一种面向不同水土环境下作物蒸腾升尺度测量和评估方法技术

本发明专利技术提供了一种面向不同水土环境下作物蒸腾升尺度测量和评估方法，包括：利用便携式叶面积仪扫描观测植株所有叶片的面积；利用便携式气孔计测量测量植株冠层内部不同层位叶片蒸腾速率的日内变化；安装植物茎流计系统对观测植株的蒸腾速率进行定点连续测量；采用不同方法将叶片蒸腾速率升尺度得到整个植株的蒸腾；将升尺度结果与茎流计观测的植株蒸腾进行对比，评估不同升尺度方法的精度，确定适于观测植株的最佳升尺度方法。本发明专利技术揭示不同部位叶片气孔导度的变化，可用于量化评估各种下垫面条件下的作物蒸腾，避免了以往经验性升尺度方法的不确定性和定点观测的限制，对研究作物在不同水土环境条件下的气孔响应和蒸腾损失提供了重要技术支撑。损失提供了重要技术支撑。损失提供了重要技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种面向不同水土环境下作物蒸腾升尺度测量和评估方法


[0001]本专利技术属于植被生理和植株与大气间水汽通量交换观测
，特别涉及一种面向不同水土环境下作物蒸腾升尺度测量和评估方法。

技术介绍

[0002]农田作物蒸腾对变化环境的响应强烈，呈现明显的季节和日内波动；一方面面与太阳辐射和温度等气象因素紧密相关，同时也受到作物生长和水土条件的影响。开展不同尺度植株蒸腾的观测为揭示作物生理活动和耗水量提供了重要手段，对气候变化和水资源短缺背景下农业水资源高效利用、干旱应对以及农业生产均具有重要意义。
[0003]作物蒸腾作为蒸散发的主要组成部分，准确测量和评估作物蒸腾损失成为农业水资源管理领域研究的关键。鉴于植被蒸腾对各气象要素的快速响应，已有研究采用气孔计和茎流计等多种仪器对各类作物如玉米、葵花和番茄等的蒸腾变化规律进行了观测和分析。其中，利用气孔计观测叶片尺度气孔导度和水汽交换过程，能反映叶片气孔对周围辐射、水汽和风速等环境因素的响应。比如中午阶段气孔在强辐射和高温时可能会关闭部分气孔，避免水分过多损失。但农田中种植密度相对较大的作物群体，作物冠层内下部叶片可能被上层叶片遮盖。此时不同部位叶片的气孔蒸腾和气孔行为会有明显差异。另外，利用茎流计观测作物的茎液流变化来表征整个植株的蒸腾损失是目前最常用的技术方法。植株蒸腾受到作物群体种植结构的影响，比如植株不同部位感光面积会受种植密度影响。整个植株的蒸腾是决定该作物长势和生产力的关键，反映了植株在群体中的分布特征，同时能反映作物是否受到水分等胁迫。但茎流计造价昂贵，需固定在植株茎秆处。安装时所需要的传感器对植株茎粗和高度有明确要求，如茎粗超过传感器适用范围时，需要更新传感器，增加经济负担。此外对植株茎秆进行长时间包裹式或插针式观测，测量结果可能会受到影响。
[0004]茎流计观测由于固定点位的限制，当作物在同样气象条件下受到非均质土壤水分和盐分胁迫时，对叶片气孔的响应以及作物蒸腾的变化都无法进行有效评估。而且农田作物叶片气孔蒸腾与植株蒸腾之间的定量关系还不明确。
[0005]因此，如何实现不同水土环境下植株蒸腾的测量和评估，是目前急需解决的问题。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的不足，解决植株蒸腾观测中存在的限制，本专利技术提出了一种面向不同水土环境下作物蒸腾升尺度测量和评估方法，实现不同点位植株蒸腾的测量和评估，同时获取植株叶片的气孔行为特征和蒸腾变化。本专利技术提供的作物蒸腾升尺度测量和评估方法，在动态测量作物冠层不同部位叶片气孔蒸腾基础上，通过升尺度量化整个植株的蒸腾损失，该方法对不同区域以及不同水土环境下的作物蒸腾评估提供了有效的方法和技术支撑。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种面向不同水土环境下作物蒸腾升尺度测量和评估方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1，作物叶片参数测量：
[0010]在作物生长季不同生育阶段，选定观测植株，利用便携式叶面积仪扫描所述观测植株的所有叶片，获取包括叶片面积、周长、长度和宽度在内的叶片形状参数；
[0011]步骤2，叶片气孔蒸腾测量：
[0012]利用便携式植物气孔计对选定的观测植株不同部位叶片的气孔导度和叶片蒸腾速率进行测量，从而获得分层叶片气孔导度和叶片瞬时蒸腾速率的日内变化；
[0013]步骤3，作物植株蒸腾测量：
[0014]考虑所述观测植株茎秆的直径、选取适合的植物茎流计传感器，在作物生育期内安装植物茎流计系统，对整株观测植株的茎流速率进行连续观测；
[0015]步骤4，叶片蒸腾速率升尺度到整个植株蒸腾损失：
[0016]采用不同冠层分布方法将叶片蒸腾速率升尺度得到整个植株的蒸腾损失，所述冠层分布方法包括：
[0017]S41，假定观测植株的冠层上下一致均匀矩形分布，即将上、中、下三层叶片蒸腾速率的平均值乘以总叶面积，进而得到植株蒸腾速率；
