Use of satellite data and a physical based model for the evaluation of Water Use Efficiency at 30 meters resolution

Water Use Efficiency (WUE) is a key indicator for evaluating crop performance in the use of irrigation and environmental water resources. Currently available WUE products have a maximum spatial resolution of 500 m (MODIS). The objective of this study was to increase the spatial resolution to 30 m using high-resolution datasets and downscaling techniques, while also calibrating the NPP framework proposed by Jiang et al. The analysis focused on two maize croplands located in different climatic regions: one in northern China and the other in northern Italy. Evapotraspiration (ET) estimates showed satisfactory performance at both sites. GPP simulations were empirically recalibrated using eddy covariance tower measurements as reference data, starting from a higher initial model performance in the Chinese site and a lower one in the Italian site. After calibration, the RMSE decreased by 1 gC/m2/d in the Chinese site, while the R2 remained stable. In contrast, at the Italian site, RMSE decreased by 3 gC/m2/d and R2 improved by approximately 10%. The resulting WUE values were found to be highly similar across the two croplands. The results indicate that higher spatial resolution provides valuable agronomic and environmental insights into vegetation water use. They also demonstrate that, when high-resolution inputs are adopted, the modeling framework performs reliably after site-specific recalibration, which appears not only to the climatic characteristics, but also to the crop types.

La Water Use Efficiency (WUE) è un indicatore chiave per valutare la performance delle colture nell’utilizzo delle risorse idriche di irrigazione e ambientali. I prodotti di WUE attualmente disponibili hanno una risoluzione spaziale di 500 m (MODIS). L’obiettivo di questo studio è stato quello di aumentare la risoluzione spaziale a 30 m utilizzando dataset ad alta risoluzione e tecniche di downscaling, nonché di calibrare la metodologia per il calcolo di NPP proposto da Jiang et al. L’analisi si è concentrata su due coltivazioni di mais situate in regioni climatiche differenti: una nel nord della Cina e l’altra nel nord Italia. Le stime di evapotraspirazione (ET) hanno mostrato prestazioni soddisfacenti in entrambi i siti. Le simulazioni di GPP sono state ricalibrate empiricamente utilizzando come riferimento i dati delle torri eddy covariance presenti nelle due aree agricole, partendo da una performance iniziale del modello più elevata nel sito cinese e più bassa in quello italiano. Dopo la calibrazione, l’RMSE è diminuito di 1 gC/m2/d nel sito cinese, mentre l’R2 è rimasto stabile. Al contrario, nel sito italiano l’RMSE è diminuito di 3 gC/m2/d e l’R2 è migliorato di circa il 10%. I valori di WUE risultanti si sono dimostrati molto simili tra le due coltivazioni. I risultati indicano che una maggiore risoluzione spaziale può fornire informazioni agronomiche e ambientali rilevanti sull’uso delle risorse idriche da parte della vegetazione. Essi dimostrano inoltre che, nel caso di input ad alta risoluzione, il framework può funzionare in modo affidabile dopo una ricalibrazione specifica per sito, che sembra essere correlata non solo alle caratteristiche climatiche, ma anche alla specie coltivata.