基于冠层反射光谱的夏玉米叶片色素含量估算模型研究

通过分析不同施氮水平下夏玉米叶片色素含量与冠层光谱反射率及其衍生的比值植被指数(RVI)、归一化植被指数(NDVI)、正交植被指数(MTVI2、MCARI2、SAVI、MSAVI)以及叶绿素吸收比值指数(CARI)之间的关系,建立夏玉米叶片叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、叶绿素a+b(Chl a+b)和类胡萝卜素(Car)含量估算模型。结果表明:NDVI与夏玉米叶片色素含量的相关性最好,RVI、RVI、CARI位居其次。通过逐步回归分析确立的夏玉米叶片Chla、Chlb、Chl a+b及Car含量的估算模型R2分别为0.790 8、0.832 4、0.808 8和0.761 7,说明利用冠层NDVI可以对夏玉米叶片Chla、Chlb、Chl a+b和Car含量进行可靠的监测。     

玉米叶片高光谱反射率、吸收率与色素含量的关系比较分析

分析测定了大田试验条件下11个玉米品种的3个氮肥处理、2个密度处理和6个生育期的150张叶片在350～2500nm波段的反射率和吸收率及其叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量。玉米叶片在叶绿素吸收波段的最大吸收波长位于665nm附近,665nm处叶片的吸收率与反射率间呈高度负相关(R2=-0.7533,n=150),而吸收率较高(>92%)的叶片的相关性明显强于吸收率较低的叶片。基于近红外波段和叶绿素吸收波段(红波段)或叶绿素反射波段(绿波段)构建的8个高光谱参量只有以反射率为基础计算时才与色素含量间存在相关性。mSR705和mND705无论以反射率还是以吸收率为基础计算,均表现出与色素含量间的强相关关系,而以吸收率为基础计算的mSR705和mND705与色素含量间的相关性又稍强于以反射率为基础计算的mSR705和mND705。本研究结果暗示叶片的表面反射是干扰叶片光谱(尤其是吸收光谱)对色素浓度变化响应的主要因子。     

反射光谱法估计小麦叶片表皮蜡质含量的初步研究

为了探讨利用冠层反射光谱技术估计小麦叶片表皮蜡质含量的可行性,以小麦高叶片表皮蜡质含量材料2912与低叶片表皮蜡质含量品种普冰201和晋麦47及其杂交构建的F2:3株系为材料,通过氯仿提取称重法测定了小麦抽穗期的旗叶表皮蜡质含量,并采用FieldSpec 3测定了冠层反射光谱,分析小麦冠层反射光谱与叶片表皮蜡质含量之间的关系。结果表明,三个亲本以及株系间蜡质含量差异显著。高蜡质材料的可见光波段反射率整体高于低蜡质材料,短波长波段光谱反射率与叶片表皮蜡质含量相关性较高。以550和675nm波长的反射光谱为基础的单波/差值指数[R550/(R550-R675)]能较好地反映小麦叶片蜡质含量,两F2:3群体拟合模型的r2值分别为0.761和0.679,回归方程分别为y=0.07x-0.575和y=0.088x-1.481。     

不同土壤质地小麦叶片叶绿素的高光谱响应及估测模型

为给小麦生长过程中叶绿素的实时监测和氮肥调控提供参考,设置3种不同土壤质地(沙土、壤土和粘土)、5种不同施氮水平(0、120、225、330和435kg·hm-2)和3个河南省主栽小麦品种(矮抗58、周麦22和郑麦366),同步测定小麦主要生育时期冠层光谱反射率和叶绿素(Chla+b)含量,系统分析了3种土壤质地条件下小麦Chla+b含量与350~1 050nm波段范围内冠层光谱参数的相关关系。结果表明,3种土壤质地下小麦叶绿素的冠层光谱响应趋势基本一致。光谱指数REPIG和mND705对叶片Chla+b含量的监测效果较好,建模决定系数分别为0.76和0.75。利用独立样本数据对用于建模的此二光谱参数进行检验,其预测效果表现较为稳定,预测决定系数分别为0.87和0.85,均方根偏差分别为0.46和0.48。说明利用光谱指数REPIG和mND705为自变量建立的估测模型可以较好地预测当地生产条件下小麦叶片叶绿素,同时为氮肥施用及调控提供技术依据。     

