叶片光化学植被指数(PRI)的修正及其敏感性分析

光化学植被指数(PRI)被成功的应用于估算不同叶片生化组分的光能利用率(LUE),这些生化组分包括叶片含水量、氮元素浓度等。以往的研究中已经成功建立了叶片、冠层和景观尺度PRI和LUE的相关关系。但是,为了利用PRI更加准确地估算叶片LUE,很多问题仍然亟需解决,比如当LUE高于0.03 mol CO₂ mol-1 PPFD(photosynthetic photon flux density),PRI会出现一个明显的饱和区域以及PRI和LUE关系会随季节发生较大变化。文章对PRI进行了修正,并基于PROSPECT模型对这一修正形式进行了4个参数的敏感性分析。分析结果表明,叶片SR-PRI(Simple ratio PRI) 对叶肉结构参数(N)、叶绿素浓度(c_ab)敏感性要高于叶片的等效水厚(c_w) 和干物质浓度(c_m)。因此叶肉结构参数(N) 和叶绿素浓度(c_ab)的微小变化都会造成SR-PRI的较大变化,进而影响到LUE的估算精度。对SR-PRI的实证实验表明,这一指数也能够很好地用来估算叶片的光能利用率并且结果要优于PRI和LUE之间的相关关系。SR-PRI最重要的一方面在于其更清晰的物理意义和对531 nm处反射率变化的敏感性,因为这一波段位置的反射率变化是评价光能利用率的核心参数。     

小麦生长过程中光能利用率和光化学反射指数的相关性研究

以不同品种的小麦为材料,同时测量小麦生长过程的光谱反射率和光能利用率,研究了小麦整个生长期内光化学反射指数和光能利用率之间的关系变化,讨论二者之间关系的时间效应.实验结果表明,对小麦的整个生长期,光化学反射指数并不能作为估算光能利用率的一个有效指数.由于叶片叶绿素含量和叶面积指数的影响,在小麦的生长初期和末期,光化学反射指数和光能利用率之间的相关性不高,相关系数R2分别为0.222 4和0.210 6.对于小麦生长力旺盛的阶段,光化学反射指数可以作为估算光能利用率的一个可行方法,能够获得一定准确度的光能利用率,相关系数R2分别为0.612 7、0.641 2和0.601 1.     

基于高光谱反射率的冬小麦生长后期氮素丰度监测研究

生物量、氮素含量和LAI(leaf area index)是生态系统中表征作物长势最重要的参数,叶干重、叶片氮素含量和LAI实时动态监测对小麦氮素营养诊断和管理调控具有重要意义。选用了五个小麦品种和四个氮素水平的比较实验,研究不同处理冬小麦抽穗到黄熟期氮素丰度(NR)与光谱反射率差值(ΔR)的关系,建立冬小麦后期氮素丰度监测模型。结果表明,不同品种的冬小麦冠层叶片氮素丰度随生育进程推进而增加,不同氮素处理氮素丰度大小为N0N3N1N2,光谱参量TCARI和VD672与氮素丰度的相关性最好,相关系数(r)分别为0.870和0.855,其建立氮素丰度估测模型的决定系数分别为0.757和0.731,预测准确率达84.56%和80.13%。光谱参数TCARI和VD672可以有效地评价小麦后期冠层叶片氮素状况,可以对氮素丰度进行准确可靠的监测。     

基于光谱特征的黄土丘陵区白羊草群落养分含量研究

探讨草地群落光谱特征与养分含量的关系,可为采用高光谱技术诊断草地群落营养状况,对推进快速无损检测技术应用于草地施肥管理具有重要意义。以黄土丘陵区典型草地群落,白羊草(Bothriochloa ischaemum)群落为研究对象,设置4个氮添加(0、 25、 50和100 kg N·ha^-1·yr^-1)和4个磷添加(0、 20、 40和80 kg P₂O₅·ha^-1·yr^-1)处理。基于群落冠层光谱和群落氮磷养分含量测定,结合红边区域内一阶导数处理,在植被指数、特征波段和红边参数组成的18个光谱特征参数中,采用逐步回归方法(SWR)筛选出对白羊草群落氮磷含量及氮磷比敏感的光谱特征参数,并建立反演模型对草地群落地上部分全氮含量和地上部分全磷含量及其比值进行估测。结果表明：白羊草群落氮磷含量随施氮量增加而增加,氮磷比随施磷量增加而减少;氮磷添加下光谱反射率在可见光波段与施肥量成反比,近红外波段与施肥量成正比,红边区域内一阶导数的“双峰现象”受氮磷添加影响显著;一...     

