利用基于卫星的蒸散量、降水量和径流数据对爱荷华州的水分平衡进行分析

《Agricultural Water Management》：Water balance analysis in Iowa using satellite-based evapotranspiration, precipitation, and streamflow data

水文学平衡与土地利用变化对爱荷华州径流影响研究（2000-2023年）。基于公开卫星数据（OpenET）、降水（GRIDMET）和地表径流观测，揭示干旱年份36,260平方公里农田ET>降水，其中6,260平方公里依赖灌溉，30,000平方公里依赖自然水源（土壤储水/浅层地下水）。验证Budyko框架（Q≈P-RSET）在Ioway Creek流域适用性（R2=0.83），发现原生草原转为玉米/大豆作物使年均径流增加57mm（23%）。提出可扩展至中西部农业区的空间加权水文分析模型。

　　在农业高度集约化的景观中，水资源平衡的分析对于可持续的水资源管理至关重要。本研究利用公开的卫星遥感蒸发蒸腾（RSET）、格网化降水数据以及现场测量的河流径流数据，对爱荷华州从2000年至2023年的水资源平衡进行了深入探讨。本研究的目标包括：1）识别依赖地下水进行蒸发蒸腾的区域；2）评估Budyko框架在估算年径流方面的适用性；3）量化历史土地利用变化对流域水文的影响。研究结果表明，在干旱年份，爱荷华州近36,260平方公里的农田中，年蒸发蒸腾量超过了降水量。其中，约20%的农田依赖灌溉，其余30,000平方公里的农田则依赖自然补贴，如土壤蓄水或浅层地下水。此外，对于选定的流域，研究发现Budyko框架能够较好地估算年径流（R2=0.83）。最后，研究量化了历史上的原生草原向玉米和大豆农田转变对年径流的影响，发现这种转变使年均径流增加了约57毫米（23%），这直接源于年度轮作作物较低的蒸发蒸腾率。

蒸发蒸腾是陆地水文循环中的关键组成部分，其准确估算对水资源管理至关重要。传统的蒸发蒸腾测量方法，如Bowen比率系统、涡旋协方差法和蒸渗计，虽然能够提供精确的局部数据，但成本高且劳动密集，难以在大范围应用。随着卫星遥感技术的发展，结合高分辨率的遥感数据、格网化气象数据、地形和地表信息，以及先进的计算能力，卫星遥感蒸发蒸腾（RSET）为在多个空间尺度上估算蒸发蒸腾提供了新的方法。例如，OpenET项目结合了六种不同的模型，以30米像素分辨率估算美国西部地区的蒸发蒸腾量。该研究还评估了模型集合的准确性，使用中位数绝对偏差方法进行计算。这些模型主要基于地表能量平衡，考虑了土壤和植被中液态水转化为水蒸气所需能量。研究显示，OpenET模型在农业环境中表现良好，模型集合值通常优于单个模型。

卫星遥感蒸发蒸腾数据在农业水资源管理中发挥着基础作用。不同的方法已被广泛应用于生成空间蒸发蒸腾信息，并监测与实际蒸发蒸腾相关的作物生物物理参数，从而可能提高作物的水资源利用效率和质量，同时减少对水资源的压力。此外，已有文献指出，空间蒸发蒸腾信息和监测对农业水资源管理决策具有重要价值。例如，Stewart等人（1974）基于加州戴维斯市对灌溉计划和深度的监测，提出了最大蒸发蒸腾率的估算方法。Irmak（2015）和Khorchani等人（2024）则评估了不同空间尺度和半连续时间尺度下作物水分生产力的响应。

爱荷华州的大片地区经历了从草地和湿地向农田的显著转变。这种转变在中部爱荷华尤为明显，那里的湿地损失估计超过95%。大多数湿地的损失与人工地下排水系统的安装有关，这些系统能够快速排水，使土壤变得适宜耕作并减少作物死亡率。这种土地利用变化影响了该地区的水资源预算，改变了总蒸发蒸腾水量。已有研究指出，农业活动的动态和不透水面积的扩张可以改变年径流，如Gregory（2006）和Mishra等人（2010）的研究所示。

