基于衛(wèi)星遙感影像的興化市棉花混合輪作水平分析

基于衛(wèi)星遙感影像的興化市棉花混合輪作水平分析

先進的衛(wèi)星遙感技術在大地理上的調查收獲的輪盤栽培模式是一個不斷改進和推廣的栽培模式。發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化和推廣栽培模式的重要手段和工具。相應的研究成果不僅促進了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，而且對控制農(nóng)業(yè)污染和保護農(nóng)村生態(tài)環(huán)境具有重要意義。江蘇省里下河農(nóng)區(qū)是中國著名的棉花、水稻、小麥以及油菜的生產(chǎn)基地,特別是豐富的水資源使稻棉輪作成為該區(qū)域水旱輪作的典范,棉花、水稻以及其他旱作作物的用肥量和用藥量均為較低水平與該區(qū)域廣泛實施的輪作栽培方式有密切關系。然而,在水旱輪作資源豐富的區(qū)域,旱旱輪作方式對于像棉花這樣的水旱輪作典型作物是否必要,輪作的水平如何等一直未得到科學調查和探討。本研究在已有文獻報道方法的基礎上以里下河農(nóng)區(qū)的典型區(qū)域興化市為例,擬運用基于衛(wèi)星遙感及統(tǒng)計分析的方法,探明該區(qū)域棉花的水旱輪作(稻棉輪作)以及旱旱輪作(棉花與其他旱作輪作)的輪作水平。1材料和方法1.1水旱輪作區(qū)域試驗區(qū)域江蘇省興化市,地處江淮之間、蘇北里下河腹部,總面積2393km2,轄45個鄉(xiāng)鎮(zhèn),耕地1.3×105hm2,境內河網(wǎng)縱橫,湖蕩密布,河道總長近11000km,其中骨干河道22條,總長649.84km,陸地面積和水域面積分別占73%和27%,水旱輪作資源十分豐富,年產(chǎn)糧食約1.1×106t,棉花約4×104t,與水稻、棉花同期生長且可輪作的旱作物有玉米、山芋、大豆、蔬菜等。稻棉輪作是該區(qū)域具有代表性的主要輪作栽培模式,其經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益均較高。長期以來,受稻棉輪作占主導地位的傳統(tǒng)習慣的影響,盡管旱旱輪作也是該區(qū)域棉花輪作方式,但這種方式實施的范圍和強度,特別是與水旱輪作方式相比一直未有客觀的報道,由于輪作是該區(qū)域化肥、農(nóng)藥消耗量低,農(nóng)業(yè)污染輕,生態(tài)環(huán)境好的主要原因之一,而該區(qū)域的農(nóng)戶普遍種植水平高,能夠根據(jù)各種情況科學調整各種作物的輪作方式,在數(shù)百年時間里這些寶貴的農(nóng)田耕種知識的傳承積累,使該區(qū)域的棉花輪作以高水平方式運行,因此研究并挖掘該區(qū)域的“原生態(tài)”棉花輪作模式,評估其水旱和旱旱輪作水平意義重大。1.2學習方法1.2.1作物遙感影像已運行多年的美國陸地衛(wèi)星是對研究區(qū)域作物植被進行有效觀測的衛(wèi)星,由于氣候條件的影響,使獲取滿足要求的連續(xù)年份的作物遙感影像十分困難。根據(jù)對研究區(qū)域過去10年的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的分析,利用現(xiàn)有的歷史影像數(shù)據(jù),確定軌道號分別為11937(2001年7月26日)和11937(2002年7月29日)的陸地衛(wèi)星影像符合要求,該影像的分辨率為30m×30m,并向中國遙感衛(wèi)星地面站定購。1.2.2解譯過程中對棉、水稻和其他作物的檢測,其過程主要考采用IMAGINE8.4軟件對定購的遙感影像解譯。