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大气CO2浓度升高背景下冬小麦冠层光谱特征和地上生物量估算
黄宏胜, 张馨月, 居辉, 韩雪
作物学报    2024, 50 (4): 991-1003.   DOI: 10.3724/SP.J.1006.2024.31041
摘要   (112 HTML8 PDF(pc) (871KB)(218)  

本研究旨在探究大气CO2浓度升高对冬小麦全生育时期冠层光谱特征的影响, 并基于筛选的敏感波段建立地上生物量(AGB)与光谱参数的定量关系。为此, 在2021—2022年的冬小麦生长季, 利用开放式CO2富集系统(Mini-FACE), 设定大气CO2浓度(ACO2, (420±20) μL L-1)和高CO2浓度(ECO2, (550±20) μL L-1)两个处理水平, 分析了高CO2浓度下光谱特征变化, 基于连续投影算法(SPA)、逐步多元线性回归(SMLR)和偏最小二乘法回归(PLSR)筛选AGB敏感波段并构建估算模型。结果表明: CO2浓度升高使冬小麦拔节期和开花期AGB显著增加。红边和近红边反射率及红边面积在拔节期增加, 在开花期和灌浆期降低, 蓝边、黄边和红边位置在不同生育时期均发生移动; AGB的敏感光谱波段主要分布在红边和近红边区域, CO2浓度升高缩小了AGB敏感波段范围, 但不影响AGB的估算; AGB的SMLR和PLSR模型均取得了较高的估算精度(R2>0.8), 其中SMLR模型中的R799′、Dy、SDy和PRI等特征参数与AGB显著相关, R2为0.866。PLSR模型(R2>0.9)在估算精度和稳定性上优于SMLR模型。本研究可为未来高CO2浓度下冬小麦生长发育的遥感监测提供理论基础和技术方法。


光谱特征参数
Spectral characteristics parameter
CO2 拔节期
Jointing
开花期
Anthesis
灌浆期
Grain filling
AR ACO2 16.17±2.77 16.25±1.68 16.76±1.66
ECO2 18.05±2.41* 15.53±1.24 17.20±1.85
Rg ACO2 5.62±1.06 3.72±0.30 6.53±1.16
ECO2 6.23±1.11 3.82±0.76 7.09±1.85
λg ACO2 552.92±1.67 552.50±0.52 558.08±2.11
ECO2 550.58±2.40 552.58±0.67 558.58±1.88
Db ACO2 0.10±0.02 0.08±0.01 0.09±0.01
ECO2 0.13±0.05* 0.08±0.01 0.09±0.02
λb ACO2 521.92±0.51 521.42±0.51 519.00±0.60
ECO2 522.33±0.78 523.00±0.74* 520.42±0.51*
Dy ACO2 -0.07±0.01 -0.05±0.01 -0.03±0.02
ECO2 -0.07±0.01 -0.05±0.01 -0.02±0.03
λy ACO2 568.33±0.98 568.83±0.39 592.08±2.92*
ECO2 568.25±1.29 568.58±0.67 581.83±1.80
Dr ACO2 0.69±0.16 0.96±0.11 0.59±0.12*
ECO2 0.76±0.16 0.87±0.09 0.46±0.10
λr ACO2 729.25±0.75 734.92±0.67 727.17±0.94
ECO2 728.67±0.65 736.50±0.67* 729.92±0.79*
SDb ACO2 2.14±0.38 1.55±0.21 2.34±0.38
ECO2 2.43±0.46 1.59±0.31 2.44±0.55
SDy ACO2 1.88±0.40 1.63±0.26 0.97±0.35
ECO2 2.02±0.50 1.61±0.22 1.08±0.41
SDr ACO2 29.10±1.44 39.08±1.67* 24.44±1.79*
ECO2 32.68±1.61* 35.90±1.26 22.59±1.95
SDr/SDb ACO2 13.70±2.72 25.30±2.07 10.67±2.68
ECO2 13.63±2.75 23.34±5.03 9.66±2.83
SDr/SDy ACO2 15.49±1.43 24.11±1.92 26.68±4.75
ECO2 16.55±2.18 22.66±3.49 23.39±8.22
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表3 不同CO2浓度下冬小麦光谱特征参数表
正文中引用本图/表的段落
对光谱参数进行方差分析发现(表3), 在不同的生育期CO2浓度升高对光谱特征参数影响不同。在拔节期CO2浓度升高使得红边反射率平均值、蓝边幅值和红边面积显著增加; 在开花期CO2浓度升高使得红边面积显著降低, 蓝边位置发生“红移”, 红边位置发生“红移”; 在灌浆期CO2浓度升高使得红边面积显著降低, 蓝边位置发生“红移”, 黄边位置发生“蓝移”, 红边位置发生“红移”。
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