基于RS和GIS的農(nóng)田防護林對作物產(chǎn)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(shù)學院，西安 710054；2.中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春 130102；3.華北水利水電大學資源與環(huán)境學院，鄭州 450011）

基于RS和GIS的農(nóng)田防護林對作物產(chǎn)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(shù)學院，西安 710054；2.中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春 130102；3.華北水利水電大學資源與環(huán)境學院，鄭州 450011）

在區(qū)域尺度評價農(nóng)田防護林對作物產(chǎn)量的影響對于農(nóng)田防護林建設(shè)和經(jīng)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(tǒng)（geographic information system，GIS）技術(shù)的農(nóng)田防護林對作物產(chǎn)量影響的評價方法。首先利用多時相遙感影像識別農(nóng)田防護林的經(jīng)營階段和和生長狀態(tài)，建立農(nóng)田防護林防護效應(yīng)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(chǎn)潛力，并基于遙感影像和光能利用率模型估算作物單產(chǎn)；最后構(gòu)建農(nóng)田防護林對作物產(chǎn)量影響的評價方法體系。基于該方法，在吉林省長春市北部的農(nóng)田防護林重點建設(shè)區(qū)選擇樣區(qū)，評價了該區(qū)2009年農(nóng)田防護林對玉米產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，農(nóng)田防護林在一定程度上將會促進玉米增產(chǎn)。尤其在自然條件較差的低產(chǎn)區(qū)，農(nóng)田防護林的增產(chǎn)作用更加顯著，增產(chǎn)率達到8.85%；而在高產(chǎn)區(qū)，增產(chǎn)率約為2.4%，但是由于脅地效應(yīng)的影響，在部分地區(qū)可能造成減產(chǎn)。因此，在農(nóng)田防護林的規(guī)劃建設(shè)中，應(yīng)根據(jù)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(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的作用，實現(xiàn)農(nóng)田防護林的最大防護效應(yīng)。該研究豐富了在區(qū)域尺度研究農(nóng)田防護林防護效應(yīng)的技術(shù)方法，可以更加科學合理的評價區(qū)域尺度上農(nóng)田防護林的增產(chǎn)效益，并為農(nóng)田防護林的經(jīng)營管理提供科學依據(jù)。

遙感；地理信息系統(tǒng)；作物；農(nóng)田防護林；作物產(chǎn)量

史曉亮，李 穎，鄧榮鑫.基于RS和GIS的農(nóng)田防護林對作物產(chǎn)量影響的評價方法[J].農(nóng)業(yè)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(nóng)田防護林是為了防止自然災(zāi)害，特別是災(zāi)害天氣對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害，增強農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力而建立的具有多種效用的人工林生態(tài)系統(tǒng)[1-2]。該系統(tǒng)是防止農(nóng)作物遭受災(zāi)害性氣象因素的生態(tài)屏障，可以提高作物土壤水分的利用效率，改善農(nóng)田小氣候環(huán)境，保護農(nóng)田[3]，其作用主要體現(xiàn)在可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量[4]。因此，國內(nèi)外關(guān)于農(nóng)田防護林防護效應(yīng)的研究，多以作物產(chǎn)量作為評價指標來分析農(nóng)田防護林對農(nóng)作物的防護效果[5]。

