基于遙感監(jiān)測河北省地下水超采區(qū)冬小麥休耕效果研究

賈麗娟 焦為杰* 王先明 王丹瓊 韓 雪 賈少榮 孫娟英

（1農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地利用遙感重點實驗室，北京 100125；2菏澤市自然資源和規(guī)劃局，山東菏澤 274000）

隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，用水量快速增長，地表水資源呈衰減趨勢，20世紀70年代以來，河北省地下水開發(fā)規(guī)模不斷擴大，使河北省成為全國最大的地下水漏斗區(qū)[1]。超采會引起一系列的水環(huán)境問題，在淺層地下水分布區(qū)主要表現(xiàn)為含水層疏干、淺層地下水位下降、地面沉降、地裂縫等[2]。2014年，中央一號文件明確提出，開展華北地下水超采漏斗區(qū)綜合治理。在地下水超采最嚴重的黑龍港流域，以節(jié)水為核心，采取“引、蓄、管”相結(jié)合的方法，對地下水超采進行綜合治理。2016—2020年，全國開始實行耕地輪作休耕制度試點，在黑龍港及周邊地區(qū)連續(xù)多年實行“一季休耕、一季雨養(yǎng)”的季節(jié)性休耕政策[3]，壓減需抽水灌溉的冬小麥種植面積，只種雨熱同季的玉米、馬鈴薯和耐旱耐瘠薄的雜糧雜豆，以減少地下水用量。

為評估河北省地下水超采區(qū)休耕制度試點實施情況，本文選擇未實施休耕政策的2015年和連續(xù)實施5年休耕政策后的2020年作為監(jiān)測年份，采用遙感影像全覆蓋的方法，結(jié)合地面調(diào)查和統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，以黑龍港區(qū)域為重點，監(jiān)測2015年和2020年2個年度的冬小麥種植面積變化情況，就試點區(qū)冬小麥種植面積實際壓減情況進行分析，評估冬小麥種植面積壓減對地下水位恢復的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 監(jiān)測區(qū)概況

本文以河北省承擔季節(jié)性休耕任務的石家莊、廊坊、滄州、衡水、邢臺、邯鄲、保定等7個市下轄的61個縣（市、區(qū)）為監(jiān)測區(qū)。該區(qū)域主要為黑龍港及周邊區(qū)域，監(jiān)測面積4.42萬km2，占全省面積的23.3%。該區(qū)域是河北省的小麥主產(chǎn)區(qū)，小麥種植面積和產(chǎn)量均占全省62.9%。為遏制地下水位連年下降的趨勢，河北省響應國家輪作休耕政策，近幾年在該區(qū)域?qū)嵭辛思竟?jié)性休耕，調(diào)減冬小麥種植面積（圖1），以適度減少農(nóng)業(yè)用水量。鑒于此，本文重點對該區(qū)域休耕前后的冬小麥種植面積變化情況進行監(jiān)測。

1.2 遙感數(shù)據(jù)

該研究采用高分一號（GF-1）和高分二號（GF-2）衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取冬小麥種植面積。GF-1衛(wèi)星于2013年發(fā)射成功，搭載有PMS全色相機和WFV多光譜相機，其中WFV數(shù)據(jù)的空間分辨率為16 m，覆蓋藍、綠、紅和近紅外波段，成像幅寬最大為800 km，重訪周期4 d[4]。GF-2衛(wèi)星于2014年發(fā)射，同樣搭載有全色相機和多光譜相機，空間分辨率較GF-1高，成像幅寬最大為45 km。GF-1衛(wèi)星和GF-2衛(wèi)星已成為國內(nèi)農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)源，其數(shù)據(jù)特征及其主要應用領(lǐng)域見表1[5]。本文主要采用GF-1和GF-2的多光譜數(shù)據(jù)，此次監(jiān)測共應用了9景GF-1數(shù)據(jù)和4景GF-2數(shù)據(jù)，覆蓋了上述61個縣（市、區(qū)）（圖2）。所有數(shù)據(jù)均在PIE軟件中進行了幾何校正、拼接和裁剪等預處理。GF-1數(shù)據(jù)用于初步識別和提取冬小麥種植面積，GF-2數(shù)據(jù)用于對初步結(jié)果進行精修正。

表1 光譜特征及應用領(lǐng)域

1.3 監(jiān)測年份及數(shù)據(jù)時相選擇

河北省響應國家耕地輪作休耕政策，于2016年冬小麥種植季首次實施了季節(jié)性休耕，壓減冬小麥種植面積，2020年冬小麥休耕面積為13.33萬hm2。因此，本文以2015年的冬小麥種植面積作為基準，評估2020年的冬小麥種植面積變化情況及對地下水位恢復的影響。2015年影像的成像時間為3月下旬至4月下旬，2020年影像的成像時間為3月，均在小麥關(guān)鍵生育期內(nèi)，且上述時間段耕地內(nèi)基本沒有其他主要作物種植、冬小麥在衛(wèi)星影像上顯現(xiàn)的光譜特征明顯，是冬小麥遙感識別和種植面積提取的有利時期[4-6]。

1.4 監(jiān)測技術(shù)方法

本文協(xié)同使用高、低分辨率數(shù)據(jù)，分年度提取和統(tǒng)計冬小麥種植面積，總體監(jiān)測技術(shù)流程見圖3。對2個年份的GF-1 WFV數(shù)據(jù)采用計算機非監(jiān)督分類和人工目視修正相結(jié)合的方法，按縣域范圍，分別初步提取監(jiān)測區(qū)內(nèi)冬小麥種植面積[7-9]。GF-1 WFV數(shù)據(jù)的空間分辨率為16 m，在提取冬小麥種植面積時，無法準確識別冬小麥地塊的邊界，以及被冬小麥地塊包圍的溝渠、道路、綠化林帶及一些其他細小地物，導致初步提取的冬小麥面積較實際面積有一定誤差。因此，需要采用更高分辨率的GF-2數(shù)據(jù)對初步提取結(jié)果進行精修正。將GF-2衛(wèi)星獲取的1 m全色圖像和4 m多光譜圖像進行融合，然后采用非監(jiān)督分類和人工目視解譯相結(jié)合的方法提取冬小麥種植面積，對提取的結(jié)果進行修正。

