基于植被指数的棉花冠层光合有效辐射截获量和叶片净光合速率估算研究

【目的】分析不同水分处理下棉花冠层植被指数与吸收光合有效辐射截获量(FAPAR)和叶片净光合速率(Pn)之间的相关性,并通过植被指数反演FAPAR和Pn,以实现非接触、非破坏、快速、实时、大面积监测棉花的生长状况。【方法】用美国ASD Fieldspec Pro FR 2500高光谱辐射仪、LI-190SA线性光量子传感器和LI-6400便携式光合测试系统,分别测定棉花新陆早33号不同水分处理关键生育时期的冠层高光谱数据、光合有效辐射(PAR)和叶片净光合速率。【结果】不同水分处理的棉花新陆早33号冠层FAPAR与Pn均在开花结铃期达到最大值,在吐絮期达到较低值。建立重归一化植被指数(RDVI)、差值植被指数(DVI)、增强型植被指数(EVI)、光化学反射植被指数(PRI)与FAPAR、Pn的函数模型都达到极显著性相关。其中EVI与FAPAR,PRI和Pn的相关性最高(rEVI-FAPAR=0.686 3**,RMSE=0.04,rPRI-Pn=0.644 7**,RMSE=3.39,n=20),利用它们相关性最高的函数模型方程分别估算FAPAR和Pn,实测值和估测值都达到极显著(r实测FAPAR-估测FAPAR=0.805 4**,r实测Pn-估测Pn=0.760 9**,n=20)。【结论】可以用高光谱植被指数无损的提取棉花光合生理参数信息。

棉花冠层光合有效辐射截获量与产量的关系

通过研究棉花品种新陆早45号和新陆早62号光合有效辐射截获量(FAPAR)的日变化和生育期变化特征,分析其与产量的相关关系,结果表明,参试棉花品种开花期的冠层、中层FAPAR的日变化趋势一致,下层FAPAR的日变化呈抛物线曲线。参试棉花品种冠层FAPAR随着生育期变化趋势一致,冠层FAPAR较高值均出现在开花期、开花结铃期和结铃期,且在开花结铃期、结铃期和盛铃期存在显著差异(α=5%);参试棉花品种冠层的FAPAR与产量均达极显著的线性相关,说明冠层FAPAR能够反映棉花不同生育期的生长状况,决定棉花产量的形成。

不同水分条件下棉花冠层光合有效辐射特征分析

【目的】研究棉花不同水分条件下的吸收光合有效辐射(APAR)和光合有效辐射截获量(FAPAR)随生育期的变化特征,为实时、无损、快速监测棉花生育期的生长状况,提供理论依据。【方法】通过线性光量子传感器获取棉花新陆早13号和33号两品种5水分处理冠层6个生育时期的光合有效辐射(PAR),计算得到APAR和FAPAR,分析它们的日变化和生育期的变化规律。【结果】两品种5水分处理6个生育期的APAR日变化均呈抛物线曲线,早晨08:00和晚20:00的APAR都为最低,分别在14:00时和12:00时达到最大。它们的FAPAR日变化都呈字型曲线,上午和下午的FAPAR出现两个最大峰值,中午14:00时达最低峰值。两品种5水分冠层的APAR和FAPAR均在开花初期较低,盛铃末期达最低,分别在盛花期和开花结铃期达最大,随着生育期它们的APAR和FAPAR与棉花的生育进程一致,两品种5水分在各生育时期的APAR和FAPAR高低排列顺序均为W_5>W_4>W_3>W_2>W_1。【结论】棉花的不同水分状况影响其APAR和FAPAR的变化,利用棉花APAR和FAPAR的日变化及其随生育期的变化特征,可以诊断棉花的水分和生长状况。

库布齐沙地油蒿群落冠层光合有效辐射与地上生物量

采用Sunscan冠层分析仪,对库布齐固定沙地、半固定沙地、流动沙地油蒿群落冠层光合有效辐射截获量(IPAR)进行研究,分层测量地上生物量重量。结果表明库布齐沙地不同沙地类型IPAR固定沙地>半固定沙地>流动沙地,不同沙地油蒿群落冠层IPAR与地上生物量具有显著相关性,冠层截获的光合有效辐射增加,固碳量加大,固碳能力提高。

