灌区尺度遥感蒸散发模型时间尺度提升方法研究

以内蒙古河套灌区解放闸灌域为典型研究区,构建基于能量平衡原理的单层遥感蒸散发模型,利用2014年Terra和Aqua卫星的MODIS标准陆地产品模拟蒸散发时空分布,分别探讨将遥感蒸散发模型由卫星过境时刻的瞬时值扩展到日蒸散发的尺度提升方法,以及由未受云层遮挡的日蒸散发扩展到全年的尺度提升方法。由瞬时到日的尺度提升采用日内代表性参数法,避免了对气象数据进行降尺度带来的误差及由瞬时蒸散发到日蒸散发尺度提升过程中的误差,由日到全年的尺度提升采用逐象元插值的方法,使遥感数据的利用得到最大化。     

基于SEBAL模型和环境卫星的区域蒸散发量及灌溉水利用系数估算研究

【目的】探索基于遥感技术建立准确快捷评估区域蒸散发量和灌溉水利用系数的方法。【方法】以河套灌区义长灌域为研究区,基于SEBAL(Surface Energy Balance Algorithm for Land)模型和较高时空分辨率的环境卫星影像,建立了SEBAL遥感蒸散发估算模型,并与降水量、灌水量和地下水位数据结合,计算了研究区的灌溉水利用系数。【结果】SEBAL模型反演的作物蒸散发量的平均绝对误差在5%以内;2013—2017年研究区灌溉水利用系数在0.427～0.572之间,平均值0.492,高于河套灌区的平均水平。人民支渠区的灌溉水利用系数在0.447～0.688之间,均值为0.516。研究区地下水补给量均值为52.13 mm,约占灌水量的3%～7%,忽略地下水补给量会对灌溉水利用系数准确计算带来0.03～0.08的误差。【结论】基于SEBAL遥感蒸散发模型快速测算了灌溉水利用系数,计算结果具有较好的精度和可信度。模型尺度差异性较小,在不同空间尺度的适用性较好。     

基于DSSAT的广西来宾甘蔗水分利用效率指标分析

作物水分利用效率是衡量农业用水科学性与合理性的重要指标,研究甘蔗水分利用效率是实现其高效灌溉管理、提高我国蔗糖业发展的一个关键科学问题。基于SPEI指数,选取典型干旱年,采用DSSAT-Canegro模型开展了不同典型干旱年的甘蔗产量对灌溉制度情景响应机制模拟,根据模拟结果对农田总供水利用效率WUE_g、田间水分利用效率WP、真实灌溉水利用效率WUE_ti、和灌溉水利用效率WUE_i进行评价分析。研究明晰了不同典型干旱年模拟产量的均值随灌溉定额的增加均有较明显的上升趋势,尤其是特旱年;WUE_g、WUE_ti和WP指标能较好地反映甘蔗产量和水分消耗的关系,三者之间的相关性显著,但WP由于田间蒸散发量的数据不易获取,限制了它在大尺度及长时段的应用。WUE_i只反映了甘蔗产量和灌溉量之间的关系,不适用于降水丰富的地区。经分析,推荐WUE_g和WUE_ti作为广西来宾市甘蔗灌溉用水效率指标。该研究对灌溉用水效率评价和灌溉决策制定具有一...     

基于DSSAT模拟的冬小麦作物水分利用效率评价指标分析

作物水分利用效率,是农业节水研究的主要指标之一,为研究分析不同的华北地区冬小麦作物水分利用效率评价指标之间的相关性及其适应性,采用作物生长模型DSSAT,基于田间试验数据率定优选的参数,采用数值模拟的形式,模拟地面灌溉条件下不同水平年华北地区冬小麦生长过程及产量分布,获得不同灌溉制度情景方案下的作物模拟产量,基于模拟结果,分析评价作物水分生产率WP、灌溉水分生产率WUEti、广义水分利用效率WUEu、灌溉水利用效率WUEI等4个评价指标值.结果表明:WP、WUEti、WUEu数值都呈现随灌溉定额先增加再减少的趋势,较为全面地体现了产量与耗水量的关系,WP的计算较为复杂,数据指标获取难度及误差积累可能会影响结果可靠性,建议谨慎使用.WUEI不考虑自然降雨对产量的贡献,虚高计算了灌溉对产量的贡献,数值偏大,不推荐使用.从各指标之间的相关性分析,WUEti、WUEu相互之间及与其他指标之间的相关系数较好(P<0.05),并且其物理意义更符合灌溉定额和灌水定额对产量的影响关系,可以较为全面的反应作物水分利用效率,推荐作为评价灌溉制度的指标.     

