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.     

基于地面观测和Sentinel-2数据的玉米实际蒸散发估算

基于遥感技术估算作物蒸散发(Evapotranspiration,ET)对农业用水效率评价和精量灌溉决策具有重要意义。结合Sentinel-2数据和农田连续地面观测资料,利用混合双源蒸散发模型(Hybrid dual-source scheme and trapezoid framework-based evapotranspiration model,HTEM)对宁夏回族自治区中卫市2019年两个试验田玉米主要生育期(5—8月)的蒸散发量进行估算,并用水量平衡法对遥感估算结果进行验证和评价。结果表明:Sentinel-2数据具有高时空分辨率,能够与研究区复杂的种植地块相匹配,减少了混合像元的数量;遥感反演参数与地面观测数据拟合度较高,研究区2019年遥感反演的玉米田净辐射量均方根误差为36.256 W/m²。利用HTEM模型估算可得,主要生育期内研究区两个玉米试验田的日均实际蒸散发量分别为4.269 mm/d和4.339 mm/d,实际蒸散发总量分别为525.114 mm和533.690 mm,其中植被蒸腾量分别为363.483 mm和358.196 mm,生育初期主要以土壤蒸发形式消耗水分,随着作物的生长,在生育中后期主要以植被蒸腾的形式消耗水分。ET遥感反演结果与水量平衡结果之间差别不显著,两个观测点绝对误差分别为13.533 mm和7.774 mm。因此,结合地面连续观测系统和Sentinel-2数据估算研究区玉米生育阶段蒸散发量具有较高的精度,可为作物耗水规律研究及区域农业水管理提供技术支撑。     

石羊河流域典型畦灌玉米蒸散发量变化规律及归因分析

【目的】明确石羊河流域典型畦灌玉米蒸散发量变化规律及其驱动因素。【方法】基于涡度相关系统,在2015—2018年于中国农业大学石羊河试验站对西北典型畦灌玉米蒸散发量进行了连续观测。基于偏相关分析及结构方程模型分析了玉米蒸散发量与环境因子之间的关系。【结果】畦灌玉米生育期平均蒸散发量为524.3 mm,日平均蒸散发量为3.5 mm/d,生育期内日蒸散发量呈先上升后下降的单峰变化趋势,在7月达到峰值。净辐射量与蒸散发量之间的相关性最高,对蒸散发量影响程度较大的环境因子为净辐射量、温度、饱和水汽压差。结构方程结果表明,叶面积指数作为中间变量与蒸散发量之间存在正相关性。【结论】畦灌玉米生育期内日蒸散发量呈先上升后下降的变化趋势,净辐射量、温度、饱和水汽压差是对蒸散发量影响较大的环境因子。     

小麦间作向日葵耗水量与优化灌溉制度研究

小麦间作向日葵是一种典型的河套灌区种植模式,研究运用WIN ISAREG模型确定了参考作物蒸发蒸腾量,结合立体种植特征,采用综合作物系数法确定小麦间作向日葵全生育期作物耗水量。同时通过实际处理结果对模型参数进行率定与验证,最终对小麦间作向日葵实际灌溉制度进行准确的评价并进行不同方案的优化,得到试验区如配有井灌等条件,优选灌溉方案为土壤含水率下降至适宜含水率70%时实施灌溉,灌水量为补充根系层水量至田间持水量85%所需水量;若灌水水源仅为黄河水,则优选灌溉方案为整个生育期灌5水,灌水量为达到根系层中总有效水量的80%。     

