張濤水稻冠層光合有效輻射的分布特征及其與葉面積指數(shù)的關(guān)系

1、中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象 (Chinese Journa l of Agro m eteorology 2010, 31(2:251-254do:i 10. 3969/.j issn . 1000-6362. 2010. 02. 016水稻冠層光合有效輻射的分布特征及其與葉面積指數(shù)的關(guān)系 *張 濤 , 殷 紅 *, 辛明月(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) , 沈陽(yáng) 110161摘要 :采用冠層分析系統(tǒng)對(duì)不同株型水稻冠層的光合有效輻射 (PAR 進(jìn)行了觀測(cè) , 測(cè)得入射 PAR 、 冠層反射 PAR 、 透射 PAR 和水面反射 PAR , 計(jì)算求得冠層反射率、 水面反射率、 水稻冠層吸收的 PAR (APAR和 PAR 吸

2、收 系數(shù) (FAP AR, 并研究了它們的變化規(guī)律。結(jié)果表明 , 水稻冠層中 F APAR 與 LA I 的相關(guān)性達(dá)極顯著水平 , 相關(guān) 方程的估算精度達(dá) 88148%, 可用于大尺度的全球變化研究中地面數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的鏈接。關(guān)鍵詞 :水稻 ; 冠層 ; PAR; FAPAR; LA ID istributi on Characteristics of PAR i n R ice Canopy andRelati onshi p bet w een PAR and LA IZHANG Tao , Y IN H ong , X IN M ing -yue(Shenyang A gr i cu

3、ltural U niversity , Shenyan 110161, Ch i naAbst ract :In this research , t h e PAR (photosynthetica ll y Acti v e R adiati o n o f rice canopies (i n c i d ent P AR, reflecti v e PAR of the canopy , t h e trans m itted P AR and t h e reflecti v e P AR o fw ater surface of different co l o nies w as

4、 observed . On the basis of the observati o n results , the reflectance of canopy , the reflectance ofw ater surface , the abso r bed photo -synthe tica lly acti v e radiati o n (APARand the fracti o n o f photosynthetica lly active Radiation (F APAR w ere calcu la-t ed and the var i a ti o n regula

5、riti e s of the m w ere stud ied . The results sho w ed tha, t the FAP AR of rice canopy and LA I had ex tre m e l y strong correlati o ns , w ith an accuracy o f the corre lati o n equation up to 88148%.Th is resu lt could be applied to li n k i n g the g r ound data and re m ote data i n large -sc

6、ale g l o ba l change research.K ey w ords :R ice ; Canopy ; PAR (pho tosynt h etically Acti v e Rad iati o n; FAPAR; LA I光合有效輻 射 (PAR, 014017L m 是指能被綠 色植物用來(lái)進(jìn)行光合作用的那部分太陽(yáng)輻射 , 冠層內(nèi) PAR 的分布受作物的種類、 品種、 種植方式、 行間距等 因子的影響。作物冠層內(nèi)的受光能力和冠層內(nèi)部光 的分布特征直接決定了作物的產(chǎn)量 1-3, 因此 , 研究作 物冠層 PAR 的分布特征具有重要意義。植物吸收的 PAR(AP AR 是入射

7、 P AR 與植被對(duì)入射 PAR 的吸收 比例 (FAP AR 的乘積 , 其與植物的光 合產(chǎn)物呈近似 的線性關(guān)系 4, 因此 , APAR 的研究對(duì) 植被凈初級(jí)生 產(chǎn)力 (NPP的監(jiān)測(cè)和建模具有重要作用。早在 20世紀(jì) 60年 代 劉洪 順等 就 已經(jīng) 開 始對(duì) PAR 進(jìn)行觀測(cè) 5, 后來(lái)隨著 P AR 觀測(cè)儀器和技術(shù)的 不斷進(jìn)步 , 對(duì) PAR 的研究也越來(lái)越多 6-9。以往的研 究大多側(cè)重于到達(dá)冠層上方的 PAR, 還未系統(tǒng)地對(duì)作 物冠層內(nèi) P AR 各分量、 FAPAR 與葉面積指數(shù) (LA I 的關(guān)系進(jìn)行研究。近年來(lái)有關(guān) P AR 的研究主要集中 在通 過(guò)遙 感數(shù) 據(jù)對(duì) FAP A

