Crop water stress index for off-season greenhouse green peppers in Liaoning, China

The crop water stress index(CWSI)is a complex instrument to effectively monitor the degree of water stress of crops and provides guidance for timely irrigation.In an experiment utilizing the CWSI with off-season green peppers planted in barrels in a greenhouse in Liaoning Province,Northeast China,this study monitors the sub-indexes--such as canopy temperature,environmental factors and yield--determines the changing law of each constituent,achieves an empirical model as well as a baseline formula for the canopy temperature of the peppers with a sufficient water supply,and verifies the rationality of the formula with corresponding experimental data.The results obtained by using the CWSI show that the optimal time to determine the water deficit for off-season green peppers is at noon,by measuring the diurnal variation in the peppers with different water supplies.There is a nonlinear relationship between the yield and the average CWSI at the prime fruit-bearing period;moreover,the optimal time to supply water for off-season green peppers comes when the average water stress index ranges between 0.2 and 0.4 during the prime fruiting stage,thereby ensuring a high yield.

Sentinel-1 Radar Data Assessment to Estimate Crop Water Stress

Water is an important component in agricultural production for both yield quantity and quality. Although all weather conditions are driving factors in the agricultural sector, the precipitation in rainfed agriculture is the most limiting weather parameter. Water deficit may occur continuously over the total growing period or during any particular growth stage of the crop. Optical remote sensing is very useful but, in cloudy days it becomes useless. Radar penetrates the cloud and collects information through the backscattering data. Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) was extracted from Landsat 8 satellite data and used to calculate Crop Coefficient (Kc). The FAO-Penman-Monteith equation was used to calculate reference evapotranspiration (ETo). NDVI and Land Surface Temperature (LST) were calculated from satellite data and integrated with air temperature measurements to estimate Crop Water Stress Index (CWSI). Then, both CWSI and potential crop evapotranspiration (ETc) were used to calculate actual evapotranspiration (ETa). Sentinel-1 radar data were calibrated using SNAP software. The relation between backscattering (dB) and CWSI was an inverse relationship and R2 was as high as 0.82.

光照与阴影对无人机热红外遥感监测土壤含水率的影响

为探究作物冠层受阳光直射或阴影遮挡对无人机热红外遥感诊断作物水分胁迫、监测土壤含水率的影响,该研究以不同灌溉处理的夏玉米为研究对象,将热红外图像划分为光照冠层、阴影冠层、光照土壤、阴影土壤4个部分,分别提取光照温度与阴影温度后计算了11:00、13:00、15:00的冠气温差(冠层温度与大气温度之差,ΔT)、作物水分胁迫指数(crop water stress index,CWSI)、蒸发比(潜热通量与有效能量的比值,evaporative fraction,EF),并对比了3种指数在不同时刻使用光照温度(ΔT_(L)、CWSI_(L)、EF_(L))与阴影温度(ΔT_(S)、CWSI_(S)、EF_(S))后对土壤含水率的监测效果变化情况。结果表明:1)3种指数的监测效果会随时间发生变化,11:00与15:00时EF监测效果较好,13:00时CWSI监测效果较好,ΔT的监测效果较差但随时间波动最小;2)拔节期在区分光照温度与阴影温度后监测效果在11:00时提升幅度最大,EF、EF_(S)、EF_(L)的R^(2)分别为0.54、0.65、0.78,CWSI、CWSI_(S)、CWSI_(L)的R^(2)分别为0.47、0.64、0.70,抽雄期与灌浆期使用光照温度对监测效果提升不大,但使用阴影温度的指数监测效果有明显降低,在13:00时CWSIS较CWSI有最大降幅,R^(2)降幅分别为0.11、0.06;3)在拔节期与抽雄期使用11:00的EFL,在灌浆期使用13:00的CWSI能取得最好的土壤含水率监测效果,验证期预测土壤含水率的R2分别为0.75、0.75、0.89。该研究可以为无人机热红外监测土壤含水率提供参考。

