农业雷达遥感方法与应用

第1章我国农业生产特点与农业雷达遥感应用研究现状 农业是人类的衣食之源、生存之本，没有农业就没有人类的现代文明。我国是一个拥有14亿人口的发展中农业大国，农业在我国历来被认为是安天下、稳民心的战略产业。农作物种植面积变化、长势好坏以及产量丰歉等农情信息已成为国家农业政策制定以及宏观决策的重要依据。及时了解、准确掌握农作物种植面积、生长状况和产量等信息，对国家各级管理部门正确制定农业生产和农村政策、科学指导农业生产、确保我国粮食安全和社会可持续发展具有重要意义。 遥感以其宏观性、时效性、周期性等特点，成为农情信息获取的重要手段。我国气候资源、地形土壤条件，以及生产方式等因素，为农业发展提供了基础条件，同时也影响着我国农业生产布局，形成了我国农业生产特点。我国农业生产特点给遥感监测带来了一定的困难和挑战。雷达遥感以其可全天时、全天候成像、穿透能力强等优势，在农业应用研究中发挥着不可替代的作用。 1.1我国农业生产特点 气候资源、地形土壤条件以及生产方式是决定农业生产的基本要素，农业生产以作物生长发育为基础（覃志豪等，2013），为农业发展提供了基础条件，影响农业生产布局，进而形成农业生产特点。我国的农业生产特点给遥感监测带来一定的困难和挑战。 1.1.1我国农业气候资源特点 农业气候资源是指为农业生产提供物质和能量，并影响农业生产发展的自然资源。它是农业自然资源的组成部分，也是农业生产的基本条件，包括光能资源、热量资源、水分资源、大气资源和风资源。由于我国地域辽阔，地形复杂，具有从北温带到南温带、从湿润到干旱的不同气候带，气候变化复杂，对农业气候资源的影响明显，使得农业气候资源在空间上分布不均，热量资源、光资源和水分资源存在区域性差异（郭佳等，2019）。 1.雨热同季，光温水资源利用潜力大 我国大部分地区太阳辐射强，光照充足，年总辐射量多在3760～6680MJ/m2，一般西部多于东部，高原多于平原。绝大多数地区的光能对于农作物的生长发育和产量形成是充裕的，但光能利用率不高。单产为3450kg/hm2的粮食作物，光能利用率一般仅为0.4%～0.5%；单产超过7500kg/hm2的两季高产作物（小麦、玉米），光能利用率不超过1%；单产超过11250kg/hm2的南方三熟制高产田，光能利用率也不超过2%。农作物生长期内的热量条件，除东北的寒温带和青藏高原外，72%的地区冬季冷凉，夏季温热，季节变化明显。积温自北向南逐渐增多，种植制度由一年一熟演变为两年三熟、一年两熟甚至三熟。通常0℃以上积温大于4000d ℃的地区有实行复种的可能，大于5700d ℃的地区可种植双季稻或实行三熟制。多数地区冬半年种植喜凉作物，夏半年种植喜温作物。复种面积广是中国农业气候资源的一大优势，这使我国成为世界同纬度地区复种指数*高的国家。 我国东部受夏季风影响，雨量充沛，降水量集中在农作物生长活跃的夏季（6～8月），有利于农、林、牧、渔多种经营的全面发展，是我国农业气候潜力大的地区。高温多雨同季出现并与农作物生长旺季相契合，光、热、水资源得到充分利用，使我国喜温作物的种植纬度高于世界其他地区。30°N以南地区由于受副热带高压的控制，大多为沙漠或荒漠草原，但我国东部的同纬度地区夏季风带来了丰沛降水，使江南广大地区成为“鱼米之乡”。我国西北地区年降水量多在400mm以下，虽有较丰富的光热资源，但受水分不足的影响，农业生产受到限制，成为我国主要的草原牧区。河西走廊和新疆的部分地区，因有天山、祁连山、昆仑山及阿尔泰山的冰雪融水补给，形成“绿洲农业”，具有独*的气候优势，成为小麦、棉花、甜菜以及瓜果的优质产地。 2.地形复杂多样，气候垂直地带性明显 我国地形复杂，高山、丘陵、平原、河谷、盆地纵横交错，地形对光、热、水资源的分配影响很大。