雖然存在農(nóng)田防護林林帶脅地造成兩側(cè)作物在一定范圍內(nèi)減產(chǎn)的負效應(yīng)[6]，但由于防護林能夠有效地防御災(zāi)害性天氣對林網(wǎng)內(nèi)作物生長發(fā)育過程的影響，從而使得整個防護范圍內(nèi)的總產(chǎn)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(nóng)田防護林對于作物產(chǎn)量具有重要積極的作用[8]。Campi等在一個具有典型地中海環(huán)境的小麥樣地分析了防護林對微氣候和小麥產(chǎn)量的影響后認為，在農(nóng)田防護林的防護范圍內(nèi)（18倍樹高），小麥產(chǎn)量明顯高于其他地區(qū)[9]。國內(nèi)針對農(nóng)田防護林的增產(chǎn)效益也有相關(guān)試驗研究。張改文等研究了山東省夏津縣黃泛沙地農(nóng)田防護林網(wǎng)對小麥產(chǎn)量的影響后認為，農(nóng)田防護林網(wǎng)在一定程度上能夠增加小麥產(chǎn)量[10]。揣新軍等通過測定河套灌區(qū)農(nóng)田防護林背風面距林帶不同距離處小麥株高、每穗實粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量后認為，農(nóng)田防護林能夠增加小麥的產(chǎn)量，林網(wǎng)內(nèi)小麥的平均株高、穗長、每穗實粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)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(chǎn)量比無防護林小麥田的產(chǎn)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(shè)立樣方，比較有無防護林保護下樣地的作物產(chǎn)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(qū)域尺度無法有效說明農(nóng)田防護林對作物產(chǎn)量的影響，區(qū)域外推的適用性不高。

針對樣地實測方法的不足，本文結(jié)合GIS技術(shù)和多時相遙感影像，提出了區(qū)域尺度上農(nóng)田防護林對作物產(chǎn)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(nóng)田防護林重點建設(shè)區(qū)為試驗樣區(qū)，分析研究了該地區(qū)農(nóng)田防護林對玉米產(chǎn)量的影響?；谠摲椒梢詫崿F(xiàn)在區(qū)域尺度上對農(nóng)田防護林的防護效應(yīng)，以及對作物產(chǎn)量的影響評價，將為農(nóng)田防護林建設(shè)和經(jīng)營管理提供科學依據(jù)。

1 研究方法

1.1 農(nóng)田防護林防護效應(yīng)判定模式及其空間化

1.1.1 單條林帶經(jīng)營階段的識別

生長發(fā)育階段的科學劃分是天然林或者人工林經(jīng)營的基礎(chǔ)[12]，同時也決定著防護效應(yīng)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(fā)育過程劃分為3個經(jīng)營階段：1）成熟前期，即從栽植后形成相對穩(wěn)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(xù)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(jié)束，并形成相對穩(wěn)定的幼林所持續(xù)的時間。

在此基礎(chǔ)上，鄧榮鑫等[15]利用多時相遙感影像，提出了農(nóng)田防護林經(jīng)營階段的遙感識別方法，將農(nóng)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(jīng)營階段，本文基于該方法識別農(nóng)田防護林的經(jīng)營階段。

1.1.2 單條林帶生長狀態(tài)判定

農(nóng)田防護林作為農(nóng)田景觀中由樹木組成的廊道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，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(xiàn)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(nóng)田防護林的空間分布特征，并通過歸一化植被指數(shù)（normalized differential vegetation index，NDVI）值確定閾值，將農(nóng)田防護林的生長狀態(tài)劃分為好、中、差3級，在區(qū)域尺度上實現(xiàn)利用遙感影像監(jiān)測農(nóng)田防護林林帶的生長狀態(tài)。

1.1.3 單條林帶防護效應(yīng)判定模式構(gòu)建

通過上述關(guān)于農(nóng)田防護林經(jīng)營階段劃分的標準可以看出，在成熟期和成熟后期的農(nóng)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(jīng)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(nóng)田防護林對于農(nóng)作物的防護效果。因此，經(jīng)營階段和生長狀態(tài)共同影響著農(nóng)田防護林的防護效應(yīng)，本研究在綜合考慮二者影響程度的基礎(chǔ)上，構(gòu)建單條林帶防護效應(yīng)判定模式（表1）。

表1 農(nóng)田防護林林帶防護效應(yīng)判定模式Table 1 Decision rule of protection effect for farmland sheltbelts

