农业旱情遥感监测的一种改进方法及其应用

从地表蒸散的角度出发,利用基于Priestley-Taylor公式与地表温度 植被指数(LST-VI)三角形特征空间的半经验蒸散模型,对农业干旱遥感监测方法进行改进,推导得到简化型蒸散胁迫指数(SESI).利用2008、2009年3-11月的MODIS陆地标准产品数据,构造了3种特征空间建模计算了SESI,对京津冀平原地区开展了农业旱情监测试验,并与温度植被干旱指数(TVDI)进行比较.结果表明: SESI有效地简化了基于地表蒸散估算的遥感干旱监测方法,对土壤表层水分(10、20 cm)有着良好的指示作用.该方法春、秋季监测效果优于夏季,且不同时相SESI的可比性优于TVDI.将SESI指数应用于大面积农业旱情连续监测具有一定可行性.     

基于地表温度-植被指数特征空间的区域土壤干湿状况

土壤干湿状况是监测土地状况的重要指标之一,在水文、气候和生态等多个领域有广泛应用.地表温度-植被指数特征空间(Ts/VI)综合了传感器从可见光到近红外波段的信息,能较好地反映区域土壤干湿状况.以华北平原作为研究区,选择了研究区的云量较少的16幅MODIS产品,包括每日500m地表反射率产品(MOD09GA),每日1km地表温度产品(MOD11A1),建立温度-植被指数特征空间.首先利用线性方程拟合了特征空间的上下边界,改进了计算特征空间的干湿边的方法,并分析了干湿边参数随时间变化的趋势,比较了归一化植被指数(NDVI)和增强型植被指数(EVI)构建的地表温度-植被指数特征空间形状的差异.基于研究区107个土壤湿度站点的数据,讨论分别由Ts/NDVI和Ts/EVI特征空间计算得到的温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,简称TVDI,分别为TVDIN与TVDIE)和土壤湿度的相关性,以此验证TVDI反映区域土壤干湿状况的能力.利用Ts/EVI空间计算得到的TVDI分析了研究区4个时期土壤湿度的5空间分布规律.同时在气象站点尺度上,讨论了TVDI与降水变化的相关性.研究结果表明,TVDI能够反映土壤表层的干湿状况;Ts/EVI空间计算得到的TVDI与土壤湿度的相关性比Ts/NDVI空间计算得到的TVDI与土壤湿度的相关性要高.降水随时间变化的规律和TVDI也有明显的相关性,即:每次连续降水以后TVDI值下降,表明土壤湿度升高;经过一段无降水的时间之后,TVDI值上升,土壤湿度降低.研究区不同时期的TVDIE图表明,TVDIE能够有效的反映土壤湿度的时空差异,是一种有效的实时监测土壤干湿状况的手段.     

基于地面遥感信息与气温的夏玉米土壤水分估算方法

土壤水分是土壤-植被-大气连续体的一个重要组分,是决定陆地生态系统水分状况的关键因子,也是作物的水分供应库.为了估算站点尺度不同深度的土壤水分,基于下垫面能量平衡方程和水分亏缺指数,提出了基于地面遥感信息(归一化植被指数和下垫面温度)和气温估算土壤相对湿度方法.利用2014年中国气象局固城生态与农业气象试验站夏玉米水分控制试验资料验证的结果表明: 该方法可以有效估算不同深度的土壤相对湿度,陆地生态系统的潜在干旱程度即实际蒸散与潜在蒸散之比与不同深度土壤湿度呈显著的线性关系.其中,0～10 cm土层的土壤水分估算精度最高,决定系数达0.90;0～20 cm到0～50 cm土层土壤水分估算的平均相对误差均在15%以内,相对均方根误差均在20%以内.研究结果可为作物的干旱监测与灌溉管理提供参考.     

