華北平原典型干旱年土壤水分及灌溉特征遙感分析

安淳淳，王飛，3?，焦俏，張雨果

（1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌；2.中國科學(xué)院大學(xué)，100049，北京；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌；4.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌）

華北平原典型干旱年土壤水分及灌溉特征遙感分析

安淳淳1，2，王飛1，2，3?，焦俏4，張雨果4

（1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌；2.中國科學(xué)院大學(xué)，100049，北京；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌；4.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌）

華北平原作為我國的糧食主產(chǎn)區(qū)，土壤水分是制約作物生長(zhǎng)的主要限制因子。本文首次運(yùn)用土壤水分指數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)華北平原土壤水分以及灌溉特征進(jìn)行空間分析，旨在為區(qū)域尺度農(nóng)田旱情以及農(nóng)作物產(chǎn)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)提供相關(guān)參考。研究基于1993—2002年華北平原逐旬降雨數(shù)據(jù)和主動(dòng)微波遙感反演的土壤水分指數(shù)數(shù)據(jù)，應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)分析方法，分析典型干旱年（1999年）該區(qū)表層土壤水分時(shí)空變異特征，并提取和分析小麥生長(zhǎng)期內(nèi)的灌溉信息；通過對(duì)逐旬的降水和土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的空間疊置分析，提取區(qū)域內(nèi)的灌溉信息。結(jié)果表明：1999年降水量比多年（1993—2002年）平均量少約140mm；1999年土壤水分變化與降水變化整體保持一致，低于多年平均水平，春季和夏季，土壤水分減少尤為明顯，土壤干旱非常普遍；小麥生長(zhǎng)期內(nèi)，大部分地區(qū)均存在不同程度的灌溉，其中中部地區(qū)灌溉次數(shù)最少，占研究區(qū)面積的65％左右的南部和北部地區(qū)灌溉次數(shù)多為2～3旬次。采用降水量和遙感水分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以分析土壤水分變化的原因，提取灌溉的范圍和時(shí)間特征，并可為旱情遙感監(jiān)測(cè)提供科學(xué)參考。

土壤水分；時(shí)空變異特征；降水；灌溉；華北平原

土壤水是作物吸水的最主要來源［1］，對(duì)于我國的旱作農(nóng)業(yè)和植被生長(zhǎng)具有十分重要的意義［2-3］。華北平原作為我國的重要糧食產(chǎn)區(qū)，除降水補(bǔ)給，土壤水分還在很大程度上受灌溉影響，灌溉也因此成為制約作物生長(zhǎng)的主要限制因素［4］。有關(guān)灌溉問題的研究較多，主要集中在對(duì)農(nóng)田作物水分虧缺程度的評(píng)價(jià)等方面［5-9］，關(guān)于灌溉范圍及持續(xù)時(shí)間的研究較少。如何運(yùn)用遙感數(shù)據(jù)對(duì)大范圍地表土壤水分及干旱、灌溉問題進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有著特別重要的價(jià)值。本文所使用的主動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)來源于歐洲航空局（European Space Agency，ESA）發(fā)射的歐洲遙感衛(wèi)星（European Remote Sensing Satellites，ERS），ERS -1/2（1990—2005年）以及METOP- A（2006—2016年），其上搭載的風(fēng)散射計(jì)（wind scatterometer，WSC）以及新一代散射計(jì)（advanced scatterometer，ASCAT），由于散射信號(hào)對(duì)土壤水分響應(yīng)敏感，較短重復(fù)周期觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，近年來被用于陸地地表土壤水分監(jiān)測(cè)的研究［10-15］。維也納工業(yè)大學(xué)利用上述數(shù)據(jù)反演并制作出全球表層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集（the Essential Climate Variable Soil Moisture dataset，ECV SM）［16］，在世界各地被廣泛應(yīng)用和評(píng)價(jià)［17-18］。M. Zribi等［11］、W.Wagner［16］等、蔣沖等［19］以及焦俏等［20］對(duì)ERS散射計(jì)數(shù)據(jù)反演獲取的土壤水分指數(shù)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證及分析，結(jié)果表明該數(shù)據(jù)可較好的反映表層土壤水分的變化。本文采用微波遙感與地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論相結(jié)合的方法，在氣象干旱的條件下，估算華北平原表層土壤水分時(shí)空變異，對(duì)該地灌溉信息進(jìn)行試提取分析，并進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證，力圖利用已有數(shù)據(jù)，為區(qū)域旱情遙感實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與準(zhǔn)確預(yù)報(bào)提供一定的科學(xué)依據(jù)，以期合理利用水資源，有效地改善生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)條件，減少水、旱等自然災(zāi)害。

