基于RS和GIS的農田防護林對作物產量影響的評價方法

史曉亮，李 穎，鄧榮鑫

（1.西安科技大學測繪科學與技術學院，西安 710054；2.中國科學院東北地理與農業生態研究所，長春 130102；3.華北水利水電大學資源與環境學院，鄭州 450011）

基于RS和GIS的農田防護林對作物產量影響的評價方法

史曉亮1，李 穎2※，鄧榮鑫3

（1.西安科技大學測繪科學與技術學院，西安 710054；2.中國科學院東北地理與農業生態研究所，長春 130102；3.華北水利水電大學資源與環境學院，鄭州 450011）

在區域尺度評價農田防護林對作物產量的影響對于農田防護林建設和經營管理具有重要意義。該文提出了一種基于遙感（remote sensing，RS）和地理信息系統（geographic information system，GIS）技術的農田防護林對作物產量影響的評價方法。首先利用多時相遙感影像識別農田防護林的經營階段和和生長狀態，建立農田防護林防護效應的綜合判定模式；其次采用機制法，通過光、溫、水、土逐級衰減，計算作物生產潛力，并基于遙感影像和光能利用率模型估算作物單產；最后構建農田防護林對作物產量影響的評價方法體系?；谠摲椒?，在吉林省長春市北部的農田防護林重點建設區選擇樣區，評價了該區2009年農田防護林對玉米產量的影響。結果表明，農田防護林在一定程度上將會促進玉米增產。尤其在自然條件較差的低產區，農田防護林的增產作用更加顯著，增產率達到8.85%；而在高產區，增產率約為2.4%，但是由于脅地效應的影響，在部分地區可能造成減產。因此，在農田防護林的規劃建設中，應根據不同的立地條件，因地制宜，在占地面積最小的情況下，達到穩產增產的作用，實現農田防護林的最大防護效應。該研究豐富了在區域尺度研究農田防護林防護效應的技術方法，可以更加科學合理的評價區域尺度上農田防護林的增產效益，并為農田防護林的經營管理提供科學依據。

遙感；地理信息系統；作物；農田防護林；作物產量

史曉亮，李 穎，鄧榮鑫.基于RS和GIS的農田防護林對作物產量影響的評價方法[J].農業工程學報，2016，32（6）：175-181.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.024 http://www.tcsae.org

Shi Xiaoliang,Li Ying,Deng Rongxin.Evaluation method for effect of farmland shelterbelts on crop yield based on RS and GIS[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE）,2016,32(6):175－181.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.024 http://www.tcsae.org

0 引言

農田防護林是為了防止自然災害，特別是災害天氣對農業生產的危害，增強農田生態系統的抗干擾能力而建立的具有多種效用的人工林生態系統[1-2]。該系統是防止農作物遭受災害性氣象因素的生態屏障，可以提高作物土壤水分的利用效率，改善農田小氣候環境，保護農田[3]，其作用主要體現在可以提高農作物產量[4]。因此，國內外關于農田防護林防護效應的研究，多以作物產量作為評價指標來分析農田防護林對農作物的防護效果[5]。

雖然存在農田防護林林帶脅地造成兩側作物在一定范圍內減產的負效應[6]，但由于防護林能夠有效地防御災害性天氣對林網內作物生長發育過程的影響，從而使得整個防護范圍內的總產量有所提高[7]。世界上許多國家的學者近80年來的大量研究認為，農田防護林對于作物產量具有重要積極的作用[8]。Campi等在一個具有典型地中海環境的小麥樣地分析了防護林對微氣候和小麥產量的影響后認為，在農田防護林的防護范圍內（18倍樹高），小麥產量明顯高于其他地區[9]。國內針對農田防護林的增產效益也有相關試驗研究。張改文等研究了山東省夏津縣黃泛沙地農田防護林網對小麥產量的影響后認為，農田防護林網在一定程度上能夠增加小麥產量[10]。揣新軍等通過測定河套灌區農田防護林背風面距林帶不同距離處小麥株高、每穗實粒數、千粒質量和產量后認為，農田防護林能夠增加小麥的產量，林網內小麥的平均株高、穗長、每穗實粒數、千粒質量和產量均高于對照麥田[11]。孫宏義等在民勤綠洲的研究表明，有防護林的小麥田產量比無防護林小麥田的產量高出4.7%[4]。上述研究大多是通過選擇試驗和對照樣地，在距離林帶不同距離處設立樣方，比較有無防護林保護下樣地的作物產量。但是基于樣地實測的方法費時費力，而且存在以點帶面的缺點，在區域尺度無法有效說明農田防護林對作物產量的影響，區域外推的適用性不高。

