基于无人机多光谱影像的矮林芳樟叶片含水率与叶水势反演

叶片含水率和叶水势反映植物组织中水分的状态,是衡量植物水分供应和水分利用效率的重要指标。为探究基于不同高度下无人机多光谱影像反演叶片含水率和叶水势模型的差异,本研究在3个飞行高度处理F30、F60、F100(30、60、100 m)下采集多光谱影像数据,通过使用6种光谱反射率+经验植被指数的组合与地面实测数据进行相关性分析,获得不同飞行高度下的光谱反射率+经验植被指数组合与叶片含水率和叶水势的反演模型及其决定系数,以决定系数为依据分别构建支持向量机(SVM)、随机森林(RF)和径向基神经网络(RBFNN)模型,分析不同飞行高度无人机多光谱影像反演芳樟叶片含水率和叶水势的精度。结果发现:3个飞行高度下,基于RF模型的反演精度均高于SVM模型和RBFNN模型。F30处理对叶片含水率与叶水势反演效果均优于F60和F100处理。F30处理对叶片含水率反演的敏感光谱反射率+植被指数组合为红光波段反射率(R)、红边1波段反射率(RE1)、红边2波段反射率(RE2)、近红外波段反射率(NIR)、增强型植被指数(EVI)、土壤调节植被指数(SAVI)。RF模型训练集的R2、RMSE、MRE分别为0.845、0.548%、0.712%;测试集的R2、RMSE、MRE分别为0.832、0.683%、0.897%。对叶水势反演的敏感光谱反射率+植被指数组合为R、RE2、NIR、EVI、SAVI、花青素反射指数(ARI)。RF模型训练集的R2、RMSE、MRE分别为0.814、0.073 MPa、3.550%;测试集的R2、RMSE、MRE分别为0.806、0.095 MPa、4.250%。研究结果表明飞行高度30 m与RF方法分别为反演叶片含水率和叶水势的最优光谱获取高度与最优模型构建方法。本研究可为基于无人机平台的矮林芳樟水分监测提供技术支持,并可为筛选无人机多光谱波段与经验植被指数、实现植物长势参数快速估测提供应用参考。

基于无人机多光谱遥感的矮林芳樟叶片精油产量反演

芳樟(Cinnamomum camphora(Linn.)Presl)精油在林业经济发展中具有巨大市场潜力,多光谱遥感产量预测是高效反演芳樟精油产量的新方式。本研究以矮林芳樟收获期精油产量为研究对象,利用无人机多光谱遥感技术,筛选敏感植被指数作为输入变量,以地面同步观测的精油产量作为输出变量,采用支持向量机(Support vector machine,SVM)、随机森林(Random forest,RF)和反向传播神经网络(Back propagation neural network,BPNN)3种机器学习方法构建矮林芳樟精油产量预测模型。结果表明,修改型土壤调节植被指数(MSAVI)、优化土壤调节植被指数(OSAVI)、重归一化植被指数(RDVI)、土壤调整植被指数(SAVI)和非线性植被指数(NLI)对矮林芳樟精油产量呈现较高敏感性,其相关系数R分别为0.7651、0.8131、0.7711、0.7794、0.8183。SVM、RF、BPNN 3种机器学习方法构建的矮林芳樟精油产量预测模型训练集的决定系数R^(2)分别为0.723、0.853、0.770,均方根误差(RMSE)分别为11.649、9.179、10.484 kg/hm^(2),平均相对误差(MRE)分别为7.204%、10.808%、7.181%;验证集的R^(2)分别为0.688、0.869、0.732,RMSE分别为7.951、5.809、8.483 kg/hm^(2),MRE分别为6.914%、5.545%、7.999%。经过综合比较,以MSAVI、OSAVI、RDVI、SAVI、NLI作为输入数据,基于RF方法构建的矮林芳樟精油产量预测模型,模拟结果精度最高。研究可为提高基于无人机多光谱遥感的矮林芳樟叶片精油产量预测精度提供理论依据,为快速监测大面积经济植物生长状况提供技术支撑。