根腐病胁迫对大豆光谱特征和叶绿素荧光特性的影响

为探讨根腐病胁迫下光谱特征指数和叶绿素荧光参数与光合色素的相关性,以大豆植株为研究对象,分析了不同程度根腐病胁迫下大豆叶片光合色素、叶绿素荧光特性以及冠层光谱特征的差异性。结果表明:随大豆根腐病病情的加重叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素、类胡萝卜素以及叶绿素/类胡萝卜素降低。同时,光系统II最大光化学效率、光系统II光化学效率、非光化学淬灭系数以及PSII的量子产额等荧光参数显著低于正常植株。光谱反射率在近红外区域(700～1 000 nm)随病害程度的加重而降低,归一化深度变浅。通过对原始光谱进行微分变换,病害植株红边幅值降低,红边位置出现蓝移现象。除绿峰位置、幅值以及修正叶绿素吸收反射率指数外,红边幅值、红边位置、结构不敏感色素指数、光化学植被指数、简单植被指数、归一化差异指数、修正归一化差异指数、绿度指数以及荧光参数与根腐病胁迫下叶片光合色素相关性均达到显著水平。因此,选择适宜的光谱特征指数和叶绿素荧光参数,借助光合色素变化,可为利用高光谱遥感技术和荧光成像技术对大豆根腐病危害诊断提供理论支持。     

有机肥化肥配施的双季晚稻群体冠层光谱特征研究

以不同施肥模式为基础,分析了晚稻群体冠层光谱反射率、一阶微分光谱和归一化光谱特征,并对叶片氮含量、氮积累量、产量、叶面积指数和叶干物质积累进行了相关性分析,构建了以高光谱特征参数为自变量的水稻氮素营养诊断模型。结果表明,叶片氮素含量与665 nm处冠层光谱反射率呈极显著相关性(p0.001),与554 nm和672 nm处的一阶微分光谱也呈极显著相关性(p0.001);以λr构建的指数函数y=684.91e0.028x,决定系数(R2)为0.90、(SDr-SDb)/(SDr+SDb)构建的指数函数y=0.66e0.11x,决定系数(R2)为0.88,均能很好地诊断在有机肥和无机肥配施模式下的水稻氮素营养。     

花生冠层APAR和FAPAR高光谱遥感估测模型研究

为了快速、无损监测花生生长发育，建立整个生育期内花生冠层吸收性光合有效辐射（APAR）和光合有 效辐射吸收系数（FAPAR）的高光谱遥感估测模型，本试验利用高光谱遥感技术，测定沈阳地区5种不同生态类型的 花生冠层光谱数据，同期获取APAR、FAPAR；并对原始光谱数据进行logρ、1/ρ、ρ′变换，构建6种植被指数，分别与 APAR和FAPAR进行Pearson相关分析，并建立估测模型，对模型进行检验与评价。研究结果表明：4种变换形式的 光谱数据中最优波段与APAR 和FAPAR 均达极显著相关（r≥0.3969，P<0.01），以ρ′在759nm 波段处与APAR（r= 0.7574）和FAPAR（r=0.6276）的相关性最好，ρ′759nm处的高光谱参数与APAR、FAPAR建立的估测方程y = 797.3846 e271.4883x（R=0.5512，P<0.01；RE=0.1213）和y =0.756e85.21x（R=0.4204，P<0.01，RE=0.0788）拟合系数最高、预测精度较 好，估测效果很好。比值植被指数（RVI）、差值植被指数（DVI）、归一化植被指数（NDVI）、复归一化差值植被指数 （RDVI）、垂直植被指数（PVI）和修改土壤调整植被指数（MSAVI）这6种植被指数的最优波段与APAR的相关性优 于与FAPAR的相关性，MSAVI[723,761]与APAR所建立的对数函数y = 1554ln（x）+ 1631（R=0.7566，P<0.01；RE= 0.0870）和RDVI[731,764]与FAPAR建立的多项式函数y = 1.027x2 + 0.713x + 0.729（R=0.6194，P<0.01；RE=0.0699） 的模拟值和实测值均达到了极显著、预测精度较高，MSAVI对APAR和RDVI对FAPAR估测效果很好。一阶微分光 谱和植被指数可以较好地估测花生冠层APAR和FAPAR。     