1 研究區(qū)概況

華北平原又稱黃淮海平原，坐落于中國東部偏北、黃河下游，位于E 112°48′～122°45′，N 32°～40° 24′，北起燕山，西沿太行山、伏牛山，南抵淮河干流及蘇北灌溉總渠，東臨渤海與黃海，面積約33萬km2［21］。華北平原降水時(shí)空分布不均［22］，6—9月集中了全年降水量的80％左右，易春旱秋澇［5］。華北平原地區(qū)耕地面積占全國總耕地面積的25％，是我國幾大農(nóng)業(yè)區(qū)中耕地面積最多的地區(qū)［7］，農(nóng)業(yè)灌溉用水在水資源利用中占有很大的比例［5］。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

2.1.1 土壤水分?jǐn)?shù)據(jù) 筆者使用的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)來源于ECV數(shù)據(jù)集中的主動(dòng)微波數(shù)據(jù)，主要由奧地利維也納工業(yè)大學(xué)W.Wagner等［16］利用變化檢測(cè)的方法，歸一化散射計(jì)后向散射系數(shù)，將土壤水分中植被根系和葉片等所包含的植物水部分去掉，消除土壤表面粗糙度和植被覆蓋對(duì)土壤水分的影響后，通過TU Wien模型，反演計(jì)算得到去除植被影響后的純裸露地表0～5 cm表層土壤水分（surface soil moisture，SSM），再結(jié)合描述水分再分配過程的二層水模型，由SSM推導(dǎo)出0～100 cm土壤水分指數(shù)（soilwater index，SWI）［1516，2325］。土壤水分指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：ms指ti時(shí)刻的表層（0～100 cm）土壤水分，％；最小時(shí)間間隔為［t，t～T］，3次實(shí)驗(yàn)最小時(shí)間間隔為［t，t～5T］；參數(shù)T是以天為單位的土壤和氣候特征常數(shù)，通過計(jì)算SWI和地面觀測(cè)值之間的相關(guān)關(guān)系得到。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)T值取20 d，0～100 cm層的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系最好。

筆者使用的數(shù)據(jù)持續(xù)范圍為1993—2002年，時(shí)間分辨率為1 d，空間分辨率為25 km［26］。對(duì)于冰雪覆蓋和凍土地區(qū)，由于衛(wèi)星雷達(dá)無法測(cè)得土壤表面的反射率，無法進(jìn)行反演，因此在每年12月至次年1—2月，數(shù)據(jù)都存在不同程度的缺失情況［16］。蔣沖等［19］、焦俏等［20］以及Jiao Qiao等［27］對(duì)該土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的適用性和精度進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證，結(jié)果表明該數(shù)據(jù)可較為準(zhǔn)確地反映表層（0～100 cm）土壤水分的時(shí)空變化，該數(shù)據(jù)在華北平原驗(yàn)證結(jié)果與焦俏等［20］研究結(jié)果一致，即SWI與實(shí)測(cè)土壤水分在土壤表層呈極顯著相關(guān)，顯著性隨著土層深入不斷降低，相關(guān)系數(shù)r隨土層深入由0.8下降至0.4，故本文不再對(duì)該數(shù)據(jù)的驗(yàn)證部分做贅述。

2.1.2 氣象數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的1993—2002年華北平原及其周邊地區(qū)53個(gè)國家農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的降水旬值資料，其中降水量數(shù)據(jù)單位為mm。

2.1.3 土地利用數(shù)據(jù) 使用的2000年1：10萬土地利用數(shù)據(jù)，來自“地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)”。土地利用數(shù)據(jù)內(nèi)容包括耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地、未利用土地等6個(gè)一級(jí)類型和25個(gè)二級(jí)類型。

2.2 研究方法

2.2.1 表層土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)特征分析 利用算術(shù)平均法，由原始土壤水分日值數(shù)據(jù)，計(jì)算出華北平原土壤水分旬值。

