基于RS和GIS的北京冬小麥面積多尺度時空變化研究

史磊剛,于景鑫，陶 歡，劉建剛，淮賀舉，徐長春，李奇峰

(1.北京農業信息技術研究中心，北京 100097； 2.農業部科技發展中心，北京 100122)

農作物的空間布局能夠反映一個國家和地區的作物種類、結構以及相應的空間特征，其時空動態變化直接影響著糧食安全、資源利用效率和農民收入[1-4]。北京市作為國際大都市，其農作物種植結構隨著都市對農業生產、生態和生活功能需求的變化而變化[4-5]。冬小麥對北京市糧食安全和冬季防風固沙具有重要的作用，但冬小麥又是相對高耗水作物。近些年，北京市響應國家生態文明和京津冀一體化戰略，積極推進調結構、轉方式、發展節水高效農業工作，冬小麥等糧食作物種植面積發生了顯著的變化[6-7]。精準評價北京市冬小麥空間分布對指導冬小麥生產的宏觀管理和調控具有重要的理論和實際意義。

農作物時空動態分布的準確掌握是進行農業宏觀管理和結構優化調整的前提[8-9]。國內外學者主要基于統計數據和遙感數據，依據作物生育期內歸一化植被指數(NDVI)和增強型植被指數(EVI)的特性，利用數理統計和空間分析方法，研究了冬小麥、玉米、水稻等主要農作物的空間分布，其結果有效地指導了當地的農業生產管理[10-14]。作物空間布局研究的尺度多在區域上，縣域和鄉鎮尺度的關注度也不斷提升[15]。雖然地塊尺度能夠更精準地反映作物分布變化特征，但有關該尺度上作物時空分布的研究鮮有報道[16]。本研究選擇冬小麥作為典型案例，分別從北京市、區縣和鄉鎮3個尺度評價了2009-2014年北京市的冬小麥空間分布特征，確定冬小麥在北京市、區縣和鄉鎮層面上的敏感區，并進一步分析小麥種植地塊的數量和面積變化，以期為揭示冬小麥面積變化的原因和驅動機制提供參考，為北京市各級農業管理部門管理和冬小麥種植調控提供數據支持。

1 研究對象和方法

1.1 研究區域

北京農業是典型的都市農業，近些年種植結構發生了較大的變化，其中糧食作物種植面積逐年減少，尤其是近五年冬小麥面積顯著減少。2009年冬小麥播種面積分別占北京市農作物和糧食作物播種面積的19.06%和26.99%；2014年冬小麥播種面積分別占北京市農作物和糧食作物播種面積的12.00%和20.00%。本研究選擇北京市小麥為研究對象，在區縣尺度上選擇順義區、通州區、房山區和大興區4個冬小麥主產區，再在每個冬小麥主產區分別選擇4個典型鄉鎮進一步分析鄉鎮尺度上冬小麥的空間分布特征。

1.2 數據來源

本研究中北京市、區縣和各鄉鎮冬小麥面積來源于2008-2015年北京市和各個區縣的統計年鑒；冬小麥關鍵生育期遙感數據主要來自Landsat TM遙感影像，冬小麥實際種植區數據來自實地調研、HJ和GF-1高分影像數據。

1.3 研究方法

基于冬小麥生育期內NDVI和EVI特性，采用支持向量機、決策樹、神經網絡分類等分類方法提取冬小麥面積的技術已經比較成熟。本研究借鑒本單位前人提取冬小麥面積的方法[10,17],選擇北京市冬小麥4-6月份關鍵生育期內的多時相Landsat TM遙感影像，基于NDVI閾值，在遙感分類專業軟件ENVI的支持下采用決策樹法提取2009年和2014年北京市冬小麥面積，并利用北京市土地利用現狀圖、HJ和GF-1高分影像數據以及實地調研數據，對監測提取結果進行矯正。最后利用空間分析專業軟件ArcGIS，分別統計冬小麥地塊數目和地塊面積大小，并利用SPSS 17.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 北京市冬小麥時空分布特征

