中国北方耕地种植强度时空动态特征及其驱动因素研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院空天信息创新研究院) | 被引量 : 0次 | 上传用户:li_uwx
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遥感作为新的对地观测技术,以其高时效、低成本、大范围等特点被广泛应用于区域乃至全球农情监测与农业可持续发展研究。研究对中国北方耕地信息、种植强度(cropping intensity,CI)等开展变化监测与评估,探究其动态变化的主要影响因素,结果有利于北方农牧交错区贫瘠耕地资源的合理利用、农业发展决策的科学制定和敏感生态环境的有效保护,对确保SDGs“消除饥饿,实现粮食安全、改善营养和促进可持续农业”目标的实现具有重要意义。研究以中国北方耕地一熟制和两熟制过渡区(主要包括北京市、天津市、甘肃省、陕西省、山西省和河北省)为对象,开展其长时间序列耕地及其CI信息的遥感监测,分析了耕地一年两熟种植北界空间分异特征的主要影响要素。工作内容包括:基于Google Earth Engine(GEE)平台在遥感大数据处理与分析上的优势,利用多源多分辨率卫星遥感影像构建耕地遥感识别特征集,通过随机森林分类器获取了研究区2000–2020年共11期的耕地信息;在此基础上,结合MODIS NDVI时间序列遥感数据产品,采用二次差分法以耕地复种指数(multiple cropping index,MCI)为衡量指标探析了近20年研究区耕地种植强度信息提取;基于研制生产的研究区耕地CI空间分布数据产品,采用核密度估算法和Densi-Graph法计算得到了区域耕地一年两熟种植范围及其北界的时空分布信息,并基于多元数据采用Pearson相关分析和地理探测器模型分析了影响该区域一年两熟种植北界分布的自然环境和人类活动因子,探测各自的影响强度。本研究得出的结论主要包括以下三点:(1)研究基于改进随机森林分类器的完成了2000-2020年研究区耕地信息精细刻画方法。本研究在GEE平台上利用Landsat和Sentinel卫星影像数据,研制生产了11期耕地遥感产品,总体精度优于90%,Kappa系数超过0.80,与官方统计数据中的耕地面积相比,整体精度在65~80%之间,说明本研究结果可靠。在空间分布上,研究区耕地资源具有明显的优势地貌特征,主要分布于海拔低于3500m、坡度<15°、地形位指数<1.24的平原和丘陵区域,其分布重心位于山西省离石县境内(111°25′25″–111°36′8″E、37°20′29″–37°26′16″N之间),近20年间以613.33m/a的速度向西南方向迁移了12.88km。在时间变化上,2000–2020年耕地资源总面积呈小幅度减少的趋势,2000年最大,为3014.09万hm~2,2020年减少了188.17万hm~2,2000–2020年耕地利用动态度为-0.31%,呈小幅度减少趋势,除陕西省以外,研究区内各省、直辖市耕地面积均呈减少趋势。(2)研究以MCI为衡量指标,实现了基于MODIS植被指数和Landsat/Sentinel-2耕地面积信息融合的耕地CI长时间序列遥感监测。基于长时间序列动态变化的30m空间分辨率耕地信息和作物物候特征能在一定程度上提高长时间序列耕地MCI遥感反演的精度,获得研究区2000–2020年更准确的耕地CI信息和时空变化特征。结果表明,本研究获取的MCI与基于统计数据计算的MCI具有良好的一致性,约有87.88%的MCI遥感反演精度超过80%。在空间分布上,研究区耕地MCI整体上呈东南高西北低的趋势,其中河北省的MCI平均值最高,达到127.93%。在时间变化上,2000–2020年研究区MCI为200%的耕地面积呈现波动升高的态势,年均增长约为0.4%(r=0.0.82,P<0.001),其中北京市和陕西省一年两熟种植面积占比呈降低趋势,而天津市、河北省、山西省、甘肃省则呈增加趋势。(3)研究基于MCI空间分布,探测了一年两熟种植北界变动的敏感地理区域,并基于地理探测器和Pearson相关系数诠析了北界时空演变的主要驱动因子。基于2000–2020年研究区耕地CI信息得到的一年两熟种植北界界线主要在33°34′20″N–40°40′40″N,102°42′28″E–119°48′14″E之间变动,呈现先南移后北移的动态变化特征(南移的幅度和距离较北移更大),其空间分异格局和时空变化特征受自然要素和人类活动双重因素的共同影响。利用Pearson相关性分析发现,自然要素因子中3月平均气温和潜在蒸散发对研究区一年两熟种植北界时间变化特征的影响最大,Pearson相关系数(r)分别为-0.692、-0.622,人类活动要素中农业机械总动力对其影响最大,r为0.387;利用地理探测器模型分析发现,地貌类型、坡度、生长季平均气温和7月平均气温则对研究区一年两熟种植北界空间分异格局影响较为强烈,最大q值达0.173,其中地貌类型与≥10℃积温的组合解释力达22.3%,到道路距离、到水系的距离、人口密度之间与其他因子的交互作用影响力相对较低,最弱解释能力为1.1%。
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