基于遙感和景觀分類的北京市裸露農(nóng)田分析和治理對(duì)策

潘 影，張 茜，肖 禾，宇振榮

（1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193）

0 引言

農(nóng)田是北京市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和宜居城市重要的生產(chǎn)性綠色空間。但受氣候影響和水資源限制，北京市農(nóng)田裸露現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，造成大量揚(yáng)沙或沙塵天氣［1］，也影響了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)田景觀質(zhì)量［2］。近年來(lái)，北京市開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)和示范研究，先后采取保護(hù)性耕作，種植冬小麥、油菜、小黑麥等措施，并加強(qiáng)生態(tài)補(bǔ)貼政策，引導(dǎo)治理冬春季裸露農(nóng)田，減少農(nóng)業(yè)沙塵源地，取得了良好效果。為了不斷提高農(nóng)田的綜合生產(chǎn)、生態(tài)服務(wù)、景觀服務(wù)能力，2009年北京市又提出《北京都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)及綜合開(kāi)發(fā)規(guī)劃》，將加強(qiáng)裸露農(nóng)田綜合治理和農(nóng)田景觀建設(shè)作為重要任務(wù)［3］。然而影響農(nóng)田裸露因素較多，包括水熱、土壤、土地利用方式等。因此，開(kāi)展裸露農(nóng)田的綜合評(píng)價(jià)，特別是從景觀生態(tài)學(xué)角度，研究如何優(yōu)化種植制度和土地利用，提高農(nóng)田生態(tài)服務(wù)功能和保育性，對(duì)綜合治理裸露農(nóng)田具有重要意義。

遙感技術(shù)和時(shí)空信息已廣泛應(yīng)用于分類不同作物制度［4］或地物類型［5］、探測(cè)地表植被覆蓋度與變化［6－7］、評(píng)價(jià)地表裸露程度［8］、探測(cè)荒漠化與水土流失［9－10］等方面的研究。但以往利用遙感技術(shù)對(duì)裸露農(nóng)田的研究著重裸露面積和時(shí)空分布評(píng)價(jià)，缺乏對(duì)不同種植制度和土地利用模式導(dǎo)致的裸露農(nóng)田的辨識(shí)，更缺乏將裸露農(nóng)田和景觀分類相結(jié)合進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以及進(jìn)一步優(yōu)化種植制度和土地利用模式［11－12］。

筆者針對(duì)未來(lái)裸露農(nóng)田治理和農(nóng)田景觀建設(shè)目標(biāo)要求，利用北京一號(hào)衛(wèi)星多光譜和多時(shí)相影像，集成多元數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)不同種植制度和土地利用模式導(dǎo)致的地表裸露，并基于景觀分類，探討裸露農(nóng)田治理和景觀一體化建設(shè)的對(duì)策。

1 研究區(qū)概況

北京市地處華北平原北端，總面積為16 807.8km2。其地形自西北向東南從中山、低山、丘陵過(guò)渡到?jīng)_洪積臺(tái)地、沖積扇及沖積平原；山地占62%，平原占38%；多年平均氣溫約12.3℃，多年平均降水約600mm。

北京市不同區(qū)域適宜的農(nóng)作物和種植制度不同，不同區(qū)域土地利用方式的選擇對(duì)其地表植被覆蓋影響甚大。北京市農(nóng)田裸露包括6月中旬小麥?zhǔn)崭詈鬀](méi)有夏糧播種的農(nóng)田以及花生、甘薯等在砂質(zhì)土地上作物收獲后，缺乏冬季種植作物的農(nóng)田［11］；最嚴(yán)重的還是春玉米地，在9月收獲后到次年4月播種，沒(méi)有冬季作物覆蓋致使6個(gè)月的土地裸露。隨著種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和水資源限制，北京市冬小麥面積逐年減少，季節(jié)性裸露農(nóng)田呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。強(qiáng)大氣流在遇到這些裸露農(nóng)田時(shí)，會(huì)攜帶大量地表粉塵，懸浮在空中形成沙塵［13］。

2 研究方法與數(shù)據(jù)

2.1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)包括遙感影像、地形、土地利用、土壤數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)為二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司提供的北京市2007年5月26日、9月22日、12月2日和2008年4月17日的北京一號(hào)衛(wèi)星多光譜遙感圖像，分辨率為32m；土地利用數(shù)據(jù)則為1∶10 000北京市2006年土地利用圖，土地利用按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)共分三級(jí)；地形數(shù)據(jù)為國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)提供的中國(guó)30m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品；土壤數(shù)據(jù)為1∶100 000北京市土壤圖，包括表土質(zhì)地、母質(zhì)、土壤類型等信息。

