基于LAI-2200冠層分析儀的水稻葉面積指數(shù)測(cè)定條件

石晶明 袁沭 居為民

摘要：葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）是表征作物生長(zhǎng)狀況的重要冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)，直接破壞采樣法采樣和間接光學(xué)測(cè)量是2種主要的LAI測(cè)量方法，其中LAI-2200冠層分析儀是最常用的測(cè)量LAI的光學(xué)儀器之一，計(jì)算方法和傳感器觀測(cè)天頂角范圍都會(huì)對(duì)其觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。利用LAI-2200冠層分析儀對(duì)水稻LAI進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，以直接破壞采樣方法觀測(cè)的LAI（LAId）作為參考，比較分析不同觀測(cè)天頂角范圍、不同計(jì)算方法（2000方法和Lang方法）得到的LAI觀測(cè)值差異。結(jié)果表明，LAI觀測(cè)值隨著所用LAI-2200數(shù)據(jù)觀測(cè)天頂角范圍的減小而增大，在LAI>3時(shí)更明顯，且相對(duì)于2000計(jì)算方法，Lang計(jì)算方法對(duì)所用數(shù)據(jù)觀測(cè)天頂角范圍變化更加敏感。2000方法和Lang方法得到的LAI高度相關(guān)，r2均高于0.9，隨著觀測(cè)天頂角范圍的減小，2種方法的結(jié)果差異增大。僅對(duì)0～43.4°天頂角范圍的數(shù)據(jù)，2000方法計(jì)算的結(jié)果明顯小于Lang方法，差異最大可達(dá)1.54。LAI-2200觀測(cè)的LAI與LAId高度相關(guān)，r2為0.914～0.942，但存在不同程度的低估，且隨著LAId的上升，低估程度增大。隨著所用數(shù)據(jù)觀測(cè)天頂角范圍的減小，2種方法計(jì)算的LAI與LAId比較的均方根誤差（RMSE）增大。如采用Lang計(jì)算方法，觀測(cè)天頂角范圍為0～74.1°時(shí)的RMSE為0.577 1，觀測(cè)天頂角范圍為0～43.41°時(shí)的RMSE為0.698 0;如采用2000計(jì)算方法，觀測(cè)天頂角范圍為0～74.1°時(shí)的RMSE為0.607 8，觀測(cè)天頂角范圍為0～43.41°時(shí)的RMSE為0.698 0。Lang方法能相對(duì)精確地觀測(cè)水稻LAI（r2=0.941 5，RMSE=0.577 1）。本研究為水稻田L(fēng)AI測(cè)量提供了方法和數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：破壞采樣法;間接光學(xué)測(cè)量;葉面積指數(shù);植被面積指數(shù);觀測(cè)天頂角;LAI-2200

中圖分類號(hào)： S127;TP79? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2022）10-0208-09

葉面積指數(shù)（leaf area index，簡(jiǎn)稱LAI）定義為水平地面面積上總綠葉面積的一半[1]，是重要的植被結(jié)構(gòu)參數(shù)，顯著影響生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)與能量循環(huán)過程。因此，LAI是生態(tài)、陸面過程和水文模型的重要狀態(tài)變量或輸入數(shù)據(jù)，可靠的LAI數(shù)據(jù)有助于減小模型結(jié)果的不確定性[2-3]。高質(zhì)量的LAI地面觀測(cè)數(shù)據(jù)是采用統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行LAI遙感估算的基礎(chǔ)，也將為采用反演方法生成的LAI數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

直接破壞性采樣和光學(xué)儀器是LAI地面觀測(cè)的2種主要方法。直接破壞性采樣方法具有較高的觀測(cè)精度，并且觀測(cè)的是真實(shí)LAI，可為光學(xué)儀器的觀測(cè)結(jié)果提供參考[4]，但是這類方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力。光學(xué)儀器觀測(cè)方法通過測(cè)得的冠層孔隙率計(jì)算LAI，方法簡(jiǎn)單、效率高[5-6]。LAI-2200冠層分析儀、TRAC和DHP等是測(cè)量LAI常用的光學(xué)儀器[7-14]，不同的光學(xué)儀器測(cè)量結(jié)果存在差異[15] 。如利用LAI-2200觀測(cè)農(nóng)田L(fēng)AI觀測(cè)時(shí)，其觀測(cè)天頂角范圍、由孔隙率計(jì)算LAI的方法都對(duì)其觀測(cè)結(jié)果具有顯著影響[16]。此外，利用光學(xué)儀器僅能觀測(cè)有效LAI，需要與聚集指數(shù)（clumping index，Ω）數(shù)據(jù)結(jié)合才能得到真實(shí)LAI[14，17-18]。

