水稻冠层不同光质的光能利用研究
: 应用高光谱遥感技术对不同处理水稻品种的冠层辐射能进行观测和计算，比较分析了不同处理群体光谱分布特征的差异性。结果表明，移栽密度和施氮量对水稻群体的形态结构具有明显的调控作用，不同移栽密度和不同的施氮水平处理条件下的冠层叶面积指数差异极显著，而且叶面积指数的垂直分布也有很大的差异。不同处理水稻品种群体冠层内太阳光谱辐射透射率、截获率及消光系数存在明显差异，尤其以绿光辐射较为显著。
目录
摘要2
关键词2
Abstract 2
Key words 2
引言2
1 材料与方法3
1.1 试验设计3
1.2 数据获取及主要测定内容3 1.2.1 分层叶面积的测定 3
1.2.2 各高度层太阳光辐射量的测定 3
1.3 冠层截获率、透过率计算 4
2 结果分析4
2.1 水稻分层叶面积指数的分布特征4
2.2 水稻冠层内各生育期不同光质辐射时空分布特征4
2.3 水稻冠层内透射率、截获率与向下累积叶面积的关系 6
3 讨论与结论7
致谢8
参考文献8
水稻冠层不同光质的光能利用研究
引言
引言
遥感数据作为一种光学反射信号，能够提供地表植被关键的生理生化信息以及它们的时间和空间分布信息。冠层反射光谱的形状和组成依赖于植被复杂的内在（植被结构、叶片生理组分和土壤背景）和外在（太阳观测物观测角之间的几何形状和大气状态）状态，它们之间的相互作用会使不同冠层之间存在明显差异[1,2]。农业作物对遥感监测来说是很重要并且很复杂的一个目标物。重要是因为需要基于遥感数据在整个生长季节期间对作物和种植面积进行识别、早期生长状况的估计以及最后产量的估计和灌溉计划。复杂是因为农作物通常是成行种植，这意味着，在作物早期生长发育的期间，行与行之间的裸土带会对冠层反射率造成较大影响。其主要表现在行的方向位置、行的结构，冠层结构，视场角和太阳位置等等，因此它比均质冠层更为复杂。尤其是当土壤反射率受土壤粗糙度、水分含量、有机质含量、粒径分布等影响的时表现出各向异性差距更明显[3]。<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
br /> 作物冠层受光能力和内部光分布特征影响其光合作用与物质生产，定量模拟冠层内光分布与光合生产力已成为作物生产和生态系统研究的一个重要领域[4]。Monsi和Saeki在Jensen的基础上进行了深入的研究，首次将随机分布介质中的LambertBeer光传播定律应用到植物冠层内的光传输研究，假设冠层内叶片随机分布，提出了按高度分层分析，认为冠层内的光强随高度层的下降呈指数递减[5]。该模型被广泛用于植物冠层光分布及光合作用的研究中，但是由于作物冠层的异质性和假设条件的单一，所以很多学者从理论和实践方面对此模型进行了不同的修订和发展，希望得到更加准确的模拟值[6,7]。Ross提出了叶方位角分布函数（G函数），把植物的空间结构完全用叶片分布的形式来表达，并对植物群体组分的非随机分布对冠层光分布的影响进行了详细描述[8]。随着研究的不断深入，研究者对上述单一作物光分布模型进行拓展，开始考虑不同作物之间都可以适用的普适性模型。Marshall建立了花生与稻谷间作辐射截获模型[9]，Tappeiner建立了不同冠层结构植物复合群体的光合作用空间分布模型[10]，Lantinga模拟分析了黑麦草与三叶草复合群体中的叶面积、光分布和光截获的垂直分布[11]。
作物冠层对太阳光辐射的吸收具有选择性[12]，不同波段辐射在作物冠层中的吸收率、反射率和透射率不同，从而导致各波段光照在群体冠层的分布规律也不相同。不同株型水稻品种群体冠层光谱辐射的反射率、透射率、吸收率和消光系数及其垂直分布特征差异显著，其中以红光(RR)和蓝光(BR)的透射率、吸收率和消光系数差异最为明显[13] 。太阳辐射在作物群体内的垂直衰减，因绿叶的选择性吸收和反射而导致光谱组成发生变化。因此，在研究作物冠层光辐射分布和光能利用时，不同波段的光辐射在作物冠层中的传输过程及其差异性值得深入研究。
1材料与方法
1.1 试验设计
