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。     

基于植物净初级生产力模型的区域冬小麦估产研究

该文以中国冬小麦主要种植区黄淮海平原典型县市的冬小麦为研究对象,以植物净初级生产力模型对冬小麦估产进行研究。其中光合有效辐射数据(PAR)主要通过TOMS传感器紫外反射率月数据来计算获得。并且通过投影转换和内插方法,将分辨率由经度1.25度、纬度1度转为250 m。光合有效辐射分量(fPAR)主要通过250 m分辨率MODIS的最大值合成法生成的NDVI月数据和fPAR之间的统计直线关系(fPAR＝a NDVI＋b)来反演。在研究中光能转化有机质效率(ε)被视为常数,其值通过前人研究结果确定。然后计算冬小麦净初级生产力(NPP＝ε×fPAR×PAR)。文中主要考虑冬小麦产量形成关键期内NPP的形成,然后将累积的NPP转化为作物干物质的量,最后通过冬小麦收获指数修正,得到估计的冬小麦产量。而且利用地面实际调查产量数据对所预测的植物净初级生产力NPP和所预测的产量进行了验证,通过NPP计算的冬小麦生物量与实际生物量间相对误差为-4.30%;预测冬小麦产量与实际小麦产量间相对误差平均为-4.41%,结果令人满意。     

基于粒子群优化投影寻踪的玉米单产估测

为了提高玉米单产估测精度,以河北省中部平原为研究区域,以与玉米长势和产量密切相关的条件植被温度指数(vegetation temperature condition index,VTCI)和叶面积指数(leaf area index,LAI)为遥感特征参数,通过投影寻踪法确定玉米主要生育时期VTCI和LAI的权重,进而构建基于县域尺度加权VTCI和LAI与玉米单产间的线性回归模型。结果表明,同时构建加权VTCI和LAI与玉米单产间的回归模型的精度最高,达到极显著水平(P0.001)。与变异系数法相比,基于投影寻踪法所建双参数回归模型的精度较高,研究区域各县(区)估测单产与实际单产的平均相对误差降低了0.88个百分点,均方根误差降低了50.56kg/hm2。通过投影寻踪法构建的双参数回归模型对研究区域玉米单产进行估测,结果表明研究区域玉米单产具有西部单产最高、北部和南部次之、东部最低的空间分布特征,以及在研究年份间玉米单产在波动中呈先下降后上升趋势的时间演变特征。     

2000-2015年川西地区植被NPP时空动态及驱动因子

对川西植被净初级生产力进行估算并分析了其时空格局变化及驱动因子与植被净初级生产力的变化关系,为深入认识川西植被生产力状况提供科学依据。在原CASA模型的基础上,通过区域实际蒸散量与区域潜在蒸散量对水分胁迫影响系数进行了改进,进而估算2000—2015年期间川西地区植被净初级生产力;运用逐像元趋势法分析了川西地区植被净初级生产力在研究期间内其空间变化情况;同时结合气象因子、土地利用变化、植被类型、地形因素、人类活动与植被净初级生产力进行了相关性分析。结果表明:川西地区植被空间差异明显,其NPP多年平均值为199 gC/（m²·a）,在2000—2015年期间,大面积区域植被NPP呈显著上升,汶川、泸定、金川、康定局部区域受自然灾害及人类活动等因素NPP呈下降趋势;降水、气温、太阳辐射等气象因子对植被空间格局分布产生一定影响,不同土地利用及植被类型的NPP差异较大;海拔与研究区NPP相关性非常显著（R²=0.896,p<0.001）;人类活动对汶川、泸定等局部地区负干扰明显。     

潞安矿区净初级生产力和土地覆被变化及成因

净初级生产力和土地覆被变化是指示区域生态环境变化的重要指标.基于EOS/MODIS卫星遥感数据,运用地理信息系统软件ArcGIS 9.3的统计与分析模块对2001-2006年潞安矿区净初级生产力、土地覆被变化及其成因进行了研究和分析.结果表明:(1) 2001-2003年的矿区绝大部分区域净初级生产力大于0.2 kg/(m2·a),而2004-2006年的净初级生产力低于0.2 kg/(m2·a)即研究时段内矿区净初级生产力呈明显减少趋势;(2)灌丛向稀树草地,稀树草地向农用地,地表水域向裸地转换是土地覆被变化的主要特征;(3)煤炭开采,农用地开垦等人类活动和降水量减少,气温升高为特征的气候变化是研究区植被覆盖度和净初级生产力降低的两个主要原因.总之,煤炭开采和土地垦殖为主的人类活动所引起的土地覆被变化直接导致了潞安矿区净初级生产力的降低.     

