人民胜利渠灌区净灌溉需水量时空变异及影响因子分析

为了揭示人民胜利渠灌区农业净灌溉需水量的变化规律,明确作物种植面积、降水以及潜在蒸散量对农业净灌溉需水量的影响程度,利用面向对象的变化检测方法提取人民胜利渠灌区作物种植面积信息,基于土壤水分动态随机模型构建农业净灌溉需水量计算模型,并对主要环境因素进行敏感性分析。结果表明:2005-2015年人民胜利渠灌区农业净灌溉需水量介于5.76×10~8~6.97×10~8 m~3之间,呈波动变化,西南、东北地区农业净灌溉需水量较高;潜在蒸散量是该灌区净灌溉需水量变化的决定性因素,敏感性变化幅度为22.5%,降水参数影响其次,日降水频率贡献率更大,敏感性变化幅度为-16.4%,作物种植面积对其影响较小,敏感性变化幅度在5%以下。研究结果对人民胜利渠灌区农作物种植结构调整和农业用水量合理配置具有参考意义。     

基于异源多时相遥感数据提取灌区作物种植结构

用遥感技术提取灌区作物种植结构需要源影像具有适宜的时空分辨率以适应其动态变化特征。该文综合运用多种遥感影像数据,将Landsat ETM+与MODIS NDVI数据融合区分灌区土地利用类型,由融合后的时间系列数据非监督分类结果提取植被指数变化信息,结合作物系数变化规律运用光谱耦合技术提取作物种植结构。根据该方法将漳河灌区作物种植结构区分为水稻—油菜、水稻—小麦、单季夏季作物以及双季经济作物。由地面统计数据和高分辨率IKONOS影像进行了检验,分类精度达到91%并且与统计数据相吻合。结果表明该法不仅能提供更为准确的灌区作物种植结构时空信息,而且节省影像购买成本,方便灌区尺度遥感应用。     

基于GEE和机器学习的河套灌区复杂种植结构识别

河套灌区作为中国重要的商品粮油生产基地,准确快速地获取主要作物空间分布对灌区的农业可持续发展具有重要意义。然而,河套灌区土壤盐渍化严重,作物分布破碎散乱,生育期前后紧邻的作物在遥感影像中难以区分。因此,基于Google Earth Engine（GEE）云计算平台,采用Sentinel-2遥感数据提取作物种植结构,通过引入GlobeLand30地物分类数据集、红边植被特征和作物纹理特征,利用随机森林、支持向量机、朴素贝叶斯和分类回归树4种分类器,探讨了不同分类特征及分类器组合对分类精度的影响。结果表明,使用全部特征波段时,随机森林的分类效果优于另外3种分类算法,灌区平均总体精度达到81%,Kappa系数达到0.68;在作物空间分布提取中,光谱特征对分类精度起决定性作用,基于红边波段计算得到的植被指数比其他常用遥感植被指数更有优势;进行波段优选后的光谱、植被和纹理特征方案是平均分类精度最高的组合,平均精度为86%。研究结果可为复杂种植结构地区准确快速获取农作物空间分布信息提供新的思路和可靠的参考方法。     

基于MODIS时序数据的Landsat8影像选取及面向对象分类方法的农作物分类

利用遥感技术进行农作物分类,可近实时地获取各种农作物种植的空间分布状况,对于农业生产管理和农业政策制定等都具有十分重要的意义。为避免单时相遥感影像存在同物异谱、同谱异物的现象,提高以往基于MODIS数据提取农作物分布方法的精度,改善传统分类方法存在椒盐噪声及分类效率低的缺点,本文基于MODIS NDVI时间序列曲线,确定作物识别的最佳时段,结合辐射分辨率较高的多时相Landsat8 OLI影像,采用面向对象的分类方法,充分利用物候特征及光谱信息区分作物类别,并在黑龙江省重点产粮区-北安市进行应用,获得北安市各类农作物的空间分布信息。地面调查验证结果表明,该农作物类别识别方法分类效果较好,总体精度达90.7%,kappa系数为0.88。研究结果说明,基于多时相Landsat 8 OLI影像及面向对象分类的方法,并结合MODIS时间序列数据,可以高效、精确地提取农作物信息,应用潜力巨大。     