農(nóng)田是重要的生態(tài)系統(tǒng)，為了有效實(shí)施農(nóng)田管理需要可靠的LAI數(shù)據(jù)[19-20]。研究表明，現(xiàn)有的全球LAI數(shù)據(jù)產(chǎn)品在農(nóng)田存在較大的不確定性并且差異顯著[21]。所以，需要采集更多農(nóng)田的LAI觀測(cè)數(shù)據(jù)，并比較不同方法觀測(cè)結(jié)果的差異，為提高農(nóng)田L(fēng)AI遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量提供參考。Fang 等在中國(guó)東北地區(qū)的研究表明，不同方法反演的水稻和高粱等作物的LAI差異明顯，部分LAI遙感產(chǎn)品存在明顯低估現(xiàn)象[21]，破壞性采樣法和光學(xué)儀器觀測(cè)的LAI存在差異[22]，2種方法觀測(cè)的LAI在其他地區(qū)農(nóng)田的差異還有待進(jìn)一步研究。水稻是我國(guó)的主要農(nóng)作物品種之一，其種植面積為3 008萬hm2，約占全國(guó)糧食種植面積總量的25.8%，產(chǎn)量為2.12億t，約占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的31.6%（http：//www.stats.gov.cn/）。因此，進(jìn)行水稻LAI觀測(cè)研究，具有重要的參考和應(yīng)用價(jià)值。

本研究以位于江蘇省句容市的南京大學(xué)生態(tài)試驗(yàn)站內(nèi)的水稻為研究對(duì)象，采用直接破壞性采樣法和LAI-2200進(jìn)行2020年不同生育期水稻冠層LAI觀測(cè)，分析LAI-2200觀測(cè)天頂角范圍和由孔隙率計(jì)算LAI方法導(dǎo)致的觀測(cè)結(jié)果差異，比較直接破壞性采樣和LAI-2200觀測(cè)結(jié)果的差異。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)和地面采樣觀測(cè)

本研究在南京大學(xué)生態(tài)試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)站位于江蘇省句容市后白良種場(chǎng)（31°48′24.59″E、119°13′2.15″N） （圖1），研究區(qū)平均海拔15 m，氣候?yàn)閬啛釒О霛駶?rùn)季風(fēng)性氣候，冬季溫和濕潤(rùn)，雨熱同期，四季分明，年平均氣溫15.2 ℃，年平均降水量1 058.8 mm，土壤類型為黏壤土。單季稻于6月中下旬插秧，11月中下旬收割，生長(zhǎng)季長(zhǎng)，可達(dá) 150 d 以上。

地面測(cè)量自2020年7月10日（日序DOY=192）水稻插秧后20 d開始，共進(jìn)行11次觀測(cè)，平均每12 d進(jìn)行1次觀測(cè)，持續(xù)至2020年11月12日水稻收獲（DOY=317）（表1）。為了減少破壞性采樣和測(cè)量干擾的影響，采用移動(dòng)采樣的方法，每次在不同位置選擇3個(gè)代表性樣方（1 m×1 m），先利用 LAI-2200 冠層分析儀和TRAC葉面積指數(shù)檢測(cè)儀（TRAC）進(jìn)行測(cè)量，后進(jìn)行破壞性采樣測(cè)量。

1.2 LAI觀測(cè)方法

1.2.1 LAI-2200觀測(cè)方法

LAI-2200觀測(cè)的基本原理是Beer定律[23-25]：

P（θ）=e-G（θ）PAIe（θ）/（cosθ）。（1）

式中：P（θ）是天頂角為θ的透過率;PAIe （θ）為有效植被面積指數(shù)[PAIe （θ）=ΩPAI （θ），其中Ω為聚集度指數(shù)];PAI （θ）為真實(shí)植被面積指數(shù);G（θ）為葉片在天頂角為θ方向上的投影系數(shù)。隨葉傾角和觀測(cè)角度變化，對(duì)球形冠層而言該參數(shù)約為0.5。