不同硫肥用量对烤烟光合作用和产量的影响

采用盆栽试验研究了不同硫肥用量对烤烟光合作用和产量的影响。结果表明,当硫肥用量为0.12 g.kg-1时,烤烟叶片的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量、类胡萝卜素的含量最高,分别为1.62、0.82、2.44、0.33 mg.g-1;不同硫肥用量对烤烟叶片的叶绿素a/b值影响不大;上、中、下部叶片的净光合速率也以硫肥用量为0.12 g.kg-1时最高。硫肥用量为0.12和0.18 g.kg-1时,烤烟的总生物量、根量、茎量和叶量均较高。     

基于优化光谱指数的新疆春小麦冠层叶绿素含量估算

为筛选可用于干旱半干旱区春小麦冠层叶绿素含量估算的高光谱植被指数,2017年通过测定春小麦关键生育时期冠层的田间高光谱与叶绿素含量,利用光谱指数波段优化算法分别计算400～1 300 nm光谱波段中不同波段两两组合的比值光谱指数(ration spectral index,RSI)、归一化光谱指数(normalized difference spectral index,NDSI)、叶绿素指数(chlorophyll index,CI)、简化光谱指数(CI/NDSI,NPDI),并将这些参数及其他17个不同高光谱植被指数分别与实测冠层叶绿素含量进行Pearson相关分析,通过变量重要性准则筛选最优光谱参数,使用偏最小二乘回归法建立冠层叶绿素含量的预测模型。结果表明:(1)RSIs、NDSIs、CIs和NPDIs与冠层叶绿素含量的相关性都优于前人研究中定义的17种高光谱植被指数,并且冠层叶绿素含量与NDSI(R_(849),R_(850))、RSI(R_(849),R_(850)),CI(R_(849),R_(850))和NPDI(R_(849),R_(850))表现出强相关性。(2)用此4个优化光谱指数分别建模时,以CI(R_(849),R_(850))、 CI(R_(539),R_(553))、 CI(R_(540),R_(553))、 CI(R_(536),R_(553))为自变量的X-3模型预测精度最高(r~2=0.74,RMSE=0.272 mg·g~(-1))。(3)结合4个优化光谱指数构建的组合模型预测精度,其r~2=0.83,RMSE=0.187 mg·g~(-1)。     

光谱仪与SPAD测定马铃薯叶绿素含量的比较

通过Unispec-SC光谱仪和SPAD-502叶绿素计两种方法测定马铃薯叶片叶绿素相对含量的比较,结果表明:马铃薯在310～730 nm波段选取510 nm、650 nm和680 nm 3个波段的光谱反射率,在730～1130 nm波段,选取820 nm和940 nm 2个波段的光谱反应率,它们与叶绿素含量的相关性呈显著水平。在940 nm和510 nm组合的波段计算的植被指数与叶绿素相关性最好,并且以NDVI的相关系数最高,r=-0.9546,达到了极显著水平。Unispec-SC光谱仪比SPAD-502叶绿素计预测结果更为准确。     

小麦叠加叶片的叶绿素含量光谱反演研究

为了给田间冠层水平叶绿素含量高光谱反演研究提供参考,研究了小麦单层及叠加叶片不同波长光谱反射率及几种常用植被指数对叶绿素含量的响应特征。结果表明,可见光波段的绿光到红光波段范围内叶片光谱反射率与叶绿素含量存在良好的相关关系,其中在绿光反射峰550 nm附近和红边区域的705 nm附近反射率都可以用来预测叶绿素含量。红谷吸收表现为随叶绿素含量提高而蓝移的特征。常用植被指数NDVI在本研究中对小麦叶片的叶绿素含量的监测效果并不理想。SR705虽然与单层叶片叶绿素含量相关性较好,但是对叠加多层叶片的叶绿素含量反演效果不好。光谱参数中TCARI对单层叶片和不同叠加层数的叶片均有最好的预测能力,因此可以利用TCARI监测小麦叶绿素含量,进而用于评价其光合特性。     