1.5 精度修正系數(shù)計算

對初步提取結(jié)果進行精修正的具體做法：在監(jiān)測區(qū)內(nèi)根據(jù)小麥種植分布特點，每個年份隨機抽取2個面積為100 km2的監(jiān)測框（空間分布如圖4所示）；每個監(jiān)測框內(nèi)，利用同一年份GF-1（16 m）和GF-2（1 m）2種影像數(shù)據(jù)對同一區(qū)域提取冬小麥面積，GF-2（1 m）冬小麥提取面積與 GF-1（16 m）冬小麥提取面積的比值作為每個監(jiān)測框的修正系數(shù)，4個修正系數(shù)的平均值作為監(jiān)測區(qū)域的修正系數(shù)（表2）；用此修正系數(shù)乘以整個監(jiān)測區(qū)域GF-1（16 m）影像的冬小麥初步解譯面積，計算得到監(jiān)測區(qū)域的冬小麥種植面積。

表2 冬小麥種植面積遙感監(jiān)測結(jié)果修正系數(shù)

2 結(jié)果及分析

2.1 監(jiān)測區(qū)域冬小麥種植面積變化情況

根據(jù)冬小麥種植面積提取及修正方法，2020年監(jiān)測區(qū)域內(nèi)冬小麥種植面積150.83萬hm2，較2015年種植面積減少11.25萬hm2，減幅6.94%（表3）。從空間分布來看，地級市尺度上，除廊坊市因玉米價格下滑，農(nóng)民減少春玉米種植，導致冬小麥種植面積增加1.08萬hm2外，其他6個市的冬小麥種植面積均減少，其中衡水市減少面積最多（4.87萬hm2），隨后依次為邢臺市（2.72 萬 hm2）、邯鄲市（2.39 萬 hm2）、保定市（1.20 萬 hm2）、滄州市（0.64 萬 hm2）、石家莊市（0.51 萬 hm2）?？h（區(qū)、市）尺度上，有 42 個縣（區(qū)、市）面積減少，約占69%。減少量最大的滄州市肅寧縣為1.08萬hm2，最小的邢臺市平鄉(xiāng)縣、滄州市泊頭市、滄州市南皮縣、衡水市安平縣為0.03萬hm2；減少量超過0.67萬hm2的有10個、0.33～0.67萬hm2的有12個、0.33萬hm2及以下的有20個，詳細結(jié)果見表3及圖5、圖6。

表3 河北省地下水超采區(qū)冬小麥種植面積統(tǒng)計

表3 （續(xù)）

整體來看，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)冬小麥種植面積減少約11.25萬hm2，占休耕任務的84.5%，較好地完成了休耕任務，國家政策的導向作用發(fā)揮明顯。少數(shù)縣（市、區(qū)）農(nóng)民種植冬小麥意愿較強、種植習慣較差及對休耕意義認識不夠等，冬小麥種植面積增加，但總體增加量不大[10]。這也從側(cè)面說明政策的宣傳引導力度還需加大，讓農(nóng)戶深入領(lǐng)會國家開展輪作休耕制度試點的意義。地方政府應在確保國家糧食安全的前提下，引導、鼓勵農(nóng)戶自發(fā)有序地開展耕地休耕[11-12]。

2.2 冬小麥種植面積壓減對地下水位恢復的效果

從節(jié)水效果來看，河北黑龍港地區(qū)冬小麥生長季降雨僅能滿足冬小麥25%～40%的需水量，常需抽取地下水灌溉。按照灌溉量3 000 m3/hm2測算[3，10]，2020年冬小麥種植面積減少11.25萬hm2可減少地下水抽取量約3.38億m3，約占2019年河北省全年地下水壓減量（7.3億m3）的46.3%，對地下水位的恢復具有一定作用。監(jiān)測區(qū)域結(jié)合節(jié)水灌溉、推行耐旱新品種、增加蓄水量等其他措施，目前，河北省地下水位已由下降趨勢轉(zhuǎn)為上升趨勢。

3 結(jié)論與討論

本文利用遙感技術(shù)對河北省季節(jié)性休耕制度的執(zhí)行情況進行了監(jiān)測，整體上摸清了河北省實行季節(jié)性休耕后冬小麥的種植面積及空間分布變化情況，客觀地反映出河北省較好地實行了國家休耕政策。遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)政策實施監(jiān)測方面有較好的應用前景，對國家及時掌握農(nóng)業(yè)發(fā)展情況、調(diào)整和制定引導農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的良好政策具有重要支撐作用[13-15]。

近幾年，我國小麥供需趨緊，考慮到我國糧食安全問題以及財政補貼的壓力，可能難以繼續(xù)擴大休耕任務，可結(jié)合以下2個方面進一步鞏固節(jié)水效果。一是統(tǒng)籌高標準農(nóng)田建設(shè)，配套田間節(jié)水基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，改傳統(tǒng)溝渠為管網(wǎng)，提高灌溉用水效率；二是加強對農(nóng)戶種植的指導，推行科學灌溉，在有條件的地區(qū)發(fā)展噴灌、滴灌等新型節(jié)水灌溉方式。