农业遥感研究进展与展望

农业遥感是遥感科学的重要分支。文章回顾了农业遥感研究的百年发展历程,认为目前遥感在农业领域的应用广度和深度都在不断扩展,农业遥感从获取传统的总产、面积、单产等要素向更多监测要素不断深入,从传统的资源、环境向植保、农学等方向不断扩展,农业遥感正逐步成为农业科学的基础关键技术。论文从农情遥感、农业灾害遥感、农业资源环境遥感等领域全面总结了近年来中国农业遥感研究取得的成就及重要成果。从农业定量遥感、无人机遥感、作物表型遥感等方面指出了农业遥感研究发展的国际前沿,分析认为,随着传感器、物联网、互联网+、大数据、人工智能等技术的发展及现代农业发展的需求,“十三五”及未来10年,国内农业遥感技术在天空地一体化的农业遥感大数据获取、人工智能与大数据等的信息智能提取和挖掘等方面发展前景巨大。     

生命周期评价在畜牧生产中的应用研究现状及展望

生命周期评价（life cycle assessment,LCA）作为一种全程评价产品总体环境影响和生产效率的方法,被广泛应用于企业优化生产经营结构和政府政策制定等方面。近年来,出于粮食安全保障和生态环境保护的考虑,LCA在农牧生产中的应用越来越受到重视。但我国相关方面的研究和应用并不多见,特别是作为畜牧业重要产区的北方草原牧区,尚没有开展针对当地畜牧生产体系的LCA研究。在这一背景下,本文围绕主要环节和流程对国内外畜牧生产LCA方法框架和研究现状进行了综述,主要从LCA研究目的与范围的确定、生命周期清单分析和影响评价三个方面展开。国内外文献综述表明,国外畜牧产业中LCA的应用已相当普遍,无论从方法上还是技术上都已经相当成熟和完备,对我国畜牧产业LCA科学研究和实际应用均有较强的借鉴意义。然而,由于国内外畜牧产业的具体情况差异,国外LCA经验难以直接应用到国内。首先,在我国北方牧区,家庭牧场是当地畜牧生产的主要经营方式,具有季节性放牧与圈养舍饲结合、不同牲畜混养、牧民生活和生产经营界限不明确等特点,难以直接套用国外方法。此外,在我国开展畜牧生产LCA研究所需的数据收集非常困难,这是制约我国畜牧生产LCA应用的最大短板。最后,由于畜牧生产技术及经营方式的差距,相比于欧美澳等畜牧业发展成熟国家,我国北方牧区畜牧生产受降水等自然因素及市场供求价格因素影响年际间差异更大,这也是我国开展畜牧生产LCA研究必须考虑的问题。为了使 LCA 能够精准且广泛地应用于我国畜牧产业,应从以下几个方面进行改进：首先,开展我国北方牧区不同规模畜牧生产经营系统物料投入和产出的调查和研究,为畜牧产业LCA研究收集必要数据;其次,根据我国畜牧产业的特征建立并完善适合国情的畜牧业LCA标准方法和数据库,提升我国LCA结论的准确性;第三,在我国畜牧LCA研究中还应加大学科交叉力度,理清畜牧产业发展中的自然和社会驱动因素,为我国北方牧区畜牧产业的可持续发展提供数据参考和科技支撑。     

退化草地的系统性恢复:概念、机制与途径

草地是地球陆地面积最大、分布最广泛的多功能生态系统,长期以来过高的家畜数量使草地超载过牧,同时气候变化也对草地的生态稳定性产生负向作用,导致世界及我国的草地出现普遍性退化。草地退化是制约草地实现生产、生态功能的世界性环境问题之一,如何有效地使退化草地恢复是人类面临的巨大科学与技术挑战。迄今对草地恢复的研究已有几十年的历史,而这些研究总体上还处于初步发展阶段,并且实践多于理论研究,尚未形成有共识的草地恢复理论。只有深刻认识草地恢复的过程、机制及途径等理论问题,才能更有效地建立其相关的技术基础,进而研发出行之有效的草地恢复技术。本文作者针对草地恢复问题,分析总结了以往建立的草地恢复模型,即恢复演替理论、阈值模型、选择状态模型及过滤模型等,在此基础之上提出了草地的系统性恢复概念,即通过构建基本的草地关键组分（植被-动物-微生物的营养级物种与优势种）激发草地生态（跨营养级的养分-水分联系、地上-地下耦合等）的自组织过程,实现以系统稳定平衡和多功能协同为目标的恢复方式。草地的系统性恢复强调:恢复目标是接近或达到新的稳定平衡状态,这种状态能够保证维持草地主体功能即可。草地的恢复方式是从营养结构到生态过程和多功能的“系统化”,实际上是从“系统”角度定义、实施草地恢复;草地结构的恢复,即需要恢复草地的优势种或营养级物种,以此构建的生物多样性、食物网或生态网络之框架;草地过程的恢复是实现其自组织性,即依赖草地的内源动力,促发草地过程“自然地”达到稳定状态,这种内源动力源于草地系统存在的生物组分,由于生物可以进行新陈代谢而产生对环境的适应,以及环境对生物的反馈;草地功能的恢复主要是恢复草地的多功能（产品生产与生态服务）,并使多功能之间形成协同与耦合,最终体现的是草地恢复的结构整体性、过程自组织性和功能完整性。文中还阐释了草地系统性恢复的相关机制,同时,对草地系统性恢复的主要方式或途径——封育式自然恢复、人工辅助式干预恢复、适度利用式激发恢复等,进行了深刻解析。鉴于我国牧区的草地面积、家畜数量基数、以及社会生产状况,草地的适度利用恢复可能是一种现实而有效的恢复途径。尽管草地恢复与草地退化密切关联,然而,草地恢复的过程与机制远比想象得更加复杂。本文构建了草地系统性恢复的概念框架,试图丰富、推动发展草地恢复的一般性理论。今后,仍然需要在不同的退化草地上,开展更多的长期试验与技术实践来检验、修正及发展这一概念。     

