夏玉米冠层温度变化的时滞效应及其对土壤水分监测的影响

考虑冠层温度变化的时滞效应,可能在一定程度上能够提高土壤含水率的监测精度。该研究以灌浆期的夏玉米为研究对象,利用精密红外温度传感器（SI-411）连续监测I1（田间持水量的85%～100%）、I2（田间持水量的70%～85%）和I3（田间持水量的50%～65%）3个不同水分处理下的冠层温度,并同步获取试验地地面净辐射、大气温度、空气相对湿度等环境因子数据,以及不同水分处理小区0～10、0～20、0～30、0～40、0～60 cm不同深度处土壤含水率数据,利用高斯函数拟合冠层温度及环境因子日变化过程以此确定拟合曲线的峰值时刻,通过峰值时间差确定两者之间的时滞关系,并利用多元线性回归分析确定冠层温度的主要影响因素,最后在考虑冠层温度与主要影响因素之间时滞关系的基础上,分析冠层温度变化的时滞效应对监测土壤含水率的影响。结果表明：不同水分处理下的冠层温度峰值具有较大差异,峰值大小依次为I3、I2、I1;I1、I2、I3水分处理的冠层温度峰值时刻分别滞后净辐射约70、70、100 min,超前大气温度和相对湿度约60、60、30 min;冠层温度变化的主要影响因素为大气温度,其次为地面净辐射,最后为相对湿度;考虑时滞效应的冠气温差与土壤含水率的相关性更高,考虑时滞效应的冠气温差对土壤含水率的监测效果有一定提升。研究可为利用作物生理特性提高土壤水分监测精度提供参考。     

冠层温度—气温差与作物水分亏缺关系的研究

试验研究了冬小麦在不同土壤水分条件下拔节～抽穗期冠层温度－气温差变化规律及其随作物生长发育期的变化状况。结果表明,作物在充分供水条件下冠层温度－气温差变化较平缓;缺水时变化较大。冠层温度－气温差随作物生长发育期的变化趋势为低水分处理高于高水分处理。冠层温度－气温差可较合理反映土壤水分变化状况和作物水分缺程度。     

冠层温度-气温差与作物水分亏缺关系的研究

试验研究了冬小麦在不同土壤水分条件下拔节～抽穗期冠层温度-气温差变化规律及其随作物生长发育期的变化状况。结果表明,作物在充分供水条件下冠层温度-气温差变化较平缓;缺水时变化较大。冠层温度-气温差随作物生长发育期的变化趋势为低水分处理高于高水分处理。冠层温度-气温差可较合理反映土壤水分变化状况和作物水分亏缺程度。     

干旱胁迫下冬小麦产量结构与生长、生理、光谱指标的关系

通过控制生育期水分条件形成不同程度的干旱胁迫,对冬小麦生长、产量及生理指标和冠层高光谱反射率对干旱胁迫的反应进行监测,建立冬小麦减产率与生长、生理及冠层光谱反射率的相关模型。研究结果表明:不同生育期冬小麦干物质积累速度随水分胁迫程度的增大而减小;叶绿素含量与水分条件的关系不同于其他参数,表现为中等水分条件下叶绿素含量最大,严重水分胁迫下叶绿素含量最低;不同水分条件下光合速率呈两种不同日变化特征,且正常供水处理的光合速率明显高于严重干旱处理。光合速率和增强植被指数(EVI)同冬小麦减产率相关性较强,能够建立较好的关系模型用于小麦产量预测。     

棉田土壤水分的高光谱定量遥感模型

在棉花大田水分试验的基础上,采用自主设计的不同土层取样方法,同步获取了棉花冠层高光谱数据和不同深度土壤的水分含量数据以及棉花冠层水分含量数据,分析了棉花冠层含水量与土壤含水量之间的关系、棉花冠层高光谱数据与土壤含水量之间的相关性,构建了基于棉花冠层高光谱数据的土壤水分含量反演模型。结果表明:不同土层的水分含量具有较大差异,棉花冠层对不同土层水分含量的响应程度不同,0~30 cm土层水分含量与棉花冠层含水量的相关性最强,决定系数达到0.58;棉花冠层反射率与土壤水含量在可见光波段呈负相关,近红外波段呈正相关;在所有以棉花冠层高光谱数据的不同变换形式构建的不同土层含水量的PLSR反演模型中,以反射率倒数对数所建的模型对0~30 cm土层和以反射率对数所建模型对0~10 cm土层含水量的预测RPD均达到2.0以上,具有较好的预测能力,其余模型的预测效果不理想。     

