Plant Phenomics | 利用無人機(jī)量化玉米-大豆間作系統(tǒng)的累積遮陽能力

在間作系統(tǒng)中，較高的作物會(huì)阻擋直接輻射，從而不可避免地對(duì)較低的作物造成遮蔽。累積遮陽能力（CSC）是指在一個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期，被較高作物遮擋的直接輻射量，影響了作物的光截留和輻射利用效率。以往的研究對(duì)間作的光截留和分配進(jìn)行了研究，然而，如何直接量化CSC及其行間異質(zhì)性尚不清楚。
 

2023年11月，Plant Phenomics 在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位題為Quantification of the cumulative shading capacity in a maize-soybean intercropping system using unmanned aerial vehicle 的研究論文。
 

該研究直接定量分析了玉米-大豆間作系統(tǒng)（圖1）中大豆CSC及其行間異質(zhì)性，并探討了CSC與大豆冠層高度的定量關(guān)系。該研究建立了考慮冠層結(jié)構(gòu)（即相鄰玉米和大豆冠層之間冠層高度差異）與太陽位置幾何關(guān)系的定量遮陽能力模型（SCM）：首先根據(jù)大豆帶與相鄰玉米帶冠層高度差和太陽光線的幾何關(guān)系估算遮陽距離，然后估算大豆冠層上的每日累積遮陽時(shí)間，最后測(cè)定遮陽比例和遮陽能能力，具體流程如圖2所示。同時(shí)，量化了CSC的行間異質(zhì)性以及CSC與冠層高度增量之間的定量關(guān)系，可以描述為對(duì)數(shù)函數(shù)（y = 3.61×10-2×ln(x)+6.80×10-1, 如圖3所示）。并評(píng)估模型輸入?yún)��?shù)對(duì)遮陽能力的影響，結(jié)果表明：在其他因素不變的情況下，高緯度地區(qū)的遮陽效果好，種植方向?yàn)?0~120°時(shí)遮陽效果最差。
 

圖1（a) 玉米-大豆間作系統(tǒng)田間試驗(yàn)布局;（b）條帶的種植配置；（c) 從一行到相鄰的南邊玉米帶的距離。
 

圖2 開發(fā)的遮陽能力模型示意圖。（a) 計(jì)算某一時(shí)刻遮陽距離的；（b) 根據(jù)遮陽距離的動(dòng)態(tài)曲線計(jì)算日累計(jì)遮陽時(shí)間；（c) 根據(jù)太陽強(qiáng)度隨遮陽時(shí)間的關(guān)系模擬遮陽比例和遮陽能力。
 

圖3 大豆第41天和第64天的遮陽累積能力與冠層高度增量的關(guān)系。注釋（P,RSE,AIC)作為衡量定量關(guān)系性能的指標(biāo)。誤差棒表示三次重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)差。虛線表示單粒大豆在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段的株高增量。

本研究主要價(jià)值是，開發(fā)了一種遮陽能力模型，可以定量估計(jì)間作系統(tǒng)的累積遮陽能力及其行間異質(zhì)性。該模型可以通過調(diào)整種植配置、種植方向和品種選擇來優(yōu)化間作種植模式。遮陽能力模型只需要測(cè)量輸入?yún)��?shù)（即冠層高度差），利用低成本無人機(jī)系統(tǒng)可以有效獲取。遮陽能力模型與作物模型或遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，可在未來更大的空間尺度上探討遮陽對(duì)間作作物生長(zhǎng)、光競(jìng)爭(zhēng)和小氣候的影響。

論文鏈接：

‍https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0095

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《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）合作創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學(xué)交叉學(xué)科熱點(diǎn)領(lǐng)域具有突破性科研進(jìn)展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點(diǎn)。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術(shù)，基于圖像分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的表型組學(xué)新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、作物模型和其他組學(xué)研究，表型組學(xué)相關(guān)的植物生物學(xué)等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數(shù)據(jù)庫收錄。科睿唯安JCR2021影響因子為6.5，位于農(nóng)藝學(xué)、植物科學(xué)、遙感一區(qū)。2023年中科院期刊分區(qū)位于農(nóng)林科學(xué)大類一區(qū)。2020年入選中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊項(xiàng)目。

說明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。
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撰稿：孫浩（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）
排版：張婕（上海交通大學(xué)）
審核：孔敏、王平