基于遙感監測河北省地下水超采區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農業農村部規劃設計研究院農業農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劃局，山東菏澤 274000）

隨著經濟社會快速發展，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，河北省地下水開發規模不斷擴大，使河北省成為全國最大的地下水漏斗區[1]。超采會引起一系列的水環境問題，在淺層地下水分布區主要表現為含水層疏干、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綜合治理。在地下水超采最嚴重的黑龍港流域，以節水為核心，采取“引、蓄、管”相結合的方法，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連續多年實行“一季休耕、一季雨養”的季節性休耕政策[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年和連續實施5年休耕政策后的2020年作為監測年份，采用遙感影像全覆蓋的方法，結合地面調查和統計的數據，以黑龍港區域為重點，監測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 數據與方法

1.1 監測區概況

本文以河北省承擔季節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）為監測區。該區域主要為黑龍港及周邊區域，監測面積4.42萬km2，占全省面積的23.3%。該區域是河北省的小麥主產區，小麥種植面積和產量均占全省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，近幾年在該區域實行了季節性休耕，調減冬小麥種植面積（圖1），以適度減少農業用水量。鑒于此，本文重點對該區域休耕前后的冬小麥種植面積變化情況進行監測。

1.2 遙感數據

該研究采用高分一號（GF-1）和高分二號（GF-2）衛星數據提取冬小麥種植面積。GF-1衛星于2013年發射成功，搭載有PMS全色相機和WFV多光譜相機，其中WFV數據的空間分辨率為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衛星于2014年發射，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衛星和GF-2衛星已成為國內農業遙感監測的主要數據源，其數據特征及其主要應用領域見表1[5]。本文主要采用GF-1和GF-2的多光譜數據，此次監測共應用了9景GF-1數據和4景GF-2數據，覆蓋了上述61個縣（市、區）（圖2）。所有數據均在PIE軟件中進行了幾何校正、拼接和裁剪等預處理。GF-1數據用于初步識別和提取冬小麥種植面積，GF-2數據用于對初步結果進行精修正。

表1 光譜特征及應用領域

1.3 監測年份及數據時相選擇

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，均在小麥關鍵生育期內，且上述時間段耕地內基本沒有其他主要作物種植、冬小麥在衛星影像上顯現的光譜特征明顯，是冬小麥遙感識別和種植面積提取的有利時期[4-6]。

1.4 監測技術方法

本文協同使用高、低分辨率數據，分年度提取和統計冬小麥種植面積，總體監測技術流程見圖3。對2個年份的GF-1 WFV數據采用計算機非監督分類和人工目視修正相結合的方法，按縣域范圍，分別初步提取監測區內冬小麥種植面積[7-9]。GF-1 WFV數據的空間分辨率為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數據對初步提取結果進行精修正。將GF-2衛星獲取的1 m全色圖像和4 m多光譜圖像進行融合，然后采用非監督分類和人工目視解譯相結合的方法提取冬小麥種植面積，對提取的結果進行修正。

1.5 精度修正系數計算

對初步提取結果進行精修正的具體做法：在監測區內根據小麥種植分布特點，每個年份隨機抽取2個面積為100 km2的監測框（空間分布如圖4所示）；每個監測框內，利用同一年份GF-1（16 m）和GF-2（1 m）2種影像數據對同一區域提取冬小麥面積，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測框的修正系數，4個修正系數的平均值作為監測區域的修正系數（表2）；用此修正系數乘以整個監測區域GF-1（16 m）影像的冬小麥初步解譯面積，計算得到監測區域的冬小麥種植面積。

表2 冬小麥種植面積遙感監測結果修正系數

2 結果及分析

2.1 監測區域冬小麥種植面積變化情況

根據冬小麥種植面積提取及修正方法，2020年監測區域內冬小麥種植面積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）。縣（區、市）尺度上，有 42 個縣（區、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，詳細結果見表3及圖5、圖6。

表3 河北省地下水超采區冬小麥種植面積統計

表3 （續）

整體來看，監測區域內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揮明顯。少數縣（市、區）農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]。這也從側面說明政策的宣傳引導力度還需加大，讓農戶深入領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、鼓勵農戶自發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

從節水效果來看，河北黑龍港地區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。監測區域結合節水灌溉、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為上升趨勢。

3 結論與討論

本文利用遙感技術對河北省季節性休耕制度的執行情況進行了監測，整體上摸清了河北省實行季節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。遙感技術在農業政策實施監測方面有較好的應用前景，對國家及時掌握農業發展情況、調整和制定引導農業健康發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，可能難以繼續擴大休耕任務，可結合以下2個方面進一步鞏固節水效果。一是統籌高標準農田建設，配套田間節水基礎設施設備，改傳統溝渠為管網，提高灌溉用水效率；二是加強對農戶種植的指導，推行科學灌溉，在有條件的地區發展噴灌、滴灌等新型節水灌溉方式。