田春燕，黃春燕，郭曉飛，劉馨月，王登偉

(石河子大學農(nóng)學院/新疆生產(chǎn)建設兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆石河子 832003)

基于植被指數(shù)的棉花冠層光合有效輻射截獲量和葉片凈光合速率估算研究

田春燕，黃春燕，郭曉飛，劉馨月，王登偉

(石河子大學農(nóng)學院/新疆生產(chǎn)建設兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆石河子 832003)

【目的】分析不同水分處理下棉花冠層植被指數(shù)與吸收光合有效輻射截獲量(FAPAR)和葉片凈光合速率(Pn)之間的相關性，并通過植被指數(shù)反演FAPAR和Pn，以實現(xiàn)非接觸、非破壞、快速、實時、大面積監(jiān)測棉花的生長狀況?！痉椒ā坑妹绹鳤SD Fieldspec Pro FR 2500高光譜輻射儀、LI-190SA線性光量子傳感器和LI-6400便攜式光合測試系統(tǒng)，分別測定棉花新陸早33號不同水分處理關鍵生育時期的冠層高光譜數(shù)據(jù)、光合有效輻射(PAR)和葉片凈光合速率。【結果】不同水分處理的棉花新陸早33號冠層FAPAR與Pn均在開花結鈴期達到最大值，在吐絮期達到較低值。建立重歸一化植被指數(shù)(RDVI)、差值植被指數(shù)(DVI)、增強型植被指數(shù)(EVI)、光化學反射植被指數(shù)(PRI)與FAPAR、Pn的函數(shù)模型都達到極顯著性相關。其中EVI與FAPAR，PRI和Pn的相關性最高(rEVI- FAPAR=0.686 3**，RMSE=0.04，rPRI- Pn=0.644 7**，RMSE=3.39，n=20)，利用它們相關性最高的函數(shù)模型方程分別估算FAPAR和Pn，實測值和估測值都達到極顯著(r實測FAPAR-估測FAPAR=0.805 4**，r實測Pn-估測Pn=0.760 9**，n=20)?！窘Y論】可以用高光譜植被指數(shù)無損的提取棉花光合生理參數(shù)信息。

植被指數(shù)；棉花；光合有效輻射截獲量；葉片凈光合速率；估算

0 引 言

【研究意義】光合有效輻射(Photosythetically active radiation, PAR)是指太陽輻射光譜中波長為400～700 nm波段，能被綠色植物葉片吸收并用來進行光合作用的輻射能[1]；吸收光合有效輻射截獲量( Fraction Interception of Absorbed Photosynthetically Active Radiation, FAPAR，亦作FPAR)為吸收性光合有效輻射(APAR) 在光合有效輻射(PAR) 中所占的比重。利用高光譜遙感不僅可以大面積、實時、非破壞性的監(jiān)測農(nóng)作物生長情況，還可以迅速、準確的獲取農(nóng)作物的生長信息和生長環(huán)境，對于提高棉花冠層光能利用具有十分重要的意義?！厩叭搜芯窟M展】辛明月等[2]研究水稻的重歸一化差值植被指數(shù)(RDVI)與APAR的相關性優(yōu)于其它三種植被指數(shù)(比值植被指數(shù)RVI、差值植被指數(shù)DVI、歸一化植被指數(shù)NDVI)；楊飛等[3]研究玉米和大豆發(fā)現(xiàn)RVI 在可見光、近紅外波段估算FPAR 效果較好，玉米和大豆估算模型R2均達到0.8；Changwei Tan等[4]研究認為玉米DVI、RDVI、PRI與FAPAR的相關性均達到極顯著水平；Yang Fei等[5]研究發(fā)現(xiàn)玉米RDVI、PRI在短波紅外和近紅外，可見光和近紅外組合波段與FPAR的相關性均達到極顯著水平；Julie C Zinnert等[6]在兩種不同沿海灌木中研究表明，光化學反射指數(shù)(PRI)和光合作用密切相關；夏天等[7]研究表明DVI、EVI與小麥FAPAR的相關性比較高，可以較好的反映小麥的生長狀況和特征；孫少波等[8]用植被指數(shù)反演毛竹葉片的凈光合速率，其中DVI與Pn的相關性最高；王娣等[9]研究NDVI、RVI在農(nóng)作物、園林植物上與凈光合速率Pn的線性、對數(shù)、指數(shù)相關，均達到顯著水平。【本研究切入點】建立棉花冠層光譜植被指數(shù)與其冠層吸收光合有效輻射截獲量和單葉凈光合速率的相關估算模型，以便實時動態(tài)，非損傷的獲取棉花光能截獲量和光合作用參數(shù)，監(jiān)測棉花的長勢和預測產(chǎn)量?！緮M解決的關鍵問題】研究棉花新陸早33號不同水分處理冠層吸收光合有效輻射截獲量和單葉凈光合速率隨生育期的變化規(guī)律，利用光譜植被指數(shù)估算這兩個參數(shù)，為精準監(jiān)測棉花的光合生產(chǎn)能力提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2015年在新疆石河子大學農(nóng)學院試驗站(44°20′N，88°03′E)進行，種植面積0.13 hm2。供試棉花品種為新陸早33號。采用寬膜寬窄行(30 cm+60 cm+30 cm)種植，一膜四行。試驗設置5個水分處理，3次重復，水分處理設置為嚴重缺水灌溉(1 050 m3/hm2)，缺水灌溉(2 100 m3/hm2)，適量灌溉(4 200 m3/hm2)，充分灌溉(5 300 m3/hm2)和過量灌溉(6 000 m3/hm2)，分別用D1、D2、D3、D4、D5表示，水表控制灌水量；滴灌灌水周期為6～9 d，隨水施肥。4月下旬播種，全生育期化控4次，7月中旬打頂，其余管理同大田。