基于SWAP模型同化遥感数据的黑龙江南部春玉米产量监测

农作物种植类型的地理分布差异,气候条件差异、土壤环境不同等因素的影响,需要开展农作物生长模型参数区域化、本地化的研究工作;通过改善区域气象数据空间化方法以提升插值精度的研究,也需要得到应用的重视。针对以上问题,该文以SWAP(soil-water-atmosphere-plant model,土壤-水-大气-作物模型)模型为基础,以中国黑龙江省南部地区作为研究区域,以其主要农作物春玉米为目标作物,确定研究春玉米的作物生长模型参数,并综合考虑纬度及海拔对气温的影响情况,研究将协同克里金(coKriging)方法引入作物生长模型气象数据插值获取中,从而提高模型输入参数中气象数据精度,并以叶面积指数(leaf area index,LAI)及蒸散发(evapotranspire,ET)数据作为同化遥感数据源,通过优化玉米灌溉量和出苗日期,获取了研究区2013年的玉米产量空间分布成果,与统计资料结果对比,玉米总产量监测结果的R2达到了0.939 4,均方根误差(root mean squared error,RMSE)达到了148 065 t,平均绝对误差(mean absolute error,MAE)为114 335 t。研究区15个县市区的预测单产和统计单产之间的决定系数达到了0.724 5,RMSE为598.5 kg/hm~2,MAE为531.5 kg/hm~2。研究结果表明,利用SWAP模型,以协同克里金方法获取气象数据空间插值成果作为输入数据,通过同化LAI和ET遥感数据,可以有效进行黑龙江南部区域的玉米产量遥感监测,为区域作物生长及生产力的遥感监测预测提供参考。     

基于多元线性回归的东北地区春玉米单产空间化模拟

春玉米是东北地区主要粮食作物，研究分析不同气候和土壤模式下春玉米产量的空间差异对于指导农业生产和保障粮食安全具有重要意义。本研究选取土壤、地形和气候因素三个方面共13个关键影响因素，采用多元线性回归分析法构建春玉米单产和13个影响因素的多元线性回归模型，并利用Arc GIS软件将春玉米单产进行栅格化，对东北地区春玉米单产空间分布情况进行分析。结果表明：(1)经多元线性回归模型计算的空间化数据(空间分辨率为1km)与春玉米单产统计数据基本一致，东北地区春玉米单产在2482.49～10147.10kg·hm^-2。(2)春玉米单产空间分布图客观反映了春玉米单产的空间分布趋势，大体呈现由中部地区向四周不断减少的格局。本研究准确取得栅格尺度的东北地区春玉米单产空间化的模拟结果，平均相对误差1.45%，可为东北地区农业生产布局优化和决策制定等提供方法参考。     

基于变化向量分析的玉米收获期遥感监测

现有的作物收获期遥感监测的基本思路是利用NDVI曲线形态变化与作物形态的显著变化之间的响应关系,推测作物的收获期,并且仅对整个区域的平均收获期进行监测。该研究引进变化向量分析理论,以兖州市夏玉米为研究对象,以2009年覆盖研究区玉米收获季的三期环境小卫星B星座CCD（HJ-CCD）影像的NDVI信息为主要数据源,研究多时相NDVI的变化大小和变化过程与收获期的关系,进而构建基于变化向量分析的玉米收获期遥感监测模型,对研究区内玉米种植地块的收获期进行实时监测。通过野外实测样本对兖州玉米收获期遥感监测结果进行精度验证,精度可达89.65%,玉米收获期在空间呈南至北的分布,与兖州农业局提供的玉米收获期空间分布信息基本一致。研究表明,变化向量分析方法通过定量分析收获季节内NDVI的变化过程,有效地反映出玉米收获规律,为作物收获期遥感监测提供了一种新的研究思路。     

三江平原农田生产力时空特征分析

为了提高农田生产力,该文基于EOS/MODIS卫星2000～2005年的MOD17A3数据集,分析了21世纪初三江平原农田生产力时间动态和空间分异特征。结果显示,2000～2005年三江平原旱田净初级生产力（换算成碳量）平均值为 348.06 g/(m2·a),水田净初级生产力平均值为339.90 g/(m2·a)。2000～2005年三江平原旱田年均净初级生产力下降率为7.2%,水田年平均净初级生产力下降率为9.9%。研究表明,三江平原地区气候变化对农田生产力的下降有一定影响,同时随着该地区人口和经济活动的增加,人类活动对土地利用的加剧,亦导致农田生产力的下降。旱田和水田生产力空间分布与降水分布的相关系数分别为0.177和0.156,表明降水对农田生产力空间差异影响显著。     