棉花、水稻和其他輪作作物解譯的4個步驟為:首先對原始遙感影像進行預處理,包括幾何校正、線性拉伸增強等以保證解譯精度,其次根據(jù)野外實地調查的資料確定相應的棉花、水稻和其他作物的解譯標志,建立相關的影像分類解譯訓練樣區(qū),然后再運用IMAGINE8.4軟件對預處理的影像進行監(jiān)督分類,從中提取棉花、水稻和其他作物的空間信息,并且通過人機交互不斷修正訓練樣區(qū)以及按鄉(xiāng)分類等方法提高分類精度,在監(jiān)督分類之后,人工檢驗解譯的棉花、水稻和其他作物的正確性,必要時對解譯結果進行修正,最后生成棉花、水稻和其他相關作物的矢量化圖件,并通過地理信息系統(tǒng)(GIS)對該圖件進行處理以獲得相關的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。1.2.3興化市輪作周期計算根據(jù)已有的研究結果,只需要連續(xù)兩年(如第i年和第i+1年)衛(wèi)星遙感影像監(jiān)測數(shù)據(jù),就可以構建出水旱和旱旱輪作水平評估模型,以此來計算興化市某鄉(xiāng)鎮(zhèn)(j)的棉花水旱和旱旱輪作周期、由M個鄉(xiāng)鎮(zhèn)構成的整個興化市棉花的水旱和旱旱輪作周期評估模型為:某鄉(xiāng)鎮(zhèn)(j)棉花的水旱輪作周期:RLCRij=CAij/RA(i+1)j;某鄉(xiāng)鎮(zhèn)(j)棉花的旱旱輪作周期:RLCOij=CAij/OA(i+1)j;某鄉(xiāng)鎮(zhèn)(j)棉花的混合輪作周期:RLCMIXij=CAij/(RA(i+1)j+OA(i+1)j);興化市棉花的水旱輪作周期:RLCRMi=Σj=1MCAij2/(RA(i+1)jΣj=1MCAij)RLCRΜi=Σj=1ΜCAij2/(RA(i+1)jΣj=1ΜCAij);興化市棉花的旱旱輪作周期:RLCOMi=Σj=1MCAij2/OA(i+1)jΣj=1MCAijRLCΟΜi=Σj=1ΜCAij2/ΟA(i+1)jΣj=1ΜCAij;興化市棉花的混合輪作周期:RLCMIXMi=Σj=1MCAij2/[RA(i+1)j+OA(i+1)j]Σj=1MCAijRLCΜΙXΜi=Σj=1ΜCAij2/[RA(i+1)j+ΟA(i+1)j]Σj=1ΜCAij;以上模型中,M代表興化市鄉(xiāng)鎮(zhèn)總數(shù);CAij代表某鄉(xiāng)鎮(zhèn)(j)在第i年棉花的種植面積;RA(i+1)j為某鄉(xiāng)鎮(zhèn)(j)在CAij中第i+1年水稻的種植面積;OA(i+1)j為某鄉(xiāng)鎮(zhèn)(j)在CAij中第i+1年其他作物的種植面積;水旱和旱旱輪作周期的計算單位均為年。上述計算結果表示在同一地塊上種植水稻或旱作物之前連續(xù)種植棉花的時間長度。興化市的棉花水旱輪作周期RLCRMi和旱旱輪作周期RLCOMi實際上是分別由各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水旱輪作周期RLCRij和旱旱輪作周期RLCOij加權求和得到的,即每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)棉花的水旱和旱旱輪作周期均乘以相應的權重系數(shù),然后求和,而權重系數(shù)為該鄉(xiāng)鎮(zhèn)的第i年的棉花面積在所有M個鄉(xiāng)鎮(zhèn)第i年棉花總面積中所占的比重,這里采用加權求均值,而不是直接用M個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的輪作周期的平均值求興化市的輪作周期,主要是考慮當各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)棉花面積差別較大時,應該使棉花面積大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)的輪作周期對整個興化市輪作周期的貢獻更大,即權重有助于控制由面積大小產(chǎn)生的機會變差的影響,減少空間抽樣及統(tǒng)計的誤差,這種加權處理使計算出的輪作周期更具有科學性和更加合理。根據(jù)計算的輪作周期即可評估棉花的水旱和旱旱輪作水平:棉花的輪作周期短,則輪作水平高;棉花的輪作周期長,則輪作水平低。