土壤水分监测课件

北京市农业水资源监测与管理二〇一二年四月二十一日2011年度农业节水科技奖交流材料（二等奖）申报单位：中国水利水电科学研究院北京市水利水电技术中心北京市农业水资源监测与管理二〇一二年四月二十一日2011年度汇报提纲项目关键成果及其取得方式先进性1来源与背景23４5成熟程度适用范围创新点４6应用情况及存在问题7效益及发展前景汇报提纲项目关键成果及其取得方式先进性1来源与背景23一、来源与背景我国农业用水面临的突出问题总量不足我国人均水资源仅为世界平均水平的1/4。正常情况下，每年农业缺水大体上是在300亿—400亿立方米。未来农业用水零增长，水资源面临长期不足状况。分布不均时间分布：常年夏季降水量占全年的70%以上。空间分布：淮河以北地区耕地面积占全国的近2/3，空间分布：拥有水资源量却不足全国的1/5。利用率不高农业灌溉水每立方米平均生产1公斤粮食。每亩每毫米降水生产0.5公斤粮食。以上两项指标均仅为发达国家水平的一半。一、来源与背景我国农业用水面临的突出问题总量不足我国人均水资一、来源与背景干旱是影响粮食生产的最大灾种

近5年，农作物年均因旱受灾3.1亿亩，其中成灾1.8亿亩，绝收3600多万亩，分别占各种自然灾害农作物总受灾面积、成灾面积、绝收面积的49%、52%和49%。每年因旱灾年均损失粮食450多亿斤，占因自然灾害损失粮食的50%以上。----从损失上看:----从区域上看:

三北地区的春旱、秋旱，黄淮地区的春旱、秋旱、冬旱，江淮地区、西南地区的夏伏旱，长江流域、华南地区的秋旱等，北方有的地区是“十年九旱”。一、来源与背景干旱是影响粮食生产的最大灾种近5干旱是影响粮食生产的最大灾种一、来源与背景----从历史上看:

自1970年代初期开始，干旱危害一直呈加重趋势，在1990年代末期达到高峰，2000年前后有所下降，但近几年又呈上升趋势。----从近几年看:

2006年我国经历了川渝大旱，损失粮食100亿斤；2007年东北地区的夏伏旱，损失粮食100亿斤；2009年东北地区的夏伏旱，损失粮食160亿斤；2010年西南地区的特大干旱，损失粮食33.7亿斤，直接造成夏粮减产。干旱是影响粮食生产的最大灾种一、来源与背景----从历史上缺水是制约粮食生产的突出矛盾一、来源与背景水资源与耕地密切相关，耕地紧张的背后实际上是缺水问题。有水就有耕地，就有生产能力。解决好水的问题，东北西部有60亿斤以上的增产潜力，三江平原有350亿斤的增产潜力，新疆北部有200亿斤的潜力。缺水是制约粮食生产的突出矛盾一、来源与背景水资源与耕节水是提高粮食单产的有效途径一、来源与背景

有关专家测算，如果将灌溉水的粮食生产效率提高0.1公斤/立方米，旱作区每毫米降水的粮食生产效率提高0.1公斤/亩，可增加粮食生产能力1000亿斤以上，相当于河南省全年的粮食产量。

粮食安全的基础在耕地，粮食增产的潜力在节水。在保护耕地数量、改善耕地质量的同时，应更加重视节水农业建设与发展。结论：节约用水，利国利民节水是提高粮食单产的有效途径一、来源与背景有关专重工程措施轻非工程措施基于供水的管理理念静态、固定，实效性差农业用水量计算及灌溉定额的确定过于宏观、概化；农业节水效果，缺乏客观、准确的评价体系一、来源与背景大型灌区农业节水管理中存在的问题作物需水量充分灌溉灌溉定额总量控制灌溉制度供水计划一、来源与背景大型灌区农业节水管理中存在的问题作物需水量充分一、来源与背景新的农业用水管理理念：灌溉依据：作物耗水量ET非充分灌溉真实节水

基于ET需水管理理念节水农业的关键在单位水量的产出，即水资源的高效率利用。节水农业并不是单纯的节水，它必然是与产出联系在一起。一、来源与背景新的农业用水管理理念：灌溉依据：作物耗水量E一、来源与背景

