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中国南方双季稻低温冷害风险评估、遥感监测与损失评估方法研究

程勇翔  
【摘要】:南方双季稻生产对确保我国粮食安全有着特殊贡献,但由于气候波动,使得南方双季稻生产常常会受到低温冷害的影响,本研究以南方双季稻区为研究区,利用星地多源数据对南方双季稻低温冷害进行了风险评估、动态监测和损失评估,主要开展以下工作: 1、南方双季稻可能种植区提取 首先利用农业统计资料分析确定了研究区范围,该范围包括湖北、安徽、浙江、湖南、江西、福建、广东、广西和海南9个省(区),这9个省(区)双季稻播种面积和产量之和占全国双季稻总播种面积和产量的百分比均达到了99%以上;然后利用研究区气象站点1954-2011年逐日气温数据,计算了每年≥lO℃积温,将逐年积温数据进行平均,获得了站点≥10℃的多年平均积温,以各个站点的多年平均积温为因变量,经度、纬度、海拔高度等地理因子为自变量建立多年平均积温推算模型,根据模型得到了研究区积温空间分布图。按照南方双季稻安全生产积温阈值为5300℃.d的指标,去除研究区内≥10℃的多年平均积温小于5300℃.d的地区;最后利用MODISMCD12Q1分类产品获取了2001-2010年10年的谷类作物分布图。将以上结果叠加求交集,获得南方双季稻可能种植区,该成果为双季稻冷害风险评估和监测明确了研究空间范围。 2、双季稻主要发育期时空动态模拟 南方双季稻区水稻冷害主要有发生在双季早稻播种至育秧期间的倒春寒、双季早稻分蘖期至幼穗分化期的5月低温和双季晚稻抽穗扬花期的寒露风,因此,开展南方双季稻冷害遥感监测与预警,需要确定各个地区水稻所处的发育期。本研究利用南方双季稻区167个农业气象观测站点1981年到2011年的水稻发育期资料,计算各个站点双季稻主要发育期出现的多年平均日期,分析南方双季稻区水稻主要发育期出现的多年平均日期与经度、纬度和海拔高度的相关性,建立主要发育期多年平均出现日期的空间分布模型,并以此得到各主要发育期回归拟合分布图;计算空间分布模型模拟值与实测值之间的残差,采用地统计方法获取残差的空间分布图;将回归拟合分布图和残差分布图相叠加,获取双季稻各主要发育期结果;再基于GIS绘制南方双季稻区水稻各主要发育期空间分布图,结果经验证估计值和实测值之间无显著差异;最后,利用前后两幅发育期静态图,通过EVNI+IDL编程制作了动态发育期图。 3、南方双季稻区低温冷害风险评估 在南方双季稻区冷害风险评估中,重点研究了5月低温和寒露风。利用研究区气象台站1951-2011年逐日平均气温资料,结合双季稻冷害辨识指标(双季早稻5月低温辨识指标为日平均温度≥20℃连续5天,双季晚稻寒露风辨识指标为日平均温度≥20℃连续3天)计算了各站点冷害发生的年平均强度和冷害年频率,将两者的乘积作为年冷害风险指标。以冷害年频率为标准,结合冷害年频率与冷害年平均强度的关系方程,分别确立了双季早稻和晚稻的年冷害风险指标各等级的临界阈值。将各站点年冷害风险指标和其地理因子相关联,分别构建了双季早稻5月低温和晚稻寒露风的年冷害风险指标空间分析模型。通过模型获取了年冷害风险指标图,利用所得的年冷害风险指标临界阈值进行等级评定,结合提取的双季稻种植区图,最终完成南方双季稻区冷害风险评估。结果经验证估计值和实测值之间无显著差异,所得风险评估结果具有相当的准确性。 4、南方双季稻区低温冷害动态监测 在南方双季稻区冷害动态监测中,重点监测了双季早稻播种至育秧期冷害,分蘖至幼穗分化期冷害,及双季晚稻抽穗开花期冷害。利用AMSR_E_L2A89GHZ升轨和降轨垂直极化亮温,通过图像预处理获取了2010年逐日平均亮温数据,该数据与日平均气温有较强的相关性。利用微波亮温、地理因子与气象站平均气温建立了多元混合回归模型,实现逐日平均气温的推算,回归结果与真实气温值的均方根误差为1.57℃。日气温估计精度基本符合冷害监测要求。结和建立的双季稻动态发育期图、双季稻种植区图和各监测时段冷害指标,最终实现了南方双季稻冷害动态监测。监测结果和已报道的2010年南方冷害在时间和空间上高度符合。该方法比传统的冷害监测有更强的实时性,便于农业生产部门对冷害做出快速的反应,减少冷害造成的损失。 5、南方双季稻区低温冷害损失评估 在南方双季稻区冷害损失评估中,利于DSSAT作物模型,在水稻参数区域化矫正的基础上,对平均光温条件和冷害条件下的水稻潜在产量进行了计算。通过比较两者结果的差异,确定了冷害单一灾害损失量。所得结论比传统冷害损失评估方法更科学和准确。 最后,研究总结了以上各步得出的主要结论和取得的成果,并展望了在未来工作中仍需要进一步解决的问题。


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