目录 第一章黄淮海平原概况1 第一节地理位置与行政区划1 第二节自然地理条件2 一、气象水文2 二、地形地貌2 三、土壤类型2 第三节农业生产概况3 第四节粮食高产稳产需求与水资源危机4 参考文献5 第二章农业气候资源特点6 第一节数据来源与处理方法6 一、数据来源6 二、指标计算方法7 三、时序分析方法8 四、ET0对气象要素的敏感性分析方法8 第二节太阳辐射变化特征8 一、太阳辐射量的时序变化特点8 二、太阳辐射量的突变特征10 三、太阳辐射量的空间分布格局10 第三节气温变化特征12 一、气温的时序变化12 二、气温的突变特征15 三、气温的空间分布特征17 第四节降水量变化特征22 一、降水量的时序变化22 二、降水量的空间分布格局23 第五节潜在蒸散量变化及其气候影响因素25 一、潜在蒸散量的时序变化26 二、潜在蒸散量的空间分布格局28 三、潜在蒸散量气候敏感系数29 四、潜在蒸散量对气候变化的响应29 第六节降蒸差的时空变化特征31 一、降蒸差的空间分布特征32 二、降蒸差的季节变化34 三、降蒸差的周期变化特征36 第七节小结38 参考文献42 第三章冬小麦生育期和降水盈亏量变化46 第一节数据来源与方法48 一、数据来源48 二、指标计算方法48 第二节冬小麦生育期变化及气候影响因素50 一、生育期变化50 二、影响生育期变化的气候因素52 第三节不同年代冬小麦生育期水分亏缺特征53 一、全生育期水分亏缺空间分布53 二、各生育阶段水分亏缺空间分布54 三、冬小麦生育期水分亏缺变化原因55 第四节小结57 参考文献59 第四章气候干旱特征及对冬小麦产量影响62 第一节气候干旱62 一、干旱灾害的发生规律62 二、干旱指标63 三、干旱识别64 第二节冬小麦生长季干湿状况的时空分布64 一、数据来源与方法64 二、相对湿润度的变化特征65 三、冬小麦生长季相对湿润度的变化特征67 四、气候干旱频率及其区域分布69 五、气候干旱特征对气候变化的区域响应71 第三节典型站点冬小麦生育阶段的气候干旱特征73 一、典型站点选取73 二、冬小麦生育阶段的气候干旱特征74 三、冬小麦生育阶段气候因素的年际变化趋势76 四、冬小麦生育阶段气候干旱特征的关键影响因素80 第四节气候干旱对冬小麦产量影响83 一、作物品种参数的调整与模型适用性的验证83 二、冬小麦水分亏缺的变化及模拟灌溉量的确定84 三、干旱减产率的年际变化与区域对比87 四、干旱减产率的累计概率90 五、典型年份土壤水分变化及产量分析90 第五节小结95 参考文献97 第五章干旱对不同土壤区冬小麦产量影响100 第一节影响冬小麦的主要因素100 一、气象要素100 二、土壤类型101 三、水分101 第二节数据来源与方法103 一、典型区土壤特点103 二、代表站点气候特点104 三、站点冬小麦生育期和灌溉需水量的变化106 四、试验设计111 五、DSSAT模型参数调整和验证111 第三节褐土区干旱对冬小麦产量的影响114 一、不同水分条件下冬小麦产量变化114 二、不同水分条件下冬小麦粒数变化115 三、不同水分条件下冬小麦千粒重变化116 四、不同水分条件下冬小麦生物量变化117 第四节潮土区干旱对冬小麦产量的影响118 一、不同水分条件下冬小麦产量变化118 二、不同水分条件下冬小麦粒数变化119 三、不同水分条件下冬小麦千粒重变化120 四、不同水分条件下冬小麦生物量变化121 第五节两个典型站点冬小麦干旱适应能力比较122 第六节小结125 参考文献126 第六章冬小麦实际蒸散量估算131 第一节实际蒸散量估算131 一、作物信息提取方法133 二、蒸散量估算方法134 第二节数据来源与方法137 一、气象资料137 二、地面调查数据137 三、遥感影像139 四、地理数据140 五、生育期数据142 六、基于SEBAL模型的实际蒸散量估算142 第三节冬小麦种植分布信息提取145 一、作物生长的光谱信息数据库构建145 二、非监督分类与光谱耦合技术146 三、冬小麦分布结果147 四、亚像素估算147 五、精度评估148 第四节SEBAL地表蒸散估算150 一、净辐射通量估算150 二、土壤热通量估算150 三、显热通量估算152 四、潜热通量估算153 五、日蒸散量估算154 六、精度验证与误差分析155 第五节冬小麦实际蒸散量157 一、冬小麦生长季实际蒸散量空间分异特征157 二、蒸散量与NDVI的相关性158 三、蒸散量与地表温度的相关性160 四、蒸散量与地形参数的相关性161 第六节小结161 参考文献162 第七章冬小麦水分生产力评价166 第一节水分生产力估算方法166 一、遥感技术在作物产量空间化中的应用166 二、作物水分生产力估算167 第二节冬小麦产量的基本特征169 第三节冬小麦栅格产量特征171 一、省域尺度的MODISNDVI光谱特征171 二、回归方程构建172 三、冬小麦产量栅格化173 第四节冬小麦水分生产力分异特征175 一、不同时期冬小麦水分生产力估算175 二、冬小麦水分生产力时空变异特点175 第五节水分生产力影响因素研究177 一、冬小麦水分生产力与实际蒸散量和产量的相关关系177 二、冬小麦水分生产力与降水盈亏量的相关关系179 三、冬小麦水分生产力与需水盈亏量的相关关系180 四、冬小麦水分生产力与相对湿润指数的相关关系181 第六节冬小麦水分生产力可能提升途径182 第七节小结185 参考文献187 Contents Chapter 1 The introduction of the Huang-Huai-Hai Plain.1 Section 1 The location and administrative division1 Section 2 The natural environmental conditions2 