黄河三角洲典型区域麦棉遥感监测及土壤盐分效应

摘要

人口与耕地的矛盾日益凸显使粮食安全变的尤为重要，我国是世界上最大的小麦生产国，也是世界上最大的小麦消费国，由于受自然环境条件和生产条件的影响，我国区域小麦单产水平差异较大，厘清中低产区限制小麦生产的关键因素，改善小麦生产管理条件，是当前保障我国粮食安全的重要途径，对于指导农业生产、区域供需平衡、经济宏观调控、实现可持续发展等具有极为重要的意义。黄河三角洲是国家级高效生态经济区，拥有大量未利用的后备土地资源，是我国重要的中低产田和后备土地资源开发区。由于土壤盐碱限制，该区盐渍化土地面积大、分布广泛，小麦产量水平低下，蕴藏巨大的粮食增产潜力。
　　本文选取山东省垦利县和无棣“渤海粮仓”样板区为研究区，在实地调查采集数据的基础上，通过对研究区主要农作物种类和物候历的分析，选取了2003年、2008年、2013年的三年六期ETM+影像，经过大气校正、辐射校正、几何精校正和掩膜运算等处理后，通过分析研究区典型地物特征光谱曲线生成决策树分类模型，提取冬小麦、棉花种植分布信息，将各时相冬小麦、棉花种植分布提取结果做空间叠加，分析了近10年来冬小麦、棉花种植面积与分布的变化规律；并结合实地土壤盐分调查分析数据，分析了冬小麦、棉花种植面积变化与土壤盐分的关系。一方面，将垦利县冬小麦、棉花分布图分别与相应时相的土壤含盐量分布图进行空间叠加分析，并对叠加图的属性进行统计，对比分析冬小麦、棉花分布与土壤含盐量分布的关系。另一方面，通过叠加2008和2013年土壤盐分含量分布图，将盐分变化分为盐分升高区和盐分降低区，将其与同时段的冬小麦、棉花各自及交互之间种植范围变化图进行叠加，分析土壤盐分含量变化对冬小麦、棉花分布变化的影响。最后通过分析无棣“渤海粮仓”样板区内土壤含盐量情况和作物长势之间的关系，建立各个月份土壤含盐量和作物长势的回归分析模型，选取了相关性最显著的月份，分析土壤含盐量对作物长势的具体影响，并对研究区未来冬小麦、棉花种植提出了对策和建议。
　　研究的主要结论有：
　　(1)通过分析提取的垦利县2003年、2008年和2013年的冬小麦、棉花种植分布信息，可以看出，垦利县冬小麦和棉花的分布具有明显的空间特征，主要分布在垦利县域西南部和东北部的黄河沿岸区域，其中棉花的种植分布区比冬小麦种植区范围稍大，在垦利县域中南部有少量棉花种植区分布。两者都与土壤低含盐量区具有一致的空间分布特征。垦利县域西南部由于地势较高，土壤盐碱总体较轻，县域东北部黄河沿岸区域由于受黄河淡水影响较大，也是低土壤含盐量区。
　　(2)通过分析多时相的冬小麦和棉花种植分布及变化情况，看出2003年至2013年垦利县冬小麦种植面积呈减少趋势，棉花种植面积大幅增长，农作物种植主要向棉花种植转变，其中冬小麦种植区向棉花种植区共转移8343.72hm2，非耕地向棉花种植区共转移34560.63 hm2，与土壤盐分含量的变化具有一致性。土壤盐分含量高于3g/Kg的冬小麦种植区域在土壤含盐量升高后，作物种植类型变为了棉花。
　　(3)冬小麦、棉花种植范围分布及变化与土壤盐分含量分布及变化具有极高的相关性，土壤盐分含量的变化是冬小麦、棉花种植区域变化的重要影响因素。冬小麦种植无变化区域土壤含盐量都集中在1.5g/Kg—2.5g/Kg之间，冬小麦种植增加区域的土壤盐分含量都集中在2g/Kg—3g/Kg，而冬小麦种植减少区的土壤盐分含量都在3g/Kg以上，即土壤含盐量3g/Kg是适宜冬小麦生长的上限，土壤含盐量超过3g/Kg已不再适合冬小麦的生长，且冬小麦的种植面积随土壤盐分的升高骤减；棉花种植减少区的土壤含盐量都集中在4 g/Kg以上，即土壤含盐量在超过4g/Kg后就不再适合棉花的生长。因此采取必要的农业措施和工程手段使土壤含盐量保持在适宜作物生长的范围内，是冬小麦和棉花生产的重要保证。
　　(4)在单一作物种植模式下，通过比较不同土壤含盐量区域的各月作物NDVI值变化趋势、比较各个月份的土壤含盐量和作物长势函数模型，发现5月份的土壤盐分含量和作物长势的相关性最高，相关系数高达0.88，土壤盐分含量对农作物长势的影响最显著。在一定的土壤含盐量范围内，随着土壤含盐量的升高作物长势呈线性降低，当土壤含盐量增高到不适宜农作物生长时，农作物长势不再发生变化。因此将土壤含盐量控制在合理范围内，是作物正常生长的基本保障。
　　本研究分析了冬小麦、棉花种植分布变化、交互变化与土壤盐分含量之间的关系，以及土壤含盐量变化对于作物长势影响的规律，探索了土壤盐碱化对于作物种植的影响。对研究区未来冬小麦、棉花的栽培管理提供了科学对策，对研究区“棉转粮”的潜力进行了分析。

目录

封面

声明

符 号 说 明

目录

中文摘要

英文摘要

1 引言

1.1 研究目的意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与思路

2研究区概况

2.1 自然地理概况

2.2 农作物种植状况

2.3 社会经济条件

2.4 无棣“渤海粮仓”样板区概况

3 数据获取与处理

3.1 数据获取

3.2 遥感数据处理

3.3 土壤盐分数据处理及盐分等级的划分

4 麦棉面积与分布信息的提取

4.1 典型地物光谱特征分析

4.2 麦棉种植区域提取

4.3 冬小麦、棉花分布格局

4.4 精度验证

5 麦棉分布动态变化研究

5.1 冬小麦时空动态变化

5.2 棉花时空动态变化

5.3 冬小麦与棉花交互动态变化

6 麦棉分布与土壤含盐量关系研究

6.1 研究区土壤含盐量及其动态分析

6.2 冬小麦分布变化与土壤含盐量关系分析

6.3 棉花分布变化与土壤含盐量关系分析

6.4 冬小麦、棉花分布交互变化与土壤含盐量关系分析

7 冬小麦长势与土壤盐分含量的关系分析

7.1 “渤海粮仓”样板示范区土壤含盐量状况分析

7.2 示范区农作物长势变化研究

7.3 示范区土壤盐分含量与农作物长势关系研究

8 研究区麦棉管理对策及“棉转粮”潜力分析

8.1 小麦及棉花栽培管理对策措施

8.2 “棉转粮”潜力分析

9 结论与讨论

10 研究特色与展望

10.1 研究特色

10.2 研究不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况