中国水利水电科学研究院从GEF海河项目伊始就致力于遥感ET技术的探索与应用，并为北京市水资源管理提供技术支撑。基于ET需水管理理念，充分发挥遥感技术手段的优越性，将其应用于作物耗水量和土壤水分监测、作物灌水量预报、节水效果评价等环节中，实现区域灌溉准确预报、决策以及农业灌溉节水效果的快捷、客观定量评估。一、来源与背景中国水利水电科学研究院从GEF海河项目伊始二、关键成果及其取得方式研究区概况项目以北京市冬小麦-夏玉米为研究对象。涉及通州区、大兴区的全部和顺义区、房山区、昌平区、怀柔区、密云区和平谷区的平原部分，土地面积441055公顷，约占全市土地总面积的26.81%。

二、关键成果及其取得方式研究区概况项目以北京市冬小麦-夏玉米作物系数Kc标定研究土壤含水量遥感分析作物精量灌溉预报模型基于ET的节水效果评价方法研究二、关键成果及其取得方式作物系数Kc标定研究二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式FAO定义：指生长在大面积农田上的作物群体，在给定的环境中在土壤水分适宜、正常生长、产量水平较高条件下所消耗的水量,包括植株蒸腾和棵间蒸发量之和，简称腾发量，又称田间耗水量或作物需水量，表示为ET（Evapotranspiration)。不包括输配水过程中径流损失和田间渗漏水量。在生产实践中用作物的蒸腾量和颗间蒸发量来表示作物需水量。ET值根据需要可按时间分为单项作物某一生育阶段ET，全生育期的ET等。也可按地域空间分为某一作物种植区的ET，某灌区的ET等。(一)作物系数Kc标定研究作物需水量定义

植株蒸腾Traspiration株间蒸发Evaporation

二、关键成果及其取得方式FAO定义：指生长在大面积农田上的作作物需水量或田间耗水量是反映农业用水最关键的基础数据。农田节水的核心就是通过降低无效的蒸腾蒸发，提高水分利用效率，实现资源型和效益型节水。二、关键成果及其取得方式(一)作物系数Kc标定研究作物需水量意义

作物需水量或田间耗水量是反映农业用水最关键的基础数据。农田节研究思路

(一)作物系数Kc标定研究作物需水量ETpVILAI作物种类K品种V发育期Ф作物生长状况GKc作物参考需水量ET0线性关系二、关键成果及其取得方式ETp=ET0*Kc研究思路(一)作物系数Kc标定研究作物需水量ETpVILA二、关键成果及其取得方式(一)作物系数Kc标定研究Kc与植被指数VI的关系推导

VI对作物生长和土壤水分的指示作用

植被指数NDVI是植被生长状态及植被盖度的最佳指示因子。一般说来，NDVI能反映植被状况，而植被状况与植被水分含量、蒸腾蒸发量、土壤水分有关。植被指数可以密切反映各种测量所得土壤的水分有效性。F1(B)=F1(K,V,Φ,G)Kc=F1(B)≈f1(LAI)LAI=f(VI)Kc=F1(B)≈f1(LAI)=f2(VI)二、关键成果及其取得方式(一)作物系数Kc标定研究Kc与植被二、关键成果及其取得方式(一)作物系数Kc标定研究本研究主要针对北京市主要大田作物冬小麦、玉米等进行分析研究。

区县名称缩写小麦样本个数玉米样本个数区县名称缩写小麦样本个数玉米样本个数通州57海淀10密云22大兴85怀柔22房山46顺义36昌平21平谷11延庆04区县合计2834二、关键成果及其取得方式(一)作物系数Kc标定研究本研究主要二、关键成果及其取得方式(一)作物系数Kc标定研究主要植被指数计算公式NDVIEVIRVISAVI以MODIS为数据源，选取植被指数如下表：

