基于辐射传输过程的小麦冠层垂直光分布及其与籽粒产量的关系研究

摘要

冠层垂直结构随高度存在差异，而且不同色素对辐射存在选择性吸收，导致了植被对辐射的吸收能力随波长及植株高度变化，然而目前的研究多将植物冠层看作整体，或仅研究群体对光合有效辐射的吸收利用，这样势必忽略了冠层垂直结构及光合色素的影响，因此研究冠层内的辐射垂直分布以及对不同光质的吸收及其与籽粒产量形成的关系很有意义。本研究设置不同栽培密度和不同施氮水平的田间试验，在小麦各主要生育时期测试冠层结构参数、生长指标及对应位置的上下行辐射，气象因子及冠层反射率，基于试验资料分析了小麦冠层垂直结构的分布状况，在机理模型的基础上，结合高光谱遥感手段，通过探索利用遥感植被指数来拟合模型中较难获得的参数，最终实现了对小麦冠层光分布的模拟。
　　首先，对小麦垂直结构的分析结果表明，随着向下累积叶层增加，叶面积指数、叶干重及叶层氮积累量是逐渐变大的，并且各累积叶层随生育期的变化为先增大后减小的单峰变化趋势，孕穗抽穗期达到最大;叶片氮含量随累积叶层增多而变小，这表明表层叶合有较多的氮素。本研究在Logistic模型及Campbell椭球分布模型的基础上，结合高光谱遥感手段，通过探索利用遥感植被指数来拟合冠层叶面积指数及椭球分布参数，实现了小麦冠层叶面积指数随相对深度分布的模拟及冠层椭球叶角分布的模拟。在整个生育期内，模型对小麦冠层LAI模拟预测RRMSE为19.26％，相对深度h（由冠层顶部向下的垂直距离与整个冠层高度的比值）分别为1/3、1/2、2/3时，模拟预测RRMSE分别为15.83％、10.65％、13.89％;模型对冠层叶倾角椭球分布参数ELADP预测RRMSE为14.66％。
　　其次，对小麦冠层内光辐射数据的分析结果显示，冠层透射率伴随着植株的生长逐渐减小，并且不同光质光的透射率、截获率的差异随生育期的推进而减小，直立型群体的透射率变化范围比披散型群体大。本研究在经典的比尔朗伯定理(Beer's Law)的基础上，结合高光谱遥感手段，通过遥感植被指数拟合了不同光质的消光系数，实现了小麦冠层内，不同相对深度处、不同光质截获率的时空动态模拟。在整个生育期内，模型对冠层顶部向下不同相对深度h处的PAR吸收率的预测精度较高，h为1/3、1/2、2/3和h=1时RRMSE分别为24.6％、18.91％、15.16％和15.4％;模型对冠层内不光质截获率的预测结果为，蓝光RRMSE为13.99％，绿光RRMSE为14.67％，红光RRMSE为14.22％，光合有效辐射RRMSE为14.23％。
　　最后，分析了不同生育时期不同光质的截获能力/量与干物质积累及籽粒产量的关系，实现了对干物质积累及籽粒产量的预测。在整个生育期内，用蓝光截获率来预测分蘖至成熟期的干物质积累量时RRMSE为12.78％;蓝光截获率来预测产量时RRMSE为16.9％;拔节期至抽穗期的绿光累积截获量预测干物质的RRMSE为13.5％;抽穗期至开花期绿光截获量来预测产量的RRMSE为16.28％。
　　结果显示构建的模型能较好地模拟小麦冠层不同时期不同高度不同光质的截获率。利用蓝光截获率预测干物质积累、用绿光截获量预测籽粒产量具有较好的效果，研究结果为小麦生产力评估提供了技术支撑。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述与研究目的

1 作物冠层结构特征研究进展

2 辐射分布模拟的研究进展

3 冠层内光能截获与籽粒产量的关系

4 冠层内光能截获的区域化模拟

5 本研究的目的与意义

参考文献

第二章 研究思路与方法

1 研究思路与技术路线

2 资料来源

2．1 田间试验

2．2 数据获取和主要测试项目

2．3 数据处理与分析

参考文献

第三章 小麦冠层生理生长指标及光辐射的时空分布特征

1 材料与分析

1．1 试验设计

1．2 测定项目与方法

2 结果分析

2．1 叶面积指数的时空分布特征

2．2 叶干重的时空分布特征

2．3 叶片氮含量的时空分布特征

2．4 叶片氮积累量的时空分布特征

2．5 不同光质透射率随生育期变化

2．6 不同光质吸收率随生育期变化

2．7 不同光质截获率随生育期变化

2．8 不同光质消光系数随生育期变化

3 讨论与结论

参考文献

第四章 小麦冠层光辐射垂直分布模型研究

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定项目与方法

1．3 数据处理与分析

2 模型的描述

2．1 向下累积叶面积指数的垂直分布模型

2．2 椭球叶角分布模拟模型

2．3 不同高度光合有效辐射吸收率模拟模型

2．4 不同光质辐射截获率模拟模型

3 讨论

4 结论

参考文献

第五章 基于冠层光截获能力／量的小麦干物质积累及籽粒产量的预测研究

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定项目与方法

1．3 数据处理与分析

2 模型的描述

2．1 基于不同光质截获率的干物质积累预测模型

2．2 基于不同光质截获率的产量预测模型

2．3 基于不同时期累积各光质截获量的产量预测模型

3 讨论与结论

参考文献

第六章 讨论与结论

1 讨论

1．1 小麦垂直结构研究及模拟

1．2 小麦冠层内光分布研究及模拟

1．3 基于辐射截获的小麦干物质积累及籽粒产量预测

2 研究状况

2．1 本文创新点

2．2 研究不足

2．3 研究展望

3 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表和投稿的学术论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