氮肥施用量和形态对玉米苗期叶绿素含量的影响

氮肥的施用量和形态对植物的影响很大。实验借助于一种新型光谱仪SPAD-502叶绿素仪,研究了不同氮肥水平和氮肥形态对苗期玉米叶片叶绿素含量的影响。结果表明,每公顷施用0,100和200 kgN时,SPAD值在43.3～43.7之间,差异不显著;每公顷施用400 kgN时最后一片展开叶的叶绿素含量显著高于对照和每公顷施用100和200 kgN的处理,估计可能与肥料中其他成分有关,但原因尚需进一步研究。通过不同形态氮肥试验,表明氨态氮处理的叶片叶绿素含量显著高于硝态氮处理,可能的原因是: (1)氨态氮易于吸收,施用初期效果快;(2)氨态氮中微量元素比较高。     

新型蓝紫光荧光分子N2-烷基-1,2,3-三氮唑的光谱性质

采用对甲苯磺酸催化合成N¹-烷基-1,2,3-三氮唑和N²-烷基-1,2,3-三氮唑。两种产物均有紫外吸收,但只有N²-烷基-1,2,3-三氮唑有荧光。研究了在N²位和C⁴位引入不同取代基后化合物的紫外可见吸收光谱和荧光激发发射光谱。结果表明,N²位是甲苯基或C⁴位是吸电子取代基的荧光强度最高,荧光量子产率高达79%,调节C⁴位取代基可以更好地提升荧光性能（荧光发射波长300~440 nm,Stokes位移49~70 nm）。N²-烷基-1,2,3-三氮唑良好的蓝紫光荧光性能使其具有潜在应用价值。     

应用数码相机进行水稻氮营养诊断

传统的水稻氮营养诊断需要大量的破坏性取样和实验室分析,SPAD叶绿素仪虽然具有较高的精度,但只能测定叶片的很小一部分,需要进行多点的测试,在大面积应用费时费力,时效性和便捷性不足.该文利用田间不同氮水平试验,使用数码相机获取了水稻冠层图像并进行色彩分析,研究了利用可见光遥感技术手段进行水稻冠层的氮营养诊断的可行性,并对表征水稻氮营养状况的可见光光谱诊断指标进行了探索.研究结果表明,数字图像红光值(R)、绿光值(G)和红光标准化值(NRI)与水稻氮营养状况常规诊断指标植株全氮含量、生物量和地上部吸氮量等都旱显著的线性反相关关系,而绿光标准化值则与上述指标呈显著正相关关系.红光标准化值与叶绿素仪SPAD读数相比能更好地表征水稻幼穗期的氮素营养状况,与常规测试指标的相关系数介于0.541～0.780之间.数字图像色彩分析技术具有发展成为新一代作物氮营养诊断手段的潜力.     

模拟增温与氮沉降对蒙药阿给12种必需元素分配的影响

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC,2007)指出,伴随着全球变暖,氮沉降的现象也日益加剧。通过野外控制实验,使用红外辐射器增温(+2℃)和人工添加NH4NO3(+10g N·m-2.a-1),模拟未来气候变暖与氮沉降状态,设计对照(CK)、增温(IR)、施氮(N)、增温施氮(IRN)四种处理,结合ICP-AES法研究气候变暖与氮沉降对传统蒙药材——阿给12种必需元素在生殖(营养)部位中分配的影响。结果表明:增温与施氮处理改变阿给对必需元素的吸收与分配。增温条件下12种元素含量虽有波动,但基本上呈现出负效应大于正效应的趋势。施氮处理明显改善磷、锰的吸收。同时,增温与施氮处理之间的交互作用不显著。生殖枝与营养枝之间,只有氮、钾、钙、镁四种元素表现出显著性差异。     

