确定布基纳法索水稻种植的潜力：整合遥感和气候数据以进行适宜性制图

《Frontiers in Climate》：Identifying potential for rice expansion in Burkina Faso: integrating EO and climate data for suitability mapping

粮食安全与气候适应性在撒哈拉以南非洲具有紧迫性，布基纳法索作为典型案例，本研究整合数字高程模型（SRTM）、Sentinel-1/2卫星数据及ERA5-Land气候数据，通过随机森林分类和模糊逻辑模型，系统评估了1999-2021年间内陆 valleys的土壤与气候适应性，并绘制2020年水稻种植图。结果显示：0.71%国土已被利用（与FAO统计0.74%高度吻合），但内陆 valleys潜在适宜区达10%国土，其中西南部（Hauts-Bassins、Cascades）占现有种植面积的75%，气候适宜性呈现北-南梯度差异，标准差＞30%区域（中心区）年际波动显著，存在灌溉支持下的扩展可能。研究构建了多源数据融合的决策支持框架，为减少粮食进口依赖和气候适应农业提供空间规划依据。

　　在21世纪，确保粮食安全正面临着前所未有的挑战，尤其是在气候变化日益加剧的背景下。西非地区尤为突出，因为气候的不确定性、人口增长以及农业生产力不足，正在威胁该地区可持续地满足自身粮食需求的能力。随着人口的迅速增加，预计到2100年，西非的人口将从目前的4亿增长至12亿，这种趋势对粮食系统造成了巨大压力。目前，西非的农业生产不足以满足粮食安全的需求，大量粮食依赖进口，这使得该地区容易受到外部冲击，如新冠疫情或区域冲突的影响，并且粮食价格受全球市场波动，导致营养不良问题持续存在。尽管从2000年至2015年，该地区的营养不良率有所下降，但近年来又有所回升，目前的营养不良率已超过25年前的水平。

面对这些挑战，加强本地农业系统、提升本地粮食生产能力成为关键。然而，传统的小农雨养农业系统依赖于雨季的降水，而近年来的降水模式变化对农业造成了严重影响。降水的开始时间、持续时间、稳定性以及强度都在发生变化，这导致种植季节的不确定性增加，甚至缩短了植被生长期。此外，干旱期的频繁出现也对作物生长条件产生破坏性影响，特别是在作物生长的关键阶段。同时，极端天气事件，如强降水，也会引发洪涝、土壤侵蚀和产量损失。这些因素共同作用，使得作物生长受到威胁，尤其是在依赖传统雨养农业的农村地区。在布基纳法索，75%的人口生活在农村地区，他们面临着多重危机，包括冲突和气候变化带来的影响，这导致了粮食短缺和人口迁移。

尽管农业是布基纳法索最重要的经济部门之一，提供了约86%的经济活跃人口就业，并贡献了约20%的国内生产总值，但农业系统仍面临诸多挑战。传统的主要作物包括高粱、豇豆、小米、玉米和花生，而近年来，大米的消费量正在上升，尤其是在城市地区，这种趋势也开始影响农村。在过去十年中，布基纳法索的大米消费量翻了一番，而国内产量未能跟上需求增长，导致大米进口量增加，成为该国第三大消费品进口项目。因此，布基纳法索政府积极推动本地大米生产，以减少对进口的依赖和全球市场价格波动的影响。

水稻的种植不仅涉及作物需求，还需要考虑气候和土壤条件的匹配。由于水稻并非传统雨养农业的一部分，农民需要调整田间管理和准备土地。此外，气候条件和土壤参数必须符合水稻的生长需求。布基纳法索具有独特的地貌特征，使其拥有广阔的大米种植潜力，尤其是利用内陆河谷。内陆河谷是河流排水系统的一部分，包括雨养高地至河谷底部和水成边缘地带，并且这些区域会季节性被水淹没。这些河谷的土壤具有较高的水分保持能力和肥力，相较于周围的高地土壤更为优越。由于侵蚀、径流和排水作用，这些河谷土壤的颗粒更细，因此具有更高的田间持水量、更高的水文传导系数以及更高的阳离子交换能力。这些特性使得内陆河谷的土壤特别适合种植作物。