1.1.4 農(nóng)田防護林防護效應(yīng)空間化

姜鳳岐等[16]通過對中國東北地區(qū)西部林帶標準地的長期觀測發(fā)現(xiàn)，具有不同疏透度的林帶均在迎風面10H至背風面20H范圍內(nèi)產(chǎn)生明顯防護作用（H：林帶高度），在此范圍內(nèi)為有效防護距離。中國東北地區(qū)農(nóng)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(shù)，對各林帶建立250 m范圍的緩沖區(qū)，表示各林帶的有效防護范圍。

在此基礎(chǔ)上，為了實現(xiàn)農(nóng)田防護林防護效應(yīng)的空間化，本研究通過建立250 m×250 m規(guī)則格網(wǎng)分割整個研究區(qū)，然后在每個格網(wǎng)內(nèi)通過下式計算防護效應(yīng)值。

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

在計算得到每個格網(wǎng)的防護效應(yīng)值后，通過格式轉(zhuǎn)換，得到反映農(nóng)田防護林防護效應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m。

2.2 作物生產(chǎn)潛力分區(qū)

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

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

式中Y為作物生產(chǎn)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(shù)；f（T）為溫度有效系數(shù)；f（W）為水分有效系數(shù)；f（S）為土壤有效系數(shù)。

利用研究區(qū)的氣象、地形和土壤等資料，基于機制法原理，并結(jié)合GIS的空間分析功能，計算區(qū)域作物生產(chǎn)潛力。在作物生產(chǎn)潛力估算結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS將其分為3級，分別代表作物的高、中、低產(chǎn)區(qū)。

2.3 作物單產(chǎn)遙感估算

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

式中Yield為作物產(chǎn)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(chǎn)量與地上生物量求算比值得到收獲指數(shù)HI；APAR為吸收的光合有效輻射，MJ/m2；ε為作物光能轉(zhuǎn)化為干物質(zhì)的效率；α為植物C素含量與干物質(zhì)量間的轉(zhuǎn)化系數(shù)，各參數(shù)具體計算方法可參考相關(guān)文獻[22-23]。

2.4 農(nóng)田防護林對作物產(chǎn)量影響的評價方法體系

基于上述方法，在獲取農(nóng)田防護林防護效應(yīng)空間分布數(shù)據(jù)，作物生產(chǎn)潛力分區(qū)，以及作物單產(chǎn)遙感估算結(jié)果的基礎(chǔ)上，分別在作物的高中低產(chǎn)區(qū)，統(tǒng)計分析不同防護效應(yīng)下的平均作物產(chǎn)量，以此分析在相同的生產(chǎn)潛力分區(qū)下，農(nóng)田防護林對作物單產(chǎn)的影響。本研究提出的技術(shù)方法如圖1所示。

圖1 農(nóng)田防護林對作物產(chǎn)量影響評價方法Fig.1 Evaluation method for farmland shelterbelt effect on crop yield

3 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

3.1 研究區(qū)概況

選擇吉林省長春市北部，包括農(nóng)安縣、德惠市等三北防護林工程重點建設(shè)區(qū)為研究樣區(qū)（圖2）。該區(qū)地處松遼平原中部，土壤肥沃，為吉林省玉米主產(chǎn)區(qū)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(chǎn)安全。該地區(qū)經(jīng)過近50a的農(nóng)田防護林建設(shè)與經(jīng)營，已基本實現(xiàn)了農(nóng)田林網(wǎng)化，風沙危害農(nóng)作物的現(xiàn)象基本得到控制，農(nóng)田防護林建設(shè)成效顯著。

圖2 研究區(qū)位置Fig.2 Location of study area

3.2 數(shù)據(jù)來源與處理

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

通過實地走訪調(diào)查，研究樣區(qū)玉米于2009年4月下旬種植，經(jīng)過出苗、拔節(jié)、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(shù)據(jù)分發(fā)中心的2009年4月23日至2009年9月29日的MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)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(wǎng)站提供的專業(yè)處理軟件MRT（MODIS reprojection tool）對下載的數(shù)據(jù)完成鑲嵌、裁切、投影與格式轉(zhuǎn)換等處理，最終生成研究區(qū)2009年玉米生長季的NDVI數(shù)據(jù)集，用于估算2009年玉米產(chǎn)量。

