基于MODIS和农业气象观测数据的农作物生长季长度变化研究——以黑龙江省水稻为例

摘要

农作物生长的季节周期对环境变化敏感。农作物物候的重现时间反映农田生态系统对环境因子的响应，对研究农业和气候变化的关系意义重大。水稻作为我国重要的粮食作物，及时、准确地掌握水稻生长季长度的时空变化规律，一方面可为农业生产、农田管理、农业政策制定等提供理论支撑，同时也对农业应对气候变化、保障国家粮食安全有重要意义。遥感技术具有及时、客观、宏观等独特优势，是在大尺度上探测作物生长季长度变化的有效手段。但遥感数据描述的是地表反射率信息，在像元尺度上反映农作物的生长状况及变化特征，与针对植株的地面农业物候观测信息存在差异。因此，遥感数据需要经过地面观测校正才能更为准确地反映作物的真实生长状况。
　　本研究以2007-2011年MODIS物候产品为数据源，选取黑龙江水稻生长季长度作为研究对象，结合农业气象站农作物物候观测资料、气象资料和水稻种植区等时空数据，进行水稻生长季起止日期提取、验证、统计校正建模、水稻生长季长度时空变化特征分析等方面的研究。主要研究成果包括：
　　（1）仅包含积温因子的水稻生长季模型优于同时考虑积温和降水的水稻生长季模型，线性回归模型较非线性回归模型拟合优度更高。通过对比积温、降水与遥感-地面差异值之间的线性及非线性回归模型发现，积温和降水都表现出显著相关，但积温显著性更高，以2007年回归方程为例，积温方程极显著（p=4×10-6）。对于水稻的发育期而言，降水因子对发育期影响不显著。理论上，模型越复杂，模型对生长季的描述能力越强，然而，随着复杂性增加，模型参数的耐受性会变低，拟合将变得更加困难。
　　（2）利用模型校正后的黑龙江省水稻生长季长度，在空间上存在自西南向东北逐渐延长的趋势。东北部水稻生长结束时间较晚，生长季长度较长，介于118-129天之间；西南部结束时间早，生长季长度较短，长度介于96-106天之间。西南部较东北部平均短6天。纬度越高，生长季长度越长（速率为2.1天/度），经度越向东递增，生长季长度越长（速率为1.2天/度）。造成黑龙江省水稻生长季长度差异性的原因主要与当地的自然地理环境密切相关，特别是温度，在对水稻生长季长度与5-9月≥0℃积温的相关性分析中发现，2007-2011年中大部分年份均呈显著负相关，相关系数都低于-0.8。纬度越高，温度越低，农作物为保证其正常的发育成熟，需要通过延长生长时间来满足对温度的需求，因此导致了黑龙江东北水稻区结束期较晚，生长季长度较长。
　　（3）2007-2011年，黑龙江省水稻生长季长度呈现出明显的缩短趋势。水稻生长季开始期推迟，生长季结束时间没有明显变化，生长季长度5年的平均缩短速率为1.87天。其中，三江平原大部、松嫩平原北部的呼兰河流域的水稻生长季在2007-2011年间表现出总体缩短的趋势。少部分地区生长季长度表现出总体延长的趋势，如嫩江上游地区、甘南地区。绥化少部分区域水稻生长季长度在2007年和2011年间基本没有变化。

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英文缩略表

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3研究方案

第二章 研究区域与数据

2.1 研究区域概况

2.2 遥感数据及预处理

2.3 地面观测数据

2.4 其他数据

第三章 水稻生长季起止日期提取与验证

3.1 作物生长与时间序列植被指数分析

3.2 遥感生长季起止日期确定

3.3提取方法的结果对比与地面验证

3.4 本章小结

第四章 生长季起止日期校正空间建模

4.1 统计建模

4.2 统计检验

4.3 最优模型选择

4.4 模型精度验证

4.5 本章小结

第五章 生长季长度变化分析

5.1 生长季开始期和结束期的空间变化特征

5.3 生长季长度的时空变化特征

5.4 本章小结

第六章 总结与讨论

6.1 主要研究结论

6.2 研究创新点

6.3 存在问题与展望

参考文献

致谢

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