不同水分条件下棉花红边参数与冠层光合有效辐射和经济系数的相关分析

为探明高光谱红边参数与棉花光合有效辐射参数和经济系数(HI)的关系,利用ASD Fieldspec FR2500地物高光谱辐射仪和LI-190SA线性光量子传感器分别测试棉花两品种五水分处理冠层反射光谱和冠层光合有效辐射(PAR),通过对反射光谱数据进行一阶微分,获取棉花红边位置(λr)、红边斜率(Dr)和红边面积(SDr)参数,同时对光合有效辐射数据处理得到吸收光合有效辐射(APAR)和吸收光合有效辐射截获量(FAPAR)。结果表明:随着生育时期的变化,红边参数Dr和SDr均在盛铃期达最高值,盛铃末期达最低值,冠层光合特征参数APAR和FAPAR分别在开花结铃期和盛铃期达到较高值。对Dr和SDr分别与APAR、FAPAR和经济系数(HI)进行相关分析,结果表明,Dr和SDr与APAR、FAPAR均呈现极显著的正指数函数关系(rDr-APAR=0.5132**,rSDr-APAR=0.4953**,rDr-FAPAR=0.7175**,rSDr-FAPAR=0.7497**,n=40,α=1%);Dr和SDr与HI均呈现极显著的最高负指数函数相关(rDr-HI=-0.8709**,rSDr-HI=-0.8859**,n=40,α=1%)。利用Dr和SDr分别估算FAPAR和HI,模型方程的精度分别为95.4%、78.1%、95.5%和79.7%,说明通过红边参数与光合有效辐射参数和HI的相关函数模型,可以实时、精准地和非破坏性地预测棉花冠层光合有效辐射参数和HI。

播期和播量对冬小麦冠层光合有效辐射和产量的影响

小麦适期播种不仅是达到全苗壮苗的关键,还有利于小麦健壮生长发育,是提高小麦单产的重要措施。本试验研究了不同播期和播量条件下小麦冠层底部光合有效辐射(TPAR)、叶面积指数(LAI)、冠层截获的光合有效辐射(IPAR)等的变化及播期对冬小麦产量的影响。结果表明,叶面积指数和冠层截获的光合有效辐射随小麦播种时间的推迟而降低,小麦冠层底部的光合有效辐射随小麦播种时间的推迟而增大。小麦冠层截获的光合有效辐射与叶面积指数呈显著正相关,相关系数为0.756;冠层底部的光合有效辐射与叶面积呈显著负相关,相关系数为-0.872。小麦产量虽然随播期的推迟呈递减趋势,但10月20日之前播种的小麦产量间无显著差异。因此,在冬小麦和夏玉米一年两熟区,可相应推迟小麦的播种时间,尽量延长上茬玉米的生长期,以实现两茬作物的均衡增产。

施氮量对小麦商麦156光合特性、冠层光截获及产量的影响

为冬小麦高产栽培氮肥运筹提供参考依据,以商麦156为试验材料,设置0、110、150、190、230、270、310 kg/hm2等7个施氮水平,研究氮肥不同施用量对商麦156光合特性、叶绿素含量(SPAD值)、光合有效辐射、净光合速率(Pn)与SPAD值的相关性、冠层截获的光合有效辐射(IPAR)与叶面积指数(LAI)的相关性及产量构成因素的影响。结果表明:不同施氮量对商麦156光合特性、SPAD值、光合有效辐射及产量等影响显著。在返青期和拔节期,商麦156净光合速率均以氮肥270 kg/hm2时最大,蒸腾速率和气孔导度分别以氮肥190、270 kg/hm2时最大,胞间CO2浓度以氮肥110 kg/hm2时最大并表现出与净光合速率负相关的趋势。在返青期和拔节期,随着氮肥用量的增加,小麦叶片SPAD值呈现先上升后下降的趋势,且均以氮肥用量230 kg/hm2时最大,较对照分别增加4.58%和3.59%。在返青期和拔节期,Pn与SPAD值的相关关系分别为极显著和显著正相关。商麦156返青期和拔节期IPAR变化趋势一致,且以氮肥270 kg/hm2时最高,较对照分别提高15.25%和14.26%。在0~270 kg/hm2范围内,返青期和拔节期LAI均随氮肥用量的增加而增大,且拔节期高于返青期,施氮量310 kg/hm2时LAI开始下降。返青期和拔节期IPAR与LAI分别呈极显著和显著正相关。小麦穗数、穗粒数和产量以氮肥270 kg/hm2时最大,而千粒质量则以230 kg/hm2时最大。说明氮肥270 kg/hm2处理可以提高商麦156光合特性和IPAR,优化冠层结构,增加穗数、穗粒数和产量。