針對樣地實測方法的不足，本文結合GIS技術和多時相遙感影像，提出了區域尺度上農田防護林對作物產量影響的評價方法體系。利用此方法，以吉林省長春市北部的農田防護林重點建設區為試驗樣區，分析研究了該地區農田防護林對玉米產量的影響?；谠摲椒梢詫崿F在區域尺度上對農田防護林的防護效應，以及對作物產量的影響評價，將為農田防護林建設和經營管理提供科學依據。

1 研究方法

1.1 農田防護林防護效應判定模式及其空間化

1.1.1 單條林帶經營階段的識別

生長發育階段的科學劃分是天然林或者人工林經營的基礎[12]，同時也決定著防護效應的好壞。姜鳳岐等[13]和朱教君等[14]以防護林的防護成熟為核心，將防護林的生長發育過程劃分為3個經營階段：1）成熟前期，即從栽植后形成相對穩定的幼林到初始防護成熟齡；2）防護成熟期，由初始防護成熟齡到終止防護成熟齡所持續的時間；3）更新期，從林木接近自然成熟開始更新直到更新結束，并形成相對穩定的幼林所持續的時間。

在此基礎上，鄧榮鑫等[15]利用多時相遙感影像，提出了農田防護林經營階段的遙感識別方法，將農田防護林林帶劃分為已更新期、成熟前期、成熟期和成熟后期等4個經營階段，本文基于該方法識別農田防護林的經營階段。

1.1.2 單條林帶生長狀態判定

農田防護林作為農田景觀中由樹木組成的廊道網絡系統，在遙感影像中不僅具有一般植被所共有的光譜特征，并表現出其獨特的線性幾何特征。因此，可以選擇合適時相的遙感影像，提取農田防護林的空間分布特征，并通過歸一化植被指數（normalized differential vegetation index，NDVI）值確定閾值，將農田防護林的生長狀態劃分為好、中、差3級，在區域尺度上實現利用遙感影像監測農田防護林林帶的生長狀態。

1.1.3 單條林帶防護效應判定模式構建

通過上述關于農田防護林經營階段劃分的標準可以看出，在成熟期和成熟后期的農田防護林可以達到很好的防護效果；在成熟前期由于防護林尚未完全成熟，因此其防護效果稍差；而更新期即幼林形成的時期，基本無防護效果。此外，對于相同經營階段的防護林，由于病蟲害或人為砍伐等因素的影響，部分林帶長勢較差，將會在一定程度上影響農田防護林對于農作物的防護效果。因此，經營階段和生長狀態共同影響著農田防護林的防護效應，本研究在綜合考慮二者影響程度的基礎上，構建單條林帶防護效應判定模式（表1）。

表1 農田防護林林帶防護效應判定模式Table 1 Decision rule of protection effect for farmland sheltbelts

1.1.4 農田防護林防護效應空間化

姜鳳岐等[16]通過對中國東北地區西部林帶標準地的長期觀測發現，具有不同疏透度的林帶均在迎風面10H至背風面20H范圍內產生明顯防護作用（H：林帶高度），在此范圍內為有效防護距離。中國東北地區農田防護林的主要樹種為楊樹，通過選擇樣點實測，樹高一般在18～25 m之間。因此，基于GIS空間分析技術，對各林帶建立250 m范圍的緩沖區，表示各林帶的有效防護范圍。

在此基礎上，為了實現農田防護林防護效應的空間化，本研究通過建立250 m×250 m規則格網分割整個研究區，然后在每個格網內通過下式計算防護效應值。

式中PE為防護效應值（無量綱）；Ai為各級林帶的緩沖區，即有效防護范圍的面積（m2）；Pi為每個格網所包含的各級林帶的防護效應值（無量綱）；m為每個格網所包含的林帶個數。

