Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 21:34, 15 Φεβρουαρίου 2024

Πρωτότυπος τίτλος: Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques

Συγγραφείς: Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

Δημοσιεύθηκε: Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154

Λέξεις κλειδιά: Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

Αντικείμενο εφαρμογής: χχχ

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Εικόνα 1. Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [1]

Εικόνα 2. Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [2]

Εικόνα 3. (α) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [3]

Εικόνα 4. (α) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [4]

Εικόνα 5. (α) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [5]

Εικόνα 6. (α) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [6]

Εικόνα 7. Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [7]

Εικόνα 8. Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [8]

Εικόνα 9. Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [9]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια. Το κανάλι ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur. Περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από το κανάλι Rohri σε εννέα περιοχές. Το κανάλι Rohri ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της αποκατάστασης και επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8.

2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες.

2.2. Μεθοδολογία

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Τα κρίσιμα δευτερεύοντα δεδομένα αυτής της μελέτης περιλαμβάνουν διαθεσιμότητα νερού στο κανάλι Rohri (εισροή), μοτίβο καλλιέργειας. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1):

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ.

2.3. Σύνολα δεδομένων

2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

2.3.2. Μάσκες καλλιέργειας

Η μάσκα καλλιέργειας μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Οι μάσκες καλλιέργειας για σιτάρι (2013–2014) και βαμβάκι και ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των μάσκες καλλιέργειας.

2.3.3. Αναφορά Εξατμισοδιαπνοή

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές αναφοράς εξατμισοδιαπνοής χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith για αναφορά της καλλιέργειας μηδικής, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση ET (ETr) αναφοράς. Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας.

2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή ETr σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής ETa εξατμισοδιαπνοής ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες και μάσκες καλλιέργειας Landsat εξήγαγαν ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σίντ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Το ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας Rn είναι καθαρή ακτινοβολία G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων Αρχικής, Ανάπτυξης, Ανθοφορίας και ωριμότητας. Η μέση πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) όλων των σταδίων πολλαπλασιάζοντας τα ETrF και ETr με συγκεκριμένες ημέρες και πάρτε τις μέσες τιμές όλων των pixel.

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης. Το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών. Το n υποδηλώνει αριθμό ημερών. Τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού.

2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σίντ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή. Το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σίντ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα από τη μεσαία Σίντ. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο.

3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ

3.1. Το ποτάμι ρέει

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI).

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif.

3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.