東北地理所在厘米級(jí)根區(qū)土壤水分同化估算中取得新進(jìn)展
全球氣候變化加劇與極端天氣事件頻發(fā)背景下，農(nóng)田作為保障糧食安全的根基，受到環(huán)境影響的概率出現(xiàn)較大不確定性。根區(qū)土壤水分作為聯(lián)系地表水與地下水的紐帶，影響水文循環(huán)及植被耗水，其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化對(duì)區(qū)域和全球尺度的氣候變化及水資源管理至關(guān)重要。同時(shí)，高時(shí)空分辨率的根區(qū)土壤水分估算也能夠?yàn)橹笇?dǎo)農(nóng)業(yè)管理、保障糧食安全及維持水資源可持續(xù)利用提供決策支持。
中國(guó)科學(xué)院東北地理所微波遙感學(xué)科組構(gòu)建了耦合作物生長(zhǎng)模型與水文模型同化多源遙感估算厘米級(jí)根區(qū)土壤水分的框架，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、水資源管理以及農(nóng)業(yè)政策規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。通過深入挖掘WOFOST與HYDRUS-1D運(yùn)行機(jī)理，從作物生長(zhǎng)過程理論模擬與水分運(yùn)移原理出發(fā)，量化作物根系提水對(duì)根區(qū)土壤水分的吸收程度，實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)模型與水文模型的耦合，估算玉米根區(qū)（0-100 cm）逐厘米土壤水分，模擬土壤水分縱向變化過程。
圖1耦合WOFOST與HYDRUS-1D模型同化多參數(shù)估算根區(qū)土壤水分框架
綜合對(duì)比耦合模型模擬結(jié)果、單參數(shù)同化（只同化葉面積指數(shù)、只同化表層土壤水分）結(jié)果與雙參數(shù)同化結(jié)果（同時(shí)同化葉面積指數(shù)和表層土壤水分）可知，雙參數(shù)同化結(jié)果的5 cm、10 cm和60 cm深度的均方根誤差分別為0.060 cm3/cm3、0.079 cm3/cm3和0.059 cm3/cm3，四種結(jié)果中精度最高，同時(shí)該精度滿足對(duì)于不同深度土壤水分的應(yīng)用需求。
圖2同化估算的根區(qū)土壤水分與站點(diǎn)觀測(cè)時(shí)序數(shù)據(jù)對(duì)比分析
圖3根區(qū)土壤水分縱向分布時(shí)序變化特征
本研究通過耦合模型結(jié)合多源遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)同化框架，為逐厘米根區(qū)土壤水分的高精度估算提供了方法支撐。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展的區(qū)域根區(qū)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)品將為旱澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)水資源管理與高效利用提供數(shù)據(jù)支撐。此外，根區(qū)縱向逐厘米分辨率的土壤水分為作物根系提水量及提水過程的研究具有重要意義，能夠?yàn)?/span>作物生長(zhǎng)季長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與產(chǎn)量估算提供量化指標(biāo)。
研究成果近期發(fā)表在國(guó)際期刊Journal of Hydrology上，中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所特別研究助理李雷為第一作者，李曉峰研究員和鄭興明項(xiàng)目研究員為通訊作者。此項(xiàng)研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFD1500103），國(guó)家自然科學(xué)基金（41871248; 4197132）和吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（YDZJ202401484ZYTS）等項(xiàng)目的資助。
Li Lei, Li Xiaofeng*, Zheng Xingming*, Ju Hanyu, Li Xiaojie, Jiang Tao, Wan Xiangkun. 2025. Estimating maize root zone soil moisture by assimilating high spatiotemporal resolution optical and radar remote sensing into the WOFOST-HYDRUS coupled model. Journal of Hydrology, 2025, 651, 132618.
鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.132618
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