在Matlab軟件中，將1993—2002年各旬的土壤水分點(diǎn)值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為空間柵格數(shù)據(jù)，得到該地區(qū)各旬的土壤水分空間分布圖，柵格像元大小為25 km× 25 km。在ArcGIS中，利用柵格計(jì)算器計(jì)算出該區(qū)域各月的土壤水分空間分布圖以及多年平均月值圖，從而分析該研究區(qū)降水減少的年份，土壤水分的空間變化狀況，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2.2 降水特征與尺度一致化處理 使用普通克里金插值方法，對(duì)華北平原地區(qū)1993—2002年降水旬值分別進(jìn)行插值，將氣象站點(diǎn)的降水量點(diǎn)值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為空間柵格數(shù)據(jù)，并進(jìn)行尺度歸一化處理，得到該地區(qū)各旬的降水空間分布圖，其分辨率和SWI數(shù)據(jù)保持一致，柵格像元大小為25 km×25 km。利用柵格計(jì)算器生成該地區(qū)各月的降水空間分布圖以及多年平均月值圖，選擇降水明顯減少的1999年為典型代表年份，進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

2.2.3 灌溉信息提取 以小麥為主的夏糧作物和以玉米為主的秋糧作物為該區(qū)域的主要農(nóng)業(yè)用水作物，且小麥的灌溉用水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過玉米的灌溉用水量［4］；因此，對(duì)1999年小麥用水高峰期3—5月（7—15旬）共9旬的降水和土壤水分空間數(shù)據(jù)依次進(jìn)行前后旬差異分析，前后旬的差異變化結(jié)果按照減少和增加進(jìn)行重分類。將降水和土壤水分重分類的結(jié)果進(jìn)行疊加分析，在降水比前一旬減少的情況下，每次的土壤水分增加，可能是區(qū)域內(nèi)部分地塊存在灌溉，統(tǒng)計(jì)為該地區(qū)可能灌溉旬次數(shù)，對(duì)華北平原灌溉持續(xù)時(shí)間以及灌溉范圍進(jìn)行分析。

在ArcGIS中，對(duì)華北平原2000年土地利用類型數(shù)據(jù)重采樣，重采樣后柵格像元大小和SWI數(shù)據(jù)一致（為25 km×25 km）；利用分類工具，篩選出耕作管理區(qū)，將農(nóng)田類型柵格與其他類型柵格分離，用以對(duì)上述灌溉提取信息進(jìn)行驗(yàn)證分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水反映氣象干旱特征

圖1為華北平原1999年以及1993—2002年多年平均降水的年內(nèi)月尺度分布特征以及月尺度累積分布特征。如圖1所示，1999年各月降水量與1993—2002年多年平均月降水量在數(shù)量上以及月份分布上有一定差異，其中：6—8月降水量與同期多年平均降水量差異較大，平均低約50 mm左右；9、10月份降水較同期多年平均有所增加。整體而言，1999年降水年內(nèi)分布較多年平均分布稍均勻，1999年月累積降水量均小于多年平均月累積降水量，且該年內(nèi)夏季降水大幅度減少，故而降水總量低于1993—2002年多年平均降水總量約140 mm，導(dǎo)致該地區(qū)在1999年表現(xiàn)為較干旱的氣象特征；因此選取1999年為典型干旱年，對(duì)土壤水分及灌溉特征進(jìn)行相關(guān)分析。

圖1 華北平原降水量的年內(nèi)變化特征Fig.1 Annual variation of precipitation in the North China Plain

3.2 SW I反映農(nóng)業(yè)干旱時(shí)空特征

華北平原SWI相關(guān)計(jì)算結(jié)果表明，土壤水分時(shí)間序列變化趨勢(shì)與上述降水變化趨勢(shì)整體保持一致，具有規(guī)律性的波動(dòng)。1999年3—9月土壤水分值均低于同期多年（1993—2002年）平均值，而10、11月由于夏季降水補(bǔ)充，土壤水分含量高于同期多年平均土壤水分含量。1999年土壤水分累積平均月值均低于多年平均月值，說明研究區(qū)1999年土壤水分值較多年平均值偏低，因土壤水分缺失而導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)干旱較普遍。

