棉花冠层不同尺度光能空间分布特征研究

刘帅，李亚兵，韩迎春，王国平，杨北方，冯璐，雷亚平，范正义，杜文丽

棉花冠层不同尺度光能空间分布特征研究

刘帅，李亚兵*，韩迎春，王国平，杨北方，冯璐，雷亚平，范正义，杜文丽

（中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南安阳455000）

【目的】棉花冠层光能空间分布是光能利用率高低的直接影响因素之一。为科学量化光能在棉花冠层的空间分布，本研究旨在分析冠层内光合有效辐射（Photosynthetically active radiation，PAR）各分量的空间变化特征。【方法】用空间统计学方法分析了冠层不同空间点、线、面位置PAR的分布特征。【结果】盛花期棉花行间冠层PAR截获率整体变化呈“V”形，即棉行间PAR截获率低于棉行附近位置；高密度的群体冠层中下部PAR截获率纵向变化速率较缓，同时在距地面60 cm处PAR截获率横向变化幅度也较小；不同冠层区域的PAR截获率与密度呈正相关关系，且随播种后时间均呈现先增后减的变化趋势。【结论】适当增大种植密度可以提高群体PAR截获率。运用空间统计学原理精确定位定量分析冠层内PAR的分布，对合理配置棉花种植模式、研究群体株型结构、培育高光效品种具有指导意义。

棉花；冠层；光合有效辐射；Surfer；空间统计学

Abstract:[Objective]Cotton canopy photosynthetically active radiation(PAR)spatial distribution is a significant factor in the light energy coefficient of utilization.The aim of this study is to analyze spatial distribution characteristics of each component of PAR.[Method]PARspatial distribution in the cotton canopy was presented intuitively using a geo-statistical method.[Result](1)At different points,PARspatial distribution was a"V"shape at the flowering stage.However,a short and shallow"V"shape was observed with high plant population density(PPD).(2)At different profiles,the PARinterceptionschanged slightly in the vertical direction of the middle-lower canopy;and the extent of variation was small in the horizontal direction,60 cm from the ground.(3)At different layers,PARinterceptionsincreased with PPD.In thehorizontal direction,PARinterceptionsbetween two adjacent cotton rows were lower than that between nearby cotton rows;in the vertical direction,PARinterceptions in the lower layers were above 0.83,and 0.27 less than in the upper layers.[Conclusion]PAR interception can be increased by increasing PPD suitably.Using geo-statistives to quantify PAR spatial distribution within the cotton canopy precisely and accurately is of great significance for reasonable plant density arrangement,plant architecture molding,and yield improvement variety selection.

Keywords:cotton;canopy;photosynthetically active radiation;Surfer;geo-statistics

光合有效辐射（Photosynthetically active radiation，PAR）是太阳辐射中能被绿色植物用来进行光合作用的那部分能量，是形成生物量的基本能源，并直接影响植物的生长、发育和作物经济产量的提高，同时也是反映作物长势和评测群体生物量的重要特征参数[1-3]。

棉花群体光能利用率与群体冠层结构相关，直接影响棉花光合特性，进而影响生物学产量[4-5]。PAR的空间分布受环境影响很大，探索PAR在作物群体内的空间分布规律，提高光能利用率向来是国内外学者研究的热点之一[6-7]。20世纪中叶，Monsi等的研究表明植物群落生产量与光截获量表现出正相关关系，将Beer-Lambert定律运用在群体冠层辐射模型上，将冠层整体切分成多层，以单层为单位进行测定[8]。该方法简便易用，得到了广泛运用。但在实际观测中，Beer-Lambert定律不能有效地解决植物冠层的空间异质性问题。因此，基于此模型得出的数据与实际情况存在一定的差异。此外，也有学者基于植物冠层消光系数和叶面积指数建立了不同的测定方法和模型，如 CERES[9]、AFRCWHEAT[10]和 CropSyst[11]。但作物群体消光系数是对环境因素敏感的变量，且不容易直接测量。因此，应对不同的研究模型进行相应的完善，以建立更加准确的研究方案。

