基于遥感的农田土壤含水量面预报方法研究

基于遥感的农田土壤含水量面预报方法研究

纪瑞鹏,班显秀,张淑杰,张玉书,冯锐,陈鹏狮

（中国气象局沈阳大气环境研究所，沈阳，110016）

摘要

伴随着辽宁地区暖干化，农业用水紧张的矛盾日益突出，特别是旱作农业对水的依赖性越来越强。利用22年的常规气象和农业气象观测资料，完成了辽宁5个农业气候相似区玉米作物系数(K c)和土壤供水系数(K w)的确定，并在土壤水分平衡方程和彭曼—蒙特斯公式基础上，建立了0～50厘米深耕层内土壤含水量旬预报模式。利用NOAA气象卫星资料监测得到的农田含水量作为模式预报的初始值，在地理信息系统平台的支持下，将土壤含水量预报模式中所用参数的点状数据插值得到面状栅格数据，然后依据土壤含水量预报模式，利用地理信息系统的空间分析功能，实现了对每个像元未来旬农田土壤含水量进行的面预报。该方法对辽宁乃至广大干旱地区的玉米农田干旱发生的预测、预警和提高农田水分利用率具有现实意义。 关键词：玉米农田，土壤水分平衡，面预报，遥感监测，地理信息系统

1 引言

农田土壤含水量是直接影响作物生长发育好坏及产量高低的重要因素之一。为了有效利用土壤水资源，合理分配农业用水，发展综合节水和灌溉农业技术，做好抗旱工作，对农田土壤含水量未来变化趋势进行预报预测研究十分重要。

辽宁地处半干旱地区，玉米是全省最主要的粮食作物，播种面积约142.2万公顷，占农作物播种面积的39.2％，目前绝大部分地区玉米仍然是靠自然降水生产，产量起伏比较大。特别是近年来，干旱灾害对辽宁玉米生产影响非常大，1998～2004年已连续发生干旱灾害，水分条件从根本上限制辽宁玉米生产，因此研究适用于本地区的农田土壤含水量预报模式和方法是当前农业气象服务迫切解决的问题。近20年来对土壤含水量的预测研究已取得许多重要成果，国外有Thorthwaite提出的气候水分平衡的薄记法[1]，Baier等研制的通用水分平衡法[2]和Y.M安格斯坦法等[3];国内裴文祥、巫东堂、朱自玺、康绍忠[4～7]等的研究也取得许多重要结果。目前,国内外土壤含水量预测主要分为经验公式法、水分平衡法、消退指数法、土壤水动力学法、时间序列模型法、BP神经网络法等，但有关农田土壤含水量空间无缝隙面预报方法的研究还未见报道。

本文针对辽宁地区玉米农田土壤水分运动特点，利用常规气象和农业气象观测资料，计算出辽宁5个农业气候相似区的玉米作物系数和土壤供水系数,并以水分平衡方程和彭曼—蒙特斯公式为基础，建立了辽宁地区玉米农田土壤水分旬预报模式。利用遥感(RS)和地理

基金项目：科技部农业科技成果转化项目(05EFN217400412)、辽宁省科技厅攻关项目(2001207003)和辽宁省气象局“辽宁省农业气候资源综合评价方法研究” 共同资助。

作者简介：纪瑞鹏(1972-),男,1972年出生,副研究员,在读硕士生,主要从事卫星遥感和生态环境气象研究。

信息系统(GIS)相结合的技术，通过对土壤含水量预报模式中所用参数进行克里金（Kriging）空间插值，依据农田土壤含水量旬预报模式，实现了对每个像元未来旬农田土壤含水量进行的面预报。

1 预报模式建立的依据

1.1 土壤水分平衡方程

玉米农田含水量的变化受诸多因素的影响，如气象要素、玉米发育期、玉米品种、土壤性质等等，其中实际降水和蒸散量是决定玉米农田土壤含水量变化的最主要因素。在自然条件下，大气降水是辽宁玉米农田土壤水分的主要来源，而实际蒸散则是土壤水分的主要支出项。如果忽略作物截留量和作物自身含水量等项，则土壤水分平衡方程可表示为： 0=∆−−−−+W ET D J I R （1）