1.2 方 法

1.2.1 棉花冠層高光譜數(shù)據(jù)測定

在棉花新陸早33號的關鍵生育時期盛花期、開花結鈴期、盛鈴期和吐絮期。均在晴朗、無云、無風的天氣，12:00～14:00選擇具有代表性的、均勻無病蟲危害的樣本點，測量前首先進行參考板(白板)標定，25°視場角，傳感器探頭向下。群體測定時探測器探頭距棉花冠層頂部垂直高度約1 m，每個小區(qū)內(nèi)不同的樣點測試10條曲線，3次重復，設定掃描時間是0.2 s,取3次測量的平均值作為該處理的冠層光譜反射值。

1.2.2 棉花冠層光合有效輻射測定

與棉花冠層高光譜測定的四個生育時期同步，在同樣的天氣條件下，在其樣點區(qū)，于08:00～20:00，每2 h整點測定1次。將190SA線性光量子傳感器垂直于棉花行向水平向上放置，分別測量不同處理冠層上方0.15 m左右、下層寬行和窄行的光合有效輻射，每樣點測3次，取平均值作為該處冠層的光合有效輻射值。

1.2.3 棉花單葉凈光合速率數(shù)據(jù)測定

與高光譜和光合有效輻射測定時期同步，在它們測定的樣本區(qū)，在晴朗的天氣于中午12: 00～14: 00，用LI- 6400便攜式光合測定系統(tǒng)測定棉花新陸早33號不同水分處理的主莖倒4葉(打頂后測主莖倒2葉)的葉片凈光合速率，每次測定3～5株棉花。測試結束將數(shù)據(jù)導出進行處理，取平均值進行數(shù)據(jù)分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 植被指數(shù)的計算

進行重歸一化植被指數(shù)(RDVI)、差值植被指數(shù)(DVI)、增強型植被指數(shù)(EVI)、光化學反射指數(shù)(PRI)計算。表1

1.3.2 光合有效輻射數(shù)據(jù)的計算

根據(jù)1.2.2測定棉花新陸早33號四生育期的冠層上方0.15 m處的光合有效輻射(PARc)，并將冠層下部和下部的寬行、窄行的光合有效輻射平均值作為冠層下部的光合有效輻射(PARg)，根據(jù)公式(5)計算棉花吸收光合有效輻射截獲量(FAPAR)，然后將1 d內(nèi)測得7個時間段的FAPAR平均，作為該時期的FAPAR。

FAPAR=(PARc-PARg)/PARc.

