林木冠层光合有效辐射分布模拟的研究

简述了冠层辐射分布的常用研究方法,介绍了光线跟踪技术的原理及其在辐射传播中的应用。针对树木模型提出正向光线跟踪的辐射传输模型,并详细阐述了模型假设、处理流程与主要算法。该模型针对光合有效辐射在树木冠层中的传输过程,采用正向光线跟踪的方法进行模拟,最后利用HSV与RGB颜色空间转换的特殊方法,直观表达了冠层辐射分布结果。在叶片光学特征分析的基础上,将该模型应用于林木冠层PAR分布模拟中,以得到冠层的反射率、透射率和吸收率等重要参数。结果表明,模拟数据与实测数据偏差不大,验证了正向光线跟踪的辐射传输模拟是有效的。

玉米冠层内光合有效辐射三维空间分布的测定和分析

设计了一套田间观测试验 ,以测定光合有效辐射 (PAR ,PhotosyntheticallyActiveRadiation)在玉米冠层内三维空间上的分布规律。对实测资料的分析得出如下结论 :( 1)玉米冠层内平均PAR的垂直分布具有随着向下累计叶面积指数的增加而指数递减的趋势。在冠层中上部 ,PAR透光率较高 ,递减很明显 ,冠层下部则维持较低水平 ,变化不大。在相同的天气和时间条件下稀植或密植冠层内PAR透光率随累计LAI递减的趋势相近 ,但在不同时刻 (太阳入射角度不同 )、不同天气条件下 ,即使相同的冠层也具有不同的消光系数。 ( 2 )在常规种植密度的玉米冠层中上部 ,光斑面积大 ,光斑内PAR透光率高、变化小 ,但冠层下部的光斑很少或不明显 ,最大PAR透光率也可能会很低。 ( 3)稀植会明显增加冠层下部的光斑和平均PAR透光率。 ( 4 )阴天时冠层内部PAR强度显著减小。

北方玉米冠层光合有效辐射垂直分布及影响因子分析

玉米冠层内光合有效辐射(PAR)的大小直接影响冠层内叶片的光合作用,进而影响玉米净第一性生产力或作物产量的准确评估。为弄清玉米冠层内光合有效辐射的分布规律及其影响因子,基于锦州玉米农田生态系统于2006年生育期的光合有效辐射观测数据和叶面积指数动态观测数据,对玉米冠层光合有效辐射的垂直分布特征及其影响因子进行了分析。结果表明:玉米冠层内不同垂直层次叶片的PAR分布随生育期变化显著,与叶面积指数呈显著的负相关(R2=0.89);玉米冠层光合有效辐射的消光系数K值在生育期呈动态变化,约为0.76,且表现为苗期较大、生育后期较小。分析表明,在进行光合有效辐射及与此密切相关的光合作用模拟时,应考虑消光系数的动态变化。

旱区地膜与种植密度对棉花冠层光分布及产量的影响

棉花冠层光合有效辐射截获率(PARI)是影响干物质积累和产量形成的重要因素,然而对于不同覆膜方式下种植密度对棉花冠层光分布的影响尚未明确。在旱区一膜三行的机采种植模式下,设2种覆膜方式(有膜和无膜)与5种种植密度(D1:9×10^(4)株/hm^(2),D2:13.5×10^(4)株/hm^(2),D3:18×10^(4)株/hm^(2),D4:22.5×10^(4)株/hm^(2),D5:27×10^(4)株/hm^(2)),研究不同覆膜方式下种植密度对棉花冠层PARI的影响。结果表明,在全生育期,有膜处理下棉花冠层光合有效辐射(PAR)的截获能力较强;冠层PARI与种植密度呈显著正相关关系,不同种植密度之间PARI存在差异;叶面积指数(LAI)随生育进程推进呈单峰曲线。有膜处理下,不同种植密度LAI在第94~98天达到峰值;无膜处理下,不同种植密度LAI在第109~113天达到峰值;随着种植密度的增加干物质积累量减少,其生殖器官生物量有所下降。种植密度为18×10^(4)株/hm^(2)下的产量显著高于其他处理(有膜为5805.07 kg/hm^(2),无膜为5436.96 kg/hm^(2)),研究结果为旱区合理密植、构建合理的冠层结构提供理论依据。

