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從反射光譜估算光合特性：光譜指數(shù)、數(shù)值反演和偏最小二乘回歸的綜合

日期： 2020-05-28
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從反射光譜估算光合特性：光譜指數(shù)、數(shù)值反演和偏最小二乘回歸的綜合



植被冠層的光合特性是基于地球系統(tǒng)模型進(jìn)程的重要參數(shù)，可用于理解全球碳循環(huán)。然而這些地球系統(tǒng)模型缺乏光合特性連續(xù)的時(shí)空信息，導(dǎo)致了很大的不確定性，無法解釋碳的源和匯以及大氣層與陸地生物圈的交換。此外，光合速率的準(zhǔn)確表征對(duì)于重設(shè)光合作用途徑以提高作物產(chǎn)量至關(guān)重要。選擇新品種需要在給定環(huán)境中將基因型與表型聯(lián)系起來，但尚未以高通量方式實(shí)現(xiàn)，這成為植物育種的主要瓶頸之一。為此，作為全球糧食安全問題解決方案的一部分，迫切需要光合特性高通量表征技術(shù)的進(jìn)步，這對(duì)于深刻理解全球環(huán)境變化至關(guān)重要。
基于此，作者研究了安裝在移動(dòng)平臺(tái)上的高光譜成像相機(jī)是否能解決這些問題，重點(diǎn)研究三種主要方法-基于偏最小二乘法回歸（PLSR）的反射光譜，光譜指數(shù)以及數(shù)值模型反演，以從11個(gè)煙草品種冠層高光譜反射率估算光合特性。結(jié)果表明，基于PLSR建立的反射光譜和光譜指數(shù)模型預(yù)測(cè)Vcmax和Jmax的R2為~0.8，高于數(shù)值反演的預(yù)測(cè)結(jié)果（R2為~0.6）。與反射光譜的PLSR相比，光譜指數(shù)的PLSR預(yù)測(cè)Vcmax（R2?= 0.84 ± 0.02, RMSE = 33.8 ± 2.2 μmol m?2?s?1）的結(jié)果更好，預(yù)測(cè)Jmax（R2?= 0.80 ± 0.03, RMSE = 22.6 ± 1.6 μmol m?2?s?1）的結(jié)果相似。光譜重采樣的進(jìn)一步分析表明，可以在約10個(gè)光譜帶中以小于14.7 nm的光譜分辨率預(yù)測(cè)Vcmax和Jmax。這些結(jié)果對(duì)于改善光合作用途徑和跨尺度的光合作用制圖具有重要意義。


試驗(yàn)設(shè)計(jì)


試驗(yàn)選擇了包括野生和轉(zhuǎn)基因品系在內(nèi)的11個(gè)煙草品種，用于評(píng)估三種估計(jì)光合特性方法的性能。（a）基于地面的高通量表型平臺(tái)用于收集高光譜圖像。（b）2017年6月22、26、27日，7月6、7、12、31日，2017年8月18日和2018年7月24、25日測(cè)量的光合變量Vcmax和Jmax值（用于構(gòu)建預(yù)測(cè)模型）的范圍。從上到下的線分別表示最小值，平均值和最大值。


從反射光譜估算光合特性：光譜指數(shù)、數(shù)值反演和偏最小二乘回歸的綜合

圖像預(yù)處理


圖3a顯示了2017年6月27日，從品種4上收集的原始圖像。圖像預(yù)處理包括3個(gè)步驟；（1）輻射定標(biāo)，在此期間，將原始圖像轉(zhuǎn)換為絕對(duì)光譜輻射度，（2）利用K均值聚類算法進(jìn)行圖像分類（圖3b）以及（3）反射率計(jì)算。該程序系統(tǒng)在地塊水平上的多個(gè)作物品種的高通量表型研究中非常重要。


從反射光譜估算光合特性：光譜指數(shù)、數(shù)值反演和偏最小二乘回歸的綜合

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研究背景水分是限制植物生長的關(guān)鍵因素，特別是在全球氣候變化的背景下，干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)水文過程和植被水分利用策略受到顯著影響。煤礦開采，尤其是露天礦，對(duì)環(huán)境破壞嚴(yán)重。黑岱溝露天煤礦位于黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)，礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)已成為重點(diǎn)工作。排土場(chǎng)的植被恢復(fù)對(duì)于合理利用水土資源和促進(jìn)煤礦可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。目前，礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的水問題研究主要集中在土壤水文效應(yīng)、物理性質(zhì)和坡面侵蝕等方面，但對(duì)植物水源及其利用機(jī)制的定量研究較少。利用穩(wěn)定同位素技術(shù)，可以高效分析植物的水源，并通過多源混合模型量化各水源的貢獻(xiàn)率。例如，深根植物通常利用深層土壤水，而淺根植物則更多依賴淺層水分。由于煤礦開采擾動(dòng)了土壤結(jié)構(gòu)，植物的水源利用方式與自然狀態(tài)下有所不同。此外，雨季的不同月份中，植物水源及其利用機(jī)制也存在差異。  因此，本研究以黑岱溝露天礦排土場(chǎng)為例，分析蒙古松、檸條和紫花苜蓿在雨季的水分來源及...
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森林約占全球土壤碳庫的70%，是調(diào)節(jié)大氣CO2濃度的關(guān)鍵因素。濕地作為陸地和水生系統(tǒng)的過渡區(qū)，通常地下水位接近地表。全球變暖導(dǎo)致北方低地森林被濕地取代，造成景觀破碎化，并可能改變碳通量。土壤CO2通量占大氣碳的20-38%，其主要來源是土壤呼吸，包括自養(yǎng)和異養(yǎng)呼吸。異養(yǎng)呼吸受溫度、濕度和溶解有機(jī)物（DOM）影響。低分子量化合物（LMW）更易降解，促進(jìn)微生物活動(dòng)和土壤呼吸。解凍期雨雪事件可將DOM輸送至濕地，影響土壤CO2通量。本研究假設(shè)，解凍期森林濕地集水區(qū)的土壤CO2通量受DOM運(yùn)動(dòng)的影響，目標(biāo)是分析CO2通量變化，確定DOM的影響， 并探索微生物在其中的作用。圖們江位于中國、朝鮮和俄羅斯的交界處，最終流入日本海，地處中高緯度地區(qū)，范圍為北緯41.99°到44.51°（圖1(a)）。布爾哈通河是圖們江的重要支流，其上游流域面積為1560平方公里。該流域以山地...
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