内蒙古东北地区作物种植结构及其蒸散量时空变化研究

作     者：王建辉 

作者单位：武汉大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗玉峰

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：GEE 作物识别 SEBAL模型 作物蒸散量 灌溉需水量 

摘      要：内蒙古东北部地区是内蒙古主要粮食产区之一。该地区农业灌溉用水量占内蒙古自治区总灌溉用水量的71%,但灌溉水利用系数仅为0.521,远低于我国平均水平（0.565）,普遍存在着农业用水效率低、区域水资源浪费等问题。一方面,随着市场需求变化和国家政策调整,内蒙古东北部地区作物种植结构不断变化,对于精准灌溉、实现区域水资源合理配置带来了重大挑战。另一方面,蒸散量是作物耗水量的主要部分,准确快捷模拟区域作物蒸散量是估算灌溉需水量、提高灌溉水利用效率的重要环节之一。因此,在水资源日益短缺的背景下,精准掌握作物种植结构信息和作物蒸散量变化规律对于实现内蒙古东北部地区水资源合理配置、提高水土资源利用效率、保障粮食生产安全具有重要意义。 本文以内蒙古东北部地区为研究区,基于1991～2020年Landsat遥感影像数据,通过Google Earth Engine遥感云计算平台,融合植被指数时间序列特征、统计特征、纹理特征、地形特征等建立随机森林分类模型,对研究区主要农作物（玉米、水稻、大豆）进行提取,分析三种作物的时空格局变化;然后构建GEE-SEBAL模型,对研究区三种主要作物蒸散量进行模拟,开展气象因子与作物蒸散量之间的相关性分析和敏感性分析工作,对GEE-SEBAL模型和MOD16模型进行了精度对比与评价;最后利用GEE-SEBAL模型模拟研究区作物蒸散量,对作物日蒸散、生育期蒸散量以及灌溉需水量时空变化特征进行分析。主要结论如下: （1）基于GEE云平台和Landsat影像数据提取出1991～2020年玉米、水稻和大豆30m分辨率分类图,完成了长序列、大范围和高分辨率的作物提取工作。通过精度验证,得到作物提取的Kappa系数为0.83,总体精度为87.42%。对提取出的1991～2020年研究区三种作物种植结构进行时空变化分析,发现研究区内水稻,玉米和大豆种植面积均呈增大趋势,其中向水稻转移的地物主要为:其它作物（33.29%）、湿地（28.15%）和草地（22.37%）,向玉米转移的地物主要为:其它作物（45.62%）、草地（34.41%）和林地（7.06%）,向大豆转移的地物主要为:其他作物（29.82%）、草地（25.70%）以及玉米（21.19%）。 （2）GEE-SEBAL模型相较MOD16模型精度更高,在模拟内蒙古东北部地区作物日蒸散有着更好的适用性。内蒙古东北部地区温度与作物日蒸散之间相关性较大,尤其是日平均温度Tmean表现出最高相关性,其次是日照时数n,相对湿度RH、风速U与作物日蒸散之间相关性最小;作物日蒸散对GEE-SEBAL模型中的热点温度变化最为敏感,其次是空气温度,对相对湿度敏感度一般,对风速不敏感。 （3）对研究区三种作物蒸散量ETc进行时空特征分析,发现三种作物ETc气候倾向率总体呈上升趋势,南部和北部呈增大趋势,中部呈下降趋势,其空间分布与有效降雨Pe气候倾向率变化相反。计算并分析研究区内三种作物IR的时空分布特征,发现研究区中部的水稻对当地水资源需求逐渐减小,南部和北部水稻面临相对较大的水资源压力;西辽河流域玉米种植区面临日益严峻的水资源供给压力,种植区域可适度向中部转移;大豆IR在北部的扎兰屯市和阿荣旗地区呈现减小趋势,在其它地区均呈现增大趋势,在大豆需水量不断增加的趋势下,当地农业相关部门应当根据各地区水资源现状及时调整作物种植结构。