作物水分生产力时空分异特征及关键影响因素研究

Droughts and water shortage are generally accepted to be one of the most critical problems faced by worldwide agriculture, and it is so especially in China where agricultural production and prosperity are largely dependent on the timely, adequate, and proper distribution of rainfall. The analysis of water productivity is becoming worldwide in the light of population growth, food security and increasing pressure on water resources. However, there is limited understanding of the spatio-temporal variation of crop water productivity for rotation system and its key influencing factors in Huang-Huai-Hai plain. This study presents an innovative approach to combine meteorological data, ground survey, and national census with remotely sensed imagery to assess crop water consumption (actual ET), crop yield, and finally crop water productivity for winter wheat and summer maize in Huang-Huai-Hai plain. The statistical data were synthesized to calculate district-state-level land productivity, which is then further extrapolated to pixel-level values using a MODIS NDVI image, based on a crop dominance map. The actual ET is estimated with a SEBAL model taking meteorological data and MODIS land surface temperature (LST) products as inputs. Water productivity maps are then generated by dividing the crop productivity maps by ET maps, and spatio-temporal variation of crop water productivity is investigated finally. Key influencing factors of crop water productivity are identified using DSSAT simulation under climate change in this study. The results is expected to provide a basis information for agricultural water management, improvement of crop water productivity and choice of adaptive mechanism under climate change in Huang-Huai-Hai plain.

干旱缺水是世界农业生产面临的严重问题，也是制约我国农业和经济发展的重要因素，提升作物水分生产力，对于缓解水资源危机，保障国家的粮食安全具有重要意义。针对水资源严重短缺、地下水资源超采的黄淮海平原冬小麦-夏玉米周年水分生产力空间分异特征研究薄弱和关键影响因素尚不明确的问题，本研究以黄淮海平原多时相遥感影像、统计资料、气象数据、田间观测资料和地面调查数据为主要数据源，在利用光谱耦合技术和决策树算法，完成研究区作物轮作信息提取的基础上，生成基于独立像元的作物产量栅格图；再通过SEBAL区域模型反演作物的实际蒸散量，完成冬小麦和夏玉米水分生产力的估算，并揭示其时空分异特征，结合选定的典型站点DSSAT模型模拟，探索气候变化背景下作物水分生产力的关键影响因素及其影响机理。本项目开展将为黄淮海平原农业水管理、作物水分生产力提升以及未来气候变化下应该采取的适应措施研究提供科学依据。

本研究以黄淮海平原1961－2014年历史气象数据、典型农业气象站点数据、MODIS影像产品和冬小麦产量为主要数据源，借助P-M 方程、SPEI-PM 指数、 DSSAT-CERES-Wheat 模型和 SEBAL 模型，研究了气候变化和干旱对冬小麦产量和水分生产力的影响。研究发现：.（1）在过去54年，夏季和全年尺度潜在蒸散量以1.09 mm•a-1和-1.29 mm•a-1速率显著递减，相对湿度和太阳辐射量是潜在蒸散量下降的主控要素；SPEI-PM指数较SPEI-TH指数更适合黄淮海平原干旱监测，同时发现在RCP 8.5情景下无论是干旱频率、持续时间和强度，都呈现干旱增强的趋势；.（2）DSSAT模型模拟结果发现，冬小麦实际产量和潜在产量巨大差异归因于水分胁迫和田间管理因素；冬小麦拔节-抽穗期缺水导致的产量减产率要大于灌浆期缺水，同时产量减产率的空间差异主要是由气象条件导致；冬小麦拔节-抽穗期在同样灌溉水平下导致的减产概率北部站点大于南部。.（3）借助SEBAL模型估算了黄淮海平原冬小麦和夏玉米实际蒸散量（ETa），通过MODIS NDVI光谱曲线特征与冬小麦单产数据的耦合，将县域尺度作物单产“降尺度”至基于像元的产量栅格图，实现了冬小麦和夏玉米产量栅格化。在完成作物实际蒸散量模拟和产量栅格化的基础上，对黄淮海平原冬小麦和夏玉米水分生产力进行估算。结果表明，冬小麦水分生产力区域平均值为0.95kg•m-3，高值区主要位于北京、天津、山东北部和河北南部地区。在环渤海山东半岛滨海外向型二熟农渔区（一区）、海河低平原缺水水浇地二熟兼旱地一熟区（三区）和黄淮平原南阳盆地水浇地旱地二熟区（五区）冬小麦产量与水分生产力呈显著正相关，说明随着冬小麦产量的增加，其水分生产力增加；在燕山太行山山前平原水浇地二熟区（二区）冬小麦水分生产力与实际蒸散量呈极显著负相关（P＜0.01），与产量呈极显著正相关（P＜0.01），表明水分生产力将随着实际蒸散量的减少和产量的增加而增大，同时产量增加对水分生产力提高的贡献大于实际蒸散量的减少；在江淮平原丘陵麦稻两熟区（六区）冬小麦水分生产力与实际蒸散量呈显著负相关，与产量相关关系不明显，说明在黄淮海平原南部水分生产力的提高主要依靠实际蒸散量的减少。