均方根誤差的計算：

2 結果與分析

2.1 不同水分處理下棉花冠層光合有效輻射截獲量和葉片凈光合速率的生育期變化

光能是作物轉化和利用的對象，F(xiàn)APAR指植被葉片在光合有效輻射(400～700 nm)波段有多少太陽光能被吸收的一個度量，表示了植被冠層能量的吸收能力[10]。研究表明，棉花新陸早33號不同水分處理的FAPAR和Pn的關鍵生育期變化。嚴重缺水灌溉D1處理的FAPAR與Pn均顯著低于其它4個水分處理。棉花隨著灌水量的增加冠層FAPAR值從盛花期到開花結鈴期不斷增加，開花結鈴期D1到D5處理的FAPAR值分別為0.79、0.86、0.84、0.91、0.92，5種水分處理的FAPAR均在開花結鈴期達到棉花生育期中的最大值，到盛鈴期呈現(xiàn)下降的趨勢，吐絮期為生育期的較低值。不同水分處理FAPAR由高到低依次為D5>D4>D3>D2>D1，說明水分充足，棉花生長旺盛，其冠層吸收光合有效輻射截獲量高，反之棉花受到水分脅迫，其冠層的光能截獲量就低。

棉花新陸早33號關鍵生育期Pn的變化特征與FAPAR表現(xiàn)出相似的變化趨勢，在開花結鈴期達到最大值，在吐絮期出現(xiàn)最低值，其中D4處理的Pn值最高， D1處理的Pn值最低，說明水分脅迫降低了棉花葉片的凈光合速率。表2

表1 植被指數(shù)計算公式
Table 1 Formulae for vegetation indice

植被指數(shù)ThenameofVegetationindices計算公式VIformulae參考Reference1.差值植被指數(shù)(DVI)DVI=ρNIR-ρRedρNIR和ρRed分別為波段760～850nm、650～670nm范圍的平均反射率Jordan(1969)2.再歸一化植被指數(shù)(RDVI)RDVI=NDVI×DVINDVI=ρNIR-ρRedρNIR+ρRedDVI的計算同1,NDVI的ρNIR和ρRed的定義同1。RoujeanandBreon(1995)Tucker(1979)3.增強型植被指數(shù)(EVI)EVI=2.5ρNIR-ρRedρNIR+6.0ρRed-7.5ρBLUE+1ρNIR、ρRED的定義同1,ρBLUE為350～400nm范圍的平均反射率Hueteetal.(1997)4.光化學反射植被指數(shù)(PRI)PRI=ρ570-ρ531ρ570+ρ531ρ570、ρ531的分別為570、531nm波段的反射率Penuela,1995

表2 棉花新陸早33號不同水分處理的FAPAR和Pn關鍵生育期變化
Table 2 The variation of FAPAR and Pn of cotton No. Xinluzao 33 under different water treatments at the key growth stages

處理Treatment盛花期Fullflowerstage開花結鈴期Floweringandboll-formingstage盛鈴期Fullbollstage吐絮期Bollopiningperiod光合有效輻射截獲量FAPARD10.667Bb0.785Bb0.727Bb0.696BbD20.867Aa0.858Aa0.853Aa0.750AaD30.867Aa0.841ABa0.890Aa0.777AaD40.887Aa0.914Aa0.883Aa0.782AaD50.887Aa0.916Aa0.895Aa0.818Aa葉片凈光合速率PnD115.043Bc21.409Bb12.633Bb11.137BbD218.117ABbc25.600Bb19.960ABab15.102ABabD322.708ABab28.269Aa19.782ABab16.310ABabD426.503ABa31.418Aa24.915Aa23.250AaD526.242Aa30.930Aa23.457Aa17.275ABa

注：小寫字母表示顯著水平0.05，大寫字母表示極顯著水平0.01

Note：Lowercase letters represent significant level 0.05，uppercase letters represent significant level 0.01

2.2 棉花植被指數(shù)與FAPAR、Pn的相關性

光合有效輻射截獲量是重要的生物物理參數(shù)，是描述植被結構以及與之相關的物質與能量交換過程的基本生理變量[11]，是估算植被生物量的理想?yún)?shù)。研究表明，棉花新陸早33號4個植被指數(shù)與FAPAR、Pn的冪指數(shù)和指數(shù)擬合方程的相關系數(shù)均達到極顯著檢驗水平，其中FAPAR與EVI冪指數(shù)函數(shù)相關性最好(r=0.686 3**，RMSE=0.04)，F(xiàn)APAR與植被指數(shù)相關性排列次序為EVI>RDVI>DVI>PRI。PRI與Pn指數(shù)函數(shù)相關性最好(r=-0.644 7**，RMSE=3.391 7)，4個植被指數(shù)與Pn的相關系數(shù)絕對值排列依次為PRI>RDVI>EVI>DVI。分析4個植被指數(shù)與FAPAR和Pn的相關性，表明4個植被指數(shù)與FAPAR的相關性較與Pn的高，通過植被指數(shù)，能夠較好的反映出棉花群體光合生長能力的狀況。表3