根據(jù)方程（1），天頂角為θ時(shí)觀測(cè)的PAIe為：

PAIe（θ）=-2[lnP（θ）]cosθ。（2）

利用LAI-2200觀測(cè)的冠層PAIe是不同天頂角范圍觀測(cè)值的加權(quán)和：

PAIe=∑Ni=1PAIe（θi）Wi。（3）

式中：N是天頂角區(qū)間的數(shù)量;Wi是不同天頂角范圍的權(quán)重。

利用LAI-2200配備的魚眼傳感器可觀測(cè)5個(gè)不同天頂角范圍（環(huán)）的冠層孔隙率，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的PAIe（θi）（i=1，…，5）。每個(gè)環(huán)對(duì)應(yīng)的天頂角范圍和權(quán)重見表2。

表2 LAI-2200不同環(huán)的天頂角范圍和權(quán)重因子

環(huán)數(shù)角度范圍（°）權(quán)重因子

n=5n=4n=3

第1環(huán)0～12.30.0410.0620.110

第2環(huán)16.7～28.60.1310.1980.352

第3環(huán)32.4～43.40.2010.3020.538

第4環(huán)47.3～58.10.2900.438

第5環(huán)62.3～74.10.337

注：n為計(jì)算PAIe所用的總環(huán)數(shù)。

Lang提供了一種簡(jiǎn)便的PAIe計(jì)算方法[26]，通過擬合[lnP（θ）]cosθ與θ（弧度）之間的線性關(guān)系計(jì)算PAIe，即：

-[lnP（θ）]cosθ=B+Aθ;（4）

PAIe=2（A+B）。（5）

利用方程（2）和方程（3）計(jì)算LAI的方法稱為2000方法，將利用方程（4）和方程（5）計(jì)算LAI的方法稱為L(zhǎng)ang方法。

野外觀測(cè)每次都在3個(gè)1 m×1 m的樣方內(nèi)進(jìn)行。在每個(gè)樣方內(nèi)沿著2條對(duì)角線觀測(cè)PAIe，取其平均值作為樣方PAIe的觀測(cè)值;在每條對(duì)角線上均勻分布7個(gè)點(diǎn)，先在冠層上方觀測(cè)a值，再在冠層下方觀測(cè)b值，用于計(jì)算孔隙率;根據(jù)7個(gè)點(diǎn)孔隙率對(duì)數(shù)的平均值計(jì)算得到沿1條對(duì)角線的PAIe。LAI-2200 的觀測(cè)在日落前、天空為散射光條件下進(jìn)行。

利用晴天中午時(shí)采用TRAC觀測(cè)的Ω將PAIe轉(zhuǎn)換為植被面積指數(shù)PAI：

PAI=PAIeΩ。（6）

采用公式（7）計(jì)算得到水稻葉面積指數(shù)LAI：

LAI=PAI（1-α）（1-γ）。（7）

式中：α為莖和穗的面積指數(shù);γ是黃葉的面積指數(shù)。它們的值根據(jù)破壞性采樣法的觀測(cè)數(shù)據(jù)確定。

1.2.2 破環(huán)性采樣觀測(cè)

每次觀測(cè)時(shí)利用LAI-2200觀測(cè)樣方內(nèi)水稻的總穴數(shù)和總株數(shù)并記錄，選取3個(gè)代表穴取樣保鮮帶回實(shí)驗(yàn)室處理。對(duì)代表穴的莖、綠葉、黃葉和穗進(jìn)行分離，用掃描儀對(duì)代表性莖、綠葉、黃葉和穗進(jìn)行掃描，計(jì)算掃描面積（葉片）或投影面積（莖和穗）。在測(cè)量代表性莖、綠葉、黃葉和穗的面積后，烘干，測(cè)定其干質(zhì)量。同時(shí)，對(duì)其余的莖、綠葉、黃葉和穗進(jìn)行烘干并測(cè)定其干質(zhì)量。

