中国灌溉耕地的遥感制图、演变格局及其降温效应研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张超 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 葛全胜 ; 董金玮 |
| 关键词 | 灌溉耕地 随机森林 时空格局 降温效应 节水灌溉 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 农业灌溉是抵御干旱、提高粮食产量的重要手段。我国进入21世纪以来农业灌溉面积呈现大规模的扩张，这种灌溉扩张过程会对区域环境造成重要影响，特别是通过改变地表水文过程和生物地球物理过程对局地和区域气候带来重要反馈。但我国目前还缺乏相关的精细灌溉空间分布数据集，制约了对灌溉格局变化的气候效应的认识。因此，精准监测灌溉面积变化并在此基础上对影响局地气候的关键生物物理过程进行研究对于农业应对气候变化挑战、区域水资源保护利用与未来农业发展具有重要的现实意义。 本研究首先结合遥感、统计等数据构建了我国2000年以来农田灌溉分布数据集。通过“两步走”的策略，即先使用协同制图和统计降尺度方法，融合现有多源灌溉产品和统计数据制备得到初步灌溉数据集IrriMap_Syn；然后从IrriMap_Syn中提取训练样本，采用随机森林遥感监督分类的方法，在遥感云计算平台Google Earth Engine（GEE）上制备了中国2000-2019年逐年500米分辨率的灌溉耕地产品IrriMap_CN。其次，结合生产的灌溉数据集揭示了中国灌溉耕地的时空演变格局，分析了其与灌溉用水量的关系，从社会经济发展角度对灌溉面积变化进行了归因分析。随后，在遥感提取的灌溉耕地数据基础上，结合遥感观测的地表温度、反照率和蒸散发等产品，采用格网比对方法、能量平衡方程分解和统计分析方法，研究了灌溉耕地扩张对地表温度的影响在空间、季节和昼夜尺度上的格局及其生物物理机制。进一步评价了21世纪以来中国节水灌溉面积迅速扩张对灌溉降温效应的影响。主要的研究发现和结论包括： （1）从统计数据空间化到遥感制图的“两步走”策略，有效解决了无法获取大量训练样本的难题。采用随机森林监督分类和GEE云平台制备的IrriMap_CN产品质量可靠，经大量地面点验证得到的总体精度为0.811，灌溉耕地的漏分误差为0.150，错分误差为0.157。经过横向比较，IrriMap_CN的性能显著优于现有灌溉产品。该数据集使用纯遥感反演得到，不受统计数据的约束，能够为气候变化、生态水文、农业管理等领域提供重要的灌溉分布基础数据。 （2）全国灌溉耕地分布的时空格局。遥感监测的灌溉分布数据显示，全国约40%的灌溉耕地分布在华北平原，其次是东北的三江-松嫩-辽河平原（15%）和长江中下游平原（9%）。约53%的灌溉面积集中于30°N到40°N之间，对应华北平原、江汉平原、关中平原等重点灌区，约30%的灌区分布在40°N~50°N之间，主要对应东北平原、河套平原和新疆北部。3/4分布在105°E至125°E之间，覆盖了中国中东部的大部分地区。过去20年，全国灌溉面积呈现“北增南减”的格局，北方地区尤其是东北、西北和内蒙古中部地区增长迅速；而减少的灌溉耕地主要分布在四川盆地、长江中下游平原等地区。省级尺度上，新疆和黑龙江的灌溉面积增长最为迅速，均超过50%，增速分别为10.8万公顷/年和9.2万公顷/年；四川、江苏和河北三省的灌溉面积显著下降，减速均在2.8万公顷/年以上。灌溉耕地的扩张和收缩相应地导致了农业用水量的增加和减少。人口和耕地面积的增加以及水利设施的持续投资建设是灌溉扩张的主要影响因素。 （3）农业灌溉扩张带来显著的降温效应。全国灌溉耕地相对于邻近非灌溉耕地，白天平均降温0.34±0.02 K，夜间平均降温0.19±0.02K。其中，以干旱区白天最为显著（-2.37±0.08 K），半干旱区次之（-1.26±0.06 K），而半湿润和湿润区不显著。季节上，灌溉降温效应集中在夏季。灌溉导致潜热通量增加了3.81±0.22 W m-2，感热通量减少了2.86±0.26 W m-2。灌溉降温效应受气候背景的调控，随着降水和温度的升高，降温效应逐渐减弱。以西北地区为例，过去20年的灌溉耕地扩张带来了显著的实际降温效应，其中南疆未利用地转化为灌溉农田的降温幅度最大（-0.89±0.04 K），其次是草地和林地的转化。考虑真实灌溉面积扩张得到的实际降温幅度要远小于“空间换时间”方法得到的潜在降温。 （4）节水灌溉对灌溉降温效应的抑制作用。过去20年，随着中国节水灌溉的推广和亩均灌溉用水量的不断降低，灌溉降温效应呈现总体减弱的趋势，但存在昼夜不对称性，即白天减弱，夜间增强，在干旱地区最为明显（白天减弱0.236 K/decade，夜间增强0.168 K/decade）。灌溉用水量的下降主导（>80%）了降温效应的昼夜变化趋势，其中白天主要通过增加Bowen比而夜间通过降低土壤比热影响温度变化。但植被变绿导致蒸腾作用的增加在一定程度上抵消了白天的降温减弱趋势。在夜间，土壤比热随着含水量的降低而降低，导致散发相同的热量带来的降温幅度更大，因此导致更强的降温趋势。进一步地，以新疆为节水灌溉推广典型区域研究发现，灌溉耕地的白天降温效果显著减弱（0.21 K/decade），夜间降温效果显著增强（0.12 K/decade）。从季节上看，夏末春初的白天降温效果减弱最为明显。在空间上，南疆降温效应的减弱更显著（0.48 K/decade），这可能是由节水灌溉推广的进程和气候条件（如降水）不同所致。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 184 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199884]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张超. 中国灌溉耕地的遥感制图、演变格局及其降温效应研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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