華北平原1999年3—11月份土壤水分盈虧狀態(tài)的空間分布圖進(jìn)一步顯示：同一時(shí)間內(nèi)不同地區(qū)的土壤水分與該地區(qū)多年平均土壤水分的差異各不相同，華北平原北部地區(qū)3月份土壤水分比同期多年平均土壤水分低約5％～10％，而南部地區(qū)土壤水分較多年平均土壤水分高約10％，個(gè)別地區(qū)高約15％（圖3（a））；同一地區(qū)不同時(shí)間的土壤水分變化差異顯著。例如：河南省周口市春季3—5月份土壤水分均比該地多年平均土壤水分高約5％～10％，夏季8月由于降水較該地多年平均降水減少，土壤水分隨之減少；山東半島地區(qū)的煙臺(tái)等地，除10、11月份受夏末秋初降水補(bǔ)充影響，土壤水分高于多年平均土壤水分外，其他月份均表現(xiàn)為低于多年平均土壤水分，表現(xiàn)為持續(xù)干旱，以8、9月份最為顯著，比多年平均土壤水分低約10％～20％。

圖2 華北平原SWI時(shí)間變化Fig.2 Changes of SWI（soilmoisture index）in the North China Plain

3.3 灌溉區(qū)域和時(shí)間分布

華北平原灌溉信息提取結(jié)果如圖4所示，該研究區(qū)域內(nèi)各地區(qū)3—5月灌溉的可能性次數(shù)，即在降水基本保持不變或者減少的情況下土壤水分增加的次數(shù)。從圖4可以看出，該研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)均存在不同程度的灌溉，這與該地區(qū)2000年土地利用重采樣后所分離出來的耕作管理區(qū)結(jié)果（圖5）整體相符，即圖4中所所示灌溉的柵格單元，與圖5中所顯示的屬于耕作管理區(qū)的柵格單元大體相匹配，結(jié)果匹配程度為79.69％，表明研究中所用的提取灌溉信息的方法在一定程度上可以作為農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測(cè)的參考依據(jù)。該研究區(qū)域內(nèi)可能存在灌溉的地區(qū)大體呈南北對(duì)稱分布，山東省中部灌溉次數(shù)最少，這與圖3中該地區(qū)春季土壤水分較多年平均土壤水分減少的結(jié)果相符合，即在降水保持基本穩(wěn)定的情況下，由于灌溉不足，土壤水分減少。以山東省中部為界，南北兩側(cè)灌溉次數(shù)多為2～3次，其中灌溉為2次的地區(qū)所占比例約為30.55％，灌溉為3次的地區(qū)所占比例約為34.17％，個(gè)別地區(qū)，如河南省周口市北部以及天津市東北部，灌溉次數(shù)達(dá)到4～5次，即可能該地區(qū)存在持續(xù)灌溉，這也與上圖中天津、周口等地3—5月份土壤水分較多年平均土壤水分增加的結(jié)果相一致。

圖3 華北平原SWI空間變化特征（圖中各顏色表示1999年SWI距平值與1993—2002年年均SWI的差值所屬范圍）Fig.3 Spatial distribution of SWI in the North China Plain（Colors in the figure indicate the range of SWI in 1999 related to average one from 1993 to 2002）

4 結(jié)論與討論

1）華北平原1999年降水總量較1993—2002年多年平均降水量低約140mm，表現(xiàn)為氣象較干旱的特征，在一定程度上導(dǎo)致該地的農(nóng)業(yè)干旱。

2）華北平原1999年土壤水分值低于多年平均值，從而在該年呈現(xiàn)出農(nóng)業(yè)干旱。同一時(shí)間內(nèi)不同地區(qū)的土壤水分與多年平均土壤水分的差異不同；同一地區(qū)不同時(shí)間的土壤水分變化差異顯著；山東半島地區(qū)的煙臺(tái)等地，表現(xiàn)為持續(xù)干旱。

3）研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)均存在不同程度的灌溉，利用空間疊置分析法，結(jié)合降水以及土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，對(duì)灌溉范圍及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行相關(guān)分析，可在一定程度上作為灌溉信息提取的參考。

4）本文所使用的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)是由主動(dòng)微波遙感反演而來，由于其空間分辨率較低，故可能在一定程度上對(duì)灌溉信息提取的精確度產(chǎn)生影響，相信隨著其散射計(jì)更新?lián)Q代以及反演方法的進(jìn)一步完善，加之其對(duì)土壤水分響應(yīng)敏感且具有較高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢(shì)，再結(jié)合較高時(shí)間分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)，在一定程度上可以為區(qū)域旱情遙感監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)提供一定的依據(jù)。由于灌溉受降水、植被以及人類活動(dòng)等多重驅(qū)動(dòng)因子的影響，其時(shí)空變化特征較為復(fù)雜，文中僅利用降水和土壤水進(jìn)行試提取分析，其他因素對(duì)灌溉信息提取的影響有待進(jìn)一步研究。