3個(gè)代表穴水稻莖、綠葉、黃葉和穗的面積Sj計(jì)算公式為：

Sj=sj×Mj/mj。（8）

式中：sj為代表性莖、綠葉、黃葉和穗的面積（j=1，2，3，4，分別代表莖、綠葉、黃葉、穗）;Mj為3穴的莖、綠葉、黃葉和穗總干質(zhì)量;mj為代表性莖、綠葉、黃葉和穗的干質(zhì)量。

破壞性采樣法觀測(cè)的樣方綠葉面積指數(shù)LAId計(jì)算公式為

LAId=S2×N1/3。（9）

式中：N1為樣方內(nèi)水稻的總穴數(shù)。

破壞性采樣法觀測(cè)的樣方植被面積指數(shù)PAId計(jì)算為

PAId=N1/3×∑4j=1Sj。（10）

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞性采樣法觀測(cè)的水稻葉面積指數(shù)（LAId）變化特征

破壞性采樣法觀測(cè)的不同時(shí)間水稻葉面積指數(shù)（LAId）和植被面積指數(shù)（PAId）見圖2。LAId在生長(zhǎng)季內(nèi)先逐漸上升，在揚(yáng)花期（DOY=240）達(dá)到峰值（7.40），其后下降，整個(gè)生長(zhǎng)季的平均值為3.75。在揚(yáng)花期之前，綠葉不斷增多，基本沒有黃葉，PAId主要包括LAId和莖的面積指數(shù)，莖的面積指數(shù)明顯小于LAId，所以LAId占PAId的比例高于80%;揚(yáng)花之后，水稻不再長(zhǎng)新葉，已有葉片逐步變黃，稻穗逐步長(zhǎng)大，PAId仍然略有增大，LAId開始不斷下降，導(dǎo)致LAId占PAId的比例開始明顯下降。在水稻生長(zhǎng)后期（DOY>286），葉片由下而上逐步枯萎，甚至發(fā)生凋落，PAId明顯下降，但幅度小于LAId。臨近收獲時(shí)，LAId僅為0.78，僅為峰值的10.5%;PAId為 5.74為峰值的60.0%。

2.2 LAI-2200觀測(cè)的葉面積指數(shù)

LAI-2200觀測(cè)的水稻LAI受觀測(cè)天頂角的影響，觀測(cè)的LAI隨著天頂角范圍的減小而增大[27] 。采用LAI-2200不同觀測(cè)天頂角范圍數(shù)據(jù)得到的LAI見圖3，無論是采用2000計(jì)算方法還是Lang計(jì)算方法，利用LAI-2200不同觀測(cè)天頂角范圍數(shù)據(jù)得到的LAI高度線性相關(guān)。采用2000計(jì)算方法，利用第1環(huán)～第5環(huán)（觀測(cè)天頂角范圍為0～74.1°）數(shù)據(jù)（簡(jiǎn)稱“2000方法-5環(huán)”，其他以此類推）計(jì)算的LAI與利用第1環(huán)～第4環(huán)（觀測(cè)天頂角范圍為0～58.1°）和第1環(huán)～第3環(huán)（觀測(cè)天頂角范圍為 0～43.4°）數(shù)據(jù)計(jì)算的LAI之間的r2分別為0.998和0.986;利用第1環(huán)～第4環(huán)數(shù)據(jù)計(jì)算的LAI與利用第1環(huán)～第3環(huán)數(shù)據(jù)計(jì)算的LAI之間的r2為0.993。采用Lang計(jì)算方法，利用第1環(huán)～第5環(huán)數(shù)據(jù)計(jì)算的LAI與利用第1環(huán)～第4環(huán)和第1環(huán)～第3環(huán)數(shù)據(jù)計(jì)算的LAI之間的r2分別為0.991和0.962;利用第1環(huán)～第4環(huán)數(shù)據(jù)計(jì)算的LAI與利用第1環(huán)～第3環(huán)數(shù)據(jù)計(jì)算的LAI之間的r2為0.984?？傮w而言，隨著所用數(shù)據(jù)觀測(cè)天頂角范圍（環(huán)數(shù)）減小，得到的LAI觀測(cè)值增大，在LAI>3時(shí)更加明顯，Chen等在加拿大針葉林的觀測(cè)研究也有類似的發(fā)現(xiàn)[27]。相對(duì)于2000計(jì)算方法，Lang計(jì)算方法對(duì)所用數(shù)據(jù)觀測(cè)天頂角范圍變化更加敏感。