1.The hydrologic and meteorologic characteristics2 2.The topography characteristics2 3.The main soil types2 Section 3 The agricultural production situation3 Section 4 The importance of high-and-steady yield for winter wheat and water resources crisis4 Reference5 Chapter 2 The characteristics of agricultural climate resources in the Huang-Huai-Hai Plain 6 Section 1 The data collection and methods6 1.The data source 6 2.The calculation methods7 3.Time series analysis8 4.Sensitivity analysis method8 Section 2 The characteristic of the solar radiation8 1.Temporal variation of the solar radiation8 2.Mann-Kendall statistic curve of the solar radiation10 3.Spatial pattern in the solar radiation.10 Section 3 The characteristic of the mean temperature12 1.Temporal variation of the mean temperature12 2.Mann-Kendall statistic curve of the mean temperature15 3.Spatial pattern in the mean temperature17 Section 4 The characteristic of the precipitation22 1.Temporal variation of the precipitation22 2.Spatial pattern in the precipitation23 Section 5 The characteristic of potential evapotranspiration and its key climatic factors25 1.Temporal variation of potential evapotranspiration26 2.Spatial pattern in the potential evapotranspiration28 3.The sensitivity coefficients of potential evapotranspiration29 4.The response of potential evapotranspiration to climate change29 Section 6 Spatio-temporal variability of precipitation deficit31 1.Spatial pattern in the precipitation deficit32 2.The seasonal variation of precipitation deficit34 3.The periodic variation of precipitation deficit36 Section 7 Preliminary summary38 References42 Chapter 3 Variations of growth stages and precipitation deficit for winter wheat in the Huang-Huan-Hai Plain 46 Section 1 The data collection and methods 48 1.The data resource48 2.The calculation methods48 Section 2 Variations of winter wheat growth stages and its climatic factors50 1.Variations of winter wheat growth stages.50 2.The climatic factors for winter wheat growth stages52 Section 3 The characteristics in the precipitation deficit for winter wheat during the 1970s and early of 21st century53 1.Spatial pattern in precipitation deficit for entire growth stage of the winter wheat53 2.Spatial pattern in precipitation deficit for each growth stage of the winter wheat54 3.The changing reason in precipitation deficit for the winter wheat55 Section 4 Preliminary summary57 References59 Chapter 4 Potential effects of