农业土地系统研究及其关键科学问题

如何科学合理利用土地是实现人类可持续发展的关键。随着人类对土地利用问题愈发关注,在“土地利用/土地覆盖变化”、“全球土地计划”等国际科学研究计划的推动下,“土地系统科学”的学科体系逐步形成,农业土地系统研究成为土地系统科学的热点方向之一。本文以全球土地计划与土地系统科学为指引,旨在明晰“农业土地系统”的概念,系统梳理农业土地系统研究的技术方法、内容对象以及关键科学问题,为进一步丰富和完善土地系统科学学科体系,推动全球变化、粮食安全及农业可持续研究提供参考。研究认为：第一,多维度格局探测与分析是农业土地系统研究的重要基础：农业土地系统不仅关注耕地与其他土地利用类型之间的相互转换特征、规律和过程,而且更为关注耕地内部多熟种植制度、农作物空间格局、利用集约度、综合生产能力等结构和功能的多维变化,因此,需要依靠多学科/数据的交汇、融合等手段来揭示农业土地系统的复杂特征;第二,多模型耦合的过程与机制解析是农业土地系统研究的核心内容：在明晰农业土地系统时空格局特征的基础上,通过建立土地系统格局与其影响因素之间的关系,并将这种关系在时间维度进行扩展,进而实现农业土地系统变化过程和机制的动态表达,目前,土地变化模型的建模手段已从传统单一的地理模型或经济模型研究转向模型耦合研究,以反映农业土地系统中“人类-环境”的复杂关系;第三,多内容的综合效应评估与调控是农业土地系统研究的关键任务：农业土地系统与全球变化、粮食安全及农业可持续发展等问题密切关联,农业土地系统时空格局探测、过程机制解析的最终目的在于通过协调农业土地系统与农业资源、环境和生态的相互关系,考虑不同系统之间的权衡优化关系,追求土地利用的最佳社会、经济和生态综合效益,以建立人地和谐、可持续的农业土地利用模式。解决农业土地系统研究的这些关键科学问题,将有力促进自然科学和社会科学的融合,推动土地系统科学及相关研究领域的发展。     

基于中国居民平衡膳食模式的人均粮食需求量研究

【目的】中国是发展中的农业大国,人均资源极其稀缺,粮食安全始终是关系到国民经济发展、社会稳定与国家自立的全局性重大战略问题。人均粮食需求量是计算国家粮食需求量、制定保障粮食安全相关政策时的基础性指标。论文首次从居民营养健康的视角出发,分析中国人均粮食需求量的组成部分,测算基于平衡膳食模式下的中国人均粮食需求量,为实现资源的效用最大化、确保中国粮食安全提供新的数据支持,也为相应消费引导政策的制定提供科学依据。【方法】采用膳食平衡分析法计算基于平衡膳食模式下的人均口粮和饲料用粮、加工用粮的需求量;采用趋势预测法计算种子用粮、工业用粮、损耗等人均需求量。在此基础上,应用情景分析法讨论其不同影响程度。【结果】基于平衡膳食模式的人均粮食需求量不超过400 kg•a-1;其中,低方案为252.64  kg•a-1,中方案为322.07 kg•a-1,高方案为386.60 kg•a-1。近年来,中国实际人均粮食消费量在406.09-378.88 kg•a-1波动,实际值大于基于平衡膳食模式下的人均粮食需求量。【结论】中国人均粮食需求量 322.07 kg•a-1,基本满足中国人均粮食安全的需求量。如果中国粮食人均占有量386.60 kg•a-1,就能够基本确保中国的粮食安全。目前,中国居民由于不合理的食物消费结构模式,造成基于平衡膳食模式下的人均粮食需求量与人均粮食消费量存在差异。为此,国家应该以营养健康为目标调整食物生产结构、加强居民对平衡膳食结构等食物消费认识的宣传普及工作,以及引导居民建立合理的食物消费习惯。     