试验于2014年在国家信息农业工程技术中心如皋试验示范基地（江苏省如皋市白蒲镇，120°19′E，32°14′N）进行。供试品种为武运粳24号和Ⅱ优728，旱地育秧。试验采用裂区设计，品种处理为主区，密度和氮肥处理为副区，小区面积均为30m2（5m×6m），3次重复，随机区组排列。试验设2个氮肥水平，N1：纯氮150 kg hm2，N2：纯氮300 kg hm2；3个密度处理，D1（行距×株距为：20cm×15 cm），D2（行距×株距：30 cm×15 cm），D3（行距×株距为：40cm×15 cm）；5月15日播种，6月17日移栽（已移栽）。武运粳24：（基蘖肥与穗肥比）5：5；Ⅱ优728，（基蘖肥与穗肥比）6：4，配施100 kg hm2 P2O5的磷肥和200 kg hm2 K2O的钾肥，全部作基肥。小区埂以塑料薄膜包覆，独立排灌。其他管理措施同当地水稻高产栽培田块。
1.2 数据获取及主要测定内容
1.2.1 分层叶面积的测定
于水稻生长的各个重要的生育期，在每个试验小区选取代表性稻株3株，对样品植株叶片进行分层测量，采用刈割法，将水稻冠层平均分成三层，同一高度层的叶片归集到一起，用LAI3000测量各层的叶面积，进而得到分层叶面积指数和累积叶面积指数。
1.2.2 各高度层太阳光辐射量的测定
采用美国Analytical Spectral Device（ASD）公司产品FieldSpec Pro FR 2500型背挂式野外高光谱辐射仪和余弦校正器测试不同冠层高度、不同波段的光辐射照度。辐射照度测定选择在天气晴朗、无风或风速较小时进行，时间范围为10:00~14:00。测量时余弦校正器探头分垂直向下和向上两种情况，按照冠层高度平均分成3个高度测量，光谱仪视场角为25°。每个小区3个观测点，每个观测点记录5次采样光谱，每次3条光谱，取平均值作为该观测点的辐射照度值。
1.3 冠层截获率、透过率计算
冠层太阳辐射的透射率、反射率和截获率计算方法如下式所示：
第i层截获率：Ii = (E0,↓ ? E0,↑? Ei,↓) / E0,↓
第i层透过率：Ti = Ei,↓ / E0,↓
上式中：E0,↓为冠层顶部入射的各个波段的太阳光辐射（W?m2），E0,↑冠层顶部反射的各个波段的太阳光辐射（W?m2），Ei,↓为第i层入射的辐射照度（W?m2）。
目录
摘要2
关键词2
Abstract 2
Key words 2
引言2
1 材料与方法3
1.1 试验设计3
1.2 数据获取及主要测定内容3 1.2.1 分层叶面积的测定 3
1.2.2 各高度层太阳光辐射量的测定 3
1.3 冠层截获率、透过率计算 4
2 结果分析4
2.1 水稻分层叶面积指数的分布特征4
2.2 水稻冠层内各生育期不同光质辐射时空分布特征4
2.3 水稻冠层内透射率、截获率与向下累积叶面积的关系 6
3 讨论与结论7
致谢8
参考文献8
水稻冠层不同光质的光能利用研究
引言
引言
遥感数据作为一种光学反射信号，能够提供地表植被关键的生理生化信息以及它们的时间和空间分布信息。冠层反射光谱的形状和组成依赖于植被复杂的内在（植被结构、叶片生理组分和土壤背景）和外在（太阳观测物观测角之间的几何形状和大气状态）状态，它们之间的相互作用会使不同冠层之间存在明显差异[1,2]。农业作物对遥感监测来说是很重要并且很复杂的一个目标物。重要是因为需要基于遥感数据在整个生长季节期间对作物和种植面积进行识别、早期生长状况的估计以及最后产量的估计和灌溉计划。复杂是因为农作物通常是成行种植，这意味着，在作物早期生长发育的期间，行与行之间的裸土带会对冠层反射率造成较大影响。其主要表现在行的方向位置、行的结构，冠层结构，视场角和太阳位置等等，因此它比均质冠层更为复杂。尤其是当土壤反射率受土壤粗糙度、水分含量、有机质含量、粒径分布等影响的时表现出各向异性差距更明显[3]。<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