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括遙感影像的幾何校正，基于數(shù)字高程（DEM）生成坡度圖以及利用多光譜影像計(jì)算歸一化差異植被指數(shù)（INDVI）。INDVI是目前使用最廣泛的植被指數(shù)［14］，其計(jì)算公式為

式中：PNIR為遙感圖像中的近紅外波段光譜反射率；Pred為遙感圖像中的紅光波段光譜反射率。

2.2 基于景觀分類的裸露農(nóng)田評(píng)價(jià)方法

本研究基于土地利用圖和遙感影像對(duì)不同農(nóng)業(yè)用地進(jìn)行分類，并基于高程、土壤質(zhì)地等進(jìn)行景觀分區(qū)，結(jié)合農(nóng)業(yè)用地類型及景觀分區(qū)進(jìn)行景觀單元分類；通過(guò)遙感解譯裸露地表，在景觀分類的各單元基礎(chǔ)上分析裸露農(nóng)田空間分布，并探討裸露農(nóng)田綜合治理對(duì)策（圖1）。

農(nóng)業(yè)用地分類主要通過(guò)整合遙感影像和土地利用圖兩種數(shù)據(jù)源。首先基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分類體系中不同級(jí)別下土地利用類型的提取與合并，將不同分類級(jí)別下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性用地進(jìn)行提取與合并，以突出不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式對(duì)地表裸露狀態(tài)的影響。共分出果園、林木苗圃、牧草地、設(shè)施農(nóng)業(yè)和畜禽飼養(yǎng)地共5種農(nóng)業(yè)用地。然后通過(guò)遙感影像計(jì)算歸一化差異植被指數(shù)圖像分類耕地中的不同種植制度。北京市大田作物主要有玉米、小麥、油料、薯類、大豆、西瓜、棉花、花生等；主要種植制度是一年一熟的春玉米和一年兩熟的冬小麥－夏玉米或者其他秋糧。不同作物和種植制度擁有不同的物候特點(diǎn)，因而相應(yīng)的植被指數(shù)在一年中隨時(shí)間變化的特征符合特定曲線［4，15－16］。本研究使用2007年后3個(gè)季度的歸一化差異植被指數(shù)圖像及2008年第一季度影像，以4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的INDVI對(duì)照前人研究的不同作物INDVI變化曲線［16－17］，使用決策樹(shù)分類將耕地分為春玉米和冬小麥－秋糧。

圖1 基于景觀分類的裸露農(nóng)田評(píng)價(jià)框架Fig.1 Framework of Analyzing the Agricultural Bare Land Based on Landscape Classification

景觀分區(qū)方法主要是將影響農(nóng)作物分布的自然因子（包括高程、坡度、表土質(zhì)地）進(jìn)行分級(jí)并疊加，以此反映農(nóng)業(yè)景觀自然基礎(chǔ)的空間差異，其中高程圖層：為了區(qū)分北京市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氣候等自然條件，將高程50～100m、100～500m及500m以上分別劃分為平原區(qū)、半山區(qū)與山區(qū)［18］；坡度圖層：將坡度小于5°和大于5°分別劃分為平地和坡地；土壤圖層：按表土質(zhì)地將輕壤土、中壤土、重壤土劃分為壤土，砂壤質(zhì)與砂土劃分為砂土。疊加高程、坡度與土壤質(zhì)地分區(qū)圖層，生成北京市農(nóng)業(yè)景觀分區(qū)，并將景觀分區(qū)與農(nóng)業(yè)土地類型進(jìn)行疊加，形成景觀分類單元。將面積小于0.2%的景觀單元類型合并入其相近類型。

2.3 裸露農(nóng)田分類方法

裸露農(nóng)田分類首先通過(guò)比照歸一化差異植被指數(shù)圖像的實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證，確定一個(gè)歸一化差異植被指數(shù)閾值標(biāo)準(zhǔn)判斷地表裸露狀況；再利用此閾值對(duì)四個(gè)季度的遙感影像進(jìn)行裸露地分類。

利用2007年5月26日的歸一化差異植被指數(shù)圖，從INDVI為－0.1到0.1，每隔0.01取值進(jìn)行分級(jí)，得到20張分級(jí)圖。選擇1∶10 000土地利用圖中裸巖地、荒草地等不同類型與植被覆蓋程度的裸地和少量植被覆蓋地，進(jìn)行實(shí)地調(diào)查并對(duì)照各分級(jí)圖進(jìn)行驗(yàn)證。最終確定INDVI＝0.08為分類標(biāo)準(zhǔn)值，也就是INDVI＞0.08的柵格分類為非裸露農(nóng)田，INDVI＜0.08的柵格分類為裸露農(nóng)田。