由圖1可知，2005-2008年北京市冬小麥面積呈波動趨勢，2009-2014年冬小麥面積呈顯著的下降趨勢；2005-2014年北京市冬小麥單產一直在4 800 kg·hm-2上下波動。本研究選擇冬小麥種植面積呈顯著下降趨勢的時間階段(2009-2014)展開分析。為了更準確分析北京市2009-2014年冬小麥面積變化，分別取2008-2010年和2013-2015年的平均值作為2009年和2014年冬小麥種植面積數值，進行五年前后對比分析。北京市冬小麥面積從2009年的61 971.02 hm2減少到2014年的26 814.87 hm2，下降了56.73%。可見，2009-2014年北京市冬小麥面積發生了極顯著的變化。

基于北京市多時相遙感、耕地空間分布數據和冬小麥物候期數據，提取了北京市冬小麥種植面積。為檢驗提取精度，分別從區縣和鄉鎮尺度上進行統計面積和提取面積的比較(圖2)。在區縣和鄉鎮尺度上，冬小麥面積提取數據和統計年鑒面積均呈顯著的線性關系，提取精度在90%左右，所以本研究中利用遙感數據提取的冬小麥種植面積能夠反映北京冬小麥的空間分布特征。

圖1 2005-2014年北京市冬小麥面積和單產

圖2 不同尺度行政區冬小麥種植面積和提取面積散點圖

2009和2014年北京市冬小麥主要種植區域均在順義區、通州區、大興區和房山區的平原地區，平谷區、懷柔區、昌平區和密云區有少量分布，海淀區、朝陽區和豐臺區冬小麥空間分布呈現零星狀(圖3)。2009年北京市冬小麥主要分布在三大片區，其中東南部的通州和大興冬小麥片區最大，約占北京冬小麥總面積的1/2；東北部的順義冬小麥片區約占總面積的1/4；西南部房山冬小麥片區約占總面積的1/6。2014年北京市冬小麥主要集中在四個片區，順義片區最大，占總面積的近1/3；大興、通州和房山三個片區冬小麥面積差異不顯著，每個片區占總面積的近1/4。

相對于2009年，2014年北京市冬小麥空間分布區域顯著減少，減少區域主要集中在順義區中部、通州區的中西部、大興區的中北部和房山區的東北部，其他區縣冬小麥空間分布均呈現緊縮趨勢。成片地塊數量和地塊面積能夠精準地反映出地塊尺度冬小麥空間變化特征。2009-2014年北京市成片冬小麥地塊數量和地塊面積大小均發生了顯著變化。成片種植地塊從2009年的11 243塊降低到2014年的4 914塊，地塊平均面積也從4.76±0.19 hm2減少到1.22±0.05 hm2；相對于2009年，2014年冬小麥成片種植地塊數量下降了56.29%，地塊面積降低了74.29%。北京市成片冬小麥地塊越來越少，并且地塊的面積也越來越小。

2.2 區縣尺度上冬小麥的時空分布特征

2009-2014年，北京市涉及冬小麥種植的區縣有13個(表1)。相對于2009年，2014年各區縣的冬小麥面積均不同程度下降，13個區縣冬小麥面積平均減少72.74%，其中豐臺區、門頭溝區和延慶區減少的幅度較大，均減少了100%；順義區減少的幅度最小，為40.26%；其他區縣的減少幅度也均在50%以上。冬小麥種植減少最多的4個區從多到少依次為通州區、大興區、房山區和順義區，每個區縣冬小麥面積減少量均在5 000 hm2以上， 4個區的冬小麥面積共計減少30 734.96 hm2，占北京市冬小麥面積減少總量的87.43%；并且2014年4個區縣冬小麥播種面積占北京市總播種面積的88.66%。因此，房山區、通州區、順義區和大興區是北京市冬小麥主產區，并且能夠充分反映北京市近5年冬小麥面積變化特征。