基于作物模型与叶面积指数遥感影像同化的区域单产估测研究

通过对作物光合、呼吸、蒸腾、营养等一系列生理生化过程的定量模拟,作物生长模型已经被成功应用于田间尺度的作物单产研究。为了进一步将作物模型扩展应用于区域尺度,提高区域作物单产的模拟精度,该文探讨了将作物模型与多时相叶面积指数(LAI)遥感影像同化以改善区域单产估测的方法。研究首先通过地理信息系统将美国农业部开发的“考虑气候的作物环境决策模型”——EPIC模型,扩展为空间模型。然后,通过基于Landsat TM影像差值植被指数DVI与田间观测叶面积指数构建的最优回归模型,反演了研究区域的多时相叶面积指数影像。最后通过优化算法实现了空间EPIC模型与影像信息的同化,并将系统应用于河北石家庄地区2004年冬小麦的单产估测。结果表明,通过数据同化校正部分关键参数后的空间作物模型的单产模拟精度得到有效提高,但要达到业务运行精度仍有待进一步改善。     

东北地区主要作物种植结构遥感提取及长势监测

以中国东北地区为研究区域,探讨基于遥感影像全覆盖的大尺度作物种植结构自动提取及长势遥感监测的技术方法。通过分析东北地区春玉米、春小麦、一季稻及大豆等主要作物时序光谱特征,确定不同作物种植结构遥感提取的阈值,建立基于MODIS NDVI数据的上述4种作物种植结构提取模型,获取2009年东北地区主要作物空间种植结构格局特征。其次,基于MODISNDVI数据,利用差值模型,通过与近5 a作物长势的平均状况进行对比,分析研究东北地区2009年4种作物的长势状况。结果显示,与多年平均统计数据比较,基于遥感提取的作物种植结构信息,总体精度达到了87%以上;不同作物长势在其整个生育期内在时间和空间分布上都有较大差异。研究表明,通过MODIS数据提取不同作物种植结构及进行大尺度作物长势监测的技术和方法是可行的,研究为中国农业遥感监测系统大尺度业务化运行的作物种植结构提取提供了有效方法。     

不同政策情景下荒漠化地区土地耕作适宜性评价

针对目前耕地适宜性评价中存在指标缺乏表达农民意愿及生态限制性因子的缺陷,应用基于生态限制性因子指标体系开展了中国荒漠化地区土地耕作适宜性评价。结果表明：在粮食安全政策导向情景下,荒漠化地区土地耕作适宜性较高的地区集中分布在亚湿润干旱区及半干旱区的局部地区,占地37×104 km2;在生态环境政策导向下,荒漠化地区土地耕作适宜性较高的地区集中分布在内蒙古南部、西藏南部、新疆北部的局部地区,占地约26.9×104 km2;由于政策导向的不同,宜耕减少地区主要集中于内蒙古东部和西藏南部的局部地区。该研究为大空间     

田间管理措施对土壤有机碳含量影响的模拟研究

利用农业生态系统生物地球化学模型(DNDC),选择6个典型的种植模式点,在特定的土壤和气候条件下运行模型,考察在其它投入条件不变的情况下,改变田间管理措施(秸秆还田、增施有机肥、改变化肥施用等)对土壤有机碳(SOC)含量影响的长期效应.研究结果表明,在众多的管理措施中,增加秸秆还田比例的固碳效应在众多的农田管理措施中体现最突出,以基本管理措施20年后有机碳含量为对照,当秸秆还田率增加到80%时,齐齐哈尔、平凉和芷江地区增加的SOC含量都在C 3 000 kg/hm2以上,北京郊区、江宁和盐亭地区每公顷则可以增加C10 000 kg以上.化肥增加SOC含量是通过增加作物还田残茬来实现的,与基本措施相比,除了华北和华东地区增施化肥使SOC含量显著增加外,其它地区均不明显.化肥施用量为本底值的50%配合秸秆还田率50%和化肥施用量为本底值的50%增施有机肥C 1 000 kg/hm2的两项措施,在各个地区都表现出比基本管理措施能存储更多的碳素,因此,在我国现在措施下,减少化肥的同时增加秸秆还田比例和增施有机肥是既增加土壤有机碳含量又减少化肥污染的"双赢"措施.     

北方农牧交错带农业结构调整是实现农牧业可持续发展的必然选择

正北方农牧交错区带是年降水量在350~550毫米,地理景观以农田生态系统、草原生态系统交错镶嵌分布,农业生产经济发展以畜牧业和种植业并重的区域。与北方草原纯牧区相比,农牧交错区带自然条件相对优越,降水比较丰沛,热量条件良好,能够从事农业生产,所以农牧交错带农业和草原畜牧业可以相辅相成、发展现代草食畜