在計算得到每個格網的防護效應值后，通過格式轉換，得到反映農田防護林防護效應的柵格數據，空間分辨率為250 m。

2.2 作物生產潛力分區

作物產量受到自然和人為等多種因素的影響，而區域作物生產潛力直接反映了該地區的氣候生產力水平和光、溫、水、土等資源配合協調的程度及其空間差異。由于本文旨在分析農田防護林對于作物產量的影響，為了剔除自然生態因子對于作物產量的影響，本研究提出通過估算區域生產潛力，以期在相近的生產潛力分區和立地條件下，分析農田防護林對作物產量的影響。

機制法是應用最為廣泛的作物生產潛力計算方法[17]。該方法根據作物生產力的形成機理，考慮光、溫、水、土等自然生態因子，依據作物能量轉化及產量形成過程，進行逐步“衰減”估算生產潛力[18]。計算公式為：

式中Y為作物生產潛力，kg/hm2；Q為作物生育期太陽總輻射，MJ/m2；f（Q）為光合有效系數；f（T）為溫度有效系數；f（W）為水分有效系數；f（S）為土壤有效系數。

利用研究區的氣象、地形和土壤等資料，基于機制法原理，并結合GIS的空間分析功能，計算區域作物生產潛力。在作物生產潛力估算結果的基礎上，利用ArcGIS將其分為3級，分別代表作物的高、中、低產區。

2.3 作物單產遙感估算

目前，作物產量估算應用較廣泛的是作物生物量-產量模式，首先利用光能利用率模型，基于遙感信息數據估測作物地上生物量，然后通過收獲指數校正地上生物量，進而得到作物產量，其計算公式如下[19-21]：

式中Yield為作物產量，kg/hm2；B為生長季作物地上部分生物量，g/m2。通過樣點實測的作物產量與地上生物量求算比值得到收獲指數HI；APAR為吸收的光合有效輻射，MJ/m2；ε為作物光能轉化為干物質的效率；α為植物C素含量與干物質量間的轉化系數，各參數具體計算方法可參考相關文獻[22-23]。

2.4 農田防護林對作物產量影響的評價方法體系

基于上述方法，在獲取農田防護林防護效應空間分布數據，作物生產潛力分區，以及作物單產遙感估算結果的基礎上，分別在作物的高中低產區，統計分析不同防護效應下的平均作物產量，以此分析在相同的生產潛力分區下，農田防護林對作物單產的影響。本研究提出的技術方法如圖1所示。

圖1 農田防護林對作物產量影響評價方法Fig.1 Evaluation method for farmland shelterbelt effect on crop yield

3 研究區與數據來源

3.1 研究區概況

選擇吉林省長春市北部，包括農安縣、德惠市等三北防護林工程重點建設區為研究樣區（圖2）。該區地處松遼平原中部，土壤肥沃，為吉林省玉米主產區之一。屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，受季風影響風蝕危害比較嚴重，嚴重影響糧食生產安全。該地區經過近50a的農田防護林建設與經營，已基本實現了農田林網化，風沙危害農作物的現象基本得到控制，農田防護林建設成效顯著。

圖2 研究區位置Fig.2 Location of study area

3.2 數據來源與處理

本研究選取了覆蓋樣區的多期Landsat TM/ETM遙感影像[15]。在經過輻射校正、幾何校正等預處理工作的基礎上，利用ArcGIS進行人機交互式判讀解譯，提取各時相的農田防護林分布信息。在此基礎上，基于農田防護林經營階段的遙感識別方法獲取單條林帶的經營階段。并對2008-06-12的Landsat-5 TM數據在提取農田防護林分布的同時，利用NDVI值判斷農田防護林的生長狀態，將其分為好、中、差3級。