夏玉米水分胁迫判别指标的研究

通过定点实验，研究了夏玉米不同水分胁迫条件下叶水势、冠层温度的变化特征，结果表明，土壤水分胁迫使夏玉米的叶水势降低，冠层温度升高，冠气温差增大。通过与良好供水的田块对照表明，叶水势和冠层温度可以作为作物水分胁迫的判别指标。     

基于冠层温度的夏玉米水分胁迫指数模型的试验研究

探讨并建立了适合于中国华北地区夏玉米水分状况监测的作物水分胁迫指数(CWSI)模型。通过不同的田间试验处理和观测，得到了适合夏玉米的CWSI经验模型中的经验关系，且表现明显。该研究建立了不同生育阶段的经验模型，经过初步的检验和分析，认为这一模型是合理的，可以应用于田间的基于冠层温度信息的夏玉米水分状况监测。     

基于三温模型和热红外遥感的不同大豆品种蒸腾特征研究

蒸腾耗水是水循环中重要的水分存在形式之一,是准确量化水分利用效率的关键参数,对研究碳水循环关系及节水农业有重要意义。本研究以大豆品种‘晋21’(J21)和‘Union’(C08)为研究对象,设置两种水分处理[当地经验灌水定额的75%(A0)和37.5%(A1)],基于三温模型(3TModel)和热红外遥感,定量研究不同品种和不同水分胁迫下的大豆蒸腾速率,揭示其时空特征差异,从而为抗旱节水大豆品种筛选提供参考。研究结果表明:1)不同处理下大豆的蒸腾速率日变化趋势与气温、太阳净辐射和冠层温度的基本一致,呈先增加后减小的单峰曲线,且于午间达到峰值,峰值为1.2～2.5mm·h~(-1);各处理的大豆冠层温度和蒸腾速率均呈现出明显的空间异质性。2)J21与C08大豆的冠层温度A0处理分别低于A1处理6.55K和5.91K,蒸腾速率A0处理高于A1处理0.28 mm·h~(-1)和0.29 mm·h~(-1);大豆蒸腾速率与灌水量呈正相关、与冠层温度呈负相关。3)在相同水分胁迫下,大豆冠层温度J21低于C08 1.83～2.47 K,蒸腾速率J21高于C08 0.13～0.14 mm·h~(-1)。本研究与传统方法相比,所需要的参数较少,避开了空气动力学阻抗等难获取的参数,对农田尺度更具有适宜性,更能揭示不同农田环境下作物的蒸腾时空异质性,在农业水分高效利用和节水品种筛选上有十分重要的科学意义。     

大气对流对土壤内热和水分迁移影响的数值模拟

对土壤中热和水分迁移过程进行了数值模拟及实验验证。理论上,通过对土壤内热和水分迁移机理分析,根据质量守恒和能量守恒原理,建立了土壤非饱和区热和水分迁移的理论模型。并对大气对流条件下土壤内热和水分迁移进行了数值模拟。实验上,对大气对流环境条件下土壤内热、水分迁移过程进行了研究。通过数值计算和实验测量,获得了不同大气对流速度作用下土壤中温度、含水率分布。     

夏玉米冠气温差及其影响因素关系探析

测定了夏玉米主要生育期四个不同水分处理的冠层温度、气温、土壤含水率、叶面积指数和株高,分析了冠气温差与土壤含水率、叶面积指数及株高间的关系。结果表明:不同的灌溉水质和灌溉量措施对夏玉米冠气温差有显著的影响;中午12~14时左右H1高度(2/3株高)处的冠气温差较H2高度(H1+50 cm)更能反映作物和土壤的水分特征,可以用此时刻的卫星遥感冠层温度结合地面气象站数据监测作物和土壤的旱情;80~100 cm土层的土壤体积含水率与节水灌溉处理的冠气温差之间存在良好关系(α=0.05),0~80 cm四个土层中以中午20 cm和40 cm处的土壤体积含水率与冠气温差相关关系最好且稳定,可以利用此关系评价作物的缺水状况;充足灌溉下的夏玉米主要生育期的叶面积指数与冠气温差也有显著的相关关系,节水灌溉下二者关系不显著,说明水分充足条件下叶面积指数对冠气温差的影响更大;株高与不同水分处理的冠气温差也有一定的相关关系,冠层2/3高度处二者的相关系数分别为:0.7027(淡水节水处理)、0.4150(淡水充足处理)、0.3683(咸水节水处理)、0.3062(咸水充足处理)。这为区域上遥感反演夏玉米冠气温差进而监测农田蒸散和土壤含水率提供了试验依据。     

