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光能利用率模型集成机器学习模拟全球生态系统总初级生产力

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光能利用率模型集成机器学习模拟全球生态系统总初级生产力

作者：孔大千青岛大学

学位级别：硕士

生态系统总初级生产力(GPP)是指在单位面积、单位时间内陆地绿色植物通过光合作用所固定的有机碳量。对其模拟的准确性直接决定对后续的碳循环要素模拟的准确性,也关系到是否可以准确地对陆地生态系统支持人类社会可持续发展的能力进行... 详细信息

生态系统总初级生产力(GPP)是指在单位面积、单位时间内陆地绿色植物通过光合作用所固定的有机碳量。对其模拟的准确性直接决定对后续的碳循环要素模拟的准确性,也关系到是否可以准确地对陆地生态系统支持人类社会可持续发展的能力进行评估。精确地进行生态系统GPP的模拟和预测,改进GPP模型的精度和适用性对于了解全球气候变化对碳循环的影响至关重要。而目前估算GPP的主流方法光能利用率(LUE)模型存在较大的不确定性。本文的研究内容旨在利用光能利用率模型集成机器学习来构建混合模型,增加GPP的模拟精度。主要工作包括:(1)使用全球覆盖九种植被功能类型的180个通量站点和中分辨率成像光谱仪(MODIS)的数据搭建混合光能利用率模型(H-LUE)来模拟GPP,该模型使用机器学习直接模拟LUE,然后在光能利用率模型框架内模拟GPP。接着对H-LUE模型进行了一系列的综合性能评估,发现和传统光能利用率模型相比,H-LUE模型在模拟LUE和GPP方面具有显著更好的性能。(2)对HLUE模型的环境适用性进行评价。首先对H-LUE模型在不同的植被类型之间表现出的性能差异进行了研究和分析;接着对H-LUE模型和两个传统光能利用率模型在几种极端环境条件下的模拟结果进行比较和分析,发现H-LUE模型在极端环境条件下表现出更好的性能;最后对H-LUE模型模拟的LUE对几个气象因子的响应情况进行研究和分析,发现由H-LUE模型模拟的LUE可以较好地显示出随几种气象因子的变化而变化的趋势。

关键词：机器学习光能利用率总初级生产力遥感

杨树和栓皮栎日光诱导叶绿素荧光及光能利用率的比较

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中国农业气象 2023年第4期44卷 295-304页

作者：程向芬任成昊张劲松胡美均蒋丽娅胡海洋黄辉乔永胜中国林业科学研究院林业研究所/国家林业和草原局林木培育重点实验室北京100091 河南黄河小浪底地球关键带国家野外科学观测研究站济源459007 青岛农业大学机电工程学院青岛266109 河南农业大学林学院郑州450002 北京林业大学生态与自然保护学院北京100083 国有济源市南山林场济源459000

为探究杨树与栓皮栎光合光能利用率(LUEp)和荧光光能利用率(LUEf)关系的日内变化及种间差异,从光能分配的角度进一步深入理解日光诱导叶绿素荧光(SIF)与总初级生产力(GPP)的关系,以典型落叶阔叶林树种杨树(Populus alba×Populus glland... 详细信息

为探究杨树与栓皮栎光合光能利用率(LUEp)和荧光光能利用率(LUEf)关系的日内变化及种间差异,从光能分配的角度进一步深入理解日光诱导叶绿素荧光(SIF)与总初级生产力(GPP)的关系,以典型落叶阔叶林树种杨树(Populus alba×Populus gllandulosa)和栓皮栎(Quercus variabilis BI.)幼苗为对象,在相同土壤水分和养分条件下,观测研究不同树种SIF、净光合速率(Pn)与LUEp/LUEf对光合有效辐射(PAR)响应的异同。结果表明:(1)SIF受PAR驱动,二者呈显著正相关关系,杨树和栓皮栎线性拟合决定系数(R2)分别为0.965和0.973,且杨树具有更高的LUEf;Pn随PAR的增加逐渐饱和,杨树光饱和点明显高于栓皮栎,分别为998.59和674μmol CO_(2)·m^(-2)·s^(-1)。(2)杨树和栓皮栎Pn均随着SIF的增大呈先上升变化,之后杨树的Pn逐渐饱和,栓皮栎则缓慢下降。(3)LUEp与LUEf呈显著负线性相关关系,LUEp/LUEf随光强的增加呈指数型逐渐下降趋势,变化规律及大小在树种间不存在明显差异。研究结果说明,在日内随PAR的升高,LUEf变化较小,而LUEp则下降明显,光能分配向碳固定的比例下降,因此,Pn在强光下饱和,SIF与GPP在日内尺度表现出指数型相关关系,且该指数型关系在树种间一致。

