基于卫星遥感影像的兴化市棉花混合轮作水平分析

基于卫星遥感影像的兴化市棉花混合轮作水平分析

先进的卫星遥感技术在大地理上的调查收获的轮盘栽培模式是一个不断改进和推广的栽培模式。发现、优化和推广栽培模式的重要手段和工具。相应的研究成果不仅促进了农业生产的发展，而且对控制农业污染和保护农村生态环境具有重要意义。江苏省里下河农区是中国著名的棉花、水稻、小麦以及油菜的生产基地,特别是丰富的水资源使稻棉轮作成为该区域水旱轮作的典范,棉花、水稻以及其他旱作作物的用肥量和用药量均为较低水平与该区域广泛实施的轮作栽培方式有密切关系。然而,在水旱轮作资源丰富的区域,旱旱轮作方式对于像棉花这样的水旱轮作典型作物是否必要,轮作的水平如何等一直未得到科学调查和探讨。本研究在已有文献报道方法的基础上以里下河农区的典型区域兴化市为例,拟运用基于卫星遥感及统计分析的方法,探明该区域棉花的水旱轮作(稻棉轮作)以及旱旱轮作(棉花与其他旱作轮作)的轮作水平。1材料和方法1.1水旱轮作区域试验区域江苏省兴化市,地处江淮之间、苏北里下河腹部,总面积2393km2,辖45个乡镇,耕地1.3×105hm2,境内河网纵横,湖荡密布,河道总长近11000km,其中骨干河道22条,总长649.84km,陆地面积和水域面积分别占73%和27%,水旱轮作资源十分丰富,年产粮食约1.1×106t,棉花约4×104t,与水稻、棉花同期生长且可轮作的旱作物有玉米、山芋、大豆、蔬菜等。稻棉轮作是该区域具有代表性的主要轮作栽培模式,其经济、社会和生态效益均较高。长期以来,受稻棉轮作占主导地位的传统习惯的影响,尽管旱旱轮作也是该区域棉花轮作方式,但这种方式实施的范围和强度,特别是与水旱轮作方式相比一直未有客观的报道,由于轮作是该区域化肥、农药消耗量低,农业污染轻,生态环境好的主要原因之一,而该区域的农户普遍种植水平高,能够根据各种情况科学调整各种作物的轮作方式,在数百年时间里这些宝贵的农田耕种知识的传承积累,使该区域的棉花轮作以高水平方式运行,因此研究并挖掘该区域的“原生态”棉花轮作模式,评估其水旱和旱旱轮作水平意义重大。1.2学习方法1.2.1作物遥感影像已运行多年的美国陆地卫星是对研究区域作物植被进行有效观测的卫星,由于气候条件的影响,使获取满足要求的连续年份的作物遥感影像十分困难。根据对研究区域过去10年的卫星影像数据的分析,利用现有的历史影像数据,确定轨道号分别为11937(2001年7月26日)和11937(2002年7月29日)的陆地卫星影像符合要求,该影像的分辨率为30m×30m,并向中国遥感卫星地面站定购。1.2.2解译过程中对棉、水稻和其他作物的检测,其过程主要考采用IMAGINE8.4软件对定购的遥感影像解译。棉花、水稻和其他轮作作物解译的4个步骤为:首先对原始遥感影像进行预处理,包括几何校正、线性拉伸增强等以保证解译精度,其次根据野外实地调查的资料确定相应的棉花、水稻和其他作物的解译标志,建立相关的影像分类解译训练样区,然后再运用IMAGINE8.4软件对预处理的影像进行监督分类,从中提取棉花、水稻和其他作物的空间信息,并且通过人机交互不断修正训练样区以及按乡分类等方法提高分类精度,在监督分类之后,人工检验解译的棉花、水稻和其他作物的正确性,必要时对解译结果进行修正,最后生成棉花、水稻和其他相关作物的矢量化图件,并通过地理信息系统(GIS)对该图件进行处理以获得相关的统计数据。