對(duì)于相同的觀測(cè)天頂角范圍數(shù)據(jù)見圖4，不同計(jì)算方法得到的LAI也不同?？傮w而言，2種方法得到的LAI高度相關(guān);但是，隨著觀測(cè)天頂角范圍的減小，2種方法的結(jié)果差異增大。采用LAI-2200的第1環(huán)～第5環(huán)數(shù)據(jù)（觀測(cè)天頂角范圍為0～74.1°），2種方法計(jì)算的LAI之間的 r2為0.996、線性關(guān)系的斜率（Lang方法結(jié)果為y，2000方法結(jié)果為x，下同）為0.937。如采用第1環(huán)～第4環(huán)數(shù)據(jù)（觀測(cè)天頂角范圍為 0～58.1°），r2為0.978、線性關(guān)系的斜率為0.979。如采用第1環(huán)～第3環(huán)數(shù)據(jù)（觀測(cè)天頂角范圍為0～43.4°），r2為0.941、線性關(guān)系的斜率為1.050。

如利用LAI-2200的第1環(huán)～第5環(huán)觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用2000方法和Lang方法計(jì)算的LAI基本一致，2000和Lang方法計(jì)算的全部樣本的LAI平均值分別為2.90和2.82。但是，當(dāng)LAI大于3時(shí)，采用2000方法計(jì)算的結(jié)果高于Lang方法的結(jié)果，且隨著LAI的上升，2種方法計(jì)算結(jié)果的差異增大。利用第1環(huán)～第4環(huán)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，2000方法計(jì)算的結(jié)果普遍小于Lang方法，但差距都小于0.7，2000方法和Lang方法計(jì)算的全部樣本的LAI平均值分別為3.29和3.48。如僅利用第1環(huán)～第3環(huán)數(shù)據(jù)，2000方法計(jì)算的結(jié)果普遍小于Lang方法，差異最大可達(dá)1.54，2000方法和Lang方法計(jì)算的全部樣本的LAI平均值分別為3.30和3.87。

2.3 LAI-2200和破壞性采樣法觀測(cè)結(jié)果的比較

將LAI-2200觀測(cè)的PAIe轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)AI，與破壞性采樣法觀測(cè)的LAId進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，LAI-2200觀測(cè)的LAI與LAId的變化趨勢(shì)一致，即先增大后減小（圖5）。在水稻生長(zhǎng)初期和后期（LAId<3），LAI-2200觀測(cè)的LAI對(duì)觀測(cè)天頂角范圍的變化不敏感;在水稻生長(zhǎng)旺季，LAI-2200觀測(cè)的LAI對(duì)觀測(cè)天頂角范圍的變化敏感，2種計(jì)算方法利用觀測(cè)天頂角0～74.1°數(shù)據(jù)得到的LAI都明顯低于LAId。2000方法計(jì)算的LAI（簡(jiǎn)稱為“LAI2000”）在生育期初期（DOY=192）和后期（DOY>290）與LAId接近，在其余時(shí)期均小于LAId（圖6）。當(dāng)LAId>5時(shí)，使用觀測(cè)天頂角0～43.4°數(shù)據(jù)得到的LAI2000更接近于LAId;在生長(zhǎng)期后期（DOY>290），使用觀測(cè)天頂角0～74.1°數(shù)據(jù)得到的LAI2000與LAId更接近;在其余時(shí)期，利用觀測(cè)天頂角0～58.1°數(shù)據(jù)得到的LAI2000與LAId更一致。

Lang方法計(jì)算的LAI（簡(jiǎn)稱為“LAILang”）在揚(yáng)花期前均低于LAId，在揚(yáng)花期后，使用觀測(cè)天頂角 0～43.4° 數(shù)據(jù)得到的LAILang仍高于LAId，而使用觀測(cè)天頂角范圍0～58.1°和0～74.1° 數(shù)據(jù)的LAILang在灌漿期和乳熟期低于LAId，乳熟期后高于LAId（圖6）。在揚(yáng)花期前，利用觀測(cè)天頂角0～43.4° 數(shù)據(jù)得到的LAILang與LAId差異最小;在揚(yáng)花期、灌漿期和乳熟期，利用0～58.1°的數(shù)據(jù)得到LAILang最接近于LAId;在生育期后期（DOY>290），利用 0～74.1° 的數(shù)據(jù)得到LAILang與LAId更一致。