基于多源数据的内蒙古察汗淖尔流域作物生育期实际蒸散发分析

探究区域作物生育期实际蒸散发及其空间分布特征,为区域节水潜力评价提供依据.研究结合多源数据(种植结构、遥感数据和气象数据等)和遥感陆面蒸散反演方法,得到作物实际蒸散发(ET),并根据作物不同生长阶段的变化特点结合气象资料估算遥感数据缺失时期的ET.①基于遥感数据和SEBAL模型能够准确反演流域空间尺度的日蒸散发量,其生育初期和中期平均误差分别为11.49％和6.22％.5-7月,日蒸散发逐渐增大,且在7月达到峰值,8-10月日蒸散发逐渐降低,9-10月降低趋势较大;②不同作物之间,生育期ET差异明显,甜菜>土豆>玉米>小麦,分别为619.72 mm、558.67 mm、492.51 mm、456.58 mm.作物生育期ET变化范围分别在476.02～795.73 mm、405.41～684.84 mm、345.11～683.35 mm和313.34～604.62 mm之间;③同种作物因灌溉制度不同,其作物生育期ET在空间上表现出差异性.受流域南北降雨不均影响,4种主要作物生育期ET呈现明显的由南向北递减趋势.北部湖泊附近的小麦,因土壤含水量较高,其生育期ET高于周边其他区域.针对内蒙古察汗淖尔流域内作物生育期ET空间分布差异明显,部分区域地下水超采严重等特点,调整流域内种植结构及灌溉制度尤为重要.     

不同空间尺度下灌区灌溉水利用效率研究——以察尔森灌区为例

根据察尔森灌区2013-2014年实测数据,应用实测法与水量平衡法计算了田间水利用效率,通过典型渠道测试法计算了渠道水利用效率,在此基础上计算了察尔森灌区不同空间尺度下灌溉水利用效率;同时应用首尾法测算了察尔森灌区的灌溉水利用效率。结果表明,察尔森灌区从田间到斗渠尺度以及支渠到干渠尺度灌溉水利用效率降低明显,下一步灌区节水改造的重点是斗渠及干渠的工程建设和运行管理;首尾法所得灌区尺度下的灌溉水利用效率略大于典型渠道测试法,原因在于首尾法考虑了部分回归水的利用。     

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。     

基于Sentinel-2破碎化地块灌区作物种植结构的提取

【目的】探究基于Sentinel-2遥感影像的决策树分类模型提取破碎化地块灌区作物种植结构的适用性。【方法】选取新疆阿拉沟灌区为研究区,以2021年覆盖作物全生育期的Sentinel-2遥感影像为数据源,结合田间调查和Google高清影像目视解译采样,基于主要作物物候信息、NDVI时序特征等分析确定作物识别的关键期阈值,构建决策树模型进行灌区主要作物分类,并对分类结果精度验证。【结果】基于Sentinel-2提取的灌区种植结构分布图地块纹理清晰,能够满足灌区用水管理需要;构建的决策树分类模型可在灌区尺度实现作物分类,方法简便易行,总体精度达到81.56%,Kappa系数为0.716 6。【结论】采用Sentinel-2遥感影像和决策树分类方法识别破碎化地块灌区复杂作物分类是可行的,可为灌区输配水决策和农业用水精细化管理提供基础信息。     

基于遥感蒸散发模型的净灌溉水量测算空间尺度研究

[目的]农业用水总量和灌溉水有效利用系数是最严格水资源管理考核总量红线和效率红线控制的重要指标.目前遥感蒸散发模型在珠江片区域蒸散发量估算和净灌溉水量评估的应用度不高,对其空间适用尺度缺乏研究.[方法]以广西区为例,通过试验观测-遥感解译等技术计算不同空间尺度遥感蒸散发量,并与相应尺度直接量测的净灌溉水量建立线性相关关...     

作物对水分胁迫的响应及水分利用效率的研究进展

作物对水分胁迫的响应及水分利用效率的研究是节水农业的重要方面,为此,对水分胁迫下作物形态、生理生化响应,作物水分利用效率的内涵、测定计算方法及提高作物水分利用效率途径等国内外的相关研究进行了回顾,并在此基础上,提出了我国目前在该领域研究和应用中存在的问题.     