高大山体对冷空气的阻滞作用、沟谷和盆地的冷湖作用、江湖水体的热效应，以及海拔、山脉走向、坡度、坡向不同而引起的垂直气候差异，形成复杂多样的农业气候环境和相应农业布局及熟制类型。东西走向的山脉（如秦岭、南岭等）对冷空气南下的屏障作用和气流越山下沉增温作用，常使背风侧具有明显的冬暖气候特征，甚至成为气候的分界线，这在亚热带地区尤为明显。 山区随海拔增高存在温度的垂直递减，年平均气温垂直递减率为0.4～0.6℃/100m，积温也随之下降。其他因子也有一定的垂直分布规律，从而形成立体气候，在不同海拔出现不同的气候带，并有南北坡之别，植物分布也随高度而变化。如云南高原地形的热量呈热带—亚热带—暖温带—温带—寒温带的垂直分布，10℃以上积温从8000d ℃减少到1300d ℃，作物种植从三熟制逐渐过渡到一季喜凉作物，形成独*的立体农业气候类型。 3.气象灾害频繁是农业发展的主要障碍因素 我国各地降水量季节分配很不均匀，全国大多数地区降水量集中在5～10月，这个时期的降水量一般占全年的80%。就南北不同地区来看，南方雨季开始早结束晚，北方雨季开始晚而结束早，中国季风气候特征显著，气候要素变率大，旱涝低温等气象灾害频繁多发。同时，我国农业基础比较薄弱，抵御灾害的能力较差，气候波动，特别是气候异常对我国农业的发展会产生较大的不利影响，其中旱灾、洪灾、寒潮、台风等是对我国影响较大的灾害性天气。 由于每年夏季风势力的强弱变化大，所以常常出现“北旱南涝”或相反的灾害。还极易产生寒潮、霜冻和台风引起的灾害性天气，危害农作物。我国旱涝灾害平均每年发生一次，北方以旱灾居多，南方则旱涝灾害均有发生。从干旱的季节分布看，春旱以黄淮流域以北和东北的西辽河流域*为严重，夏旱在长江流域较为常见，秋旱影响华北地区晚秋作物后期生长和秋耕秋种，冬旱主要发生在华南南部和西南地区。旱灾的特点是发生面积大、时间长，不仅危害农作物，而且影响林业和畜牧业。我国洪涝灾害分布特征总体而言是：东部多，西部少；沿海地区多，内陆地区少；平原地区多，高原地区少。黄淮海平原、长江中下游、东南沿海和东北平原是洪涝灾害发生较多的区域。洪涝灾害不仅会造成严重的经济损失，而且大雨和暴雨还是水土流失的气象原因。 在夏秋季节，中国东南沿海常常受到热带风暴/台风的侵袭，以6～9月*为频繁。在我国的秋冬季节，来自内蒙古、西伯利亚的冷空气不断南下，冷空气特别强烈时，气温骤降，出现寒潮。寒潮可造成低温、大风、沙暴、霜冻等灾害（郭卫华等，2010）。 1.1.2我国农业地形土壤条件 我国地形复杂多样，高原和山地面积大，地形种类齐全，各种地形交错分布，山地约占全国土地面积的33％，高原约占26％，盆地约占19％，平原约占12％，丘陵约占10％，多种多样的地形为中国农业因地制宜发展和经营提供了有利条件。东北平原土地平坦、肥沃，以种植玉米、大豆、水稻、高粱、粟和春小麦为主。黄淮海平原地区是中国较大的平原地区，是小麦、棉花、玉米、大豆的主要产地。长江中下游丘陵地区人多地少、土地肥沃，以种植水稻为主，兼产棉、麻、油菜、蚕丝、茶等。华南地区水分和热量资源十分丰富，以种植双季稻为主，具有种植热带经济作物和热带水果的独*条件。西南高原盆地地区海拔200～3000m，大部分为山地和高原，其间穿插着丘陵、盆地和平坝，具有立体农业的特点。河西走廊、银川平原以及河套灌区则以发展灌溉农业为主，主要种植小麦、玉米、水稻，还有少量棉花、甜菜。青藏高原地区的耕地主要分布在海拔1000～4700m的河谷地带，主要种植青稞、小麦、莜麦、马铃薯、豌豆、油菜等作物（贾学铭，2012）。此外，地形还会通过气温、降水、光热和土壤条件等来影响农业生产。另外，我国山地面积广，交通不便，耕地面积小、平整度差，而且南方部分地区虽地形平坦，但河网密布、地块零散、空间连续性不足，这些都不利于我国规模化、机械化农业生产的发展。 我国土壤类型多样，不同农业区的土壤类型不同。