基于无人机高光谱遥感的冬小麦全氮含量反演

氮素是作物生长发育必需的营养元素之一,作物的全氮含量是表征其氮素状况的主要指标。田块尺度的冬小麦全氮含量空间分布监测可以辅助其精准定量追肥,减少环境污染。无人机高光谱遥感具有分辨率高、时效性高、成本低等优势,可为作物长势信息反演提供重要数据源。XGBoost（extreme gradient boosting）作为一种新兴集成学习算法,运行效率高,泛化能力强,可以有效的应用于构建冬小麦全氮含量遥感反演模型,预测田块尺度冬小麦全氮含量空间分布。以农业部蒙城砂姜黑土生态环境站内拔节期冬小麦为研究对象,开展以下工作: （1）以低空无人机搭载高光谱成像仪获取冬小麦拔节期冠层成像光谱影像,结合地面采样数据,获取126个样点全氮含量数据;（2）分析拔节期冬小麦冠层光谱特征,并根据Person相关系数分析176个波段的光谱反射率与全氮含量之间的相关性;（3）构建基于XGBoost算法的不同土壤肥力条件下拔节期冬小麦全氮含量无人机高光谱反演模型。结果表明: （1）176个波段（400~1 000 nm）的光谱反射率与冬小麦全氮含量之间具有较强的相关性,除了735.5 nm外其他波段光谱反射率与全氮含量之间的相关系数均大于0.5;（2）基于XGBoost算法构建的拔节期冬小麦全氮含量无人机高光谱遥感反演模型具有较高的反演精度（R2=0.76,RMSE=2.68）;（3）基于XGBoost算法的冬小麦全氮含量反演模型可以获取不同土壤肥力条件下田块尺度的全氮含量空间分布图,总体上呈现较为显著的空间差异。该研究可为冬小麦精准定量追肥提供一定的科学依据,也为发展无人机高光谱遥感的精准农业应用提供了参考。     

铵态氮肥和尿素中植物营养元素含量比较分析

应用ICP-MS研究了(NH4)2SO4和CO(NH2)2肥料中植物营养元素的含量,以期为今后的氮肥肥效试验和农业生产提供基础数据.结果表明,(NH4)2SO4和CO(NH2)2肥料中含有多种植物必需元素,包括Mg,P,K,Ca,Mn,Ni,Cu,zn和Mo,含量达到μg·g-1级的有Mg,P,K,Ca,Mn和Fe;含量为ng·g-1级的有Ni,Cu,Zn和Mo,除了Mo以外,(NH4)2SO4中的其他元素的含量均显著高于尿素.(NH4)2SO4和CO(NH2)2肥料中有益元素有Na,Al,Si,Co和Se,其中Al和Co的含量(NH4)2 SO4显著高于CO(NH2)2; Si的含量CO(NH2)2显著高于(NH4)2SO4尿素未检测到Se和Fe.由于上述元素对于植物的生长发育有明显影响,所以在研究不同形态肥料差异和氮肥肥效时,应当全面分析影响因素.建议在做氮肥肥效试验时选择纯度高、杂质元素含量少的单一化合物肥料.     

内蒙古草原植被最大光能利用率取值优化研究

针对目前CASA (carnegie-ames-stanford approach)模型等植被生产力模型植被最大光能利用率的取值未对草原进行区分的问题,以内蒙古草甸草原、典型草原和荒漠草原为研究对象,结合野外实测NPP(net primary productivity)数据和CASA模型的建模思路优化了三大草原类型植被最大光能利用率,并以此为基础模拟分析了其植被光能利用率和NPP时空格局。结果表明,基于99个地面采样点所建立的一元二次方程模拟的草甸草原、典型草原和荒漠草原最大光能利用率分别为0.654,0.553和0.511 gC·MJ-1,平均为0.573 gC·MJ-1。与未对草原类型进行区分而统一取值为0.541 gC·MJ-1的结果相比,实测NPP与模拟NPP之间的决定系数和和均方根误差分别提高了0.024和2.62 gC·(m2·month-1)-1。受水热组合和草原类型的空间格局的影响,内蒙古草原植被光能利用率和NPP总体上由东北向西南逐渐下降趋势,呈明显的单峰季节变化特征。但光能利用率和NPP的最大值出现的月份有所不同,分别出现在8月份和7月份,这可能与植被吸收的光合有效辐射和光能利用率的最高值出现的月份不同有关。光能利用率和NPP平均值按草甸草原>典型草原>荒漠草原的顺序依次降低。     