基于时间序列叶面积指数傅里叶变换的作物种植区域提取

为了获取不同农作物的空间分布信息,以华北平原黄河以北地区为研究区域,利用Savitzky-Golay滤波对2014—2016年的时间序列叶面积指数(leaf area index,LAI)进行重构,进而应用一阶差分法和重构LAI的傅里叶变换的谐波特征对研究区域主要农作物冬小麦、玉米和棉花种植区域进行识别和提取,并对不同作物的识别精度进行验证。结果表明,基于Savitzky-Golay滤波重构的LAI能够去除由云、大气等因素造成的LAI骤降的影响,重构LAI曲线平滑且符合作物的生长规律特征。研究区域2014—2016年作物识别的总体精度均大于80.00%,2015年达到87.08%,冬小麦-夏玉米、春玉米、棉花和单季夏玉米的识别精度分别为92.50%、80.00%、85.00%和82.50%,表明利用一阶差分法能够准确提取研究区域一年一季和一年两季作物种植区域。结合傅里叶变换方法和作物物候信息能够有效地识别不同作物的种植区域,进而获取研究区域主要农作物的分布信息。该研究可为研究区域主要作物的长势监测及产量估测预测提供参考。     

基于多时相遥感信息的中国农业种植制度空间格局研究

多熟种植是中国重要的种植制度，对保持和增加粮食产量和促进农村经济发展有重要意义。复种指数受自然条件和农村社会状况的影响处于不断变化之中，及时获取其变化信息对估计粮食产量变化及其原因和农业发展科学决策有非常重要的意义。中国地域辽阔，作物种植制度复杂多样，传统的统计方法不能及时满足政府获取种植制度变化的要求。卫星遥感是探测大尺度土地覆被格局及变化最有效手段，因此可以作为获取区域和全国尺度作物复种指数的一个重要途径。该研究探讨了应用多时相遥感数据定量表达全国种植制度信息提取的方法及可行性，采用峰值特征点检测法结合作物生长季相特征及农田管理特点(播种和收获)提取了中国农田的多熟种植信息，并与统计数据的复种指数进行比较验证，为进一步进行农业种植制度变化研究奠定了基础。     

基于气候背景的作物种植条件综合评价概念模型及其应用——以内蒙古巴彦淖尔河套灌区为例

为更好地适应气候变化大背景下作物种植条件变化,对各地区的作物种植条件进行综合评估已迫在眉睫。本研究应用层次分析法,基于天气学、气候学和农业气象学等原理,结合地方生态和经济发展需求,选取气候资源、灾害防御、种植配套条件3大类准则层,并选定包括光照资源、热量资源、水资源、空气质量、气象灾害、病虫害以及土壤条件、地理环境、基础设施、管理制度等相关14类小项指标,设计作物种植条件综合评价体系框架;然后通过统计分析设定14类小项指标评分细则,最终构建作物种植条件综合评价概念模型。并利用所构建的概念模型对内蒙古巴彦淖尔河套灌区主要作物种植条件进行综合评价应用试验。评估结果显示:巴彦淖尔河套灌区光照资源充足、热量资源较稳定、气候适宜度高、灌溉条件优异,春小麦、玉米和向日葵等主要作物关键生长期综合日照保证率、综合积温保证率、综合气温适宜保证率均高达85%以上,水分保证率100%,气温日较差较大,空气质量优良,灌区土壤肥沃;高温、大风、冰雹、暴雨等主要气象灾害及病虫害发生频率低,预报与防御能力较强;自然、地理、人文、政策等各类资源配置优势突出,综合分析评价得出该地区作物种植条件为Ⅰ级优良。综合分析可见,本概念模型选取的指标之间既相互联系又相互独立、具有层次性和结构性,是能定量反映区域气候系统和相关配套条件所构成的有机整体;指标获取便捷、可操作性好,评估结果可靠性良好,可推广于不同地区或不同作物的种植条件综合评价,为实现农业的生态化、可持续性发展保驾护航。     

北京市主要农作物水分利用的系统参数评价

以北京市顺义区典型平原灌溉农田和延庆县典型山区旱作农田为研究对象,依据田间试验数据、气象统计资料,采用农户调查和数学模型等方法,从作物的降水满足率、需水和降水耦合度、水分生态适应性、水分利用率等方面对北京市主要农作物水分利用情况进行系统分析。结果表明:北京市主要农作物水分生态适应性指数排序依次为:灌区夏大豆>灌区春大豆>旱作春大豆>旱作春谷子>灌区夏玉米>灌区春玉米>旱作春玉米>旱作马铃薯>旱作苜蓿>灌区水稻>灌区苜蓿>灌区冬小麦,水分利用效率排序依次为:灌区苜蓿>旱作春玉米>旱作苜蓿>灌区春玉米>旱作春谷子>旱作春大豆>灌区春大豆。     

