澳大利亚广泛种植地区的休耕和耕作土地的季节动态

休耕 是澳大利亚干旱农业系统中 增强土壤健康、收集水分和提高作物产量 的重要策略，从而改善可持续性并减少生产风险。然而，在耕作季节之前和期间，关于 休耕土地的位置、频率、范围和持续时间 的准确数据并不容易获得高时空分辨率。因此，缺乏描述休耕和耕作土地季节动态及其对气候变化和人类活动响应的大陆地图。

拟解决的科学问题

本研究旨在解决以下科学问题：1. 澳大利亚广袤耕作区域的 休耕土地和种植土地 在不同季节中的 变化情况 如何？2. 季节性变化对农业生产和土地利用的影响是什么？3. 如何利用遥感技术和地理信息系统分析这些土地的季节动态？

创新点

研究方法

研究使用了来自澳大利亚的土地使用数据，包括土地覆盖类型、作物种类和季节性变化。这些数据来自于卫星遥感和地面观测数据，以及历史记录。研究采用了时间序列分析和空间分析方法来评估土地使用模式的季节性变化。此外，研究还使用了生态系统服务（ES）模型来模拟这些变化对于环境服务的影响。

研究结果

本研究利用高分辨率的 Sentinel-2影像和GEE云计算 ，开发了一个 自动化框架 ，用于描绘澳大利亚大面积耕作区域的 季节性耕作和休耕模式的动态变化 。这一创新阐明了在及时、准确和客观监测季节性动态在澳大利亚大面积耕作区域中的重要性。该方法采用了计算数学算法，即 拐点检测 ，从2016年至2022年，在10米分辨率下，显著高效地区分了休耕地区和耕作地区。结果展示了高准确性， 超过92% ，覆盖了澳大利亚冬夏季节的3000多个田地。此外，本研究还实现了在休耕地和耕作地内提取季节动态属性。这些属性为区分耕地季节内休耕地和耕作地之间的时空动态提供了基础，还能够识别澳大利亚耕作系统（如旱地和/或灌溉地）趋势变化的幅度。最后，提出的方法有望为产业和生产者提供额外的土地利用信息，以更好地指导作物管理实践，从而减轻未来气候变异和变化对澳大利亚和其他具有类似旱地耕作系统的全球地区的影响。

研究区域。绿色区域表示澳大利亚的耕地土地利用。红色点显示了收集的验证多边形（红色点）的分布。嵌入式地图显示了2016年至2022年的降雨量相对于完整记录历史（1900年至今，BOM）的分位数等级

图示为一个真实像素示例（经度：149.37，纬度：-29.33，位于新南威尔士州的Moree郡），用于推导休耕地的关键属性的时间序列中的转折点检测。NDVIdiff表示两个相邻点之间的NDVI差异；Start/End是休耕期的起始（负值）和结束（正值）时间；fittedNDVI是曲线拟合后的NDVI时间序列；oriNDVI是原始的NDVI时间序列；Peak是局部最大NDVI，而Through是局部最小NDVI

a) 用于创建本研究相关输出地图的休耕期和耕作期的关键季节属性示例图，x轴表示月份，以一个真实的10米像素示例（经度：150.16，纬度：-28.18，在昆士兰州的Waggamba郡；缩写与图3相同）为例；b) 描述当前季节（例如，休耕期、当前季节和前一季节作物）的耕地状况的地图

(a) 2021年6月1日和(b) 2021年10月16日的休耕地（红色）、前一夏季作物（蓝色）和当前冬季作物（绿色）的输出地图示例。放大的地图显示了莫里郡的相同信息

在研究期间，澳大利亚每个像素位置的最大休耕期。直方图表示每个州内十个最大休耕期长度类别的频率（即，<3，3-6，6-9，9-12，12-15，15-18，18-21，21-24，24-36，36-60，单位为月）

(a) 耕作强度的空间图，代表了澳大利亚大面积耕作区在2016年冬季至2022年夏季12个季节的研究期间的总耕作季节数量。(b) 澳大利亚各州内耕作季节的平均数量，红色误差棒表示一个标准偏差。(c) 莫里郡的耕作强度的放大视图

2021年冬季种植季节期间，澳大利亚所有种植郡内休耕地面积占总耕地面积的月度比例。小窗口显示了莫里郡在同一期间内的月度休耕（红色）和耕作（绿色）面积

代表了2017年夏季至2022年夏季11个连续季节间休耕地和耕作地之间季节轮换变化的莫里郡像素流动

2016年至2021年冬季，各州农作物种植面积的动态变化。误差棒是根据每个州的总体准确度计算的

讨论

研究发现，澳大利亚广袤的作物种植区域中，荒地和作物种植土地的使用模式在不同季节有显著变化。在种植季节，作物种植土地的使用率增加，而荒地的使用率则减少。在非种植季节，荒地的使用率增加，而作物种植土地的使用率则减少。这些变化对于环境服务的提供有重要影响，特别是在水分和氮的循环方面。