蓄水坑灌条件下不同灌水下限幼龄苹果树耗水特性及作物系数的试验研究

以三年生矮砧红富士为试验材料,利用水量平衡方程和彭曼-蒙特斯公式(Penman-Monteith)计算幼龄苹果树全生育期的实际耗水量和参考作物蒸发蒸腾量,探明了蓄水坑灌条件下不同灌水下限幼龄苹果树的耗水特性及作物系数变化规律。结果表明:1CK、T_2、T_3处理全生育期耗水量差异不大,分别为327.40、322.60和314.10mm;T_1处理最小为296.40mm。生育期内各处理耗水量均呈中间大,两头小的"纺锤形"分布,生育中期(7-9月)的耗水模数为69.43%~75.44%,此阶段是幼龄苹果树的需水关键期。2CK、T_2、T_3处理幼树作物系数全生育期内呈双峰分布,初始生育期缓慢增长;花芽分化期,略有下降;快速生育期,作物系数持续增长并在生育中期达到峰值;成熟期,作物系数迅速减小;T1处理幼树作物系数全生育期内呈单峰分布,除7月外,其余时期都小于其他处理;不同处理幼树作物系数均在9月达到峰值。3蓄水坑灌比地面灌溉具有更强的蓄水保墒能力。     

灌区种植结构时空变化及其与地下水相关性分析

利用数据融合算法(ESTAFM)对Landsat7 ETM+和MODIS影像进行融合,构建了高时空NDVI数据集;结合地面实体作物NDVI变化特征和光谱耦合技术(SMT),提取了解放闸灌域2000—2015年间种植结构空间信息;在此基础上分析了其时空特征变化以及地下水对种植结构调整的制约性。利用2015年实地调查数据对遥感监测结果进行评价,灌域主要作物类型玉米、向日葵、小麦以及套种的纯像元分类精度分别达到了95%、88%、91%和90%,总体精度达到了91%;多年遥感监测结果与历史统计数据相吻合。研究结果表明:玉米和小麦种植面积不断增加,玉米种植面积增加尤为明显,由2000年的0.83万hm2(占灌溉面积的5.80%)增加到2015年的4.02万hm2(占灌溉面积的28.31%);向日葵种植面积由下降变为上升趋势,其种植规模受市场因素主导;因土地流转、农村劳动力的外流以及套种种植模式劳动力成本高,使得农户转向单一作物种植模式,套种模式种植面积逐年下降,由2000年的4.30万hm2(占灌溉面积的30.32%)减少到2015年的0.41万hm2(占灌溉面积的2.91%)。种植结构空间格局与地下水埋深分布相似,其空间的相对差异并未随时间发生明显变化。向日葵在地下水埋深较浅、盐碱化偏高的区域分布集中,玉米、小麦及套种在地下水埋深大、盐碱化偏弱的区域分布集中,反映出向日葵耐盐性更高,更能适应盐碱化程度高的土壤;作物这一空间分布格局不仅受水土环境影响,而且与作物生理特征密切相关。灌区节水改造以来,在净引水量减小的情况下,农田蒸散发量并未减小,而是表现为稳中有升的趋势,这与高耗水作物玉米种植面积逐年增加有直接关系;地下水位整体下降,由1.76 m下降到2.33 m,土壤盐碱化得到改善,表明大型灌区节水续建配套项目实施以来,节水改造对水循环和水土环境起到了积极的影响。     

鲁西北平原冬小麦和夏玉米耗水量的实验研究

利用中国科学院禹城综合试验站的大型称重式蒸渗仪近10年的观测资料和降水资料,分析了冬小麦和夏玉米的耗水特性、作物耗水量与同期降水量的关系、作物年耗水量与降水量之间的关系和作物生长期凝结水与同期降水量的关系。分析结果表明:1冬小麦生长期平均耗水量为450mm左右,同期降水量占作物耗水量的35%左右;2夏玉米生长期平均耗水量为350mm左右,同期降水量占作物耗水量的80%左右;3作物年耗水量平均为800mm左右,而同期降水量为500～600mm左右,需多次灌溉;4作物生长期凝结水所占同期降水量的比率相当可观,在水量平衡中占有一定的作用。上述成果可供本区区域作物耗水量计算时参照使用。     