由于棉花冠层存在空间异质性，其PAR呈不规则分布，运用基于空间统计学原理的Surfer软件研究棉花冠层PAR是1种新模式[12]。为科学准确量化冠层PAR空间分布规律，利用Surfer和空间网格测量法将冠层PAR分别以点、线、面的方式进行量化分析，研究了冠层不同尺度下PAR的分布特点，为提高群体PAR的利用率、完善棉花群体的株型结构、规模化条件下棉花标准化生产管理技术提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况和试验设计

田间试验于2013年在中国农业科学院棉花研究所试验基地 （河南省安阳县，36°06′N，114°21′E）进行。该地土壤类型为轻壤土，全氮含量为660 mg·kg－1，P2O5为 10.3 mg·kg－1，K2O 为 110 mg·kg－1，有机质含量为 9.63 g·kg－1，为多年棉花连作地块，棉花长势稳定。试验设A（密度3.3万株·hm－2）、B（密度 5.1 万株·hm－2）、C（密度 6.9 万株·hm－2）3个处理， 随机区组设计，3次重复，种植棉花品种为鲁棉研28（SCRC 28），播种日期为4月25日，采用地膜覆盖方式，1膜2行，行距为80 cm，施肥、化调、灌溉均采用常规方式。

1.2 空间统计学研究方法

1.2.1 空间插值方法。运用空间统计学软件Surfer的Kriging插值功能可以将离散型数据转化为连续的线或面[13]，用来处理空间分布型数据具有优势。Kriging法可以很好地解决由于空间连续性不规则变化所导致的一系列问题[14]，能表达数据中隐含的趋势，如在高点沿一个脊连接，而不会被“牛眼”等值线所孤立，所得网格图形可较为准确地代表原始数据的特点[14]。其方程为：

其中，φ 为拉格朗日算子，γ(Xi，X0)为已知点与待测点间的变异函数值，γ(Xi，Xj)为已知点间的变异函数值，X0为待测点的估计值。

1.2.2 计算冠层不同剖面直线位置PAR的分布。为方便观察在某一垂直或水平剖面线方向的指标分布情况，在用Kriging插值功能得出连续曲面的基础上，利用Surfer的“Profile”功能得到相应位置的剖面图，并在坐标中以连续曲线的形式表现出该直线位置的PAR变化规律。

1.2.3 计算冠层不同区域PAR的分布。在研究棉花冠层PAR的空间分布时，由于冠层结构的影响，行间与棉行附近PAR差异较大，因此往往需要将冠层位置相近、特性相同的某一区域作为一个单位，从而将冠层分为不同的部分进行特定的分析。Surfer的编程功能可以将冠层进行特定的划分，再利用其“Volume”功能得到冠层不同区域的PAR总量。在计算体积时，采用了辛普森3/8规则，其方程为：

式中hij为第i行j列网格数据点高程，m、n为网格数据文件列、行数，Si为第i个横断面面积，x、y为网格数据列、行间距。其中这2个公式的系数为[1，3，3，2，……3，3，2，1]。

1.3 空间统计学研究方法

传统的冠层PAR分布研究多为一维或二维且通常应用于假设水平均质的作物群体的分布模型，这与作物株型结构的空间异质性相悖。空间网格法则可以描述作物群体空间任意点的PAR分布，很好地克服了空间异质性的问题。

空间网格法即在不同处理的试验区域选取有代表性的2行棉花，在棉花行间（横向80 cm）以及地面到冠层上方（纵向100 cm）每隔20 cm测定PAR （图1）。探头水平向下测定反射PAR（PARr），行间底部垂直向上测量底部入射PAR（PARt）；同时在试验区域旁的保护行棉花冠层顶部架设1台相同的PAR测量仪，探头垂直向上每隔5 s自动测量冠层顶部入射PAR（PARi）。

