一种基于土壤速效水的农业干旱指数构建方法技术

本发明专利技术涉及一种基于土壤速效水的农业干旱指数构建方法，其采用WDt指数进行农业干旱指数的构建。基于作物生长模型(WOFOST)模拟的根层土壤水含量构建了适用于农业干旱监测的修正土壤水亏缺指数(MSWDI)。相比根层土壤可利用土壤水的绝对含量来说，根层土壤可利用土壤水的相对含量与作物根系吸水过程关系更为紧密。因此，将相对于作物吸水能力的土壤水可利用性作为一种合适的方法地考虑到农业干旱监测中有其必然合理性。本研究新构建的指标是基于那部分很容被作物根系吸收的土壤水作为一个土壤水损耗阈值，在土壤水耗损过程中，将土壤速效水作为干旱发生一个基准线，并在指数构建过程中考虑到干旱的累积效应来定义干旱强度。强度。强度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于土壤速效水的农业干旱指数构建方法


[0001]本专利技术涉及一种基于土壤速效水的农业干旱指数构建方法。

技术介绍

[0002]由于干旱成因、气象水文变量和社会经济因素的不同，很难对干旱进行科学、准确的定义，世界各地对干旱尚无完全统一的定义(Mishra和Singh,2010)。直观的角度理解，干旱就是一种水的短缺，也就是一种以长期雨量很小或无雨为特征的气候现象，其程度取决于水分短缺的历时和数量。最初干旱是以降水为标志定义的，认为干旱是降水量比期望的“正常值”偏少的现象，随着对水科学和干旱认识不断加深，逐渐认识到降水不能反映干旱的全部特征，开始从水资源供需角度来认识干旱，认为干旱是供水不能满足正常需水的一种不平衡缺水状态，不同供需关系会产生不同类型的干旱。美国气象学会在总结各种干旱定义的基础上将干旱分为四中类型：气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱(袁文平等,2004；张书余,2008)。气象干旱是低于正常降雨并持续几个月至数年，通常伴随着高温的发生并可能诱发其他类型干旱(Wilhite,2000；Mishra和Singh,2010)；农业干旱是因降水水平低于平均降水情况下，导致土壤水分无法满足作物体内水分收支平衡，从而发生水分亏缺，影响作物正常生长发育，进而导致减产或失收的现象(Narashimhan和Srinivan,2005；Mishra和Sing,2010；Dai, 2011)；水文干旱是当含水层、湖泊、水库的径流和需水量降至长期平均水平以下时则发生水文干旱，其发生相对缓慢(Shin和Salas,2000；Tallaksen和vanLanen,2004；Shiau等,2007)。社会经济干旱是在自然系统和人类社会经济系统中，由于水分短缺影响生产、消费等社会经济活动的现象，主要评估由于干旱所造成的经济说损失(袁文平等,2004；张强等,2009)。
[0003]农业干旱是一种相对的状况，每一次干旱在空间范围、强度、持续时间上都不同，并且涉及到不同的气象干旱特征(如降雨稀缺、土壤水分的短缺)和水文干旱特征(如降雨、径流)对农业的影响，所以农业干旱到目前为止没有广泛接受的统一定义。表1
‑
2综合介绍了不同时期、不同学者提出的农业干旱定义(王东芳等,2014)。农业干旱是因外界因素引起的作物体内水分收入和支出不平衡而导致的，与作物本身生理特性、气象条件和土壤水分供给状况密切相关(徐国昌,1989)。农业干旱有着复杂的发生和发展机理，不同的作物有不同的需水量，即使同一作物，在不同发育期、不同地区，其需水量也都不一样。总的来说，农业干旱是气象条件、水文环境、土壤基质、水利设施、作物品种及生长状况、农作物布局以及耕作方式等因素的综合作用结果。因此，农业干旱的研究必然要涉及到与大气、作物以及土壤等相关的因子(邹仁爱和陈俊鸿,2005)。
[0004]表1
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1不同农业干旱定义总结
[0005]Table 1
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1 Definition of agricultural drought
[0006][0007][0008]注：表格改自文献(王东芳等,2014)
[0009]1、农业干旱指数研究
[0010]合理的干旱指数应该能够准确地描述干旱的强度、范围和起止时间，并且包含明确的物理机制，充分考虑影响水分亏缺的各类相关因素，同时考虑指数的较好的应用性(Heim,2002；袁文平和周广胜,2004)。目前干旱类型与干旱指数的应用之间以及干旱指数与干旱影响之间存在脱节现象，寻求发展出涵盖更多干旱信息的干旱指数是当前最为迫切的任务(Zargar等,2011)。