不同水肥处理下冬小麦冠层含水率与温度关系的研究

研究了不同水肥处理下冬小麦冠层含水率与冠层温度的关系。结果表明,随灌水量增加,冬小麦冠层含水率呈逐渐增加的趋势,灌水量达一定程度后,冠层含水率反而下降,冠层温度表现出与冠层含水率相反的趋势;冠层含水率与冠层温度呈显著负相关。两品种施氮处理冠层含水率均明显高于不施氮处理。“京冬8号”各施氮处理冠层含水率随施氮量增加呈逐渐降低的趋势,冠层温度则随施氮量增加而上升;其冠层含水率与冠层温度存在显著负相关关系。“中优9507”各施氮处理不具“京冬8号”的规律性,但其冠层含水率与冠层温度也呈负相关。用冠层温度反映冠层含水率具有较高的可靠性。     

喷灌对冬小麦生长环境的调节及其对水分利用效率影响的研究

研究了在不同气候条件下喷灌对近地面空气温湿度和农田蒸发能力（冠层顶部20 cm蒸发皿水面蒸发量）的影响，在干热风天气条件下微量喷水对冠层温度和农田蒸发能力的影响，以及喷灌对冬小麦产量和水分利用效率的影响。试验结果表明，如果4～5月份降水量较少、空气相对湿度较低，则喷灌会明显降低近地面空气日最高温度和日平均温度，增加日平均相对湿度特别是最低相对湿度。喷灌条件下农田蒸发能力明显低于地面灌溉。微量喷水明显降低冠层温度和降低农田蒸发能力。农田蒸发能力变化与喷水量和日最高温度成正比，与日最低相对湿度和风速成反比。喷     

水分亏缺对冬小麦冠层温度影响的研究

采用不同方法模拟冬小麦缺水状况,测定冠层温度日变化过程及不同处理叶面温度变化的结果表明,水分亏缺使冠层温度升高1.5～2.0℃。长期干旱使作物生长不良,冠层温度对土壤水分亏缺敏感程度下降。     

黑河中游绿洲区玉米冠层阻抗的环境响应及模拟

蒸散发(ET)是区域能量平衡以及水量平衡的关键环节,精确估算蒸散发,对于提高水分利用效率以及优化区域用水结构具有重要意义,而冠层阻抗则是准确估算蒸散发的一个重要变量。为了确定冠层阻抗模型区域适用性、解决其参数化问题,本研究基于黑河重大研究计划已有的通量观测数据,以Irmak模型为基础,考虑微气象因子与冠层阻抗之间的关系,增加了大气CO_2浓度对冠层阻抗的影响,构建了未考虑CO_2和考虑CO_2影响的两种Irmak模型,并将其与Penman-Monteith(P-M)模型耦合,利用已有涡度相关数据,分析和检验了两种冠层阻抗模型对环境变量和大气CO_2浓度响应的模拟结果,并对模型参数进行敏感性分析。结果表明:将考虑大气CO_2浓度影响的Irmak模型与Penman-Monteith模型耦合,能够更好地模拟玉米冠层阻抗和蒸散量对外部环境变量的响应过程。在参数率定期该模型所模拟的冠层阻抗和蒸散量与实测值之间的R2分别达0.76和0.95,RMSE分别达33.1 s·m-1和34.5 W·m-2;模型验证期冠层阻抗和蒸散量模拟值与实测值之间的R2分别达0.68和0.90,RMSE分别达63.2 s·m-1和49.0 W·m-2。两个独立验证点结果表明考虑了大气CO_2浓度影响的Irmak模型具有较好的空间可移植性和适应性,模型能够较为准确地模拟玉米在整个生长季半小时时间尺度上的农田耗水过程。敏感性分析表明玉米冠层阻抗及其蒸散量对净辐射和相对湿度变化最为敏感,其次是气温、叶面积指数和大气CO_2浓度。本文所构建的考虑大气CO_2浓度对于玉米冠层阻抗影响的Irmak模型能够较为准确地估算作物蒸散量,并可为种植结构调整、土地利用方式改变以及大气CO_2浓度变化环境下的农田耗水研究提供一定的研究依据。     

