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基于辐射传输过程的水稻冠层光能利用效率模拟研究

郭永久  
【摘要】:作物的冠层形态结构直接影响着冠层内的光辐射传输过程,影响作物冠层内部光辐射的分布,进而影响光合生产和干物质生产的能力,作物的冠层结构是作物干物质积累和经济产量的重要影响因素。因此定量分析和模拟作物的冠层结构参数及其与光辐射传输、分布及光能利用效率之间的关系,对提高冠层光辐射分布模型精度及提高光能利用效率等提供技术支撑。本研究以2个不同株型的水稻(Oryza sativa L.)品种为材料,实施不同施氮量和不同移栽密度处理的2年田间试验。阐明了水稻主要形态结构指标和不同光质光辐射的时空分布特征,结合高光谱技术构建冠层结构模型和冠层光辐射垂直分布模型,并模拟了光辐射积累量和光合生产的定量关系,为水稻高产栽培和光合生产的精确定量模拟提供理论依据。移栽密度和施氮量对水稻叶面积指数的大小和分布有显著影响,一定程度上增加施氮量和移栽密度可以提高冠层的总叶面积,冠层中部叶面积指数大于上部,底层最小;水稻冠层向下积累的叶面积指数的垂直分布符合Logistic方程(R2大于0.99),结合高光谱技术构建了叶面积指数垂直分布动态模型,叶面积指数模拟值和观测值之间的平均RRMSE为17.25%,模拟效果较好。不同波段光谱在水稻冠层内的反射率、透射率和截获率随着生育期的推进呈单峰(谷)变化,反射率和透射率分别在拔节期和开花期达到最小值,截获率在开花期达到最大值。适量提高施氮量和移栽密度可以提高水稻冠层的反射率和截获率,降低冠层透射率,提高光能利用效率。不同波段光辐射传输特征有显著差异,但其变化趋势相似,绿光与蓝紫光差异最大,红光与PAR大小相近。透射率和截获率与向下积累LAI存在极显著的相关性,可以用指数模型T=α×e-K×LAI来描述,拟合的决定系数R2均大于0.92。随着生育期的推进,水稻冠层平均消光系数逐渐增加,不同高度层的消光系数差异显著,冠层垂直向下,消光系数逐渐减小。不同波段光辐射的消光系数也存在明显的差异,大小次序均表现为紫光蓝光PAR红光绿光,在生育前期和后期的差异更大。以Monsi和Saeki的指数模型为基础,结合作物冠层结构模型和高光谱反演技术,构建了水稻群体不同冠层高度的光辐射垂直分布动态模型,结果表明模型的模拟值与测试值之间具有较好的预测性,对冠层光辐射透射率预测的平均RRMSE值为28.54%,对冠层光辐射截获率预测的平均RRMSE值为11.30%。对不同光质辐射分布的分析可得,紫光、蓝光、绿光、红光的透射率与PAR的透射率的比值分别为0.9258、0.9542、1.0315、1.0195,决定系数R2均高于0.99。分析了地上干物质积累量和冠层截获的光合有效辐射积累量随生育期的变化,基于辐射传输过程的光分布模型和高光谱遥感反演技术建立了水稻冠层光能利用效率模型。结果表明,冠层地上干物质积累量和截获光合有效辐射积累量变化趋势相似,在移栽前期增长较慢,到了拔节期开始快速增长,到了生育后期增速减慢.高氮高密度处理的冠层地上干物质积累量和截获光能最大,其次是低氮高密度、高氮低密度,最小的是低氮低密度。2个品种不同移栽密度和施氮处理的平均光能利用效率有明显的差异,大小均表现为N2D1N1D1N2D2N1D2。对光能利用效率模型进行检验,其平均RRMSE为25.30%,表明模型对不同环境条件下、不同生育时期的水稻冠层光能利用效率具有较好的适用性和预测性。为作物光合生产的精确估测和大区域全碳循环精确模拟提供技术支撑。


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