基于遥感蒸散发与作物估产的灌溉及作物用水效率评价

Quantitative assessment of irrigation efficiency and crop water use efficiency is the base for high-efficient use of agricultural water resources. Representative irrigation district in arid region will be taken as the study region, and data from remote sensing, field experiment and investigation will be used to develop three models for the study. These models are remote sensing-based evapotranspiration model for heterogeneous vegetated irrigation district, major crop mapping and yield estimation models based on characteristic values of the remote sensed vegetation index series. After model calibration, these models will be used in the study irrigation district for the past over 10 years since the irrigation district rehabilitation project. Spatiotemporal variation of evapotranspiration, spatial distribution and the annual variation of crop distribution, crop growth period and yield will be analyzed, so as to find the characters of dynamic variation, main influencing factors and responses to rehabilitation project for evapotranspiration at different land use types and yield of major crops. Moreover, irrigation efficiency and crop water use efficiency will be assessed quantitatively to analyze their dynamic variations and main influencing factors, and measures to increase irrigation efficiency and crop water use efficiency will be proposed.

灌区灌溉水利用效率与作物水分利用率的定量评价是农业水资源高效利用的基础。以干旱区代表性灌区为研究区，综合遥感信息与现场试验、调查信息，发展适合非均匀下垫面特点且具有较强物理基础的灌区遥感蒸散发模型、基于遥感植被指数序列特征值的灌区主要作物分布遥感识别模型与遥感估产模型。在模型验证的基础上，利用模型计算分析灌区节水改造10余年来蒸散发的时空变化及主要作物空间分布、生育期与产量的空间变化及其年际变化，揭示灌区不同下垫面（特别是农田与天然植被）蒸散发、主要作物产量的动态变化特征、主要影响因素及其对灌区节水改造的响应。在此基础上，定量评价灌区灌溉水利用效率的年际变化与作物水分利用率的空间与年际变化，分析其主要影响因素及动态变化规律，提出提高灌区及主要作物用水效率的具体途径。

灌区灌溉水利用效率与作物水分生产率的定量评价是灌溉水高效利用的基础。针对这一问题，研究提出了基于遥感信息与模型的农业用水效率评价分析框架并应用于内蒙古河套灌区，该框架包括基础数据（遥感数据、统计数据、现场调查及试验观测数据）、模型（遥感蒸散发模型、作物分布遥感识别模型和作物遥感估产模型）和评价（灌溉用水效率评价、作物水分生产率评价）等3个部分。将混合双源梯形遥感蒸散发模型（HTEM）与大气边界层模型（ABL）相耦合，建立了一个新的混合双源遥感蒸散发模型（HTEM-ABL）。该模型利用日内2个卫星过境时刻的陆面温度信息，可以不用地面温度观测资料作为输入，在地面气象站点稀疏、下垫面强异质性条件下有很好的适用性。根据计算结果，分析了灌区蒸散发时空变化规律、不同下垫面蒸散发的动态变化特征、影响因素及其对灌区节水改造的响应特性。在灌区主要作物分布现场调查的基础上，建立了基于植被指数—物候指数特征空间、支持向量机和随机森林的灌区主要作物分布遥感识别模型，分析了主要作物及其生育期的空间分布特征与年际变化。根据河套灌区主要作物产量统计资料及现场调查的结果，利用随机森林方法建立了主要作物遥感估产模型，分析了主要作物产量的空间分布特征及其年际变化。在灌溉农田蒸散发量计算结果的基础上，得到灌溉水有效利用效率（灌溉农田消耗的灌溉水量/总引水量）动态变化，分析了灌区灌溉水有效利用效率的主要影响因素，并建立了相应的估算模型。根据主要作物生育时间计算出整个生育期内的作物蒸散发量，进而根据产量计算出主要作物生产率（产量/生育期蒸散发）及作物种植适宜度，分析其空间分布特征，提出了基于主要作物种植适宜度的灌区作物分布优化方法，可以实现节水增产的目标。研究成果可为干旱区灌区灌溉用水效率的定量评价及高效利用提供理论基础。