以此分類閾值對(duì)2007年后三季度及2008年第一季度的歸一化差異植被指數(shù)圖進(jìn)行分類，冬春季INDVI小于閾值而夏秋季大于閾值的分類為季節(jié)性裸露農(nóng)田，四季INDVI皆小于閾值的分類為全年裸露，四季INDVI皆大于閾值的為非裸露農(nóng)田。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀分類

北京市農(nóng)業(yè)用地雖然已經(jīng)初步形成規(guī)模化格局，但仍有很多用地零星分布、破碎化明顯（圖2）。春玉米主要分布在延慶盆地和山區(qū)溝谷中，在平原區(qū)也有零星分布；冬小麥－秋糧主要分布在東南平原。林木苗圃、牧草地、設(shè)施農(nóng)業(yè)和畜禽飼養(yǎng)地都零星分布在平原區(qū)。果園主要分布在懷柔、密云和平谷的半山區(qū)，在平原區(qū)同樣也有零星分布。

圖2 北京市農(nóng)業(yè)用地分類Fig.2 Agricultural Land Classification of Beijing

基于地形與土壤分出的北京市景觀分區(qū)，相同區(qū)分布相對(duì)集中，有較強(qiáng)的條帶性（圖3）。平原地區(qū)基本為平地，主要分為壤土和砂土區(qū)，這與地表水系分布有關(guān)。在平原至山區(qū)的過(guò)渡帶主要為半山坡地區(qū)，半山平地區(qū)主要分布在密云水庫(kù)周圍。山區(qū)平地區(qū)主要是延慶盆地。這種條帶狀的分區(qū)有利于農(nóng)業(yè)格局優(yōu)化和規(guī)模化農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

在景觀分區(qū)和土地利用分類基礎(chǔ)上，進(jìn)行景觀單元?jiǎng)澐?，共分?9類景觀單元。每類單元不僅反映了其土地利用方式，也反映了其土壤狀況和所處的地形環(huán)境。北京市景觀異質(zhì)性較強(qiáng)造成了景觀單元類型較多，景觀單元在空間上相對(duì)集中，但仍有大部分單元較凌亂且分散，需要進(jìn)行系統(tǒng)格局優(yōu)化。

3.2 裸露農(nóng)田分類

圖3 北京市景觀分區(qū)Fig.3 Landscape Zones of Beijing

北京市裸露農(nóng)田基本是冬春季裸露，共8.05× 104hm2。其空間分布主要在延慶盆地、密云水庫(kù)北岸和城區(qū)邊緣的近郊農(nóng)業(yè)區(qū)（圖4）。

圖4 北京市冬春季裸露農(nóng)田空間分布Fig.4 Spatial Distribution of Agricultrural Bare Land in Winter and Spring

從絕對(duì)面積上看，春玉米地和果園的裸露農(nóng)田面積最大，占總裸露農(nóng)田面積近80%（表1）。其中春玉米由于其種植制度的特點(diǎn)，冬春季基本無(wú)植被覆蓋。目前北京市政府大力推行春玉米免耕留茬技術(shù)來(lái)防止裸露農(nóng)田的產(chǎn)生，然而，本研究得出春玉米地占總裸露農(nóng)田的比例仍超過(guò)50%。因此，春玉米地仍是今后裸露農(nóng)田治理的重點(diǎn)對(duì)象。另外，果園裸露程度（15.36%）雖然低于總和平均值，但是由于其種植絕對(duì)面積較大，其裸露治理也不容忽視。

牧草地、設(shè)施農(nóng)業(yè)用地和畜禽飼養(yǎng)地雖然絕對(duì)面積不大，但是裸露情況較嚴(yán)重，都超過(guò)北京市各類用地中裸露農(nóng)田比例的平均值，因此也需重點(diǎn)關(guān)注。

表1 北京市各類型農(nóng)業(yè)用地裸露農(nóng)田面積Tab.1 Area of Bare Land with Different Agricultural Land Use in Beijing

3.3 基于景觀分類的裸露農(nóng)田分析

基于景觀分類的裸露農(nóng)田分析更能體現(xiàn)不同類型裸露農(nóng)田在空間分布上的特點(diǎn)，也能反映裸露程度與地形、土壤、土地利用方式的關(guān)系。基于不同類型景觀單元的裸露程度比較分析得出，以裸露面積較大的16類景觀單元為例（表2），相比土壤表土質(zhì)地與坡度，對(duì)北京市農(nóng)業(yè)用地裸露情況影響較大的主要為海拔高程和土地利用方式。其中海拔較高的春玉米地裸露面積占到總裸露農(nóng)田面積40%以上，而平原區(qū)的果園占到17%以上。