基于无人机多光谱遥感的矮林芳樟光合参数估测

为探讨应用无人机多光谱技术估算矮林芳樟(Cinnamomum camphora(Linn.)Presl)光合参数的有效分析模型和方法,本研究以矮林芳樟为研究对象,通过无人机搭载的多光谱相机获取其冠层六波段光谱反射率,同步测量其净光合速率(Pn)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)4种光合参数,采用最佳指数因子(OIF)筛选光谱反射率和植被指数的组合作为自变量,分别采用偏最小二乘法(Partial least squares method,PLS)、反向传播神经网络(Back propagation neural network,BPNN)和随机森林(Random forest,RF)构建自变量与光合参数的估算模型,并分析比较各估算模型的精度。结果显示:矮林芳樟光合参数与叶片红边波段2(中心波长750 nm)和近红外波段(中心波长840 nm)反射率有密切关系;红边波段2、增强型植被指数2(EVI2)、红边叶绿素指数(CIrededge)组合的OIF值最大,为0.0126,可作为模型自变量的最佳组合;Pn、Ci、Gs、Tr 4种光合参数的最优模型均为BPNN,其建模集决定系数R^(2)分别为0.85、0.81、0.80、0.82,均方根误差(RMSE)分别为0.85μmol/(m^(2)·s)、16.23μmol/mol、0.03 mol/(m^(2)·s)、0.37 mmol/(m^(2)·s),相对分析误差(RPD)分别为2.59、2.33、2.28、2.37;验证集R^(2)为0.81、0.73、0.83、0.76,RMSE为1.46μmol/(m^(2)·s)、18.37μmol/mol、0.03 mol/(m^(2)·s)、0.67 mmol/(m^(2)·s),RPD为1.39、1.86、2.67、1.20。研究结果可为无人机多光谱遥感矮林芳樟光合参数估测提供理论依据,为快速监测大面积经济植物生长状况提供技术支撑。

矮林芳樟扦插苗生长及养分累积特征

为了解矮林芳樟扦插苗的生长及养分累积特征,以更好地指导肥料施用,对江西地区当前习惯种植方式下矮林芳樟扦插苗的株高、生物量、植株养分含量等进行了动态监测。结果表明:矮林芳樟扦插苗的株高、生物量及C、N、P、K累积量均可用Logistic方程拟合,各指标拟合方程的决定系数(R^(2))在0.962~0.994,各指标的增长速率均表现为“慢-快-慢”的单峰变化规律。株高与生物量的快速增长期分别为5月16日—8月17日和6月26日—9月14日,快速增长持续时间分别为93.7 d和79.8 d,株高的最大增长速率0.26 cm/d出现在7月2日,生物量的最大增长速率0.24 g/(d·m^(2))出现在8月5日。植株C、N、P、K养分累积量与生物量的变化规律不完全一致,C、P的快速累积持续时间与生物量大体相当,分别为81.1 d和77.4 d;而N的快速累积启动较晚(6月30日)、结束较早(9月3日),K的快速累积启动最早(6月26日),结束也最早(8月22日),二者的快速累积持续时间分别为64.7 d和57.1 d,比生物量分别减少了15.1 d和22.7 d。可见,在当前习惯种植方式下,矮林芳樟扦插苗株高、生物量及养分累积量的增加随时间推移发生动态变化,生物量增长明显滞后于株高,植株N、K养分快速累积的结束时间均大幅早于生物量、持续时长也明显小于生物量,说明当前习惯种植方式下矮林芳樟扦插苗生长后期出现明显的N、K养分供应不足现象。建议根据矮林芳樟扦插苗生长及养分累积特征,在其生育后期适量增施N、K肥,以满足其正常生长所需的养分供给。

