耕地复种提升潜力研究

发布时间：2020-05-03 19:13

【摘要】：粮食总产是作物单产、耕地面积和复种次数的函数。由于作物单产提升空间有限且耕地面积难以扩张,在已有耕地基础上通过增加复种次数来缩小复种差成为提升耕地潜力和粮食产量的关键。而复种差的缩小又与作物种植情况息息相关。因此,从种植频率、作物生育期长度的视角,考虑不同分辨率对复种观测的差异,评估不同作物生育期长度对复种差及其利用的影响,为提高耕地集约利用、保障国家粮食安全提供科学依据。本研究以我国粮食生产核心县——江西省进贤县为研究区域,以该区域典型的复种模式为研究对象,以2015年MODIS产品、GF-1/WFV(简称GF)影像、农业统计资料等为主要研究数据,探讨耕地复种的提升潜力。首先进行复种强度估算,基于三个不同时空分辨率的NDVI数据集(MODIS、GF、GF-MOIDS)采用二次差分法分别提取实际复种频率,并探究时间分辨率和空间分辨率对复种频率观测带来的不确定性;其次进行复种潜力提升,基于精度最高的GF-MODIS数据集采用动态阈值法提取作物的生育期长度,计算耕地剩余的生育期长度,并利用四种不同生育期长度的作物(不考虑生育期长度的一般作物、生育期长度为60天的作物、生育期长度为90天的作物、已种植的最短生育期长度的作物)分别对其进行填充,探究作物种植方式和生育期长度对复种潜力提升的影响。论文取得的主要研究结论如下:(1)基于STARFM模型得到的融合影像与其对应的真实影像的相关系数大部分达到了0.7以上,融合效果总体良好。初始输入的高空间分辨率影像数量较多且时间间隔较为均匀,这有助于总体融合精度的提升。融合影像不仅能体现MODIS影像的时间序列变化优势,还能体现GF影像的空间细节分布优势,说明基于该模型获得的高时空分辨率融合影像既可以对粗时间分辨率影像缺失的时间序列信息进行有效补充,又可以对粗空间分辨率影像缺少的空间细节信息进行有效细化。(2)在MODIS、GF和GF-MODIS的复种频率观测结果中,GF-MODIS的结果最好,其不但空间精度最高,而且与区域的总体比较值最为接近。三个尺度下的一年一熟在研究区域都占主导,一熟在MODIS、GF和GF-MODIS的观测比例中是依次减少的,而二熟和三熟分别是依次增加的。这说明粗空间分辨率影像能观测到区域最主要的种植制度,而高空间分辨率影像更能识别出区域中多熟的种植情况。(3)MODIS影像空间分辨率较粗,在空间异质性较大的区域会出现明显的混合像元现象。研究区域内跨年轮作的制度、频繁交叉的多熟、破碎细小的地块,导致绝大部分MODIS像元的单一熟制对应的GF-MODIS像元是混合熟制。这说明在农业景观极为复杂的中国南方地区,较高的空间分辨率是观测复种的首要条件。GF影像时间分辨率较粗,在关键生育期的信息极少。研究区域内种植结构复杂、云雨天气频繁、地表覆盖多变,从而GF-MODIS影像能得到更精确的熟制。这说明在土地利用快速变化的中国南方地区,较高的时间分辨率对于获取多熟种植情况也十分重要。(4)研究区域的复种潜力都为三熟。当不考虑填充作物生育期长度时,一熟像元的潜在复种差都是2,二熟像元的潜在复种差都是1,三熟像元的潜在复种差都是0。当考虑耕地生育期长度时,即使是相同的熟制情况,不同像元的耕地剩余生育期长度却是不一样的,则用不同生育期长度的作物(生育期长度为60天的作物、生育期长度为90天的作物、已种植的最短生育期长度的作物)进行填充时,实际复种差大小必然有所差异,并且结合作物生育期长度的实际复种差大小会远远小于理论的潜在复种差大小。(5)在三种不同作物的填充方案下,一熟像元的复种差大小有显著的差异,而二熟像元的复种差大小很类似,三熟像元的复种差大小完全相同。这说明实际复种差大小在很大程度上受填充作物的生育期长度的影响。此外,通过合理缩小复种差,农民可以可持续地加强耕地利用集约化、高效地提升粮食产量,同时作物物候信息还可辅助作物分类。
【图文】：

技术路线图

地理位置,进贤县,复种,三熟

中国农业科学院硕士学位论文第二章研究区概况与数据处理的湖汊地和内陆大片的平原、少量的岗地、零星的低丘，具有南方地区耕地地貌的代表性。因此，选择进贤县作为案例研究区，将有利于在多地貌环境下从一熟种植到三熟种植的复种频率全覆盖观测。然而，进贤县的实际种植现状远远没有达到种植潜力。一熟在进贤县占主导，二熟也有集中分布，而三熟仅有零星分布(Xiang et al., 2019)。可见，全县境内分布着很大的复种差。因此，选择进贤县作为案例研究区，将有助于在多生育期长度作物填充方案下的复种差差异探究。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S127

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