通過實地走訪調查，研究樣區玉米于2009年4月下旬種植，經過出苗、拔節、抽穗、灌漿、臘熟等生物期，至9月下旬收獲。因此，下載獲取來自NASA/EOS LPDAAC數據分發中心的2009年4月23日至2009年9月29日的MOD13Q1 NDVI數據集（https://wist.echo.nasa.gov），時間分辨率為16d，空間分辨率為250 m。并通過MODIS網站提供的專業處理軟件MRT（MODIS reprojection tool）對下載的數據完成鑲嵌、裁切、投影與格式轉換等處理，最終生成研究區2009年玉米生長季的NDVI數據集，用于估算2009年玉米產量。

本研究所用氣象數據包括2009年4月23日至9月29日的逐日平均氣溫、最高最低氣溫、降水、日照時數、風速以及相對濕度等數據，主要用于估算玉米單產；以及1971-2000年玉米生長季（5-9月份）的月平均氣溫、降水、風速和相對濕度等數據用于計算生產潛力，數據來源于中國氣象科學數據共享服務網（http://cdc.cma.gov.cn）。對下載的數據經反距離權重插值獲取與NDVI數據具有相同投影和空間分辨率的柵格數據。

此外，為了計算作物生產潛力中的土壤有效系數，本研究收集了研究區土壤質地、pH值、有機碳含量等土壤性狀以及養分信息，數據來源于中國土種數據庫。數字高程模型（digital elevation model，DEM）為美國地質調查局的SRTM（shuttle radar topographic mission，航天飛機雷達地形測繪任務）數據，空間分辨率為90 m，數據來源于“黑河計劃數據管理中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)。

2009年9月進行了野外數據采集，布設樣點覆蓋整個研究樣區，主要包括固定采樣和樣線隨機采樣2部分（圖2）。對每個固定樣點沿防護距離布設3個采樣點，并在每個采樣點隨機采集3個玉米樣本，經實驗室烘干后稱重，獲取各樣本玉米單株粒質量以及地上和總生物量，取其平均值作為該玉米采樣點的實際測量值，并測量了玉米種植的株距和行距，用以估計玉米地上生物量以及收獲指數。隨機采樣點分布在整個研究區及其周邊地區，測量的主要參數為玉米單株產量及種植的株距和行距，該部分實測數據用來對估算的玉米單產進行精度驗證。

4 結果與討論

4.1 研究區農田防護林防護效應空間化

利用單條林帶防護效應判定模式及其空間化的方法，首先利用多時相遙感影像提取研究區林帶分布信息，并確定每條林帶的經營階段，以及2008年單條林帶的生長狀態分級。綜合考慮林帶的經營階段和生長狀態，根據表1確定每條林帶的防護效應。然后，每條林帶以250 m距離做緩沖區，表示該林帶的有效防護范圍，對于不同級別林帶緩沖區重疊地區，取級別較小的值代表該區域。根據公式（1）分別在250 m規則格網中計算防護效應，最終得到研究區農田防護林防護效應的空間分布圖（圖3）。

4.2 研究區作物生產潛力估算與分區

本文利用機制法，對研究區玉米生長季的太陽總輻射，通過光、溫、水、土等衰減，計算得到了研究區玉米的生產潛力。在此基礎上，利用GIS將研究區按照生產潛力劃分為高、中、低產區（圖4）。

4.3 研究區玉米單產遙感估算結果

本研究首先利用光能利用率模型估算了研究區2009年玉米生長季的地上生物量，在此基礎上，通過收獲指數校正得到研究區玉米單產。其中，最大光能利用率和收獲指數是決定估算結果精度的最重要的2個參數，本研究利用野外采樣數據，通過線性擬合確定了研究樣區最大光能利用率和收獲指數分別為3.075 1 g/MJ和0.459 5。玉米單產遙感估算結果如圖5所示，并通過隨機采樣點的實測數據對估算結果進行了驗證，估算結果的絕對誤差為467.75 kg/hm2，相對誤差為5.43%，基本達到了大范圍作物單產估計精度的要求。

從估算結果可以看出，研究區北部地區由于多為風化土或鹽堿土，風蝕危害嚴重，因此該地區玉米單產相對較低。而研究區南部農安縣地區，土壤多為肥沃的黑土，玉米產量較高。

圖3 農田防護林防護效應空間分布Fig.3 Spatial distribution of protection effect of farmland shelterbelts