无人机热红外图像计算冠层温度特征数诊断棉花水分胁迫

针对当前无人机热红外遥感诊断作物水分胁迫状况精度不高的问题,该文以4种水分处理的花铃期棉花为试验对象,利用六旋翼无人机搭载热红外传感器,连续5 d采集中午13点的棉花冠层高分辨率热红外影像,通过Canny边缘检测算法将热红外图像中的土壤背景有效剔除,应用温度直方图验证剔除效果,然后计算棉花冠层温度特征数,包括冠层温度标准差(standard deviation of canopy temperature,CTSD)和冠层温度变异系数(canopy temperature coefficient of variation,CTCV);分别研究棉花冠层温度特征数与棉花叶片气孔导度Gs、蒸腾速率Tr、水分胁迫指数(crop water stress index,CWSI)和土壤体积含水率(soil volumetric water content,SWC)的相关关系,并分析冠层温度特征数对诊断棉花水分胁迫的适用性。研究结果表明:棉花冠层温度特征数与表征棉花水分胁迫的生理指标和物理指标都具有较高的相关性,最大的决定系数R2为0.884;棉花冠层温度标准差CTSD和变异系数CTCV与Gs、Tr、CWSI、SWC的决定系数R2分别为0.884、0.625、0.673、0.550和0.853、0.583、0.620、0.520,冠层温度标准差CTSD对作物水分胁迫的敏感程度更高,可以作为诊断作物水分胁迫的新指标。该研究提出冠层温度特征数的计算方法仅需要无人机热红外影像数据,相比其他诊断作物水分胁迫状况的温度指标具有较大的应用潜力。     

籼稻品种穗部温度变化的研究——桂朝2号和Lemont枝梗表面温度的日变化初步观察

对耐冷性不同的籼稻品种桂朝2号和Lemont枝梗表面温度研究的初步结果表明,它与气温、冠层叶叶表温度、茎部衰老叶片叶表温度、茎秆表面温度、水温、日照日变化之间均呈极显著正相关。     

分时段修正双源模型在西北干旱区玉米蒸散量模拟中的应用

蒸散发(ET)是陆地水循环过程的重要组成部分,同时也是区域能量平衡以及水量平衡的关键环节,精确估算ET,对于提高水分利用效率以及优化区域用水结构具有重要意义。本文利用黑河重大计划观测数据,对比了考虑CO_2浓度和不考虑CO_2浓度对玉米冠层影响的冠层阻力模型,分别将其耦合到双源的Shuttleworth-Wallace(S-W)模型中,并利用这两种模型分时段对玉米整个生育期内半小时尺度上的ET进行模拟,利用涡度相关实测数据对模型进行验证,最后分别对影响玉米冠层阻力的气象要素和影响ET的阻力参数进行敏感性分析,探寻大气CO_2浓度改变条件下黑河中游绿洲区玉米不同生长阶段的农田耗水规律。结果表明:本文所修正的考虑CO_2浓度对玉米冠层影响的冠层阻力模型耦合到S-W模型后,能够较精准地模拟玉米整个生育期不同生长阶段半小时尺度上农田耗水过程。敏感性分析表明:各生长阶段冠层阻力(r_s~c)和冠层面高度到参考面高度间的空气动力阻力(r_a~a)对ET的影响最为强烈,其他阻力参数对ET的影响不明显,ET的变化程度随着r_s~c和r_a~a的增大而减小。本文所修正的考虑CO_2浓度影响的分时段双源模型能够精准地模拟玉米整个生育期各生长阶段的ET,可为种植结构调整和土地利用方式改变以及CO_2浓度变化环境下的农田蒸散研究提供参考。