不同生育期水分亏缺对春青稞水分利用和产量的影响

对不同生育期水分亏缺程度对春青稞(Hordeum vulgare)水分利用效率和产量的影响进行了桶栽试验研究。试验处理设充分灌溉处理(2个水分控制下限和秸秆覆盖)以及在全生育期和5个不同生育期的4个水分亏缺程度(轻度、中度、重度和极度)处理,共27个处理。结果表明,在充分灌溉条件下,75%田间持水率水分下限控制处理的春青稞收获指数、籽粒产量和作物水分利用效率大于80%水分处理;秸秆覆盖处理的籽粒产量和水分利用效率在所有试验处理中最大。在全生育期水分亏缺条件下,春青稞籽粒产量均小于充分灌溉处理,且随着水分亏缺程度的增大而显著减小;轻度至重度水分亏缺处理可获得更大的作物收获指数和水分利用效率,但极度水分亏缺却导致最低的籽粒产量、收获指数和水分利用效率。除成熟期水分亏缺处理外,不同生育期水分亏缺处理条件下,春青稞籽粒产量和作物水分利用效率基本随着水分亏缺程度的增大而减小;拔节期、分蘖期和灌浆期水分亏缺对籽粒产量的不利影响较大。地表秸秆覆盖或全生育期轻度至重度水分亏缺处理可提高春青稞水分利用效率。     

夏玉米不同生育期亏缺-复水对蒸发蒸腾和产量的影响

[目的]探究不同时间尺度下夏玉米蒸发蒸腾量的变化规律.[方法]试验在夏玉米3个生育阶段(出苗—拔节期、拔节—抽雄期、抽雄—灌浆期)分别设置3个灌水水平(充分灌溉:100％ETa;中度水分亏缺:80％ETa;重度水分亏缺:60％ETa),其中ETa为蒸渗仪实测的充分灌溉条件下的蒸发蒸腾量,采用正交试验设计,共9个处理(C...     

基于作物耗水特性的夹砂地膜下滴灌模式优选

在2个灌水水平下（I1：高水,I2：低水）以不同滴灌带间距（A1：1m,A2：0.5m）与覆膜方式（M1：全膜覆盖,M2：半膜覆盖）进行2a田间试验,结合作物产量、作物水分利用效率（WUE）以及产投比筛选适宜的膜下滴灌模式,并利用产量水分敏感系数（ky）确定最优的膜下滴灌模式。结果表明：在低频灌溉模式下,部分覆膜处理的蒸腾（ET）高于全覆膜处理,而产量和WUE低于全覆膜处理。尽管滴灌带间距对ET的影响不明显,然而在高水处理下,“一管单行”作物的产量与WUE高于“一管双行”。高频灌溉模式下,作物产量及WUE对灌溉量、覆膜方式、滴灌带间距的响应呈现耦合性。低频灌溉条件下,ky对灌溉量及滴灌带间距的响应均不显著,而部分覆盖处理WUE低,ky高,对水分胁迫的响应敏感。高频灌溉条件下,覆膜方式、灌溉量以及滴灌带间距均对ky 产生影响。高频灌溉条件下,ky能对经WUE筛选出的膜下滴灌处理进行进一步的优选。基于ky的结果,结合产量、水分利用效率与产投比,建议在高频灌溉条件下采取“全膜低水+一管双行”模式或“半膜高水+一管单行”模式,在低频灌溉条件下采取全膜高水模式。     

基于热交换和集水仿生原理的作物蒸散凝结灌溉技术

根据作物蒸散、热交换、水气凝结、集水仿生学和节水灌溉的原理,系统提出一项农业节水新途径——作物蒸散凝结灌溉。通过创造低温凝结条件,聚集、冷凝作物蒸散发的湿热水气并高效收集,最后回灌到土壤中供根系吸收,如此循环往复,形成闭合的土壤-植物-大气连续体（SPAC）水分微循环。蒸散水气凝结和收集效率,水气回收率、能耗效率是衡量该项技术的关键参数。该技术适合严重缺水但新能源丰富的干旱、半干旱地区,实施方式分温室地源热泵型、空调除湿型和大田仿生集水型3种类型。未来技术研发重点在于高效集水仿生材料的突破和系统结构与运行     

负水头供液施肥对温室番茄水分利用效率的影响

为探讨日光温室番茄的日蒸散量变化规律,明确日光温室番茄合理的灌溉施肥模式,基于负水头供液系统研究了常规基追肥处理(F1)、按EC值调配的施肥处理(F2)和山崎大量元素配方施肥处理(F3)对日光温室番茄日蒸散量及水分利用效率的影响。结果表明,基于负水头供液系统可以实现0~20 cm土壤含水率的精确控制,各处理变异系数(CV)仅为5.92%~11.9%。日光温室番茄的日蒸散量变动幅度为0.43~5.90 mm,呈先升高后降低的单峰曲线。开花坐果期为日光温室番茄蒸散量最大的时期,日均蒸散量达3.65~3.78 mm,蒸散量可占到全生育期的60%以上。处理F3的生育期蒸散量最大,与处理F1和F2相比,分别增加了3.72%和2.09%。温室番茄的生物量和产量以及生物量水分利用效率和产量水分利用效率均以处理F3为最高,与处理F1相比,分别提高了29.0%和24.1%以及16.4%和9.84%。综合分析,采用山崎大量元素配方的施肥处理(F3)不仅增加了番茄蒸散量和产量,而且提高了水分利用效率,为供试条件下最优的水肥管理模式。     

微喷补灌对夏玉米产量和水分利用效率的影响

[目的]提高夏玉米用水效率.[方法]2018—2019年设置4个微喷补灌处理,分别以0～10(W10)、0～20(W20)、0～30(W30)和0～40(W40)cm为目标湿润土层,补灌的目标土壤含水率为相应土层的田间持水率,补灌时期均为夏玉米播种时、拔节期开始时和抽雄期开始时;以传统畦灌模式(CK)为对照,研究了不同...     

