基于地形改进的NPP耕地产能计算及其应用

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在2017年1月9日出台《中共中央国务院关于加强耕地保护和改进占补平衡的意见》提出耕地数量、质量、生态“三位一体”保护的新要求以及提出“建立健全耕地质量和耕地产能评价制度,完善评价指标体系和评价方法”的背景下,其核心目标是保障耕地总生产能力在未来不降低,粮食安全有保障。因此,进行耕地产能评价调查精确掌握耕地生产力必不可少。同时现有的耕地产能评价制度为2012年发布的《农用地定级规程》以及2018年进行的《耕地质量调查监测评价规范》工作的试点,具有现势性差,耗时耗力,误差较大的问题。因此,本文以构建一套全新利用遥感数据实现耕地产能动态评价的方法为目标,具有解决现有评价体系问题的意义。植被净初级生产力(NPP)将其对象设定为耕地后,其内涵与耕地产能具有一致性,因此,可使用NPP估算作为研究方式测算耕地产能。为实现动态测算,选择NPP估算方式中的CASA模型可计算实时NPP,并对CASA模型进行进一步改进,使用地形数据,精确计算复杂地形下的太阳辐射。在此基础上,本文选择地形差异较大的广西宾阳县作为研究区,以2017年3月、5月、10月以及2018年2月四期作物生长具有典型特征月份的Landsat8数据,结合气象数据、DEM、土地利用现状数据以及耕地质量年度更新数据进行计算,获得了以下结果:(1)NPP计算结果宾阳县NPP全县均值为837.21,整体呈现水田大于旱地,平原区高于丘陵区的特征,平原区在铁路北部沿线、新圩镇北部、大桥镇镇界存在区域低值。且其指数的四期数据差异与宾阳县的农作物生长特征基本一致。对比地形修正前后NPP指数的差异,水田NPP指数相对升高,旱地NPP指数相对降低。修正后平原区NPP指数分布与FPAR和的相关性增强,丘陵区与FPAR和的相关性减弱,即NPP整体与地形因素的相关性加强。(2)NPP表征耕地产能验证NPP指数拟合经济等效果,水田R2可达近0.86,旱地在0.88。NPP与耕地经济等相关性较好,可以实现无论从概念上,还是实际数值上的代替。但通过GWR发现沉积平原上NPP表征耕地产能效果较好且NPP对于灌排水条件的反应灵敏度较差。在此基础上,发现NPP与耕地产能影响因子的土壤性状、耕地地形相关性较好,但在耕作条件尤其是排除灌排水后的耕地建设方面基本不存在相关性。而NPP较耕地经济等确实缺少反应耕地建设情况导致的投入与产出差异,因此以耕地建设情况进一步修正NPP,使得水田NPP与耕地经济等的R~2达0.88,旱地达0.89,可以耕地建设修正后的NPP表征耕地产能。在此基础上分析local R~2依旧较差区域的耕地产能影响因素区域差异,发现NPP较经济等结果具有细致性差异性的光温水生产潜力,土壤性状、耕地地形的反应灵敏性,且未过分夸大耕地条件的优势。(3)NPP运用于耕地保护NPP运用于实际耕地保护,除可实现耕地产能的动态预测外,可针对新一轮国土空间规划,尤其是其中的国土综合整治部分,作为其双评价的重要成果,为规划提供现实依据,可运用于三方面:一是基本农田保护区的划定,二是对已进行农田整治的项目进行效益评价,三是对中低产田进行农田整治项目分区与安排。实际上在NPP运用于农田整治效益评价方面,选取宾阳县和吉镇实行旱改水的四个地块进行整治前后耕地情况对比,发现其中三个地块耕地产能得到了有效的提高,但位于喀斯特地貌区的地块整治效益不明显。在基本农田划定中,将NPP指数前20%即耕地产能较好地块评定为高产田(共23063.42公顷),进行进一步聚类分析,划分两类。耕地产能高、集中连片、耕地通达度高的耕地可直接划定为基本农田保护区(共16321.64公顷),但以新桥镇为例其面积小于规划期设定目标(剩余目标529.29公顷),将耕地产能高但集中连片性与通达度欠缺的耕地划定为基本农田建设区(共1322.61公顷),以其指标特征分为交通设施建设型、田块平整型以及综合建设型主导三类分时序建设,再划入基本农田保护区或补划储备库。在中低产田整治规划中,将NPP指数后20%的地块列为中低产田(共9327.67公顷),利用CASA模型中的FPAR、和太阳辐射三个因子为分组标准进行中低产田特征分类,实现成本较高的科技投入有方向有重点。划分土壤改造型、灌排水改造型、综合建设型及生态保护型分时序建设,实行高效生态友好型整治。综上,本文运用经地形改进的CASA模型计算出了宾阳县的NPP,与已有的耕地质量年度更新库中耕地产能结果具有较好的相关性,且在光温生产潜力、土壤条件、地形条件方面具有优势,可使用NPP表征宾阳县耕地产能。并将计算结果运用于基本农田划定,中低产田整治规划与效益评价方面,具有较高效率。当然本文还不够完善,需要在不同作物食用部分差异、耕地利用条件与碳存储间的关系、旱地和水田遥感数据偏差上进行进一步研究完善。
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