张涛水稻冠层光合有效辐射的分布特征及其与叶面积指数的关系图精.docx
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张涛水稻冠层光合有效辐射的分布特征及其与叶面积指数的关系图精
中国农业气象(ChineseJournalofAgrometeorology2010,31(2:
251-254
do:
i10.3969/.jissn.1000-6362.2010.02.016
水稻冠层光合有效辐射的分布特征及其与叶面积指数的关系*
张涛,殷红**,辛明月
(沈阳农业大学,沈阳110161
摘要:
采用冠层分析系统对不同株型水稻冠层的光合有效辐射(PAR进行了观测,测得入射PAR、冠层反射PAR、透射PAR和水面反射PAR,计算求得冠层反射率、水面反射率、水稻冠层吸收的PAR(APAR和PAR吸收系数(FAPAR,并研究了它们的变化规律。
结果表明,水稻冠层中FAPAR与LAI的相关性达极显著水平,相关方程的估算精度达88148%,可用于大尺度的全球变化研究中地面数据与卫星遥感数据的链接。
关键词:
水稻;冠层;PAR;FAPAR;LAI
DistributionCharacteristicsofPARinRiceCanopyand
RelationshipbetweenPARandLAI
ZHANGTao,YINHong,XINMing-yue
(ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyan110161,China
Abstract:
Inthisresearch,thePAR(photosyntheticallyActiveRadiationofricecanopies(incidentPAR,reflectivePARofthecanopy,thetransmittedPARandthereflectivePARofwatersurfaceofdifferentcolonieswasobserved.Onthebasisoftheobservationresults,thereflectanceofcanopy,thereflectanceofwatersurface,theabsorbedphoto-syntheticallyactiveradiation(APARandthefractionofphotosyntheticallyactiveRadiation(FAPARwerecalcula-tedandthevariationregularitiesofthemwerestudied.Theresultsshowedtha,ttheFAPARofricecanopyandLAIhadextremelystrongcorrelations,withanaccuracyofthecorrelationequationupto88148%.Thisresultcouldbeappliedtolinkingthegrounddataandremotedatainlarge-scaleglobalchangeresearch.
Keywords:
Rice;Canopy;PAR(photosyntheticallyActiveRadiation;FAPAR;LAI
光合有效辐射(PAR,014~017Lm是指能被绿色植物用来进行光合作用的那部分太阳辐射,冠层内PAR的分布受作物的种类、品种、种植方式、行间距等因子的影响。
作物冠层内的受光能力和冠层内部光的分布特征直接决定了作物的产量[1-3],因此,研究作物冠层PAR的分布特征具有重要意义。
植物吸收的PAR(APAR是入射PAR与植被对入射PAR的吸收比例(FAPAR的乘积,其与植物的光合产物呈近似的线性关系[4],因此,APAR的研究对植被净初级生产力(NPP的监测和建模具有重要作用。
早在20世纪60年代刘洪顺等就已经开始对PAR进行观测[5],后来随着PAR观测仪器和技术的不断进步,对PAR的研究也越来越多[6-9]。
以往的研究大多侧重于到达冠层上方的PAR,还未系统地对作物冠层内PAR各分量、FAPAR与叶面积指数(LAI的关系进行研究。
近年来有关PAR的研究主要集中在通过遥感数据对FAPAR进行反演,并据此计算NPP,进而研究碳平衡等问题[10-13]。
Monsi等虽已指出FAPAR与LAI存在函数关系[14-17],但具体到某一作物的研究还有待开展。