钻石海棠冠层内外光合有效辐射的分布特征

为了解园林植物冠层内外的光合有效辐射(PAR)的空间分布特征,以钻石海棠为例,利用光合有效辐射测定系统,对钻石海棠冠层上部、下部以及交叉重叠三种情况下的PAR强度进行了测定分析。结果表明:1)PAR值随着太阳高度角的增加而增大,观测期间,最高值可达1500μmol m-2s-1;2)随着冠层的加厚和叶片的阻挡,从冠顶到冠下,树冠截取到的PAR呈递减趋势;3)8月-10月间,交叉重叠下的PAR透光率日平均为21%,而遮蔽条件下的PAR透光率可达32%。另外,在条件允许情况下,有必要进一步增加观测仪器数量进行长期观测,从而消除或减弱短期枝叶摆动、云层变化、冠层内透光空隙差异等因素的影响,并进一步反映冠内PAR透光率随叶面积生长的动态变化。

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。

杨树人工林冠层光合辐射分布的研究

通过对集约经营与粗放经营杨树人工林冠层上部、下部太阳总辐射和光合有效辐射 (PAR)的实测数据进行分析 ,建立了其相互转换的关系方程 ;研究了PAR的日、季变化特征 ;根据Beer Lambert方程 ,结合林分生长季内的叶面积动态及林冠各层次的叶面积指数 (LAI) ,计算出生长季内各天的消光系数 (K)及任一时刻冠层内不同深度的光分布 ;并对PAR的透过率与林分消光系数K及累积叶面积指数之间的相互关系进行了研究。研究表明 ,集约经营林木冠层各层次叶面积数值较粗放经营林木的大 ,因而对PAR的截获也较多 ,这是导致集约经营林分生产力较高的主要因素之一。通过以上研究 ,为进一步计算林分光合产量 。

水稻叶片形态对冠层特性和光合有效辐射传输的影响

以4个叶片形态差异明显的高产水稻为材料，测定了5个主要叶片形态因子，分析了其对冠层结构、光合有效辐射传输和不同叶层净光合速率的影响。结果表明：品种间叶角和叶片卷曲度的变异系数分别为31．92％和17．15％，而叶长及叶宽的变异系数则分别为5．86％和6．94％，品种间叶角和叶片卷曲度的差异明显大于叶长及叶宽；不同形态叶片的冠层，其叶面积分布也不相同；在水稻冠层辐射传输特征上，光合有效辐射透过率（Tr）、光合有效辐射直接透过率（Dr）和消光系数（K）的大小及变化都与叶片形态因子有密切关系；叶片形态对净光合速率（Pr）和叶面积衰减率（DLAI）有重要作用，影响途径主要是Tr的改变。以稻田地面的Tr=0．03为指标，估算出4个品种可容纳的最大叶面积指数为6．88～8．22。

冠层底部光合有效辐射三种测量方法的比较

精确测量冠层底部光合有效辐射量(TPAR)可以提高生物量预测和模型模拟精度。本文采用3种方法对行播作物冬小麦和夏玉米整个生育期冠层底部TPAR分别进行了测量,并分生育期对比分析3种方法测量值的差异。结果表明:冬小麦全生育期垂直于行测量值平均相对误差最小,斜穿于行最大;夏玉米全生育期斜穿于行测量值平均相对误差最小,平行于行最大;冬小麦和夏玉米全生育期3种方法测量值在0 001置信水平上均无显著性差异。建议冬小麦冠层底部TPAR测量采用垂直于行的测量方法,夏玉米冠层底部TPAR测量采用斜穿于行的测量方法。