基于遗传算法的小麦套玉米节水型优化灌溉制度研究

以2009年内蒙古河套灌区春小麦套种玉米田间实测资料为基础,分别应用水量平衡原理与作物系数法得到套种作物生育各生育阶段实际腾发量;然后以作物-水模型为基本原理,采用多元线性回归方法对套种作物不同生育阶段水分敏感指标进行求解,其变化规律为：拔节-抽穗＞分蘖-拔节＞喇叭口-灌浆(玉米)＞抽穗-灌浆(小麦)＞苗期-分蘖,最后应用基于实数编码的遗传算法对小麦套玉米作物灌溉制度进行优化,结果表明,作物生育期内适宜的灌水量为450mm。     

小麦/玉米套作及其相应单作群体棵间土壤蒸发规律

通过大田实验,对比分析河套灌区小麦/玉米套作与单作小麦、单作玉米棵间土壤蒸发的差异及其规律。结果表明,单作小麦、小麦/玉米套作和单作玉米的棵间土壤蒸发量占总耗水量的比例分别为28.8%、38.6%和29.9%;套作群体全生育期的棵间土壤蒸发量显著高于单作,且日均棵间土壤蒸发量为1.06 mm/d,高于单作小麦0.85 mm/d和单作玉米0.90 mm/d。不同生育期棵间土壤蒸发的日变化规律基本一致,峰值出现在中午12:00~14:00之间,不同种植模式下棵间蒸发占蒸散发的比例与叶面积指数均呈良好的指数关系,同时棵间土壤蒸发与表层土壤含水率均呈脉冲波动变化,且灌溉后波动幅度增大。     

小麦/向日葵间作群体水盐运移机理及种间竞争能力研究

为量化分析河套灌区小麦/向日葵间作群体两作物间相互利用水量、盐分运移机理,明确两作物间种间相对竞争能力,采用根系分隔技术进行试验。研究结果表明:小麦/向日葵间作群体生育期内小麦条带利用向日葵侧水量为78.23~94.23 m~3/hm~2,向日葵条带利用小麦侧水量为44.96~57.97 m~3/hm~2,其中根系在土壤空间的交叉叠加效应可以多利用18.56~42.84 m~3/hm~2小麦带土壤水量,20.79~46.63 m~3/hm~2向日葵带土壤水量,降低1.32%~4.64%小麦条带土壤EC均值,2.26%~3.16%向日葵条带土壤EC均值。水分养分互补效应可以多利用15.12~26.40 m~3/hm~2小麦带土壤水量,47.60~57.44 m~3/hm~2向日葵带土壤水量,降低2.98%~4.69%小麦条带土壤EC均值,1.82%~2.44%向日葵条带土壤EC均值。种间相对竞争能力上,间作群体内小麦的竞争能力强于向日葵,限制间作群体根系的交叉叠加及水分养分互补效应有利于提升向日葵的种间相对竞争能力。     

内蒙古河套灌区主要粮油作物系数的确定

根据FAO-56作物需水量指南推荐的作物系数计算方法,分别计算内蒙古河套灌区磴口试验站小麦、玉米(覆膜与未覆膜)、油料向日葵3种作物的单、双值作物系数。结果表明,磴口试验站单值作物系数较双值作物系数值计算的ET值偏低,双值作物系数计算的ET值与实测结果更为接近,验证了双值作物系数在河套灌区的适用性。     

灌水对冬小麦耗水量和产量影响的试验研究

2006年10月~2008年5月在山西省运城灌溉试验站进行了两年的冬小麦需水量和灌溉制度试验研究。结果表明,冬小麦的耗水规律为播种~越冬阶段0.48~1.11 mm/d;越冬~返青阶段0.14~1.07 mm/d;返青~拔节阶段0.69~2.10 mm/d;拔节~抽穗阶段2.02~4.27 mm/d;抽穗~灌浆阶段达到最大值3.57~8.62 mm/d;灌浆~收获阶段1.63~3.85 mm/d。冬小麦耗水量与产量呈抛物线关系,为了取得高产和较高的水分利用率,全生育期的耗水量应在380~440 mm之间。在当地气候、土壤及栽培模式下,冬小麦的灌溉制度为全生育期灌水3次,灌水定额60~80 mm,灌溉定额180~240 mm。     