2結果2.1水旱和旱輪作周期考慮在興化市45個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中有些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的衛(wèi)星影像受到技術因素的影響而無法解譯,所以根據(jù)上述輪作水平評估模型,利用2001年和2002年連續(xù)兩年的衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù),計算出興化市38個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和整個興化市棉花的水旱和旱旱輪作周期(表1)。2.2棉田花茶的水旱輪作周期由表1可知:興化市棉花的水旱輪作周期為2.09年,在相關的38個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中,有52.6%共20個鄉(xiāng)鎮(zhèn)棉花的水旱輪作周期低于2.09年,而有47.4%共18個鄉(xiāng)鎮(zhèn)高于這個值,標準差為0.2095,說明盡管各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的棉花水旱輪作水平不均勻,但大致相同;興化市棉花的旱旱輪作周期為3.38年,在相關的38個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中,有71.1%共27個鄉(xiāng)鎮(zhèn)棉花的旱旱輪作周期低于3.38年,而有28.9%共11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)高于這個值,標準差為0.5665,說明各鄉(xiāng)鎮(zhèn)棉花的旱旱輪作水平分布更加不均勻,由于標準差度量了關于平均數(shù)的散布程度,而棉花旱旱輪作周期的標準差約是水旱輪作周期的3倍,這一事實說明棉花的水旱輪作具有更好的穩(wěn)定性,是主流輪作方式;而旱旱輪作的地位則居其次,且更多地受環(huán)境因素的影響。根據(jù)對試驗區(qū)域農(nóng)業(yè)部門提供的數(shù)據(jù)分析:大約有70%棉花的水旱輪作周期為2年,其余約30%的水旱輪作周期為1.00年或3.00年,興化市棉花水旱實際輪作平均周期為2年,這一數(shù)據(jù)與上述興化市棉花水旱輪作周期2.09年相當接近,也符合徐光啟的2.00～3.00年的說法。與傳統(tǒng)輪作周期4.00～5.00年相比,興化市棉花水旱輪作周期為2.09年,表明研究區(qū)域棉花的水旱輪作處于較高水平狀態(tài)。關于傳統(tǒng)的棉花水旱輪作區(qū)域棉花的旱旱輪作周期在歷史文獻中沒有更多的記載,興化市棉花的旱旱輪作周期3.38年基本上在徐光啟的2.00～3.00年以及傳統(tǒng)的4.00～5.00年的水旱輪作周期范圍內,說明從輪作強度上講,旱旱輪作也是一種普遍施行的棉花輪作方式,即目前在傳統(tǒng)的棉花水旱輪作區(qū)域實際上實施的是水旱與旱旱混合輪作。根據(jù)在研究區(qū)域了解到的情況,旱旱輪作作為水旱輪作的補充,除了有經(jīng)濟方面的原因外,在生態(tài)方面也有明顯的優(yōu)勢,或許就是這種混合輪作方式能夠存在的根本原因,也是棉花栽培模式發(fā)展進步的結果。這種混合輪作方式對于在該區(qū)域減少農(nóng)藥使用量、發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、增加農(nóng)戶經(jīng)濟收入極為有利。興化市棉花混合輪作周期為1.24年表明,與棉花輪作周期的極限值1年相比,該區(qū)域棉花輪作的強度已相當高,幾乎每隔1年都要實施水旱或旱旱輪作,與常規(guī)的4.00～5.00年輪作周期相比,其強度提高了約3.63倍,即每隔1年輪作已成為棉花種植的必不可缺的環(huán)節(jié)。