尽管安装了排水系统，使得地下水位下降，但地下水仍然对爱荷华州的作物产量产生重要影响。Deines等人（2024）的研究表明，最佳地下水深度与产量的平均增长3.4%相关。这表明在某些地区，浅层地下水可能是作物的额外水源，导致蒸发蒸腾量超过年降水量。Deines等人还指出，地下水水平与作物表现之间的相互作用在很大程度上为美国玉米带的农业带来了显著的经济效益。

Budyko假设（1974）认为流域处于稳定状态，降水被蒸发蒸腾和径流平衡。这一假设已被广泛用于研究植被、蒸发蒸腾和流域径流之间的相互作用，以及气候与流域的相互影响。Li等人（2013）利用Budyko框架和全球26个主要河流流域的数据，确定了改善年实际蒸发蒸腾预测的形状参数。Oudin等人（2008）在评估1508个流域时，使用水文平衡公式将长期年径流、降雨和潜在蒸发蒸腾量联系起来，发现土地覆盖信息可以提升模型的准确性。Xu等人（2013）利用Budyko方法评估了中西部55个流域的水文数据，发现自1930年代以来，气候变化对总径流变化的贡献更为显著，而土地覆盖变化则对基流变化更为重要。

本研究旨在利用OpenET项目的RSET数据，结合降水和径流记录，评估土地覆盖对爱荷华州年水资源平衡的影响。具体目标包括：1）分析RSET与降水（RSET/P）比值的空间分布，以识别依赖地下水的蒸发蒸腾区域；2）利用Budyko框架研究降水减去RSET（P - RSET）与径流（Q）之间的关系；3）评估不同土地覆盖模式，特别是行作物农业与多年生植被，对选定流域年径流的影响。

研究区域为爱荷华州，该州位于美国中西部，主要土地覆盖类型为行作物农业，尤其是玉米和大豆。根据最近的土地覆盖数据，该州约37%的面积用于玉米种植，而28%用于大豆种植。爱荷华州的气候为湿润大陆性气候，年降水量在26至40英寸之间，西北部为最干旱地区，东南部为最湿润地区。农业在爱荷华州传统上依赖降雨，灌溉相对较少。然而，根据爱荷华州自然资源部的记录，灌溉井主要集中在该州西部，而北部和东南部的井密度较低。

爱荷华州的多样地形，由其地质历史形成，包括八个主要地貌区。其中最大的区域是位于中北部的Des Moines Lobe，以其草原池塘和排水不良的土壤为特征；南部的Southern Iowa Drift Plain则有许多沟壑、溪流和河流；东北部的Iowan Surface则以平缓的地形为特点。图1展示了爱荷华州在美国的位置、主要地貌、已知的灌溉井位置以及被选为详细水文分析的Ioway Creek流域。该图显示了Ioway Creek流域内玉米和大豆种植的主导地位，其中约75%的土地用于玉米和大豆种植。

本研究使用了多种数据集，包括关于陆地水循环不同组成部分的信息以及土地利用数据。每月30米分辨率的蒸发蒸腾数据来自OpenET项目。来自爱达荷大学的GRIDMET数据集提供了每日降水信息，而Ioway Creek流域的每日径流记录则通过USGS的数据检索Python包获取。此外，玉米和大豆种植区通过美国农业部的Cropland Data Layer进行识别，流域多边形则通过USGS StreamStats v4.17.0生成。表1列出了本研究中使用的数据集及其主要特征。研究使用Google Earth Engine和Geemap Python库提取了格网数据，并聚焦于2000-2023年的窗口。格网数据和现场数据的时间序列通过水文年（每年10月1日至次年9月30日）进行汇总。

为了识别依赖地下水的蒸发蒸腾区域，研究分析了每个水文年中RSET/P比值，重点关注那些被Cropland Data Layer标记为玉米或大豆种植的像素。在干旱年份，某些地区的RSET/P比值超过1，表明行作物能够直接利用地下水或通过毛细作用获取水分。研究中使用了两个灌溉缓冲区。第一个缓冲区基于安装了灌溉点的30米像素，以1.6公里直径（0.8公里半径）为界。这一假设基于爱荷华州常用的中心旋转灌溉系统，其通常覆盖800米直径或400米半径。除了这一距离外，研究还增加了400米的半径，以覆盖由于喷雾漂移、土壤水分迁移和高温多风天气对RSET信号的影响。第二个缓冲区则考虑了非报告的灌溉点，其半径增加至1.5公里。