基于植被/温度特征的黄土高原地表水分季节变化

地表水分是监测土地退化的一个重要指标,是气候、水文、生态、农业等领域的主要参数。选择陕北黄土高原地区作为研究区域,首先采用基于植被覆盖特征的植被状态指数（Vegetation Condition Index,简称VCI）和基于地表温度特征（Land Surface Temperature,简称Ts）的温度状态指数（Temperature Condition Index,简称TCI）分别评价了区域地表水分状况的季节变化。在此基础上分析了植被指数与地表温度特征线性关系的季节变化规律,计算了基于两者经验关系的地表干燥度指数（Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI）。该指数对Ts／NDVI特征空间的生态特征的解释,对土壤和作物的水分含量具有综合的指示意义。文中利用该指数综合评价了研究区域地表水分状况的时空分布差异,进一步对VCI、TCI与TVDI相关关系的季节变化进行比较分析,并结合气候因子进行了相关验证,从而对不同指数的应用范围做出判定。研究结果表明,单独采用TCI或VCI表征地表水分会受到明显的季节影响,而TVDI能在不同季节综合体现植被覆盖和地表温度特征对地表水分的影响,从而能较好的反映区域地表水分状况的时空变化特征。各区域的TVDI值季节分布上皆为4—7月份高于10-翌年1月份,但各区TVDI值的季节变化则存在显著不同,而各流域内部TVDI值的空间变异性也存在季节差异,其中在10月份较为显著。     

三种干旱指数在干旱区沼泽湿地土壤水分遥感反演中的应用

湿地水文条件对湿地生态系统结构和功能起着关键作用。借助卫星遥感技术,以干旱区疏勒河中下游沼泽湿地为研究对象,基于Landsat8 OLI遥感影像的温度植被干旱指数(TVDI)、垂直干旱指数(PDI)和归一化干旱监测指数(NPDI)3种干旱监测方法,结合野外湿地实测土壤水分数据进行比较和验证。结果表明:(1)TVDI、PDI和NPDI3种干旱指数在不同土层中均与土壤实测水分呈显著负相关(P0.01),且NPDI指数与表层土壤水分的拟合效果最好。不同土层中,3种干旱指数与土壤水分的拟合优度大小均为NPDITVDIPDI;(2)研究区同一湿地类型不同土层的土壤水分存在显著差异(P0.05),且不同湿地类型的土壤水分总体上表现为随着土壤深度的增加呈递增态势;(3)研究区同一土层不同湿地类型的土壤水分差异显著(P0.05),且不同土层中土壤水分的大小均为:沼泽化草甸草本沼泽季节性咸水沼泽内陆盐沼。     

TVDI模型的农业旱情时空变化遥感应用

温度植被干旱指数(TVDI)是一种通过反演土壤湿度来反映农业干旱状况的重要方法,其中能量平衡和植被指数的变化是影响TVDI模型精度的主要因子。在研究比值植被指数(RVI)、归一化植被指数(NDVI)、增强型植被指数(EVI)和修正土壤调节植被指数(MSAVI)和下垫面温度(Ts)的基础上,引入DEM数据并对Ts做地形校正,减少了地形起伏对能量平衡的影响,建立不同植被指数的Ts-Ⅵ特征空间,选择与土壤湿度相关性最好的温度植被干旱指数(TVDI),获取研究区2005年作物生长季(5—9月)的干旱状况,并用同步的气象信息对干旱状况进行验证。结果表明:根据不同时期采用不同植被指数的TVDI模型,经过地形校正后能够更好地反映研究区的农业干旱状况。     

青藏高原高寒草甸植被特征与温度、水分因子关系

以广布于青藏高原的高寒草甸为研究对象,进行模拟增温实验,探讨高寒草甸植被特征与温度、水分因子关系,并试图论证高寒草甸植被是否符合生物多样性代谢理论.结果表明:①高寒草甸植被物种多样性的对数与绝对温度的倒数呈显著线性递减关系,空气-地表-浅层土壤(0-20 cm)温度(R2 ＞0.6,P＜0.01)较深层土壤(40-100 cm)温度(R2＜0.5,P＜0.05)对物种多样性影响大;其植被新陈代谢平均活化能为0.998-1.85 eV,高于生物多样性代谢理论预测值0.6-0.7 eV,这是高寒草甸植被对长期低温环境适应进化的结果.②除趋势对应分析和冗余分析显示,温度对植被地上部分影响较大,而土壤水分对全株影响均较大,适当的增温与降水均可极显著促进高寒草甸植被生长.③逐步回归和通径分析显示,40 cm、60 cm深度土壤水分对植被地上部分产生直接影响,20 cm高度空气相对湿度和40 cm深度土壤温度对其产生间接影响;40 cm深度土壤温度和60 cm深度土壤水分对植被地下部分产生直接影响,红外地表温度对其产生间接影响.深层土壤温度和水分对高寒草甸植被具有影响作用,这可能与增温后冻土的融化有关,但其机理尚待进一步研究.     

