Ποιότητα νερού που σχετίζεται με το Πρόγραμμα Διατήρησης Αποθεματικών (CRP)...

Από RemoteSensing Wiki

Ποιότητα νερού που σχετίζεται με το Πρόγραμμα Διατήρησης Αποθεματικών (CRP) και τις καλλιεργητικές εκτάσεις: Στοιχεία από πολυχρονική τηλεπισκόπηση

Πρωτότυπος τίτλος: Water quality related to Conservation Reserve Program (CRP) and cropland areas: Evidence from multi-temporal remote sensing

Συγγραφείς: Dameng Yin, Le Wang, ZhenduoZhu, Susan Spierre Clark, Ying Cao Jordan Besek, Ning Da

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

Εισαγωγή Ο στόχος αυτής της μελέτης είναι να αξιολογήσει τη συνδυασμένη επίδραση της CRP και των καλλιεργειών στην ποιότητα του νερού χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις τηλεπισκόπησης υψηλής ευκρίνειας. Η ανάλυση πραγματοποιείται με βάση την μέθοδο της παλινδρόμησης. Η υπόθεσή της μελέτης είναι ότι η CRP έχει προκαλέσει βελτίωση στην ποιότητα του νερού παρά τις τεράστιες αλλαγές καλλιεργήσιμης γης σε ολόκληρη τη λεκάνη απορροής του ποταμού. Με άλλα λόγια, αναμένουμε θετική συσχέτιση μεταξύ της εγγραφής CRP και της ποιότητας του νερού κατάντη. Για να ελεγχθεί αυτή την υπόθεση, τέθηκαν τα ακόλουθα ερωτήματα (1) Πώς άλλαξε η καλλιέργεια με την πάροδο του χρόνου; (2)Πόση αλλαγή στην ποιότητα του νερού κατάντη μπορεί να συσχετιστεί με την εγγραφή CRP στην κλίμακα λεκάνης απορροής ποταμού; (3)Συνδέεται θετικά η αυξημένη εγγραφή CRP με τη βελτιωμένη ποιότητα του νερού κατάντη στην κλίμακα της λεκάνης απορροής του ποταμού παρά τις άλλες αλλαγές καλλιεργήσιμης γης εκτός της περιοχής CRP;

Μεθοδολογία

Συλλέχθηκαν σύνολα δεδομένων για την εγγραφή CRP, τη χρήση γης και την ποιότητα του νερού από το 1999 έως το 2014. Επίσης συλλέχθηκαν δεδομένα CDL από την Εθνική Υπηρεσία Γεωργικής Στατιστικής Υπηρεσίας (NASS) του Υπουργείου Γεωργίας των ΗΠΑ (USDA) από το 1999-2014. Το CDL παράγεται χρησιμοποιώντας εικόνες τηλεπισκόπησης κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου. Ωστόσο, το CDL είναι ένα χρήσιμο σύνολο δεδομένων για την προτεινόμενη μελέτη, αλλά δεν είναι πλήρες. Επίσης, συγκεντρώθηκαν τόσο τα σύνολα δεδομένων Landsat 5 Thematic Mapper (TM) όσο και Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+). Τα αρχικά σύνολα δεδομένων παρασχέθηκαν από το USGS, υποβλήθηκαν σε επεξεργασία για την ανάκλαση επιφάνειας από την Google και έγιναν εύκολα προσβάσιμα στο GEE. Το USGS παρέχει δεδομένα ροής, θρεπτικών ουσιών, φυτοφαρμάκων και ιζημάτων (από το 1963) στον ποταμό Illinois που συλλέγονται και αναλύονται από το Εθνικό Δίκτυο Ποιότητας Νερού για Ποτάμια και Ρεύματα. Σε αυτήν τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε τα δεδομένα από τον σταθμό παρακολούθησης Valley City. Συλλέχθηκαν δεδομένα TN (μη φιλτραρισμένα δείγματα, μονάδα μετατράπηκε σε g/m 3 ) και ημερήσια απόρριψη (Q, μονάδα: m 3 /s). Χρησιμοποιήθηκε το TN για να αντιπροσωπευθεί η ποιότητα του νερού επειδή η αυξημένη περιεκτικότητα σε άζωτο έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για να υποδείξει την υποβαθμισμένη ποιότητα του νερού γενικά, η περιεκτικότητα σε άζωτο είναι ένας από τους πιο ανησυχητικούς δείκτες ποιότητας νερού που σχετίζονται με τη γεωργία.