圖4 華北平原灌溉信息Fig.4 Irrigation information of the North China Plain

圖5 華北平原土地利用Fig.5 Land use of the North China Plain

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Soil moisture and irrigation analysis in the typical drought years of the North China Plain using remote sensing data

An Chunchun1，2，Wang Fei1，2，3，Jiao Qiao4，Zhang Yuguo4

（1.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，100049，Beijing，China；3.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A＆amp;F University，712100，Yangling，Shaanxi，China；4.College of Natural Resources and Environment，Northwest A＆amp;FUniversity，712100，Yangling，Shaanxi，China）

［Background］Soil moisture is one of the most important components of soil，it plays a critical role in the process of soil formation.Moreover，soil moisture is the main source of crop water，and is one of the most crucial parameters for the agriculture，meteorology and hydrology studies.As the important agricultural region in China，in addition to the precipitation recharge，soil moisture in the North China Plain（NCP）is also largely affected by irrigation.How to monitor and analyze surface soil moisture，drought and irrigation of a wide range using remote sensing data，has a especially important value.Studies on soil moisture and irrigation information can provide better understanding about thedrought.［Methods］On the basis of 10-day's precipitation data，active microwave remote sensing inversion data-soil moisture index（SWI）data，combined with geo-statistical analysis methods，the spatial and temporal variation of surface soil moisture under precipitation drought in the NCPwas analyzed and irrigation information in the main growing season of winter wheat was extracted by the method of spatial overlay analysis.［Results］1）There were some differences in the amount and distribution of precipitation between 1999 and 1993- 2002.Precipitation in June，July and August of 1999 was 50mm lower than the average of 10 years（1993- 2002），precipitation in September and October of 1999 was a little higher than the average of10 years（1993- 2002）；precipitation in 1999 was more evenly distributed than annual average of1993- 2002.Precipitation in the NCP in 1999 was140mm less than the average of 10 years（1993- 2002）.2）The change of soilmoisture was consistent with the change of precipitation，which had regular fluctuation.The SWI in 1999 was lower than the average of 10 years（1993- 2002），especially from March to September，which was consistent with variation of precipitation；the SWI decreased remarkably in spring and summer，which caused the soil drought to some extent.The differences of SWI between 1999 and 1993- 2002 were different in different regions；the differences of soil moisture content in different stages was significant in the same area.3）Most areas in the NCP in 1999 were irrigated in different degrees in the main growing season of winter wheat；the irrigation times in the middle part was the least，and there existed two or three rounds of irrigation in the northern and southern parts，which accounted approximately 65％of the total study area.The irrigation cells were 79.69％ same with extracted result using land use data in 2000.［Conclusions］The decrease of precipitation in 1999 had an effect on variation of SWI.The soil moisture in 1999 decreased，which was consistent with the change of precipitation，indicating the arid characteristic of soil.There existed different degrees of irrigation in the NCP in 1999.The study results and methods may provide references for the agricultural drought monitoring based on remote sensing.

soil moisture；spatial and temporal variation characteristics；precipitation；irrigation；North China Plain

S152.7

A

1672-3007（2016）05-0123-07

10.16843/j.sswc.2016.05.016

2016- 04- 05

2016- 06- 21

項(xiàng)目名稱：國家自然科學(xué)基金“基于相同氣候條件的人類活動(dòng)對(duì)河流水沙影響定量評(píng)價(jià)：以黃土高原延河流域?yàn)槔保?1171420）；中國科學(xué)院國際合作局對(duì)外合作重點(diǎn)項(xiàng)目“基于中歐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境恢復(fù)的交互式土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)”（16146KYSB20150001）

安淳淳（1992—），女，碩士研究生。主要研究方向：土壤水分遙感監(jiān)測(cè)。E-mail：anchunchun213@163.com

?通信作者簡(jiǎn)介：王飛（1971—），男，博士，副研究員。主要研究方向：水土保持環(huán)境監(jiān)測(cè)與影響評(píng)價(jià)。E-mail：wafe@ms.iswc. ac.cn