关键词：日光诱导叶绿素荧光净光合速率光能利用率光合有效辐射

基于涡度协方差法和植被指数的油菜光能利用率研究

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东北农业大学学报 2022年第12期53卷 72-81页

作者：文双雅石楠高倩文阳会兵高志强卢俊玮湖南农业大学农学院长沙410128

利用油菜生长季(2020年9月~2021年5月)观测田间涡度相关通量数据,分析油菜光能利用率(Ecosystem light use efficiency,LUE_(eco))和表观初始量子效率(α)动态变化特征及两者之间关系,并结合环境因子和植被指数,探讨油菜LUE_(eco)与各... 详细信息

利用油菜生长季(2020年9月~2021年5月)观测田间涡度相关通量数据,分析油菜光能利用率(Ecosystem light use efficiency,LUE_(eco))和表观初始量子效率(α)动态变化特征及两者之间关系,并结合环境因子和植被指数,探讨油菜LUE_(eco)与各参数之间关系。结果表明,油菜LUE_(eco)日变化呈U型曲线,早晚较高,午间较低,不同月份差异主要体现在曲线变化高低上;油菜LUE_(eco)月变化呈先升后降抛物线变化,与α月变化具有一致性;不同计算方法得到光能利用率之间存在显著线性正相关关系,总体上LUE_(eco)约为α的二分之一;在季节尺度上,LUE_(eco)总体表现为偏峰型曲线变化,全生长季平均值为0.0347μmol(CO_(2))·μmol(PAR)^(-1);LUE_(eco)季节变化主要受光合有效辐射、空气温度和作物长势影响。研究结果可为探讨光能利用率变异特征及基于光能利用率模型生态系统生产力模拟研究提供参考。

关键词：油菜光能利用率涡度协方差法植被指数通径分析

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基于涡度相关法的水稻光能利用率研究

中国农业科技导报 2022年第7期24卷 159-166页

作者：文双雅石楠陈崇怡胡海燕高志强湖南农业大学农学院长沙410128

为探讨水稻生长季内光能利用率(light use efficiency,LUE)的动态特征,使用2020年5—9月稻田通量观测资料,应用简单相关分析和通径分析方法,分析环境因子对光能利用率的影响。结果表明,水稻生长季LUE日平均值为0.95%,波动范围为0.25%~2.... 详细信息

为探讨水稻生长季内光能利用率(light use efficiency,LUE)的动态特征,使用2020年5—9月稻田通量观测资料,应用简单相关分析和通径分析方法,分析环境因子对光能利用率的影响。结果表明,水稻生长季LUE日平均值为0.95%,波动范围为0.25%~2.23%,小时尺度表现为早晚值较高、中午值较低,日动态上呈现先升高后降低的单峰曲线变化;日尺度上的LUE主要受光合有效辐射和空气温度影响。研究为合理利用农田生态系统资源、推动LUE在生产力模型中的应用提供了理论依据。

关键词：水稻光能利用率涡度相关法

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植被光能利用率遥感估算

遥感学报 2021年第6期25卷 1227-1243页

作者：朱安然孙睿王梦佳遥感科学国家重点实验室北京师范大学地理科学学部北京100875 北京市陆表遥感数据产品工程技术研究中心北京师范大学地理科学学部北京100875

光能利用率表征植被通过光合作用将所截获/吸收的能量转化为有机碳的效率,是遥感估算植被生产力的关键参数。由于植被分布和气候环境的综合影响,光能利用率表现出显著的空间异质性和时间动态性,光能利用率的不确定性成为后续生产力模型... 详细信息

