半干旱区作物与土壤水分的光谱估算

1、 研究意义与进展 研究区概况 研究方法与观测实验 干旱胁迫状态下作物-土壤水分变化特征 不同水分状况下冠层-叶片光谱特征 估算模型与指数 小结 提纲 研究思路 辐射传输模型在模拟光谱中有各种假设，构建胁迫植被指数有很多因素未考虑到。 基于观测实测值进行敏感性分析，构建指数； 光谱观测结合作物生理、水分和土壤水分观测； 构建统计模型和指数； 研究区概况 位于我国黄土高原半干旱位于我国黄土高原半干旱 雨养农业区雨养农业区 海拔海拔1896.7m (10437E，3535N ) 十年九旱，干旱发生频繁十年九旱，干旱发生频繁 研究方法水分胁迫观测试验 在统一相同施肥基础上，主要控制小麦的水分在统一相同

2、施肥基础上，主要控制小麦的水分 D1D1：对照：对照 当年自然大田当年自然大田 D2: D2: 重旱重旱 （土壤相对湿度（土壤相对湿度30%30%） D3 D3 中旱中旱 (30%(30%土壤相对湿度土壤相对湿度40%)40%) D4 D4 轻旱轻旱 (40%(40%土壤相对湿度土壤相对湿度50%50%50%） 根据半干旱区多年平均值，将国标降低根据半干旱区多年平均值，将国标降低10% 10% 。 试验设计：试验设计： 观测实验观测实验-不同水分胁迫小麦不同水分胁迫小麦 观测试验 土壤水分 土壤中的水分可以用两种方式描述：含水量和水势。 含水量：含水量：是指单位体积土壤中水分的体积或单位重量土

3、壤中水分的重量。是指单位体积土壤中水分的体积或单位重量土壤中水分的重量。 水势水势（water potential）：是在等温条件下从土壤中提取单位水分所需要的）：是在等温条件下从土壤中提取单位水分所需要的 能量。土壤水分饱和，水势为零；含水量低于饱和状态，水势为负值能量。土壤水分饱和，水势为零；含水量低于饱和状态，水势为负值，土壤，土壤 越干旱，负值越大越干旱，负值越大。一般植物的生存范围是。一般植物的生存范围是0到到-15巴（巴（-1500 kPa）。含水）。含水 量量,水势，这两个指标分别相当于电学中的电子密度和电势。和水势不同，水势，这两个指标分别相当于电学中的电子密度和电势。和水势不

4、同， 含水量不能反映土壤水分对植物得有效性含水量不能反映土壤水分对植物得有效性。譬如。譬如15%的含水量，在沙土中已的含水量，在沙土中已 经相当湿润，几乎所有植物都可以生长。如果黏土含水经相当湿润，几乎所有植物都可以生长。如果黏土含水15%，几乎所有植物，几乎所有植物 都无法生存。相反，如果用水势作为测量单位，测量结果则与土壤性质无关，都无法生存。相反，如果用水势作为测量单位，测量结果则与土壤性质无关， 不管土壤性质，不管地理位置，不管土壤性质，不管地理位置，-10巴的土壤都很干旱，巴的土壤都很干旱，-0.5巴的土壤都很巴的土壤都很 湿润。湿润。可以看出，单凭含水量，无法判断土壤的干旱程度可以

5、看出，单凭含水量，无法判断土壤的干旱程度。某植物在土壤。某植物在土壤A 中生长的最佳含水量为中生长的最佳含水量为20% ，换一种土壤，换一种土壤B，情况就不见得如此。因此，用，情况就不见得如此。因此，用 含水量进行植物和环境的关系的研究，其结果一般无法推广。含水量进行植物和环境的关系的研究，其结果一般无法推广。 作物水分 叶水势（Leaf water potential-LWP） 叶片含水量(FMC、EWT) 冠层植被含水量CWC（Canopy Water Content） 不同干旱状态下典型生育期春小麦作物含水量 (EWTFMC) 备注备注 D1 对照对照 D2 重旱重旱 D3 中旱中旱 D

