基于无人机遥感的玉米水分利用效率与生物量监测

玉米生物量及水分利用效率是反映作物长势和作物品质的重要指标。为实现农业精准管理,本文以不同水分处理的青贮玉米为研究对象,探讨无人机多光谱遥感平台结合作物生长模型估测青贮玉米生物量及水分利用效率的可行性。首先,将基于高时空分辨率无人机多光谱图像估测的关键作物参数蒸腾系数k_t输入到简单的水分效率模型中,来拟合不同水分胁迫处理下玉米水分利用效率WUE和标准化水分利用效率WP*;然后,采用拟合的WUE、WP*估算相同水分和不同水分状况下的玉米生物量,并进行验证;基于高时空分辨的无人机多光谱遥感图像获取了大田尺度上的WUE、WP*和生物量的空间分布图。结果表明,基于无人机多光谱、气象和土壤水分数据计算的实际蒸腾量∑T_c,adj和∑k_tk_swk_st(k_sw、k₉st)为环境胁迫因子)与玉米生物量具有极显著(P <0.001)的相关性,不同水分处理下WUE的决定系数R²均不小于0.92,WP*的R²...     

基于SEBAL模型的宁夏蒸散发遥感估算

宁夏地处干旱半干旱地区,地表蒸散发较为强烈,目前对于区域尺度蒸散发的反演是一大难点,常见的蒸散发产品分辨率较低。基于SEBAL模型对宁夏地区地表蒸散发进行了反演,并采用现有数据集对其估算精度进行了验证,结果发现,利用P-M模型和气象站水面蒸发数据验证,相关系数R²的平均值都保持在0.80和0.79以上,利用MOD16蒸散量产品验证,得到R²的平均值保持在0.90以上,均方根误差的平均值为1.03,偏差的平均值为1.76;宁夏地表蒸散量时空变化特征,在空间上,基本呈现为北部平原向南部山区增加趋势特征,在时间上,2001-2021年蒸散量整体呈上升趋势;分析不同土地利用类型地表蒸散量的分布规律,不同土地利用类型地表蒸散量的能力大小依次为：林地>耕地>水域>草地>城市建设用地>裸地,蒸散量均值依次为10.18、8.18、8.12、7.83、7.70、7.48 mm/d。研究结果表明,基于SEBAL模型反演得到的地表蒸散量有较高的精确度,同时该结果具有较高的分辨率以及在干旱半干旱地区有更广的适用性。     

基于遥感技术的区域蒸散发计算方法综述

利用遥感技术计算区域尺度蒸散发是一种非常可行的手段。通过总结遥感蒸散发模型国内外研究现状,根据各模型建模理念、内在机理等,对基于遥感技术的区域蒸散发计算方法进行了梳理;另外,结合目前研究现状,对遥感蒸散发模型当前研究的热点问题进行了总结和归纳,认为时空尺度转换、下垫面特征参数反演、模型结果检验等仍是当前遥感蒸散发研究领域亟待突破的攻坚点。同时,以良好的物理基础为背景,模拟SPAC系统中能量、物质交换过程,利用遥感技术确定地表关键参数的区域蒸散数值模型建立将是今后的发展方向之一。     

农业节水的科学基础

农业节水的核心问题是提高水分利用率和水分利用效率。重点阐述了提高田间水平的水分利用率和水分利用效率的有关理论。特别从叶片水平、群体水平、产量水平３个不同层次详细论述了作物水分利用效率与环境因子关系的理论,以及从理论出发得出的提高不同层次作物水分利用效率的可能途径。强调农业节水的科学基础是一个涉及多学科的综合理论体系,农业节水的措施也应该是建立在这一综合理论体系上的综合技术体系。最后,对为加强农业节     