光能利用率表征植被通过光合作用将所截获/吸收的能量转化为有机碳的效率,是遥感估算植被生产力的关键参数。由于植被分布和气候环境的综合影响,光能利用率表现出显著的空间异质性和时间动态性,光能利用率的不确定性成为后续生产力模型估算精度不高的重要原因。本文以Fluxnet全球通量站点数据和MODIS LAI/fPAR产品为数据源,比较了5种遥感植被生产力模型中的光能利用率估算方法,并在此基础上考虑光照散射条件对光能利用率的影响,结合晴空指数,利用逐步线性回归方法和参数优化方法建立不同植被类型的光能利用率估算模型。验证结果表明,考虑晴空指数可提高光能利用率估算精度,两种方法估算得到的光能利用率值RMSE均低于0.5 gC·MJ^(-1),逐步线性回归法尽管机理欠缺,但由于选择因子较多,光能利用率估算精度较高(R2=0.461,RMSE=0.403 gC·MJ^(-1));广泛应用的参数化方法由于考虑的因子较少、模型形式较固定,光能利用率估算精度稍低(R2=0.306,RMSE=0.489 gC·MJ^(-1))。本文所建立的光能利用率估算模型可应用于区域或全球植被光能利用率及生产力的估算。

关键词：光能利用率逐步线性回归参数优化遥感晴空指数总初级生产力

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植被光能利用率:模型及其不确定性

生态学报 2021年第14期41卷 5507-5516页

作者：高德新王帅李琰王聪魏芳莉傅伯杰李彤北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室北京100085

光能利用率(Light use efficiency:LUE)指植物截获的光能转化为化学能的效率,表示为生产力和吸收光能之比。基于LUE概念的模型对模拟预测全球变化下碳循环、植被生产力及其潜力具有重要意义。全球变化和人类活动影响给植被生产力和碳循... 详细信息

光能利用率(Light use efficiency:LUE)指植物截获的光能转化为化学能的效率,表示为生产力和吸收光能之比。基于LUE概念的模型对模拟预测全球变化下碳循环、植被生产力及其潜力具有重要意义。全球变化和人类活动影响给植被生产力和碳循环的评估带来了巨大挑战。系统梳理了LUE模型的不确定性并分析其原因,以期提高生产力模拟预测的准确度。分析发现LUE模型准确度仅为62%-70%且模型间差异较大(32%),误差随着植被类型、时间尺度和空间区域的不同存在显著差别。目前计算LUE的误差是模型不确定性的关键,原因主要在于LUE与影响因素尤其是水分的关系并不清楚。一方面不能准确区分水分胁迫指标对LUE的影响机制,另一方面无法准确模拟水分等影响因素与LUE关系的时空演变特征。未来该领域研究的重要方向是发展集成样地和区域尺度的叶绿素荧光、光化学指数等研究方法,厘定LUE与影响因素特别是的水分关系,并分析其时空演变特征。

关键词：生产力评估光能利用率模型光能利用率不确定性

基于Landsat OLI影像的典型湿地芦苇植被光能利用率遥感反演方法初探

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武汉大学学报（信息科学版） 2020年第4期45卷 524-533页

作者：罗玲毛德华张柏王宗明杨桄中国科学院湿地生态与环境重点实验室中国科学院东北地理与农业生态研究所吉林长春130102 空军航空航天大学吉林长春130022

大尺度植被光能利用率(light use efficiency,LUE)的快速准确获取一直是限制植被生产力估算及相关研究的难题。当前LUE的研究存在取值不准、方法复杂、精度不高等问题,而遥感数据时间连续、空间尺度大、易获取的优势为LUE的准确估算提... 详细信息

大尺度植被光能利用率(light use efficiency,LUE)的快速准确获取一直是限制植被生产力估算及相关研究的难题。当前LUE的研究存在取值不准、方法复杂、精度不高等问题,而遥感数据时间连续、空间尺度大、易获取的优势为LUE的准确估算提供了可能。以东北地区典型的芦苇湿地为研究对象,利用多时相遥感影像Landsat OLI(operational land imager)与植被指数,通过分析LUE、植被指数与植被叶绿素含量之间的关系,探讨利用遥感植被指数实现湿地植被LUE准确估算的可行性。结果表明:除增强植被指数(enhanced vegetation index,EVI)外,其余植被指数均有较强的芦苇湿地表征能力。LUE与叶绿素及植被指数之间存在密切关系,其中归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)对LUE的敏感性最高(P <0.01;R^2=0.62),是本研究中表征芦苇LUE的最佳指数。研究验证了以叶绿素作为中间变量,借助遥感植被指数实现LUE便捷高效反演的理论假设,可为大尺度湿地植被生产力及碳循环等研究提供方法参考和思路借鉴。