對(duì)采用不同觀測(cè)天頂角數(shù)據(jù)、不同計(jì)算方法獲得的全部樣方LAI與破壞性采樣法獲得的LAId進(jìn)行比較，結(jié)果見圖7。利用2000和Lang計(jì)算方法、不同環(huán)數(shù)數(shù)據(jù)得到的LAI與破壞性采樣方法觀測(cè)的LAId之間的r2都達(dá)到了0.01的顯著水平，最低為0.908 3、最高為0.941 5，RMSE均小于1，最大為0.70，最小為0.577 1（圖7）。利用觀測(cè)天頂角范圍為0～43.4°數(shù)據(jù)計(jì)算的LAILang斜率最接近1，為1.004;利用觀測(cè)天頂角范圍為0～58.1°數(shù)據(jù)計(jì)算的LAI2000截距最接近0，為-0.061 8;利用觀測(cè)天頂角范圍為0～43.4°數(shù)據(jù)計(jì)算的LAILang的r2最大，利用觀測(cè)天頂角范圍為0～74.1°數(shù)據(jù)計(jì)算的LAI2000的RMSE最小。

對(duì)于觀測(cè)天頂角范圍為0～74.1°的數(shù)據(jù)，2種計(jì)算方法得到的LAI普遍比LAId低，在生長(zhǎng)旺季更加明顯，最大偏低2.77。 對(duì)于觀測(cè)天頂角范圍為 0～58.1°的數(shù)據(jù)，2種計(jì)算方法計(jì)算得到的LAI也普遍低于LAId，最大偏低2.29。對(duì)于觀測(cè)天頂角范圍為0～43.4°數(shù)據(jù)，用Lang方法計(jì)算的LAI在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段低于LAId，在生殖生長(zhǎng)階段高于LAId;用2000方法計(jì)算的LAI普遍較LAId偏低，最大偏低1.76。

如采用2000計(jì)算方法，當(dāng)LAId<3時(shí)，LAI2000偏低不明顯;當(dāng)LAId>3時(shí)，LAI2000偏低程度增大。如采用Lang計(jì)算方法，對(duì)于天頂角范圍為0～43.4°的數(shù)據(jù)，LAILang與LAId之間的差異無明顯變化特征;對(duì)于天頂角范圍為0～58.1°的數(shù)據(jù)，當(dāng)LAId>4時(shí)，LAILang開始明顯低于LAId;對(duì)于天頂角范圍為 0～74.1°的數(shù)據(jù)，當(dāng)LAId>3時(shí)，LAILang開始明顯低于LAId。

3 討論

3.1 觀測(cè)天頂角范圍對(duì)LAI-2200觀測(cè)結(jié)果的影響

本研究顯示，天頂角范圍（環(huán)數(shù)）對(duì)用LAI-2200觀測(cè)的LAI影響顯著?？傮w而言，天頂角范圍減小，LAI增大。用LAI-2200觀測(cè)LAI的理論假設(shè)之一是葉片在藍(lán)光波段的反射率和透過率為0，但實(shí)際情況并非如此。冠層內(nèi)的多次散射會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)的透過率增大，進(jìn)而導(dǎo)致觀測(cè)的LAI偏低。由圖8可知，透過率越小，不同天頂角區(qū)間的接觸數(shù) （-ln[P（θ）cosθ]） 隨透過率變化越明顯。如方程（2）所示，2000方法計(jì)算的LAI等于2倍的接觸數(shù)，接觸數(shù)的誤差會(huì)導(dǎo)致LAI觀測(cè)結(jié)果的誤差。第5環(huán)的天頂角范圍為62.3°～74.1°，太陽光穿過冠層的路徑較長(zhǎng)，降低了透過率，多次散射導(dǎo)致的透過率觀測(cè)值偏高的影響明顯，從而使得利用第5環(huán)孔隙率觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的LAI偏低，使用第1環(huán)～第5環(huán)數(shù)據(jù)計(jì)算LAI時(shí)，第5環(huán)的權(quán)重最大，從而使得利用第1環(huán)～第5環(huán)數(shù)據(jù)得到的LAI明顯偏低。使用較小天頂角范圍的透過率數(shù)據(jù)，多次散射導(dǎo)致觀測(cè)到的透過率偏高現(xiàn)象會(huì)減弱，得到的LAI值增大。