meteorological drought on winter wheat yield based on DSSAT over the Huang-Huai-Hai Plain62 Section 1 Research progress in climatic drought 62 1.The occurrence rules of drought disaster62 2.Meteorological drought indices63 3.The drought indentification methods64 Section 2 Spatio-temporal characteristics in climatic drought for winter wheat64 1.The data collection and methods64 2.Temporal variation in the relative humidity index65 3.Temporal variation in the relative humidity index for winter wheat67 4.Spatial pattern in the frequency of meteorological drought69 5.The characteristics in the meteorological drought and its regional response71 Section 3 Temporal variation in meteorological drought for winter wheat growth stages in typical stations73 1.The selection of typical meteorological stations73 2.The charactertics in the meteorological drought for winter wheat74 3.Temporal variation in the meteorological factors for winter wheat76 4.The main controlling meteorological factors of climatic drought for winter wheat80 Section 4 The potential effect of meteorological drought on winter wheat yield83 1.The calibration for DSSAT model 83 2.The irrigation amount for DSSAT model84 3.Spatio-temporal characteristic in the yield reduction rate87 4.The cumulative probability in the yield reduction rate90 5.The soil content and yield in typical years90 Section 5 Preliminary summary95 References97 Chapter 5 The capacity of drought resistance for winter wheat 100 Section 1 The main controlling factors for growth development and yield for winter wheat100 1.The meteorological factors100 2.The soil condition101 3.The soil content101 Section 2 The data collection and methods103 1.The soil characteristic in selected stations103 2.The meteorological characteristic in selected stations104 3.The growth stages and irrigation requirement for winter wheat in selected stations106 4.Experiment design111 5.The calibration and validation for DSSAT model111 Section 3 The adaptive capacity of winter wheat under cinnamon soil condition114 1.Change of yield for winter wheat with different irrigation114 2.Change of seeds per ear for winter wheat with different irrigation115 3.Change of thousand seed weight for winter wheat with different irrigation116 4.Change of biomass for winter wheat with different irrigation117 Section 4 The adaptive capacity of winter wheat under moisture soil condition118 1.Change of yield for winter wheat with different irrigation118 2.Change of