Plant Phenomics | 利用無人機量化玉米-大豆間作系統的累積遮陽能力

在間作系統中，較高的作物會阻擋直接輻射，從而不可避免地對較低的作物造成遮蔽。累積遮陽能力（CSC）是指在一個生長時期，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。以往的研究對間作的光截留和分配進行了研究，然而，如何直接量化CSC及其行間異質性尚不清楚。
 

2023年11月，Plant Phenomics 在線發表了中國農業大學等單位題為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（圖1）中大豆CSC及其行間異質性，并探討了CSC與大豆冠層高度的定量關系。該研究建立了考慮冠層結構（即相鄰玉米和大豆冠層之間冠層高度差異）與太陽位置幾何關系的定量遮陽能力模型（SCM）：首先根據大豆帶與相鄰玉米帶冠層高度差和太陽光線的幾何關系估算遮陽距離，然后估算大豆冠層上的每日累積遮陽時間，最后測定遮陽比例和遮陽能能力，具體流程如圖2所示。同時，量化了CSC的行間異質性以及CSC與冠層高度增量之間的定量關系，可以描述為對數函數（y = 3.61×10-2×ln(x)+6.80×10-1, 如圖3所示）。并評估模型輸入參數對遮陽能力的影響，結果表明：在其他因素不變的情況下，高緯度地區的遮陽效果好，種植方向為90~120°時遮陽效果最差。
 

圖1（a) 玉米-大豆間作系統田間試驗布局;（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 開發的遮陽能力模型示意圖。（a) 計算某一時刻遮陽距離的；（b) 根據遮陽距離的動態曲線計算日累計遮陽時間；（c) 根據太陽強度隨遮陽時間的關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系。注釋（P,RSE,AIC)作為衡量定量關系性能的指標。誤差棒表示三次重復的標準差。虛線表示單粒大豆在營養生長階段的株高增量。

本研究主要價值是，開發了一種遮陽能力模型，可以定量估計間作系統的累積遮陽能力及其行間異質性。該模型可以通過調整種植配置、種植方向和品種選擇來優化間作種植模式。遮陽能力模型只需要測量輸入參數（即冠層高度差），利用低成本無人機系統可以有效獲取。遮陽能力模型與作物模型或遙感數據相結合，可在未來更大的空間尺度上探討遮陽對間作作物生長、光競爭和小氣候的影響。

論文鏈接：

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

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《植物表型組學》（Plant Phenomics）是由南京農業大學和美國科學促進會（AAAS）合作創辦的英文學術期刊，于2019年1月正式上線發行。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學交叉學科熱點領域具有突破性科研進展的原創性研究論文、綜述、數據集和觀點。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術，基于圖像分析和機器學習的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農業實踐中的表型組學新應用，與植物表型相結合的分子生物學、植物生理學、統計學、作物模型和其他組學研究，表型組學相關的植物生物學等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數據庫收錄。科睿唯安JCR2021影響因子為6.5，位于農藝學、植物科學、遙感一區。2023年中科院期刊分區位于農林科學大類一區。2020年入選中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊項目。

說明：本文由《植物表型組學》編輯部負責組稿。
中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。
撰稿：孫浩（南京農業大學）
排版：張婕（上海交通大學）
審核：孔敏、王平