基于RS数据和GIS方法的冬小麦水分生产函数估算

以冬小麦遥感监测耗水与产量为数据支持,开展了多种水分生产函数模型的对比研究,探求与研究区相适宜的水分生产函数模型及其参数,其中全生育期水分生产函数模型分别选择直线模型、抛物线模型、D-K模型及指数模型;而分生育阶段水分生产函数模型分别选择Jensen、Minhas、Blank、Stewart及Singh模型。研究结果表明,冬小麦全生育水分生产函数模型推荐采用抛物线模型;而分生育阶段水分生产函数模型推荐采用Stewart模型;冬小麦对水分最敏感的阶段是抽穗期,其次为扬花-成熟期,而出苗-拔节期最小。为此,在北京市大兴区的冬小麦灌溉应优先满足抽穗灌浆期的需水,而在出苗-拔节期适度减少灌溉量,可达到节水增效目的。     

Using EPIC model to manage irrigated cotton and maize

Simulation models are becoming of interest as a decision support system for management and assessment of crop water use and of crop production. The Environmental Policy Integrated Climate (EPIC) model was used to evaluate its application as a decision support tool for irrigation management of cotton and maize under South Texas conditions. Simulation of the model was performed to determine crop yield, crop water use, and the relationships between the yield and crop water use parameters such as crop evapotranspiration (ETc) and water use efficiency (WUE). We measured actual ETc using a weighing lysimeter and crop yields by field sampling, and then calibrated the model. The measured variables were compared with simulated variables using EPIC. Simulated ETc agreed with the lysimeter, in general, but some simulated ETc were biased compared with measured ETc. EPIC also simulated the variability in crop yields at different irrigation regimes. Furthermore, EPIC was used to simulate yield responses at various irrigation regimes with farm fields’ data. Maize required ∼700 mm of water input and ∼650 mm of ETc to achieve a maximum yield of 8.5 Mg ha⁻¹ while cotton required between 700 and 900 mm of water input and between 650 and 750 mm of ETc to achieve a maximum yield of 2.0-2.5 Mg ha⁻¹. The simulation results demonstrate that the EPIC model can be used as a decision support tool for the crops under full and deficit irrigation conditions in South Texas. EPIC appears to be effective in making long-term and pre-season decisions for irrigation management of crops, while reference ET and phenologically based crop coefficients can be used for in-season irrigation management.     

Using AquaCrop to derive deficit irrigation schedules

Straightforward guidelines for deficit irrigation (DI) can help in increasing crop water productivity in agriculture. To elaborate such guidelines, crop models assist in assessing the conjunctive effect of different environmental stresses on crop yield. We use the AquaCrop model to simulate crop development for long series of historical climate data. Subsequently we carry out a frequency analysis on the simulated intermediate biomass levels at the start of the critical growth stage, during which irrigation will be applied. From the start of the critical growth stage onwards, we simulate dry weather conditions and derive optimal frequencies (time interval of a fixed net application depth) of irrigation to avoid drought stress during the sensitive growth stages and to guarantee maximum water productivity. By summarizing these results in easy readable charts, they become appropriate for policy, extension and farmer level use. We illustrate the procedure to derive DI schedules with an example of quinoa in Bolivia. If applied to other crops and regions, the presented methodology can be an illustrative decision support tool for sustainable agriculture based on DI.     

黑龙港流域不同栽培方式下棉花腾发量及产量试验研究

河北省黑龙港流域素有"华北干槽"之称,是华北平原历史上受旱、涝、碱害最重的地区,长期贫困缺粮。针对华北平原黑龙港流域棉花,研究了膜沟栽培、覆膜平播及不覆膜平播3种栽培方式对棉花腾发量、产量及水分利用效率的影响。通过分析在中科院南皮生态农业试验站开展的覆膜棉花耗水试验数据,得到膜沟栽培、覆膜平播及不覆膜平播3种栽培方式下的棉花腾发量、产量及水分利用效率。结果表明,膜沟栽培、覆膜平播栽培与不覆膜平播栽培棉花相比,不仅皮棉产量较高,且其水分利用效率也较高。