源嵌入正折射率传输线介质板内的倏逝波和成像特性

 提出了点源嵌入正折射率介质板进行亚波长成像的新方法,分析了位于负折射率媒质里的正折射率介质板内外的电压倏逝波和电压传播波分布。正和负折射率媒质分别由2维未加载传输线和2维加载电感、电容传输线网络组成。微波电路和数值仿真结果都显示由于板内增大的倏逝场,在正折射率介质板的两个界面附近出现了很大的电压幅度,该结果证实了该正折射率介质板透镜能够恢复电压倏逝波,从而提高像的分辨率。     

冬小麦条锈病严重度不同估算方法对比研究

为了提高遥感监测小麦条锈病病害严重度的准确性,寻找小麦病害的较优反演模型,在国家精准农业示范研究基地基于野外定位调查小麦病情指数及冠层光谱数据,利用与小麦病害发生呈显著关系且有效反映植被生理生长状况的7种高光谱植被指数,尝试分别采用PLS(偏最小二乘回归)、BP神经网络和植被指数经验法三种方法建立小麦条锈病病情反演模型,并进行比较分析。结果表明：三种方法病害严重度预测值与实测值间的R2分别为0.936,0.918,0.767。采用偏最小二乘回归方法监测小麦病情指数效果更好,为探寻不同种类植被指数对模型的贡献,尝试用代表植被绿度的NDVI, GNDVI, MSR和代表水分含量的NDWI和MSI植被指数分别作为PLS模型的输入变量,建立病害反演模型。结果表明：小麦条锈病中,叶片叶绿素含量的变化比冠层水含量的变化对病情指数更为敏感,对病害有更好的解释作用。然而,两模型精度都低于七种植被指数全部参与时的预测结果,即输入变量中采用多种植被指数比用单类指数模拟准确度高。     

夏玉米叶片分层氮素营养的高光谱诊断

建立能够快速诊断作物氮素状况的光谱估算模型,对指导有效施肥具有现实意义。应用高光谱技术在夏玉米生育期研究了氮素在上下层叶片的分布规律及其氮素含量与植被指数的关系,并建立了叶片氮含量的估算模型。结果表明：夏玉米四个生育期(拔节期﹑大喇叭口期﹑抽雄期和灌浆期)上层叶氮含量均高于下层叶氮含量,抽雄期的下层叶片对氮素的缺乏反应敏感,生产上在抽雄期可以通过对下层叶片氮含量的监测来指导施肥。构建了三个时期(拔节、大喇叭口和抽雄期)各自最佳的估测叶片氮含量的模型。研究结果为作物氮素营养诊断及合理施肥提供了参考。     

大豆叶片呼吸与植被指数和叶片性状的关系

为研究大豆叶片呼吸与植被指数和叶片性状的关系,设置田间试验,观测不同生长阶段的大豆顶1叶、顶2叶、顶3叶叶片呼吸及呼吸系数,并观测归一化植被指数(NDVI)、差值植被指数(DVI)、比值植被指数(RVI)、增强植被指数(EVI)、光化学植被指数(PRI)、红边叶绿素指数(RECI)6种高光谱植被指数以及叶绿素相对含量(...     

