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东北松嫩平原春玉米干旱灾害监测及风险评估研究

裴志方  
【摘要】:干旱灾害是我国最常见的自然灾害之一,它对农业生产影响最为严重。在全球变暖趋势下,我国旱灾事件频发,这严重阻碍了农业生产以及国民经济的发展。位于东北地区的松嫩平原是我国重要的粮食主产区,粮食作物以春玉米为主,由于其特殊的地理位置,松嫩平原受气候变化影响显著,伴随着全球变暖趋势的加剧,未来该区域干旱事件将更加频繁,春玉米干旱灾害风险将更加严重,国家粮食安全将受到严重威胁。因此,开展松嫩平原春玉米干旱灾害研究,对于在未来气候变化异常背景下松嫩平原春玉米干旱灾害监测、防灾减灾策略制定以及国家粮食安全保障具有重要的现实意义。论文以国家重点研发计划专项课题“多源卫星遥感全球主要气象灾害定量监测关键技术”(2018YFC1506503)和“敏感产业和重点区域灾害风险评估及防范技术与对策”(2019 YFC1510205)为依托,以东北松嫩平原为研究区,以春玉米干旱为研究对象,综合运用气象观测数据以及多源遥感数据,在准确掌握松嫩平原气候变化特征的前提下,通过改进春玉米气象干旱监测指标、构建春玉米各个生育期遥感干旱指数模型以及建立春玉米干旱灾害风险评估模型来对松嫩平原春玉米干旱灾害监测及风险评估展开研究,以期为松嫩平原防灾减灾及灾害管理提供科学依据。论文主要研究内容如下:(1)基于研究区1981-2018年气象观测资料,利用Penman-Monteith法计算出潜在蒸散量,利用RClim Dex软件计算了14个极端气候指数,采用一元线性回归、Sen趋势分析、M-K突变检验等方法对研究区降水、气温、潜在蒸散以及极端气候事件的时空变化特征进行分析,揭示了松嫩平原气候变化特征及发展趋势。(2)针对已有作物干旱监测指标适用性不足的问题,结合作物水分亏缺指数(CWDI)和标准化降水蒸散指数(SPEI)的构建原理,以累计水分亏缺量为基本量,基于三参数的Log-Logistic概率分布函数,构建了标准化作物水分亏缺指数(SCWDI),并与常用干旱指数(Pa、MI、SPI、SPEI、CWDI、CWDIa)、植被干旱胁迫分布特征及实际干旱事件记录进行对比分析,其适用性较好,基于此,探究了松嫩平原春玉米各生育期的干旱时空演变规律及趋势。结果表明:松嫩平原春玉米全生育期SCWDI变化趋势较小,空间上干旱趋势主要以减少为主,各生育期干旱频率大部分区域以轻旱为主,在全生育期,西北部及东南部重旱频率相对较高;REOF分析表明松嫩平原春玉米干旱变化主要以南北反向分布为主;Morlet小波分析表明松嫩平原春玉米各生育期干旱均受第一主周期控制,未来几年,除乳熟-成熟期干旱年份可能减少外,其他生育期干旱年份均可能增加。(3)针对在遥感干旱模型构建中植被指数(NDVI)受干旱胁迫存在迟滞性以及不能较好反映作物减产风险等问题,研究中引入日光诱导叶绿素荧光(SIF)作为受干旱胁迫时作物的生长状态进行研究;针对在遥感干旱监测中较少针对特定作物生育期进行干旱监测等问题,研究中将多源遥感数据(SIF、TRMM、LST等)依据春玉米各个生育期进行合成及处理;为使遥感数据空间分辨率达到一致,基于地理加权回归模型(GWR)对SIF数据及TRMM数据进行了降尺度分析,以此为遥感综合干旱模型构建提供了有效数据集。(4)基于多源遥感数据,利用随机森林算法构建了春玉米各个生育期综合干旱指数模型(CDI),并与其他干旱指数(SCWDI、VCI、VCI_(SIF))、典型农气站春玉米单产及土壤相对湿度进行对比验证,效果较好,最终以每年春玉米种植面积提取其各个发育期干旱信息,并进行干旱监测分析。结果表明:研究期间松嫩平原春玉米受旱面积较多的年份为2001年、2004年、2007年、2017年,与国家统计受旱面积相比,在时间序列上遥感监测结果与统计结果的变化特征一致性较高;松嫩平原春玉米各个发育期干旱重心主要偏向于南部;在拔节-抽穗期,春玉米旱灾面积与统计单产相关性相对较高,间接说明了本研究干旱监测结果是有效的。(5)从春玉米本身出发,结合自然灾害风险理论,将与春玉米干旱相关的因子指标重新整合,综合运用层次分析法和加权综合评价法从致灾因子危险性、承灾体脆弱性以及孕灾环境敏感性三个角度建立了松嫩平原春玉米干旱灾害风险评估模型,并进行了风险评估。结果表明:在抽穗-乳熟期、乳熟-成熟期及全生育期,松嫩平原西部干旱灾害风险程度较高,应及时做好防灾减灾规划,且春玉米高风险区与春玉米平均减产率空间分布相似,说明了本研究干旱灾害风险评估方案是可行性的。论文的创新点如下:本研究从春玉米干旱视角出发,在掌握了松嫩平原气候变化特征的前提下,构建了一种新的春玉米气象干旱指标,提出了一种提高作物遥感干旱监测的方法,形成了一套从气象干旱监测-遥感干旱监测-干旱风险评估较为系统的春玉米干旱灾害监测及风险评估研究技术方法体系,提高了松嫩平原春玉米干旱灾害监测及风险评估的有效性,阐明了松嫩平原春玉米干旱变化的分布规律及演变趋势,为松嫩平原春玉米干旱灾害监测、防灾减灾及灾害管理提供了重要理论基础及科学技术手段,同时也为区域农业可持续发展及粮食安全保驾护航。


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