二、关键成果及其取得方式(一)作物系数Kc标定研究主要植被指类型关系模型R2Kc—NDVI线性y=2.0824x-0.02420.6671指数y=0.8098Ln(x)+1.60550.6752Kc—RVI线性y=0.2644x+0.12300.5495指数y=0.8078Ln(x)+0.10090.6410Kc—SAVI线性y=2.7185x+0.02730.7350指数y=0.7387Ln(x)+1.81320.7853Kc—EVI线性y=1.3306x+0.50510.3818指数y=0.2235Ln(x)+1.22630.4753冬小麦Kc—VI关系模型类型关系模型R2Kc—NDVI线性y=2.0824x-玉米作物系数Kc-VI关系模型作物类型关系类型关系模型R2春玉米Kc—NDVI线性y=0.9169x+0.39560.7567指数y=0.3598Ln(x)+1.15270.8190Kc—RVI线性y=0.0838x+0.53840.5145指数y=0.3069Ln(x)+0.50350.6296Kc—SAVI线性y=1.1291x+0.46010.6720指数y=0.3357Ln(x)+1.25830.7440Kc—EVI线性y=0.3653x+0.80840.2726指数y=0.1093Ln(x)+1.06880.2103夏玉米Kc—NDVI线性y=0.9751x+0.30070.7231指数y=0.464Ln(x)+1.13760.7013Kc—RVI线性y=0.0857x+0.49710.6753指数y=0.3377Ln(x)+0.40140.7229Kc—SAVI线性y=1.0976x+0.41230.7013指数y=0.3683Ln(x)+1.21240.6619Kc—EVI线性y=0.6506x+0.60270.4149指数y=0.2626Ln(x)+1.11770.3503玉米作物系数Kc-VI关系模型作物类型关系类型关系模型R2春二、关键成果及其取得方式(一)作物系数Kc标定研究成果特色基于遥感方法标定作物系数Kc空间上推求作物整个生育期的Kc实现作物实际耗水量监测二、关键成果及其取得方式(一)作物系数Kc标定研究成基于遥感作物系数Kc标定研究土壤含水量遥感分析作物精量灌溉预报模型基于ET的节水效果评价方法研究二、关键成果及其取得方式作物系数Kc标定研究二、关键成果及其取得方式土壤水是作物生长和发育的直接水分来源，在农作物的生长过程中起着关键作用。为了提高土壤水的利用率，减少无效蒸发，节约农业用水，就需要对土壤水分进行实时、动态监测。

遥感反演土壤水分的原理：就是利用地表反射的太阳辐射或本身发射的远红外、微波辐射等信息和变化规律推算土壤水分含量。(二)土壤含水量遥感分析二、关键成果及其取得方式土壤水是作物生长和发育的直接水分来源，在农作物的生长过程中起不同类型土壤的光谱反射特性沙土在不同含水量下的反射特性土壤的光谱特性不同类型土壤的光谱反射特性沙土在不同含水量下植物的光谱特性：不同的植物由于结构和叶绿素含量不同，具有不同的光谱特征，特别是近红外波段有较大的差别。影响植物光谱的因素

植物叶子的颜色叶子的组织结构叶子的含水量植物的覆盖度植物的光谱特性：不同的植物由于结构和叶绿素含量不同，具有不同(二)土壤含水量遥感分析二、关键成果及其取得方式目标作物全生育期的土壤水分监测数据MODIS数据源方法NDVI<0.3:裸土或低植被覆盖下，热惯量方法NDVI>=0.3:作物覆盖下，引入植被指数的改进热惯量方法根据浅层0~20cm土壤水分推求深层0~40cm土壤水分验证2005年数据进行模型率定，2006年数据进行模型验证(二)土壤含水量遥感分析二、关键成果及其取得方式目标作物全以上模型验证结果显示，小麦模型的平均相对误差为5.15％，其中小于10%的占90%；玉米模型的平均相对误差为4.31％，其中小于10%的占93%，小于20%的占100%，已经达到了精度要求。

模型精度分析及验证(二)土壤含水量遥感分析二、关键成果及其取得方式以上模型验证结果显示，小麦模型的平均相对误差为5.15％，其作物系数Kc标定研究土壤含水量遥感分析作物精量灌溉预报模型基于ET的节水效果评价方法研究二、关键成果及其取得方式作物系数Kc标定研究二、关键成果及其取得方式灌溉是农业生产过程中的重要环节和技术措施，科学的灌溉不仅节省水量、增加效益，而且可以减轻农业环境的负荷。作物精量灌溉预报是在气象预报的基础上，根据对灌区各田块作物真实耗水量的预测，确定出作物最近一次的灌水日期和灌水量，从而精细、准确的调整灌区的灌溉用水计划，提高灌水效率和水的利用率，实现农业水的可持续利用。二、关键成果及其取得方式(三)作物精量灌溉预报模型灌溉是农业生产过程中的重要环节和技术措施，科学的灌溉不仅节省(三)作物精量灌溉预报模型灌溉预报基本原理利用当前的土壤含水量推算下一阶段的土壤含水量，进而预报灌溉时间和灌水量。二、关键成果及其取得方式其中，W(x,y)：当前土壤含水量；I(x,y)：预报时段内灌水量；Pe(x,y):预报时段内降水量；ET(x,y)：预报时段内正散发。(三)作物精量灌溉预报模型灌溉预报基本原理二、关键成果及灌溉预报模型计算流程初始土壤含水量θ0预报时段降水量Pe预报时段ETWt<Wmin结合作物种类计算土壤储水量开始根据水量平衡方程计算设定初始日期和预报天数结束预报灌水量作物生育期适宜含水率下限WminYesNo(三)作物精量灌溉预报模型二、关键成果及其取得方式灌溉预报模型计算流程初始土壤含水量θ0预报时段降水量Pe预报(三)作物精量灌溉预报模型二、关键成果及其取得方式(三)作物精量灌溉预报模型二、关键成果及其取得方式作物系数Kc标定研究土壤含水量遥感分析作物精量灌溉预报模型基于ET的节水效果评价方法研究二、关键成果及其取得方式作物系数Kc标定研究二、关键成果及其取得方式(四)基于ET的节水效果评价方法研究研究思路遥感ET