基于蒸渗仪的冬小麦-夏玉米ET估算模型特征参数研究

为快速准确估算农田蒸散量,利用24个群集式蒸渗仪,在国家节水灌溉北京工程技术研究中心大兴节水灌溉试验站进行了两年的灌溉试验,获得冬小麦-夏玉米生育期的日内冠气温差和实际日蒸散量(ETa)等数据,对不同水分处理下的S-I蒸散量估算模型进行率定及验证,并分析模型特征参数a、b的变化规律及两者的差异.结果表明:冬小麦的S-I...     

河套灌区套种模式下综合作物系数的试验研究

依据FAO56作物需水量指南提供的作物系数计算方法,分别计算了内蒙古河套灌区磴口试验站小麦套种覆膜玉米、小麦套种未覆膜玉米、小麦套种油料向日葵3种套种模式下的综合单、双值作物系数。结果表明,3种套种模式下的作物在全生育期内均可迎来2次综合需水高峰;共生阶段的作物系数,单值方法高于双值方法的计算结果,而单一作物独立生长阶段,双值方法高于单值方法的计算结果;无论单值计算还是双值计算的套种作物田间综合ET,当单一作物处于独立生长期时差别不大,而2种作物共同生育阶段的差别较大;将3种作物在套种模式下的生育阶段划分的更加详细并分别命名,为套种模式下作物蒸散量提供更准确的计算依据。     

采用作物系数法和PM模型估算南京地区玉米田蒸发蒸腾量

蒸发蒸腾量(ET)是农田水平衡中的重要环节,ET的准确估算有助于提高农田水分管理水平。在测定农田小气候、土壤蒸发和玉米生长旺季液流量基础上,比较了单作物系数法(Kc法)、双作物系数法(Kcb法)、不同冠层阻力计算的Penman-Monteith模型(PM1和PM2法)估算南京地区玉米田ET的适用性,并对玉米整个生育期ET变化及其影响因素进行分析。结果表明以液流法和土壤蒸发测定的总ET为基准,PM1方法估算的夏玉米ET误差最小,与实际测定ET的决定系数(R2)、平均绝对误差(MAE)和一致性指数(d)分别为0.52、0.8 mm/d和0.48。以PM1模型估算的夏玉米全生育期ET为310mm,日均ET为3.16mm/d,最大值出现在拔节期和抽穗期,整体变化呈单峰型。ET与气象因素响应顺序为净辐射饱和水汽压温度风速。本研究可为优化玉米田水资源管理和提高水资源有效利用提供参考。     

Water and nitrogen interaction on soil profile water extraction and ET in maize-wheat cropping system

In the present study, water and nitrogen interaction on soil profile water extraction and evapo-transpiration (ET) was investigated taking a field experiment on a clay loam soil (Typic Haplustept) at the Indian Agricultural Research Institute, New Delhi with four consecutive crops (maize-wheat-maize-wheat) taken from July 2002 to April 2004. Three levels of water regime, namely W1, W2 and W3 referring to limited, medium and maximum irrigation were applied to each crop depending on the seasonal rainfall and the critical crop growth stage. The three water regimes were used with five nitrogen levels from T1 to T5, (T1, 0% N; T2, 75% N; T3, 100% N; T4, 150% N; T5, 100% N from organic source) in a split plot design for the four crops grown in sequence.Significant water and nitrogen interaction was observed for ET and soil profile water extraction pattern. Averaged across nitrogen treatments, ET in W2 and W3 were higher by 17 and 26%, respectively than W1 in maize 2002 and by 12 and 19% in maize 2003. In case of wheat, ET in W2 and W3 were higher by 27 and 58% than W1 in 1st crop and by 37 and 70% in 2nd crop. The effect of nitrogen regime, however, was prominent in both crops of maize and wheat, with significantly higher profile soil moisture depletion in T4 of each water regime. In all cases, lowest water depletion was observed in control plots receiving 0% N.In both crops, water extraction from surface 60 cm was highest in W3 followed by W2 and W1. In maize, the % extraction from 0 to 60 cm layer varied from 71 to 76% (W1), 70-79% (W2) and 75-82% (W3), whereas the values for wheat were 70-77, 72-79 and 75-83% for W1, W2 and W3, respectively. The 90-120 cm layer contributed only 3-14% to total water extraction in both the crops. From 90 to 120 cm layer, higher extraction was observed in W1 as compared to W3. The extraction values in W1, W2 and W3 in maize were 9-13, 7-14 and 3-9, respectively, whereas the corresponding values in wheat were 8-14, 5-12 and 3-7% for the three water regimes. Effect of nitrogen treatments on water extraction from deeper layer was observed with higher extraction in highest fertilized treatment (T4) as compared to other treatments.     