8、R 進(jìn) 行反 演 , 并據(jù) 此計(jì) 算 NPP , 進(jìn)而研究碳平衡等問(wèn)題 10-13。 M onsi 等 雖已指 出 FAPAR 與 LA I 存在函數(shù)關(guān)系 14-17, 但具體到某一 作物的研究還有待開展。本文擬通過(guò)在試驗(yàn)田選擇 10個(gè) 明 顯屬 于兩 種株 型的 水 稻品 種 , 對(duì)其 冠層 內(nèi) P AR 各分量進(jìn)行連續(xù)測(cè)定 , 研究 FAP AR 與 LA I 的關(guān) 系 , 以期為大尺度的全球變化研究中地面數(shù)據(jù)與衛(wèi)星 遙感數(shù)據(jù)的鏈接提供參考。1材料和方法111試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)于 2008年在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所試驗(yàn) 田進(jìn)行。供試品種為 5種直立型水稻 (08601、 08602、*收稿日期

9、:2009-09-14*通訊作者。 E -m a i:l sny i nhong 126. co m基金項(xiàng)目 :國(guó)家科技支撐計(jì)劃 (2006BAD 04B08-05; 遼寧省教育廳項(xiàng)目 (20060780:(, E-m a i:l qq . co m中 國(guó) 農(nóng) 業(yè) 氣 象 第 31卷08603、 08604、 08637 和 5種 披 散 型 水 稻 (08633、08634、 08635、 08636、 08638 。土壤肥力中等 , 地力均勻 , 井水灌溉。采用田間小區(qū)試驗(yàn)方法 , 隨機(jī)區(qū)組排 列 , 設(shè) 3次重復(fù) , 小區(qū)面積為 16m 2。插秧與田間管理 同一般生產(chǎn)田。112研究方法試

10、驗(yàn)中 RAR 和 LA I 數(shù)據(jù)采集使用英國(guó) Delta 公 司生產(chǎn)的 SUNSCAN 冠層分析系統(tǒng)。于 2008年 7月 29日 -9月 13日 , 選擇典型的晴天 , 分別對(duì)水稻冠層 上方的入射 P AR 、 冠層反射 PAR 、 到達(dá)水面的 PAR 、 水 面反射的 P AR 及 LA I 進(jìn)行觀測(cè) , 觀測(cè)時(shí)間為 10:00-12:00, 期間共進(jìn)行了 10次觀測(cè) , 觀測(cè)過(guò)程覆蓋整個(gè) 生育期。在 8月 29日 對(duì)不同株 型水稻群 體冠層中 PAR 進(jìn)行了日變化觀測(cè) , 時(shí)間為 8:00-16:00, 每小 時(shí)整點(diǎn)觀測(cè)。113APAR 和 F APAR 值的計(jì)算設(shè) Q 為水稻冠層對(duì)入射

11、 PAR 的反射率 , Q w 為水 面對(duì)透過(guò)水稻冠層 P AR 的反射率 , S 為水稻冠層對(duì) PAR 的透射系數(shù)。這些系數(shù)可分別由下式求得 Q =R /S(1 Q w =U /T(2 S =T /S(3 式中 , R 為水稻冠層對(duì)入射 PAR 的反射 , S 為水 稻冠層上方的入射 P AR , U 為水面對(duì)透過(guò)冠層 PAR 的反射 , T 為透過(guò)水稻冠層到達(dá)水面的 PAR, 它們的 單位均為 L m ol #m -2#s -1。因此 , 冠層吸收的光合 有效輻射 (L m o l #m -2#s -1APAR=S-T-R+U (4 光合有效輻射吸收系數(shù)FAPAR=1-S -Q +S #Q