1.2.3兴化市轮作周期计算根据已有的研究结果,只需要连续两年(如第i年和第i+1年)卫星遥感影像监测数据,就可以构建出水旱和旱旱轮作水平评估模型,以此来计算兴化市某乡镇(j)的棉花水旱和旱旱轮作周期、由M个乡镇构成的整个兴化市棉花的水旱和旱旱轮作周期评估模型为:某乡镇(j)棉花的水旱轮作周期:RLCRij=CAij/RA(i+1)j;某乡镇(j)棉花的旱旱轮作周期:RLCOij=CAij/OA(i+1)j;某乡镇(j)棉花的混合轮作周期:RLCMIXij=CAij/(RA(i+1)j+OA(i+1)j);兴化市棉花的水旱轮作周期:RLCRMi=Σj=1MCAij2/(RA(i+1)jΣj=1MCAij)RLCRΜi=Σj=1ΜCAij2/(RA(i+1)jΣj=1ΜCAij);兴化市棉花的旱旱轮作周期:RLCOMi=Σj=1MCAij2/OA(i+1)jΣj=1MCAijRLCΟΜi=Σj=1ΜCAij2/ΟA(i+1)jΣj=1ΜCAij;兴化市棉花的混合轮作周期: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代表兴化市乡镇总数;CAij代表某乡镇(j)在第i年棉花的种植面积;RA(i+1)j为某乡镇(j)在CAij中第i+1年水稻的种植面积;OA(i+1)j为某乡镇(j)在CAij中第i+1年其他作物的种植面积;水旱和旱旱轮作周期的计算单位均为年。上述计算结果表示在同一地块上种植水稻或旱作物之前连续种植棉花的时间长度。兴化市的棉花水旱轮作周期RLCRMi和旱旱轮作周期RLCOMi实际上是分别由各乡镇的水旱轮作周期RLCRij和旱旱轮作周期RLCOij加权求和得到的,即每个乡镇棉花的水旱和旱旱轮作周期均乘以相应的权重系数,然后求和,而权重系数为该乡镇的第i年的棉花面积在所有M个乡镇第i年棉花总面积中所占的比重,这里采用加权求均值,而不是直接用M个乡镇的轮作周期的平均值求兴化市的轮作周期,主要是考虑当各个乡镇棉花面积差别较大时,应该使棉花面积大的乡镇的轮作周期对整个兴化市轮作周期的贡献更大,即权重有助于控制由面积大小产生的机会变差的影响,减少空间抽样及统计的误差,这种加权处理使计算出的轮作周期更具有科学性和更加合理。根据计算的轮作周期即可评估棉花的水旱和旱旱轮作水平:棉花的轮作周期短,则轮作水平高;棉花的轮作周期长,则轮作水平低。2结果2.1水旱和旱轮作周期考虑在兴化市45个乡镇中有些乡镇的卫星影像受到技术因素的影响而无法解译,所以根据上述轮作水平评估模型,利用2001年和2002年连续两年的卫星监测数据,计算出兴化市38个乡镇和整个兴化市棉花的水旱和旱旱轮作周期(表1)。2.2棉田花茶的水旱轮作周期由表1可知:兴化市棉花的水旱轮作周期为2.09年,在相关的38个乡镇中,有52.6%共20个乡镇棉花的水旱轮作周期低于2.09年,而有47.4%共18个乡镇高于这个值,标准差为0.2095,说明尽管各乡镇的棉花水旱轮作水平不均匀,但大致相同;兴化市棉花的旱旱轮作周期为3.38年,在相关的38个乡镇中,有71.1%共27个乡镇棉花的旱旱轮作周期低于3.38年,而有28.9%共11个乡镇高于这个值,标准差为0.5665,说明各乡镇棉花的旱旱轮作水平分布更加不均匀,由于标准差度量了关于平均数的散布程度,而棉花旱旱轮作周期的标准差约是水旱轮作周期的3倍,这一事实说明棉花的水旱轮作具有更好的稳定性,是主流轮作方式;而旱旱轮作的地位则居其次,且更多地受环境因素的影响。根据对试验区域农业部门提供的数据分析:大约有70%棉花的水旱轮作周期为2年,其余约30%的水旱轮作周期为1.00年或3.00年,兴化市棉花水旱实际轮作平均周期为2年,这一数据与上述兴化市棉花水旱轮作周期2.09年相当接近,也符合徐光启的2.00～3.00年的说法。与传统轮作周期4.00～5.00年相比,兴化市棉花水旱轮作周期为2.09年,表明研究区域棉花的水旱轮作处于较高水平状态。关于传统的棉花水旱轮作区域棉花的旱旱轮作周期在历史文献中没有更多的记载,兴化市棉花的旱旱轮作周期3.38年基本上在徐光启的2.00～3.00年以及传统的4.00～5.00年的水旱轮作周期范围内,说明从轮作强度上讲,旱旱轮作也是一种普遍施行的棉花轮作方式,即目前在传统的棉花水旱轮作区域实际上实施的是水旱与旱旱混合轮作。