新疆膜下滴灌棉花光能利用率的高光谱监测及应用研究

Light use efficiency (LUE) is an important variable for characterizing plant eco-physiological functions. Nowadays, Scholars at home and abroad assessed LUE using remote sensing at the leaf, canopy and ecosystem levels and at different time scales, and only a few of cotton. This study observes leaf and canopy data using both instruments, such as spectra-radiometer, gas exchange system and chlorophyll fluorescence spectrometer, and conventional methods in cotton. The contents include: (1) Seasonal patterns of leaf and canopy spectral indices and ecophysiological variables were analyzed under different cultivars, planting density, water and nitrogen application rates. Furthermore, the temporal dynamic of LUE of high-yield field will be revealed. (2) Optimal spectral parameters for estimating LUE of leaf and canopy will be selected to explore the retrieval models. (3) Patterns of spectral indices response to influence factors will be discussed, and methods will be found to reduce such negative effects. (4) The accuracy, reliability and feasibility of LUE models were assessed using ground-based observation so that which can be practiced in field. These results can apply to evaluate cotton productivity and propose reasonable idea of field management, to promote cotton cultivation and breeding of high photosynthetic efficiency, and play an important theoretical and practical role in stabilizing cotton production in Xinjiang.

光能利用率是表征作物生理生态功能的重要变量。目前，国内外学者已经利用遥感技术对叶片、冠层和生态系统的光能利用率进行了监测研究，而棉花光能利用率的遥感反演研究相对较少。本项目以棉花为研究对象，利用高光谱仪、光合仪等仪器和传统观测方法进行数据采集。研究内容包括：（1）分析不同的品种、种植密度、灌水量和施氮量处理条件下棉花叶片和冠层光谱指数和生理生态参数的季节变化规律，揭示高产棉田的光能利用率的变化特征和规律；（2）明确估测棉花光能利用率的最佳光谱参数，建立高光谱反演模型；（3）研究光谱指数对影响因素的响应规律并提出消除其影响的方法；（4）利用地面实证试验对模型进行验证并在大田应用。研究结果为新疆棉田生产力评价和栽培管理措施推荐提供指导信息，能够促进棉花高产高效栽培和育种工作的发展，对稳定新疆棉花生产具有重要的理论和实践意义。

光能利用率是表征作物的生理生态功能和健康状况及评估作物生产力的重要参数，用高光谱遥感技术及时、准确的获取光能利用率信息对高光效群体构建和高光效品种鉴定工作都具有重要的指导意义。本项目以棉花为研究对象，利用高光谱仪、光合仪等仪器和传统观测方法进行数据采集，从叶片和冠层两个尺度对不同的品种、种植密度、灌水量和施氮量处理条件下的棉花LUE及光谱参数进行了研究。通过四年的实施，完成项目计划内容，并得到如下结果：（1）明确了棉花叶片和冠层LUE的日变化特征，棉花叶片和冠层LUE与PRI的日变化规律较一致且密切相关，PRI和NDSI [542,550]可有效监测棉花叶片和冠层LUE的日变化。（2）叶片和冠层LUE与PRI的季节变化规律差异较大，通过波段选择的方法可以改进PRI与LUE季节变化特征的一致性和相关性。（3）对于长期的生长季，明确了监测棉花叶片和冠层光能利用率的最佳光谱参数，叶片尺度选择PRI515和CRI550，冠层尺度选择ARI和PRI532，建立了高光谱反演模型并用独立数据进行了验证。（4）明确了不同产量水平棉田冠层LUE的季节变化特征，结合棉花生长发育规律和栽培专家经验，模型监测结果可为新疆棉田生产力评价和栽培管理措施推荐提供指导信息。