图1 PAR空间网格法测定示意图Fig.1 Illustration of grid sampling of PAR determination

冠层 PAR（μmol·m－2·s－1）透过率（Tr）、反射率（Rr）和截获率（In）计算公式参考朱相成等[15]的方法。

PAR测量仪器为1 m长的线性光量子传感器 （LI-191SA，LI-COR，Lincoln，NE，USA）， 将 其与 数 据 采 集 器 （LI-1400，LI-COR，Lincoln，NE，USA）相连，记录测量结果。PAR测量在晴朗无风的天气进行，从播种后30 d开始至吐絮期结束，每隔10 d 1次。

2 结果与分析

2.1 冠层不同空间点PAR截获率的量化

棉花封行期和封行程度是衡量群体结构是否合理的重要标志之一[16]。一般7月下旬棉花已经封行。本研究中，盛花期的棉花冠层PAR截获率分布大体呈“V”形（图2），但密度影响冠层结构，随着密度的增加，“V”形趋于平缓。在离地面20 cm处，3个密度PAR截获率均在0.80以上，此时3个密度群体都已封行，但中下部PAR截获率不尽相同，密度C的群体郁蔽程度最高。在离地面20 cm以上，密度A冠层PAR截获率变化范围在0～0.86；密度B为0～0.92；密度C为0.04～0.93。

图2 盛花期冠层PAR截获率不同空间点分布Fig.2 The spatial distribution of the PAR interception at different points during the flowering stage

2.2 冠层不同空间线PAR截获率的量化

在行附近（横向20 cm）、行间（横向 40 cm）和距地面40 cm处观察PAR截获率的变化 （图3、图4）。横向20 cm处，从地面至冠层顶部3个密度截获率变化分别在 0～0.87、0～0.92、0.10～0.93之间；横向40 cm处，从地面至冠层顶部3个密度截获率变化范围分别为0～0.85、0～0.90、0～0.92。距地面60 cm内，C密度PAR截获率降低的速率较缓；距地面60 cm以上，随着高度的增加密度C的PAR截获率减小的速率也在加快，可以看出密度C群体植株封行程度最高，群体遮阴强度最大。在距底部高度40 cm处，由于光照角度以及测量方式的原因，PAR截获率均表现为左低右高，密度A、B、C的PAR截获率变化范围分别是 0.60～0.79、0.72～0.90、0.80～0.92；冠层底部靠近棉株0 cm处，3个密度PAR截获率分别为0.74、0.86、0.84；冠层底部靠近棉株80 cm处，3个密度 PAR截获率分别为 0.79、0.90、0.92，这表明在密度B和C下冠层底部靠近棉行位置的PAR截获率已接近最大值。

2.3 冠层不同空间区域PAR截获率的量化

在比较棉花群体PAR时，点和线不能有效代表具有相似特征的某一冠层区域，因此在分析这一具有相似特征的区域时，需要将冠层PAR分为特定的区域并量化。

由辛普森3/8方法计算得出盛花期3个密度棉花冠层群体截获率分别为0.568 9、0.612 1、0.641 4。棉花下部、中部果枝的内围果节（第1～2节位）是结铃的主要部位，养分供应遵循就近分配原则[17]142-143，因此在水平方向将冠层分为内外2部分，在垂直方向分为上中下3部分来观察（图5）。外部为靠近棉株20 cm以内，即内围（第1～2节位）果节区域是影响产量的重要部位。由于棉花生长后期叶片的衰老、脱落，冠层不同区域PAR截获率的变化随播种后时间呈现先增后减的趋势（图6），且在播种后100 d达到最大，随后逐渐减小。但在整个生育期内，低密度下的PAR截获率均低于高密度处理。

图3 冠层水平和垂直剖面分析PAR截获率的变化Fig.3 Analysis on profiles of the horizontal and vertical positions

图4 盛花期冠层不同剖面线PAR截获率的变化Fig.4 Variations of the PAR interception for different profiles during the flowering stage

