新研究揭示中国农田保护性耕作时空变化动态

保护性耕作是一种旨在尽量减少土壤扰动和保护土壤结构的农业耕作方式，是农田土壤培育、固碳减排的重要管理措施。在中国越来越多的农田正在从传统耕作向保护性耕作转变，但时空变化信息缺失。了解保护性耕作实施的时空信息可为政策制定者提供科学依据，提升绿色低碳农业的发展。目前虽然发布过全球网格化耕作数据集，但是这一数据是基于静态的土壤属性数据与有关耕作的先验规则制作，不能反映保护性耕作的动态变化，在局部地区也缺乏精细的信息。因此，发展高精度的保护性耕作动态地图对发展绿色低碳农业有重要的意义。

图 样本点分布

中国科学院地理科学与资源研究所陶福禄团队在《Computers and Electronics in Agriculture》发表论文“Mapping the spatiotemporal patterns of tillage practices across Chinese croplands with Google Earth Engine”。基于文献调查搜集全球常规耕作/保护性耕作样本点，使用哨兵-2 影像计算与秸秆还田比例相关的遥感指数如NDTI(normalized difference senescent vegetation index)等、通过机器学习方法训练样本，使用Google earth engine平台生成了 2016-2020 年1km分辨率中国农田常规耕作/保护性耕作分类地图。

全国耕作方式分类图的处理流程如图 1 所示。首先，我们根据文献综述和目视解释生成了两个地面参考样本点库。第一个地面参考样本点库来自394篇文献的432个站点，用于训练随机森林(RF)分类器（图2）；第二个地面参考样本点库根据Google高清影像的地面覆被特征目视解译提取，仅用于验证。第二步，我们根据MCD12Q2数据获取中国农田的耕作期，耕作期被定义为EVI首次超过15%的那一个月。第三步，我们将耕作期内的18个哨兵-2 波段进行合成，产生用于分类的特征值；我们通过交叉验证训练出最佳RF分类器。最后，我们将最优RF分类器应用到哨兵-2波段，并绘制了 2016 年至 2020 年全国耕作方式分类图，并分析保护性耕作农田的时空变化。

图1: 保护性耕作/常规耕作农田提取流程图

图2: 研究区概况图

如图3所示，保护性耕作主要分布在以旱地为主的华北地区，而常规耕作主要分布在以水田为主的华南地区。中国耕地的保护性耕作比例平均为 36%±2.1%（平均值±95% 置信区间）。西北地区、青藏高原、华北平原、长江中下游地区、西南地区、东南地区和东北地区的平均比例分别为40%±5.7%、45%±2.1%、44%±5.3%、36%±4.8%、27%±6.5%、17%±2.1% 和 37%±3.7%(图4)。2016-2020年保护性耕作农田的比例从29%±2.0%增加到40%±2.2%。与单季种植系统相比，保护性耕作在双季种植系统中更为普遍，2020 年第一个生长季的保护性耕作比例约为34.9%，在第二个生长季的保护性耕作比例约为89.7%。

图3: 2016-2020年中国第一季轮作保护性耕作(红色)、第二季轮作保护性耕作(绿色)、常规耕作农田(灰色).

图4: 2016-2020年中国保护性耕作农田面积比例，(a)全国、(b)西北地区、(c)青藏高原、(d)华北平原、(e)长江中下游地区、(f)西南地区、(g)东北地区.

Wang, Yicheng, et al. "Map** the spatiotemporal patterns of tillage practices across Chinese croplands with Google Earth Engine." Computers and Electronics in Agriculture 216 (2024): 108509.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168169923008979?dgcid=coauthor