seeds per ear for winter wheat with different irrigation119 3.Change of thousand seed weight for winter wheat with different irrigation120 4.Change of biomass for winter wheat with different irrigation121 Section 5 The comparison of two different soil conditions122 Section 6 Preliminary summary 125 References126 Chapter 6 Water consumption for winter wheat based on SEBAL model in the Huang-Huai-Hai Plain131 Section 1 The actual evapotranspiration estimation131 1.Research progress in crop planting extraction133 2.Research progress in actual evapotranspiration estimation 134 Section 2 Data collection and methods137 1.Meteorological data137 2.Ground truth data137 3.MODIS image139 4.Geographical data 140 5.Crop growth stage data142 6.Actual evapotranspiration estimation method142 Section 3 Winter wheat planting extraction based on multi-temporal remote sensing data145 1.Spectral information database145 2.ISODATA method and spectral matching technique146 3.Spatial patterns of winter wheat147 4.Sub-pixel estimation147 5.Accuracy assessment148 Section 4 Estimation of daily actual evapotranspiration150 1.Net radiation flux estimation150 2.Soil heat flux estimation150 3.Sensible heat flux estimation152 4.Latent heat flux estimation 153 5.Daily evapotranspiration estimation154 6.Error analysis and accuracy assessment155 Section 5 Estimation of actural evapotranspiration for winter wheat157 1.Spatial variation in actural evapotranspiration for winter wheat157 2.The relationship of ETa and NDVI158 3.The relationship of ETa and surface temperature160 4.The relationship of ETa and terrain parameters161 Section 6 Preliminary summary161 References162 Chapter 7 The assessment on the water productivity of winter wheat in the Huang-Huai-Hai Plain166 Section 1 The method of crop water productivity estimation166 1.Application of remote sensing in crop yield rasterizing166 2.Research progress in crop water productivity167 Section 2 Essential characteristics for winter wheat yield169 Section 3 The characteristic of grid yield for winter wheat171 1.The spectral signature for winter wheat in provincial scale171 2.The regression equation172 3.Yield rasterizing for winter wheat173 Section 4 Spatial differentiation characteristics in water productivity175 1.The estimation of water productivity for winter wheat175 2.Spatial variation in water productivity for winter wheat175 Section 5 The key affecting factors for water productivity of winter wheat177 1.The