基于夏玉米冠层内辐射分布的不同层叶面积指数模拟

为了模拟夏玉米冠层内各层叶面积指数垂直分布,光合有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR)是研究作物群体光合作用和长势的重要特征参数,阐明冠层内PAR的垂直分布规律与冠层结构等参数之间的相关关系,可为遥感定量反演冠层结构参数提供模型基础。该文基于PAR在冠层内的辐射传输规律结合冠层结构模拟不同太阳高度角的PAR透过率垂直分布模型,并用地面冠层分析仪测量值进行验证,结果表明模型对封垄前玉米抽雄期冠层内PAR透过率垂直分布模拟精度较高。通过不同太阳高度角PAR透过率的垂直分布模型结合消光系数运用不同算法分别反演层叶面积指数(leaf area index,LAI),并与不同高度层LAI实测值进行比较。结果显示:Bonhomme&Chartier算法反演不同高度层LAI精度较高,上层均方根误差(root mean square error,RMSE)为0.18,中层RMSE为0.55,下层RMSE为0.09。不同太阳高度角反演结果存在差异,30°和45°高度角均能较好地反演下层LAI,RMSE分别为0.11与0.09;30°高度角反演中层LAI精度较高,RMSE为0.30;45°高度角反演上层LAI精度较高,RMSE为0.18。结果表明基于不同太阳高度角构建的层LAI反演模型更适于实现夏玉米不同高度层LAI的遥感估算。该研究可为模拟垄行结构冠层内LAI垂直分布提供参考。

不同油茶品种冠层光合有效辐射和结实特性分析

【目的】为了明确油茶不同冠层的光合有效辐射和结实特性,为其树体的科学修剪和栽培管理提供参考依据和技术借鉴。【方法】分别以广泛栽培的树形不同的油茶良种‘长林4号’‘长林40号’和‘长林53号’为研究对象,调查分析了3个品种树冠上层、中层和下层的光合有效辐射利用特征及其结实率和果实性状特征。【结果】3个油茶品种树冠上层和中层的光合有效辐射截获率均显著高于其树冠下层的,且不同油茶品种树冠各层光合有效辐射冠层截获率的日变化规律存在差异,‘长林53号’树冠下层的有效光合辐射截获率明显低于‘长林4号’和‘长林40号’树冠下层的,‘长林40号’树冠下层的有效光合辐射截获率则相对较高;3个油茶品种不同冠层的果实其种仁含油率和油酸含量均无显著差异,其树冠上层果实的单果质量、鲜出籽率和单果籽粒数均显著高于树冠下层的,其结实率也明显优于其树冠下层的;与‘长林53号’和‘长林4号’相比,直立形品种‘长林40号’不同冠层的结实率则相对均匀;冠层的光合有效辐射截获率与平均结果数之间呈显著的正相关关系(R^2=0.8105,P<0.01)。【结论】油茶树冠上层的光合有效辐射截获率、单果质量、鲜出籽率、单果籽粒数和结实率均显著高于其树冠下层的;油茶冠层的光合有效辐射截获率为70%~90%,有利于其结实和高产。

不同栽植密度库尔勒香梨冠层光合有效辐射变化规律研究

【目的】了解库尔勒香梨栽植密度与冠层内光合有效辐射（PAR）的关系,为库尔勒香梨丰产优质栽培提供理论依据。【方法】采用HOBO ware Pro便携式小型自动气象站及SUNSCAN冠层分析仪,对6种不同栽植密度库尔勒香梨冠层内PAR及叶面积指数（LAI）进行测定。【结果】不同栽植密度下,冠层不同方向、不同高度相对PAR存在较大差异。冠层各方位受光强弱在1 d中均呈现规律变化,即在08：00~12：00以冠层东侧、南侧、北侧受光为主;11：00~17：00以冠层西部受光为主;树冠中部1 d中受光最弱且均匀。不同栽植密度条件下库尔勒香梨冠层内平均PAR呈＂先升高后下降＂变化趋势;4.0 m×6.0 m冠层内平均相对PAR最高,2.5 m×7.0 m冠层内平均相对PAR最低。【结论】相同株距或行距下,冠幅越大,库尔勒香梨叶面积指数（LAI）越大。库尔勒香梨冠层PAR及LAI与栽植密度、冠幅、冠层方位、冠层高度等有关。