南方农业区为红壤、砖红壤，含水量高，透气性能差，风化淋溶作用强烈，易溶性无机养分大量流失，铁、铝残留在土中，颜色发红，土层深厚，质地黏重，肥力差，呈酸性至强酸性，非常适合水稻生长，故又称水稻土。另外还能生长油菜、棉花、甘蔗等热带和亚热带作物。北方农业区为黄壤和棕黄壤，土壤的黏化作用强烈，还能产生较明显的淋溶作用，使钾、钠、钙、镁都被淋失，黏粒向下淀积，土层较厚，质地比较黏重，表层有机质含量较高，呈微酸性反应，适合小麦、玉米生长，还有大面积谷类作物及棉花种植，并且此类土壤还能进行各种蔬菜培育。东北农业区黑钙土、钙土广布，腐殖质*为丰富，腐殖质层厚度大，土壤颜色以黑色为主，呈中性至微碱性反应，钙、镁、钾、钠等无机养分也较多，土壤肥力高，是世界三大黑土分布地区之一，也是我国重要商品粮食基地，种植小麦和玉米，以及甜菜、亚麻等经济作物，但冻土广布，下渗微弱，内涝严重。西部农业区水资源不足，农业类型为灌溉农业，土壤类型为荒漠土，风化作用强烈，有机质含量低，土质疏松，只能生长草类或沙生植物，但冲积扇（绿洲农业）土层深厚，肥力高，有灌溉水源，适合种植业发展，如南疆棉花种植。青藏高寒农业区土壤剖面由草皮层、腐殖质层、过渡层和母质层组成，土层薄、土壤冻结期长，通气不良，土壤呈中性反应，只能种植青稞等农作物，且由于积温较低，农业只能分布在藏南谷地当中。另外，四川盆地中的肥沃紫色土在频繁的风化和侵蚀作用下形成，土壤有机质、全氮含量相对较高，磷、钾含量稍低，主要农作物有水稻、紫薯等（李映辉，2014）。 1.1.3我国农业生产方式 随着国家对粮食安全的重视和农业行政部门的引导，以及农业生产技术和经营管理的现代化水平提升，我国农业生产方式逐渐向多元化发展，主要包括以下四种方式。一是传统的农户经营，也可以叫作小农经济或者小农经营，其特点是在家庭联产承包责任制体制下，农户成为土地的承包经营单位，家庭劳动力直接从事农业生产。二是规模化的大户经营，即农户经营的升级版，在经济发达的苏南地区和东北地区相对普遍。所谓的规模经营大户是指每个劳动力经营30亩1亩≈666.67m2。以上，每个农户经营60亩以上，现在有的规模大户经营规模已经达到3000～6000亩。目前国家确定的粮食基地、农业农村部督导的高产创建主要采取这种形式。三是农村专业合作社（在经济发达地区也包括农民股份合作社）和股份合作社，有助于提高农业生产效率和效益，但其资金主要依靠自筹，技术也受到农民眼界和知识结构的限制。四是农业公司，其农业生产市场定位明确。农业公司是外来的资金、技术、管理、信息密集型的公司企业，这样的农业生产往往是规模经营的设施农业、标准农业，或者是超大规模的畜牧业。现在的国家粮食基地农业园区、蔬菜大棚、现代化养猪场、养鸡场、奶牛场、特定和特种农产品种植基地多是采用这种经营组织方式（樊平等，2012）。 虽然我国的农业生产方式呈现多元化发展的趋势，但是目前我国大多数地方仍然是精耕细作的小农经营模式，尤其是在一些不发达地区，小农经济存在以下特点。 （1）农业生产规模小，生产效率低下。小农经济生产方式是以土地及生产资料的分散为前提的，它既排斥生产资料的积聚，也排斥协作，排斥同一生产过程内部的分工，排斥社会对自然的统治和支配，排斥社会生产力的自由发展。土地面积太小难以实现规模经济，土地“豆腐块”形式的存在使得绝大多数农户的生产还停留在人力加畜力的水平上，各种大型机械化设备和先进的科学技术无法使用，产出的增加还是依靠更大比例的投入，成本快于收益的上升速度使得规模效应根本无法实现。 （2）农业生产缺乏整体规划、抗风险能力差。小农经济由于是个体经营，家家户户各自决定种植作物类型、播种时间、耕作方式等，农业田间管理水平差异大；而且生产单位小、散、多，在遇到天灾时，无法有效组织大规模的抗灾救险行动，往往只能依靠宗亲关系进行一对一救助，而不能在集体的框架下由大家帮助解决。在小农经济基础上，无法建立起完善的公共福利机制，也就导致了个体的抗风险能力的