Estimation of water consumption and crop water productivity of winter wheat in North China Plain using remote sensing technology

The North China Plain (NCP) is one of the most water stressed areas in the world. The water consumption of winter wheat accounts for more than 50% of the total water consumption in this region. An accurate estimate of the evapotranspiration (ET) and crop water productivity (CWP) at regional scale is therefore key to the practice of water-saving agriculture in NCP. In this research, the ET and CWP of winter wheat in 83 counties during October 2003 to June 2004 in NCP were estimated using the remote sensing data. The daily ET was calculated using SEBAL model with NOAA remote sensing data in 17 non-cloud days whereas the reference daily crop ET was estimated using meteorological data based on Hargreaves approach. The daily ET and the total ET over the entire growing season of winter wheat were obtained using crop coefficient interpolation approach. The calculated average and maximum water consumption of winter wheat in these 83 counties were 424 and 475 mm, respectively. The calculated daily ET from SEBAL model showed good match with the observed data collected in a Lysimeter. The error of ET estimation over the entire growing stage of winter wheat was approximately 4.3%. The highest CWP across this region was 1.67 kg m⁻³, and the lowest was less than 0.5 kg m⁻³. We observed a close linear relationship between CWP and yield. We also observed that the continuing increase of ET leads to a peaking and subsequent decline of CWP, which suggests that the higher water consumption does not necessarily lead to a higher yield.     

基于增强回归树的麦-玉轮作农田蒸散影响因素分析

为探讨华北典型轮作农田蒸散(ET)变化规律,以山东禹城试验站冬小麦-夏玉米(麦-玉)轮作田为研究对象,基于涡度相关技术实测的8年观测数据与增强回归树方法,分析了农田ET逐日变化特征及其对环境因子的响应。结果表明：研究时段内逐日ET变化范围在0～9.6 mm/d之间,且不同阶段(小麦季、玉米季和农闲期)ET总量存在较大差异。一般而言,每年小麦季ET的峰值和总量均明显高于玉米季,而农闲期ET占全年ET总量的比例不足4%。净辐射是影响麦-玉轮作田不同阶段ET变化的首要因素,对各阶段ET的贡献率由高到低依次为小麦季(81.4%)、玉米季(52.7%)、农闲期(36.8%)。除净辐射外,其他环境因子对ET的影响则具有阶段性差异。饱和水汽压差对小麦季和玉米季ET存在一定的影响,而土壤含水率和风速对农闲期ET的贡献率相对较高。研究可为变化环境下农业水资源高效利用以及作物模型优化等提供科学依据。     

不同灌溉条件对黄河下游引黄灌区作物水分关系的影响

在田间试验验证的基础上,利用SWAT2000模型对黄河下游引黄灌区冬小麦、夏玉米在不同灌溉条件下产量、耗水量以及水分利用效率等的时空变化进行了模拟,结果表明,冬小麦缺水情况比较严重,夏玉米生育期降水量基本能满足其耗水量的需求.灌溉对提高作物产量以及耗水量有很大的影响,然而随着灌水量的增加,作物产量以及耗水量增加的幅度并...