基于遥感反演河套灌区土壤盐分分布及对作物生长的影响

土壤盐渍化信息是评价灌区节水的生态环境效应的重要指标。该文主要研究内蒙古河套灌区土壤盐分空间分布及对作物生长的影响。于2015年4—8月在全灌区布设了281个监测点,开展了灌区尺度的逐月土壤盐分、作物生长等野外系统的采样工作,并结合开展了基于Landsat OLI数据的土壤盐分反演,分析了土壤盐分的时空分布特征及其与灌溉、地下水埋深间的关系,探讨了土壤盐分含量对作物生长的影响。结果表明,基于遥感反演的土壤盐分空间分布与样点分析的土层含盐趋势基本一致,二者相关系数高达0.87;结合样点分析与遥感反演可得出重度盐化土和盐土占灌区面积的14%左右,呈零散的斑状分布,主要受灌溉、排水条件及地下水埋影响;当地下水埋深在2.0 m以下时,土壤表层及其主根区含盐量基本在0.20%以内;土壤含盐量对种植结构、作物叶面积指数、株高和产量均有明显影响,对叶面积指数和产量的影响更为明显;向日葵则因耐盐性强而广泛种植于高含盐区,而玉米高产田的根区盐分基本均在0.05%~0.20%之间。研究结果可为河套灌区的盐渍化防治、水土资源的科学管理及农业生产提供参考。     

黄河下游地区表层土壤盐分对作物产量的影响

应用地质统计学原理与方法，描述了黄河下游地区表层土壤盐分及相应作物产量的空间与时间变化分布趋势及特征，统计分析了不同土、水、肥组合条件下表层土壤盐分对夏玉米和冬小麦产量的影响。分析结果表明，表层土壤盐分及作物产量在周年内表现出相反的空间分布状况和相近的时间变异分布趋势。作物产量的空间分布明显受到表层土壤盐分空间分布趋势的影响，表层土壤含盐量和作物产量在灌区上、下游的分布状态相对稳定，而在中游的变化却呈现出各自明显的季节性差异。不同土、水、肥组合条件下，表层土壤盐分状况对冬小麦产量的影响较大，表层土壤盐分给定时，在相近的施肥水平下，灌溉条件对冬小麦产量的影响较大，而相近的灌溉条件下，不同施肥水平则对两种作物的产量均有明显的影响。研究成果可为灌区制定合理的农田水土管理策略和作物种植模式提供参考。     

土壤墒情实时监测与精准灌溉系统的设计

为了及时、准确地给作物提供适宜的土壤水分条件,该研究利用拥有自主知识产权的土壤水分传感器、数据采集控制模块、数据传输模块、管道流量计等硬件以及自己编制的土壤墒情监测与精准灌溉控制软件,以灌溉小区为管理单元,布置土壤水分传感器与灌溉设备,实现了自动获取土壤含水量信息,根据作物不同生育期的适宜土壤水分上下限确定自动或手动启动、关闭灌溉系统;通过固定式喷灌、滴灌和渗灌方式,将水直接输送到作物根部,满足作物各生育期对水的需求,从而达到节约用水,提高产量,改善作物品质的功效。运行结果表明,该系统运行稳定、可扩展性强、低成本维护,其相对偏差与传统方法相比不到5%,是有效和适用的工具。     

基于径流曲线数模型的江淮丘陵区塘坝复蓄次数计算模型

针对江淮丘陵区塘坝体系复蓄次数计算问题的重要性与复杂性,提出运用SCS模型处理塘坝灌区无资料水文模拟计算问题,构建了塘坝灌区降雨径流模拟模型,并依据Penman-Monteith公式计算了各典型作物的需水量,进而实现了对江淮丘陵区塘坝灌溉系统的水量平衡分析,合理地推算了塘坝系统复蓄次数,找出塘坝灌区现状灌溉体系中存在的问题,可为江淮丘陵区塘坝工程规划、种植结构调整以及灌溉制度的确定提供理论支撑,具有明显的实际指导意义和重要的推广应用价值。     