华北热资源限制区实现夏玉米高产高效和机械粒收的适宜种植密度和施氮量

【目的】华北平原夏玉米高效生产不仅取决于产量和肥料利用率,也依赖于高效的机械粒收。本研究探讨了密度与氮肥用量对夏玉米产量形成和收获期籽粒水分含量的影响。【方法】以玉米‘京农科728’为材料,采用裂区试验设计,主区设置2个密度：7.5×10⁴株/hm² (D_7.5)和9.0×10⁴株/hm² (D_9.0),副区设置5个施氮(N)水平：0、180、240、300和360 kg/hm² (分别表示为N₀、N₁₈₀、N₂₄₀、N₃₀₀和N₃₆₀)。测定了不同密度和氮肥用量下玉米叶片SPAD值、叶面积指数(LAI)、干物质积累(DM)、籽粒灌浆、产量及其构成因素、氮肥偏生产力(PFP_N)和农学利用效率(AE_N)。【结果】与D_7.5相比,D_9.0处理V...     

河北平原中低产区小麦与玉米生产现状及增产潜力分析

本文基于2000—2013年MODIS/NDVI遥感信息与主要粮食作物的统计数据,分析了河北平原中低产区冬小麦和玉米生产的时空格局,并利用各县粮食作物主要生育期累积NDVI的逐年值、14年的最大值及单产统计数据,采用最小二乘法原理,进行数值曲线拟合,构建了单产遥感估测模型,估算了河北平原中低产区冬小麦和玉米的增产潜力。结果表明:1)冬小麦在邯郸和衡水的最大生产力水平较高,在沧州、廊坊及邢台中部的最大生产力水平较低,即后者挖掘增产潜力之后也很难达到前者的最大生产力水平;玉米的最大生产力水平普遍较高,挖掘增产潜力后均可达到较高的生产力水平。2)冬小麦和玉米总产增产潜力在沧州和邯郸较大;冬小麦单产增产潜力多低于10%,平均增产356 kg?hm?2(5.87%);玉米单产增产潜力多高于10%,平均增产798 kg?hm?2(12.33%);单产增产潜力区域分布不同,冬小麦为廊坊保定沧州邯郸邢台衡水,玉米为邢台邯郸保定沧州衡水廊坊。3)以河北平原近14年来作物累积NDVI的最大值估算的全区冬小麦增产潜力为3.90亿kg,玉米增产潜力为9.62亿kg,二者合计可增产13.52亿kg,约相当于区域冬小麦和玉米理论可达增产潜力的1/5。本文估测粮食作物增产潜力的方法可以应用于估测多尺度范围、不同作物的增产潜力,研究结果可为相关部门的决策和管理提供依据。     

两种产量水平下减量施氮对杂交中稻产量和氮肥利用率的影响

为探究不同产量水平下减量施氮对杂交中稻产量和氮肥利用率的影响,以杂交中稻蓉优1015为试验材料,于2016-2017年在四川泸州和德阳进行大田试验,研究不同产量水平下减量施氮[常规施氮量(195 kg·hm^-2,N_CK)、减量23%(N_-23%)、减量46%(N_-46%)、不施氮(N₀)]对杂交中稻产量、吸氮量、氮素收获指数、氮肥利用率的影响。结果表明,不同地点间杂交中稻产量差异显著,泸州点平均产量为8.54 t·hm^-2(中产点),德阳点平均产量为11.60 t·hm^-2(高产点)。杂交中稻产量和氮肥利用率对减量施氮的响应随产量水平的变化而变化。中产点:N_-46%处理杂交中稻产量与N_CK相当,但N_-46%处理氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、氮肥生理利用率、氮收获指数较N_CK平均分别增加了93.4%、87.5%、123.4%、6.8个百分点;稻草吸氮量、总吸氮量和生产单位籽粒需氮量较N_CK平均分别下降了32.1%、20.6%、21.4%。高产点:N_-46%处理杂交中稻氮肥利用率高于N_CK,但其产量较N_CK平均下降了7.3%,且两者差异显著。与N_CK相比,高产点N_-23%处理杂交中稻产量、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、氮肥吸收利用率、氮肥生理利用率、氮收获指数平均分别增加1.3%、36.1%、31.7%、4.4个百分点、21.0%、3.2个百分点,稻草吸氮量、总吸氮量、生产单位籽粒需氮量平均分别降低了12.8%、5.6%、6.4%。减氮处理较高的氮肥利用率与其成熟期相对较低的稻草吸氮量和较高的氮素收获指数有关。同时,相关性分析表明,生产单位籽粒需氮量与稻草吸氮量、总吸氮量呈显著正相关,与氮素收获指数呈显著负相关。可见,根据产量水平合理确定的氮肥减施量,有利于杂交中稻产量和氮肥利用率的协同提高。本研究结果为不同产量水平下杂交中稻减量施氮提供了科学依据。     

