【文献分享】农业土地利用现状的反照率影响：MODIS数据中的作物反照率与作物生产生命周期

导言

农业土地利用和管理会通过影响温室气体通量和地表特性的方式影响全球气候。反照率的增加有可能抵消温室气体的辐射强迫和变暖效应。因此，考虑反照率对于根据气候变化评估和改进农业系统可能很重要，但通常不知道特定作物的反照率。本研究量化了区域条件下单种作物的反照率，并使用生命周期评估（Life cycle assessment, LCA）评估了反照率变化对当前作物生产的气候影响重要性。本研究对瑞典南部的七种主要作物进行了评估，与未利用的土地（以半天然草地为代表）进行比较。作物反照率来自MODIS产品(MCD43A1 v6)，将其空间响应模式与2011-2020年农业用地数据相结合，并利用投入的生产、实地作业以及土壤氮和碳平衡估算了温室气体的通量。结果表明，不同作物的十年平均反照率比未利用土地高6-11%，不同年份各种作物的反照率随气候波动，但不同作物之间的差异基本一致。反射率的增加抵消了17–47%由投入生产和现场作业产生的温室效应，但总气候影响是变暖。基于时间矩阵分析，由于反照率升高，所有作物由于反照率在短期内（3-12年，不同作物长度不同）对全球平均地表温度产生净变冷影响，但在长期内由于温室气体排放而有净变暖影响。本研究中提出的方法和数据可支持对农业系统进行更全面的评估。如何从系统的角度，综合分析土地利用在不同空间和时间尺度上的气候影响以及直接和间接后果，还需要进一步的研究。

 

 

论文信息

原名：Albedo impacts of current agricultural land use: Crop-specific albedo from MODIS data and inclusion in LCA of crop production

译名：当前农业土地利用的反照率影响：MODIS数据中的作物反照率和在作物生产生命周期评估中的应用

期刊：Remote Sensing of Environment

发表时间：23 April 2022

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155455

 

Highlights

• 利用MODIS产品得到区域条件下的特定作物反照率。
• 在湿温带气候下，草地和冬季作物的反照率比春季作物高。
• 反照率变化对气候的影响表现为辐射强迫（RF[ Radiation Forcing，RF：辐射强迫，是指由于气候系统内部变化，如二氧化碳浓度或太阳辐射的变化(本文中为反照率变化，反照率升高气候变冷；反照率降低则气候变暖)等外部强迫引起的对流层顶垂直方向上的净辐射变化。]）。
• 使用基于时间序列的LCA来评估作物生产，包括反照率和温室气体。
• 反照率增加在一定程度上抵消了温室气体引起的气候变暖，并在短期占主导地位。

 

1. 引言

IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change，联合国政府间气候变化专门委员会）[ Intergovernmental Panel on Climate Change，联合国政府间气候变化专门委员会]气候变化与土地特别报告（2019b）强调了土地利用因地表特征变化而对气候产生的影响。研究生物物理气候效应对于评估和改进土地利用、基于生物量的系统以及全球变暖的应对方案至关重要。

当前研究的重点是农业用地对地表反照率的影响。反照率的变化会改变地表能量和水分收支，从而影响局地到区域尺度的温度和水文循环。此外，反照率的变化会直接扰乱大气层顶部的辐射平衡，从而对全球气候系统产生辐射强迫（Radiative forcing, RF）。计算RF是一种简单的量化和比较各种强迫因素对全球平均温度变化的贡献的方法。土地的反照率取决于土壤特性（如质地、有机物含量、湿度）、植被特性（如叶和茎的反射率、叶倾角、密度），以及水、雪或颗粒的沉积。这些因素受天气和气候、植物物候和人类活动的影响，其中作物类型、农业用地的多种种植和管理方式会使得土壤性质发生变化，从而影响地表反照率。

本研究的目的是：(1)利用MODIS产品MCD43A1 v6，定量研究区域各作物的反照率；(2)利用生命周期评估（LCA），基于辐射强迫评估反照率变化在当前作物生产中对气候影响中的重要性。

 

2. 材料与方法

2.1 研究区域

研究区域为瑞典南部的农业区。该区域有冬小麦、冬黑麦、冬油菜、春小麦、春大麦、甜菜和轮作草地七种作物类型，未利用土地以半天然草地为代表。

图1 研究区域农业土地类型

 