[0018]S42，将观测植株的叶片上、中、层叶片受光面积比例设置为梯形分布，即自上至下等差递减；从而将各观测植株的总叶面积按分层比例划分并乘以各层的叶片蒸腾速率，进而求和得到梯形分布下升尺度的植株蒸腾速率；
[0019]S43，根据作物冠层内部叶片的分布特征和太阳高度变化，建立动态梯度分布下的升尺度方法，包括以下步骤：
[0020]动态梯度分布下观测植株的叶片上、中、下各层叶片受光照比例的计算公式为：
[0021][0022]式中，h为太阳高度角；
[0023]将观测植株各层动态变化的叶片受光照比例与总叶面积相乘，并对各层结果求和得到基于动态梯形分布升尺度的植株蒸腾速率；
[0024]步骤5，升尺度方法精度的评价
[0025]选取步骤1和步骤2中观测叶片面积和叶片蒸腾速率对应日期下的步骤3茎流速率观测结果，与步骤4中各方法升尺度得到的植株蒸腾速率结果进行对比，评估步骤4不同升尺度方法的精度，从而确定适于所选定观测植株的最佳升尺度方法。
[0026]进一步的，步骤1所述作物叶片参数测量的具体操作方法为：
[0027]选定i株观测植物，并依次编号为植株1、2、
……
、i，在生长季不同生育阶段晴朗天气时，利用便携式叶面积仪(1)扫描每株作物所有叶片的面积，记录每次测量的总叶面积S1、S2、S3、
……
、Si。
[0028]进一步的，步骤2所述叶片气孔蒸腾测量的具体操作方法为：
[0029]在步骤1测量叶片参数的当日，进行叶片气孔蒸腾测量，测量时将各观测植株的叶片分为上、中、下三层，并每隔两小时测量一次，从而获得分层叶片瞬时蒸腾速率的日内变
化。
[0030]进一步的，步骤4中S43所述太阳高度角h由地方时和太阳赤纬的变化进行计算，公式为：
[0031][0032]式中，h为太阳高度角，为观测地点的地理纬度，δ为太阳赤纬，t为一天内时间对应的时角；
[0033]太阳赤纬δ的计算公式为：
[0034][0035]式中，n为观测日的日序数，取值范围为1
‑
366。
[0036]进一步的，步骤5中不同升尺度方法精度的评价指标采用决定系数R2和均方根误差RMSE，其计算公式如下：
[0037][0038][0039]式中：m为数据序列长度，Ob
j
为序列中j时刻茎流计观测得到的连续茎流速率，Si
j
表示将气孔计观测的叶片蒸腾通过不同方法升尺度得到的植株蒸腾速率，和分别是Ob
j
和Si
j
对应序列的平均值，j为1
‑
m序列中对应的各值。
[0040]本专利技术相比现有技术的有益效果为：
[0041]1、以往对农田作物叶片到植株(冠层)蒸腾的升尺度量化只以叶面积指数为依据，缺少对作物冠层内部不同部位叶片气孔特征的描述；本专利技术建立了一种将叶片蒸腾升尺度到整个植株蒸腾的测量和评本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向不同水土环境下作物蒸腾升尺度测量和评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，作物叶片参数测量：在作物生长季不同生育阶段，选定观测植株，利用便携式叶面积仪(1)扫描所述观测植株的所有叶片，获取包括叶片面积、周长、长度和宽度在内的叶片形状参数；步骤2，叶片气孔蒸腾测量：利用便携式植物气孔计(2)对选定的观测植株不同部位叶片的气孔导度和叶片蒸腾速率进行测量，从而获得分层叶片气孔导度和叶片瞬时蒸腾速率的日内变化；步骤3，作物植株蒸腾测量：考虑所述观测植株茎秆的直径、选取适合的植物茎流计传感器，在作物生育期内安装植物茎流计系统(3)，对整株观测植株的茎流速率进行连续观测；步骤4，叶片蒸腾速率升尺度到整个植株蒸腾损失：采用不同冠层分布方法将叶片蒸腾速率升尺度得到整个植株的蒸腾损失，所述冠层分布方法包括：S41，假定观测植株的冠层上下一致均匀矩形分布，即将上、中、下三层叶片蒸腾速率的平均值乘以总叶面积，进而得到植株蒸腾速率；S42，将观测植株的叶片上、中、层叶片受光面积比例设置为梯形分布，即自上至下等差递减；从而将各观测植株的总叶面积按分层比例划分并乘以各层的叶片蒸腾速率，进而求和得到梯形分布下升尺度的植株蒸腾速率；S43，根据作物冠层内部叶片的分布特征和太阳高度变化，建立动态梯度分布下的升尺度方法，包括以下步骤：动态梯度分布下观测植株的叶片上、中、下各层叶片受光照比例的计算公式为：式中，h为太阳高度角；将观测植株各层动态变化的叶片受光照比例与总叶面积相乘，并对各层结果求和得到基于动态梯形分布升尺度的植株蒸腾速率；步骤5，升尺度方法精度的评价选取步骤1和步骤2中观测叶片面积和叶片蒸腾速率对应日期下的步骤3茎流速率观测结果，与步骤4中各方法升尺度得到的植株蒸腾速率结果进行对比，评估步骤4不同升尺度方法的精度，从而确定适于所选定观测植株的最佳升尺...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈艳萍，王兴旺，张学君，吕娟，霍再林，杨晓静，陈茜茜，姜田亮，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：