本研究所用氣象數(shù)據(jù)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(shù)、風速以及相對濕度等數(shù)據(jù)，主要用于估算玉米單產(chǎn)；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(shù)據(jù)用于計算生產(chǎn)潛力，數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn）。對下載的數(shù)據(jù)經(jīng)反距離權(quán)重插值獲取與NDVI數(shù)據(jù)具有相同投影和空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。

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

2009年9月進行了野外數(shù)據(jù)采集，布設(shè)樣點覆蓋整個研究樣區(qū)，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(shè)3個采樣點，并在每個采樣點隨機采集3個玉米樣本，經(jīng)實驗室烘干后稱重，獲取各樣本玉米單株粒質(zhì)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(shù)。隨機采樣點分布在整個研究區(qū)及其周邊地區(qū)，測量的主要參數(shù)為玉米單株產(chǎn)量及種植的株距和行距，該部分實測數(shù)據(jù)用來對估算的玉米單產(chǎn)進行精度驗證。

4 結(jié)果與討論

4.1 研究區(qū)農(nóng)田防護林防護效應(yīng)空間化

利用單條林帶防護效應(yīng)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(qū)林帶分布信息，并確定每條林帶的經(jīng)營階段，以及2008年單條林帶的生長狀態(tài)分級。綜合考慮林帶的經(jīng)營階段和生長狀態(tài)，根據(jù)表1確定每條林帶的防護效應(yīng)。然后，每條林帶以250 m距離做緩沖區(qū)，表示該林帶的有效防護范圍，對于不同級別林帶緩沖區(qū)重疊地區(qū)，取級別較小的值代表該區(qū)域。根據(jù)公式（1）分別在250 m規(guī)則格網(wǎng)中計算防護效應(yīng)，最終得到研究區(qū)農(nóng)田防護林防護效應(yīng)的空間分布圖（圖3）。

4.2 研究區(qū)作物生產(chǎn)潛力估算與分區(qū)

本文利用機制法，對研究區(qū)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(qū)玉米的生產(chǎn)潛力。在此基礎(chǔ)上，利用GIS將研究區(qū)按照生產(chǎn)潛力劃分為高、中、低產(chǎn)區(qū)（圖4）。

4.3 研究區(qū)玉米單產(chǎn)遙感估算結(jié)果

本研究首先利用光能利用率模型估算了研究區(qū)2009年玉米生長季的地上生物量，在此基礎(chǔ)上，通過收獲指數(shù)校正得到研究區(qū)玉米單產(chǎn)。其中，最大光能利用率和收獲指數(shù)是決定估算結(jié)果精度的最重要的2個參數(shù)，本研究利用野外采樣數(shù)據(jù)，通過線性擬合確定了研究樣區(qū)最大光能利用率和收獲指數(shù)分別為3.075 1 g/MJ和0.459 5。玉米單產(chǎn)遙感估算結(jié)果如圖5所示，并通過隨機采樣點的實測數(shù)據(jù)對估算結(jié)果進行了驗證，估算結(jié)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(chǎn)估計精度的要求。

從估算結(jié)果可以看出，研究區(qū)北部地區(qū)由于多為風化土或鹽堿土，風蝕危害嚴重，因此該地區(qū)玉米單產(chǎn)相對較低。而研究區(qū)南部農(nóng)安縣地區(qū)，土壤多為肥沃的黑土，玉米產(chǎn)量較高。

圖3 農(nóng)田防護林防護效應(yīng)空間分布Fig.3 Spatial distribution of protection effect of farmland shelterbelts

圖4 研究區(qū)土地生產(chǎn)潛力Fig.4 Potential land productivity in study area

圖5 玉米單產(chǎn)遙感估算結(jié)果Fig.5 Maize yield estimation result based on remote sensing