br /> 作物冠层受光能力和内部光分布特征影响其光合作用与物质生产，定量模拟冠层内光分布与光合生产力已成为作物生产和生态系统研究的一个重要领域[4]。Monsi和Saeki在Jensen的基础上进行了深入的研究，首次将随机分布介质中的LambertBeer光传播定律应用到植物冠层内的光传输研究，假设冠层内叶片随机分布，提出了按高度分层分析，认为冠层内的光强随高度层的下降呈指数递减[5]。该模型被广泛用于植物冠层光分布及光合作用的研究中，但是由于作物冠层的异质性和假设条件的单一，所以很多学者从理论和实践方面对此模型进行了不同的修订和发展，希望得到更加准确的模拟值[6,7]。Ross提出了叶方位角分布函数（G函数），把植物的空间结构完全用叶片分布的形式来表达，并对植物群体组分的非随机分布对冠层光分布的影响进行了详细描述[8]。随着研究的不断深入，研究者对上述单一作物光分布模型进行拓展，开始考虑不同作物之间都可以适用的普适性模型。Marshall建立了花生与稻谷间作辐射截获模型[9]，Tappeiner建立了不同冠层结构植物复合群体的光合作用空间分布模型[10]，Lantinga模拟分析了黑麦草与三叶草复合群体中的叶面积、光分布和光截获的垂直分布[11]。
作物冠层对太阳光辐射的吸收具有选择性[12]，不同波段辐射在作物冠层中的吸收率、反射率和透射率不同，从而导致各波段光照在群体冠层的分布规律也不相同。不同株型水稻品种群体冠层光谱辐射的反射率、透射率、吸收率和消光系数及其垂直分布特征差异显著，其中以红光(RR)和蓝光(BR)的透射率、吸收率和消光系数差异最为明显[13] 。太阳辐射在作物群体内的垂直衰减，因绿叶的选择性吸收和反射而导致光谱组成发生变化。因此，在研究作物冠层光辐射分布和光能利用时，不同波段的光辐射在作物冠层中的传输过程及其差异性值得深入研究。
1材料与方法
1.1 试验设计
试验于2014年在国家信息农业工程技术中心如皋试验示范基地（江苏省如皋市白蒲镇，120°19′E，32°14′N）进行。供试品种为武运粳24号和Ⅱ优728，旱地育秧。试验采用裂区设计，品种处理为主区，密度和氮肥处理为副区，小区面积均为30m2（5m×6m），3次重复，随机区组排列。试验设2个氮肥水平，N1：纯氮150 kg hm2，N2：纯氮300 kg hm2；3个密度处理，D1（行距×株距为：20cm×15 cm），D2（行距×株距：30 cm×15 cm），D3（行距×株距为：40cm×15 cm）；5月15日播种，6月17日移栽（已移栽）。武运粳24：（基蘖肥与穗肥比）5：5；Ⅱ优728，（基蘖肥与穗肥比）6：4，配施100 kg hm2 P2O5的磷肥和200 kg hm2 K2O的钾肥，全部作基肥。小区埂以塑料薄膜包覆，独立排灌。其他管理措施同当地水稻高产栽培田块。
1.2 数据获取及主要测定内容
1.2.1 分层叶面积的测定
于水稻生长的各个重要的生育期，在每个试验小区选取代表性稻株3株，对样品植株叶片进行分层测量，采用刈割法，将水稻冠层平均分成三层，同一高度层的叶片归集到一起，用LAI3000测量各层的叶面积，进而得到分层叶面积指数和累积叶面积指数。
1.2.2 各高度层太阳光辐射量的测定
采用美国Analytical Spectral Device（ASD）公司产品FieldSpec Pro FR 2500型背挂式野外高光谱辐射仪和余弦校正器测试不同冠层高度、不同波段的光辐射照度。辐射照度测定选择在天气晴朗、无风或风速较小时进行，时间范围为10:00~14:00。测量时余弦校正器探头分垂直向下和向上两种情况，按照冠层高度平均分成3个高度测量，光谱仪视场角为25°。每个小区3个观测点，每个观测点记录5次采样光谱，每次3条光谱，取平均值作为该观测点的辐射照度值。
1.3 冠层截获率、透过率计算
冠层太阳辐射的透射率、反射率和截获率计算方法如下式所示：
第i层截获率：Ii = (E0,↓ ? E0,↑? Ei,↓) / E0,↓
第i层透过率：Ti = Ei,↓ / E0,↓
上式中：E0,↓为冠层顶部入射的各个波段的太阳光辐射（W?m2），E0,↑冠层顶部反射的各个波段的太阳光辐射（W?m2），Ei,↓为第i层入射的辐射照度（W?m2）。
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