Published August 1, 2021
| Version v1
Publication
The complexity of measuring cropland use intensity: An empirical study
- 1. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning
- 2. Chinese Academy of Agricultural Sciences
- 3. Ministry of Agriculture and Rural Affairs
- 4. Zhejiang University
- 5. Leibniz Institute of Agricultural Development in Transition Economies
Description
Cropland intensification promises additional food supply without further expanding croplands into natural ecosystems. Cropland use intensity measures the degree of intensification by various indicators, both from input and output perspectives; all of these indicators are however not always coherent—which may cause confusion and send contradicting signals to policymakers. Few empirical studies have been conducted to relate and compare various intensity indicators. In this study, we start with a hypothesis that cropland use intensity measured by different indicators may differ. We then test such a hypothesis based on empirical evidence in a typical multi-cropped region (i.e., Jinxian County) in Jiangxi Province—a major breadbasket in Southern China. We focus on two widely used indicators, i.e., multi-cropping frequency (MCF) and crop growth duration (GDa), measured by a hybrid time-series remote sensing dataset which fuses MODIS and Gaofen-1 images for the year 2015. We map these two indicators independently at a 16 m spatial resolution. For each pixel, MCF takes value from 1 to 3 corresponding to single-, double- and triple- cropping; while GDa is quantified by the accumulative crop growth days within the study year. We relate the values of two indicators, summarize the descriptive statistics of GDa grouped by MCF categories, and compare MCF and GDa values by using a box-whisker chart, a bivariate map, and a set of statistical tests. We find that a significant overlap of GDa exists between single cropping and double cropping both visually and statistically. In other words, the different cropland intensity levels measured by MCF appear to be the same if measured by GDa. The box-whisker chart shows that the GDa of single cropping in the upper quarter is substantially longer than the GDa of double cropping in the lower quarter. The non-parametric tests show that the overlapped GDa between single cropping and double cropping exists substantially, which may cause confusion. Moreover, the bivariate map shows that single cropping with shorter growth duration (i.e., consistent low intensity) and double cropping with longer growth duration (i.e., consistent high intensity) account for 44% and 28%, respectively, while the rest manifested as inconsistent which accounts for another 28% of the total cropland area. These results confirm our hypothesis—the inconsistency among intensification indicators. Different measurements may convey contradicting messages for policymakers in pursuing the sustainable intensification goals, which suggests more efforts are required to understand the multidimensionality of the process of cropland intensification for distinct policy measurements.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يعد تكثيف الأراضي الزراعية بإمدادات غذائية إضافية دون زيادة توسيع الأراضي الزراعية إلى النظم الإيكولوجية الطبيعية. تقيس كثافة استخدام الأراضي الزراعية درجة التكثيف من خلال مؤشرات مختلفة، سواء من منظور المدخلات أو المخرجات ؛ ومع ذلك، فإن جميع هذه المؤشرات ليست متماسكة دائمًا - مما قد يسبب الارتباك ويرسل إشارات متناقضة إلى صانعي السياسات. تم إجراء عدد قليل من الدراسات التجريبية لربط ومقارنة مؤشرات الشدة المختلفة. في هذه الدراسة، نبدأ بفرضية مفادها أن كثافة استخدام الأراضي الزراعية المقاسة بمؤشرات مختلفة قد تختلف. ثم نختبر هذه الفرضية بناءً على أدلة تجريبية في منطقة نموذجية متعددة المحاصيل (أي مقاطعة جينكسيان) في مقاطعة جيانغشي - وهي سلة خبز رئيسية في جنوب الصين. نحن نركز على مؤشرين مستخدمين على نطاق واسع، أي التردد متعدد المحاصيل (MCF) ومدة نمو المحاصيل (GDA)، والتي تقاس بمجموعة بيانات الاستشعار عن بعد ذات السلاسل الزمنية الهجينة التي تدمج صور MODIS و Gaofen -1 لعام 2015. نقوم بتعيين هذين المؤشرين بشكل مستقل بدقة مكانية تبلغ 16 مترًا. لكل بكسل، يأخذ MCF القيمة من 1 إلى 3 المقابلة للمحصول الفردي والمزدوج والثلاثي ؛ بينما يتم تحديد GDA من خلال أيام نمو المحاصيل التراكمية خلال سنة الدراسة. نقوم بربط قيم مؤشرين، وتلخيص الإحصائيات الوصفية لـ GDA مجمعة حسب فئات MCF، ومقارنة قيم MCF و GDA باستخدام مخطط شعري مربع، وخريطة ثنائية المتغير، ومجموعة من الاختبارات الإحصائية. نجد أن هناك تداخلًا كبيرًا في GDA بين المحصول الفردي والمحصول المزدوج بصريًا وإحصائيًا. وبعبارة أخرى، يبدو أن مستويات كثافة الأراضي الزراعية المختلفة التي تم قياسها بواسطة عامل النمو الوسطي هي نفسها إذا تم قياسها بواسطة GDA. يُظهر الرسم البياني للشعر المربع أن GDa للمحصول الفردي في الربع العلوي أطول بكثير من GDa للمحصول المزدوج في الربع الأدنى. تظهر الاختبارات غير البارامترية أن GDA المتداخل بين المحصول الفردي والمحصول المزدوج موجود بشكل كبير، مما قد يسبب الارتباك. علاوة على ذلك، تُظهر الخريطة ثنائية المتغير أن المحاصيل الفردية ذات مدة نمو أقصر (أي كثافة منخفضة ثابتة) والمحاصيل المزدوجة ذات مدة نمو أطول (أي كثافة عالية ثابتة) تمثل 44 ٪ و 28 ٪ على التوالي، في حين أن الباقي يتجلى على أنه غير متسق يمثل 28 ٪ أخرى من إجمالي مساحة الأراضي الزراعية. تؤكد هذه النتائج فرضيتنا - عدم الاتساق بين مؤشرات التكثيف. قد تنقل القياسات المختلفة رسائل متناقضة لصانعي السياسات في السعي لتحقيق أهداف التكثيف المستدام، مما يشير إلى الحاجة إلى مزيد من الجهود لفهم تعدد أبعاد عملية تكثيف الأراضي الزراعية من أجل قياسات سياساتية متميزة.Translated Description (French)