基于无人机遥感的夏玉米水分胁迫指数改进方法

冠层温度(canopy temperature,T_(c))是作物水分胁迫计算的基础。准确地剔除热红外图像中的土壤背景,可以提高作物水分的监测精度。该研究以4种水分处理的拔节期夏玉米为研究对象,借助无人机可见光和热红外图像,采用红绿比值指数(red-green ratio index,RGRI)法提取研究区域的面状玉米冠层温度的空间分布信息,并分析每幅热红外图像上冠层温度的累积频率。该并提出了两种改进作物水分胁迫指数(crop water stress index,CWSI)性能的方法,一是使用基于正态分布的不同统计分位数分割冠层温度,并基于不同统计分位数上的平均冠层温度计算CWSI(记为CWSI_(TcF%))。二是基于冠层温度方差(canopy temperature variance,V_(ar)),将玉米冠层数据分为4个区间:区间Ⅰ,T_(c)≤40,V_(ar)≤10;区间Ⅱ,T_(c)≤40,10<V_(ar)≤20;区间Ⅲ,35<T_(c)<45,Var>20;区间Ⅳ,40<T_(c)<50,0<V_(ar)≤20,并在各自区间上选择最敏感的统计分位数计算CWSI(记为CWSI_(n))。研究结果表明:1)利用2020年和2021年两年数据计算的CWSI_(n)与作物生理指标(气孔导度G_(s)、净光合速率P_(n)、蒸腾速率T_(r))间的决定系数R2分别为0.72、0.52、0.62,nRMSE分别为23.96%、24.06%、25.60%,模型拟合精度高于原始CWSI(R^(2)分别为0.73、0.34、0.46,nRMSE分别为23.69%、28.27%、30.21%),但与CWSITcF%差别不大(R2分别为0.74、0.54、0.61,nRMSE分别为22.87%、23.74%、25.61%);2)虽然CWSI_(TcF%)能提高诊断作物水分胁迫的精度,但最敏感的冠层温度区间在年际间相差较大(2020,61.17%;2021,49.38%;两年数据,83.51%),而CWSI_(n)稳定性更高(与生理指标间的nRMSE分别为:2020年16.60%、27.37%、28.49%;2021年21.60%、18.95%、22.64%)。因此,综合来看CWSI_(n)可以更加精确地监测作物水分胁迫,利用该改进方法可为无人机遥感精准监测作物水分胁迫状况提供参考。

近20年黄土高原干旱变化特征及其影响因素

为促进黄土高原农业和生态环境可持续发展,基于2001—2020年MODIS蒸散产品和气象站点数据,利用作物缺水指数(crop water stress index,CWSI)、Theil-Sen Median趋势分析、Mann-Kendall检验和偏相关分析等方法,探讨了黄土高原干旱变化特征及其影响因素。结果表明:①年际上,2001—2020年黄土高原CWSI呈显著线性下降过程,下降速率为0.0058 a^(-1)(P<0.01)。干旱程度呈先减(2001—2018年)后增(2018—2020年)过程;②空间上,CWSI以减少趋势为主,显著减少趋势占区域总面积91.24%,其中青海、甘肃、宁夏、陕西南部地区CWSI下降速率较快;③黄土高原CWSI与气温以负偏相关关系为主,显著负偏相关占区域面积的7.78%,集中分布于青海东部、山西南部和河南北部;与降水以负偏相关关系为主,显著负偏相关占区域总面积60.88%,集中分布于黄土高原西南部和东部地区。气温升高背景下,降水增加促使黄土高原实际蒸发显著增加、潜在蒸发不显著减少,导致CWSI显著下降。研究结论认为降水是黄土高原CWSI下降的主要影响因素,年降水量增加减缓了黄土高原干旱趋势。