然而，尽管内陆河谷在农业上具有很大潜力，它们并未被传统农业系统所利用，因为需要进行土地整理和改良，通常需要机械化设备。然而，这些河谷的农业潜力已经被许多研究证实。在本研究中，我们利用遥感数据和机器学习技术，评估了布基纳法索内陆河谷的水稻种植潜力。我们采用了一种基于数字高程模型（DEM）的地形分析方法，结合模糊逻辑模型，评估了气候条件对水稻种植的影响。我们还使用了Sentinel-1和Sentinel-2卫星数据，通过随机森林分类器进行水稻种植区的识别。这些数据结合了多种特征，包括植被指数、后向散射统计和内陆河谷的空间分布。

研究结果表明，布基纳法索目前只有约0.71%的土地用于水稻种植，这一比例与联合国粮农组织（FAO）的统计数据（0.74%）和独立的遥感分析结果高度一致。然而，大约10%的国土面积由内陆河谷组成，这些区域在生物物理上非常适合水稻种植。尽管西南部地区的气候适宜性相对稳定，但中部和北部地区则显示出较大的变化和干旱的脆弱性，限制了其长期种植潜力，除非有灌溉设施的支持。将气候适宜性与地貌潜力结合起来，显示出布基纳法索在扩大水稻种植方面有巨大机会。本研究提供了一个空间决策支持框架，帮助政策制定者指导可持续集约化，减少对进口的依赖，并适应气候变化带来的影响。

本研究还发现，虽然水稻种植的适宜性在不同年份有所波动，但总体趋势显示，气候适宜性在23年期间并没有显著变化。这表明，水稻种植的适宜性主要受到年际气候波动的影响，而不仅仅是长期趋势。2003年和2004年作为极端年份，展示了水稻种植适宜性的显著差异。2003年降水较多，特别是在5月至9月期间，使得适宜性达到较高水平，甚至在干旱的北方地区也能达到一定水平。而2004年则是一个降水较少的年份，导致适宜性大幅下降，进而影响了水稻产量。这些结果强调了评估水稻种植潜力时，应关注生长季节内的降水变化，而不仅仅是年度降水总量。

此外，研究还发现，尽管水稻种植的适宜性在部分地区较高，但实际种植面积仍然有限，这可能是由于缺乏基础设施和农民培训。例如，内陆河谷的水稻种植需要土地平整、建设水坝和水管理系统，这些基础设施的缺失可能限制了其种植潜力。因此，除了气候和土壤适宜性外，还需要考虑社会经济因素，如道路、市场、劳动力和土地使用权等。在某些地区，这些因素已经具备，使得水稻种植更加可行。而在其他地区，这些条件尚不完善，因此需要额外的投入和支持。

研究的创新之处在于，它结合了遥感数据和气候数据，评估了当前水稻种植面积与潜在适宜面积之间的差距。通过这种方式，政策制定者和相关利益方可以更准确地识别适合扩展水稻种植的区域，并制定相应的政策和措施。然而，研究也存在一定的局限性，例如数据的空间分辨率不同，可能影响适宜性评估的精度。此外，研究仅基于过去23年的数据，未考虑未来气候变化的影响。因此，未来的研究应考虑使用更高分辨率的气候数据，并结合未来气候情景进行分析。

总的来说，本研究为布基纳法索的水稻种植潜力提供了重要的信息，强调了在气候变化背景下，提升本地粮食生产能力的重要性。通过综合考虑气候适宜性、土壤条件和社会经济因素，政策制定者可以制定更加有效的策略，推动可持续农业发展，减少对进口的依赖，并提高粮食安全水平。同时，研究也指出，尽管内陆河谷在农业上具有很大潜力，但其开发需要土地改良、灌溉设施和农民培训等多方面的支持。这些结果可以为未来的农业政策和规划提供科学依据，并促进农业系统的可持续转型。