Αποτελέσματα και Συζήτηση

Το CDL που παρέχεται από το USDA ( Εικ. 1) και το αποτέλεσμα ταξινόμησής μας ( Εικ. 1 β) το 2006 εμφανίζονται για την Κομητεία Putnam, IL για απεικόνιση. Χρησιμοποιώντας 3000 τυχαία επιλεγμένα δείγματα από το CDL ως δεδομένα αναφοράς, η συνολική ακρίβεια ταξινόμησης το 2006 ήταν 86,4%. Για τα άλλα επτά χρόνια (1999–2005), η ακρίβεια κυμαινόταν μεταξύ 81,0% και 86,8%, δείχνοντας την αποτελεσματικότητα της προσέγγισης ταξινόμησης. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος απαιτεί δείγματα εκπαίδευσης, τα οποία δεν είναι διαθέσιμα για προηγούμενα χρόνια. Επομένως, για να γενικευτεί περαιτέρω η προσέγγιση σε προηγούμενα χρόνια ή σε άλλες τοποθεσίες, θα ήταν απαραίτητο να βρεθούν υποκατάστατα δείγματα εκπαίδευσης ή να χρησιμοποιηθούν μη εποπτευόμενες μέθοδοι ταξινόμησης που δεν απαιτούν δείγματα εκπαίδευσης. Συνδυάζοντας τα υπάρχοντα αποτελέσματα ταξινόμησης CDL και καλλιεργήσιμων εκτάσεων συνοψίστηκε η αλλαγή των καλλιεργειών στο IRB από το 1999 έως το 2014 ( Εικ.2). . Η έκταση του καλαμποκιού αυξήθηκε σταδιακά από το 1999 έως το 2011 και στη συνέχεια μειώθηκε. Η έκταση της σόγιας, από την άλλη πλευρά, μειώθηκε σταδιακά από το 1999 έως το 2007 και έκτοτε αυξήθηκε. Η εικόνα 3 δείχνει τις ετήσιες διακυμάνσεις της εγγραφής CRP από το 1999 έως το 2014. Από το 1999 έως το 2012, η περιοχή του CRP_all αυξάνεται σταθερά. Από το 2012 έως το 2014, υπάρχει μια ελαφρά πτωτική τάση στις εγγραφές CRP. Το κλάσμα επιφάνειας του CRP_WQ αυξήθηκε από το 1999 έως το 2004, παρέμεινε σταθερό μέχρι το 2012 και μειώθηκε ελαφρά στη συνέχεια. Αυτή η τάση είναι παρόμοια με το CRP_all, αν και η κάλυψη είναι πολύ χαμηλότερη (0,20–0,45% έναντι 1,11–2,02%). Η εγγεγραμμένη περιοχή CRP ήταν σταθερά μικρότερη από το καλαμπόκι (32,38–38,78%) και τη σόγια (19,67– 29,51%). H εικόνα 4 , δείχνει ετήσιες διακυμάνσεις του TN από το 1999 έως το 2014, αν και λείπουν δεδομένα TN από το 2004 έως το 2007. Η συνολική τάση είναι πτωτική, που σημαίνει ότι η ποιότητα του νερού έχει βελτιωθεί σε όρους TN. Η σχετικά υψηλή τιμή το 2013 μπορεί να προμηνύει επιστροφή σε υψηλότερα επίπεδα TN. Αυτή η τάση είναι αντίθετη από αυτή της εγγραφής CRP. Όσον αφορά την κάλυψη της περιοχής,η μέγιστη έκταση της εγγεγραμμένης γης CRP καλύπτει μόνο το 2,02% της IRB, ενώ η έκταση του καλαμποκιού ή της σόγιας κυμαινόταν μεταξύ 20% και 40%. Ωστόσο, η εγγραφή στο CRP εξηγεί τη διακύμανση του TN πολύ περισσότερο από τα κλάσματα της περιοχής καλαμποκιού και σόγιας. Αυτή η αντίθεση θα μπορούσε να αποδοθεί στο γεγονός ότι το CRP περιλαμβάνει εδάφη που βρίσκονται σε «περιβαλλοντικά ευαίσθητες» περιοχές που υπόκεινται σε σοβαρή διάβρωση και απορροή, π.χ. παρόχθιες ζώνες ( USDA FSA, 2018a ). Με τη μετατροπή αυτών των περιοχών σε φυσικούς τύπους χρήσης γης (π.χ. δέντρα, γρασίδι, υγρότοποι), οι ανθρωπογενείς πρακτικές και οι εφαρμογές λιπασμάτων σε αυτές τις περιοχές που είναι πιο κοντά στον ποταμό μειώνονται σημαντικά ( Tomer and Locke, 2011 , USDA FSA, 2011). Ως αποτέλεσμα, οι μικρές (σε σχέση με τη λεκάνη απορροής του ποταμού) αλλαγές κάνουν μεγάλη διαφορά στη βελτίωση της ποιότητας του νερού.

Συμπεράσματα

Με στόχο να ποσοτικοποιήσει τα περιβαλλοντικά οφέλη σε κλίμακα λεκάνης απορροής ενός προγράμματος γεωργοπεριβαλλοντικής διαχείρισης (το CRP), αυτή η μελέτη συνδύασε αρχειοθετημένη έρευνα, παρακολούθηση πεδίου και σύνολα δεδομένων τηλεπισκόπησης για να μελετήσει τη μακροπρόθεσμη συσχέτιση μεταξύ της εγγραφής CRP, της έκτασης καλλιεργειών και ποιότητα νερού, χρησιμοποιώντας TN ως δείκτη ποιότητας νερού. Τεράστια αλλαγή της καλλιεργήσιμης έκτασης παρατηρήθηκε από την τηλεπισκόπηση Landsat χρησιμοποιώντας GEE. Επιπλέον, τα αποτελέσματα παρουσιάζουν ισχυρή και σημαντική αρνητική συσχέτιση μεταξύ της εγγραφής CRP και της περιεκτικότητας σε άζωτο στο νερό του ποταμού κατάντη. Αυτό συμφωνεί καλά με την υπόθεσή ότι η εγγραφή της CRP σχετίζεται θετικά με την ποιότητα του νερού κατάντη, αν και η εγγεγραμμένη έκταση είναι πολύ μικρή σε σύγκριση με την αλλαγή καλλιεργήσιμης γης (καλαμπόκι και σόγια). Εν τέλει, τα ευρήματά συμφωνούν με τα προηγούμενα αποτελέσματα μοντελοποίησης, αλλά η εκτιμώμενη μείωση του TN είναι πολύ υψηλότερη (569 kg/ha, σε σύγκριση με 277,1 kg/ha).