表3 棉花新陸早33號植被指數(shù)與FAPAR、Pn的相關性
Table 3 Correlation analysis between vegetation indice andFAPAR,Pnof cotton No. Xinluzao 33

植被指數(shù)VI擬合方程Fittingequation相關系數(shù)Correlationcoefficient均方根誤差RMSE光合有效輻射截獲量FAPARRDVIY=1.0308X0.37130.6775**0.0957DVIY=1.0139X0.1810.6418**0.0289EVIY=1.9316X0.67790.6863**0.0403PRIY=0.8376e-4.9934X0.6342**0.0723葉片凈光合速率PnRDVIY=41.519X1.15180.5999**3.8948DVIY=40.137X0.72030.4324**4.3870EVIY=2.9235e6.768X0.4704**12.2710PRIY=21.311e-15.955X0.6447**3.3917

注：**為0.01 極顯著水平，n=20

Note:**means significant at 0.01 probability level, n=20

2.3 棉花植被指數(shù)對其冠層FAPAR和葉片Pn的估算

基于EVI與FAPAR相關性最高的冪指數(shù)函數(shù)模型，估算FAPAR值，F(xiàn)APAR的實測值與估測值呈極顯著線性相關(r=0.805 4**，n=20)；同時根據(jù)PRI與Pn相關性最高的指數(shù)函數(shù)模型估測Pn，實測Pn與估測Pn相關關系(r=0.760 9**，n=20)呈極顯著的線性相關。植被指數(shù)EVI估測FAPAR與PRI估測的Pn相比較，前者的估測精度較高，這與張超等[12]研究高光譜參量VI2與FAPAR的相關性能更好的預測冬小麥的FAPAR的結論相一致。圖1，圖2

圖1 棉花新陸早33號EVI與FAPAR相關模型估測FAPAR與實測FAPAR的相關性
Fig.1 Relationship between estimatedFAPARbased on the function model ofEVIandFAPARand measuredFAPARof cotton No. Xinluzao 33

圖2 棉花新陸早33號PRI與Pn相關模型估測Pn與實測Pn的相關性
Fig. 2 Relationship between estimatedPnbased on the function model ofPRIandPnand measuredPnof cotton No. Xinluzao 33

3 討 論

光合作用是植物葉片吸收光能和轉換光能的過程，光合有效輻射是反映作物長勢和組成預報產(chǎn)量模型的重要特征參數(shù)，是植物進行光合作用形成初級生物量的重要能源，而凈光合速率Pn是衡量光合作用強弱的重要指標。研究不同水分處理下棉花新陸早33號關鍵生育時期吸收冠層光合有效輻射截獲量FAPAR和葉片凈光合速率Pn的變化特征。表明FAPAR和Pn從盛花期到吐絮期出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這主要是因為盛花期到開花結鈴期是棉花生長最旺盛的時期，棉花植株在水分充分條件下，葉片數(shù)目多，綠葉面積大，葉片光合能力強，群體長勢茂盛，棉花冠層吸收的光合有效輻射能較多，相反棉花受到水分脅迫，冠層FAPAR和葉片Pn降低；從盛鈴末期到吐絮期，棉花植株的生長中心轉移到棉鈴上，葉片開始衰老，光合作用下降，光能利用率也降低，F(xiàn)APAR和Pn同樣出現(xiàn)了下降的趨勢。

目前，將棉花冠層光合有效輻射參數(shù)FAPAR和葉片凈光合速率Pn同時與光譜數(shù)據(jù)建立相關關系的研究較少。研究選用RDVI、DVI、EVI、PRI四個植被指數(shù)分別與棉花冠層FAPAR和葉片Pn建立相關關系。EVI與FAPAR的冪指數(shù)相關性最高(rEVI- FAPAR=0.686 3**，RMSE=0.04，n=20)，這與夏天等[7]研究小麥FAPAR與EVI有較高的相關性的結論相一致；研究棉花PRI與Pn存在著較高的指數(shù)相關性(rPRI-Pn=-0.644 7**，RMSE=3.39，n=20)，與王小平等[14]研究春小麥PRI與Pn的相關性較高的研究結論一致；PRI能反映作物水分脅迫發(fā)生后光合作用的變化情況，PRI與葉片凈光合速率Pn存在最好的相關關系，更進一步證明了Gamon等[13]研究向日葵PRI與凈光合作用有關的研究結果。植被指數(shù)與棉花冠層FAPAR的相關性高于與葉片Pn的相關性，這是因為測定的FAPAR為棉花冠層參數(shù)，而Pn為棉花單葉光合強度。