基于热红外与可见光图像融合的生菜水分胁迫指数模型研究

为了准确提取作物冠层温度,监测作物水分亏缺状态,以不同水分处理的生菜为研究对象,分别利用手持式热像仪和佳能相机获取生菜的热红外和可见光图像,计算生菜冠层可见光图像与热红外图像的仿射变换参数,并进行配准融合,以获取生菜冠层区域的热红外图像,而后计算不同处理下的基于冠层温度的水分胁迫指数(Crop Water Stress Index, CWSI)与日蒸散量(Evapotranspiration,ET),分析不同灌溉处理下CWSI同ET的相关关系来监测生菜水分亏缺程度。结果表明,基于仿射变换的热红外目标提取方法可以实现生菜冠层的准确提取,剔除背景后生菜冠层的平均温度值由20.25℃下降至19.25℃。不同水分处理下的生菜热红外冠层的CWSI值展示出明显的差异,且CWSI与ET呈显著负相关,当CWSI越大,ET越小,表明CWSI可以应用在生菜水分胁迫状态监测,能够很好的反应土壤水分含量变化状况。

基于优选遥感干旱指数的华北平原干旱时空变化特征分析

基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)产品和气象资料,对比分析了作物缺水指数(CWSI)、干旱严重度指数(DSI)、归一化植被供水指数(NVSWI)和温度植被干旱指数(TVDI)表征华北平原干旱状况的适用性,并基于优选后的指数研究了2000—2018年干旱的时空变化特征。结果表明:(1)CWSI在反映干旱的效果上明显优于另外三种干旱指数。(2)时间上,2000—2018年春季干旱最严重,其次是秋季和冬季,夏季干旱最轻,但春季干旱强度有所下降,速率为-0.03/10a,而其他三季均呈增加趋势,速率为(0.01—0.08)/10a。(3)空间上,华北平原东部和东南部发生轻旱频率高,西部和北部中旱及以上干旱频率较高。山东省西北部及河南省东部、安徽省北部等地春旱呈显著减弱趋势(P<0.05);夏季华北平原东南部干旱增加趋势显著(P<0.05),而北部减弱趋势显著(P<0.05);秋季华北平原西南一带干旱上升趋势较大;冬季西部、中部及南部干旱增加趋势显著(P<0.05)。

玉米光合产物分配与转移模拟方法的研究

光合产物分配与转移的模拟是作物生长模拟的重要组成部分。以山西省文峪河试验站春玉米3个年度(2018、2019和2020年)灌溉试验(高水处理T1和零水处理T2)资料对光合产物分配方法(分配系数法和分配指数法)进行模拟研究。结果表明:从拟合精度来看,两种方法对茎、叶、穗模拟值与实测值的拟合优度R^(2)均大于0.9,其中穗模拟精度最高(R^(2)>0.95)。水分胁迫会导致茎分配指数减小、叶和穗分配指数增大,且穗分配指数受水分胁迫影响最大;水分胁迫主要是通过影响生长相关性(茎叶比、穗茎比和根冠比)来影响分配系数,其中穗茎比随时间变化过程的模拟效果最好(R^(2)=0.882);茎叶比水分胁迫指数为-0.130,表明水分胁迫会导致茎叶比减小;穗茎比和根冠比的水分胁迫指数分别为0.248和0.143,表明水分胁迫会使穗茎比和根冠比增大;茎、叶、根分配系数在生长前期受水分胁迫影响较小,生长后期水分胁迫导致茎、叶、根分配系数增大以及穗分配系数减小;水分胁迫使光合产物的转移率减小。整体而言,两种方法对光合产物的拟合精度非常接近,但分配系数法对光合产物转移量的模拟结果更接近于实际情况,表明分配系数法具有更好的机理性。