节水灌溉管理与决策支持系统

基于灌区灌溉用水过程的复杂性和实时性,研制了节水灌溉管理与决策支持系统软件。系统根据采集到的气象、土壤水分、作物、水资源状况等信息,运用作物系数法进行作物需水量的计算,根据土壤墒情决策模型,作出灌溉预报,确定精确的灌溉时间和最佳灌溉水量,利用决策结果对灌溉设备进行自动控制与监测,从而达到高效、节水的目的。该系统不仅具有数据录入、编辑、查询、统计、输出等信息处理功能,而且能够根据采集到的信息为灌区管理和用水户提供灌溉优选和水资源优化分配的决策支持,制定精细灌溉的作业方案。该系统立足田间,面向农户,可以为用户提供节水灌溉模式咨询、具体方案优选、指导灌区优化灌溉等功能,具有较强的推广应用价值。     

基于主成分分析和Copula函数的灌溉用水效率评价方法

灌区灌溉用水效率评价,对推行最严格的水资源管理制度具有重要意义。该文在构建评价指标体系的基础上,尝试将Copula函数应用于灌溉用水效率评价。针对多元变量导致Copula函数参数求解困难的问题,采用主成分分析法(principal component analysis,PCA)提取主成分因子,形成新的指标体系,从而建立PCA-Copula评价方法,对灌溉用水效率进行综合评价。对7个灌区灌溉用水效率为例进行评价,从灌区地形地貌、规模大小、供水类型、降雨多少、作物结构以及灌溉成本几方面分析评价值的影响因素。根据各灌区灌溉水有效利用系数的高低,经过Spearman等级相关系数检验,表明PCA-Copula评价方法的评价结果与熵值法以及突变理论评价方法的结果排序相差不超过2个名次的比例为100%,评价结果具有一致性,能够客观反映灌区灌溉用水效率的高低。同时,PCA-Copula评价方法的评价值在0~1之间分布均匀,最大差值为0.622,明显高于另外2种方法,且相邻排序的综合评价值梯度明显,有利于更直观地区别灌区灌溉用水效率的高低。     

河网区灌溉水利用系数的尺度转换

大尺度灌区灌溉水利用系数的测定条件难以保障,而小尺度灌区的灌溉水利用系数可以通过试验测定,如何通过小尺度灌区的灌溉水利用系数来预测大尺度灌区的灌溉水利用系数,就有必要对灌溉水利用系数的尺度转换问题进行研究。河网灌区的特点是没有统一的水源引水口,通常是由若干个小灌区合并成一个大灌区,是一个典型的自相似系统。论文以地处里下河水网地区的盐城市水稻灌区作为研究对象,于2012-2013年对9个县区不同规模的样点灌区进行了灌溉水利用系数的试验观测,利用分形理论研究了河网灌区的分形特征,运用盒维数法计算了盐城市河网灌区和不同尺度灌区的盒维数,其盒维数介于1.703~1.996之间,并随着面积尺度的增加而增大。基于灌溉水利用系数与灌区面积、盒维数的相关性,建立了河网灌区灌溉水利用系数尺度转换模型,并通过验证,表明该尺度转换模型能够较好地预测河网灌区灌溉水利用系数,同时也能够很好地实现灌溉水利用系数的尺度转换,为分析河网灌区灌溉水利用系数及其尺度效应提供了新途径。     

基于TM影像的河套灌区区域蒸散发研究

通过对遥感数据进行分析,采用非监督分类法对影像进行分类,最终得到灌区土地分类及耕地种植结构。利用高分辨率IKONOS影像对分类结果进行精度评估,证明TM影像应用于灌区尺度土地利用分类具有较高的精度,能有效克服人为因素的影响,较为准确地提取灌区耕地种植面积及其空间分布。利用SEBAL模型对蒸散发进行反演,反演结果与实测值误差在允许范围内。研究结果可为河套灌区用水量研究提供新的方法。     