研究使用Ioway Creek流域的数据，测试了Budyko假设，即年径流（Q）可以通过降水减去蒸发蒸腾（P - RSET）估算。数据涵盖了2001年至2023年。图9展示了结果，包括散点图（左）和时间序列图（右）。结果表明，估算的（P - RSET）与观测的径流在USGS水文站之间具有良好的一致性。散点图显示了较高的决定系数（R2 = 0.83）和接近理想1:1关系的线性回归斜率（1.10）。这一接近1的斜率验证了Budyko假设在Ioway Creek流域的适用性，并表明该流域长期的土壤和地下水存储变化相对较小。然而，图9还显示，在极端湿润或干旱年份，如2010年和2012年，值与回归线存在显著偏差。

图10展示了Ioway Creek流域在三个干旱年份（2012、2020和2023）的估算径流（P - RSET）地图。灰色像素表示该年份内蒸发蒸腾量超过降水量的区域。2012年代表了极端的历史干旱，显示流域中约90%的区域处于灰色状态，表明作物水分需求主要依赖于储存的土壤水分。相比之下，2020年和2023年显示出多个区域具有正的P-RSET值，表明降水足以满足蒸发蒸腾需求并产生适度的径流。2023年流域中约35%的区域出现了水分赤字（灰色像素）。

本研究发现，爱荷华州的年径流受到历史土地覆盖变化的影响。在Ioway Creek流域，当前以玉米和大豆为主的土地利用条件下，年均径流为248毫米，比假设的原生多年生植被条件下估算的191毫米增加了57毫米（23%）。在23个评估年份中的21个，实际径流超过了模拟的多年生植被径流。图11显示了这两个情景的年径流差异，表明在降水较少的年份（如2011、2012和2021年），估算的径流（P - RSET）可能低于零。这一发现与之前的研究一致，表明土地利用是水文变化的关键驱动因素。

本研究的结果表明，在干旱年份，爱荷华州近36,260平方公里的农田中，年蒸发蒸腾量超过了降水量。其中，约20%（6260平方公里）的农田依赖灌溉，其余30,000平方公里则依赖自然水源，如储存的土壤水分或浅层地下水。这一发现与Deines等人（2024）的研究一致，他们指出浅层地下水的利用可以提高玉米产量，并且在极端水文年份，将这些浅层地下水动态纳入作物模型可以提高模型的准确性。

识别具有自然土壤水分和浅层地下水获取能力的农田为农民和政策制定者提供了有价值的信息。尽管灌溉常被引用为中西部农业应对气候变化的关键策略，但本研究的结果可以识别出某些农田不需要额外灌溉。通过绘制具有自然抗旱能力的地区，本研究为在未来的气候条件下维持爱荷华州农业提供了更具针对性和成本效益的方法。

除了地下水和土壤水分，地表径流也是农田的潜在水源之一。地形低洼区域可以从上游地区接收地表径流，这可能会增加蒸发蒸腾率。这一现象在中部爱荷华特别相关，因为该地区属于草原池塘区域，具有众多地形洼地（即池塘）。本研究未考虑RSET值超过P的像素可能位于地形低洼区域，如池塘，这些区域的蒸发蒸腾可能由地表径流支持。如果考虑到这一因素，我们对依赖地下水进行蒸发蒸腾的行作物面积的估计可能会更低。

本研究提出的方法为农业水资源管理提供了有价值的工具，通过识别州内地表径流贡献显著的农田区域，可以减少在长期干旱期间对补充灌溉的需求。例如，在2022和2023年等干旱期间，该方法有助于优化灌溉周期，提高水资源利用效率。该方法同样可以扩展应用于美国中西部和中部其他地区，以评估地下水、土壤水分和地表径流对行作物的影响。

本研究的另一个成果是，通过从年降水量中减去年蒸发蒸腾量（Q ≈ P - RSET）估算年径流的潜力。在Ioway Creek流域的测试中，我们的估算值与USGS观测径流数据之间显示出良好的一致性。这种一致性与Budyko框架相符，表明该流域长期的土壤和地下水存储变化相对较小，使得这一简化方法可行。然而，在极端湿润和干旱年份，如2010年和2012年，仍存在显著差异。尽管存在这些限制，该方法在没有极端存储变化的年份中仍显示出在未监测流域估算年径流的潜力。在实际应用中，这种方法可以用于估算流域如何在径流和蒸发蒸腾之间分配水资源，从而更好地理解长期水资源可用性模式。