作物冠层表面温度诊断冬小麦水分胁迫的试验研究

利用红外测温装置能够观测获得作物的冠层表面温度 ,从而诊断作物是否遭受水分胁迫。基于这种技术 ,使用作物水分胁迫指数 CWSI反映我国华北平原地区冬小麦的水分胁迫状况。研究比较了作物水分胁迫指数 CWSI的经验模式和理论模式 ,根据它们的波动特征 ,可以看出用 CWSI经验模式反映华北地区冬小麦水分胁迫不很理想。研究分析了作物水分胁迫指数理论模式与其他一些反映作物水分状况的指标 ,包括叶水势、叶片气孔阻力 ,叶片最大净光合速率以及土壤水分含量之间的关系 ,结果表面理论模式与上述这些指标关系良好 ,表明其很好地反映了作物的水分胁迫特征。该研究给出了适合于我国华北平原地区冬小麦的作物水分胁迫指数计算的主要参数。研究从实际田间应用的可能性出发 。

作物干旱指标对西北半干旱区春小麦缺水特征的反映

针对作物水分胁迫较为严重的西北半干旱区,应用CI301-PS光合作用仪对春小麦开花到乳熟期间的生理特征和环境因子进行了近1个月的观测,并研究分析了3种作物干旱指标叶水势、作物水分胁迫指数以及气孔导度随时间变化和对气象因子的响应。发现干旱胁迫增加时,叶片水分减少,作物水分胁迫指数增大,叶水势降低,气孔导度有所减小。因此,气孔下腔的CO2浓度降低,作物净光合速率有所减小,不利于半干旱区小麦生物量的累积;三者相比,叶水势是反应西北半干旱区作物干旱最敏感的指标;受半干旱区逆湿现象的影响,9:00或之后一段时间观测叶水势和气孔导度对小麦等作物缺水状况反映得更客观。

膜下滴灌棉花产量和品质与作物缺水指标的关系研究

通过田间试验,研究了膜下滴灌棉花的作物产量、品质和作物缺水指标(CWSI)定量关系。确定了充分供水条件下作物各生育阶段缺水指标下基线的特定表达形式,建立了作物缺水指标(CWSI)和空气饱和差(VPD)的定量关系,并提出了用CWSI诊断作物水分状况的适用性及最佳观测时间。对不同水分处理棉花的CWSI在生育期内进行了定期观测,得到了各处理棉花CWSI的平均值以及与棉花耗水量、皮棉产量、水分利用效率、绒长、衣分率及单铃重的关系。结果表明,除衣分率外,其余指标最优值对应的CWSI值在0.4左右。因此,可利用作物缺水指标对膜下滴灌棉花进行高效的水分管理。

基于冠层温度的作物缺水研究进展

冠层温度信息可以很好地反映作物的水分状况。自 2 0世纪 70年代以来 ,基于冠层温度的作物缺水指标的研究经历了三个阶段 ,即单纯研究冠层温度本身变化特征的第一阶段、以冠层能量平衡原理为基础的作物水分胁迫指数的第二阶段和考虑冠层和土壤的复合温度的水分亏缺指数的第三阶段。指标的发展也由使用手持式红外辐射仪信息扩大到使用航空和卫星遥感信息。这一类指标在点和区域尺度上均可应用。加强这一类指标的研究对于我国北方地区农作物的有效灌溉和区域水资源的管理都有重要意义。

基于冠层温度的菜心缺水指数模型初步试验研究(英文)

以柳叶菜心为研究对象 ,测试了不同干旱条件下的土壤含水量、空气温湿度和冠层温度等参数 ,确定了作物缺水指数经验模型的参数 ,并针对太阳辐射强度对模型做了改进。研制了蔬菜旱情检测系统 ,利用红外测温仪、土壤含水量传感器等 ,可以实时测得田间作物的水分亏缺状态 ,为同类研究提供了测试手段和数据分析方法。