圖4 研究區土地生產潛力Fig.4 Potential land productivity in study area

圖5 玉米單產遙感估算結果Fig.5 Maize yield estimation result based on remote sensing

4.4 研究區農田防護林對玉米產量的影響分析

在高、中、產區分別統計不同防護效應下玉米單產的變化情況。從圖6可以看出，在低產區，從無防護林分布，未能形成有效的防護能力，到防護林初具規模，防護效應達到70%左右，玉米單產一直呈現上升趨勢，增產率達到8.85%，之后有升有降，基本達到穩定狀態。在中產區，在防護效應達到40%之前，玉米單產一直增加，增產率約為6.81%。而在高產區，從無防護效應到其達到30%，玉米單產同樣表現出顯著的增產趨勢，增產率約為2.4%，之后隨著防護效應的增大，玉米單產有所下降，然后趨于穩定。

從以上分析可以看出，盡管研究區溫度、水分、土壤等自然條件存在空間異質性，使得玉米的生產潛力有所差異，但無論在高、中、低產區，當農田防護林防護效應達到某一臨界值時，均存在不同程度的增產作用。但是，在不同生產潛力分區中，農田防護林的增產作用存在差異。隨著自然生態條件變好，土地生產潛力增大，防護效應臨界值和增產率不斷減少，說明在立地條件較差，風害危害嚴重的低產區，農田防護林的增產效果更加顯著，這也是在這些地區大力開展農田防護林建設的初衷之一；而在中、高產區，基本具備適宜玉米生長發展的環境條件，風沙危害較小，因此，當農田防護林防護效應相對較低時，尚存在一定程度的增產作用，而此后隨著防護林建設規模的擴大，林帶將會影響光照等小氣候環境，不利于玉米進行光合作用。此外，由于林木和玉米根系競爭農田的水分和養分，產生脅地效應，從而影響了防護林附近區域玉米的產量。因此，當防護效應達到一定程度后，防護林的增產作用減弱，甚至會造成減產。

圖6 不同的土地生產潛力下農田防護林對玉米單產的影響Fig.6 Farmland shelterbelt effect on crop yield in different land potential land productivity

5 結論

為了從區域尺度上分析評價農田防護林對作物產量的影響，本文基于多源多時相遙感影像和GIS空間分析技術，提出了農田防護林對作物產量影響的評價方法體系。基于此方法，以吉林省長春市北部地區為研究樣地，分析評價了農田防護林對玉米產量的影響，得出以下結論：

1）在不同的生產潛力分區內，農田防護林對玉米均存在不同程度的增產作用。在自然條件較差的低產區，農田防護林的增產作用更為顯著，增產率達到8.85%；隨著自然立地條件的好轉，農田防護林對作物產量的影響作用逐漸減弱，中產區增產率約為6.81%，而在高產區，增產率約為2.4%。由于中高產區基本具備適宜玉米生長發展的環境條件，且風沙危害較小，因此當農田防護林防護效應相對較低時，尚存在一定程度的增產作用，而此后隨著防護林建設規模的擴大，由此產生的脅地效應可能影響林緣附近玉米的籽粒質量，在部分地區造成減產。

2）在農田防護林的規劃建設中，在立地條件較差，風沙危害嚴重的地區，應大力進行農田防護林網建設，使林網結構達到比較合理的程度，從而達到穩產增產的作用。而在自然條件較好，風沙危害不顯著的地區，應考慮增大林網間距，減小脅地影響?？傊?，在占地面積最小的情況下，應根據不同的立地條件，因地制宜，從而發揮農田防護林的最大綜合效益。

3）該研究解決了以往樣地實測方法以點帶面的缺點，豐富了區域尺度上研究農田防護林防護效應的技術手段，使得評價結果在區域尺度上更能科學合理的說明農田防護林的增產效益，并為農田防護林的經營管理提供科學依據。

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Evaluation method for effect of farmland shelterbelts on crop yield based on RS and GIS

Shi Xiaoliang1,Li Ying2※,Deng Rongxin3
(1.College of Geomatics,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China;2.Northeast Institute of Geography and Agroecology,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130102,China;3.Institute of Resources and Environment,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450011,China)