留萌数量对芳樟矮林生长和精油产量的影响

为了揭示留萌数量对芳樟矮林的生长、生物量、精油产量的影响、以芳樟矮林为研究对象,设置不同留萌数量(1个/桩、2个/桩、3个/桩、4个/桩、5个/桩),以不除萌为对照组,采用SPSS 20.0对芳樟矮林萌条长度、粗度、生物量、精油产量等指标进行方差分析.结果表明:萌条长度随留萌数量的增加而增大,留萌5个/桩萌条长度最大,与对照组差异不显著,表明留萌5个/桩达到萌条株高生长最大值,留萌更多不利于萌条株高生长;萌条粗度随留萌数的增加而减小,与对照组相比较,留萌1个/桩和留萌2个/桩萌条粗度分别增大了31.37%和41.88%,而留萌3~5个/桩与对照组差异不显著,表明留萌超过5个/桩萌条粗度将被抑制.单桩鲜重、单桩叶鲜重、单桩小枝鲜重和单桩主枝鲜重随留萌数量的增加而先增大后减小.留萌5个/桩萌条生物量最大,显著高于其他处理;其次是留萌4个/桩,与对照组差异不显著;留萌1~3个/桩萌条生物量较少,显著低于对照组.因此,留萌4~5个/桩有利于萌条生物量的累积.留萌3个/桩叶干重出油率最高,为2.53%,其次是留萌5个/桩(2.45%),叶干重出油率最低的是对照组(1.96%),除萌能够促进叶片干重出油率;除萌对小枝和主枝干重出油率影响不显著.留萌数量对单桩精油产量有显著影响,各处理精油产量均高于对照组,其中留萌5个/桩单桩精油产量最高,显著高于其他处理.因此,适当的除萌对芳樟矮林生长、生物量和精油产量有促进作用,留萌5个/桩萌条生物量和精油产量最高.

叶面喷施N、P、K肥对芳樟矮林生长和出油率的影响

对比叶面喷施氮、磷和钾肥对芳樟矮林生长和出油率的影响,为芳樟矮林施肥提供理论参考。以芳樟矮林为试验材料,设置3个叶面喷施氮、磷和钾肥浓度,对施肥后芳樟矮林的地径、株高、生物量和出油率进行分析。结果表明,叶片喷施氮、磷和钾肥对芳樟矮林生长和出油率有显著影响,其中叶面喷施0.50%的钾肥对株高生长效果最好,2.00%的磷肥对地径生长的效果最好,叶面喷施0.50%的氮肥对生物量的累积效果最好;叶面喷施0.25%的氮肥鲜叶出油率最高,单株鲜叶精油产量最高的是叶面喷施0.50%的钾肥。综合生物量和精油产量指标,叶面喷施0.50%的氮和钾肥对芳樟矮林生长效果较好,能够显著提高单株生物量和叶片精油产量。

叶面施钙、镁、锌和硼肥对芳樟矮林生长和精油产量的影响

探讨叶面喷施钙、镁、锌和硼肥对芳樟矮林生长和精油产量的影响,为芳樟矮林高效栽培提供理论依据。以芳樟矮林为试验材料,比较叶面喷施钙、镁、锌和硼肥对芳樟矮林地径、株高、生物量、叶片出油率的影响。结果表明,叶面喷施不同浓度的钙、镁、锌和硼肥对芳樟矮林株高和地径影响不明显,大部分处理株高和地径略低于对照组。叶面喷施钙、镁、锌和硼肥对芳樟矮林生物量有显著影响。芳樟矮林单株鲜重随叶面喷施钙和硼肥浓度的增加而降低,随镁和锌肥浓度的增加而升高,其中叶面喷施0.5%的钙肥和0.05%的硼肥效果最好。单株叶鲜重变化趋势与单株鲜重相似,叶面喷施0.5%的钙肥和0.05%的硼肥显著提高了芳樟矮林单株叶鲜重。单株小枝和主枝鲜重最大的分别是叶面喷施0.5%的钙肥和0.05%的硼肥。叶面喷施钙、镁、锌和硼肥对芳樟矮林叶片干重出油率影响不明显,对单株叶片精油产量有显著提高,其中叶面喷施0.15%的锌肥精油产量最高,其次是0.05%的硼肥、0.5%的钙肥和0.45%的镁肥。因此,综合芳樟矮林生长、生物量、叶片出油率指标,叶面喷施0.5%的钙肥或0.05%的硼肥效果最好。