本文拟通过在试验田选择10个明显属于两种株型的水稻品种,对其冠层内PAR各分量进行连续测定,研究FAPAR与LAI的关系,以期为大尺度的全球变化研究中地面数据与卫星遥感数据的链接提供参考。
1材料和方法
111试验设计
试验于2008年在沈阳农业大学水稻研究所试验田进行。
供试品种为5种直立型水稻(08601、08602、
*收稿日期:
2009-09-14**通讯作者。
E-mai:
lsnyinhong@126.com
基金项目:
国家科技支撑计划(2006BAD04B08-05;辽宁省教育厅项目(20060780
:
(,E-mai:
lqq.com
中国农业气象第31卷
08603、08604、08637和5种披散型水稻(08633、
08634、08635、08636、08638。
土壤肥力中等,地力均
匀,井水灌溉。
采用田间小区试验方法,随机区组排列,设3次重复,小区面积为16m2。
插秧与田间管理同一般生产田。
112研究方法
试验中RAR和LAI数据采集使用英国Delta公司生产的SUNSCAN冠层分析系统。
于2008年7月29日-9月13日,选择典型的晴天,分别对水稻冠层上方的入射PAR、冠层反射PAR、到达水面的PAR、水面反射的PAR及LAI进行观测,观测时间为10:
00-12:
00,期间共进行了10次观测,观测过程覆盖整个生育期。
在8月29日对不同株型水稻群体冠层中PAR进行了日变化观测,时间为8:
00-16:
00,每小时整点观测。
113APAR和FAPAR值的计算
设Q为水稻冠层对入射PAR的反射率,Qw为水面对透过水稻冠层PAR的反射率,S为水稻冠层对PAR的透射系数。
这些系数可分别由下式求得Q=R/S(1Qw=U/T(2S=T/S(3式中,R为水稻冠层对入射PAR的反射,S为水稻冠层上方的入射PAR,U为水面对透过冠层PAR的反射,T为透过水稻冠层到达水面的PAR,它们的单位均为Lmol#m-2#s-1。
因此,冠层吸收的光合有效辐射(Lmol#m-2#s-1
APAR=S-T-R+U(4光合有效辐射吸收系数
FAPAR=1-S-Q+S#Qw(52结果与分析
211不同株型水稻群体冠层接收和反射的PAR的日变化比较
从图1可以看出,PAR入射量的日内变化趋势大致呈正弦曲线,中午12:
00达到最大值162718Lmol#m-2#s-1。
冠层反射PAR的日变化趋势与此一致,其值随入射PAR量的增加而增加、减小而减小,说明冠层的反射与它接受的入射存在一定的正相关关系(R直立=019845;R披散=019941。
披散株型水稻群体冠层对PAR的反射量始终大于直立株型,且披散型水稻冠层对PAR的反射量的日变幅较大。
这是由于披散型水稻的叶片较平展,对于直射下来的太阳辐射有较强的反射能力。
中午时,太阳高度角达到最大,
水稻冠层叶片偏直立,会使一部分太阳辐射透过冠层射入群体内部,故其对PAR的反射量小于披散型。
图1不同株型水稻群体冠层接收和反射的PAR的日变化
212不同株型水稻群体株间水面接收和反射的PAR日变化比较
由图2可见,水稻冠层透过的PAR量的日变化趋势与冠层上方入射的PAR量的日变化趋势大体上是一致的,都是从上午开始升高,到中午达到最大,之后开始下降。
披散型水稻冠层中的透射PAR量始终小于直立型水稻,直立冠层透射PAR值在12:
00有一明显峰值,而披散型则不是很明显。
这是由于冠层结构不同所致,披散型的冠层结构对太阳辐射的削弱作用要强于直立型,越接近正午,太阳辐射越容易透过直立型的水稻冠层,披散型结构对其削弱作用表现的越明显,这也是造成披散型水稻群体内部光照条件较差的主要原因。
水面反射PAR的日变化趋势与透射PAR的日变化趋势完全相同,说明他们之间存在着类似于冠层上方入射PAR和冠层反射PAR之间的正相关关系(R直立=019993;R披散=019824。
图2不同株型水稻群体株间水面接收和反射的PAR日变化
213不同株型水稻群体冠层和株间水面反射率的日变化比较
由图3可以看出,水稻冠层反射率在早上和傍晚,
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第2期张涛等:
水稻冠层光合有效辐射的分布特征及其与叶面积指数的关系
高度角小时,入射PAR中的直射能量所占比例较小,而散射能量所占比例较大,随着太阳高度角的增加直射能量所占比例也随之增加,到中午时达到最大,由于直射能量更容易穿透冠层,故冠层对其反射率也相对较低。
披散型水稻冠层的反射率明显大于直立型,这是由于披散型水稻叶片较平展,对入射光有很强的反射能力。