12、 w (5 2結(jié)果與分析211不同株型水稻群體冠層接收和反射的 PAR 的 日變化比較從圖 1可以看出 , P AR 入射量的日內(nèi)變化趨勢(shì)大 致呈正弦曲線 , 中午 12:00達(dá)到最大值 162718L m o l # m -2#s -1。冠層反射 P AR 的日變化趨勢(shì)與此一致 , 其值隨入射 PAR 量的增加而增加、 減小而減小 , 說(shuō)明 冠層的反射與它接受的入射存在一定的正相關(guān)關(guān)系 (R 直立 =019845; R 披散 =019941 。披散株型水稻群體 冠層對(duì) PAR 的反射量始終大 于直立株型 , 且披散型 水稻冠層對(duì) PAR 的反射量的日變幅較大。這是由于 披散型水稻的葉片較平展

13、 , 對(duì)于直射下來(lái)的太陽(yáng)輻射 有較強(qiáng)的反射能力。中午時(shí) , 太陽(yáng)高度角達(dá)到最大 , 水稻冠層葉片偏直立 , 會(huì)使一部分太陽(yáng)輻射透過(guò)冠層 射入群體內(nèi)部 , 故其對(duì) PAR 的反射量小于披散型。圖 1不同株型水稻群體冠 層接收和反射的 PAR 的日變化212不同株型水稻群體株間水面接收和反射的 P AR 日變化比較由圖 2可見 , 水稻冠層透過(guò)的 P AR 量的日變化 趨勢(shì)與冠層上方入射的 PAR 量的日變化趨勢(shì)大體上 是一致的 , 都是從上午開始升高 , 到中午達(dá)到最大 , 之 后開始下降。披散型水稻冠層中的透射 P AR 量始終 小于直立型水稻 , 直立冠層透射 P AR 值在 12:00有

14、一明顯峰值 , 而披散型則不是很明顯。這是由于冠層 結(jié)構(gòu)不同所致 , 披散型的冠層結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱 作用要強(qiáng)于直立型 , 越接近正午 , 太陽(yáng)輻射越容易透 過(guò)直立型的水稻冠層 , 披散型結(jié)構(gòu)對(duì)其削弱作用表現(xiàn) 的越明顯 , 這也是造成披散型水稻群體內(nèi)部光照條件 較差的主要原因。水面反射 PAR 的日變化趨勢(shì)與透 射 PAR 的日變化趨勢(shì)完全相同 , 說(shuō)明 他們之間存在 著類似于冠層上方入射 PAR 和冠層反射 P AR 之間的 正相關(guān)關(guān)系 (R 直立 =019993; R 披散 =019824 。圖 2不同株型水稻群體株間水面接收和反射的 PAR 日變化213不同株型水稻群體冠層和株間水面反

15、射率的日 變化比較由圖 3可以看出 , 水稻冠層反射率在早上和傍晚 ,# 252 #第 2期 張 濤等 :水稻冠層光合有效輻射的分布特征及其與葉面積指數(shù)的關(guān)系 高度角小時(shí) , 入射 PAR 中的直射能量所占比例較小 , 而散射能量所占比例較大 , 隨著太陽(yáng)高度角的增加直 射能量所占比例也隨之增加 , 到中午時(shí)達(dá)到最大 , 由 于直射能量更容易穿透冠層 , 故冠層對(duì)其反射率也相 對(duì)較低。披散型水稻冠層的反射率明顯大于直立型 , 這是由于披散型水稻葉片較平展 , 對(duì)入射光有很強(qiáng)的 反射能力。而越接近正午 , 太陽(yáng)高度角越大 , 太陽(yáng)光 越接近于垂直入射 , 這時(shí)直立型水稻冠層會(huì)更易使太 陽(yáng)輻射透過(guò)