内蒙古河套灌区荒地水盐运移规律模拟

该文以内蒙古河套灌区为背景展开荒地水盐运移规律研究。在田间试验基础上,分析荒地土壤水盐的运移机理,利用HYDRUS-1D模型对荒地土壤水盐的迁移规律进行了模拟。荒地做为灌区盐分的贮存地,成为灌区水盐平衡的重要调节因素,荒地水盐动态研究对于干旱灌区具有重要意义。结果表明,强蒸发是荒地水盐运移的原动力,5 cm土层EC值上升了66.10%,20 cm土层EC值上升了63.89%。荒地在作物生育期是积盐的过程,在秋浇期是流失盐分的过程。经检验,HYDRUS－1D模型对盐渍化地区荒地水盐在垂直方向运移的模拟具有较高的精度,为区域水盐管理和灌区的可持续发展提供科学依据。     

膜下滴灌玉米番茄间作农田土壤水分分布特征模拟

间作种植和覆膜滴灌是实现高产和节水的重要技术,已被广泛应用,而掌握覆膜滴灌条件下间作种植农田土壤水分分布特征对于提高水分利用效率以及增产增收都具有重要意义。该文通过2a田间试验设置高(T1)、中(T2)、低(T3)3个灌水定额处理,并通过HYDRUS2D模型模拟了间作滴灌农田不同位置土壤水分的差异性、水平水量交换以及土壤水分二维分布特征。结果表明:基于HYDRUS2D构建的间作种植滴灌农田土壤水分模型精度较高,平均相对误差为5.72%～8.14%,决定系数在0.85～0.90,均方根误差在0.017～0.023 cm~3/cm~3。对于3个灌水处理皆表现为0～40 cm土层含水率出现差异,且在0～20 cm土层含水率差异显著,2014年番茄侧和玉米侧土壤含水率在3个灌水处理下的平均土壤含水率分别较裸地高20.17%和17.83%,2015年为16.02%和12.99%。间作滴灌农田土壤水平水量交换强烈,生育期水流主要由作物侧流入裸地侧,其中对于3个灌水处理在番茄侧0～40 cm土层净流入裸地的平均水量是玉米侧的1.3倍,约为60mm/a,并且0～40cm土层由作物侧流入裸地的水量是40～100cm土层的2.5倍。二维土壤水分分布显示,滴灌湿润体与作物根系分布匹配性较好,灌水后1d湿润饱和区主要集中在0～30cm土层,其中T1、T2、T3处理的饱和区面积分别为559.14,288.61和109.78 cm~2。灌水2 d后,低灌水处理(T3)存在较明显的水分亏缺,缺水区面积是充分灌溉(T1)的30倍。研究结果可为间作滴灌农田制定灌溉制度提供参考。     

温室封闭式栽培自适应灌溉方法

为了改进和提高温室封闭式栽培精细灌溉控制方法,针对利用Penman-Monteith(P-M)公式和传感器数据信息相结合进行灌溉控制中因为涉及参数较多而使用不便、需要近似计算导致建立的作物蒸腾模型精度不够等问题,该文根据封闭式栽培可以回收并循环利用多余灌溉水的特点,利用灌溉量与排出量的差值和温室小气候环境数据建立相对精确的作物蒸腾量计算模型,并在此基础上利用人工神经网络算法实现了温室封闭式栽培自适应灌溉控制,结果表明,在10 d内灌溉用水量为实际蒸腾量的97.8%,基本实现了按照作物需水量进行灌溉。研究对于实现按照作物蒸腾量进行准确的水分供给、节约灌溉用水量、提高水分利用效率具有一定的现实意义。     

不同灌溉方式和作物类型对西北干旱区耕地土壤盐渍化的影响

土壤盐渍化是西北干旱区耕地发展的主要限制因素之一。近10年来,新疆石河子垦区耕地的灌溉方式和作物类型都发生了很大的变化,并对耕地土壤的盐渍化产生了影响。为此,基于不同作物类型、不同灌溉方式下典型耕地地块的实验数据,采用配对T检验、曼-惠特尼U检验等统计分析方法,研究了垦区灌溉方式和作物类型对耕层土壤盐分的影响。结果表明：（1）漫灌相对于滴灌来说,会降低土壤耕层的总含盐量,但是却使得耕层表层盐分积聚;漫灌条件下盐分在水平方向分布比较均匀,而滴灌条件下其分布离散程度较高。（2）作物类型对土壤耕层总含盐量及盐分在耕层土壤中的水平和垂直分布影响均不显著,短期的作物改种（棉地改为玉米地）对土壤耕层盐分含量没有明显影响。