一种简化蒸散发遥感反演模型及其在灌区的应用

提出简化的地表能量平衡模型(SSEB)将站点作物蒸散发量递推到整个灌区。首先由气象观测资料计算作物潜在蒸散发量,结合Landsat ETM+60 m热红外波段反演的地表温度差异把站点单日ET扩展到灌区,再融合ETM+和MODIS 1 km热红外时间系列数据,进一步提取全年灌区尺度蒸散发分布图。用湖北漳河灌区2000年的影像资料,将SSEB与SEBAL模型计算结果进行对比,结果表明,二者的决定系数R2达到了0.89。漳河灌区蒸散发主要来源于二、三干渠,年总蒸散发量中,作物蒸发蒸腾占67%,林地蒸散发占17%,水面加上裸地等其它用地的无效蒸散发占16%。     

基于遥感多参数和CNN-Transformer的冬小麦单产估测

为了提高冬小麦单产估测精度,改善估产模型存在的高产低估和低产高估等现象,以陕西省关中平原为研究区域,选取旬尺度条件植被温度指数（VTCI）、叶面积指数（LAI）和光合有效辐射吸收比率（FPAR）为遥感特征参数,结合卷积神经网络（CNN）局部特征提取能力和基于自注意力机制的Transformer网络的全局信息提取能力,构建CNN-Transformer深度学习模型,用于估测关中平原冬小麦产量。与Transformer模型（R2为0.64,RMSE为465.40kg/hm2,MAPE为8.04%）相比,CNN-Transformer模型具有更高的冬小麦单产估测精度（R2为0.70,RMSE为420.39kg/hm2,MAPE为7.65%）,能够从遥感多参数中提取更多与产量相关的信息,且对于Transformer模型存在的高产低估和低产高估现象均有所改善。基于5折交叉验证法和留一法进一步验证了CNN-Transformer模型的鲁棒性和泛化能力。此外,基于CNN-Transformer模型捕获冬小麦生长过程的累积效应,分析逐步累积旬尺度输入参数对产量估测的影响,评估模型对于冬小麦不同生长阶段的累积过程的表征能力。结果表明,模型能有效捕捉冬小麦生长的关键时期,3月下旬至5月上旬是冬小麦生长的关键时期。     

基于遥感数据的灌区水分利用效率估算与分析

水分利用效率（WUE）是灌区生态环境保护和重建的重要依据。综合采用非线性最小二乘法、变异系数、相关系数、Mann-Kendall检验、Morlet小波分析和启发式分割算法等方法,研究了1985-2015年宁夏青铜峡灌区的WUE特征。结果表明：(1)灌区年均WUE为0.96 g/kg,WUE空间分布呈现出较强的空间异质性,总体呈现西高东低的特征;存在波动逐年上升趋势,WUE年际变化与ET有明显的负相关性,与TMP有明显的正相关性。(2)灌区WUE年内变化与ET、NPP、TMP和PRE均呈现正相关性,其中TMP的正相关系数更高。(3)总体来说,因为大量的生态恢复和重建工程,宁夏青铜峡灌区的生态系统的生产力有所提高,在一定程度上改善了灌区的生态状况,未来灌区生态系统的WUE会持续上升。     

基于SEBAL模型和Landsat-8遥感数据的农田蒸散发估算

【目的】及时准确地获取农田蒸散发量,为科学管理农田灌溉、精准估算作物产量和预报土壤水分动态、合理开发水资源等提供有效依据。【方法】以广利灌区为研究对象,基于SEBAL模型利用Landsat-8数据对研究区域农田蒸散发进行估算,通过地表参数计算净辐射通量、土壤热通量和感热通量,利用余项法求得潜热通量及瞬时蒸散发。假定24 h内蒸散比不变,由瞬时蒸散发扩展到日蒸散发量,最终求得研究区的日平均蒸散发量,将模型计算结果与彭曼公式进行了对比,同时结合灌区提供数据对计算结果进行了验证。【结果】彭曼公式计算2014年5月6日和2015年9月14日蒸散量与实测结果相差分别为5.2%和9.4%,SEBAL模型估算得到2014年5月6日和2015年9月14日的日蒸散量与灌区提供日蒸散量相差4.5%、6.0%,且冬小麦及夏玉米蒸散发在空间上存在一定的差异性,主要集中在灌区中部区域及西南区域。【结论】SEBAL模型计算结果具有较高的精度,而且方法相对快捷高效。     

