骤(7)得到的每个格网农田化肥施用量平均值h
ij
，与步骤(8)中的每个格网农田 化肥施用量阈值t
ij
进行减法运算，差值记为m
ij
。m
ij
的计算公式如下：
[0069]mij
＝h
ij-t
ij
[0070]
如果m
ij
＞0，说明农田化肥施用量超过了阈值，应该对化肥施用量进行控制，预防土壤 化肥污染；如果m
ij
≤0，说明农田化肥施用量在阈值范围内。
[0071]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。