遥感生物量作物耗水规律作物耗水量—生物量关系作物耗水量—水分生产率关系有效降雨评价方法二、关键成果及其取得方式水分生产率(四)基于ET的节水效果评价方法研究研究思路遥感ET遥感生三、关键成果及其取得方式(四)基于ET的节水效果评价方法研究二、关键成果及其取得方式通过对作物全生育期耗水量与水分生产率和作物生物量的关系分析发现：（1）作物耗水量与水分生产率和作物生物量的关系都呈抛物线变化且存在极大值；（2）开始，随着作物耗水量的增加，作物生物量和水分生产率同时增大，当作物耗水量增加到一定程度后，二者增速放缓并逐步达到极大值，且作物水分生产率先于作物生物量达到峰值；（2）随着耗水量的进一步增加，生物量保持相对在高水平上，作物水分生产率开始产生负效应结论：有限供水条件下作物的耗水量应在两个抛物线的极大值点之间变化。三、关键成果及其取得方式(四)基于ET的节水效果评价方法研究有效降雨三、关键成果及其取得方式Class：=1：总灌水量不足区；=2：总灌水量适宜区；=3：阶段灌水量不合理区；=4：总灌水量过量区。二、关键成果及其取得方式有效降雨三、关键成果及其取得方式Class：=1：总灌水量不(四)基于ET的节水效果评价方法研究二、关键成果及其取得方式冬小麦分类年份总灌水量适宜区总灌水量过量区阶段灌水量不合理区总灌水量不足区单产产量（kg/mu）2003-2004年52%23%8%17%383.582004-2005年42%26%17%15%364.282005-2006年20%19%15%46%352.81200420052006(四)基于ET的节水效果评价方法研究二、关键成果及其取得方式(四)基于ET的节水效果评价方法研究二、关键成果及其取得方式分类年份总灌水量适宜区总灌水量过量区阶段灌水量不合理区总灌水量不足区单产产量（kg/mu）2004年80%2%13%4%363.702005年70%7%14%9%344.752006年89%2%6%3%368.89玉米200420052006(四)基于ET的节水效果评价方法研究二、关键成果及其取得方式充分发挥了遥感技术手段的优越性以及遥感ET精度高、省时省力，而且可实现大范围长期宏观监测的优势；将遥感技术应用于作物系数Kc标定、土壤水分监测、作物灌水量预报、节水效果评价等环节中，实现了区域灌溉准确预报、决策以及农业灌溉节水效果的快捷、客观定量评估；创新性地提出了基于遥感ET的区域农业用水效果评估的技术方法和有限供水条件下的作物需水量计算方法。

知名权威专家一致认为：项目研究成果对于农业用水与节水管理具有重要参考价值，达到国际先进水平。三、项目先进性充分发挥了遥感技术手段的优越性以及遥感ET精度高、省时省力，创新点一：将遥感ET新技术综合应用于典型作物耗水量监测、灌溉管理、节水效果评估等过程，提出了基于遥感ET的区域农业用水效果评估的技术方法；创新点二：利用遥感数据并结合地面试验资料，推求了区域典型作物全生育期的作物系数，开发了作物系数遥感标定模型，并建立了有限供水条件下的作物需水量计算方法；创新点三：建立了典型作物全生育期基于遥感ET的耗水量—生物量、耗水量—水分生产率关系，对区域典型作物用水效果进行了定量评价。四、创新点创新点一：将遥感ET新技术综合应用于典型作物耗水量监测、灌溉五、成熟程度适用范围成熟程度项目组从2003年伊始就致力于遥感ET技术的探索与应用，2008年以后，研究成果不断成熟，并逐步在北京市农业水资源管理及潮白河流域水资源管理中得到成功应用。适用范围