基于DNDC模型的北京市大兴区冬小麦农业用水效率

为了阐明大兴区冬小麦农业用水效率时空变化趋势, 基于近10 a大兴区冬小麦产量统计值和遥感ET值, 构建了冬小麦脱氮-分解作用模型(DNDC模型), 验证了DNDC模型在区域冬小麦水分生产率方面的适用性.结果表明:点位模拟与验证中,冬小麦产量和ET值模拟效果较好,相对误差均小于4.20%,作物水分生产率WP点位模拟值分别为1.91和1.75 kg/m³.区域模拟与验证中,不同土壤区冬小麦产量及ET不尽相同,但总体趋势保持一致,产量随降雨量变化较大,2008年产量达到最大.2007-2016年产量统计平均值为5 227 kg/hm²,产量模拟平均值为4 845 kg/hm²;同期区域冬小麦ET模拟平均值为381.74 mm,遥感平均值为392.66 mm,产量和ET平均相对误差小于13%.2007-2016年WP模拟值为1.10~1.62 kg/m³,平均值为1.27 kg/m³,统计值为1.15~1.62 kg/m³,统计平均值为1.34 kg/m³.     

基于实地调研的云南省农业用水效率模式与途径探讨

粗放的经济发展方式对水资源的破坏,以及经济社会的快速发展对水资源的需求,是造成我省水资源危机的两个原因。农业灌溉水利用系数是集中反映灌溉工程和管理水平的一项综合指标,通过对我省较有代表性的州市的农业灌溉用水效率进行实地调研,提出我省目前农业灌溉用水效率方面存在的问题,探讨提高农业用水效率的模式与途径。     

灌区尺度作物水分利用效率指标研究

在对灌区来水、作物产量和作物需水量尺度分析的基础上,研究了灌区尺度作物水分利用效率指标,结果表明,冬小麦、夏玉米、棉花不同的生育期对采用哪种水分利用效率指标有直接影响;灌溉、降雨、地下水补给等资料较全时,3种作物都采用WUEET;无降雨资料时,冬小麦可选用WUEi近似代替WUEET;正常年份,夏玉米的WUEP0就是WUEET,干旱年份且需夏灌时,夏玉米WUEET由有效降雨量与灌溉量共同产生;棉花不能用WUEi或WUEP0中的任何一种指标反映其真实的水分利用效率,而只能用WUEET确定。     

黑龙江省灌溉用水效率指标体系空间格局研究

针对黑龙江省灌溉用水效率低下等问题,基于地统计学理论,对黑龙江省灌溉用水效率指标体系及其影响因素的空间分布特征进行研究。结果表明:从全方向上看,田间水利用效率受空间结构的影响最大,其空间正相关范围最大为145 km;灌溉水利用效率受空间结构的影响次之,空间正相关范围为124 km;渠系水利用效率受随机因素影响较大,空间正相关范围最小,为73 km。大庆、哈尔滨、绥化3地交界处,灌溉水利用效率、渠系水利用效率与田间水利用效率均出现高值,鸡西的鸡东县3个指标值均出现低值。自然因素对灌溉用水效率的影响小于人为因素,其中降水量与灌溉水利用效率、田间水利用效率呈现负相关。     

咸水灌溉对棉花耗水特性和水分利用效率的影响

采用田间对比试验,连续3 a研究了1、3、5、7 g/L 4个矿化度咸水(记作S1、S2、S3、S4)灌溉对棉田土壤水盐、土壤蒸发、棉花阶段耗水量、籽棉产量和水分利用效率的影响。结果表明,棉花生育期内根系层土壤含水率和电导率有随灌溉水矿化度的增加而增大的趋势,土壤电导率增加尤为明显;年际间,各处理土壤含水率和电导率差异非常大,经过连续3 a灌溉,根系层土壤电导率均未逐年增加。S3和S4处理的平均土壤蒸发强度大于S1处理,S2与S1处理间的差异很小;7 g/L以下咸水灌溉对棉花耗水过程产生了一定影响,但对总耗水量影响并不明显。3 a的平均籽棉产量和水分利用效率由大到小顺序均为:S2、S1、S3、S4,S2比S1处理增产2.43%,水分利用效率增加1.15%,S3和S4比S1处理减产1.67%和8.88%,水分利用效率降低0.25%和7.31%,其中,S2和S3与S1处理间差异不显著,S4处理产量和水分利用效率降低显著。     

