基于SEBAL模型的黄淮海冬小麦和夏玉米水分生产力研究

【摘要】黄淮海平原作为我国北方重要的粮食生产基地，种植制度主要为冬小麦—夏玉米一年两熟，因地下水资源严重超采、降水量时空分布极不平衡、降水与作物需求不匹配等问题，成为我国水资源供需矛盾最突出的地区之一。如何提高农业用水效率，在保障高产前提下减少农业用水量，提高作物水分生产力，成为破解黄淮海平原农业用水短缺与粮食持续稳产高产矛盾的关键问题。本文以黄淮海平原2011～2012年MODIS影像为主要数据源，并辅以地面调查点，研究提取了冬小麦－夏玉米轮作信息，确定了冬小麦－夏玉米轮作系统在黄淮海平原的种植区域。在确定了SEBAL模型在黄淮海平原适用性的基础上，以2001～2002年、2006～2007年和2011～2012年MODIS多时相遥感影像、气象数据和作物生育期为基础，利用SEBAL模型，估算了冬小麦和夏玉米实际蒸散量（ETa）。通过MODISNDVI光谱曲线特征及单产数据的耦合，将县域尺度作物单产“解集”到基于像元大小的产量栅格图，实现了冬小麦和夏玉米产量栅格化。在作物蒸散量模拟和产量栅格化的基础上，估算了黄淮海平原作物水分生产力（WP），并尝试找出冬小麦、夏玉米水分生产力的关键影响因素，研究区域作物水分生产力的提升途径。（1）估算了2001～2002、2006～2007和2011～2012三个时期冬小麦和夏玉米的作物实际蒸散量。2001～2002、2006～2007和2011～2012三个时期，夏玉米ETa平均值分别为448.9、440.4和354.8mm，高值区域主要位于河北、河南、北京、天津以及江苏地区，河南西部以及河北中部地区夏玉米ETa处于连续下降的态势。冬小麦ETa分别为630.7、550.8和538.4mm，高值区域位于河北、河南、苏北以及山东地区，北京、天津、河北以及山东中北部地区冬小麦ETa连续下降。两种作物ETa与地表温度呈显著负相关，与作物生长中后期的NDVI指数呈显著正相关。夏玉米ETa与经度显著负相关，而冬小麦ETa与纬度显著负相关。（2）实现了冬小麦和夏玉米产量栅格化。黄淮海地区粮食生产呈逐年增加的趋势。2001～2002、2006～2007和2011～2012三个时期，夏玉米单产平均值分别为383.4、408.5和439.6kg/亩，高产区域主要位于河北和山东地区，单产提高区域主要位于河北、江苏以及山东中北部地区。三个时期冬小麦单产区域平均值分别为332.0、380.9和420.8kg/亩，高产区域主要位于河北、河南和山东地区，单产提高区域主要位于河南、山东、江苏和安徽地区。（3）明确了冬小麦—夏玉米水分生产力时空分异特征。2001、2006和2011年夏玉米WP平均值分别为1.30、1.37和1.93kg·m-3，高值区主要位于山东地区，京津地区、河北、河南以及山东地区的，夏玉米WP一直处于提升的态势。2002、2007和2012年冬小麦WP平均值分别为0.81、1.09和1.21kg·m-3，高值区主要位于山东及河北地区。河北、山东中北部地区冬小麦WP表现出缓慢的提升。（4）探明了作物水分生产力与P-ETc（降水盈亏量）和ETa-ETc（需水盈亏量）的相关关系。结果表明，作物水分生产力与降水盈亏量成显著正向相关关系（P<0.05），与需水盈亏量成显著负相关（P<0.05）。夏玉米水分生产力提升潜力较大的区域位于黄淮海平原的西部地区，而冬小麦水分生产力提升潜力较大的区域主要位于黄淮海平原的中南部地区。针对黄淮海平原的农田水分收支的实际情况，提出的提高作物水分生产力的措施包括：第一，通过调节植物蒸腾、减少土面蒸发来减少作物实际蒸散量，第二，优化灌溉制度，减少水资源的不合理利用。作物产量形成和作物水分耗散是复杂的过程，不仅与气象要素相关，更多的是受到作物品种、人为管理等因素的影响。借助作物生长模型，对影响作物水分生产力的非气候要素以及影响机理进行研究，协同作物高产和高效用水提高作物水分生产力是未来发展的方向。
【作者】杨建莹；
【导师】梅旭荣；严昌荣；
【作者基本信息】中国农业科学院，农业水土工程，2014，博士
【关键词】作物水分生产力；冬小麦—夏玉米一年两熟；SEBAL模型；产量栅格化；影响因素；黄淮海平原；

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