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《中国农业大学》 2003年
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基于涡度相关与冠层温度遥感信息的实时农田墒情监测研究

郭家选  
【摘要】: 华北平原是我国最主要的粮食产区之一。然而,水资源短缺日益成为这些地区农业生产潜力发挥的限制因素和作物正常生长的主要障碍因素,发展节水农业势在必行,进行实时农田墒情监测以准确确定灌溉时间和补灌水额是减少水资源浪费、发展可持续农业、合理管理水资源的根本途径之一。从长远来看,利用遥感信息技术监测区域范围农田墒情具有广阔的应用前景。 本研究试验点位于太行山山前平原的中国科学院栾城农业生态系统试验站,首次采用涡度相关技术系统测定农田实际蒸散量,结合冠层表面温度观测,分析了影响冠层表面温度因素及农田水、热和CO_2通量传输日变化和季节变化过程,建立了基于冠气温差资料估算华北地区农田日蒸散量的简化模式,探讨基于地面测定冠层表面温度来监测农田尺度土壤墒情的潜力。初步得出如下几点结论: 1.冬小麦田能量平衡分量日变化过程中,由于土壤水分状况和作物长势的不同,导致蒸发比值EF日变化曲线形状的差异,主要有“米氏”型、“U”型和倒“S”型。晴天且土壤水分非充足状况下,农田潜热通量日变化正午前后存在明显的蒸散高地(evapotranspiration plateau),表现为蒸散量日变化曲线斜率的突然变化,表明发生暂时水分胁迫。在冬小麦蒸散通量日变化过程中,白天蒸散通量与可供能量之间呈正相关关系,夜间则相反,水汽通量与可供能量之间呈线性负相关关系。在非水分胁迫情况下,CO_2通量日变化为U型,CO_2通量与净辐射和潜热通量高度相关,白天与冠层温度呈线性负相关关系,在18~24℃范围内随着冠层温度的升高,CO_2负向通量逐步增加,夜间CO_2通量与冠层温度之间为正相关关系,随着冠层温度的升高,CO_2负向通量逐步增加,冬小麦灌浆期瞬态水分利用率大约为0.012~0.014g/g。 2.农田表面温度是由作物长势和外界的辐射、土壤水分状况等因素共同作用确定的。农田表面温度和气温的日变化过程中,由于叶面积指数的不同导致二者关系的差异,生长初期农田表面温度与气温高度相关,生长盛期农田表面温度与气温之间的关系较复杂,离散程度很大;影响冠层温度高低的主要能量因子为净辐射通量;风速变化对冠气温差的影响极为显著,二者呈负相关关系。农田表面温度季节变化过程中,冬小麦田部分植被覆盖情况下,下午13:40时刻内的表面温度可以监测表层5cm土壤水分状况,返青后下午13:30~14:00时段内的冠气温差能更好地反映土壤水分状况。与0-100cm土层土壤含水量相关程度最高,但出现小于3mm的降雨量时足以使降雨后第一天的表气温差资料失真。 3.冬小麦越冬前非阴雨天天气状况下,表气温差和相对蒸散量与0-5cm耕层土壤含水量高度相关,并与净辐射通量、显热通量和空气饱和差呈正相关关系,冬小麦出苗和苗期生长的适宜表气温差值为0℃以下;冬小麦生长发育盛期(LAI≥3),冠气温差和相对蒸散量与0-100cm土层土壤含水量相关程度最高,达到0.01信度水平,适宜的冠气温差值在-1.6~-2.5℃范围内。日蒸散量和日净辐射通量的差(ETa-Rn)与基于下午13:30~14:00时刻的冠气温差(Tc-Tmax)呈极显著的线性负相关关系,该关系可进一步研究应用卫星遥测冠层表面温度监测农田墒情。
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