16、 , 而披散型水稻冠層對(duì)太陽(yáng)輻射的反射能 力則相對(duì)表現(xiàn)的更突出 , 這也是導(dǎo)致披散型群體冠層 反射率日變化幅度大于直立型的原因。披散型水稻 群體內(nèi)的水面反射率要高于直立型 , 且接近于常數(shù) , 其值維持在 0104左右。 圖 3 不同株型水稻群體冠層和株間水面反 射率的日變化 214 不同株型水稻群體冠層 PAR 吸收量和吸收系數(shù)的日變化比較如圖 4所示 , 從水稻冠層所 吸收的 PAR 日變化 情況來(lái)看 , APAR 的日變化趨勢(shì)與冠層上方入射 PAR 的日變化趨勢(shì)基本一致 , 說(shuō)明水稻冠層所吸收的 PAR 與冠層上方入射的 P AR 也存在著很好的線性相關(guān)關(guān) 系 (R 直立 =019810

17、; R 披散 =019995, 同時(shí)也說(shuō)明了通 過(guò) FAP AR 和入射 P AR 來(lái)求 APAR 的合理性。 APAR 的變化趨勢(shì)基本上是平滑的正弦曲線 , 只是在晴天中 午前后直立型水稻冠層 APAR 突然減小 , 這是由于太 陽(yáng)入射角減小 , 透過(guò)冠層的 PAR 會(huì)突然增大 , 而這時(shí) 冠層對(duì) PAR 的反射率雖然最 低 , 但反射量卻是最高 的 , 透 射 量 也 同時(shí) 達(dá) 到 最 大。披 散 型 水 稻 冠 層中 APAR 的值要大于直立型 , 而且中午前后也沒(méi)有出現(xiàn) 降低的趨勢(shì) , 這是由于披散型水稻的平展葉片對(duì)入射 角小的太陽(yáng)輻射依舊有很強(qiáng)的截獲能力 , 說(shuō)明披散型 水稻冠層可以

18、截獲更多的光合有效輻射。直立型水 稻冠層的 FAP AR 上午和下午的值基本都維持在 0194左右 , 正午時(shí)降到最低 , 其值為 0182。而披散型水稻 冠層的 FAP AR 值全天都維持在 0192左右 , 正午略有降低 , 圖 4 不同株型水稻群體冠層 PAR 吸收量和吸收系數(shù)的日變化215 F APAR 與 LA I 的相關(guān)分析對(duì)試驗(yàn)中選取 的 10個(gè)水稻品種冠層 的 FAP AR 和 LA I 進(jìn)行相關(guān)分析 , 結(jié)果表明 , 從分蘗中期到成熟 期 , FAPAR 和 LA I 之間的相關(guān)性通過(guò)了 0101水平的 顯著性檢驗(yàn) (R FAPAR -LA I =018377*, RM SE

19、 =018413, n =75, 圖 5 。根據(jù)圖 5的 FAP AR 與 LA I 的相關(guān)方程 估算 LA I , 發(fā)現(xiàn)它們模擬的水稻 LA I 與實(shí)測(cè) LA I 呈顯 著 的 線 性 相 關(guān) (R F A PAR 模擬的 LA I-實(shí)測(cè)的 LA I =017599*, RM SE =017048, n=75, 圖 6, RE 為 011152, 估算精 度為 88148%。3 結(jié)論與討論水稻冠層上方入射 PAR 與冠層反射量的日變化 趨勢(shì)完全一樣 , 日變化曲線呈標(biāo)準(zhǔn)的正弦分布 , 上午 和下午的曲線對(duì)稱 , 曲線比較光滑。披散型水稻冠層 與#253#中 國(guó) 農(nóng) 業(yè) 氣 象 第 31卷株間