4.4 研究區(qū)農(nóng)田防護林對玉米產(chǎn)量的影響分析

在高、中、產(chǎn)區(qū)分別統(tǒng)計不同防護效應(yīng)下玉米單產(chǎn)的變化情況。從圖6可以看出，在低產(chǎn)區(qū)，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(guī)模，防護效應(yīng)達到70%左右，玉米單產(chǎn)一直呈現(xiàn)上升趨勢，增產(chǎn)率達到8.85%，之后有升有降，基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。在中產(chǎn)區(qū)，在防護效應(yīng)達到40%之前，玉米單產(chǎn)一直增加，增產(chǎn)率約為6.81%。而在高產(chǎn)區(qū)，從無防護效應(yīng)到其達到30%，玉米單產(chǎn)同樣表現(xiàn)出顯著的增產(chǎn)趨勢，增產(chǎn)率約為2.4%，之后隨著防護效應(yīng)的增大，玉米單產(chǎn)有所下降，然后趨于穩(wěn)定。

從以上分析可以看出，盡管研究區(qū)溫度、水分、土壤等自然條件存在空間異質(zhì)性，使得玉米的生產(chǎn)潛力有所差異，但無論在高、中、低產(chǎn)區(qū)，當農(nóng)田防護林防護效應(yīng)達到某一臨界值時，均存在不同程度的增產(chǎn)作用。但是，在不同生產(chǎn)潛力分區(qū)中，農(nóng)田防護林的增產(chǎn)作用存在差異。隨著自然生態(tài)條件變好，土地生產(chǎn)潛力增大，防護效應(yīng)臨界值和增產(chǎn)率不斷減少，說明在立地條件較差，風害危害嚴重的低產(chǎn)區(qū)，農(nóng)田防護林的增產(chǎn)效果更加顯著，這也是在這些地區(qū)大力開展農(nóng)田防護林建設(shè)的初衷之一；而在中、高產(chǎn)區(qū)，基本具備適宜玉米生長發(fā)展的環(huán)境條件，風沙危害較小，因此，當農(nóng)田防護林防護效應(yīng)相對較低時，尚存在一定程度的增產(chǎn)作用，而此后隨著防護林建設(shè)規(guī)模的擴大，林帶將會影響光照等小氣候環(huán)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(nóng)田的水分和養(yǎng)分，產(chǎn)生脅地效應(yīng)，從而影響了防護林附近區(qū)域玉米的產(chǎn)量。因此，當防護效應(yīng)達到一定程度后，防護林的增產(chǎn)作用減弱，甚至會造成減產(chǎn)。

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

5 結(jié)論

為了從區(qū)域尺度上分析評價農(nóng)田防護林對作物產(chǎn)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(shù)，提出了農(nóng)田防護林對作物產(chǎn)量影響的評價方法體系?；诖朔椒ǎ约质￠L春市北部地區(qū)為研究樣地，分析評價了農(nóng)田防護林對玉米產(chǎn)量的影響，得出以下結(jié)論：

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

2）在農(nóng)田防護林的規(guī)劃建設(shè)中，在立地條件較差，風沙危害嚴重的地區(qū)，應(yīng)大力進行農(nóng)田防護林網(wǎng)建設(shè)，使林網(wǎng)結(jié)構(gòu)達到比較合理的程度，從而達到穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的作用。而在自然條件較好，風沙危害不顯著的地區(qū)，應(yīng)考慮增大林網(wǎng)間距，減小脅地影響?？傊?，在占地面積最小的情況下，應(yīng)根據(jù)不同的立地條件，因地制宜，從而發(fā)揮農(nóng)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(qū)域尺度上研究農(nóng)田防護林防護效應(yīng)的技術(shù)手段，使得評價結(jié)果在區(qū)域尺度上更能科學合理的說明農(nóng)田防護林的增產(chǎn)效益，并為農(nóng)田防護林的經(jīng)營管理提供科學依據(jù)。

[1] 朱廷曜，關(guān)德新，周廣勝，等.農(nóng)田防護林生態(tài)工程學[M].北京：中國林業(yè)出版社，2001.