不同节水灌溉方式对小麦产量及水分利用效率的影响

为探讨不同节水灌溉方式对小麦产量及水分利用效率的影响,在通许试验基地进行了节水灌溉方式(滴灌、微喷灌、喷灌和小白龙)及灌水量(45、90、135mm)的大田试验,分别于拔节和灌浆前期灌水。结果表明:小麦收获时土壤储水量表现为滴灌微喷灌喷灌小白龙,总耗水量以滴灌和微喷灌方式下较少;小麦千粒重随灌水量增加有降低趋势,且在微喷灌方式下明显高于其他处理,而小麦群体、穗长、小穗数和穗粒数均以滴灌方式下表现较佳;灌水能增加小麦产量,水分利用效率随灌水量的增加而降低;以滴灌135 mm的产量最高,水分利用效率以滴灌45mm处理为最高。4种节水灌溉方式中,滴灌更有利于增产和节水,其次为微喷灌。     

Using ESAP software for predicting the spatial distributions of NDVI and transpiration of cotton

Observations of the normalized difference vegetation index (NDVI) from aerial imagery can be used to infer the spatial variability of basal crop coefficients (Kcb), which in turn provide a means to estimate variable crop water use within irrigated fields. However, monitoring spatial Kcb at sufficient temporal resolution using only aerial acquisitions would likely not be cost-effective for growers. In this study, we evaluated a model-based sampling approach, ESAP (EC_e Sampling, Assessment, and Prediction), aimed at reducing the number of seasonal aerial images needed for reliable Kcb monitoring. Aerial imagery of NDVI was acquired over an experimental cotton field having two treatments of irrigation scheduling, three plant density levels, and two N levels. During both 2002 and 2003, ESAP software used input imagery of NDVI on three separate dates to select three ground sampling designs having 6, 12, and 20 sampling locations. On three subsequent dates during both the years, NDVI data obtained at the design locations were then used to predict the spatial distribution of NDVI for the entire field. Regression of predicted versus imagery observed NDVI resulted in r² values from 0.48 to 0.75 over the six dates, where higher r² values occurred for predictions made near full cotton cover than those made at partial cover. Prediction results for NDVI were generally similar for all three sample designs. Cumulative transpiration (Tr) for periods from 14 to 28 days was calculated for treatment plots using Kcb values estimated from NDVI. Estimated cumulative Tr using either observed NDVI from imagery or predicted NDVI from ESAP procedures compared favorably with measured cumulative Tr determined from soil water balance measurements for each treatment plot. Except during late season cotton senescence, errors in estimated cumulative Tr were between 3.0% and 7.3% using observed NDVI, whereas they were they were between 3.4% and 8.8% using ESAP-predicted NDVI with the 12 sample design. Thus, employing a few seasonal aerial acquisitions made in conjunction with NDVI measurements at 20 or less ground locations optimally determined using ESAP, could provide a cost-effective method for reliably estimating the spatial distribution of crop water use, thereby improving cotton irrigation scheduling and management.     