库尔勒香梨冠层光合有效辐射研究初探

为了解两种树形库尔勒香梨树冠内的光合有效辐射日变化、三维分布特征和叶面积指数大小,利用HOBOware自动气象站和SUNSCAN冠层分析系统进行测定分析。结果表明:两种树形不同方位之间的光合有效辐射日变化趋势具有较大差异,总体趋势是"低-高-低"的单峰变化曲线,不同树形辐射值表现出不稳定的上下浮动;光合有效辐射的三维分布大致呈现两种趋势,疏散分层形辐射值由树冠外围向树干内膛呈现递减趋势,由冠层下部到冠层上部递增,其冠层上部辐射值波动较大,而冠层下部则维持较低稳定水平:开心形的辐射值由冠层外围向冠层内膛递增,由树冠上层向树冠下层递减。疏散分层形的叶面积指数在不同方向上的均值显著大于开心形,同种树形在不同时期的叶面积指数均值比较认为,衰老期叶面积指数均值明显高于盛果期。

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。

旱作水稻冠层光合有效辐射和叶面积指数与产量的相关性分析

[目的]为了了解旱作水稻(Oryza sativa L.)冠层光合有效辐射(PAR)、叶面积指数(LAI)与其产量的相关性关系。[方法]利用SUNSCAN冠层分析仪,对正在进行产量比较试验的旱作水稻新品系的冠层PAR、LAI分别进行测量,并测定各品系的产量。[结果]当水田种植条件下冠层PAR处于223.53～262.23μmol/(m2.s),旱田种植条件下PAR处于119.62～185.74μmol/(m2.s)时,各品系产量均较高;PAR偏低的品系产量较低,但PAR太高的品系产量反而降低。对于大部分试验品系,随着LAI的不断提高,产量也在逐步提高。[结论]旱作水稻高产需要其冠层PAR处于一定的范围内,PAR太高或太低都不易达到高产的目标。LAI与产量呈正相关关系。

不同氮素处理下棉花冠层光合有效辐射与其产量及构成因素的相关分析

【目的】研究不同氮素处理棉花冠层关键生育时期,吸收性光合有效辐射(APAR)和光合有效辐射吸收系数(FAPAR)与棉花产量和产量构成因素之间的相关性,为快速、非破坏性地监测棉花长势和产量预测提供理论支持。【方法】利用线性光量子传感器,获取棉花新陆早61号和新陆早72号2品种4氮素处理5个生育时期的冠层光合有效辐射(PAR),计算出APAR和FAPAR,分别与实测籽棉产量和其构成因素建立相关关系。【结果】2个棉花品种4种氮素处理的冠层APAR、FAPAR随生育期表现出相似的变化规律,冠层APAR在整个生育期呈现“M”的变化趋势;冠层FAPAR呈现出先上升后下降的趋势,其较高值都出现在开花结铃期和盛铃期,除盛花期外,2品种4氮素处理的其它4个生育时期FAPAR均为N3>N2>N1>N0的;5个生育时期的FAPAR与籽棉产量和单株有效铃数均达到显著和极显著相关关系,而只有开花结铃期的APAR与二者达到极显著相关(α=1%,n=24),APAR和FAPAR与其它产量构成因素未达到显著相关关系。利用开花结铃期FAPAR与籽棉产量和单株有效铃数相关最高的线性函数模型对其估算,籽棉产量和单株有效铃数的实测值与估测值之间均呈现极显著线性关系,预测精度分别达93.20%、93.25%。【结论】棉花不同氮素处理影响棉花冠层APAR、FAPAR的变化,利用棉花开花结铃期的冠层FAPAR可以预测棉花产量和单株有效铃数。

基于辐射照度的作物冠层光分布计算系统设计

以玉米为例,使用C++语言和OpenGL图形函数库,在Windows平台下,开发基于辐射度-图形学结合模型(RGM)的作物冠层光分布计算系统。以相对成熟的RGM方法提取模型参数,并针对作物冠层特点对方法做适当改进。在冠层三维模型基础上,通过用户交互指定参数,可计算出冠层内每个面元的光分布状态。该系统所需模型参数少,且参数均具有较为明确的植物学和农学意义,便于与传统作物模型相结合,操作界面友好、使用方便。