[2]Brandle J R,Hodges L,Zhou X H.Windbreaks in North American agricultural systems[J].Agroforestry Systems,2004, 61(1-3):65-78.

[3]范志平，關(guān)文彬，曾德慧，等．東北地區(qū)農(nóng)田防護林高效多功能經(jīng)營的指標體系及標準研究[J].應(yīng)用生態(tài)學報，2001，12 (5)：701-705. Fan Zhiping,Guan Wenbin,Zeng Dehui,et al.Indices and criteria of highly effective and multi-functional management of windbreaks/shelterbelts in northeast China[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2001,12(5):701-705.(in Chinese with English abstract)

[4]孫宏義，顏長珍，韓致文，等.民勤農(nóng)田防護林對作物增產(chǎn)的貢獻率[J].甘肅林業(yè)科技，2010，35(2)：43-47. Sun Hongyi,Yan Changzhen,Han Zhiwen,et al.Assessment of the contribution rate of farmland shelterbelts on increasing crop yield in Minqin[J].Journal of Gansu Forestry Science and Technology,2010,35(2):43-47.(inChinesewithEnglishabstract)

[5]鄧榮鑫，王文娟，李穎，等.農(nóng)田防護林對作物長勢的影響分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(增刊1)：65－72. Deng Rongxin,Wang Wenjuan,Li Ying,et al.Analysis of shelterbelt effect on crop growth condition[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(Supp.1):65－72.(in Chinese with English abstract)

[6]宋翔，龐國錦，顏長珍，等.干旱區(qū)綠洲農(nóng)田防護林增產(chǎn)效益研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2011,25(7)：178-182. Song Xiang,Pang Guojin,Yan Changzhen,et al.Evaluation onshelterbelts benefits on crop yields in arid oasis-a case of the Minqin oasis[J].Journal of Arid Land Resources and Environment, 2011,25(7):178-182.(in Chinese with English abstract)

[7] 胡海波，張金池，王殿平，等.徐淮平原農(nóng)田防護林帶（網(wǎng)）對小麥產(chǎn)量的影響[J].南京林業(yè)大學學報，1997，21(4)：1-5. Hu Haibo,Zhang Jinchi,Wang Dianping,et al.Effects of shelter-forest belt(network)for farmland on wheat output in Xuhuai plain area[J].Journal of Nanjing Forestry University, 1997,21(4):1-5.(in Chinese with English abstract)

[8]Nuberg I K.Effect of shelter on temperate crops:A review to define research for Australian conditions[J].Agroforestry Systems, 1998,41(1):3-34.

[9]Campi P,Palumbo A D,Mastrorilli M.Effects of tree windbreak on microclimate and wheat productivity in a Mediterranean environment[J].European Journal of Agronomy,2009,30(3): 220-227.

[10]張改文，高麥玲，袁洪振，等.黃泛沙地小網(wǎng)格林網(wǎng)對小麥增產(chǎn)效益的研究[J].山東林業(yè)科技，2006，4：16-17.

[11]揣新軍，孫旭，張瑞，等.河套灌區(qū)農(nóng)田防護林對小麥增產(chǎn)效益的研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報，2009，30(2)：104-108. Chuai Xinjun,Sun Xu,Zhang Rui,et al.Study on benefit of wheat yield increase under the farmland shelter forest in hetao irrigation area[J].Journal of Inner Mongolia Agricultural University, 2009,30(2):104-108.(in Chinese with English abstract)

[12]朱教君，姜鳳岐，周新華，等.楊樹林帶樹木分化與分級的研究[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，1993，24(4)：292－298. Zhu Jiaojun,Jiang Fengqi,Zhou Xinhua,et al.Differentiation and classification of poplar tree in shelterbelts[J].Journal of Shenyang Agricultural University,1993,24(4):292－298.(in Chinese with English abstract)