在水平方向上，冠层内部（A1，B1，C1）PAR 截获率低于外部（A2，B2，C2）；在垂直方向上，3 个密度下部区域PAR截获率均在0.83以上，中部则明显低于下部。密度B和C的冠层截获率在中下部相差不大，在上部区域，3个密度均没有较大差异。但总的来说，不同密度棉花群体相同位置区域的PAR累积截获率与密度呈正相关（表 1）。

3 结论

棉花不同于其他经济作物，具有独特的生长发育习性，如无限生长、喜温喜光等。因此，寻求棉花的高光效途径一直是国内外研究的热点[7,18-19]。研究棉花冠层PAR的传统方法是经典的空间取样法，以冠层一点或多点的PAR特征值来代表该群体的冠层PAR空间分布特征，这往往不能全面代表冠层PAR的空间分布特征。此外，棉花冠层结构可塑性大，群体受光程度与冠层结构具有高度相关性，一点或多点的特征值也不能满足对群体结构的描述。而空间统计学方法可以很好地克服空间异质性的问题，能比较全面直观地描述群体冠层PAR的分布特征。

图5 不同区域冠层PAR截获率分布Fig.5 Distributions of PAR interception in different layers of canopy

种植密度是构成群体结构的基础因素，也是影响冠层PAR分布的关键因素之一[20-22]。密度直接影响个体的生长和发育[17]409-411，李亚兵等[12]的研究得出棉花群体光能利用率在一定范围内随密度的增加而增加，但过高的密度非但不能使光能利用率进一步提高，反而会影响棉花的经济学产量。笔者利用空间统计学方法分析了不同密度棉花群体冠层不同空间点、线、面的PAR分布特征，明确了冠层PAR截获率变化特征。结合棉花的养分运输特性，在棉花生产中应采取相应的栽培措施，提高冠层中下部PAR总量，从而提高冠层中部和下部内围铃的成铃率和铃重。

目前中国棉花的种植方式正在转向规模化、机械化、轻简化和集约化[23]，栽培方式是提高棉花产量的重要因素之一，而寻求空间结构的合理配置是关键的一环。在进行棉花栽培试验研究时，运用空间统计学原理和方法能够科学准确地量化PAR空间分布状况，以应对在不同环境下，有目的地改进栽培模式。

4 讨论

精确量化冠层PAR空间分布对于优化栽培措施提高单产具有重要意义。本研究表明，密度的差异直接影响了PAR的空间分布。不同密度下PAR空间点的分布整体呈“V”形，即棉行间PAR截获率低于棉行附近位置。在冠层特定剖面线位置，不同密度下，PAR截获率也有差异。高密度下，冠层中下部PAR截获率纵向变化速率较缓，同时在距地面60 cm处PAR截获率横向变化幅度也较小。在冠层不同空间区域，垂直方向上，低密度下棉行间与棉行附近位置PAR截获率差异较高密度大。不同区域PAR截获率随播种

后时间均呈现先增后减的趋势，在播种后100 d左右PAR截获率达到最大。从分析得出，在黄河流域，6.9万株·hm－2种植密度的群体在冠层中下部有较高的PAR截获率，且在冠层上部PAR截获率与低密度没有较大差异，是相对合适的种植密度。

图6 不同区域PAR截获率随播种后时间的变化Fig.6 Variations of PAR interception with day after sowing in different layers

表1 盛花期冠层不同区域PAR平均截获率Table 1 The average PAR interceptions in different layers during the flowering stage

[1]Maddonni G A,Otegui M E.Leaf area,light interception,and crop development in maize[J].Field Crops Research,1996,48(1):81-87.

[2]Maddonni GA,Chelle M,Drouet JL,et al.Light interception of contrasting azimuth canopies under square and rectangular plant spatial distributions:Simulation and crop measurements[J].Field Crop Research,2001,70(1):1-13.

[3]Higashide T.Light interception by tomato plants(Solanum lycopersicum)grown on a sloped field[J].Agricultural and Forest Meteorology,2009,149(5):756-762.