2.2 反照率和辐射数据

日尺度平均蓝天空反照率数据是用MODIS BRDF/albedo模型参数产品MCD43A1 v6计算得到的，该数据的分辨率为463m，研究时间为2011-2020年。为确定每种作物类型的代表像元，使用Python的GeoPandas包，选择像元信息中至少有85%来自农业用地并且至少80%来自同一作物的像元（排除冬黑麦与春小麦）。针对每种作物和收割年份的像元，反演每种作物在生长季内和生长季外的日尺度反照率模型参数，以保证全年覆盖。在此基础上，计算得到每种作物的气候学平均反照率（10年平均），以确保不同生长条件的年份权重相同。

图2 研究区域的作物生长季。绿色条标记不同作物的生长季，灰色条标记生长季节以外的时期

 

2.2.1 土地利用数据

农业生产区和田地的面矢量数据来自瑞典农业委员会，下载地址：https://www.scb.se/publikation/40603.

 

2.2.2 像元足迹模型

MODIS的BRDF/Albedo产品是基于Terra和Aqua 卫星16天重访周期间的观测数据得到的。每天和每个像元的BRDF估计值基于多天和多角度的观察得到，从而导致单像元足迹大于MODIS产品的500m分辨率。每个BRDF/Albedo值都有一个特定的足迹，由于MODIS成像系统以及生成栅格化日常产品所应用的空间和时间采样程序的复合结果，这个足迹通常是未知的。

可以应用MODIS产品的空间响应性质来估计像元足迹，并应用椭圆高斯点扩散函数来描述每个像素对应的表面区域大小、形状和响应分布，以此限制足迹。通过采样x和y维度上的高斯函数，得到中心像素周围的椭圆环维度，进而计算每个环的加权因子并将其与相关领域多边形相交，计算像素的纯度。在该方法中，至少需要50公顷的作物位于像素质心附近，才能使像素被视为足够纯净。

图3 纯度分别为95%、80%、50%的冬小麦像素足迹。黑点表示MODIS BRDF /反照率产品的像素重心，在x和y方向上距离为463米。候选像素重心周围的椭圆环每个代表像素足迹5％。

 

2.2.3 反照率数据

每日平均蓝空反照率可利用MODIS BRDF / Albedo模型参数产品MCD43A1 v6计算。采用白空反照率（WSA）和黑空反照率（BSA）的线性组合来计算蓝空反照率，加权因子天空光散射比例。

 

2.2.4 大气数据和辐射传输

短波辐射和大气参数来自ERA5全球再分析数据集，用于计算日均蓝天反照率。使用ERA5的地表和大气层顶处的总辐射和下行辐射来计算每日大气透射率和反射率。我们需要这些大气参数模拟通过大气的入射和反射辐射的辐射传输过程，并根据反照率变化计算年平均辐射强迫。

 

2.2.5 数据分析

用MODIS土地覆盖类型产品MCD12Q1对土地覆盖类型和纯像元的属性进行交叉检验。谷类和甜菜的像元几乎全被归类为同为草本一年生植物的谷类或阔叶作物。轮作草地被划分为谷类农田、草地或两者的组合。未利用的草地像元被分为草、灌木和树木混合的不同类型。

使用双向方差分析来研究土地利用和年度天气条件是否影响纯像元的年反照率，以及是否存在显著的交互作用（p<0.05）。采用Tukey检验法进行事后配对比较。采用线性混合效应模型研究土地利用对年反照率的影响。土地利用有八个水平的固定影响因子（七种作物和未利用土地），而年份是具有抽样水平的随机影响因子（2011-2020年的天气条件）。本研究使用正态概率和残差图验证了正态性和均方差性的回归假设。

 

2.3 生命周期评估LCA

本文使用LCA评估反照率在当前作物生产引起的温室气体相关的气候影响中的重要性。七种作物生产情景分别代表了一个平均生产条件下的当前作物的种植年，土壤和气候等符合PO1情况，投入和田间作业等符合普遍的农耕方式。系统边界包括投入的生产、田间作业的燃料消耗以及耕作年期间由反照率、土壤碳（C）和氮（N）平衡变化引起的土地利用效应。

图4 作物生产生命周期评估中的系统边界和过程

 

