低温胁迫下棉花幼苗生理变化与光谱响应研究

摘要

低温危害是影响新疆棉花生产的主要逆境因子之一，探求低温危害下棉花的光谱特征和生理特性的内在关系，为大面积遥感监测棉花低温危害提供理论和技术基础。
　　室内模拟冻害，实测棉花苗期低温危害后高光谱曲线特征及生理指标，分析低温胁迫下叶片高光谱特征，叶片生理指标变化特征和生理指标与高光谱参数之间的相关性，探寻冷害程度与它们内在的定量关系，为遥感监测冷害提供先验知识。根据农作物灾害统计资料，结合统计年鉴和农业气象观测数据、社会经济统计数据以及野外调查数据，选择发生严重冷害的棉田作为遥感监测验证对象，研究大田条件下棉花苗低温冷害胁迫下的生理变化及其与高光谱反射特征之间的关系。选择发生严重冷害的棉田ETM影像，研究冷害发生强度的方法并进行实证。本研究取得以下结果：
　　1.低温胁迫下，棉苗叶片Chl含量、SPAD、LWC、Pn、Fv/Fm变化趋势均为：随低温胁迫强度加大，下降趋势越明显，各生理指标与处理水平间相关性显著，可做为指征棉花苗期冻害程度的生理指标。
　　2.低温胁迫对棉苗光谱曲线产生影响，在全波段范围内，受冻程度越重，冻害级数越高，反射率越低。在680-760nm间有一个单高峰，随冻害程度加重，单峰峰值逐渐减小，微分光谱值逐渐向短波方向移动，处理间表现出冻害红边特征。-4℃下，红边冻害特征最为明显。
　　3.大田条件下，随着棉花苗期冻害程度的增加，光谱参数PPR(550，540)、SIPI、TCARI、CCII逐渐增大，其中，SIPI相关系数在0.9以上；NDVI[670，890]、NDVI[820，2200]、VARIgreen、GreenNDVI、SAVI、OSAVI、DVI[890，670]逐渐变小，NDVI[670，890]相关系数达在0.7以上。在0℃时，随胁迫时间的延长，光谱参数变化复杂，结果不明显。4℃时，随胁迫时间的延长，NDVI[820，2200]、NDVI[670，890]、GreenNDVI、SAVI、OSAVI、DVI[890，670]逐渐增加，NDVI[670，890]相关系数在0.8以上；VARIgreen、PPR[550，540]、SIPI、TCARI、CCII逐渐变小，SIPI相关系数在0.9以上。在-4℃下，随着冻害时间的延长，光谱参数NDVI[670，890]、VARIgreen、SAVI、OSAVI逐渐减小，4℃下，VARIgreen逐渐变小，其变化与大田表现一致，说明模拟结果与大田实测结果一致。
　　4.棉花苗期各处理间生理指标及各类植被指数差异较为明显，在-4℃时，植被指数NDVI[890，980]、NDVI[670，890]、OSAVI与Chl含量、SPAD、LWC、Pn、Fv/Fm呈显著或极显著相关，可做为棉花苗期冻害光谱特征参数。在4℃时，植被指数DVI[560，670]、[890，670]、VARIgreen、NDVI[857，1210]与Chl含量、SPAD、LWC、Pn、Fv/Fm呈显著相关或极显著相关，可做为棉花冷害光谱特征参数。0℃时,生理指标与光谱参数未达到相关。
　　5.利用ETM影像遥感监测棉花结铃期冷害，根据棉花植被指数NDVI绝对差值得出，降低区域占67.8％，NDVI增减百分比在±20%之间，在冠层温度反演方面，对于植被指数NDVI，长势较好、未受冷害影响的棉花冠层平均温度为26.4℃，植被指数未变化区域为27.6℃，植被指数降低较多、冷害程度较重区域冠层平均温度约为29.3℃。利用NDVI差异划分冷害区域时，冷害区域比未受影响的区域要高约3.0℃，比轻度影响区域也要高约1.5℃，冠层温度差异显著。植被指数与冷害区域的关系都比较符合冻害模拟试验获得的结果。说明利用遥感获取的植被指数或者反演的冠层温度，可以用于棉花冷害区域确定和冷害程度分级。基于ETM遥感影像植被指数变化幅度和冠层温度差异可用于冷害程度区域划分。由此得到以下结论：
　　1.低温胁迫下，棉苗叶片Chl含量、SPAD、LWC、Pn、Fv/Fm均呈下降趋势，冻害程度越严重，与冻害相关性越显著，可做为指征棉花苗期冻害的生理指标。
　　2.在680-760nm间可见一个单高峰，随冻害程度加重，单峰峰值逐渐减小，微分光谱值逐渐向短波方向移动，表现明显的红边冻害，-4℃下，红边冻害特征最为明显。
　　3.在-4℃下，随着冻害处理时间的延长，冻害严重度增加，光谱参数NDVI[670，890]、VARIgreen、SAVI、OSAVI逐渐减小，4℃下，VARIgreen逐渐变小，其变化与大田表现一致，说明模拟结果与大田实测结果相一致。
　　4.在-4℃时，植被指数NDVI[890，980]、NDVI[670，890]、OSAVI可做为棉花苗期冻害光谱特征参数。4℃时，DVI[560，670]、[890，670]、VARIgreen可做为棉花冷害光谱特征参数。
　　5.研究结果表明，植被指数与冷害区域的关系都比较符合室内模拟试验获得的结果。说明利用植被指数或者冠层温度，可以确定棉花冷害区域和对冷害程度分级的。基于ETM遥感影像植被指数变化和冠层温度差异可用于来监测棉花冷害。

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英文缩写符号及中英文对照表

第一章 植被遥感监测的文献综述

1 研究目的和意义

2 国内外研究进展

第二章 实验设计与方法

1 室内模拟低温实验

2 大田试验

3 遥感影像处理

第三章 低温胁迫对棉花生理特性的影响

1 结果与分析

2讨论与结论

第四章 低温胁迫下棉花幼苗叶片高光谱特征分析

1结果与分析

2．讨论与结论

第五章 低温胁迫下棉苗生理指标与高光谱响应的相关分析

1 结果与分析

2讨论与结论

第六章 基于ETM植被指数和冠层温度差异遥感监测棉花冷害

1 结果与分析

2 讨论与结论

第七章 结论与展望

1 结论

2 主要创新点

3 存在问题与展望

参考文献

致谢

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