correlation of water productivity with ETa and yield for winter wheat177 2.The correlation between water productivity and precipitation deficit for winter wheat179 3.The correlation between water productivity and water deficit demand for winter wheat180 4.The correlation between water productivity and relative humidity index for winter wheat181 Section 6 The improvement of water productivity for winter wheat182 Section 7 Preliminary summary185 References187 图表目录 图1-1黄淮海平原位置示意图1 图2-1黄淮海平原气象站点分布6 图2-2黄淮海平原4个季节太阳辐射量时序变化特点(1961~2014年)9 图2-3黄淮海平原冬小麦生长季和全年太阳辐射量时序变化特点(1961~2014年)9 图2-4黄淮海平原4个季节太阳辐射量突变特征(1961~2014年)10 图2-5黄淮海平原冬小麦生长季和全年太阳辐射量突变特征(1961~2014年)11 图2-6黄淮海平原4个季节太阳辐射量空间特征11 图2-7黄淮海平原冬小麦生长季和全年太阳辐射量空间特征12 图2-8黄淮海平原4个季节平均气温时序变化特点(1961~2014年)13 图2-9黄淮海平原冬小麦生长季和全年平均气温时序变化特点(1961~2014年)13 图2-10黄淮海平原4个季节最低气温时序变化特点(1961~2014年)14 图2-11黄淮海平原冬小麦生长季和全年最低气温时序变化特点(1961~2014年)14 图2-12黄淮海平原4个季节最高气温时序变化特点(1961~2014年)15 图2-13黄淮海平原冬小麦生长季和全年最高气温时序变化特点(1961~2014年)15 图2-14黄淮海平原4个季节平均气温的Mann-Kendall突变检验曲线(1961~2014年)16 图2-15黄淮海平原冬小麦生长季和全年平均气温的Mann-Kendall突变检验曲线(1961~2014年)16 图2-16黄淮海平原4个季节最低气温的Mann-Kendall突变检验曲线(1961~2014年)17 图2-17黄淮海平原冬小麦生长季和全年最低气温的Mann-Kendall突变检验曲线(1961~2014年)18 图2-18黄淮海平原4个季节最高气温的Mann-Kendall突变检验曲线(1961~2014年)18 图2-19黄淮海平原冬小麦生长季和全年最高气温的Mann-Kendall突变检验曲线(1961~2014年)19 图2-20黄淮海平原4个季节平均气温空间变化特征19 图2-21黄淮海平原冬小麦生长季和全年平均气温空间变化特征20 图2-22黄淮海平原4个季节最低气温空间变化特征20 图2-23黄淮海平原冬小麦生长季和全年最低气温空间变化特征21 图2-24黄淮海平原4个季节最高气温空间变化特征21 图2-25黄淮海平原冬小麦生长季和全年最高气温空间变化特征22 图2-26黄淮海平原4个季节降水量时序变化特点(1961~2014年)23 图2-27黄淮海平原冬小麦生长季和全年降水量时序变化特点(1961~2014年)23 图2-28黄淮海平原4个季节降水量空间变化特征24 图2-29黄淮海平原冬小麦生长季和全年降水量空间变化特征24 图2-30黄淮海平原4个季节潜在蒸散量时序变化特点(1961~2014年)26 图2-31黄淮海平原冬小麦生长季和全年潜在蒸散量时序变化特点(1961~2014年)27 图2-32黄淮海平原4个季节潜在蒸散量的Mann-Kendall突变检验曲线(1961~2014年)27 图2-33黄淮海平原冬小麦生长季和全年潜在蒸散量的Mann-Kendall突变检验曲线(1961~2014年)28 图2-34黄淮海平原4个季节潜在蒸散量空间变化特征28 图2-35黄淮海平原冬小麦生长季和全年潜在蒸散量空间变化特征29 图2-36黄淮海平原降蒸差的季节分布33 图2-37黄淮海平原各站点降蒸差变化倾向率的季节分布34 图2-38亚区春季降蒸差的Morlet小波变换实部等值线图37 图2-39春季降蒸差Morlet小波方差变化曲线38 图3-1黄淮海平原冬小麦生育期变化对比(1971~1980年/2001~2010年)50 图3-2冬小麦生育期内降水亏缺变化空间分布图54 图3-3冬小麦各生育阶段降水亏缺变化空间分布图55 图3-4冬小麦拔节—抽穗期降水亏缺量对影响因素的敏感性格局56 图4-1黄淮海平原气象站点分布图65 图4-2春季(a)、秋季(b)、冬季(c)相对湿润度的区域变化67 图4-3冬小麦生长季内相对湿润度的年际变化68 图4-4冬小麦生长季内相对湿润度的区域变化69 图4-54个季节及冬小麦生长季内不同程度干旱的发生频率70 图4-64个季节(a,b,c,d)及冬小麦生长季(e)干旱发生频率的区域分布71 图4-7黄淮海平原农业亚区及典型站点的分布73 图4-8黄淮海平原冬小麦生育阶段不同程度干旱频率75 图4-9区域品种3H模拟下开花期、成熟期、产量的模拟值与实测值的关系84 图4-10各站点冬小麦拔节—抽穗期与开花—乳熟期水分亏缺量的变化86 图4-11各站点近30年拔节—抽穗期与灌浆期潜在干旱减产率的年际变化87 图4-12各站点拔节—抽穗期(a)与灌浆期(b)的潜在干旱减产率89 