圖3 2009年和2014年北京市冬小麥種植面積的空間分布

區縣District冬小麥面積Winterwheatgrowingarea/hm220092014面積下降量Decreaseofplantingarea絕對值Absolutevalue/hm2相對值Relativevalue/%北京市Beijing61971.0226814.8735156.1656.73朝陽區Chaoyang265.4210.40255.0296.08豐臺區Fengtai90.310.0090.31100.00海淀區Haidian255.6736.49219.1885.73門頭溝區Mentougou9.910.009.91100.00房山區Fangshan10061.843914.276147.5861.10通州區Tongzhou15856.364671.4411184.9170.54順義區Shunyi14382.568591.645790.9140.26昌平區Changping892.29240.09652.2073.09大興區Daxing14206.076594.517611.5653.58懷柔區Huairou2025.09961.821063.2752.50平谷區Pinggu2730.621338.711391.9150.97密云區Miyun1192.18455.49736.6961.79延慶區Yanqing2.710.002.71100.00

2009年房山區、通州區、順義區和大興區4個區縣播種冬小麥的鄉鎮共計54個，平均每個鄉鎮冬小麥的面積為1 066.28±153.63 hm2，其中種植面積最大的是大興區的禮賢鎮，冬小麥面積為4 772.11 hm2；種植面積最小的是大興區的西紅門鎮，冬小麥面積為0.6 hm2；2014年每個鄉鎮冬小麥平均種植面積為388.21±59.17 hm2，其中，種植面積最大的還是大興區的禮賢鎮，冬小麥面積為1 954.33 hm2；大興區的西紅門鎮和瀛海鎮、順義區南法信鎮和房山區十渡鎮冬小麥種植面積均減少到0 hm2。

2009年，冬小麥種植面積≤500 hm2和>1 000 hm2的鄉鎮數均約占總數的2/5，500～1 000 hm2面積的鄉鎮數最少。2014年，冬小麥種植面積≤500 hm2的鄉鎮數最多，約占總數的3/4，500～1 000 hm2和>1 000 hm2的鄉鎮數均約占總數的1/8(圖4)。相對于2009年，2014年鄉鎮冬小麥種植面積呈現顯著減少趨勢，冬小麥面積≤500 hm2的鄉鎮數增加了約1倍，500～1 000 hm2的鄉鎮數減少了約一半，>1 000 hm2的鄉鎮數減少了2/3。

圖4 冬小麥主產區鄉鎮種植面積的變化

進一步分析，54個鄉鎮中，96.70%的鄉鎮冬小麥面積均有不同程度的減少，其中減少量最多的3個鄉鎮分別為大興區龐各莊鎮、通州區漷縣鎮和大興區禮賢鎮，減少面積分別為3 292.39、2 818.73和2 817.77 hm2，相應的減少百分率分別為87.16%、71.62%和59.05%；大興區的西紅門鎮和瀛海鎮、順義區南法信鎮和房山區十渡鎮4鄉鎮冬小麥面積均減少了100%。只有房山區的琉璃河鎮和大石窩鎮冬小麥面積有所增加，分別增加了885.60和10.80 hm2。總體上，2009-2014年北京市冬小麥主產區冬小麥種植面積大的鄉鎮的小麥面積在逐步減小；種植面積小的鄉鎮的冬小麥種植面積變得更小，甚至消失。

利用空間統計分析方法獲取2009年和2014年北京市冬小麥主產區成片冬小麥地塊數量及相應地塊的大小。2009-2014年北京市順義區、通州區、大興區和房山區成片冬小麥地塊數量均呈現顯著減少趨勢(圖5)，其中通州區減少的幅度最大，達到64.45%，房山區減少的幅度最小，為39.20%；4個區縣成片冬小麥面積也呈現顯著降低趨勢，2014年成片地塊面積均不足2009年的一半，其中房山區降低幅度最大，為83.43%，順義區降低幅度最小，為52.74%。總之，相對于2009年，2014年北京市順義區、通州區、大興區和房山區成片冬小麥地塊數量越來越少，地塊平均面積也越來越小。