基于L-系统的3D虚拟植物冠层光合作用模拟模型

为定量分析植物冠层结构与光分布及光合作用之间的关系,模拟实际环境中植物冠层的实时光合速率,为诸如作物模型中产量估测提供一种植物冠层尺度光合生产力计算方法,本文构建了基于L-系统的3D虚拟植物冠层光合作用模拟模型。模型主要分为3部分:基于L-迭代文法系统与三维图形绘制技术构建3D虚拟植物冠层结构,利用正向光线跟踪及天空可见率算法模拟虚拟冠层内光辐射(Photosynthetically active radiation,PAR)传输,基于太阳几何参数、大气影响参数及地理位置等参数计算真实环境中虚拟冠层顶部实时PAR强度。利用此模型,直接输入或插值处理光合环境因子数值,采用单叶光合作用模型和相关呼吸作用模型,可计算冠层内净光合作用速率并进行周期内植物体生物量的积累估算。以实测的幼龄杉木为模拟对象,计算其冠层内净光合作用速率及周期内生物量积累,模拟结果表明,基于虚拟冠层的PAR分布模拟及其冠层光合作用速率计算,是一种对植株光合生产力估算的有效方法。

枣麦间作系统中冬小麦的冠层光分布特征及产量研究

针对近年来＂林农生产争地争光＂的问题,以株行距为3 m×4 m南北行向栽植的枣树｜｜冬小麦间作系统为研究对象,大田条件下设置枣麦间作（JZ）和冬小麦单作对照（CK）两个处理,以2013—2014年生长季冬小麦光合生理参数和冠层光照强度为基础,以两棵枣树的定植点连成1条测定样线,在样线上以距枣树的东（E）、西（W）距离为基准,每50 cm设置1个测定点,设E50 cm、E100 cm、E150 cm、E200 cm（W200 cm）、W150 cm、W100 cm、W50 cm共7个测定位置,在不同调查时期测定各测定位置的冬小麦冠层光合有效辐射（PAR）,并在冬小麦成熟期调查各测定位置上的产量。采用多项式回归和定区间积分等方法计算冬小麦分蘖期、拔节期、抽穗期、扬花期、灌浆期和成熟期冠层达到饱和PAR的时长与时空窗,探讨枣麦间作系统中枣树遮光对间作作物冬小麦冠层光照分布及产量的影响。结果显示,间作系统中冬小麦冠层光照强度及产量整体呈现出不同的时空分布特征,且相较于单作小麦系统均有一定程度的衰减。单作冬小麦冠层的饱和PAR时空窗比间作处理大56.1%,穗粒数、有效穗数、千粒重和产量分别比间作小麦高14.7%、15.9%、33.5%和53.0%。相对于单作对照,间作物冬小麦整个生育时期内在距枣树E50~E100 cm、E100~E150 cm、E150~E200 cm、W150~W200 cm、W100~W150 cm、W50~W100 cm处的冠层PAR时空窗损失严重,分别达92.5%、45.7%、7.0%、5.4%、10.9%、54.0%。冠层PAR时空窗损失导致冬小麦减产,在以上各处减产程度分别达46.2%、39.6%、26.3%、24.7%、32.4%和37.6%。故枣树遮阴程度的差异导致间作物冬小麦不同程度减产,且间作巷道内西侧光照质量整体优于东侧。这就要求在冬小麦扬花期后对枣树进行适当修剪,且适当增加巷道东侧枣树株距,以避免枣树新生枝徒长,提高冬小麦冠层光合有效辐射截获量,使间作系统获得更高产量。

杏棉间作系统田间配置对棉花冠层光辐射及产量的影响

在杏棉间作系统内,研究不同田间配置条件下,棉花群体冠层光辐射特征及对产量的影响。结果表明,棉花单株叶面积随着株距增大而增大,群体叶面积指数(LAI)随着株距增大而减小。光合有效辐射及光截获率随着棉花冠层高度不同而不同,在棉花全生育期表现为冠层顶部>冠层上部>冠层下部;在棉花不同生育时期不同处理差异明显,在营养生长期间距1.85m、株距8cm的田间配置光合有效辐射及光截获率最大,生殖生长时,间距1.45m、株距10cm的田间配置的最大。毛地皮棉产量表现为株距10cm配置时最高,比株距12cm、8cm的分别高4.69%、19.96%;净地皮棉产量则表现为株距8cm配置时最高,比株距10cm、12cm分别高7.18%、30.91%。综合分析冠层结构及不同田间配置处理的棉花产量,认为在6a株行距配置为3m×6.5m的杏树行间,种植的棉花田间配置为间距1.45m、株距10cm的10行棉花时产量较为理想。