2.3水旱與旱旱輪作周期的比較綜合分析結果對興化市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)棉花水旱和旱旱輪作水平的評估結果(圖1)顯示:從總體上看,旱旱輪作周期普遍高于水旱輪作周期,兩種輪作方式明顯互補,如出現(xiàn)旱旱輪作峰值的鄉(xiāng)鎮(zhèn)(大營、戴窯、東鮑、老圩、劉陸、沈論、新垛、昭陽、竹泓共9個)的水旱輪作周期位于較低的谷值;出現(xiàn)水旱輪作周期峰值的鄉(xiāng)鎮(zhèn)(昌榮、戴南、蕩朱、垛田、海南、李健、林潭、舍陳、陶莊、永豐、中堡共11個)的旱旱輪作周期位于較低的谷值。同樣,數(shù)值分析也支持這一結論,如對各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水旱和旱旱輪作周期分別求均值后,再求水旱與旱旱輪作周期的均值,即可獲得各鄉(xiāng)水旱與旱旱輪作周期的均值為2.65年,標準差為0.1030,與水旱輪作的標準差0.2095以及旱旱輪作的標準差0.5665的49.16%和18.18%,這種標準差大幅度下降同樣也說明研究區(qū)域棉花的水旱與旱旱輪作的互補現(xiàn)象是客觀存在的,而且十分明顯。根據(jù)觀察到和分析出的這種峰谷互補現(xiàn)象,可以認為研究區(qū)域的水旱與旱旱輪作是互為補充的,這一結論與我們從研究區(qū)域調查到的結論相一致。此外,實地調查也表明,該研究區(qū)域作為老棉區(qū),棉花的輪作水平與棉花的枯萎病和黃萎病的發(fā)生存在明顯的相關性,輪作周期長(3.00年以上)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)比輪作周期短(2.50年以下)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)病嚴重,前者發(fā)病率為13%～20%,后者發(fā)病率為3%～10%。連年連作是導致枯萎病和黃萎病普遍發(fā)生的根本原因,而科學地進行棉花輪作則是防治枯萎病和黃萎病的關鍵,按照棉花輪作水平評估結果,有針對性地提高輪作水平較低鄉(xiāng)鎮(zhèn)的輪作水平,再結合品種結構的調整以及加強田間管理,即可在研究區(qū)域范圍內科學地防治枯萎病和黃萎病。2.4對稻棉輪作周期的確定對評估模型合理性的研究包括理論分析和實地調查驗證兩個方面。理論分析的主要工作是從原理上證明評估模型的正確性,文獻的統(tǒng)計方法在此也證明了上述評估模型的正確性;實地調查驗證的主要工作是在選擇的試驗區(qū)中,解譯與研究作物生長有關的衛(wèi)星遙感影像獲得遙感數(shù)據(jù),運用評估模型計算稻棉輪作周期,并將計算結果與對試驗區(qū)農(nóng)戶調查的結果和歷史文獻記載的結果進行比較,來分析評估模型結果的正確性和合理性。根據(jù)文獻提供的研究結果表明:運用稻棉評估模型對連續(xù)4年的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行處理,估算出興化市的稻棉輪作周期為2.80年,該結果與實際調查的2.50年和歷史文獻《農(nóng)政全書》中記載的2.00～3.00年的結果完全一致。顯然,無論是實地調查還是歷史文獻記載結果的精度都不可能與基于遙感信息和統(tǒng)計學理論的科學估算結果相比,后者應該更加準確、合理、可信。統(tǒng)計抽樣理論分析結果表明,評估模型估計稻棉輪作周期的統(tǒng)計精度應在95%以上。鑒于稻棉輪作評估模型的合理性以及棉花與其他旱作輪作水平的評估機理與稻棉輪作評估機理完全一致,可以推斷上述評估模型給出的結果是合理、可信和準確的。3棉花水旱輪作與旱旱作的互補機理分析研究結果表明,該區(qū)域棉花水旱輪作及旱旱輪作均具有較高的水平,即興化市棉花施行的是一種水旱與旱旱輪作相結合的混合輪作方式。這一結論不僅豐富了明