渭河流域长时间序列NPP估算及时空变化特征分析

植被净初级生产力（net primary production，NPP）是生态系统碳循环及能量流动的关键参数，也是生态系统可持续发展的重要生态指标，分析植被NPP的时空变化特征对于区域碳循环研究具有重要意义。利用MODIS反射率数据（MOD09A1）、MODIS NDVI数据（MOD13A3），基于CASA模型估算2001-2018年渭河流域植被NPP，分析植被NPP的时空变化特征，并探讨不同植被类型间NPP的差异性以及高程变化对植被NPP的影响。研究表明:1）2001-2018年，渭河流域植被NPP总体呈波动式增加趋势，年均NPP处于292.59~444.90 gC·m²，年际增加速率为6.23 gC·m²；流域植被NPP具有明显的空间异质性，表现为中东部的六盘山、子午岭和南部秦岭等地区较高，西部和北部的黄土高原地区较低。2）18 a来，除常绿针叶林外，其余植被类型NPP均呈增加趋势。不同植被类型的年均NPP的差异表现为落叶阔叶林（625.70 gC·m²）>常绿针叶林（390.16 gC·m²）>草地（368.49 gC·m²）>农田（344.65 gC·m²）>灌丛（340.17 gC·m²）。3）不同地形条件下植被NPP具有一定差异性，在900~1 300 m（农田、山地落叶小叶林），植被NPP最高；1 700~1 900 m及3 500 m以上区域（稀树灌木草原、灌木），植被NPP最低。     

黄土高原植被净初级生产力的时空变化及其与气候因子的关系

以西北典型植被脆弱区黄土高原为研究区,利用AVHRR GIMMS和MODIS两种NDVI数据源,基于CASA模型对1982-2014年黄土高原植被净初级生产力（NPP）进行模拟,并分析其时空变化特征及其与气候因子的关系。结果表明：黄土高原年均植被NPP为254.0gC?m-2,1982-2014年总体呈增加趋势。不同植被类型NPP有较大差异,落叶阔叶林NPP值最高,年均NPP达513.0gC?m-2,其次为常绿针叶林、草甸、农田、灌丛和草原。黄土高原植被NPP空间分布差异显著,表现出南高北低的特点。从NPP年际变化的空间分布来看,在退耕还林还草生态工程实施之前（1982-1998年）,黄土高原大部分区域植被NPP变化不明显。自1999年后该区植被NPP增加趋势显著,增速达到5.38gC?m-2?a-1。在空间分布上,66.6%的区域植被NPP呈显著增加趋势,主要分布在陕北高原、山西中西部的吕梁-太行山等地。退耕还林等生态工程的实施,使该区植被状况得到改善。黄土高原植被NPP与降水量具有显著的相关性,但与气温相关性不大,说明降水是影响黄土高原植被NPP的主要因素。     

黄土高原草地覆盖度时空变化及其对气候变化的响应

利用AVHRR GIMMS和MODIS两种NDVI数据源,基于像元二分模型对1982—2014年黄土高原草地覆盖度进行了模拟,并分析了时空变化特征及其与气候因子的关系。结果表明:黄土高原平均草地覆盖度为42.5%,1982—2014年总体呈增加趋势,且低覆盖度草地面积明显减少,而高覆盖度草地面积显著增加。黄土高原草地覆盖度空间分布差异显著,表现出东南高、西北低的特点。从草地覆盖度年际变化的空间分布来看,在退耕还草生态工程实施之前(1982—1998年),黄土高原大部分区域草地覆盖度无显著变化。自1999年后该区草地覆盖度增加趋势显著,增速达到1.76%,尤其是在陕北高原、山西中西部的吕梁—太行山等地,草地覆盖度增加趋势明显。通过退耕还草等生态工程的实施,该区植被状况得到改善。黄土高原草地覆盖度与降水气温相关性不明显,但空间差异明显,草地生长对降水因子的响应更为敏感。     

小麦生物量极化分解参数响应及反演

生物量是反映农作物产量和生长健康状况的主要指标,然而直接进行农作物生物量估测不仅耗时耗力,而且具有破坏性。由于遥感技术在植被生物量反演中的方便、快捷及有效性,近年来不少研究者开始关注采用遥感技术进行农作物生物量的反演。小麦是包括中国在内的许多国家的主要粮食作物,寻找合适的小麦生物量精确估测方法在其产量估测中具有重要意义。以试验区小麦整个生长期内获取的5景全极化Radarsat-2数据及同步的地面调查数据为基础,分析了Freeman-Durden和H/A/α两种极化分解的相关极化参数与其生物量的相关关系,并在此基础上构建了4种传统经验回归模型和随机森林(RF)非参数模型反演小麦生物量。另外,根据农作物散射的物理基础,结合Freeman-Durden分解参数,还构建了表面散射与整体散射能量比值参数、体散射与总体散射能量比值参数、体散射与表面散射比值参数和二次散射与整体散射能量比值参数(Odd/Span,Vol/Span,Vol/Odd and Dbl/Span)四个参数参与极化参数对小麦生物量的敏感性分析。研究中提取的各极化参数根据播后天数在各地块内取均值以降低随机性对提取的极化参数的影响,共计95块小麦地块用于研究。研究结果表明:Freeman-Durden分解的参数中,体散射分量、表面散射分量及这两者与总散射能量的比值、这两者的比值均表现出与小麦生物量的高相关性(R20.55);相比Freeman-Durden分解的参数,H/A/α分解参数中除反熵外,熵和散射角均表现出与生物量的高相关性(R20.70)。另外,小麦生物量反演模型的可行性研究结果表明:4种经验回归模型中,二次多项式和对数模型更适合采用极化参数对小麦生物量的反演。该类方法反演小麦生物量的最佳均方根误差为77.94g·m-2,相对误差为29.05%。尽管采用随机森林的重要性参数排序中,H/A/α分解中的H和α参数也排序靠前,但是在单因子的经验回归中,其反演结果的误差较大,均方根误差为101.74g·m-2,相对误差为37.91%。尽管如此,大多数非参数随机森林参数重要性排序结果与极化分解参数与生物量相关分析的结果基本一致,采用随机森林反演。小麦生物量的精度也有明显提高,均方根误差为54.53g·m-2,相对误差为20.32%。     

基于光能利用率模型的松嫩平原玉米单产估算

区域作物产量估测对于农业用地管理、粮食安全和宏观调控具有重要意义。以中国重要的玉米主产区之一松嫩平原为研究区,利用2001—2013年长时间序列遥感和气象数据,基于光能利用率模型估算玉米生育期5—9月累积地上生物量,进而根据地面实测的玉米收获指数校正,建立了研究区玉米单产估算模型。结果表明:该模型估算结果达到了大范围估产的精度要求;2001—2013年松嫩平原年均玉米单产为12 397.44kg/hm~2,总体呈增加趋势。该区玉米单产空间分布差异显著,总体为西低东高。从玉米单产年际变化的空间分布来看,研究区91.7%的区域玉米单产均有所增加,尤其是在松嫩平原西部的白城、齐齐哈尔等地,增产趋势更为明显。松嫩平原南部地区玉米单产与降水间具有显著的正相关性,但与气温呈负相关性,而研究区其他地区玉米单产与降水和气温相关性不明显。