夏玉米理化参数对连续水分胁迫的响应特征及遥感监测

发布时间：2020-10-24 17:32

　　 随着科技、农业和经济的迅速发展,世界粮食安全、国家的宏观政策、干旱和洪涝监测等影响全球经济发展的关键领域急需大量快速精准的数据支持,而遥感的技术可以充分满足上述要求,可以对农作物对干旱、洪涝等极端事件的响应进行快速、高效、无损的监测。目前,大部分关于夏玉米水分胁迫的研究都集中于作物生理和生产过程分别受单一的干旱和涝渍的影响,从干旱到涝渍,夏玉米对连续水分胁迫水平的动态生理生态响应特征以及不同尺度下作物理化参数变化对光谱反射率的敏感度方面的深入研究依然很少,以至于目前精确的对其理化参数进行遥感监测十分困难。本研究在连续五年的夏玉米连续水分胁迫田间试验的基础上,对夏玉米进行生育期、各生育期株高、根、茎、叶、果实等器官鲜重和干重、叶面积、叶面积指数、叶水势、冠层温度、光合特性等的动态变化进行观测,在成熟期进行产量构成因素的测量。根据具体观测数据,对连续水分胁迫下夏玉米生理生态响应的特征及其机理进行深入分析。基于田间观测的叶片光谱、冠层光谱数据,对连续水分胁迫下夏玉米不同生育期的叶片光谱特征和冠层光谱特征进行分析。在此基础上,基于Prospect叶片模型以及PROSAIL冠层模型研究连续水分胁迫下夏玉米光谱特征和植被指数的尺度效应。建立适用于不同尺度的不同理化参数的最佳光谱指数,之后,建立夏玉米叶片尺度和冠层尺度不同理化参数遥感监测模型,并通过实测光谱数据以及理化参数数据来进行验证,进一步为农业精细化提供合理有效的理论依据。研究结果表明:(1)干旱处理和淹没处理对夏玉米的株高、叶面积、果穗长、果穗粗、株子粒重、百粒重以及理论产量呈现出不同程度的抑制的趋势,尤其是重旱胁迫和中旱胁迫,理论产量较对照处理分别下降了 76.9%和56.2%。夏玉米上中下三层的叶面积在ST1和ST2呈现上叶叶面积中叶叶面积下叶叶面积的分布,所有处理的上叶叶面积从ST1到ST2再到ST3,均呈现先增大再减小的趋势。(2)夏玉米光合速率、气孔导度、蒸腾速率以及作物水分胁迫指数均基本呈现出“双峰”型,胞间二氧化碳浓度则呈现W形的变化趋势。干旱处理和淹没处理对光合速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度和蒸腾速率呈现出不同程度的抑制趋势。作物水分胁迫指数随水分处理梯度呈现出趋势。随着干旱胁迫的加剧,叶片含水率、叶水势、LAI和叶绿素含量呈现逐渐下降的趋势。(3)从连续水分胁迫下夏玉米在营养生长期和抽雄吐丝期的叶片的光谱特征可以看出,在1450nm出不同处理间的吸收深度和吸收面积以及近红外反射平台均反映出了随着干旱的加剧,夏玉米胁迫程度加深,轻度淹没对夏玉米也存在一定程度的胁迫作用。抽雄吐丝期不同处理间夏玉米叶片光谱特征之间的差距减小。在叶片尺度,对于结构型植被指数而言,NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)与 LWC(Leaf Water Content)之间的关系最密切;从三个叶绿素指标的角度来看,TVI(Triangular Vegetation Index)在LAI(Leaf Area Index)和叶绿素含量的检测中变现最佳;PRI(Photochemical Reflectance Index)对 LWP(Leaf Water Potential)较敏感。在冠层尺度,NDVI与叶绿素含量之间的关系最为显著;从三个叶绿素指标的角度来看,TVI在LAI和叶绿素含量的检测中变现最佳;PRI对LAI和叶绿素含量较敏感;没有任何一种指数能够检测到热量指标CWSI(Crop Water Stress Index)。(4)随着LAI的增加,在可见光波段,各个处理的反射率均逐渐减小。在近红外反射平台,各个处理间的反射率明显增加,当LAI大于5时,反射率逐渐趋于饱和。在短波红外波段,干旱处理下,随着胁迫程度的加强不同LAI所以造成的反射率差异越大。在近红外波段冠层反射率受LAD(LeafAngleDistribution)的影响最大。且当冠层闭合时,随着LAD的变化,冠层光谱反射率变化比较明显。随着LAI的增大,各个处理下的DVI(Difference Vegetation Index)和NDVI指数值均呈现逐渐增大的趋势。随着LAD的增加,DVI值逐渐较小且冠层饱和时,DVI值要明显大于冠层未闭合时的DVI值。对NDVI而言,冠层闭合时,所有处理的NDVI值基本不随叶倾角的变化而变化。(5)本研究确立了叶片和冠层尺度不同理化参数的最优植被指数。建立了叶片尺度的叶水势、叶绿素含量和叶片含水率的监测模型。建立了冠层尺度的叶水势、叶绿素含量、叶面积指数以及叶片含水率的监测模型。经过精度检验,基本所有模型的R2均在0.55(p0.05)以上,且RMSE值较小,证明叶片尺度和冠层尺度不同理化参数的遥感监测模型具有适用性。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S513
【部分图文】：