农用地土壤As元素与叶片光谱特征关系研究

重金属污染是土壤环境污染中亟待解决的问题之一,重金属通过土壤向植物富集,危及人体健康,对生态环境产生巨大隐患。传统的土壤污染监测以化学方法为主,不仅费时费力且监测范围有限,而基于植被高光谱技术的土壤重金属监测方法能够快速准确地获取土壤重金属含量,突破植被屏障,提高土壤重金属监测效率。近年来,国内外许多学者致力于使用盆栽实验定量研究土壤污染物对植物光谱特征影响,而野外环境下的实验研究相对缺少,因此建立合适准确的野外土壤重金属预测模型具有重要意义,为改善耕地土壤质量提供参考。以北京市优势经济果树桃树为研究对象,在研究区均匀设置了50个采样点,利用FieldSpec 4便携式地物波谱仪测量桃树叶片光谱数据,同时采集土壤样本带回实验室检测分析获得土壤重金属含量数据。通过分析不同污染下桃树叶片在重金属胁迫下的叶片光谱特征,计算不同土壤重金属与叶片光谱之间的相关关系,确定土壤As元素与光谱反射率相关性更大,因此选择土壤As元素计算其与不同植被指数之间的相关系数,并用合适的植被指数构建土壤As元素预测模型。结果表明：污染区桃叶光谱反射率总体上比背景区的光谱反射率更高,其中760~1 300 nm波长范围内对土壤重金属更加敏感,土壤重金属对叶片红、蓝、黄边位置干扰不明显,对红、蓝、黄边斜率敏感,且均呈正向相关性。光谱反射率与土壤Cr,Cu和Hg元素相关性较弱,与As,Pb和Cd元素在某些波段范围内达到0.1级显著相关,且总体相关曲线趋势相同,相关性大小依次排序为As>Pb>Cd。以相关性更强的土壤As元素与植被指数进行相关分析表明,土壤As元素与PRI1和PRI3均显著相关。使用SPSS数据分析软件以PRI1和PRI3为自变量,土壤As元素为因变量分别进行回归分析,检测结果发现,PRI3的指数预测模型(y=e43.644x-39.386, R2=0.937, RMSE=0.161)效果最好且具有更好的稳定性。     

刚竹毒蛾胁迫下毛竹叶绿素与叶光谱特征的关系及其变化

叶绿素是反映绿色植被健康状态的重要生理参数,虫害胁迫下叶绿素与叶光谱的变化机制较为复杂,深入剖析二者关系对于虫害检测有重要意义。以福建省南平市顺昌县为试验区,测定不同受害情景下毛竹叶叶绿素含量(SPAD)与叶光谱,采用Pearson相关法筛选叶光谱特征指标,建立叶SPAD的多元线性回归、岭回归、随机森林与XGBoost估测模型。通过比较光谱特征指标筛选结果及模型估测效果,分析刚竹毒蛾胁迫下毛竹叶绿素与叶光谱特征的关系及其变化。结果表明：(1)随着虫害程度上升,毛竹叶SPAD呈下降趋势;(2)较之于未受害状态,刚竹毒蛾胁迫下毛竹叶光谱特征发生明显变化,“绿峰”和“红谷”趋于消失,“红边”斜率减小,近红外波长反射率降低;(3)基于全样本拟合叶SPAD的最优光谱特征指标为VOG₂,R₅₁₅/R₅₇₀, CI_red, PRI与NDVI₇₀₅,最佳估测模型为多元线性回归模型(R²=0.753 7, RMSE=3.015 0);(4)基于不同受害程度样本拟合毛竹叶SP...     

尘埃影响下的植被指数修正研究

植被指数是表征植被覆盖,生长状况简单有效的度量参数。本文以城市绿化主要植被大叶黄杨为例,研究叶片滞尘对植被指数的影响,并构建植被指数修正模型对植被指数进行修正优化,提高植被指数的测量精度。研究选取北京城区为研究区,采集20个采样点的200个叶片样本,利用电子分析天平、ASD高光谱辐射仪及Win FOLIA叶面积仪,分别获取叶片尘埃量、光谱信息、叶面积等数据。通过对比分析样本叶片除尘前、后光谱特征及NDVI、NDWI、NDNI、NDII、CAI、PRI植被指数分布特征差异,结合单位滞尘量与光谱数据,构建植被指数修正模型,并对修正模型进行精度检验。结果表明：大叶黄杨叶片在除尘前与除尘后的光谱曲线均表现出典型的植被光谱特征,且蓝边、红边均出现在520和705 nm处,然而在350～700,750～1 350,1 500～1 850,1 900～2 100 nm波段范围内,滞尘对叶片光谱反射率影响显著,同时对植被指数也有较大影响;通过对滞尘量定量的研究分析发现,当尘埃质量增加时, NDVI和PRI植被指数与尘埃量的线性关系变弱,而NDWI,NDII,CAI植被指数与尘埃量依然保持明显的线性关系。修正模型NDVI,NDII,CAI,PRI精度验证决定系数(R2)分别为0.547,0.430,0.653,0.960,RMSE分别为0.035,0.020,0.112,0.009。研究结果表明对以后利用植被指数进行大面积植被反演、评估时,根据滞尘量影响进行修正优化,提高反演精度有一定参考意义。