[4]罗宏海,朱建军,张旺锋,等.不同配置方式对棉花冠层结构及产量的影响[J].新疆农业科学,2004,41(4):240-243.

Luo Honghai,Zhu Jianjun,Zhang Wangfeng,et al.Effect of plant modes on canopy structure and yield[J].Xinjiang Agricultural Sciences,2004,41(4):240-243.

[5]赵中华,刘德章,郭美丽,等.棉花群体冠层结构与干物质生产及产量的关系[J].棉花学报,1997,9(2):90-94.

Zhao Zhonghua,Liu Dezhang,Guo Meili,et al.The relationship of cotton canopy structure,photosynthetic characters,dry matter accumulation and distribution and yield[J].Acta Gossypii Sinica,1997,9(2):90-94.

[6]Zande D V,Stuckens J,Verstraeten W W,et al.3D modeling of light interception in heterogeneous forest canopies using ground-based LiDAR data[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation,2011,13(5):792-800.

[7]Fila G,Sartorato I.Using leaf mass per area as predictor of light interception and absorption in crop/weed monoculture or mixed stands[J].Agricultural and Forest Meteorology,2011,151(5):575-584.

[8]Monsi M,Saeki T.Uber den Lichfaktor in den Pflanzengesellschaften und seine Bedeutung fur die Stoffproduktion[J].Japanese Journal of Botany,1953,14:22-52.

[9]Nouna B B,Katerji N,Mastrorilli M.Using the CERES-Maize model in a semi-arid mediterranean environment.Evaluation of model performance[J].European Journal of Agronomy,2000,98(2):190-201.

[10]Jamieson PD,Porter JR,Goundriaan J,et al.A comparison of the models AFRCWHEAT2,CERES-Wheat,Sirius,SUCROS2 and SWHEAT with measurements from wheat grown under drought[J].Field Crops Research,1998,55(1/2):23-44.

[11]Stockle CO,Donatelli M,Nelson R.CropSyst,a cropping systemssimulationmodel[J].European Journal of Agronomy,2003,18(3/4):289-307.

[12]李亚兵,毛树春,冯璐,等.基于地统计学的棉花冠层光合有效辐射空间分布特征[J].农业工程学报,2012,28(22):200-206.

Li Yabing,Mao Shuchun,Feng Lu,et al.Spatial distribution characteristics of photosynthetic active radiation in cotton canopy based on geo-statistics[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2012,28(22):200-206.

[13]白世彪,闾国年,杨一鹏.关于ArcGIS和Surfer格网文件的转换方法[J].测绘通报,2005(2):48-50,54.

Bai Shibiao,LüGuonian,Yang Yipeng.Conversion method between ArcGIS and Surfer GRD[J].Bulletin of Surveying and Mapping,2005(2):48-50,54.

[14]杨路华,刘玉春,柴春玲,等.应用Surfer软件进行喷（微）灌均匀度分析[J].节水灌溉,2004(5):14-16.

Yang Luhua,Liu Yuchun,Chai Chunling,et al.Application of Surfer softwarefor uniformity analysis of sprinkler irrigation or micro irrigation[J].Water Saving Irrigation,2004(5):14-16.

[15]朱相成,汤亮,张文宇,等.不同品种和栽培条件下水稻冠层光合有效辐射传输特征[J].中国农业科学,2012,45(1):34-43.

Zhu Xiangcheng,Tang Liang,Zhang Wenyu,et al.Transfer characteristics of canopy photo-synthetically active radiation in different rice cultivars under different cultural conditions[J].Scientia Agricultura Sinica,2012,45(1):34-43.

[16]毛树春,薛中立,张西岭,等.棉花不同配置方式群体光能分布规律的探讨[J].棉花学报,1993,5(1):65-72.

Mao Shuchun,Xue Zhongli,Zhang Xiling,et al.Studies on light distribution of different cotton population intercropped with wheat under different planting patterns[J].Cotton Science,1993,5(1):65-72.