觀測(cè)不同天頂角的透過率不僅與太陽光穿過冠層的路徑有關(guān)，還與冠層的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在灌漿期后，如采用2000計(jì)算方法對(duì)觀測(cè)天頂角范圍為0～43.4°（第1環(huán)～第3環(huán)）數(shù)據(jù)的觀測(cè)結(jié)果小于觀測(cè)天頂角范圍為0～58.1°（第1環(huán)～第4環(huán)）數(shù)據(jù)的觀測(cè)結(jié)果。由不同天頂角觀測(cè)的冠層透過率隨時(shí)間的變化可以看出（圖9），灌漿期之后，第4、第5環(huán)觀測(cè)的冠層透過率很小，第1、第2、第3環(huán)觀測(cè)的冠層透過率呈上升趨勢(shì)，第3環(huán)與第4環(huán)觀測(cè)的冠層透過率差異增大，從而導(dǎo)致利用第1環(huán)～第3環(huán)數(shù)據(jù)計(jì)算的LAI低于利用第1環(huán)～第4環(huán)數(shù)據(jù)的結(jié)果。

如方程（5）所示，Lang方法計(jì)算的LAI等于接觸數(shù)與觀測(cè)天頂角之間線性關(guān)系的斜率（A）與截距（B）之和的2倍。利用第1環(huán)～第3環(huán)、第1環(huán)～第4環(huán)和第1環(huán)～第5環(huán)數(shù)據(jù)擬合的A和B如圖10所示。在拔節(jié)期之前，利用第1環(huán)～第3環(huán)、第1環(huán)～第4環(huán)和第1環(huán)～第5環(huán)數(shù)據(jù)分別擬合的A和B基本相同，計(jì)算的LAI接近。之后，利用第1環(huán)～第3環(huán)數(shù)據(jù)擬合的A值最高，利用第1環(huán)～第5環(huán)數(shù)據(jù)擬合的A值明顯低于利用第1環(huán)～第3環(huán)數(shù)據(jù)和第1環(huán)～第4環(huán)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果;利用第1環(huán)～第5環(huán)數(shù)據(jù)擬合的B值略高于利用第1環(huán)～第4環(huán)數(shù)據(jù)和第1環(huán)～第3環(huán)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果。導(dǎo)致利用第1環(huán)～第5環(huán)數(shù)據(jù)計(jì)算的LAI最低、第1環(huán)～第3環(huán)數(shù)據(jù)計(jì)算的LAI最高。

3.2 LAI-2200不同計(jì)算方法對(duì)結(jié)果的影響

所用由觀測(cè)的冠層空隙率計(jì)算方法對(duì)LAI觀測(cè)結(jié)果影響顯著。對(duì)比方程（3）和方程（5）可以發(fā)現(xiàn)，利用Lang和2000方法計(jì)算的植被面積指數(shù)差異可以近似為PAIe_Lang-PAIe_2000-2A（1-∑Niwiθi）=2A×C。（11）

式中：θi為第i環(huán)天頂角的平均值;C為隨所用環(huán)數(shù)變化的常數(shù)，對(duì)于第1環(huán)～第3環(huán)、第1環(huán)～第4環(huán)和第1環(huán)～第5環(huán)數(shù)據(jù)，C的值分別為0.49、0.31和0.14。

由此可見，利用方程（5）擬合的接觸數(shù)隨觀測(cè)天頂角變化的斜率A為負(fù)值時(shí)，利用Lang方法計(jì)算的PAIe小于利用2000方法計(jì)算的結(jié)果;當(dāng)A為正值時(shí)，利用Lang方法計(jì)算的PAIe大于利用2000方法計(jì)算的結(jié)果;當(dāng)A為0時(shí)，2種計(jì)算方法的結(jié)果相同。A的絕對(duì)值越大，2種方法計(jì)算的結(jié)果差異越明顯。對(duì)于相同的A值，2種方法計(jì)算的PAIe差異隨著所用數(shù)據(jù)天頂角的增大而減小，也就是利用第1環(huán)～第5環(huán)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的差異最小、利用第1環(huán)～第3環(huán)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的差異最大。