6、4 轻旱轻旱 D5 不旱不旱 冠层冠层EWT-canopy 指标能够更好的反映不同程度水分胁迫的变化指标能够更好的反映不同程度水分胁迫的变化 叶片尺度叶片尺度FMC 对不同程度干旱的变化响应不显著对不同程度干旱的变化响应不显著 Leaf water contentCanopy water content 冠层植被含水量 （2008） 叶水势 拔节期拔节期 -4-4 -3-3 -2-2 -1-1 0 0 D1D1D2D2D3D3D4D4D5D5 不同干旱不同干旱 叶水势（）叶水势（） 干旱胁迫下，叶水势越低，缺水越严重；不同干旱胁迫条件下，叶水势最低值出现 在抽穗期，差异最大。 土壤水势 拔节期

7、：土壤水势的差 异在30厘米以上差异明 显，水势相对较高； 孕穗期：土壤水势的差 异随干旱加重而进一步 增大，浅层水势降到了 -10mpa；在40厘米以上 差异明显。 土壤水势 抽穗期：浅层土壤水势 随胁迫持续，降到了- 16mpa,达严重干旱；在 20厘米以上差异明显。 灌浆期：土壤水势升高， 大田的土壤水势状况接 近不旱（有降雨影响）。 Soil moisture 土壤水分变化规 律 拔节期：土壤相对湿度在40 厘米以上随深度的变化较大： 不旱：随深度先增大到30厘 米后减小，轻旱到重旱，湿 度随深度先增大，到40厘米 降低。 孕穗期：土壤相对湿度整体 降低（需水量增大），湿度 随深度逐渐

8、增大，到40厘米 下降；20厘米湿度可更清楚 体现不同干旱状态。 Soil moisture 土壤水分变化规律 抽穗期：10厘米的相对湿 度差异大。从20厘米开始， 土层越深湿度越小（作物 吸收深层水分）； 灌浆期：从30厘米开始，湿 度随深度变化已不明显。 （非水分敏感期） 土壤水势与土壤水分 10厘米10厘米 y = 0.5324ey = 0.5324e0.0961x 0.0961x R R2 2 = 0.6944 = 0.6944 0 0 0.20.2 0.40.4 0.60.6 0.80.8 1 1 -20-20-15-15-10-10-5-50 0 soil water potent

9、ialsoil water potential soil water contentsoil water content 20cm20cm y = 0.6614ey = 0.6614e0.1595x 0.1595x R R2 2 = 0.9311 = 0.9311 0 0 0.20.2 0.40.4 0.60.6 0.80.8 1 1 -14-14-12-12-10-10-8-8-6-6-4-4-2-20 0 soil water potentialsoil water potential soil water contentsoil water content 30cm30cm y = 0.

10、6204ey = 0.6204e0.1336x 0.1336x R R2 2 = 0.6639 = 0.6639 0 0 0.20.2 0.40.4 0.60.6 0.80.8 1 1 -6-6-5-5-4-4-3-3-2-2-1-10 0 soil water potentialsoil water potential soil water contentsoil water content 4 40 0c cm m y y = = 0 0. .6 66 64 41 1e e0 0 . . 1 1 5 5 7 7 4 4 x x R R2 2 = = 0 0. .5 50 08 81 1 0

11、 0 0 0. .2 2 0 0. .4 4 0 0. .6 6 0 0. .8 8 1 1 - -6 6- -5 5- -4 4- -3 3- -2 2- -1 10 0 s so oi il l w wa at te er r p po ot te en nt ti ia al l s so oi il l w wa at te er r c co on nt te en nt t 5 50 0c cm m y y = = 0 0. .5 53 39 93 3e e0 0 . . 1 1 6 6 3 3 2 2 x x R R2 2 = = 0 0. .7 70 03 39 9 0 0 0

12、 0. .1 1 0 0. .2 2 0 0. .3 3 0 0. .4 4 0 0. .5 5 0 0. .6 6 0 0. .7 7 0 0. .8 8 0 0. .9 9 1 1 - -6 6- -5 5- -4 4- -3 3- -2 2- -1 10 0 s so oi il l w wa at te er r p po ot te en nt ti ia al l s so oi il l w wa at te er r c co on nt te en nt t 土壤水势与土壤水分含量是对数相关， 20厘米深度的相关性最好。 土壤水分与冠层植被含水量 10cm 20cm 30cm