氮素形态对油麦菜幼苗光合作用及其荧光特性的影响

采用水培技术,以两叶一心的油麦菜幼苗为材料,研究铵态氮和硝态氮不同配比对油麦菜幼苗叶片光合色素含量、光合作用和叶绿素荧光参数的影响。结果表明:(1)不同氮素处理对油麦菜幼苗叶片中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝素的含量均产生显著影响,当NO_3~-∶NH_4~+=7∶3时叶绿素a、叶绿素b和类胡萝素的含量明显增加,显著高于其他处理。(2)各处理下油麦菜幼苗的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率随处理时间的增长呈上升趋势,而胞间CO_2浓度则呈下降趋势,当NO_3~-∶NH_4~+=7∶3时净光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著高于其他处理,而胞间CO_2浓度则显著低于其他处理。(3)油麦菜幼苗叶片荧光特性呈现出较大差异,当硝态氮与铵态氮的配比为7∶3时,油麦菜幼苗叶片PSⅡ的Fv/Fm和Fv/F0最高;由相关性分析可知,Fv/Fm、Fv/F0与叶绿素a和类胡萝卜素的相关性高于叶绿素b;Fv/Fm和Fv/F0三元回归模型的决定系数均在0.9以上,准确反映出油麦菜幼苗叶片叶绿素荧光动力学参数与光合色素之间的关系。     

基于光谱指数的冬小麦冠层叶绿素含量估算模型研究

为探索对冬小麦冠层叶绿素含量反应敏感的高光谱波段组合,同时比较不同光谱指数对小麦冠层叶绿素含量的估测效果,通过分析350~2 500nm波段范围内原始光谱反射率及其一阶导数光谱的任意两两波段交叉组合而成的主要高光谱指数与冬小麦冠层叶片叶绿素含量的定量关系,建立冬小麦冠层叶绿素含量估算模型。结果表明,选用归一化光谱指数(NDSI)、比值光谱指数(RSI)、差值光谱指数(DSI)和土壤调节光谱指数(SASI)建立的冬小麦冠层叶绿素含量监测模型决定系数均大于0.71,标准误差均小于1.842。利用独立试验资料进行检验,表现最好的是RSI(FD_(689),FD_(609))和SASI(R_(491),R_(666))L=0.01,预测精度高达98.2%,模型精确度和可靠性较高。     

不同品种茶树叶片功能性状及光合特性的比较

以18个茶树品种(系)为研究对象,测量了茶树叶片的叶面积、叶形指数、比叶面积、干物质含量、叶绿素a、叶绿素b及其比值、叶绿素总量、类胡萝卜素及光合特性,并分析了叶片功能性状和光合特性之间的相关性。结果表明,茶树叶片叶形指数、干物质含量、气孔导度的变异系数低于10%,其余11项指标的变异系数为15.08%~43.22%,表现出较高的多样性水平;比叶面积与干物质含量之间存在显著负相关,叶形指数和叶面积与其他叶片功能指标均无显著相关;干物质含量与光合色素之间存在显著相关,叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a/叶绿素b、叶绿素总量和类胡萝卜素两两之间存在极显著相关性;净光合速率、气孔导度、蒸腾速率两两之间存在极显著正相关,且气孔导度与胞间CO_2浓度呈显著正相关,茶叶光合速率主要受气孔限制的影响;净光合速率与干物质含量之间存在显著正相关,净光合速率、蒸腾速率与光合色素含量之间存在显著或极显著正相关,说明光合色素含量高的品种具有更强的光合能力和干物质积累能力;气孔导度、水分利用效率与叶片功能性状之间相关性不显著。14号茶树品种比叶面积相对较低,同时具有较高的干物质含量、净光合速率和水分利用效率,属于抗旱性较强、光合速率和水分利用效率高的品种,可作为抗旱性强、高光效的茶树品种进一步选育和应用。     