而越接近正午,太阳高度角越大,太阳光越接近于垂直入射,这时直立型水稻冠层会更易使太阳辐射透过,而披散型水稻冠层对太阳辐射的反射能力则相对表现的更突出,这也是导致披散型群体冠层反射率日变化幅度大于直立型的原因。
披散型水稻群体内的水面反射率要高于直立型,且接近于常数,其值维持在0104
左右。
图3不同株型水稻群体冠层和株间水面反射率的日变化
214不同株型水稻群体冠层PAR吸收量和吸收系
数的日变化比较
如图4所示,从水稻冠层所吸收的PAR日变化情况来看,APAR的日变化趋势与冠层上方入射PAR的日变化趋势基本一致,说明水稻冠层所吸收的PAR与冠层上方入射的PAR也存在着很好的线性相关关系(R直立=019810;R披散=019995,同时也说明了通过FAPAR和入射PAR来求APAR的合理性。
APAR的变化趋势基本上是平滑的正弦曲线,只是在晴天中午前后直立型水稻冠层APAR突然减小,这是由于太阳入射角减小,透过冠层的PAR会突然增大,而这时冠层对PAR的反射率虽然最低,但反射量却是最高的,透射量也同时达到最大。
披散型水稻冠层中APAR的值要大于直立型,而且中午前后也没有出现降低的趋势,这是由于披散型水稻的平展叶片对入射角小的太阳辐射依旧有很强的截获能力,说明披散型水稻冠层可以截获更多的光合有效辐射。
直立型水稻冠层的FAPAR上午和下午的值基本都维持在0194左右,正午时降到最低,其值为0182。
而披散型水稻冠层的FAPAR值全天都维持在0192左右,正午略有
降低,图4不同株型水稻群体冠层PAR吸收量和吸收系数的日变化
215FAPAR与LAI的相关分析
对试验中选取的10个水稻品种冠层的FAPAR和LAI进行相关分析,结果表明,从分蘖中期到成熟期,FAPAR和LAI之间的相关性通过了0101水平的显著性检验(RFAPAR-LAI=018377**
RMSE=018413,n=75,图5。
根据图5的FAPAR与LAI的相关方程估算LAI,发现它们模拟的水稻LAI与实测LAI呈显著的线性相关(RFAPAR模拟的LAI-实测的LAI=017599**
RMSE=017048,n=75,图6,RE为011152,估算精度为88148%。
3结论与讨论
水稻冠层上方入射PAR与冠层反射量的日变化趋势完全一样,日变化曲线呈标准的正弦分布,上午和下午的曲线对称,曲线比较光滑。
披散型水稻冠层与
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中国农业气象第31卷
株间水面反射量的变化趋势也完全一致,晴天直立型水稻冠层透射PAR值在12:
00处有一明显峰值,早上和傍晚时冠层反射率较大,中午时较小。
披散型水稻冠层反射率的日变化幅度要明显大于直立型。
APAR的日变化规律与入射PAR相似,近似于平滑的正弦曲线,但晴天中午前后,直立型水稻由于透射的PAR突然增加,导致APAR有一个减小的过程。
两种株型水稻冠层内FAPAR变化规律相似,上午和下午基本保持不变,中午前后出现一个波谷。
相关分析结果表明,从分蘖中期到成熟期,FAPAR和LAI之间呈极显著相关,相关系数达88148%。
水稻冠层中PAR的分布主要受太阳高度角、PAR入射能量组成和株型的影响。
在早上和傍晚时,太阳入射角大,且入射PAR中的直射能量所占比例较小,而散射能量所占比例较大,因此冠层反射率较大。
中午前后太阳入射角小,且入射PAR中的直射能量所占比例较大,而散射能量所占比例较小,故冠层反射率较小。
直立型水稻冠层较披散型有较小的反射率,说明直立型水稻群体内部的光照条件要优于披散型。
高士杰等、谢立勇等均指出直立穗型水稻群体内光分布比较均匀,尤其中上部光环境明显改善,利于光合效率的提高[18-19]。
但在中午前后,披散型水稻冠层APAR和FAPAR值均大于直立型,说明在中午太阳辐射最为强烈时,披散型冠层对太阳辐射的利用率要高于直立型,此时直立型冠层中有较多的太阳辐射能透过冠层到达水面,造成能量的浪费。
可见直立水稻群体内部虽然有较好的光照条件,但也存在较严重的漏光现象。
合理处理这一矛盾,发掘产量潜力,实现高产稳产,还需进一步研究。
本研究还表明,水稻FAPAR与LAI以及利用模型模拟估算的LAI与实测LAI之间均为极显著线性相关关系,说明用FAPAR可以较好的对LAI进行模拟估算,并找出了二者间的关系表达式,为大尺度的全球变化研究中地面数据与卫星遥感数据的链接提供进一步的理论依据。
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