关键词：光能利用率植被指数 Landsat OLI 芦苇湿地面向对象分类方法

基于地面通量观测与MODIS数据估算玉米光能利用率

维普期刊数据库评论

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气象科学 2023年第2期43卷 186-195页

作者：郭建茂郭彩云李羚钱娅刘俊伟南京信息工程大学无锡研究院江苏无锡214105 南京信息工程大学应用气象学院南京210044 河南省烟草公司许昌市公司河南许昌4610000

基于地面通量数据和中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)数据,对玉米农田生态系统光能利用率(Light Use Efficiency, LUE)进行反演和分析。通过地表碳通量资料构建了玉米农田生态系统的LUE模型,... 详细信息

基于地面通量数据和中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)数据,对玉米农田生态系统光能利用率(Light Use Efficiency, LUE)进行反演和分析。通过地表碳通量资料构建了玉米农田生态系统的LUE模型,分析了LUE的变化规律;通过比较不同参照波段、不同传感器角度下计算的MOIDS光化学反射植被指数(Photochemical Reflectance Index, PRI)与LUE间的关系,构建了MOIDS PRI反演玉米LUE的模型。结果表明:(1)玉米LUE呈现出明显的季节和日尺度上的变化规律,季节变化表现为单峰形,白天的LUE呈现出“U”型变化规律;(2)相比较NDVI,PRI反演植被LUE有明显优势,利用MODIS PRIS与LUE的较好相关性,建立了PRI488、PRI551和PRI667模型进行LUE反演;(3)经比较,MODIS PRIS反演LUE时最适合的为PRI551模型,其全向散射的模型具有通用性,而如果区分出后向散射数据则采用相应的PRI551后向散射模型更好;(4)利用LUEa与全天平均LUEd拟合模型与MODIS PRI551瞬时模型联合,可实现对日尺度的光能利用率的反演,其推广应用前景值得期待。

关键词： MODIS 遥感植被指数光能利用率

氮肥运筹对小麦产量、氮素利用效率和光能利用率的影响

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应用生态学报 2017年第6期28卷 1889-1898页

作者：吴晓丽李朝苏汤永禄刘于斌李伯群樊高琼熊涛四川省农业科学院作物研究所成都610066 西昌农业科学研究所四川凉山618300 重庆市作物研究所重庆402160 四川农业大学农学院成都611130

连续2年在西南冬麦区的重庆、仁寿、广汉、西昌4个地点,开展3种施氮水平(每公顷纯氮0、120、180 kg,简写为N_0、N_(120)、N_(180))和3种氮肥分配模式(NA:底肥100%;NB:底肥70%+苗肥30%;NC:底肥60%+拔节肥40%)的田间试验,监测小麦花后冠... 详细信息

连续2年在西南冬麦区的重庆、仁寿、广汉、西昌4个地点,开展3种施氮水平(每公顷纯氮0、120、180 kg,简写为N_0、N_(120)、N_(180))和3种氮肥分配模式(NA:底肥100%;NB:底肥70%+苗肥30%;NC:底肥60%+拔节肥40%)的田间试验,监测小麦花后冠层叶片SPAD值、群体光合速率(CAP)、光能利用等生理参数和籽粒产量,计算氮素利用效率、光能利用率等.结果表明:随施氮水平增加,小麦上三叶SPAD值、CAP、光合有效辐射(PAR)截获率和产量均呈增加趋势,而氮肥农学利用效率、生产效率、吸收效率和利用效率呈降低趋势.氮肥后移的增效作用因施氮水平而异,SPAD于N_(180)增效明显,而CAP于N_(120)增效明显,不同氮肥管理模式的光能利用率因地点而异.氮肥后移能明显提高小麦氮肥农学效率、生产效率、吸收效率和氮素表观回收率,但氮肥利用效率则略有减少.氮肥后移效果N_C总体优于N_B处理.不同地点比较,广汉的SPAD值、CAP、PAR截获率、氮肥利用参数较高,其产量也相应最高;西昌的产量、SPAD值及氮素利用效率较高,但其光能利用率和CAP较低;重庆和仁寿的SPAD值、光能利用率及氮素利用效率均较低,其产量也最低.小麦生物产量与各地点的籽粒产量、CAP、SPAD值和PAR累积截获量均呈显著或极显著的正相关关系.表明不同生态区域增施氮肥都能促进小麦增产,氮肥后移可进一步优化产量结构、改善氮肥和光能利用效率,但存在年份和地点差异,各地需要制定有针对性的氮肥管理模式.

关键词：氮肥管理模式氮素效率光能利用率