基于HJ-1A/1B数据的天然橡胶干旱监测

为对橡胶林进行干旱动态监测及其影响定量评估,提高农作物干旱监测的准确性和实时性,该文基于HJ-1A/1B数据和地面气象观测数据,以标准化植被供水指数及综合气象干旱指数为变量,通过与同步实测土壤含水量的数据融合构建天然橡胶干旱监测综合模型。经检验,模型的相对均方根误差、纳什效率系数、一致性指数分别为11.02%、0.40、0.85,模型具有较高的精度。应用模型对2010年5月至7月海南农垦国营阳江农场橡胶林干旱进行了监测。结果表明,干旱存在较明显的空间差异,西部重于东部、北部重于南部。5月上旬起旱情持续加重,7月上旬达到旱情高峰,直至监测末期(7月下旬)干旱虽然有所缓解,但旱情依然严重。干旱对橡胶树生长有明显的抑制作用。干旱对橡胶树归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)、净初级生产力(net primary production,NPP)的影响存在滞后效应,滞后长度约1旬。干旱对NPP的影响从当旬开始有效,并延续3旬左右,干旱对NPP的延续效应较对NDVI明显。干旱对橡胶树产胶潜力、干胶产量的影响从当旬开始有效,并延续3旬左右,干旱对干胶产量的影响较对产胶潜力更为直接和长效。阳江农场橡胶林77.22%的像元产胶受抑与综合旱情指数呈现负相关性,其中26.70%为显著负相关。该文为天然橡胶干旱监测及评估提供参考。     

中国西南地区干旱对玉米产量影响评估方法

为研究干旱对西南地区玉米产量的影响,该文根据气候相似、发育期相近、农业生产水平相当的原则将西南地区玉米种植区分成6个亚区,利用1961-2010年西南地区63个代表站点逐日气象资料,计算逐旬水分盈亏指数,建立逐旬干湿指数,并基于旬干湿指数建立玉米干旱累积指数,同时结合玉米单产资料,构建玉米干旱产量损失评估模型。结果表明,玉米生育期内旬干湿指数与该旬的土壤湿度相关性较好;西南6个亚区玉米干旱产量损失评估模型均通过0.05水平的F检验,通过代表站、西南干旱年玉米干旱累积指数与干旱产量损失间的统计分析,两者之间具有显著的相关性,检验水平F均在0.05以上。模型能较准确地评估玉米发生干旱时的产量损失,具有一定的应用和深入研究价值。     

植被净初级生产力模型研究

主要对植被净初级生产力模型发展进行回顾,比较各模型的特点,对模型存在的问题进行了探讨,指出模型的发展趋势。     

塔拉滩地区光伏电站建设对植被净初级生产力的影响

塔拉滩地区光伏电站建设对当地生态环境,特别是植被生长,产生了重要影响。为了定量描述这种影响,该研究利用CASA模型和区域蒸散模型,对塔拉滩地区潜在净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）和实际净初级生产力分别进行估算,并以二者之差表征人类活动的影响,评估了塔拉滩地区光伏电站建设对植被NPP的影响。结果表明：1)2010—2020年塔拉滩植被的实际NPP和潜在NPP处于上升趋势,年均实际NPP和潜在NPP分别为58.03和204.05 g/m2（以C计,下同）;2）塔拉滩2010—2020年间人类活动的年均贡献率为68.90%,人类活动是导致塔拉滩植被NPP变化的主导因素;3）光伏电站对生态环境的影响具有明显的区域和阶段性特征,光伏电站建设前期由于机械开挖等因素对表层植被具有负面影响,而后期由于光伏板增温增湿、降低风速等方面产生的环境效应,能够促进植被生长。该研究有助于理解人类活动对植被净初级生产力动态变化的影响,并为塔拉滩的植被恢复和高质量发展提供科学依据。     

