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光合有效辐射(PAR,Photosynthetically Active Radiation)是植物进行光合作用的能量来源,制约着植物体内物质与能量的合成过程,影响植物的生长、发育、产量和质量。吸收光合有效辐射分量(FPAR,Fraction of Photosynthetically Active Radiation)是植被吸收的光合有效辐射占入射太阳辐射的比例。它反映了植被冠层对能量的利用率和吸收能力,是遥感估算地面陆地生态系统的基本生理变量。建立冠层内FPAR的垂直分布及其与冠层结构、入射角度与环境参数等之间的定量关系,有助于定量解析冠层内能量利用情况,为遥感定量反演冠层FPAR提供基础模型,在农业生产和农田生态系统研究中也具有重要的指导意义。
本研究针对作物不同株型不同生育期的冠层结构参数分布特点,围绕不同株型冠层结构参数、入射光照条件对PAR的影响,模拟了不同株型、不同生育期冠层内FPAR垂直分布,主要研究工作和结果如下:
1.利用田间实测作物株型数据,提出用两条抛物线函数拟合作物叶形的方法。可以根据高度间隔的边界与叶片的相交关系,计算作物群体任意高度间隔内的叶面积、叶倾角分布以及平均叶倾角。以小麦为主要研究对象,对不同生育期不同株型的冬小麦叶面积垂直分布、叶倾角垂直分布进行了计算,分析了冬小麦冠层叶面积,叶倾角分布垂直分布特征。
2.分析评价了田间测量叶面积指数(LAI)的三种常用方法:比叶重法、照相法、SUNSCAN测量法。从测量难易程度、误差来源、适宜条件等方面对这几种测量方式的差异做了初步的分析与评价。照相法对样本的测量相比来说是最为精确,且较为方便,在作物整个生育期都可采用。从操作难易程度上看,比叶重法虽在整个生育期都可采用,但过程复杂且耗时较长。SUNSCAN测量方便,但测量精度较低。根据SUNSCAN的测量LAI的原理,提出了一种SUNSCAN测量小麦LAI的参数修正方法,可提高测量精度。
3.分析了作物不同模型模拟情况下的冠层内光合有效辐射垂直分布规律。针对封垄前后的冠层结构差异,分别用垄行结构(箱式)模型和均匀冠层模型分别进行模拟,分析作物冠层内光合有效辐射垂直分布规律。利用箱式模型进行封垄前模拟,得出冠层内光透过率受光有效路径的影响,在冠层内沿光路径呈指数递减；直射光透过率及散射光透过率在冠层内的分布趋势一致；透过率的分布大小还受太阳高度角与垄行结构间距的相对关系的影响,出现褶皱现象。
4.基于均匀冠层的辐射传输原理,在SHAW(Simultaneous Heat and Water)模型的基础上,建立了封垄后冠层内FPAR的垂直分布计算模型。建立的模型用实测小麦和玉米数据进行了FPAR垂直分布的验证,结果表明用本模型进行封垄后冠层内光合有效辐射垂直分布模拟是可行的。并就植被组分光学特性、株型、太阳高度角以及天空散射光比例等参数对FPAR垂直分布结果的影响进行了定量分析。