20、水面反射量的變化趨勢(shì)也完全一致 , 晴天直立型 水稻冠層透射 PAR 值在 12:00處有一明顯峰值 , 早 上和傍晚時(shí)冠層反射率較大 , 中午時(shí)較小。披散型水 稻冠層 反射 率 的 日變 化 幅 度要 明 顯 大 于直 立 型。 APAR 的日變化規(guī)律與入射 PAR 相似 , 近似于平滑的 正弦曲線 , 但晴天中午前后 , 直立型水稻由于透射的 PAR 突然增加 , 導(dǎo)致 AP AR 有一個(gè)減小的過(guò)程。兩種 株型水稻冠層內(nèi) FAP AR 變化規(guī)律相似 , 上午和下午 基本保持不變 , 中午前后出現(xiàn)一個(gè)波谷。相關(guān)分析結(jié) 果表明 , 從分蘗中期到成熟期 , FAPAR 和 LA I 之間呈 極顯

21、著相關(guān) , 相關(guān)系數(shù)達(dá) 88148%。水稻冠層中 P AR 的分布主要受太陽(yáng)高度角、 PAR 入射能量組成和株型的影響。在早上和傍晚時(shí) , 太陽(yáng) 入射角大 , 且入射 PAR 中的直射能量所占比例較小 , 而散射能量所占比例較大 , 因此冠層反射率較大。中 午前后太陽(yáng)入射角小 , 且入射 PAR 中的直射能量所 占比例較大 , 而散射能量所占比例較小 , 故冠層反射 率較小。直立型水稻冠層較披散型有較小的反射率 , 說(shuō)明直立型水稻群體內(nèi)部的光照條件要優(yōu)于披散型。 高士杰等、 謝立勇等均指出直立穗型水稻群體內(nèi)光分 布比較均勻 , 尤其中上部光環(huán)境明顯改善 , 利于光合 效率的提高 18-19。但

22、在中 午前后 , 披散型 水稻冠層 APAR 和 FAP AR 值均大于直 立型 , 說(shuō) 明在中午太陽(yáng) 輻射最為強(qiáng)烈時(shí) , 披散型冠層對(duì)太陽(yáng)輻射的利用率要 高于直立型 , 此時(shí)直立型冠層中有較多的太陽(yáng)輻射能 透過(guò)冠層到達(dá)水面 , 造成能量的浪費(fèi)?？梢娭绷⑺?群體內(nèi)部雖然有較好的光照條件 , 但也存在較嚴(yán)重的 漏光現(xiàn)象。合理處理這一矛盾 , 發(fā)掘產(chǎn)量潛力 , 實(shí)現(xiàn) 高 產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn) , 還 需進(jìn) 一步 研究。本研 究還表 明 , 水稻 FAP AR 與 LA I 以及利用模型模擬估算的 LA I 與實(shí)測(cè) LA I 之間均為 極顯著線 性相關(guān)關(guān) 系 , 說(shuō) 明用 FAPAR 可以較好的對(duì) LA I 進(jìn)

23、行模擬估算 , 并找出了二者間的 關(guān)系表達(dá)式 , 為大尺度的全球變化研究中地面數(shù)據(jù)與 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的鏈接提供進(jìn)一步的理論依據(jù)。參考文獻(xiàn) :1黃高寶 . 作物群體受光結(jié)構(gòu)與作物生產(chǎn)力研究 J.生 態(tài)學(xué) 雜志 , 1999, 18(1 :59-65.2金寶石 , 查良 松 . G IS 支持 下的 糧食 單產(chǎn) 與光 熱水 分布 特 征相關(guān)分 析 :以 安徽 省為 例 J.中國(guó) 農(nóng) 業(yè)氣 象 , 2006, 27 (1:1-5. 3盧其堯 . 我國(guó)水 稻生 產(chǎn) 光溫 潛力 的 探討 J.中 國(guó)農(nóng) 業(yè)氣 象 , 1980, 1(1 :1-11.4Mecree K J . A so lar i m e

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