图１．２健康绿色叶片的反射光谱特征［３４１??作为最经典的冠层尺度辐射传输模型，ＳＡＩＬ模型是Ｖｅｒｈｏｅ炉１］提出的四流辐射传??模型。ＳＡＩＬ模型假设冠层水平且为无限延展的介质，冠层组分仅与叶片有关，冠层??分布各向同性。模型需要输入三类参数：冠层结构参数（叶面积指数ＬＡＩ和平均叶??角ＬＡＤ），叶片参数（叶片反射率和透射率），环境参数（观测天顶角和方位角、太??天顶角和方位角、土壤反射率、天空漫反射比）。之后，许多学者对ＳＡＩＬ模型进行??很多改进，比如Ｋｕｕｓｋ［８２］在模型中引入了?“热点”立了?ＳＡＩＬＨ模型。Ｖｅｒｈｏｅｆ＾之??考虑了土壤湿度对冠层反射率的影响，引入模拟土壤反射率的子模块，建立了??ｅｏＳＡＩＬ模型。Ｈｕｅｍｍｒｉｃｈ［８４］将几何光学模型与ＳＡＩＬ模型结合，假设冠层为均一的圆??体，建立了?ＧｅｏＳａｉｌ模型。之后，Ｖｅｒｈｏｅｆ通过进一步的改进，相继提出了稳健性更??的模型４ＳＡＩＬ［８５］以及４ＳＡＩＬ２［８６］模型。通过一系列的研究，这些模型在实际应用中??到了广泛的推广。刘照言［８７］使用ＳＡＩＬ模型，在多角度和多光谱数据的支持下，从??卿

?Ｖ?」??图１．３综合反演法流程??１．２．３?Ｐｒｏｓｐｅｃｔ?和?ＳＡＩＬ?模型简介??由于本研宄中主要用到了?Ｐｒｏｓｐｅｃｔ模型和ＳＡＩＬ模型，故下面对这两个模型进行深??入的介绍。??（１）?Ｐｒｏｓｐｅｃｔ?模型??Ｐｒｏｓｐｅｃｔ模型是一个计算叶片反射率和透射率的模型，是基于Ａｌｌｅｎ的平板模型??改进的辐射传输模型。Ｐｒｏｓｐｅｃｔ模型可以模拟４００－２５００ｎｍ叶片的光学特性。Ｐｒｏｓｐｅｃｔ模??型通过叶片结构参数和折射系数来描述叶片内部和表面的散射、反射和透射等光学特??性，用光合色素含量、干物质含量、水分含量等来描述叶片内部的光学吸收特性。??Ａｌｌｅｎ平板模型假设叶片为单层的平板，该平板表面为朗伯面，紧密透明。假设入??射光线是各向同性，其福？亮度在２ｔｃ空间为定值且为平行光线，垂直照射于宏观叶片??表面。微观上讲，叶表面仍然存在不同程度的起伏，入射光线以ｎ立体角内的入射方向??穿过叶片。图１．４阐明了光在紧密的单层叶片平板内的内部传输机制。基于上述特性，??单层平板光学模型的反射率和透过率公式如下［６８］：??ｒ

不同失水状态下的叶片反射率光谱的研宄，发现Ｎ值会随着叶片烘干脱水而显著上升。??（２）?ＳＡＩＬ?模型??ＳＡＩＬ模型假设冠层具有如下性质，示意图见图１．５：??（１）
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本文编号：2854772