根据在研究区域了解到的情况,旱旱轮作作为水旱轮作的补充,除了有经济方面的原因外,在生态方面也有明显的优势,或许就是这种混合轮作方式能够存在的根本原因,也是棉花栽培模式发展进步的结果。这种混合轮作方式对于在该区域减少农药使用量、发展生态农业、增加农户经济收入极为有利。兴化市棉花混合轮作周期为1.24年表明,与棉花轮作周期的极限值1年相比,该区域棉花轮作的强度已相当高,几乎每隔1年都要实施水旱或旱旱轮作,与常规的4.00～5.00年轮作周期相比,其强度提高了约3.63倍,即每隔1年轮作已成为棉花种植的必不可缺的环节。2.3水旱与旱旱轮作周期的比较综合分析结果对兴化市各乡镇棉花水旱和旱旱轮作水平的评估结果(图1)显示:从总体上看,旱旱轮作周期普遍高于水旱轮作周期,两种轮作方式明显互补,如出现旱旱轮作峰值的乡镇(大营、戴窑、东鲍、老圩、刘陆、沈论、新垛、昭阳、竹泓共9个)的水旱轮作周期位于较低的谷值;出现水旱轮作周期峰值的乡镇(昌荣、戴南、荡朱、垛田、海南、李健、林潭、舍陈、陶庄、永丰、中堡共11个)的旱旱轮作周期位于较低的谷值。同样,数值分析也支持这一结论,如对各乡镇水旱和旱旱轮作周期分别求均值后,再求水旱与旱旱轮作周期的均值,即可获得各乡水旱与旱旱轮作周期的均值为2.65年,标准差为0.1030,与水旱轮作的标准差0.2095以及旱旱轮作的标准差0.5665的49.16%和18.18%,这种标准差大幅度下降同样也说明研究区域棉花的水旱与旱旱轮作的互补现象是客观存在的,而且十分明显。根据观察到和分析出的这种峰谷互补现象,可以认为研究区域的水旱与旱旱轮作是互为补充的,这一结论与我们从研究区域调查到的结论相一致。此外,实地调查也表明,该研究区域作为老棉区,棉花的轮作水平与棉花的枯萎病和黄萎病的发生存在明显的相关性,轮作周期长(3.00年以上)的乡镇比轮作周期短(2.50年以下)的乡镇发病严重,前者发病率为13%～20%,后者发病率为3%～10%。连年连作是导致枯萎病和黄萎病普遍发生的根本原因,而科学地进行棉花轮作则是防治枯萎病和黄萎病的关键,按照棉花轮作水平评估结果,有针对性地提高轮作水平较低乡镇的轮作水平,再结合品种结构的调整以及加强田间管理,即可在研究区域范围内科学地防治枯萎病和黄萎病。2.4对稻棉轮作周期的确定对评估模型合理性的研究包括理论分析和实地调查验证两个方面。理论分析的主要工作是从原理上证明评估模型的正确性,文献的统计方法在此也证明了上述评估模型的正确性;实地调查验证的主要工作是在选择的试验区中,解译与研究作物生长有关的卫星遥感影像获得遥感数据,运用评估模型计算稻棉轮作周期,并将计算结果与对试验区农户调查的结果和历史文献记载的结果进行比较,来分析评估模型结果的正确性和合理性。根据文献提供的研究结果表明:运用稻棉评估模型对连续4年的卫星遥感数据进行处理,估算出兴化市的稻棉轮作周期为2.80年,该结果与实际调查的2.50年和历史文献《农政全书》中记载的2.00～3.00年的结果完全一致。显然,无论是实地调查还是历史文献记载结果的精度都不可能与基于遥感信息和统计学理论的科学估算结果相比,后者应该更加准确、合理、可信。统计抽样理论分析结果表明,评估模型估计稻棉轮作周期的统计精度应在95%以上。鉴于稻棉轮作评估模型的合理性以及棉花与其他旱作轮作水平的评估机理与稻棉轮作评估机理完全一致,可以推断上述评估模型给出的结果是合理、可信和准确的。3棉花水旱轮作与旱旱作的互补机理分析研究结果表明,该区域棉花水旱轮作及旱旱轮作均具有较高的水平,即兴化市棉花施行的是一种水旱与旱旱轮作相结合的混合轮作方式。这一结论不仅丰富了明