图4-13各站点不同处理所导致的粒数(a)与粒重(b)的减产率90 图4-14各站点拔节—抽穗期及灌浆期潜在干旱减产率的累积概率91 图4-15典型年份的受灾面积与黄淮海平原需水关键生育阶段潜在干旱减产率的对比92 图4-162001年莘县冬小麦在4个处理下返青后土壤水分的模拟变化规律93 图4-171998年寿县冬小麦在返青后土壤水分的模拟变化规律94 图4-182001年莘县各处理和雨养产量与1998年寿县的雨养产量的对比94 图5-1两个典型气象站点日平均日照时数变化105 图5-2两个典型气象站点日平均温度变化105 图5-3两个典型气象站点日平均有效降水量变化105 图5-4典型站点生育期长度变化107 图5-5典型站点不同生育阶段需水强度109 图5-6栾城区冬小麦产量变化趋势(不同颜色符号代表不同的冬小麦品种)112 图5-7模拟与实测的冬小麦开花期的对比113 图5-8模拟与实测的冬小麦成熟期的对比113 图5-9模拟与实测的冬小麦产量的对比113 图5-10栾城区不同灌溉水平下冬小麦产量变化趋势114 图5-11栾城区冬小麦灌溉水量与产量的关系115 图5-12栾城区不同灌溉水平下冬小麦单位面积粒数变化趋势115 图5-13栾城区冬小麦灌溉水量与单位面积粒数的关系116 图5-14栾城区不同灌溉水平下冬小麦千粒重变化趋势116 图5-15栾城区冬小麦灌溉水量与千粒重的关系117 图5-16栾城区不同灌溉水平下冬小麦生物量变化趋势117 图5-17栾城区冬小麦灌溉水量与生物量的关系118 图5-18南宫市不同灌溉水平下冬小麦产量变化趋势118 图5-19南宫市冬小麦灌溉水量与产量的关系119 图5-20南宫市不同灌溉水平下冬小麦单位面积粒数变化趋势119 图5-21南宫市冬小麦灌溉水量与单位面积粒数的关系120 图5-22南宫市不同灌溉水平下冬小麦千粒重变化趋势120 图5-23南宫市冬小麦灌溉水量与千粒重的关系121 图5-24南宫市不同灌溉水平下冬小麦生物量变化趋势121 图5-25南宫市冬小麦灌溉水量与生物量的关系122 图6-1气象站点分布图138 图6-2黄淮海平原地面调查点分布138 图6-3遥感影像轨道分布示意图140 图6-4遥感影像处理流程图140 图6-5黄淮海地区DEM高程图141 图6-6黄淮海平原农业亚区分区141 图6-7SEBAL模型技术路线图143 图6-8Monin-Obukhov迭代步骤145 图6-9黄淮海平原作物生长光谱特征146 图6-10黄淮海平原冬小麦空间分布图148 图6-11作物信息提取位置验证149 图6-12作物信息提取总量验证149 图6-13黄淮海平原2011年第97天净辐射量估算151 图6-14黄淮海平原2011年第97天土壤热通量估算152 图6-15黄淮海平原2011年第97天显热通量估算153 图6-16黄淮海平原2011年第97天潜热通量估算154 图6-17黄淮海平原2011年第97天日蒸散量估算155 图6-18估算值与实测值对比156 图6-19估算值与实测值的散点图156 图6-20黄淮海平原冬小麦生长季蒸散量空间分布158 图6-21黄淮海平原冬小麦蒸散量变化空间特征159 图6-22黄淮海平原冬小麦生长季蒸散量与经纬度相关性分析161 图7-1黄淮海平原冬小麦产量矢量分布图171 图7-2黄淮海平原省域尺度的MODISNDVI光谱特征172 图7-3黄淮海平原冬小麦产量栅格图174 图7-4黄淮海平原冬小麦产量变化空间分布174 图7-5黄淮海平原冬小麦水分生产力空间分布176 图7-6黄淮海平原冬小麦水分生产力变化空间分布177 图7-7黄淮海平原2012年冬小麦水分生产力与实际蒸散量和产量的相关关系179 图7-8冬小麦水分生产力与降水盈亏量的关系180 图7-9冬小麦水分生产力与需水盈亏量的关系181 图7-10黄淮海平原2012年冬小麦水分生产力与相对湿润指数的相关关系182 图7-11冬小麦水分生产力潜力提升区域分布183 表1-1黄淮海平原各省(直辖市)农业生产情况3 表2-1黄淮海平原4个季节、冬小麦生长季和全年潜在蒸散量敏感系数及年际变化趋势(1961~2014年)30 表2-2黄淮海平原4个季节、冬小麦生长季和全年潜在蒸散量对气候变化的响应31 表2-3各亚区降蒸差季节分量及其变化率35 表4-1相对湿润度基本特征及年际变化趋势66 表4-2相对湿润度气候干旱等级划分表66 表4-3黄淮海平原季节干旱和冬小麦生长季干旱对气候变化的响应72 表4-4黄淮海平原冬小麦生育阶段相对湿润度的变化特征74 表4-5黄淮海平原冬小麦生育阶段中等程度以上干旱持续时间5年以上的分布状况76 表4-6黄淮海平原冬小麦生育阶段气候要素的年际变化趋势77 表4-7黄淮海平原冬小麦生育阶段相对湿润度与气候要素的相关系数81 表4-8各站点冬小麦品种参数及开花期、成熟期与产量的模拟值与观测值的统计比较85 表5-1褐土区和潮土区表层土壤理化性状104 表5-2冬小麦生育期日数变化趋势106 表5-3典型站点冬小麦生育期长度年际变化107 表5-4冬小麦不同生育阶段各气象要素的气候倾向率108 表5-5冬小麦不同生育阶段灌溉需水量变化趋势109 表5-6冬小麦不同生育阶段灌溉需水量百分比变化趋势110 表5-7不同灌水处理试验设计111 表5-8典型站点冬小麦品种遗传参数112 表5-9模拟与实测的冬小麦生育期和产量的均方根差114 表5-10不同灌水条件下冬小麦产量及其构成因素的变化122 表5-11不同灌水条件下冬小麦灌溉水利用效率(WUEi)的变化124 表6-1MODIS产品的基本信息139 表6-2农业亚区作物生育期信息142 表6-3黄淮海平原冬小麦蒸散量与NDVI相关分析159 表6-4黄淮海平原冬小麦蒸散量与地表温度相关分析160 表7-1黄淮海平原冬小麦产量的基本特征170