L'intensification des terres cultivées promet un approvisionnement alimentaire supplémentaire sans étendre davantage les terres cultivées dans les écosystèmes naturels. L'intensité d'utilisation des terres cultivées mesure le degré d'intensification par divers indicateurs, tant du point de vue des intrants que des extrants ; tous ces indicateurs ne sont cependant pas toujours cohérents, ce qui peut causer de la confusion et envoyer des signaux contradictoires aux décideurs. Peu d'études empiriques ont été menées pour relier et comparer divers indicateurs d'intensité. Dans cette étude, nous partons d'une hypothèse selon laquelle l'intensité d'utilisation des terres cultivées mesurée par différents indicateurs peut différer. Nous testons ensuite une telle hypothèse sur la base de preuves empiriques dans une région typique à cultures multiples (c'est-à-dire le comté de Jinxian) dans la province du Jiangxi - un grenier majeur dans le sud de la Chine. Nous nous concentrons sur deux indicateurs largement utilisés, à savoir la fréquence de cultures multiples (MCF) et la durée de croissance des cultures (GDa), mesurées par un ensemble de données de télédétection hybride de séries temporelles qui fusionne les images MODIS et Gaofen-1 pour l'année 2015. Nous cartographions ces deux indicateurs indépendamment à une résolution spatiale de 16 m. Pour chaque pixel, le MCF prend une valeur de 1 à 3 correspondant à des cultures simples, doubles et triples ; tandis que le GDa est quantifié par les jours de croissance cumulée des cultures au cours de l'année d'étude. Nous relions les valeurs de deux indicateurs, résumons les statistiques descriptives de la GDa regroupées par catégories de MCF et comparons les valeurs de MCF et de GDa à l'aide d'un tableau à cases blanches, d'une carte à deux variables et d'un ensemble de tests statistiques. Nous constatons qu'il existe un chevauchement significatif de GDa entre le simple recadrage et le double recadrage à la fois visuellement et statistiquement. En d'autres termes, les différents niveaux d'intensité des terres cultivées mesurés par MCF semblent être les mêmes s'ils sont mesurés par GDa. Le graphique box-whisker montre que le GDa de la culture simple dans le trimestre supérieur est sensiblement plus long que le GDa de la double culture dans le trimestre inférieur. Les tests non paramétriques montrent que le chevauchement GDa entre culture simple et culture double existe de manière substantielle, ce qui peut être source de confusion. De plus, la carte à deux variables montre que les cultures simples avec une durée de croissance plus courte (c.-à-d. une faible intensité constante) et les cultures doubles avec une durée de croissance plus longue (c.-à-d. une forte intensité constante) représentent 44 % et 28 %, respectivement, tandis que le reste s'est manifesté comme incohérent, ce qui représente 28 % de la superficie totale des terres cultivées. Ces résultats confirment notre hypothèse - l'incohérence entre les indicateurs d'intensification. Différentes mesures peuvent transmettre des messages contradictoires aux décideurs politiques dans la poursuite des objectifs d'intensification durable, ce qui suggère que davantage d'efforts sont nécessaires pour comprendre la multidimensionnalité du processus d'intensification des terres cultivées pour des mesures politiques distinctes.Translated Description (Spanish)
La intensificación de las tierras de cultivo promete un suministro adicional de alimentos sin ampliar aún más las tierras de cultivo a los ecosistemas naturales. La intensidad del uso de las tierras de cultivo mide el grado de intensificación de varios indicadores, tanto desde la perspectiva de los insumos como de los productos; sin embargo, todos estos indicadores no siempre son coherentes, lo que puede causar confusión y enviar señales contradictorias a los responsables de la formulación de políticas. Se han realizado pocos estudios empíricos para relacionar y comparar varios indicadores de intensidad. En este estudio, partimos de la hipótesis de que la intensidad de uso de las tierras de cultivo medida por diferentes indicadores puede diferir. Luego probamos dicha hipótesis en base a evidencia empírica en una región típica de múltiples cultivos (es