表2 各類景觀單元裸露農(nóng)田面積Tab.2 Area of Agricultrural Bare Land of Each Landscape Unit

3.4 裸露農(nóng)田綜合治理對(duì)策

3.4.1 不同土地利用方式導(dǎo)致的地表裸露農(nóng)田綜合治理

從不同土地利用方式的地表裸露分析中，得出春玉米地和果園是現(xiàn)階段裸露農(nóng)田治理的重點(diǎn)。就目前的治理技術(shù)和存在問(wèn)題看，應(yīng)該加大如下措施和研究：①在平原地區(qū)以生態(tài)服務(wù)目標(biāo)為主的冬小麥種植，要加大抗旱和節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣；②要大力開(kāi)展冬春季作物或綠肥品種篩選研究，包括油菜、二月蘭、飼草和藥材等；③繼續(xù)推廣保護(hù)性耕作模式，探索裸露農(nóng)田治理和鄉(xiāng)土景觀建設(shè)有機(jī)結(jié)合的途徑；④在果園特別是山區(qū)干果果園等地表裸露和水土流失嚴(yán)重的地區(qū)大力推廣生草覆蓋技術(shù)，探索不同果園生草覆蓋模式；⑤要探索設(shè)施農(nóng)業(yè)用地的地表裸露治理，增加綠色覆蓋度；⑥要在原有糧食直補(bǔ)和生態(tài)補(bǔ)貼政策的基礎(chǔ)上，建立綜合生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)一步優(yōu)化生態(tài)補(bǔ)貼政策。

3.4.2 不同景觀單元類型地表裸露治理和發(fā)展方向

平原區(qū)種植的春玉米裸露情況比冬小麥－秋糧作物嚴(yán)重，因此應(yīng)盡量減少平原區(qū)的春玉米種植面積，繼續(xù)推行冬小麥冬季覆蓋生態(tài)補(bǔ)貼，促進(jìn)平原區(qū)冬小麥種植。在平原平地壤土、砂土區(qū)應(yīng)實(shí)行優(yōu)質(zhì)農(nóng)田的退園還耕，大力發(fā)展半山區(qū)果園帶和山區(qū)坡地壤土、砂土區(qū)即山區(qū)溝谷果園帶。林木苗圃應(yīng)主要向半山區(qū)和山區(qū)發(fā)展。設(shè)施農(nóng)業(yè)與畜禽飼養(yǎng)用地?zé)o論在平原地區(qū)還是山區(qū)裸露情況都較其他用地嚴(yán)重，應(yīng)盡量選擇不適宜種植冬小麥－秋糧或果園的地方，發(fā)展小規(guī)模高質(zhì)量的設(shè)施農(nóng)業(yè)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）利用遙感影像細(xì)分耕地并結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分類體系下的土地利用圖進(jìn)行土地分類，能夠很好地克服中分辨率遙感區(qū)分同種覆蓋但不同利用方式土地類型的困難，也能彌補(bǔ)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土地分類體系中對(duì)耕地作物分類的不足。在根據(jù)此方法分類出的農(nóng)業(yè)用地類型基礎(chǔ)上，進(jìn)行裸露農(nóng)田分析能更好的反映不同農(nóng)業(yè)利用方式對(duì)土地覆蓋的影響?；诰坝^分類的裸露農(nóng)田分析能夠很好地反映環(huán)境因子與地表植被覆蓋的關(guān)系，海拔和土地利用方式是對(duì)北京市農(nóng)業(yè)用地裸露情況影響較大的因素。

（2）北京市2007—2008年冬春季裸露農(nóng)田共8.05×104hm2，山區(qū)春玉米地和平原果園裸露面積較大，設(shè)施農(nóng)業(yè)和畜禽飼養(yǎng)地的裸露程度較嚴(yán)重。相比2000年的21.8×104hm2，裸露農(nóng)田在近幾年重點(diǎn)治理下已大幅下降。但是剩余面積仍占北京市面積的4.8%，其治理和研究工作仍不能放松。

（3）春玉米地和果園是現(xiàn)階段裸露農(nóng)田治理的重點(diǎn)。建議對(duì)在平原地區(qū)以生態(tài)服務(wù)目標(biāo)為主的冬小麥種植，要加大抗旱和節(jié)水灌溉技術(shù)推廣；大力開(kāi)展冬春季作物或綠肥品種篩選研究；繼續(xù)推廣保護(hù)性耕作模式；大力推廣果園生草覆蓋，探索不同果園生草覆蓋模式；積極探索設(shè)施農(nóng)業(yè)用地地表裸露治理，增加綠色覆蓋度；建立綜合生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)一步優(yōu)化生態(tài)補(bǔ)貼政策。

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