最后，本研究量化了历史土地覆盖变化对Ioway Creek流域年径流的影响。我们发现，原生草原向玉米和大豆农田的转变使年均径流增加了23%。这一结果与之前的研究一致，表明土地利用是水文变化的重要驱动因素。具体而言，我们的23%估算与Xu等人（2013）将土地表面变化归因于对径流变化贡献的39%±19%相符。需要注意的是，Xu等人研究的土地覆盖变化是从多种农业类型（如燕麦、小麦、干草和玉米）向玉米-大豆轮作转变，而我们的研究则关注从原生草原向行作物的转变。

本研究的结果依赖于空间分辨率、用于分析长期水和能量平衡趋势的年度时间尺度，以及主要数据源（如OpenET和GRIDMET数据集）的准确性。虽然年度估算的降水量和蒸发蒸腾量有助于理解流域如何在径流和蒸发蒸腾之间分配水资源，但研究中仍存在一些限制。例如，在作物生长阶段，尤其是温暖季节（如夏季或早秋），短期干旱事件的监测可能有限，这限制了对补充灌溉需求的理解。尽管OpenET数据通常与通量塔测量数据相比具有较高的准确性，但年度作物（如玉米和大豆）的月度数据中存在平均偏差误差（MBE）为-5.11毫米，季节性MBE可达±20毫米。这表明虽然数据具有较高的准确性，但研究结果仍存在一定局限性。我们识别出使用RSET/P比值为1.0的像素来接收自然水源，但未来的方法实施可能需要考虑这些数据集已知的偏差，并采用不同的阈值。此外，OpenET和GRIDMET数据集之间的空间分辨率不匹配可能导致像素级计算的偏差，引入一定限制。然而，使用RSET/P比值生成的格网数据保留了OpenET的高分辨率特征。为了消除因格网不匹配引起的噪声，未来可能需要对降水数据进行重采样或降尺度处理，以提高RSET/P值的像素级准确性。由于这些过程的高计算需求，本研究未对降水数据进行重采样或降尺度处理。此外，未来方法的潜在改进可能包括评估像素接收自然水源的可能性，而不是使用二元分类。

灌溉分析也存在特定的局限性。灌溉井的位置基于2023年的用水许可确定，但这些井在过去二十年中的历史活动（是否存在或是否正在抽水）尚不确定。此外，用于定义灌溉区域的1.6公里缓冲区是基于中心旋转灌溉系统的尺寸设定的，更详细的分析可能为未来实施该方法提供更高的精度。调整这一缓冲距离可能会影响对灌溉区域和依赖自然水源区域（如土壤水分或浅层地下水）的估算。

为了估算从草原向行作物的转变对径流的影响，我们使用了Ioway Creek流域内22英亩的原生草原残留区的蒸发蒸腾估算值。这一区域是良好识别和保存的原生草原，包括Prairie dropseed、Indiangrass和Big bluestem，保留了大约100个30米像素。由于样本量较小，RSET值的年际变化可能在±40毫米范围内波动，平均为724毫米，这与之前相关研究中的640-810毫米范围相符。在这一小样本中，异常值可能影响了原生草原的蒸发蒸腾信号。

综上所述，本研究提出了一个可复制的水文平衡方法，利用公开数据对爱荷华州的水资源状况进行了分析。研究结果表明，非灌溉的爱荷华州农田约30,000平方公里依赖自然水源如浅层地下水维持。这些结果与之前的分析一致，并揭示了爱荷华州不同地区地下水依赖蒸发蒸腾的存在，特别是在靠近水道的集约化耕作区。此外，研究发现，在非湿润或干旱年份，遥感和观测数据之间的年径流值表现出相似性，这与Budyko框架相符。研究还确认了从原生草原向行作物的转变使年均径流增加了23%。P - RSET被证明是年径流的良好估算，为未监测流域的水资源管理提供了有价值的工具。

研究结果展示了该方法在分析流域如何在径流和蒸发蒸腾之间分配水资源方面的潜力。这种方法可以适应美国中西部其他农业景观地区，这些地区中的行作物依赖地下水、土壤水分和地表径流，这些因素对水文变化敏感。该方法为农业系统的长期水资源规划和管理提供了有价值的工具。