黄土高寒区坡面土壤水分的时间稳定性

为揭示黄土高寒区人工林土壤水分的时空变化特征,基于2018年植被生长期一处典型人工植被恢复坡面0—200cm剖面土壤含水率连续动态数据,运用经典统计和时间稳定性分析,研究不同深度土壤含水率的时空变异性和时间稳定性。结果表明:在测定时段内,剖面各土层深度土壤含水率无显著差别,在空间上均表现为中等变异性,呈现随土层深度的增加而增大的趋势,在时间上表层表现为中等变异性,其余各层均表现为弱变异性,深层土壤水分的时间变异性小于浅层;随着测定时间变化,试验地0—200cm土壤含水率Spearman秩相关系数均达到0.8以上,且呈极显著相关,表现出一定的时间稳定性特征;土壤含水率的时间稳定性随土层深度的增加而增强,具有深度依赖性;基于相对差分分析可以选择代表性测点监测区域平均土壤含水率(决定系数R²为0.7138—0.8605),以期为合理布设土壤水分监测点提供理论依据,对于植被恢复与生态重建模式的选择具有指导意义。     

科尔沁沙地不同地形小叶锦鸡儿灌丛土壤水分动态

根据科尔沁沙地广泛分布的小叶锦鸡儿灌丛的植被调查和土壤水分监测数据,分析了沙地人工固沙灌丛的土壤水分时空动态和土壤储水量变化,并应用水量平衡法测定了灌丛蒸散发.结果表明:丘间地的土壤水分条件最好,丘中次之,丘上最低;灌丛区的土壤水分含量随深度增加而增加,在生长季内不会发生水分胁迫.灌丛区土壤水分与降雨过程高度相关,深层(50～180 cm)土壤水分同降雨的相关性高于表层(0～50 cm)土壤,并且深层土壤水分的变异也大于表层.整个生长期内,小叶锦鸡儿灌丛土壤储水量增加,土壤水分处于积累中,估算蒸散量占同期降雨量的64%以上.     

嘉峪关草湖湿地土壤水分含量与植被盖度的空间格局

土壤水分含量是植被格局形成和演变的主要因素。探讨干旱区盐沼湿地土壤水分含量的空间异质性,有助于揭示湿地植物的环境适应机理和土壤水分与湿地植物的相互关系。本研究利用地统计学方法建立了嘉峪关草湖湿地3个不同长势(植被盖度高、中、低)假苇拂子茅(Calamagrostis pseudophragmites)单优种群斑块土壤(0～90 cm)水分含量与植被盖度的变异函数理论模型,以Kriging插值法绘制了土壤水分含量与植被盖度的空间格局分布图,采用Moran I系数确定了湿地土壤水分含量和植被盖度的空间自相关关系,分析了湿地土壤水分含量与植被盖度的空间异质性及其相互作用关系。结果表明:草湖湿地样地土壤的平均含水量为湖边干湖沙丘间平地;盐分平均含量为干湖湖边沙丘间平地;在斑块尺度上,土壤水分含量和植被盖度均符合正态分布;各层土壤水分含量和假苇拂子茅盖度的空间结构均具有明显的斑块状分布特点,且均存在高度的空间异质性; 3个样地各层土壤的水分含量和植被盖度均具有空间正相关性和空间集聚特征,60～90 cm土壤水分含量的空间集聚强度较0～30和30～60 cm土层更大,湖边样地植被盖度空间集聚特征更明显。假苇拂子茅最大限度利用土壤水分资源,提高了其对干旱生境的适应力,且在一定程度上影响小尺度土壤水分的空间分布格局。