在作物整個(gè)生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程中始終存在著與其生長(zhǎng)環(huán)境的物質(zhì)和能量的交換,這種交換主要通過(guò)光合作用、呼吸作用和蒸騰作用等過(guò)程實(shí)現(xiàn)。土壤水分是土壤-作物-大氣連續(xù)體的一個(gè)重要因子,也是實(shí)現(xiàn)作物一系列生理過(guò)程的主要介質(zhì),它的變化影響著作物蒸騰、光合作用和生物量的累積等。不考慮灌溉和降水等與土壤水分平衡相關(guān)的因子,由土壤剖面水分(通常是指水分能夠被植物根系直接或間接吸收和利用的土壤深度內(nèi)所含水分)在某一時(shí)段前后的變化量可以被定義為土壤水分供給量。土壤水分供給量與作物生物量和葉面積指數(shù)(LAD之間具有密切聯(lián)系。定量遙感具有反演區(qū)域尺度植被指數(shù)、生物量和LAI等參數(shù)的優(yōu)勢(shì),CERES-Wheat模型可以較為準(zhǔn)確地模擬單個(gè)樣點(diǎn)的冬小麥全生育期生物量、LAI和蒸散量的變化趨勢(shì),因此,充分利用遙感數(shù)據(jù)反演的和CERES-Wheat模型模擬的作物生長(zhǎng)及環(huán)境參數(shù)作為土壤水分供給量反演模型的輸入數(shù)據(jù),對(duì)提升土壤水分供給量的反演精度具有重要的研究意義。以關(guān)中平原為研究區(qū)域,將日均分?jǐn)傁禂?shù)和按冬小麥各生育期生長(zhǎng)和蒸騰耗水特點(diǎn)劃分的分段蒸騰系數(shù)引入土壤水分供給量反演模型,利用模型反演2013-2014年關(guān)中平原單日和冬小麥全生育期的土壤水分供給量。結(jié)果表明,3月24日的土壤水分供給量的反演結(jié)果大于5月11日的反演結(jié)果,與這一時(shí)期冬小麥生長(zhǎng)需水量的變化規(guī)律一致,關(guān)中平原冬小麥全生育期的土壤水分供給量主要集中于100-200mm,呈現(xiàn)出自東向西逐漸遞減的空間分布特征,與關(guān)中平原冬小麥?zhǔn)芩置{迫程度的區(qū)域性變化趨勢(shì)基本一致。在冬小麥全生育期有相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)階段地表覆蓋率較低,需要同時(shí)綜合考慮棵間土壤蒸發(fā)和作物蒸騰在作物整體蒸散中的比例以及實(shí)際蒸散量和參考蒸散量的關(guān)系。土壤水分供給量反演模型已經(jīng)能夠較好地調(diào)節(jié)土壤蒸發(fā)量與作物蒸騰量之間的關(guān)系,但在植被覆蓋度較低的條件下,蒸散量反演結(jié)果受到生物量增長(zhǎng)率過(guò)低的影響而偏小。為了對(duì)低植被覆蓋期的蒸散量反演結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,向土壤水分供給量反演模型引入由CERES-Wheat模型模擬的冬小麥各生育期的作物系數(shù)與遙感定量反演的作物系數(shù)計(jì)算的作物系數(shù)因子,利用優(yōu)化后的模型反演2013-2014年關(guān)中平原冬小麥全生育期土壤水分供給量,結(jié)果表明,引入作物系數(shù)因子的模型與未優(yōu)化的模型相比,在冬小麥全生育期和低植被覆蓋期的土壤水分供給量和蒸散量反演精度有明顯提升。在引入作物系數(shù)因子對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上,基于遙感數(shù)據(jù)和地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)用四維變分(4DVAR)與集合卡爾曼濾波(EnKF)數(shù)據(jù)同化方法對(duì)土壤水分供給量反演模型的輸入的生物量和LAI進(jìn)行同化。兩種同化生物量、LAI與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果表明EnKF同化方法能夠更加有效地結(jié)合觀測(cè)值與模擬值的優(yōu)點(diǎn),獲得與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更為相符的土壤水分供給量反演模型的輸入數(shù)據(jù)。將EnKF同化后的生物量和LAI輸入模型反演2013-2014年冬小麥全生育期土壤水分供給量,能夠使各樣點(diǎn)反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差從18.4%變化為14.1%,而RMSE從23mm變化為19mm�；�2000-2001年和2007-2008年冬小麥全生育期遙感數(shù)據(jù)和CERES-Wheat模型模擬數(shù)據(jù),應(yīng)用引入作物系數(shù)因子并經(jīng)同化算法優(yōu)化輸入數(shù)據(jù)的土壤水分供給量反演模型對(duì)兩個(gè)生育期的土壤水分供給量進(jìn)行反演,結(jié)果表明兩個(gè)生育期的區(qū)域尺度的土壤水分供給量的反演結(jié)果的空間及頻數(shù)分布均與實(shí)際情況相符,且2007-2008年的各樣點(diǎn)的反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差在10%左右,最小相對(duì)誤差僅有5.3%,RMSE為32mm,僅為部分旱作樣點(diǎn)實(shí)測(cè)值的10%左右,表明本文提出的模型適用于不同年份的冬小麥全生育期的土壤水分供給量的反演。綜合分析2000-2001年、2007-2008年和2013-2014年土壤水分供給量的反演過(guò)程及結(jié)果,在充分獲取和綜合考慮研究區(qū)域的降水、灌溉、地下水和地表徑流信息時(shí),可以提高土壤水分供給量反演模型的精度。在反演大空間范圍的土壤水分供給量時(shí),應(yīng)充分地利用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù),尤其是冬小麥主要生育期的遙感數(shù)據(jù),而且應(yīng)該盡量獲取多個(gè)衛(wèi)星軌道的同一時(shí)段的多景遙感影像,便于多個(gè)衛(wèi)星軌道覆蓋區(qū)域的反演結(jié)果的融合,以提高大空間范圍反演結(jié)果的精度。綜上所述,本文通過(guò)引入日均分?jǐn)傁禂?shù)、分段蒸騰系數(shù)、作物系數(shù)因子及利用同化算法優(yōu)化模型輸入數(shù)據(jù)完善土壤水分供給量反演模型,并利用模型對(duì)關(guān)中平原冬小麥全生育期土壤水分供給量進(jìn)行反演,反演結(jié)果通過(guò)了單點(diǎn)的數(shù)值驗(yàn)證和區(qū)域尺度的空間分布的驗(yàn)證,表明本文提出的土壤水分供給量反演模型在不同年份具有穩(wěn)定性和適用性。
【學(xué)位單位】：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：S512.11
【部分圖文】：

２N１地理位置逡逑關(guān)中平原又稱謂河平原，西起寶雞，東到

本文編號(hào)：2833310