留桩高度对芳樟矮林萌芽特性及得油率的影响

本文以4年生芳樟矮林为材料,研究留桩高度(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和30 cm)对芳樟矮林萌芽特性及得油率的影响。结果表明,留桩高度对芳樟矮林的萌芽特性有显著影响。留桩高度为20 cm时,芳樟矮林萌芽数和成枝数最多;留桩高度为15 cm时,萌条长度最大,地径最大;留桩高度5 cm,株高和冠幅最小。留桩高度对单株鲜重、单株叶片鲜重、单株小枝鲜重和单株主枝鲜重有显著影响,随留桩高度的增加而先增后降。其中留桩高度为20 cm时,单株鲜重、单株叶片鲜重、单株小枝鲜重和单株主枝鲜重最大。芳樟矮林叶片得油率随留桩高度的增加而降低,留桩高度对小枝和主枝的得油率影响不明显,叶片得油率显著高于小枝和主枝;叶片油细胞数量随着留桩高度的增加呈现先增加后减少趋势,叶片油细胞大小随着留桩高度的增加而增加。因此,芳樟矮林栽培适宜留桩高度为20 cm,此时获得生物量最大,单位面积精油产量最高。

施用尿素对芳樟矮林生长及得油率的影响

樟树是我国亚热带地区常绿阔叶林中重要组成树种之一,它的根、茎、叶含有精油,广泛应用于医药、日用化工、香精香料、食品添加剂等领域,具有重要经济价值。天然芳樟醇主要来源于芳樟醇型樟树(芳樟)。当前芳樟采用矮林栽培,割去枝叶提取精油,大量枝叶被带走会导致土壤肥力衰退。为芳樟矮林施肥提供理论依据,以4年生芳樟矮林为材料,研究不同尿素施用量对芳樟矮林的生长和得油率的影响。结果表明,施用尿素对芳樟矮林萌芽、萌条长度、粗度有显著促进作用,对芳樟矮林成枝数影响不明显,尿素施用量为100g/株时对芳樟矮林萌芽和萌条生长促进作用最好;施用尿素对芳樟矮林株高、冠幅有显著促进作用,对地径有显著抑制作用,尿素施用量为100g/株时对芳樟矮林株高和冠幅促进作用最好;尿素施用量在25~100g/株对芳樟矮林单株鲜重、单株叶鲜重、单株小枝鲜重及单株主枝鲜重显著促进作用,继续增加至200g/株则抑制芳樟生物量;施用尿素对芳樟矮林单株叶得油率无显著影响,但会提高主枝得油率,降低小枝得油率,降低叶片油细胞密度,减小叶片油细胞的直径。因此综合各项指标,施用100g/株尿素对芳樟矮林生长较好,可以提高单位面积生物量,提高单位面积精油产量。

复合肥施用量对芳樟矮林生长及得油率的影响

矮林栽培芳樟的香精香料原料林模式,一年砍伐一次或两年砍伐三次枝叶提取精油,会导致土壤肥力衰退,特别是氮、磷、钾等流失严重。为给芳樟矮林施肥提供技术支持,以4年生芳樟矮林为材料,研究复合肥施用量(0 g·株^(-1)、12.5 g·株^(-1)、25 g·株^(-1)、50 g·株^(-1)、100 g·株^(-1)、200 g·株^(-1))对芳樟矮林生长和得油率的影响。结果表明,施用复合肥对芳樟矮林萌条长度和粗度有显著促进作用,施用100 g·株^(-1)复合肥显著促进芳樟矮林萌条增长、增粗生长,而对芳樟矮林萌条数影响不明显。施用25~100 g·株^(-1)复合肥均能显著促进芳樟矮林单株鲜重、单株叶鲜重、单株小枝鲜重和单株主枝鲜重,其中施用100 g·株^(-1)复合肥对单株鲜重、单株叶鲜重、单株小枝鲜重和单株主枝鲜重效果最好。施用复合肥对芳樟矮林单株叶片、小枝得油率无显著影响,但主枝得油率随施用复合肥量的增加而升高。因此,施用复合肥是通过促进芳樟矮林生物量,从而促进单位面积精油产量,且复合肥最适施用量为100 g·株^(-1)。