由于冠層內(nèi)多次散射的影響，大多數(shù)情況下觀測(cè)的接觸數(shù)隨觀測(cè)天頂角的變化并不是線性的，一般是第3環(huán)接觸數(shù)最大，第4、5環(huán)的接觸數(shù)下降，導(dǎo)致利用第1環(huán)～第3環(huán)數(shù)據(jù)擬合的A值最大、利用第1環(huán)～第5環(huán)數(shù)據(jù)擬合的A值最小甚至出現(xiàn)負(fù)值，加之C隨所用數(shù)據(jù)環(huán)數(shù)的變化特征，如利用第1環(huán)～第3環(huán)數(shù)據(jù)，Lang方法計(jì)算的LAI明顯高于2000方法的計(jì)算結(jié)果;如利用第1環(huán)～第4環(huán)數(shù)據(jù)，Lang方法計(jì)算LAI也高于2000方法的計(jì)算結(jié)果;如利用第1環(huán)～第5環(huán)數(shù)據(jù)，Lang方法計(jì)算LAI與2000方法的計(jì)算結(jié)果接近甚至偏低。

4 結(jié)論

本研究以水稻為研究對(duì)象，利用LAI-2200冠層分析儀對(duì)其LAI進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，以直接破壞采樣方法得到的LAId作為參考，比較分析不同觀測(cè)天頂角范圍、不同計(jì)算方法（2000方法和Lang方法）對(duì)LAI觀測(cè)值的影響，得到的主要結(jié)論如下：

（1）總體而言，LAI觀測(cè)值隨著所用LAI-2200數(shù)據(jù)觀測(cè)天頂角范圍的減小而增大，在LAI>3時(shí)更明顯，且相對(duì)于2000計(jì)算方法，Lang計(jì)算方法對(duì)所用數(shù)據(jù)觀測(cè)天頂角范圍變化更加敏感。Lang方法在觀測(cè)天頂角為0～74.1°時(shí)能相對(duì)精確地觀測(cè)水稻LAI（r2=0.942，RMSE=0.577）。

（2）2000方法和Lang方法得到的LAI高度相關(guān)，r2均高于0.9;但是，隨著觀測(cè)天頂角范圍的減小，2種方法的結(jié)果差異增大。僅對(duì)天頂角0～43.4°的數(shù)據(jù)，2000方法計(jì)算的結(jié)果普遍小于Lang方法，差異最大可達(dá)1.54。

（3）當(dāng)LAId小于3時(shí)，LAI-2200觀測(cè)的LAI對(duì)觀測(cè)天頂角變化不敏感，隨著LAId的增大，LAI-2200觀測(cè)的LAI對(duì)觀測(cè)天頂角變化的敏感性上升。對(duì)于3種不同觀測(cè)天頂角范圍的數(shù)據(jù)，2000方法和Lang方法計(jì)算的LAI與變化趨勢(shì)高度一致（r2>0.91，P<0.01），但存在不同程度的低估，且隨著LAId的上升，低估程度增大。

本研究采集的數(shù)據(jù)和研究結(jié)果將為水稻LAI觀測(cè)和遙感反演提供參考。需要注意的是，LAI-2200不能直接觀測(cè)LAI，本研究采用TARC觀測(cè)的聚集度指數(shù)，結(jié)合采樣估算的莖和穗的面積指數(shù)、黃葉面積指數(shù)將LAI-2200觀測(cè)的PAIe轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)AI，與破壞采樣方法的觀測(cè)數(shù)據(jù)LAId進(jìn)行比較。破壞采樣方法通過選取代表穴進(jìn)行采樣，采用掃描的方法測(cè)量其莖和穗的面積指數(shù)、黃葉面積指數(shù)、綠葉面積指數(shù)，進(jìn)而得到樣方的LAId。莖和穗的面積指數(shù)、黃葉面積指數(shù)測(cè)量結(jié)果的不確定性會(huì)導(dǎo)致LAI-2200的LAI觀測(cè)結(jié)果的不確定性，在一定程度上影響LAI-2200和破壞性采樣方法觀測(cè)數(shù)據(jù)比較的結(jié)果。

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