4 結 論

棉花新陸早33號5個水分處理的冠層吸收光合有效輻射截獲量和葉片凈光合速率Pn在棉花的盛花期到開花結鈴期不斷增加，在開花結鈴期達到最大值，盛鈴期到吐絮期不斷降低。FAPAR和Pn隨著灌水量的增加而增加，但是Pn增加到一定水平以后，會出現(xiàn)降低的趨勢。嚴重缺水灌溉D1處理與其它4個水分處理的FAPAR與Pn，經(jīng)方差分析表明，均存在著極顯著的差異性。RDVI、EVI、DVI、PRI與FAPAR的相關系數(shù)達到0.63以上，與Pn的相關性達到0.43以上。其中RDVI、EVI、DVI與FAPAR和Pn呈極顯著的冪指數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)相關，PRI與FAPAR和Pn都呈極顯著的負指數(shù)函數(shù)相關，可以用植被指數(shù)EVI來反演FAPAR，PRI反演Pn，但前者的估測精度較高。

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Estimation of Cotton Canopy Fractional Interception of Absorbed Photosynthetic Active Radiation and Leaf Net Photosynthetic Rate Based on Hyperspectral Vegetation Index

TIAN Chun-yan, HUANG Chun-yan, GUO Xiao-fei, LIU Xin-yue, WANG Deng-wei

(KeyLaboratoryofOasisEco-agricultureofXinjiangProductionandConstructionCorps,CollegeofAgronomy,ShiheziUniversity,ShiheziXinjiang832003,China)

【Objective】 This project aims to analyze the correlation between vegetation indices and fraction interception of absorbed photosynthetically active radiation (FAPAR), leaf net photosynthetic rate (Pn) of cotton in different water treatments, so that the vegetation indices will be used to retrieveFAPARandPnin order to realize the non-contact, non-destructive, rapid, real-time, large-area monitoring of cotton growth.【Method】Canopy hyperspectral reflectance data, photosynthetically active radiation(PAR) and leaf net photosynthetic rate of cotton Xinluzao No.33 with different irrigation treatments were recorded in field experiments by the ASD Fieldspec Pro FR 2500 spectroradiometer, LI-190SA linear quantum sensor and LI-6400 por
Table photosynthesis system at cotton key growth stages.【Result】The results showed that both of cottonFAPARandPnreached the maximum values at flowering and boll-forming stages and the minimum values at the boll opening period. Their models were all highly significant correlated at 1% level by the renormalized vegetation indices (RDVI), difference vegetation indices (DVI), enhanced vegetation indices (EVI) and photochemical reflectance indices (PRI) and FAPAR, Pn, respectively. The highly correlated ones wereEVIandPRIwithFAPAR,Pn(rEVI- FAPAR=0.686,3，RMSE=0.04,rPRI- Pn=0.644,7，RMSE=3.39), respectively. TheFAPARandPNwere estimated by using the model equation with the highest correlation function, and the measured value and the estimated value of the model were extremely significant(rmeasured-FAPAR-estimated-FAPAR=0.805,4**，rmeasured Pn-estimatedPn=0.760,9**). 【Conclusion】In conclusion, hyperspectral vegetation indices can be used to extract information of photosynthetic physiological parameters of cotton without causing any damage.

vegetation index; cotton; fraction interception of absorbed photosynthetically active radiation; leaf net photosynthetic rate; estimation

WANG Deng-wei(1966-), male, native place: Hengshui, Hebei. Doctor, Professor, Master Instructor; research field: Agricultural Information Technology, (E-mail) wdw37660279@sina.com

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.06.001

2017-02-10

國家自然科學基金項目(31560354)；人力資源和勞動社會保障部留學回國人員科技活動項目(RSLX201303)

田春燕(1992-)，女，新疆人，碩士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)信息化，(E-mail)630177554@qq.com

王登偉(1966-)，男，河北衡水人，博士，教授，碩士生導師，研究方向為農(nóng)業(yè)信息技術，(E-mail)wdw37660279@sina.com

S562

A

1001-4330(2017)06-0981-07

Supported by: National Natural Science Foundation of China(31560354) and Science and Technology Activities Project of Returned Personnel of Ministry of Human Resources and Social Security(RSLX201303)