Accurately evaluating the effect of farmland shelterbelt on crop yield plays an important role in shelterbelt construction and management at regional scale.A method evaluating the farmland shelterbelt′s effect on crop yield based on remote sensing(RS)and geographic information system(GIS)was put forward in the paper.First,by using multi-temporal remote sensing images combined with the theory of management for shelterbelt,the managing phase of the shelterbelts was recognized,and the shelterbelts were divided into 4 stages,including mature,pre-mature,post-mature and updated stage. Besides,the growth status of shelterbelts was classified as good,average and bad according to the value of normalized differential vegetation index(NDVI).Therefore,the decision rule of protection effect for farmland shelterbelts was established on the basis of managing phase and growth status of shelterbelts.Then the spatial distribution map of protection effect of shelterbelts was obtained by combining a simple model and GIS.In order to analyze the farmland shelterbelt's effect on crop yield under similar natural conditions and remove other affecting factors,with the support from mechanism methodology and GIS,the crop potential productivity was computed according to the factors such as radiation,temperature, precipitation,and soil.The study area could be divided into 3 regions,i.e.low,middle and high production area.Besides, based on the meteorological data and the in-situ measured data of crop yield,absorbed photosynthetically active radiation (APAR)inversed by remote sensing,light use efficiency,and harvest index,the crop yield was estimated at regional scale with the light use efficiency model.Finally,on the basis of above results,including spatial distribution of protection effect, crop potential productivity and estimated crop yield by remote sensing,we proposed a method evaluating the farmland shelterbelt′s effect on crop yield.Taking a sample area in shelterbelts key construction region of northern Changchun as the example,the farmland shelterbelt′s effect on maize yield in 2009 was evaluated.The spatial distributions of protection effect of farmland shelterbelts and crop potential productivity subregions were obtained in study area.Besides,we estimated the maize yield in 2009 with the MODIS NDVI and the sampled data of maize yield.The result showed the absolute error of estimated maize yield in study area was 467.75 kg/hm2,and the relative error was 5.43%,which met the needs of accuracy completely for crop yield estimation by remote sensing.The change of maize yield was analyzed in the subregions with different protection effect of shelterbelts and crop potential productivity in study region,and the results showed that farmland shelterbelt could enhance maize yield to some extent.Especially,in the lower production area with poor natural condition,the farmland shelterbelt could significantly increase maize yield,and the yield increase rate could be up to 8.85%.The yield increase rate was 6.81%and 2.4%in middle and high production area,respectively.Consequently,under the better nature condition,the protection effect on crop yield could be weaken.In high production area,tree was predominant in competition and would affect crops negatively,which could led to the reduction of crop yield in some places. Therefore,the planning and construction of farmland shelterbelts should be in accordance with local conditions,so that farmland shelterbelts could maximize the benefits by using the smallest area.For poor natural condition and severe wind area,the construction of farmland shelterbelts should be strengthened.But in an area with better natural conditions,the separation distance of shelterbelts network should be increased to weaken the negative effect of shelterbelts on crop yield. The research can not only enrich the technological means in protection effect of farmland shelterbelt for spatial information technology,but also make the evaluation results for farmland shelterbelt′s effect on crop yield at regional scale more scientific and reasonable,and provide decision-making support for the shelterbelt management.

remote sensing;geographic information system;crops;farmland shelterbelt;crop yield

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.024

S727.24

A

1002-6819（2016）-06-0175-07

2015-09-22

2016-01-27

國家自然科學基金青年基金項目（31400612，51409204）；陜西省教育廳科學研究計劃項目（15JK1473）；西安科技大學博士啟動金項目（2014QDJ039）

史曉亮（1985-），男，陜西寶雞人，講師，研究方向為遙感與地理信息系統應用研究。西安 西安科技大學測繪科學與技術學院，710054。Email:s_xiaoliang@126.com

※通信作者：李 穎，男，吉林遼源人，研究員。研究方向為土地變化遙感動態監測及定量化空間數字建模研究。長春 中國科學院東北地理與農業生態研究所，130102。Email:liying@neigae.ac.cn