基于主成分分析和随机森林回归的冬小麦冠层叶绿素含量估算

为提高冬小麦冠层光谱对叶绿素含量的估算精度,以陕西省乾县冬小麦为研究对象,利用SVC-1024i光谱仪和SPAD-502型叶绿素仪实测了冬小麦冠层反射率和叶绿素含量,分析了一阶导数光谱、10种特征参数和9种植被指数与叶绿素含量的相关性,并利用主成分分析(PCA)对叶绿素敏感的可见光波段(390～780 nm)一阶导数光谱进行降维,将特征值大于1的主分量结合特征参数和植被指数形成不同的输入变量,用偏最小二乘回归和随机森林回归构建冬小麦冠层叶绿素估算模型,并利用独立样本对模型进行验证。结果表明,小麦冠层叶绿素含量与一阶导数光谱在751 nm处的相关性最高(r=0.71),特征参数中红边蓝边归一化(SDr-SDb)/(SDr+SDb)与叶绿素含量的相关性最高(r=0.66),植被指数(VI)中修正归一化差异指数(mND705)相关性最高(r=0.74)。在输入变量相同的情况下,基于随机森林(RF)回归的预测模型均优于偏最小二乘回归(PLSR)模型,其中PCA-VI-RF模型的各精度指标均达到最优(r²=0.94,RMSE=1.05,RPD=3.70),是冬小麦冠层叶绿素...     

光谱诊断马铃薯叶片氮素敏感波段的研究

利用Unispec-SC光谱仪测定马铃薯叶片光谱反射率,寻找马铃薯叶片氮含量的敏感波段并计算相应的植被指数。结果表明:在可见光波段范围内,550 nm和580 nm 2个波段的光谱反射率与氮含量的相关性较好;在近红外区域,820 nm、900 nm和1 005 nm 3个波段与氮含量的相关性达到了显著水平。利用上述波段计算植被指数,在1 005 nm和580 nm组合的波段,植被指数与氮含量相关性最好并且以DVI的相关系数最高,r=-0.8994,达到了显著水平。     

马铃薯可溶性蛋白、叶绿素及ATP含量变化与品种抗旱性关系的研究

对水分胁迫下马铃薯叶片部分物质和能量代谢指标的研究结果表明,在水分胁迫下叶片中可溶性蛋白含量明显增加;叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量及叶绿素a/b比值与对照相比均有所下降;ATP含量有增有减,但品种抗旱性愈强,ATP含量愈高。叶片中可溶性蛋白含量、叶绿素a/b比值、ATP含量占对照百分率与品种抗旱性之间的相关系数r分别为+0.8750、-0.8509、+0.7945,P<0.01。因此,这些指标可用于马铃薯不同品种抗旱性的评定。     

基于多光谱图像的水稻叶片叶绿素和籽粒氮素含量检测研究

先利用常规技术分析了水稻的叶片叶绿素和籽粒氮素含量,然后用包含绿(G)、红(R)和近红外(NIR)三波段通道的电荷耦合器件(CCD)成像技术对水稻叶片和籽粒进行了无损检测。试验结果显示,水稻叶片叶绿素a、叶绿素b分别与G、NIR通道图像灰度呈极显著线性相关,叶绿素(a+b)含量则与上述两通道图像灰度呈显著线性相关;而且,水稻籽粒氮素含量与G、NIR通道、归一化植被指数(NDVI)灰度呈显著线性相关。由此建立了水稻叶片叶绿素和籽粒氮素含量的多光谱图像预测模型,并分别用21个样本对模型进行检验,其中线性显著相关的7个模型的相对误差RE(%)介于9.36%~157%,实现了对水稻叶片叶绿素和籽粒氮素含量的快速、准确、非破坏性检测。     

