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土地日 | 遥感数据助推土壤健康科学的发展

媒体:原创  作者:大自然保护协会
专业号:大自然保护协会 2020/7/1 12:18:38

2020年6月25日是第30个全国土地日。关于土地的话题,永远都说不完。到2050年,全球人口将逼近100亿,这将为农业生产带来前所未有的压力,而缓解这种压力的方法之一,就是显著改善农田的土壤健康状况。这一次,小自向你介绍一个以数据为驱动的新工具,它有可能帮助解锁农业土壤健康解决方案,惠及人类和大自然。

摄影:© Carlton Ward Jr.

自从人类开始种植粮食以来,我们养活自己的能力就与天气模式密不可分。数千年来,农民们一直根据历史趋势来预测雨季和气温变化,用以指导种植和收获活动。但现在,气候变化正导致暴雨、洪水和干旱等极端天气事件的增加。这些不断变化的天气模式会扰乱种植季节、温度,从而影响农民的收获与经济收入,并广泛波及粮食系统。

例如,来自美国农业部(U.S. Department of Agriculture)的报告显示,由于2019年春天的强降雨和洪水,中西部地区有1120万英亩玉米和440万英亩大豆未能被播种。因此,现在最大的问题是:农民如何适应日益增加的极端天气?或许有一个方式,可以帮助我们发现这个问题的答案,那就是太空时代的技术,特别是从地球表面400英里外的卫星上收集的遥感数据。

卫星技术

史蒂夫·哈根(Steve Hagen)博士是达甘公司(Dagan, Inc.)资深科学家和首席运营官。他和他的团队正着手在土壤健康实践和丰水年种植能力之间找到联系。他们研究的核心是——卫星技术。

耕作信息管理系统(OpTIS)利用卫星图像跟踪耕作的年度状况以及覆盖作物采用情况,产生的数据可以很好地帮助科学家、决策者和碳交易经理做出判断。

由达甘的科学家和工程师开发的耕作信息管理系统(The Operational Tillage Information System, OpTIS),利用来自Landsat和Sentinel 2号卫星的公开遥感数据,对每年免耕、保护性耕作和覆盖作物等土壤健康实践采用率进行趋势监测。

2005年至2018年,保护技术信息中心(The Conservation Technology Information Center)、达甘公司和大自然保护协会(TNC)率先在玉米带(Corn Belt)开发、测试和应用了OpTIS。玉米带从美国俄亥俄州东部延伸至堪萨斯州东部和内布拉斯加州,从密苏里州布斯希尔延伸至北达科他州的红河谷。

OpTIS分析显示,2006年至2018年间,玉米带(Corn Belt)种下的冬季覆盖作物增加了近200万英亩。在此期间,该地区玉米和大豆的保护性耕作保持稳定,2018年的平均比例为44.4%。

虽然数据显示,土壤健康实践呈稳步增多的总体趋势,但达甘团队使用OpTIS进行了更深入的挖掘。他们利用2019年生长季卫星观测数据和OpTIS数据库(该数据库记录了种植前至少在地表留下30%残留物的历史覆盖种植和保护性耕作管理)进行了一项有趣的分析。通过利用这些数据,他们研究了俄亥俄州西北部、密苏里州中东部和南达科他州东南部地区的玉米、小麦和大豆田,这些地区的种植受玉米带春季降雨影响最为显著。

根据研究小组的初步调查结果,过去一直使用冬季覆盖作物、保护性耕作和免耕措施的农田,在2019年春季(这段时间降雨量创纪录)完成播种的比例要高于传统农田。极端降雨使得很多传统农田放弃播种不得不撂荒。

实地检验

美国密苏里州康科迪亚第三代农民乔希·佩恩(Josh Payne)对这个结果并不感到惊讶。7年前,乔希辞去英语教师工作,转而和他现年91岁的祖父一起运营家庭农场。过去4年里,他们用种植覆盖作物、实行免耕耕作管理着800英亩的玉米和大豆田。尽管2019年春天雨量惊人,但与附近不使用这些方法的农民相比,乔希和他的家人还是平均提前两周实现了播种。

摄影:© Erich Schlegel / TNC

“我们发现土壤结构有了很大的改善,雨水能够更好地渗透,”乔希解释说,“谷类黑麦和小麦覆盖作物的根部有助于吸收地面的水分。土壤也变比较硬一些,所以我们能够把设备放在上面。”

乔希发现,改善土壤健康有许多好处,如减少土壤侵蚀和增加土壤有机质,这两方面都能提高土壤的蓄水能力。

OpTIS 提供新机会

尽管各种“坊间证据”和OpTIS数据分析都令人鼓舞,但史蒂夫警告,达甘的发现仅仅是基于有限的研究。“一些初步证据表明,保护性耕作有助于抵御暴雨,而且这值得进一步深入研究分析。”

在这个美国爱荷华州农场,谷类黑麦覆盖作物被种植到玉米田里。

摄影:© Lynn Betts/NRCS/SWCS

幸运的是,OpTIS数据可以有所助力。如达甘对雨季种植的初步分析所示,OpTIS可以为实施保护性土地管理的结果提供有价值的见解,在同时考虑到一系列附加因素之后,将极大地造福其他地区的种植者和农业利益相关者。

在此之前,这种规模的历史实践数据库从未提供给与粮食生产商合作的利益相关者。OpTIS数据不仅可以扩展必要的研究规模和范围,以回答农业领域中一些最紧迫的问题,还能提供一个记录和监测农业适应极端天气变化能力的工具。

OpTIS 使用介绍

我们——政府、学术界、自然保护组织和企业——越早了解新的数据应用趋势与方法,就越能集中资源和工具,帮助农民保障他们的未来,同时造福社区和自然。

OpTIS可以帮助:

水土保持区确定优先事项,并评估实现区域目标的进展情况。

农业-食品系统供应链的利益相关者更好地了解采用覆盖作物和特定耕作系统时的市场潜力,这些系统会影响环境可持续性,如温室气体排放和土壤固碳。

保护组织达成改善土壤健康和水质的目标。

学术研究人员利用空间信息对水质和碳循环进行建模。

知识就是力量,一个好的耕作信息管理系统将帮助更多利益相关方掌握重要数据,以帮助农民提高生产率,保护我们的水源和土地,并确保我们有一个可持续的未来。我们将继续通过推广合理轮作、覆盖作物种植、养分管理、蜜源植物种植等以自然手段为基础的农业生产和农田管理技术,改善土壤健康状况的同时提高农业生物多样性。我们将继续关注并实践创新性技术应用以应对未来的挑战。

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