摘要
小麦是全球播种面积、分布范围和产量最高的三大粮食作物之一。华北平原是我国的粮食主产区之一，该地区的大宗作物高产稳产对保障全国粮食供应以及中国粮食在国际上的市场竞争力有着举足轻重的影响。一般来说，粮食增产的基本途径包括提高单产水平和扩大播种面积，当前在耕地面积难以增加的条件下，必须从挖掘现有土地的增产潜力入手。土地的增产潜力不仅与土地的潜在生产能力上限有关，还取决于其已经开发利用的程度（即实际产量），二者间的差值即表示增产潜力。由于我国耕地资源有限，开发利用强度相对较高，因而中低产田改造已成为我国提升粮食生产能力、增加粮食产量的主要手段。因此，本文聚焦华北平原中低产田的识别、生产力水平的时空格局分析和增产潜力诊断研究，有望为种植结构调整与国家粮食贸易策略等政策的制定提供理论和方法支撑。 利用MODIS和Landsat的融合数据及遥感决策树分类法，本文对华北平原冬小麦的空间分布进行提取，在改进动态阈值法的基础上对关键物候期进行识别，利用尺度可变的基于卫星的作物产量空间制图(Scalable Satellite-based Crop Yield Mapper,SCYM)方法对华北平原冬小麦进行估产研究;利用冬小麦产量时空数据集，在综合考虑高产性和稳产性的基础上，对冬小麦生产力进行评价，然后利用遥感方法和作物模型模拟方法对冬小麦理论和现实增产潜力进行评价，分析影响增产的限制因素，并提出相应提高生产力缩减产量差的对策与措施。主要研究结论如下: (1)定量刻画了2001-2015年华北平原冬小麦的播种面积呈现“南增北减”的空间格局特征，冬小麦播种面积逐渐向南部集中，面积净增量河南省居首，山东省冬小麦播种面积在2001-2005年出现收缩，之后连续增长;同时冬小麦播种面积收缩地区主要集中于华北平原北部地区，尤其以河北沿海地区和黄河三角洲地区最为显著。 (2)通过华北平原冬小麦的关键物候期制图，揭示了其空间分布和时间变化特征的显著性。由于南北温度条件差异，冬小麦的返青期、抽穗期和成熟期均呈现由南向北逐渐延后的趋势;相较于抽穗期和成熟期，冬小麦返青期在部分地区出现了较为明显的推迟现象，2001-2015年华北平原22.55％的冬小麦种植区域返青期发生显著和极显著推迟，只有不到0.5％的地区返青期提前，大部分区域变化不显著。 (3)在基于遥感植被指数的冬小麦估产研究中绿色叶绿素植被指数(GCVI，Green Chlorophyll Vegetation Index)表现最佳，增强植被指数(EVI，Enhanced Vegetation Index)次之，归一化植被指数(NDVI，Normalized Vegetation Index)最差。非线性机器学习方法表现整体优于线性模型，其中LightGBM方法表现最佳，随机森林(RF)法次之。基于综合植被指数、气象和物候信息的变量组合的冬小麦估产表现最佳。研究还发现，冬小麦抽穗期后到成熟期间的平均日最高温对估产精度提升有重要贡献，增加物候信息的同样也可提升估产精度。 (4)华北平原冬小麦单产表现出显著的增长趋势，从总体来看，各研究时段冬小麦单产均表现出较强的全局空间自相关性，冬小麦单产的分布存在较强的空间集聚效应，即冬小麦高产地区的相邻地区冬小麦单产也较高，冬小麦较低产地区的周围地区冬小麦单产也较低。随着时间推移，高-高聚集区的范围逐渐收缩集中，主要表现为北部的高产聚集区缩减，南部的高产聚集区则出现由核心周口市向四周扩张的趋势，南部的低产聚集区逐渐缩小，平原中部和北部地区的低产聚集区逐渐增加。华北平原冬小麦种植区冬小麦高、中、低生产力的分布格局具有明显的空间特征，高产田面积有限(17.74％)，仍有相当大比例的中低产田存在(82.26％)。 (5)华北平原冬小麦的产量整体上仍有较大提升空间，超过90％的像元冬小麦潜在增产比率大于10％，其中增产比率大于50％的仅有2.47％。研究发现基于像元尺度的冬小麦潜在增产比率在空间上分布较为均匀，不存在明显的集聚特征。在华北平原区域尺度上，基于2013-2015年的平均状况，华北平原冬小麦单产的加权平均值为6.81t·ha-1，平均潜在产量为7.69t·ha-1，单产增产潜力为0.88t·ha-1，潜在增产比率为12.92％。基于历史最高产量计算的华北平原冬小麦总产量增产潜力可达2269.38万吨，而基于APSIM作物模型计算的理论可达总产量增产潜力为4346.11万吨，华北平原冬小麦现实总产增产潜力约为理论值的50％。 结合冬小麦生产力分区结果，华北平原北部低生产力区是今后冬小麦单产继续提升的重点后备地区，节水农业是重要的发展方向。而平原中部和南部中高产田单产继续提升的潜力相对较高，发展资源高效、高产稳产农业是其重要发展方向。从区域总产增产潜力来看，中高生产力水平地区是今后华北平原冬小麦增产潜力的最关键地区。
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