2.3.1 现场作业和投入

基于10年的平均产量、常见的耕作方法以及对特定生长条件、预期产量和质量的建议估计每种作物的种植所需的田间作业和投入。

耕作柴油消耗量、根据产量计算的谷物和油菜脱粒柴油消耗量、矿物肥料和杀虫剂生产的排放、种子生产产生的排放量都被考虑为总排放量的一部分。

 

3. 结果

3.1 反照率

日尺度反照率根据农业土地利用类型表现出明显的季节性模式。反照率随着作物的生长而增加（从4月的0.15-0.16到6月的0.20）。未利用草地植被稀疏，全年反照率均衡但较低；轮作草地植被茂密，全年反照率都较高；油菜为阔叶作物，在春季和秋季的反照率高于谷物和草地。

图5 作物生长季（2011.8-2012.10）的日反照率

年平均反照率最低的是未利用土地，最高的是轮作草地，其次是冬油菜和冬小麦。冬播作物的反照率显现处高于春播作物的趋势。2013和2018收获年的反照率水平有所提高。这两年都有多天积雪，且积雪持续到4月，春季入射辐射增加，对年反照率的影响特别大。2014 和2020收获年，有雪覆盖的天数很少，因此年反照率水平低。

图6 所有作物类型的年平均反照率

 

3.2 生命周期气候影响

相对于未利用土地，所有作物种植都对气候产生了变暖影响。以GWP100量度的气候影响从0.51t CO2e·ha-1（轮作草地）到2.46t CO2e·ha-1（春小麦）。

图7 每种土地利用的绝对影响（以GWP100量度）

当用时间依赖度ΔT表征时，所有单年作物生产方案在短期内对全球平均地表温度产生了净冷却影响（春小麦为3年，轮作草地为12年），在较长的时间内产生了净升温影响。短期的冷却反应来自于反照率的变化，这导致了种植年期间的气候强迫较强。耕种年之后，没有来自反照率变化的持续胁迫，冷却效应迅速减弱。

 

图8 轮作草地的时间依赖气候影响（ΔT）

生产投入、田间作业、土壤C和土壤N平衡对温度的影响最初较弱，但随着时间的推移而增加，在种植后几十年内保持较高水平。这是由于温室气体（尤其是二氧化碳）的在大气中留存时间较长，这导致了长期的辐射强迫。

 

4. 结论与讨论

4.1 研究区域的作物反照率

在比较作物的反照率时应考虑气候变化，特别是季节性积雪和降水异常。即使是很小的反照率变化，也会在空间尺度上产生大的辐射强迫效应，从而造成大的气候影响。例如，甜菜的反照度增加0.009，会导致135kg·ha-1二氧化碳的气候冷却效应。

4.2 反照率变化对作物生产的气候影响

研究结果表明，在研究区域农田种植单个作物，导致反照率相对于参考土地增加了6–11%，会导致气候冷却；生产投入、田间作业和土壤N2O形成所产生的温室气体排放，会导致气候变暖。

反照率的增加使不同作物的生产投入和田间作业的产生温室气体的气候影响减少了17-47%。反照率和温室气体产生的辐射胁迫通常随时间分布不均匀，因为只要反照率保持变化，它就会影响地球的辐射平衡；而温室气体则会，在排放后很长一段时间内，因大气中其浓度的持续变化而影响辐射平衡。随着时间的推移，二者产生不同的气候影响。

在湿润温带气候条件下，生长季节长的作物在春秋两季可以增加反照率。与春播作物相比，多年的轮作草地和冬季作物具有更高的反照率，与以前的研究结果一致，这表明种植多年生植物或覆盖作物对缓解气候变暖有好处。在北欧，由于太阳辐照度和大气透射率较低，反射率越高，气候冷却效应越小。反照率的气候影响大约80%是来自4月至8月期间，6月每天的影响几乎是12月的30倍。

 

5. 作者简介

Petra Sieber，苏黎世联邦理工学院博士后研究员。研究方向为土地与气候系统之间的相互作用，人类土地利用对生态系统功能、陆地-大气通量和气候反馈的影响。

 

6. 引用格式

Sieber P., Ericsson N., Hammar T., et al., 2022. Albedo impacts of current agricultural land use: Crop-specific albedo from MODIS data and inclusion in LCA of crop production. Remote Sensing of Envrionment. 835, 155455.