圖5 北京主產區縣冬小麥地塊數量和面積的變化

2.3 鄉鎮尺度上冬小麥的時空分布特征

綜合考慮冬小麥種植面積和減少量，選擇大興區的禮賢鎮、通州區的西集鎮、房山區的石樓鎮和順義區的木林鎮4個典型冬小麥種植鄉鎮，從鄉鎮尺度分析冬小麥空間分布特征。2009年禮賢鎮、西集鎮、石樓鎮和木林鎮的冬小麥種植面積分別為4 772.11、2 449.27、1 876.47和2 278.67 hm2；2014年冬小麥面積分別為2 817.77、1 650.07、1 381.40和994.40 hm2，分別減少了59.05%、67.37%、73.62%和43.64%。

鄉鎮尺度上，2009-2014年冬小麥面積也均呈現顯著減少趨勢，與北京市和區縣尺度的趨勢相同；但是，冬小麥成片地塊數量和面積變化特征出現了分異，地塊數量有增有減。依據冬小麥成片地塊數量和面積變化特征，將4個鄉鎮分為兩大類：第一類是冬小麥地塊數量減少，同時地塊面積也減少，包括通州區西集鎮和順義區木林鎮(圖6上圖、下圖和表2)；第二是冬小麥地塊數量增加，同時地塊面積也減少，包括大興區的禮賢鎮和房山區石樓鎮(圖7上圖、下圖和表2)。

圖6 2009和2014年通州區西集鎮和順義區木林鎮冬小麥的空間分布

鄉鎮Township年份Year不同面積類型地塊占總體的比例Thepercentageofdifferentsizesofparcels/%≤1hm21～5hm2>5hm2木林鎮Mulin200956.2929.3414.37201470.6521.747.61西集鎮Xiji200963.9020.4415.65201477.9217.754.33禮賢鎮Lixian200956.1326.9816.89201491.118.480.40石樓鎮Shilou200961.8019.1019.10201472.9219.447.64

2009年西集鎮和木林鎮在全鎮范圍內幾乎均有冬小麥種植，2014年西集鎮和木林鎮冬小麥空間分布區域顯著減少，西集鎮冬小麥種植主要集中在南北中軸線附近，木林鎮冬小麥主要集中在西北和東北2片。西集鎮和木林鎮成片冬小麥地塊的數量分別減少57.46%和44.91%；西集鎮冬小麥地塊平均面積從2009年的4.53±0.77 hm2減少到2014年的0.97±0.13 hm2，下降了83.75%，其中面積>5 hm2的地塊數量約減少到原來的1/4，面積在1～5 hm2的地塊數量略有減少，面積≤1 hm2的地塊數量約增加了15%。木林鎮冬小麥地塊平均面積從2009年的4.48±0.89 hm2減少到2014年的1.61±0.27 hm2，減少了70.17%，其中，面積>5 hm2的地塊數量約減少到原來的1/2，面積在1～5 hm2的地塊數量約減少8%，面積≤1 hm2的地塊數量約增加了15%。

2009年大興區禮賢鎮和房山區石樓鎮在全鎮范圍內幾乎均有冬小麥種植，并且石樓鎮冬小麥集中分布在幾大區域；2014年禮賢鎮和石樓鎮冬小麥空間分布區域均顯著減少，禮賢鎮鎮冬小麥種植主要分布在中南部和東北角區域，石樓鎮主要分布在東側及東北角區域。禮賢鎮和石樓鎮成片冬小麥地塊的數量均有所增加，增加率分別為34.88%和61.80%。禮賢鎮的冬小麥地塊平均面積從2009年的7.16±1.79 hm2減少到2014年的0.45±0.04 hm2，減少了97.81%，其中面積>5 hm2的地塊數量幾乎消失了，面積在1～5 hm2的地塊數量也減少20%左右，面積≤1 hm2的地塊數量約增加了45%。石樓鎮的冬小麥地塊平均面積從2009年的18.63±7.87 hm2減少到2014年的1.64±0.29 hm2，下降了96.33%，其中面積>5 hm2的地塊數量約減少10%，面積在1～5 hm2的地塊數量基本沒變，面積≤1 hm2的地塊數量約增加了10%。

