基于遥感和作物生长模型的黄河三角洲冬小麦生产力研究

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黄河三角洲是近百年来黄河冲积物在渤海湾淤积而成的新生陆地,丰富的水资源和由黄河输送的有机质使得黄河三角洲成为山东乃至全国最具农业生产潜力的地区之一。然而,由于成陆时间短,地下水埋深浅且矿化度高,土壤盐分含量高,黄河三角洲土壤盐渍化已成为限制当地农业生产发展的障碍因子之一。因此,研究黄河三角洲耕地生产力及其盐分影响机制显得尤为重要,这将为科学实施区域农作物增产以及盐渍化土地改良提供依据。  本文结合研究区的实地调查采样数据(土壤、叶面积指数、产量)以及统计资料(气象数据、物候观测数据),基于MODIS时序数据,进行黄河三角洲地区冬小麦种植空间分布提取、关键物候期识别以及估产研究,利用作物生长模型(WOFOST)进行产量模拟,在物候和产量以及地面调查数据的基础之上,探究土壤盐分对黄河三角洲区域冬小麦生产力的影响机制,并提出相应的盐渍化防治以及生产力提高的对策与措施。  本研究的主要内容包括:  (1)基于MODIS时序数据的冬小麦提取。通过Savizky-Golay滤波方法重构高质量NDVI时序数据,结合黄河三角洲农作物种植制度以及冬小麦的生长规律,分别采用决策树分类方法以及基于时序生长曲线特征的分类方法对滤波重构后的NDVI时序数据进行冬小麦识别,获得冬小麦种植空间分布格局及其播种面积。结果表明,两种分类方法均能有效提取冬小麦,基于时序生长特征的冬小麦提取方法优于决策树方法;基于时序生长曲线特征的分类方法提取冬小麦的分类精度达87.07%,Kappa系数为0.79,播种面积的平均精度达90.09%。  (2)冬小麦关键物候期的识别。基于NDVI时序数据,利用双高斯模型方程对冬小麦NDVI生长曲线进行模拟,分别采用动态阈值法以及最大曲率法对冬小麦关键物候期进行提取,并使用地面观测数据进行验证。结果表明,物候的遥感提取结果与地面观测数据有较好的一致性,且最大曲率法提取的方法优于动态阈值法。整个区域的平均返青期发生在3月5日,抽穗期发生在5月9日,成熟期发生在日期6月5日。  (3)基于物候特征以及作物生长模型的冬小麦产量模拟。基于遥感反演LAI时序数据以及实测产量数据,使用基于时序物候特征的方法对冬小麦进行估产;选取叶面积指数(LAI)作为同化变量,采用SCE-UA算法对WOFOST单点模型进行遥感同化研究,对模型参数进行区域化处理,构建区域WOFOST模型,模拟冬小麦产量,并使用实测产量数据进行验证。结果表明,基于时序曲线特征参数的冬小麦产量估测模型的决定系数为0.78,相对误差为8.32%; WOFOST模型模拟产量与实测产量的相关趋势较明显,相关系数达0.82,相对误差6.97%,遥感同化WOFOST模型模拟的冬小麦平均产量为6900 kg·hm-2,标准差为756kg·hm-2。模型模拟得到的冬小麦产量空间分布具有南北差异,由北到南产量呈递增趋势,符合黄河三角洲区域冬小麦产量分布的实际情况。  (4)冬小麦生产力盐分影响研究。分析冬小麦物候以及产量的空间分布格局,使用控制变量法,探究土壤盐分对冬小麦物候以及产量的影响。对冬小麦产田进行高中低评价划分;分析小麦低产的主要原因并提出增加小麦产量的措施。结果表明,冬小麦物候以及产量受土壤盐分影响强烈,土壤盐渍化是黄河三角洲区域冬小麦生产力的重要限制因素。土壤盐分对冬小麦物候的影响表明,土壤盐分含量与返青期呈正相关,相关系数达0.89,与抽穗期呈负相关,相关系数为-0.79。盐渍化区域处冬小麦的返青期比非盐渍化区域推迟3至10天;抽穗期比非盐渍化区域提前1至8天。土壤盐渍化缩短了冬小麦营养生长时间,会导致干物质累积减少,最终将影响产量。土壤盐分对冬小麦产量的影响表明,研究区内非盐渍化地区的小麦产量一般可超过9000 kg· hm-2,轻度盐渍化地区小麦产量一般不小于6000 kg· hm-2,而盐土区的小麦产量则仅为4500 kg· hm-2左右。随着土壤盐分含量的增加,冬小麦产量逐渐减少。冬小麦产量与土壤盐分呈负相关关系,相关系数为-0.84。在不同气候区,不同肥力含量区域,土壤盐分含量对冬小麦产量影响程度不同,土壤盐分含量高的地区冬小麦产量比含量低的地区减产10%至60%不等。土壤盐分对冬小麦产量的影响进一步印证了土壤盐分对物候期的影响。高中低产田划分结果表明,研究区内的小麦田以中低产田为主,中产田占总面积22%,低产田占总面积68%,高产田占总面积10%;通过改善灌排体系、选择培育耐盐小麦品种、以水调盐、合理施肥和适当深耕等耕作技术的综合运用,可以减轻土壤盐渍化对小麦生产的影响,提高冬小麦生产力水平。
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