[0011]相比其他类型干旱来说，农业干旱指数的研究相对较少，目前应用与农业干旱研究中的干旱指数大致可分为气象指数、土壤墒情指数、作物生理生态指数、综合监测指数(李柏贞和周广胜,2014)。另外，还有近年来国内外兴起的基于遥感手段进行农业监测的指数。
[0012](1)气象指数是以降水为基础的指数，由于其易获取、简单明了、直观性好，目前在农业干旱的监测中应用较广，一般多采用降水距平百分率法、Z指数、SPI、PDSI等(鞠笑生等,1997；姚玉璧, 2007；卫捷,2003；李红英等,2012；朱自玺等,2003；吴东丽等,2009；Mckee等,1993；李剑锋等,2012； Quiring等,2003)。基于降水的指数基本能够反映农业干旱的发生程度，但是不能直接反映农作物遭受干旱的程度(王密侠和马成军,1998；姚玉璧等,2007)。
[0013](2)土壤墒情指数是指土壤的湿度状况也是反映作物对水分胁迫的最成熟的指数之一(张杰等, 2008)。作物生长发育的水分主要靠根系直接从土壤中获取，土壤水分含量是限制作物生长发育的重要因子之一，可以以土壤含水量作为作物对水分胁迫指数(汤广民等,2011)。土壤墒情指数包含土壤相对湿度、相对湿润度指数和土壤有效水分存储量，并由多个研究者开展了案例研究(李柏贞和周广胜,2014；汤广民等,2011；房稳静等,2007；Su
等,2003；冯建设等,2011)。目前，利用土壤墒情评价农业干旱是较为合理的途径，但一般采用单站土壤水分的观测资料，在数据获取便利程度和大尺度农业干旱评估方面欠佳(张杰等,2008)。
[0014](3)作物生理生态指数是利用作物生理生态特征的突变和最优分割理论而建立的反映干旱程度的作物旱情指数(宋凤斌等,2004；Duff等,1997)。作物生理生态指数主要包括作物生理指数和作物形态指数两类。作物生理指数包括利用叶片相对含水量、气孔导度、叶水势、光合速率、冠层温度、蒸腾速率、细胞汁液浓度等建立的指数作物形态指数；作物形态指数是指利用作物长势、长相来判别作物的缺水程度(李柏贞和周广胜,2014)。NDVI是一个典型的作物形态指数，能较好的反映大尺度农田作物生长状态，作为一种作物形态指数已经被广泛应用与农作物长势旱情监测中(Tucker,1979； Justice,1986；Brown等,2008)。作物生理生态指数能够灵敏的反应作物水分供应状况，但是引起作物生理生态变化响应的驱动因素有很多，单纯从作物角度去监测和管理干旱会出现诊断失误和预警延迟的问题，所以农业干旱的监测还需要从干旱驱动因素出发结合作物干旱响应角度去考虑。
[0015](4)综合指数涉及到与干旱发生相关的因子，全面的反映农业干旱的发生及其影响。整合更多有效的可获取数据资料，发展出区域的综合干旱指数是当前农业干旱研究的重要方向之一(Kallis, 2008；Zargar等,2011)。具体指数有USDM、VegDRI、CI、植被干旱胁迫的集合指数、基于多源空间信息的干旱监测模型等(Svoboda等,2002；Brown等,2008；Wu等,2013；杜灵通,2013)。然而，已有综合干旱指数在考虑土壤因素时，大多采用土壤有效持水量(AWC)，AWC作为一项土壤固有物理性质，对干旱信息的提取具有重要的参考价值，但此指数不随时间变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于土壤速效水的农业干旱指数构建方法，其特征在于，采用如下的WDt指数进行农业干旱指数的构建；其中，RAW＝p
·
θ
AWC
·
Δz；式中，WD
t
表示日水分亏缺(％)；RAW为速效水(mm)，θfc为田间持水量(％)，θ
t
为当日土壤含水率(％)，θ
AWC
为有效土壤含水量，Δz为根区深度(mm)；p值为关于大气蒸发能力的函数，计算参考下式：p＝p
re
+0.04(5
‑
ET
a
)；式中，p为比例因子，p
re
为参考比例因子，本研究取值为0.5，ET
a
为实际蒸散发(mm)，为作物生长模型WOFOST的输出结果。2.根据权利要求1所述的基于土壤速效水的农业干旱指数构建方法，其特征在于，日水分亏缺数值WD
t
的范围为
‑
100至100，象征着极度干旱到极度湿润，少数超出100的数值代表场次降雨后短时间内土壤含水量超过田间持水量，少数小于
‑
100的数值代表土壤含水量低于凋萎土壤含水量，WD为正值表示为有多余的土壤水分，没有干旱胁迫，说明根区可利用土壤水消耗在速效水范围内，作物会很容易吸收；当WD在零值以下，则说明根区可利用土壤水消耗超出了速效水范围，开始出现水分亏缺。3.根据权利要求1所述的基于土壤速效水的农业干旱指数构建方法，其特征在于，将WD做进一步处理，将数值范围控制在
‑
4至4之间，此表达与PDSI指数一致，最终，MSWDI的计算如下：MS...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨会彩，闫海明，赵盼盼，马美红，
申请(专利权)人：河北地质大学，
类型：发明
国别省市：