第1章　绪论

1.1　研究背景和意义

中国是一个水资源严重短缺的国家，水资源供需矛盾是制约我国经济社会可持续发展的主要瓶颈，农业是最主要的水资源消耗部门。随着我国经济社会的快速发展和人口的不断增加，工业、生活和生态用水不断增长，进一步挤压农业用水，导致水资源短缺现象进一步加剧，干旱缺水已经严重制约我国北方地区农业生产的发展。同时，我国北方地区农业用水效率较低，传统的灌溉方式又造成了大量灌溉水的浪费。因此，如何提高灌溉水利用效率对保证我国粮食安全至关重要。准确及时的确定蒸散量，是计算作物水分利用率的前提和分析区域水量平衡的基础，是研究农业高效用水和实施最严格水资源管理的切入点（Bormann，2011）。

随着社会发展和经济转型，我国的农业灌溉逐步从单一、分片小块农田转向连片、大农场。现代农业本质是利用先进技术装备支撑农业规模化，用精准化信息技术支撑农业信息化。农业用水占全球用水总量的70％，在一些非洲和亚洲国家，农业用水比例达85％～90％。近年来，我国农业用水量约占经济社会用水总量的62％，部分地区高达90％以上，农业用水效率不高，节水潜力很大（康绍忠，2014；许迪等，2010）。在此背景下，对灌区灌溉管理在实时、精量、自动化等方面提出了更高要求。

气候因素的变化和经济社会需水的不断增加，使得黄河流域径流量近几十年呈下降的趋势（Fu等，2004），加剧了水资源的供需矛盾，特别是在干旱半干旱地区尤为严重。为应对黄河流域有限的水资源与用水需求之间的矛盾，黄河水利委员会对引黄灌溉水量实行统一调度，缩减引黄灌溉水量。经济的快速增长和城镇化的不断发展，使得工业用水、生活用水进一步压缩了农业用水份额，农业节水对于国家用水安全、粮食安全以及农业和农村经济可持续续发展具有极其重要的战略地位。目前我国农业用水效率低下，灌溉水有效利用系数为0.52左右，比世界先进水平低0.1～0.3（以色列0.8左右，澳大利亚0.65左右，美国0.6左右）。如何在保证确保粮食安全的情况下减少农业用水量，提高灌溉水利用效率成为关键的科学问题。而及时精准获取灌区作物蒸散发和真实反映灌区灌溉水有效利用率尤为重要。

详细的种植结构和农田蒸散发时空信息是研究农业水文循环、农业灌溉用水管理的重要依据（Gowda等，2008；Lei和Yang，2010）。遥感技术的出现和应用，使得模拟区域地表参数和通量成为可能。但由于遥感技术的限制，同时兼顾高时间、高空间分辨率影像的获取和应用受到限制（Zhu等，2010），如HJ-IRS、SPOT、CBERS和Landsat系列卫星等，具有较高的空间分辨率，但较长的重访周期以及云雨天气的影响等，限制了遥感数据在连续监测地表参数和地表通量方面的应用。而高频率重访周期遥感卫星，如MODIS和AVHRR，虽然可以连续观测地表参数的变化，但其不能有效分辨和提取复杂下垫面内部参数的特征变化。灌区用水管理往往需要更详细的农业信息，如田块尺度种植结构、农田蒸散发等数据，而单一的遥感数据源不能满足实际需求。因此，如何通过多源数据融合的方法构建高时空分辨率地表参数和地表通量数据集显得尤为重要。进而，可利用详细的种植结构信息获取不同作物生育期和非生育期蒸散发变化，同时可研究种植结构调整对地区农业蒸散发所产生的影响，以便指导生产实践。

作物冠层温度是一个很好的干旱监测和灌溉决策指标，从20世纪六七十年代开始已经开展了大量的研究，有坚实的理论基础和广阔的应用前景（Hiller等，1974；Jackson等，1977；Jackson等，1981）。遥感技术在获取陆面参数，特别是大尺度陆面参数方面具有独特的优势，从遥感影像上可直接获取到重要的生态学特征和生物生长参数（Kustas等，2009）。将田间实时观测数据与区域遥感图片反演准实时数据结合起来，进行区域农田作物灌溉决策，则能够充分利用两者的优点，从而达到灌区灌溉管理的精量、实时和自动化。

从田间点尺度的作物冠层温度数据监测到灌域大尺度的灌溉决策，不仅涉及灌溉决策指标的相关阈值、干旱判断等，更要研究农田点尺度试验结果如何在区域大尺度的应用与展布，研究点、面多源数据的同化与融合，从而实现灌区整体的干旱监测和实时灌溉管理。本书旨在通过干旱半干旱灌区的田间试验和实时数据监测，获取不同尺度下的灌区作物生长状况、种植结构、土壤类型分布、土壤墒情、农田作物生态指标以及产量等信息，结合卫星遥感过境影像反演，获取不同时空分辨率的地面温度数据并同化，构建基于冠层红外温度的区域灌溉决策模型；开展灌区农田作物生长环境条件下精量灌溉理论和方法的研究，为正确评价作物水分消耗和水资源合理分配提供先进技术支撑，也为宏观水资源管理和作物种植结构调整提供理论基础和有效的技术手段。