式中R 为降水量，I 为灌溉量，J 为地表径流量，D 为深层渗透量，ET 为农田实际蒸散量，W ∆为农田含水量变化量，以上各项单位为mm 。若某一时段开始时(n )土壤含水量已知，则时段结束时(1+n )土壤含水量为：

n n n n n n n ET D J I W R W −−−++=+1 （2）

式（2）中项目较全面，若各分量均能得到精确测量或计算的话，其预测结果必然会很精确。但在实际应用中，有些项目很难准确测定。结合辽宁省玉米农田基本无灌溉条件的实际情况，认为深层渗漏和径流近似为零，于是玉米农田土壤含水量的变化可简化表示为： n n n n ET R W W W −=−=∆+1 （3）

1.2 玉米农田土壤含水量预报时段的确定

土壤中含水量在土面蒸发及棵间蒸腾双重作用下，会逐渐降低。首先是土面变干，然后下层土壤中的水分因向上部传递输送也逐渐消耗。通常土壤含水量估算主要是依据耕作层的水分情况，因为耕作层是玉米根系的主要活动层，只要耕作层的土壤含水量处于萎蔫系数以下，作物就进入灾危临界状态。而生长季耕作层的含水量由适宜状态降至萎蔫系数以下，最短只需10d 左右的时间，结合农业气象墒情观测及发报实际情况，确定旬为时间单位进行农田土壤水分预报[8]

。 1.3 玉米农田土壤含水量预报层次的确定

农田土壤含水量是指某一时刻一定深度内土壤层实际涵有的水量，它是土壤湿度)(h θ的函数，由土壤湿度的实测值逐层计算累加而得：∑∆=h h W a )(θ。

土壤含水量随着地理位置及时间的变化而产生很明显地动态变化，需强调的是，土壤含水量与给定的计算深度有关，本文讨论土壤水的储量变化时,确定0～50厘米深度为玉米田土壤含水量预报层次[8]

。

2 预报模式各分项的计算方法

由式（3）分析，农田实际蒸散量（ET ）及其计算精度是计算土壤水分平衡的关键因素。

2.1玉米农田实际蒸散量的计算

实际蒸散量是表征玉米在某时段内土壤水分的实际耗散量,它包括棵间蒸发和植株蒸腾两部分，一般由计算得出。根据彭曼蒸散原理，对玉米农田实际蒸散量的估算可表征为：

w c K K ET ET ⋅⋅=0 （4）

式中：0ET 为可能蒸散量;c K 为玉米作物系数;w K 土壤水分供应系数。

2.1.1 可能蒸散量的计算

本文采用联合国粮农组织(FAO)推荐的修正后的彭曼—蒙特斯(Penman—Monteith)公式

(5)进行计算。

()()()

22034.01273900408.0U e e U T G R ET d a n ++∆−++−∆=γγ （5） 式中 :0ET 为参考作物蒸散量(1−⋅d

mm );Δ为平均气温时饱和水汽压随温度的变化率(⋅Kpa ℃-1);n R 为净辐射 (12−−⋅d m MJ );G 为土壤热通量(12−−⋅d

m MJ );γ为湿度表常数 (⋅Kpa ℃-1);2U 为 2ｍ高处的平均风速 (1−⋅s m );a e 为达到平均气温时的饱和

水汽压 (Kpa )，可查表获取;d e 为达到平均气温时的实际水汽压(Kpa )。

2.1.2 玉米作物系数的计算

在利用式(4) 计算实际蒸散ET 时，首要需确定本地区的玉米作物系数。玉米作物系数为玉米最大蒸散量与可能蒸散量的比值，即

ET ET K m c = （6） 式（6）成立条件为农田水分充分供应玉米群体生长发育的需求，也就是没有水分胁迫（田间有效相对含水量≥75%）。

根据辽宁地区18个农试站1980～2002年常规气象和农业气象观测资料，利用农田水分平衡原理，确定了辽宁5个农业气候相似区的玉米作物系数旬值（表1），详细计算过程见文献[9]。

表1 辽宁各地区玉米作物系数旬值

Table 1 The coefficients of corn in Lioaning

时间(旬/月）上/4 中/4下/4 上/5 中/5 下/5上/6中/6下/6上/7中/7下/7上/8中/8 下/8 上/9 中/9 下/9辽宁东部 0.39 0.48 0.54 0.61 0.69 0.75 0.85 0.93 0.97 1.02 1.13 1.24 1.18 1.14 1.03 0.93 0.85 0.75 辽宁南部 0.35 0.48 0.55 0.60 0.70 0.79 0.85 0.93 0.99 1.15 1.21 1.26 1.18 1.12 1.03 0.93 0.85 0.72 辽宁西部 0.26 0.39 0.44 0.49 0.52 0.56 0.58 0.70 0.81 0.89 1.13 1.29 1.19 0.94 0.89 0.90 0.77 0.66