测墒补灌对不同小麦品种光合特性及产量的影响

为探究不同土层测墒补灌对不同小麦品种光合特性和产量的影响,在大田条件下,以小麦品种济麦22（J22）和泰农18（T18）为材料,设置4个试验处理：全生育期不灌水（W0）;拔节期和开花期各灌溉60mm（WCK）;拔节期和开花期测定0~40cm（W1）和0~140cm（W2）土层土壤相对含水量,并补灌至土壤相对含水量为65%;研究各灌水处理对小麦光合特性和产量的效应。结果表明：（1）T18拔节期灌溉量为W1〉WCK〉W2,开花期为WCK、W2〉W1,总灌水量W1与WCK无显著差异,显著高于W2处理;J22拔节期灌溉量为W1〉WCK、W2,开花期为WCK、W2〉W1,总灌水量各处理间无显著差异。（2）两个小麦品种W1处理的旗叶叶绿素含量、净光合速率在灌浆中后期均显著高于W2和WCK处理,不灌水W0处理最低;T18各灌水处理的旗叶叶绿素含量和光合速率在花后28~35d均显著高于J22。（3）两个小麦品种光合有效辐射（PAR）截获率为W1〉W2〉WCK〉W0,PAR透射率与之相反,各处理间的PAR反射率无显著差异;T18各处理冠层平均PAR截获率低于J22,其冠层平均PAR透射率高于J22。（4）两个小麦品种籽粒产量以W1处理最高;T18各灌水处理间的水分利用效率无显著差异,其灌溉效益为W2〉W1〉WCK;J22各处理间的水分利用效率为W1〉W2、WCK〉W0,灌溉效益为W1〉W2〉WCK。本试验条件下,T18具有较高的叶绿素含量、光合速率及冠层透射率,使得旗叶衰老延缓,利于穗粒重增加,其产量较J22略高。综合考虑籽粒产量、水分利用效率和灌溉效益,W1是两个小麦品种兼顾节水和高产的最佳灌水处理。

氮钾配施下施磷对冬小麦群体发育特性、冠层光截获及产量的影响

【目的】明确一定氮钾配施条件下不同施磷水平对冬小麦群体发育特性、冠层截获光合有效辐射(IPAR)及产量的影响,同时分析IPAR与LAI之间的相关性,为在一定氮钾配施下筛选出适宜的磷肥用量提供理论依据。【方法】以郑麦7698为试验材料,设低氮低钾N_1K_1(N 225 kg·hm^(-2)、K_2O 150 kg·hm^(-2))、低氮高钾N_1K2(N 225 kg·hm^(-2)、K_2O 225 kg·hm^(-2))、高氮低钾N_2K_1(N 300 kg·hm^(-2)、K_2O 150 kg·hm^(-2))、高氮高钾N_2K_2(N 300 kg·hm^(-2)、K_2O 225 kg·hm^(-2))4个氮钾配施比例,每个氮钾配施设置5个施磷水平:P0(不施磷)、P1(P_2O_5 150 kg·hm^(-2))、P_2(P_2O_5 225 kg·hm^(-2))、P^(-2)3(P_2O_5 300 kg·hm2)、P4(P_2O_5 375 kg·hm-),共20个处理。对小麦群体动态、叶面积指数(LAI)、开花后干物质积累、冠层截获光合有效辐射(IPAR)、产量等指标进行测定分析。【结果】(1)在4种氮钾配施下,施P_2O_5 0—225 kg·hm^(-2)时,随施磷量的增加,总茎蘖数、开花后干物质积累及LAI均增加,施P_2O_5超过225 kg·hm^(-2)时,各指标均有所下降,以施P_2O_5 225 kg·hm^(-2)水平群体指标最佳。(2)氮钾配施固定条件下,不同施磷水平小麦冠层截获光合有效辐射值(IPAR)的大小顺序均为P_2>P1>P3>P4>P0,且P_2水平IPAR值最高,增幅最大。不同氮钾配施下以N_1K_1条件IPAR增幅最多。(3)4种氮钾配施条件下IPAR与LAI均呈指数正相关关系,N_1K_1、N_1K2、N_2K_1、N_2K_2条件下不同施磷水平小麦IPAR与LAI的拟合系数分别为0.8492、0.8363、0.7321、0.8081。产量与LAI在二阶多项式函数关系上拟合度较好,拟合系数为0.7145。(4)从3个年度各处理产量来看,适当增施磷肥有利于提高小麦的籽粒产量,但磷肥增加到一定程度小麦产量又呈下降趋势,不同氮钾配施下N_1K_1处理产量水平最高,氮钾配施固定条件下,不同施磷水平的产量及增产率均为P_2(P_2O_5 225 kg·hm^-2))时最高。【结论】本研究条件下,N_1K_1P_2(N_225 kg·hm^(-2)、K_2O 150 kg·hm^(-2)、P_2O_5 225 kg·hm^(-2))处理可以优化小麦群体结构,提高LAI,增加开花后干物质积累,提高IPAR和籽粒产量。