13、 40cm 50cm 10cm 20cm 30cm 40cm 50cm 10cm30cm 40cm 50cm 20cm 10cm 20cm 30cm 40cm 50cm 10cm 20cm 30cm 40cm 50cm Prosail 模型对三个不同冠层的模拟结果，显示 970与1200nm的吸收现象（J.G.P.W. Clevers,2010） 不同冠层含水 量模拟光谱： 一致响应，含 水量低，反射 率高 20082008年典型生育期年典型生育期 冠层光谱特征冠层光谱特征 1.1. 近红外光区近红外光区 (NIR)(NIR)与可见光与可见光 (VIS)(VIS)、短波红、短波红 外外(SWI

14、R)(SWIR)对干对干 旱的响应不一旱的响应不一 致。致。 2.2. 近红外：干旱近红外：干旱 程度增加，反程度增加，反 射率降低射率降低 3.3. 可见光、短波可见光、短波 红外：干旱增红外：干旱增 加，反射率升加，反射率升 高。高。 VIS NIR SWIR 不同水分胁迫小麦冠层-叶片-土壤光谱特 征 孕穗期 事实上，冠层光谱观测到的还是植被的长势，是前期土壤水分的滞后效应。前 期的水分控制到观测时水分差异降低，光谱数据如何反映实际状况？ 冠层光谱特征如何去反映作物和土壤水分状况？ 不同水分胁迫小麦冠层光谱特征 抽穗期 不同年份的数据，相同生育期相似的土壤水分状况，但是作物长势不同，反射

15、率 的差异。（当年大田前期的降水积累、底墒差异） 叶片光谱 土壤光谱 冠层光谱 叶片尺度：叶片光谱在可见光、近红外、短波 红外区对水分的响应一致，土壤湿度大小与叶 片反射率是正相关； 土壤光谱随湿度的增大而降低；每个不同光区 响应一致。 冠层尺度：冠层光谱在不同光区与湿度的变化 响应不一致。可见光和短波红外光区与和土壤 光谱变化一致，近红外光区相反。 Canopy reflectanc spectral (CRS)敏感光区 土壤水分：VIS、SWIR； 植被水分：NIR 不同水分胁迫小麦冠层-叶片-土壤光谱特 征 灌浆期 2011data 2012data 冠层光谱与土壤湿度的相关性分析 冠层

16、光谱与土壤相对湿度的相关性分析 780nm 1750nm 1992nm 冠层光谱与20cm土水势相关性分析 690nm 780nm 1050nm 1390nm 710nm 780nm 1400nm 冠层光谱与作物冠层含水量相关性分析 550nm 710-720nm 816nm 1520nm 600nm 1340nm 1715- 1720nm 光谱指数选择与构建光谱指数选择与构建 AbbreviationNameFoumulaReference NDWINormalised Difference Water Index(R860-R1240)/(R860+R1240) Gao et al.(19

17、96) SRWISimple ratio water indexR860/R1240Zarco-Tejadaetal. (2003) WIWater indexR900/970Peuelas et al(1997) NDVINormalised Difference Vegetation Index (R800-R670)/(R800+R670) Rouse et al. (1973) Red edge NDVIRed Edge Vegetation Index(R750-R705)/(R750+R705) Verdebout(1994) PRIPhotochemical Reflectanc

18、e Index(R570-R531)/(R570+R531) Gamon et al.(1992) NDIINormalized difference infrared index(R820-R1600)/(R820+R1600)Hardinskyet al,(1983) OSAVIOptimized Soil-Adjusted Vegetation Index (1+0.16)(R800-R670)/(R800+R670+0.16)Rondeaux (1996) SRISimple Ratio IndexR900/R680Rouse et al. (1973) SACDI-1Semi-Ari

19、d Crop drought Index-1(R1400-R690)/(R1400+R690)This study SACDI-2Semi-Arid Crop drought Index-2R780/1750This study SACDI-3Semi-Arid Crop drought Index-3(R780-R1750)/(R780+1750)This study SACDI-4Semi-Arid Crop drought Index-4(R720-R550)/( R1340- R1720)This study 光谱指数与土壤含水量的关系光谱指数与土壤含水量的关系 IndexField2