砒砂岩与沙复配土壤的物理性状和相关光谱特性

为研究砒砂岩与沙以不同比例混合复配成土0~30cm土层土壤质地、贮水量及相关光谱特性的差异,于2010-2013年在陕西富平设置了砒砂岩与沙混合比例分别为1∶1(C1)、1∶2(C2)、1∶5(C3)和黄土与沙混合比例为1∶2(CK)的4种复配土模式,测定和分析了复配"土壤"的质地、贮水量、土壤光谱和在其上栽培的冬小麦光谱差异。结果表明,(1)随着种植年限的增加,C1、C2和C3复配土壤0~30cm土层均呈现砂粒含量减少、粉粒含量增加趋势;CK处理则粘粒减少、砂粒增加。三个种植季后,C2复配土0~30cm土层中的砂粒、粉粒和粘粒平均含量分别为76.69%、18.72%和4.70%。(2)各处理在三个种植季间,0~60cm土层贮水量差异明显,随着混合沙比例的增加呈先增加后减少趋势,C2复配土0~60cm土层中,3年平均贮水量较CK、C1和C3复配土分别高21.34%、11.59%和3.91%。(3)2013年,各处理冬小麦在拔节期和灌浆期的全波段(350~2 500)反射光谱曲线特征相似,且拔节期冠层反射率明显高于灌浆期;在绿光波段550nm左右形成反射峰;在冬小麦拔节期,C2处理下小麦叶片冠层反射率最高。(4)2013年小麦收获后各复配土光谱曲线特征一致,在350~1 750nm波段土壤相对反射率呈增加趋势,且随混合沙的比例增加而增加;CK、C1、C2和C3的光谱反射率(y)与波长(x)呈现良好的对数关系,其方程分别为:y=0.187ln(x)-0.979,y=0.159ln(x)-0.801,y=0.177ln(x)-0.911,y=0.185ln(x)-0.945。综合考虑各复配土的物理性状及其相关光谱指标,C2处理是砒砂岩与沙复配成土的最佳比例。     

开放式空气中CO_2浓度和温度增高对水稻叶片叶绿素含量和SPAD值的动态影响

【目的】针对不断增高的大气二氧化碳(CO_2)浓度和温度,研究这两个重要环境因子及其互作对大田生长水稻叶片叶绿素含量和SPAD值的动态影响。【方法】利用农田T-FACE(Temperature-Free Air CO_2 Enrichment)系统,以高产优质粳稻武运粳23为供试材料,设置两个CO_2浓度(环境CO_2浓度和高CO_2浓度)和两个温度处理(环境温度和高温),测定自然生长环境下水稻不同生育期叶片的叶绿素含量及SPAD值。【结果】550μmol/mol CO_2浓度使水稻移栽后41、77、94 d叶绿素a,b和a+b含量均增加(最大增幅为6.4%),但移栽110、119 d后均减少(最大降幅为5.4%)。由于叶绿素b含量对CO_2较叶绿素a含量更敏感,故高CO_2浓度使移栽后41、77和94 d叶绿素a/b值均下降,降幅分别为4.7%、2.3%和0.9%,但移栽110和119 d后分别增加1.9%和5.3%;以上对CO_2的响应多达显著水平。对叶片SPAD值而言,高CO_2浓度对水稻生长前、中期的影响较小,但移栽110和119 d后分别下降3.5%(P=0.1)和19.1%(P0.01)。大田生长期增温1℃,各期叶绿素a、b以及a+b含量多呈增加趋势,叶绿素a/b值表现相反,但总体上变幅小于CO_2效应;高温对水稻前、中期叶片SPAD的影响较小,但移栽110和119d后SPAD值平均下降7.1%和14.8%,均达极显著水平。CO_2与温度处理对上述测定参数多无显著互作效应,但CO_2浓度、温度处理与生育期之间多存在明显的互作效应。【结论】大气CO_2浓度增高有利于水稻生长前中期叶片叶绿素的形成,但生长后期叶绿素含量和SPAD值均明显下降且伴随叶绿素a/b值的显著升高,这种早衰现象在不同生长温度下趋势一致。