北疆春小麦蒸散规律及蒸散量估算研究

通过对2002～2003年北疆春小麦田试验数据的分析结果表明,北疆春小麦全生育期蒸散量在410～430mm左右,蒸散强度为4.11～4.14mm,蒸散量和蒸散强度均在抽穗～乳熟期达到最大,平均棵间蒸发占总蒸散量的比例为38.3%～42.0%。叶面积指数与蒸散强度关系极为密切,可用复合曲线方程来描述二者的关系。通过采用Penman-Montieth模式配合单值平均作物系数和水分胁迫系数估算农田蒸散量的方法,对当地春小麦田的日蒸散量进行估算,精确度检验结果表明该方法是切实可行的。

基于冠层温度的夏玉米水分胁迫指数模型的试验研究

探讨并建立了适合于中国华北地区夏玉米水分状况监测的作物水分胁迫指数(CWSI)模型。通过不同的田间试验处理和观测,得到了适合夏玉米的CWSI经验模型中的经验关系,且表现明显。该研究建立了不同生育阶段的经验模型,经过初步的检验和分析,认为这一模型是合理的,可以应用于田间的基于冠层温度信息的夏玉米水分状况监测。

基于冠层温度的夏玉米水分胁迫理论模型的初步研究

该文探讨并建立了适合于中国华北平原夏玉米的作物水分胁迫指数(CW S I)模型。通过对夏玉米的冠层最小阻力、零平面位移和粗糙度进行分生育阶段取值,得到了适合于夏玉米的水分胁迫指数模型。

作物水分胁迫指数与土壤含水量关系探讨

基于冠层温度的作物水分胁迫指标CWSI(Crop Water Stress Index)广泛用于指导作物灌水时间,利用自动气象站的观测资料分别计算了不同供水处理条件下冬小麦中午12:00的作物水分胁迫指数,并将作物水分胁迫指数和对应的土壤含水量进行相关分析,以探讨用作物水分胁迫指数确定灌水量的可行性。结果表明,二者是一定相关性,但相关关系不密切,复相关系数为0.54,作物水分胁迫指数随土壤含水量的降低呈明显的增大趋势;作物水分胁迫指数随气象因子的波动表现出明显的波动性,且在作物遭受较严重水分胁迫下波动性更强,这预示着利用作物水分胁迫指数直接定量标识作物土壤水分状况的可靠性不强。

用冠层温度计算作物缺水指标的一种简化模式

本文对Ｊａｃｓｋｏｎ等人提出的利用作物冠层温度计算作物缺水指标的模式进行了简化，并根据甘肃民勤县棉花和宁夏吴忠春小麦的田间试验资料进行了验证．结果表明该简化模式可用于诊断作物缺水状况．

用冠气温差指导冬小麦灌溉的指标研究

对6个不同灌水处理的冬小麦测定其冠气温差,计算水分胁迫指数,并建立水分胁迫指数与冬小麦产量之间的关系结果表明,冠气温差与土壤含水量有良好的相关关系,冠气温差由正值变为负值相对应的1m土层土壤含水量为田间持水量的60％左右,可作为灌水的下限指标。对充分供水的冬小麦,中午时段随大气饱和水汽压差的增加,冠气温差的负值越大,具有良好的线性关系。据此建立了充分供水条件下冠气温差与饱和水汽压差的关系方程,作为基线方程,计算不同灌水处理的冬小麦旺盛生长期间水分胁迫指数(CWSI)。水分胁迫指数与最终作物经济产量的关系是一非线性关系,随水分胁迫指数的减少而产量增加,但当水分胁迫指数减少到一定程度时产量达到最大,这时水分胁迫指数若再减少,产量反而降低。结果显示平均水分胁迫指数在0.1～0.2左右,是冬小麦最优产量所允许的水分供应状态。

作物干旱指数（CWSI）和土壤干旱指数（SWSI）

本文根据邯郸地区的大范围观测资料，对小麦的作物干旱指数（ＣＷＳＩ）和裸地的土壤干旱指数（ＳＷＳＩ）及其与土壤水分的关系进行了研究，并分析了ＣＷＳＩ和ＳＷＳＩ的影响因素和在旱情监测中的实用性。