20、Field3 RR(jointing)R(booting)R(heading) NDWI0.0530.867*0.671*0.896* SRWI0.1640.874*0.678*0.905* WI-0.030.880*0.807*0.802* NDVI0.876*0.806*0.821*0.839* Red edge NDVI0.857*0.795*0.830*-864*. PRI-0.775*-0.856*-0.681*0.873* NDII0.715*0.802*0.747*0.813* OSAVI0.873*0.887*0.827*0.932* SRI0.723*0.794*0.744*

21、0.746* SACDI-10.493*0.870*0.852*0.913* SACDI-20.671*0.840*0.735*0.873* SACDI-30.730*-0.685*0.748*-0.651* SACDI-4-0.677*-0.905*-0.784*-0.527* 光谱指数与冠层含水量关系光谱指数与冠层含水量关系 IndexField 1Field2 RR NDWI0.575*0.096 SRWI0.612*0.029 WI0.876*-0.06 NDVI0.754*0.745* Red edge NDVI0.819*0.779* PRI0.184-0.839* NDII0.8

22、84*0.646* OSAVI0.734*0.724* SRI0.854*0.886* SACDI-10.61*0.670* SACDI-20.871*0.619* SACDI-30.886*0.649* SACDI-40.571*-.0473* SACDI-50.344-0.453* 作作 物物 水水 分分 反反 演演 模模 型型 与与 指指 数数 土土 壤壤 水水 分分 反反 演演 模模 型型 与与 指指 数数 小结与讨论 模拟冠层光谱与实测光谱对作物不同水分的响应在近红外光区相反； 不同土壤水分条件的叶片光谱与冠层光谱响应不同； 水分胁迫下土壤光谱对冠层光谱影响主要在VIS、SWIR；

23、土壤水势与湿度在20厘米相关性最好； 冠层植被含水量与土壤湿度的关系随作物生育期变化； 根据与作物和土壤水分最大相关反射率构建的干旱指数在不同年份比 较稳定，在干旱条件下拟合效果较好。 谢谢，请各位多提 宝贵建议！ 土壤水势 抽穗期：浅层土壤水势 随胁迫持续，降到了- 16mpa,达严重干旱；在 20厘米以上差异明显。 灌浆期：土壤水势升高， 大田的土壤水势状况接 近不旱（有降雨影响）。 Prosail 模型对三个不同冠层的模拟结果，显示 970与1200nm的吸收现象（J.G.P.W. Clevers,2010） 不同冠层含水 量模拟光谱： 一致响应，含 水量低，反射 率高 冠层光谱与土壤湿

24、度的相关性分析 冠层光谱与土壤相对湿度的相关性分析 780nm 1750nm 1992nm 光谱指数选择与构建光谱指数选择与构建 AbbreviationNameFoumulaReference NDWINormalised Difference Water Index(R860-R1240)/(R860+R1240) Gao et al.(1996) SRWISimple ratio water indexR860/R1240Zarco-Tejadaetal. (2003) WIWater indexR900/970Peuelas et al(1997) NDVINormalised Dif

25、ference Vegetation Index (R800-R670)/(R800+R670) Rouse et al. (1973) Red edge NDVIRed Edge Vegetation Index(R750-R705)/(R750+R705) Verdebout(1994) PRIPhotochemical Reflectance Index(R570-R531)/(R570+R531) Gamon et al.(1992) NDIINormalized difference infrared index(R820-R1600)/(R820+R1600)Hardinskyet

26、 al,(1983) OSAVIOptimized Soil-Adjusted Vegetation Index (1+0.16)(R800-R670)/(R800+R670+0.16)Rondeaux (1996) SRISimple Ratio IndexR900/R680Rouse et al. (1973) SACDI-1Semi-Arid Crop drought Index-1(R1400-R690)/(R1400+R690)This study SACDI-2Semi-Arid Crop drought Index-2R780/1750This study SACDI-3Semi-Arid Crop drought Index-3(R780-R1750)/(R780+1750)This study SACDI-4Semi-Arid Crop drought Index-4(R720-R550)/( R1340- R1720)This study 光谱指数选择与构建光谱指数选择与构建 AbbreviationNameFoumulaReference NDWINormalised Difference Water Index(R860-R1