decir, el condado de Jinxian) en la provincia de Jiangxi, un granero importante en el sur de China. Nos centramos en dos indicadores ampliamente utilizados, es decir, la frecuencia de cultivos múltiples (MCF) y la duración del crecimiento de los cultivos (GDa), medidos por un conjunto de datos de teledetección de series temporales híbridas que fusiona imágenes MODIS y Gaofen-1 para el año 2015. Mapeamos estos dos indicadores de forma independiente a una resolución espacial de 16 m. Para cada píxel, MCF toma el valor de 1 a 3 correspondiente a un cultivo simple, doble y triple; mientras que GDa se cuantifica por los días de crecimiento acumulativo del cultivo dentro del año de estudio. Relacionamos los valores de dos indicadores, resumimos las estadísticas descriptivas de GDa agrupadas por categorías de MCF y comparamos los valores de MCF y GDa utilizando un gráfico de cajas y bigotes, un mapa bivariado y un conjunto de pruebas estadísticas. Encontramos que existe una superposición significativa de GDa entre el cultivo simple y el cultivo doble tanto visual como estadísticamente. En otras palabras, los diferentes niveles de intensidad de las tierras de cultivo medidos por MCF parecen ser los mismos si se miden por GDa. El gráfico de cajas y bigotes muestra que el GDa de un solo cultivo en el trimestre superior es sustancialmente más largo que el GDa de doble cultivo en el trimestre inferior. Las pruebas no paramétricas muestran que el GDa superpuesto entre el cultivo único y el cultivo doble existe sustancialmente, lo que puede causar confusión. Además, el mapa bivariado muestra que los cultivos individuales con menor duración de crecimiento (es decir, baja intensidad consistente) y los cultivos dobles con mayor duración de crecimiento (es decir, alta intensidad consistente) representan el 44% y el 28%, respectivamente, mientras que el resto se manifestó como inconsistente, lo que representa otro 28% del área total de tierras de cultivo. Estos resultados confirman nuestra hipótesis: la inconsistencia entre los indicadores de intensificación. Las diferentes mediciones pueden transmitir mensajes contradictorios para los responsables de la formulación de políticas en la búsqueda de los objetivos de intensificación sostenible, lo que sugiere que se requieren más esfuerzos para comprender la multidimensionalidad del proceso de intensificación de las tierras de cultivo para distintas mediciones de políticas.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تعقيد قياس كثافة استخدام الأراضي الزراعية: دراسة تجريبية
- Translated title (French)
- La complexité de la mesure de l'intensité d'utilisation des terres cultivées : une étude empirique
- Translated title (Spanish)
- La complejidad de medir la intensidad de uso de las tierras de cultivo: un estudio empírico
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3171382979
- DOI
- 10.1016/j.agsy.2021.103180
References
- https://openalex.org/W1965177832
- https://openalex.org/W1996463620
- https://openalex.org/W2014036535
- https://openalex.org/W2020674982
- https://openalex.org/W2022035229
- https://openalex.org/W2023128043
- https://openalex.org/W2074878035
- https://openalex.org/W2075294859
- https://openalex.org/W2079577331
- https://openalex.org/W2089863055
- https://openalex.org/W2094192787
- https://openalex.org/W2130632110
- https://openalex.org/W2162029420
- https://openalex.org/W2169034854
- https://openalex.org/W2176365222
- https://openalex.org/W2235201318
- https://openalex.org/W2247976862
- https://openalex.org/W2257579174
- https://openalex.org/W2263450659
- https://openalex.org/W2281182118
- https://openalex.org/W2282373758
- https://openalex.org/W2312588369
- https://openalex.org/W2347293557
- https://openalex.org/W2468709268
- https://openalex.org/W2543672934
- https://openalex.org/W2552343539
- https://openalex.org/W2574370884
- https://openalex.org/W2584703928
- https://openalex.org/W2589184752
- https://openalex.org/W2591121333
- https://openalex.org/W2735707112
- https://openalex.org/W2745464283
- https://openalex.org/W2751484317
- https://openalex.org/W2768079294
- https://openalex.org/W2779006916
- https://openalex.org/W2782794599
- https://openalex.org/W2789577052
- https://openalex.org/W2793602745
- https://openalex.org/W2895426353
- https://openalex.org/W2904108849
- https://openalex.org/W2905832108
- https://openalex.org/W2912437701
- https://openalex.org/W2913481267
- https://openalex.org/W2933532614
- https://openalex.org/W2954047878
- https://openalex.org/W2981481557
- https://openalex.org/W2983376237
- https://openalex.org/W2996984840
- https://openalex.org/W3010658582
- https://openalex.org/W3025913965
- https://openalex.org/W3044067256
- https://openalex.org/W3046728009
- https://openalex.org/W3082466097
- https://openalex.org/W3087573144
- https://openalex.org/W3088114160
- https://openalex.org/W4293857795