[17]中国农业科学院棉花研究所.中国棉花栽培学[M].上海:上海科学技术出版社,2013:142-143,210-211.

Instituteof Cotton Research of Chinese Academy of Agricultural Sciences.China cotton cultivation[M].Shanghai:Shanghai Scienceand Technology Press,2013:142-143,210-211.

[18]Evangelos D G,Derrick M O,Androniki CB.Light interception and radiation use efficiency of okra and normal leaf cotton isolines[J].Environmental and Experimental Botany,2011,72(2):217-222.

[19]Xue HY,Han Y C,Li Y B,et al.Spatial distribution of light interception by different plant population densities and its relationship with yield[J].Field Crops Research,2015,184:17-27.

[20]Francescangeli N,Sangiacomo M A,Marti H.Effects of plantdensity in broccolion yield and radiation use efficiency[J].Scientia Horticulturae,2006,110(2):135-143.

[21]Mao L L,Zhang LZ,Zhao X H,et al.Crop growth,light utilization and yield of relay intercropped cotton as affected by plant density and a plant growth regulator[J].Field Crops Research,2014,155:67-76.

[22]Yaseen M,Singh M,Singh U B,et al.Optimum planting time,method,plant density,size of planting material,and photo synthetically activeradiation for safed musli(Chlorophytum borivilianum)[J].Industrial Cropsand Products,2013,43:61-64.

[23]董合忠,毛树春,张旺锋,等.棉花优化成铃栽培理论及其新发展[J].中国农业科学,2014,47(3):441-451.

Dong Hezhong,Mao Shuchun,Zhang Wangfeng,et al.On boll-setting optimization theory for cotton cultivation and its new development[J].Scientia Agricultura Sinica,2014,47(3):441-451. ●

中国棉花杂志社关于谨防假冒网站的再次声明

近期，有数位作者致电我社，反映有人以中国棉花杂志社、《中国棉花》或《棉花学报》编辑部等名义向他们收取一定数额的稿件审理费（或称版面费定金等），并很快又通知缴纳数额不等的版面费，收费账号为私人账号。现郑重声明如下：

1.中国棉花杂志社《中国棉花》和《棉花学报》所有来稿均需要从http://journal.cricaas.com.cn进行在线投稿，不接受任何邮箱投稿。其他网址均为假冒。

2.我社从未委托其他机构或网站代理稿件等业务。

3.经同行评议及编辑部研究，《中国棉花》和《棉花学报》拟录用的稿件会收取相应的版面费，但不会在拟录用前收取。两刊收取费用均以中国棉花杂志社的正式通知为准，建议作者缴费前登录网站查询核实。

4.上述所有收费只有两种途径：

（1）邮局汇款的收件人为中国棉花杂志社。

（2）银行转账的户名为中国农业科学院棉花研究所。

具体信息均以费用通知为准。

5.我社联系方式如下：

电话：0372-2525361，2525362，2525369

邮箱：journal@caas.cn；cottonsci@gmail.com

网址：http://journal.cricaas.com.cn

地址：河南省安阳市文峰区黄河大道38号中棉所

所有以我社或两刊名义要求汇款到私人账号的通知均与我社无关，请勿上当受骗。

中国棉花杂志社

2017年7月11日

Study on Light Spatial Distribution at Different Scales in the Cotton Canopy

Liu Shuai,Li Yabing*,Han Yingchun,Wang Guoping,Yang Beifang,Feng Lu,Lei Yaping,Fan Zhengyi,Du Wenli
(Institute of Cotton Research of Chinese Academy of Agricultural Sciences/State Key Laboratory of Cotton Biology,Anyang,Henan 455000,China)

S562.04

A

1002-7807（2017）05-0447-09

10.11963/1002-7807.lslyb.20170903

2016-05-16

刘帅（1990―），男，硕士研究生，liushuai199@126.com。*通信作者：李亚兵，criliyabing@163.com

国家科技支撑计划（2014BAD03B02-2）；农业部公益性行业（农业）科研专项（201203057-01）