咸水非充分灌溉对春小麦产量及水分利用效率的影响

通过在西北旱区石羊河流域开展的田间灌溉试验,研究了咸水非充分灌溉对春小麦产量、耗水及水分利用效率的影响。结果表明,水分胁迫和盐分胁迫都可造成春小麦不同程度的减产,但轻度盐分胁迫仅减产1%,轻度水分胁迫减产6%;水分胁迫和盐分胁迫均可造成春小麦耗水量的减少,非充分灌溉条件下,春小麦耗水中土壤水贡献的比例增大,有利于节约灌溉水;水分利用效率最高的处理矿化度为3g/L,灌水量为80%ETc,说明适度的水分亏缺和适当浓度的咸水灌溉能够在当地达到节水的效果。     

不同灌水策略对夏玉米水分利用效率和产量构成要素的影响

于2013—2014年在河南商丘开展了5个灌水处理(T1:苗期水45 mm+拔节水60 mm+灌浆水60 mm+成熟期水45mm,T2:苗期水45 mm+拔节水60 mm+灌浆水60 mm,T3:拔节水60 mm+灌浆水60 mm,T4:拔节水60 mm,T5:灌浆水60 mm)的田间试验,研究了不同灌水处理对夏玉米阶段耗水量、总耗水量、产量、水分利用效率、收获穗数、穗粒数、百粒质量、行粒数的影响。结果表明,夏玉米不同生长阶段灌水处理的耗水量均显著大于不灌水处理(P0.05),且随着整个生育期灌水次数和灌水量的增加,总耗水量显著提高。2013年和2014年,灌拔节水和灌浆水处理(T3)的总耗水量显著低于T1处理(P0.05),产量分别下降8.0%和8.9%,水分利用效率则分别提高5.3%和0.5%。灌水显著影响了夏玉米的收获穗数、穗粒数和百粒质量。2 a的苗期灌水处理(T1和T2)显著提高了夏玉米的收获穗数(P0.05),拔节期和灌浆期灌水处理(T3)的穗粒数和百粒质量均显著大于只灌拔节水(T4)和只灌灌浆水(T5)的处理(P0.05),但收获穗数差异不显著。在节水灌溉的条件下,黄淮海平原夏玉米主产区要实现较高的产量和水分利用效率,灌拔节水和灌浆水是最基本的灌水策略。     

不同灌溉方式对玉米产量及水分利用效率的影响

以畦漫灌为对照,对隔行喷灌、隔行沟灌、膜上灌溉和穴灌4种灌溉方式下玉米的产量及水分利用率进行了分析。结果表明:膜上灌溉产量高于畦漫灌,隔行沟灌、隔行喷灌与畦漫灌接近;膜上灌溉与畦漫灌和穴灌差异达0.01显著水平,与隔行沟灌、隔行喷灌差异达0.05显著水平。灌溉处理的水分利用效率均高于对照的畦漫灌,膜上灌溉的水分利用效率最高。     

不同灌水水平对日光温室萝卜产量及水分利用效率的影响

采用温室小区作物栽培的试验方法寻求温室萝卜适宜的灌水控制指标,通过对全生育期土壤水分下限的控制,研究了不同灌水条件下日光温室萝卜产量、产量分配及水分利用效率.研究发现,水分过高或过低都不利于萝卜增产,同时也不利于水分利用效率的提高,水分适宜(RT70处理)不仅可以提高萝卜的产量,而且可以提高水分利用效率和灌溉水利用效率.本研究对温室萝卜节水灌溉的进一步研究具有重要的科学指导意义.     

近34年玛纳斯河流域棉花生长和耗水特征研究

利用1980—2013年北疆玛纳斯河流域乌兰乌苏农业气象站长期的农气观测实验资料,对3个典型棉花种植时期:裸地沟灌(NF,1980—1993年)、覆膜沟灌(MF,1994—2004年)以及膜下滴灌时期(MD,2005—2013年)的棉花生长和耗水特征进行对比研究。结果表明:在充分灌溉的条件下,棉花籽粒产量主要受温度影响,而蒸散量的变化与灌水量有关。近34年,该站棉花籽棉产量和棉田蒸散量均呈增加趋势,每年籽棉产量的增加率大于蒸散量的增加率,棉田水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(IWUE)也随之呈增加趋势。MD时期的WUE和IWUE值最大,分别为(0.7±0.1)、(1.0±0.3)kg/m3,在我国和世界其他干旱、半干旱棉花产区均处于较高水平。