基于HJ-1A/BCCD数据的玉米倒伏识别方法

为快速获取大面积玉米倒伏灾情信息,以2012年台风"布拉万"过境导致大面积玉米倒伏的公主岭市为研究区,利用HJ-1A/BCCD数据,对受灾前后倒伏玉米和正常玉米之间的光谱差异进行分析,提取归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)、增强植被指数(EVI)、差值植被指数(DVI)及4波段光谱反射率主成分,结合地面调查构建基于二元Logistic回归的玉米倒伏识别模型,并进行精度评价和验证。结果表明:玉米倒伏后冠层光谱反射率在可见光-近红外波段均表现为增大,但植被指数减小;二元Logistic回归方法对玉米倒伏识别适用,所建模型中以4波段光谱反射率主成分构建的二元Logistic回归模型对玉米倒伏的识别效果最优,测试集上分类结果的准确率达到96.23%,NDVI和RVI模型次之,准确率为80%左右;将主成分模型应用于公主岭市倒伏玉米识别,结果与灾情实际情况基本一致。基于二元Logistic回归模型对玉米倒伏进行监测的思路和方法可为区域尺度玉米倒伏的多光谱遥感监测提供参考。     

2001-2015年青藏高原草地碳源/汇时空变化及其与气候因子的关系

净生态系统生产力(NEP)是估算区域植被碳源/汇的重要指标。以青藏高原为研究区,基于光能利用率模型,利用遥感数据、气象数据和基础地理数据测算了2001—2015年草地生态系统净初级生产力(NPP),同时,应用土壤呼吸模型估算了逐月平均土壤呼吸量(Rs),进而估算青藏高原草地净生态系统生产力(NEP)。研究揭示了2001—2015年青藏高原草地生态系统NPP,NEP时空格局及其与气候因子的关系。结果表明:(1)2001—2015年,青藏高原草地生态系统整体表现为碳汇,平均净碳汇总量为1.82×1014 gC/a;(2)2001—2015年青藏高原草地生态系统NEP呈波动增加趋势,年平均值为120.8gC/(m2·a),年平均增长率为0.7gC/(m2·a);(3)研究区草地NPP与温度、降水相关性不显著,NEP与降水、温度均呈负相关。     

基于通量观测数据的玉米水碳交换量及水分利用效率分析

揭示玉米生长期内水分、二氧化碳交换量及水分利用效率的变化规律,对于认识玉米生长规律,指导农业灌溉具有重要意义。该文采用美洲通量网(Ameri Flux)3个农田通量站的数据,计算玉米生育期内的水分消耗量ET(evapotranspiration)、总初级生产力GPP(gross primary productivity)和生态系统净交换量NEE(net ecosystem exchange)及水分利用效率,并采用统计分析方法分析饱和水汽压差和光合有效辐射对水分利用效率的影响。结果表明,该区域玉米整个生育周期约为156~180 d,ET为440~520 mm,GPP为1 320~1 640 g/m2,以C计,NEE为-560~-620 g/m2,以C计;水分利用效率,NEE/ET为1.2~1.4 g/kg,GPP/ET为3.0~3.5 g/kg。水分利用效率与饱和水汽压差(VPD)成负指数关系,存在常数k使得GPP/ET正比于VPD-k,最优k值为0.42~0.63。水分利用效率与光合有效辐射无显著相关性。     

结合GWRFR和作物物候信息的玉米产量早期预测

及时并准确地估计作物产量,对保障粮食安全、维护世界粮食供应稳定具有重要意义。此前,已有许多研究者使用机器学习方法对作物产量预估进行研究。然而,结合作物的空间分布、使用局部模型进行分析的研究较少;且诸多研究均以年份为时间尺度进行建模,未能精细到作物生长的各个阶段,无法实现作物产量的早期预测。针对以上问题,该研究结合多源遥感数据,利用随机森林（random forest,RF）以及地理加权随机森林（geographically weighted random forest regression,GWRFR）模型对美国县级玉米产量进行建模,探讨全局与局部模型在玉米产量预测方面的性能;并通过将GWRFR模型应用于玉米的各个物候期,获取了玉米产量的最佳提前预测时间。结果表明,GWRFR局部模型的精度（R²=0.87,RMSE=864.21 kg/hm²）高于传统的RF全局模型（R²=0.83,RMSE=994.75 kg/hm²）,并且能够较好地克服空间数据的非平稳性,即使在全局模型中加入经纬度作为变量,RF模型的预测效果（R²=0.85,RMSE=890.88 kg/hm²）仍然低于GWRFR模型。对于玉米产量的预测可以提前至收获前2～3个月,即在乳熟期前后就能得到比较准确的预测结果（R²=0.90,RMSE=748.39 kg/hm²）。该研究结果可为大尺度作物产量预估提供一种新的思路,对区域或全球其他作物的产量预测也具有一定的指导意义。