多源遥感与作物生长模型支持下的破碎化对耕地生产服务的定量影响研究

Agricultural landscapes are typically characterized by fragmentation during China’s economic transition. With the “coupling mechanism between landscape pattern and ecosystem services” as the theory basis, this project analyzes the influential mechanism of farmland fragmentation on provisioning service, in order to provide references for increasing grain production capacity under the constraint of farmland resources shortage. The major contents are described as follows: (1) Developing a comprehensive index system for measuring farmland fragmentation based on its multidimensional characteristics, extracting the time series information of farmland fragmentation, and analyzing the multi-scale spatiotemporal process and driving factors of farmland fragmentation. (2) By assimilating multi-source remote sensing fusion information into a crop growth model, the information of actual and potential grain production is extracted, and the provisioning service is measured with high accuracy at high spatial resolution. Then, the spatiotemporal dynamics of provisioning service are characterized. (3) Exploring the complexity in the relationship between farmland fragmentation and provisioning service, and developing a multi-scale influential model of farmland fragmentation on provisioning service by using boosted tree regression. Then, revealing the ecological mechanism involved in their spatial association, and illuminating the influential mechanism of farmland fragmentation on provisioning service. The implementation of this project can offer new ideas and approaches to quantify the influence of farmland fragmentation on agricultural production, and enrich the theory system of rural land use research.

破碎化是我国经济转型期农业景观的典型特征。本项目以“景观格局与生态系统服务耦合”为理论依据，探究耕地破碎化对生产服务的影响机制，以期为在耕地资源短缺硬约束下提高农区粮食生产能力提供决策支持。具体内容包括：①基于耕地破碎化的多维度特征构建综合测度指标体系，提取耕地破碎化的时间序列变化信息，研究不同尺度上耕地破碎化的时空过程及驱动机制；②借助多源遥感融合信息同化作物生长模型的方法，获取实际粮食产量、潜在粮食产量等信息，对耕地生产服务进行高分辨率空间化和高精度定量化测度，分析耕地生产服务的时空演变趋势；③探讨破碎化与生产服务关系的复杂性特征，选择增强树回归，建立破碎化对耕地生产服务的多尺度影响模型，揭示两者在空间关联性上的生态学机理，阐明破碎化对耕地生产服务的影响机制。本项目的开展，可为在宏观层面上评估耕地破碎化对农业生产的影响提供新的思路和方法，有利于丰富农村土地利用研究的理论体系。

破碎化是我国经济转型期农业景观的典型特征。项目以浙江省苕溪流域和安吉县为案例区，主要围绕耕地破碎化时空过程及驱动机制、耕地生产服务测度及演变趋势、耕地破碎化对生产服务的影响等三个内容开展，建立了时间序列农业土地利用数据库。取得的进展主要有：①以“景观格局变化与生态系统服务耦合”为理论依据，实现了在像元、行政区以及区域尺度上对耕地破碎化进行时间序列分析，为在空间层面上探讨耕地破碎化对粮食生产能力的影响提供了理论依据和技术支持；②借助多源遥感融合信息同化作物生长模型的方法对耕地生态系统的潜在粮食生产量和实际粮食生产量进行估算，并利用两个指标的比值反映耕地生产服务。这一测度方法不仅遵循了耕地生态系统粮食生产的生态学机理，同时也实现了对耕地生产服务进行高分辨率空间化和高精度定量化，为耕地生态服务的测度提供了新思路；③探讨了破碎化与生产服务关系的复杂性特征，建立非参数模型定量分析耕地破碎化对生产服务的影响，突破了传统数理模型在解决这一问题上的局限性（先验假设、数据正态分布、空间平稳等），为研究耕地破碎化对粮食生产能力的影响提供了新的方法。相关成果应用于北京市、重庆市等地区的地理国情监测及综合统计分析，为在宏观层面上评估耕地破碎化的生态效应提供了新的思路和方法，有利于丰富农村土地利用研究的理论体系。