總之，在大興區的禮賢鎮、通州區的西集鎮、房山區的石樓鎮和順義區的木林鎮4個典型冬小麥種植鄉鎮，2009-2014年冬小麥種植面積和空間分布區域均顯著減少，成片冬小麥地塊平均面積均顯著減小，其中面積>5 hm2地塊數量占總體比率均下降到8%以下，其中禮賢鎮減少的不足1%。2009年冬小麥成片地塊面積較大的禮賢鎮和石樓鎮，在2014年地塊數目均有所增加，地塊平均面積顯著降低，僅不足原來面積的5%。2009年冬小麥成片地塊面積較小的西集鎮和木林鎮，2014年地塊數據均約減少了一半，地塊平均面積均約減少為四分之一。

圖7 2009和2014年大興區禮賢鎮和房山區石樓鎮冬小麥的空間分布

3 討 論

調整種植結構，適當減少冬小麥種植面積是應對華北平原水資源短缺的重要途徑之一[6]。本研究基于統計數據和遙感數據，在北京市、區縣和鄉鎮三個尺度上得到相同的結論：2014年冬小麥面積和空間分布區域比2009年顯著減少，并且距離城區越近減少越顯著。該結論與前人研究結果相同[17-18]，主要原因是北京市人口增加、城市進程加快，以及小麥比較效益相對低，因此原來種植冬小麥的土地轉化為建設用地，或者種植蔬菜瓜果等經濟效益較高的作物；另一方面也表明北京市、區縣和鄉鎮等各級政府落實了“調結構、轉方式”工作要求。

通過比較分析2009年和2014年成片冬小麥種植地塊的數量、地塊面積以及不同面積類型占總體比例，北京市成片冬小麥地塊的數量在不斷減少，地塊的種植面積也越來越小。目前北京市冬小麥種植面積大于5 hm2地塊所占比例已經不足8%。在鄉鎮尺度上，2009年冬小麥種植面積較大和較小的兩類鄉鎮，2014年地塊數目分別出現增加和減少趨勢，地塊平均面積顯著降低。總之，種植越來越分散、越來越細碎是北京市冬小麥空間分布的重要變化特征，為生產管理提出了新的挑戰。今后應該針對各區縣和鄉鎮冬小麥種植地塊數量和面積特征，有針對性地采取管理措施。對于冬小麥種植總面積大、地塊面積也相對較大的區域，建議優先保留；對于冬小麥種植總面積小且地塊面積也小的地區，建議首先考慮調整。

本研究初步確定了2009和2014北京市冬小麥面積的空間分布特征，尤其是冬小麥成片種植地塊數量和地塊面積變化分析為下一步探究冬小麥空間變化的影響因素和驅動機制提供數據基礎[19-20]。在農業實際生產中需要綜合考慮成本和精準度[19]，因此沒有直接利用高分遙感數據，而是主要利用統計數據和高時間、中分辨率的遙感數據。遙感監測提取過程存在混合像元等問題，冬小麥地塊數量和面積統計上會存在誤差，同時統計數據也存在一定誤差，但并不影響冬小麥變化趨勢分析。本研究同時從多個尺度分析小麥種植面積的時空變化，今后將綜合考慮冬小麥產量、耗水等因素，以及可以調控冬小麥空間布局的方法[21-22]，并在敏感區域采用高分遙感數據提高精準度[23]，使研究結果更好地服務于北京市冬小麥生產管理。

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