棉花叶片最大羧化速率对氮素的响应及光谱探测

作     者：张鑫磊 

作者单位：河北农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张永江

授予年度：2020年

学科分类：09[农学] 0901[农学-作物学] 

主      题：叶片Vcmax 高光谱 叶片含氮量 光谱指数 

摘      要：植物叶片最大羧化速率(Vcmax,maximum carboxylation rate)是表征植被光合能力的重要参数之一,研究叶片Vemax对氮素的响应对预测植被光合作用和未来植被生产力具有重要意义。试验于2018、2019年在河北农业大学三分厂试验站进行,以转基因抗虫棉国欣棉9号为试验材料,采用随机区组设计,设置4个施氮水平:0(N0)、120(N1)、240(N2)、480(N3)kg·hm-2,重复 3 次。在棉花不同生育时期,测定叶片光合A-Ci曲线(模拟得出Vcmax)、叶绿素含量、比叶重、含氮量、RuBP酶活性等参数,以及叶片反射光谱,研究不同施氮水平对棉花叶片Vemax及生理参数的影响,探究叶片Vcmax与生理参数及光谱指数的关系。以期为植物叶片最大羧化速率的准确模拟和光谱探测提供依据。主要研究结果如下:1.棉花叶片Vcmax随着生育进程的推移呈现出由高到低的季节变化趋势,其在苗期达到最大值。在基础地力较高的前提,棉花叶片Vcmax在苗期至蕾期不受施氮水平的影响,随着生育期的进行,氮素逐渐成为影响其高低的主要因素之一。此外,高施氮肥可以使叶片Vcmax在生育期后期保持较高水平。2.施氮水平的改变可以显著影响棉花叶片生理参数。随着施氮量的增加,棉花叶片含氮量、叶片在羧化系统中氮的比例(PR)、叶绿素含量、SPAD、比叶重、实际光化学量子产量(φPSⅡ)和Rubisco羧化酶活性均有所提升,并在一些生育时期(2018年吐絮期之后和2019年花铃期之后)达到显著差异,仅有最大光化学量子产量(Fv/Fm)不受施氮水平影响。其中叶片含氮量和PR表现一致,叶绿素含量和SPAD表现一致。此外,施氮水平的高低对于棉花苗期的生长发育无显著影响。3.棉花叶片Vcmax与部分生理参数表现出良好的相关性,具有反演叶片Vcmax的潜力。其中叶片Vcmax与叶片含氮量、PR、叶绿素含量、φPSⅡ的相关程度较高,与其他生理参数相关程度较弱。构建了以生理参数为自变量,叶片Vcmax为因变量的一元线性回归模型和多元逐步回归模型,其中以叶片含氮量和叶绿素为自变量的多元逐步回归模型精度表现最佳(R2=0.801,RMSE=17.01μmolm-2s-1),以叶片含氮量为自变量的估算模型次之(R2=0.717,RMSE=20.54μmolm-2s-1),以其他生理参数为自变量的估算模型精度较低;验证结果也是如此。4.棉花叶片Vemax与光谱反射率的蓝光和红边波段达到显著相关,并由此得到了能较好预测棉花叶片Vcmax的光谱指数:归一化光谱指数(NDVI697,445)和比光谱指数(SR445,694)。在以光谱指数为自变量的叶片Vcmax估算模型的构建中,由NDVI697,445和SR445,694所构建的叶片Vcmax估算模型精度要远高于其他单变量估算模型,R2均超过0.75。除此之外,由SR445,694、PRI、mND705所构建的多元逐步回归模型精度最高(R2=0.809,RMSE=16.93μmolm-2s-1);验证结果也是如此。综上所述,棉花叶片Vemax对于叶片氮素较为敏感,其与叶片含氮量的关系要优于其他生理参数,受到叶片含氮量和PR的共同影响,与Rubisco羧化酶活性相关程度较弱。另外,本文建立的基于叶片光谱的棉花叶片Vcmax估算模型精度和准确度高于以叶片含氮量、叶绿素等生理参数为自变量的估算模型,表明通过叶片光谱反演棉花叶片Vcmax是可行的,研究结果可为植被叶片Vcmax光谱反演提供理论和模型支持。