[13]姜鳳岐，朱教君.防護林階段定向經(jīng)營研究Ⅰ.理論基礎(chǔ)[J].應(yīng)用生態(tài)學報，2002，13(10)：1352-1355. Jiang Fengqi,Zhu Jiaojun.Phase-directional management of protective plantationsⅠ.Fundamentals[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2002,13(10):1352－1355.(in Chinese with English abstract)

[14]朱教君，姜鳳岐，曾德慧.防護林階段定向經(jīng)營研究Ⅱ.典型防護林種—農(nóng)田防護林[J].應(yīng)用生態(tài)學報，2002，13(10)：1273-1277. Zhu Jiaojun,Jiang Fengqi,Zeng Dehui.Phase-directional management of protective plantationsⅡ.Typical protective plantation:farmland shelterbelt[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2002,13(10):1273－1277.(in Chinese with English abstract)

[15]鄧榮鑫，李穎，張樹文，等.農(nóng)田防護林經(jīng)營階段的遙感識別方法[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(增刊2)：64-68. Deng Rongxin,Li Ying,Zhang Shuwen,et al.Recognition of managing phase of shelterbelt by remote sensing[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2010,26(Supp.2):64－68.(in Chinese with English abstract)

[16]姜鳳岐，周新華，付夢華，等.林帶疏透度模型及其應(yīng)用[J].應(yīng)用生態(tài)學報，1994，5(3)：251-255. Jiang Fengqi,Zhou Xinhua,Fu Menghua,et al.Shelterbelt porosity model and its application[J].Chinese Journal of Applied Ecology,1994,5(3):251-255.(in Chinese with English abstract)

[17]王宗明，張柏，張樹清，等.松嫩平原農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力及自然資源利用率研究[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2005，26(1)：1-6. Wang Zongming,Zhang Bai,Zhang Shuqing,et al.Studies on agricultural climate potential productivity and natural resources utilization ratio in songnen plain of Heilongjiang province[J]. Chinese Journal of Agrometeorology,2005,26(1):1-6.(in Chinese with English abstract)

[18]黨安榮，閻守邕，吳宏歧，等.基于GIS的中國土地生產(chǎn)潛力研究[J].生態(tài)學報，2000，20(6)：910-915. Dang Anrong,Yan Shouyong,Wu Hongqi,et al.A GIS based study on the potential land productivity of China[J].Acta Ecologica Sinica,2000,20(6):910-915.(in Chinese with English abstract)

[19]徐新剛，吳炳方，蒙繼華，等.農(nóng)作物單產(chǎn)遙感估算模型研究進展[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24(2)：290-298. Xu Xingang,Wu Bingfang,Meng Jihua,et al.Research advances in crop yield estimation models based on remote sensing[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2008,24(2):290－298. (in Chinese with English abstract)

[20]Bastiaanssen W G M,Ali S.A new crop yield forecasting model based on satellite measurements applied across the Indus Basin, Pakistan[J].Agriculture Ecosystems Environment,2003,94(3): 321-340.

[21]Moriondo M,Maselli F,Bindi M.A simple model of regional wheatyieldbasedonNDVIdata[J].EuropeanJournalofAgronomy, 2007,26(3):266-274.

[22]朱文泉，潘耀忠，龍中華，等.基于GIS和RS的區(qū)域陸地植被NPP估算—以中國內(nèi)蒙古為例[J].遙感學報,2005,9(3): 300-307. Zhu Wenquan,Pan Yaozhong,Long Zhonghua,et al.Estimating net primary productivity of terrestrial vegetation based on GIS and RS:a case study in Inner Mongolia,China[J].Journal of Remote Sensing,2005,9(3):300-307.(in Chinese with English abstract)

[23]Tao F L,Yokozawa M,Zhang Z,et al.Remote sensing of crop production in China by production efficiency models:models comparisons,estimatesanduncertainties[J].EcologicalModelling, 2005,183(4):385-396.

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(tǒng)應(yīng)用研究。西安 西安科技大學測繪科學與技術(shù)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(tài)監(jiān)測及定量化空間數(shù)字建模研究。長春 中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，130102。Email:liying@neigae.ac.cn