基于棉花冠层FPAR的LAI和地上鲜生物量估算研究

【目的】研究棉花生育期冠层光合有效辐射截获量(FPAR)与其叶面积指数(LAI)和地上鲜生物量的相关关系,建立FPAR对LAI和地上鲜生物量的估算模型,探讨获取LAI和地上鲜生物量的新方法,为动态监测棉花的生长状况提供科学依据。【方法】利用线性光量子传感器,测试新陆早19号和新陆早13号2个棉花品种4种配置种植方式下,冠层在6个关键生育期的光合有效辐射数据,获取FPAR,并同步实测棉花冠层LAI和地上鲜生物量,建立FPAR与LAI和地上鲜生物量的相关方程,同时比较LAI和地上鲜生物量的估测值与实测值的差异。【结果】2个棉花品种的FPAR随生育进程呈现类似变化规律:在盛蕾期至开花期迅速增加,于花铃期或盛铃期达最大值,随后逐渐下降;棉花FPAR与LAI和地上鲜生物量均达到极显著正相关关系,其中均以幂指数相关关系为最佳(RFPAR-LAI=0.8513**,RFPAR-地上鲜生物量=0.7469**,n=80);用FPAR分别估算的LAI和地上鲜生物量,与其实测值的相关关系均达到1%极显著正相关(R实测LAI-估算LAI=0.8180**,R实测地上鲜生物量-估算地上鲜生物量=0.7396**,n=80)。【结论】棉花FPAR对LAI的估算精度较其对地上鲜生物量的高,表明利用棉花冠层FPAR可以简单、快捷、非破坏性地估测棉花的LAI和地上鲜生物量。

不同密度棉花群体光分布和棉铃空间分布差异研究

为筛选出适宜南疆棉花的合理种植密度,本试验以中641为供试品种,设置12万株/hm^(2)(Ⅰ:低密度)、18万株/hm^(2)(Ⅱ:中密度)和24万株/hm^(2)(Ⅲ:高密度)3个密度处理,采用(76 cm+76 cm)一膜三行种植模式,使用LI-191SA光合有效辐射传感器与棉花数据采集系统,研究比较不同密度处理棉花花铃期群体光合有效辐射截获情况与棉铃空间分布差异及其对棉花生长发育的影响。结果表明:各密度处理棉花全天光合有效辐射(PAR)截获量趋势均表现为双峰曲线,其中,中密度群体与高密度群体的截获量水平在近似范围。各处理冠层PAR截获率空间分布均呈现“V”字型,随种植密度增大“V”型愈发不明显。受冠层PAR空间分布调控,棉花成铃区域由分散型向棉株内侧集中,随群体郁闭度增大,脱落高发果枝向棉株中部靠拢。不同处理间个体产量差异显著,单位面积干物质重与总生物量差异不显著。综之,南疆阿拉尔地区中641品种最适宜的种植密度为18万株/hm^(2)。

施氮量对测墒补灌小麦冠层不同层次光截获和干物质分布的影响

以大穗型小麦品种‘山农23’为材料,在大田拔节期和开花期土壤相对含水量分别补灌至70%和65%的条件下,设置4个施氮水平0(N_0)、180(N_1)、240(N_2)和300 kg·hm^(-2)(N_3),研究施氮量对小麦冠层不同层次光合有效辐射(PAR)截获和干物质分布的影响.结果表明:N_2处理开花期群体总茎数、开花后10、20和30 d的叶面积指数、开花后20 d冠层上层和中层及冠层总的PAR截获率和截获量显著高于N_0和N_1,施氮量增加至N_3,上述指标无显著增加.N_2处理成熟期各层次营养器官干物质积累量显著高于N_0和N_1,籽粒干物质积累量和植株总干物质积累量比N_0分别高36.7%和35.4%,比N_1分别高9.5%和10.2%,与N_3处理无显著差异.各层次营养器官干物质积累量、籽粒干物质积累量和植株总干物质积累量与上层和中层PAR截获率呈显著正相关,与下层PAR截获率无显著相关;各层次营养器官干物质积累量与籽粒干物质积累量均呈显著正相关.施氮量为240 kg·hm_(-2)的N_2处理是本试验条件下的最优处理.

河套地区小麦/玉米套作群体光能瞬时传输的数学模拟

作物间套作群体冠层中叶片水平向和垂向分布的不均匀性给其光能截获的连续测定带来了很大困难.为了量化小麦/玉米套作群体不同生长阶段的光能吸收,本文建立了模拟该套作群体光合有效辐射(PAR)瞬时传输的几何模型,并用大田实测值对模型进行验证.结果表明:几何模型可有效地模拟小麦/玉米套作群体冠层底部的PAR强度.小麦/玉米62套作(I62)群体模型估算结果与实测值的线性回归方程的决定系数为0.947,小麦/玉米124套作(I124)群体模拟结果与实测值的线性回归方程的决定系数为0.950.2012和2013年I62套作群体截获的PAR分别为1061.4和924.3 MJ·m-2,在所有处理中最高.2012年I62和I124套作群体相对于单作的PAR截获比率分别为1.29和1.19,2013年I62和I124套作群体相对于单作的PAR截获比率分别为1.21和1.16.