中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (22): 4403-4416.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.22.004
高晨凯1(), 刘水苗1, 李煜铭1, 吴鹏年2, 王艳丽2, 刘长硕1, 乔毅博1, 关小康1, 王同朝1(
), 温鹏飞1(
)
收稿日期:
2023-03-21
接受日期:
2023-03-30
出版日期:
2023-11-16
发布日期:
2023-11-17
通信作者:
王同朝,E-mail:wtcwrn@henau.edu.cn。联系方式:
高晨凯,E-mail:13849068126@163.com。
基金资助:
GAO ChenKai1(), LIU ShuiMiao1, LI YuMing1, WU PengNian2, WANG YanLi2, LIU ChangShuo1, QIAO YiBo1, GUAN XiaoKang1, WANG TongChao1(
), WEN PengFei1(
)
Received:
2023-03-21
Accepted:
2023-03-30
Published:
2023-11-16
Online:
2023-11-17
摘要:
【目的】 基于冬小麦冠层温度参数、形态指标和生理指标3种综合指标构建不同生育时期冬小麦植株含水量(PWC)反演模型,探寻更全面、精准的水分亏缺监测方法,为冬小麦抗旱提供理论依据。【方法】以冬小麦为研究对象,设置3个水分梯度,分别为水分亏缺处理(W1):35 mm和(W2):48 mm,对照处理(W3):68 mm;2个小麦品种洛麦22(一般耐旱品种)和周麦27(弱耐旱品种)。分别获取拔节期、孕穗期和灌浆期冬小麦的冠层温度参数(冠层温度标准差(CTSD)和作物水分胁迫指数(CWSI))、形态指标(株高、茎粗、地上部生物量和叶面积指数)和生理指标(气孔导度、蒸腾速率和光合速率),按照平均权重原则分别构建综合温度参数指标(comprehensive temperature parameter indicator,CTPI)、综合生长指标(comprehensive growth indicator,CGI)和综合生理指标(comprehensive physiological indicator,CPI)。分析植株含水量与综合指标之间的相关关系,并采用多元线性回归(MLR)、偏最小二乘回归(PLSR)和支持向量机(SVM)方法分生育时期构建基于综合指标的PWC反演模型。【结果】不同生育时期内冬小麦的冠层温度参数、形态指标及生理指标水分亏缺处理(W1、W2)较对照处理(W3)均表现出显著性差异(P<0.05)。孕穗期和灌浆期的综合指标(CTPI、CGI和CPI)与PWC具有显著相关关系,相关系数(r)分别为-0.70(-0.78)、0.84(0.80)和0.83(0.76)。采用MLR、PLSR和SVM方法,基于综合指标(CTPI、CGI和CPI)构建PWC反演预测模型均具有较高的预测精度,其中以SVM构建的孕穗期PWC模型最优,R2cal(R2val)、RMSEcal(RMSEval)和nRMSEcal(nRMSEval)分别为0.878(0.815)、2.06%(2.37%)和3.10%(3.33%)。【结论】基于综合指标(CTPI、CGI和CPI)构建的SVM-PWC模型能够很好地预测冬小麦各生育时期水分亏缺状况,可为黄淮海平原冬小麦防旱抗旱提供理论依据。
高晨凯, 刘水苗, 李煜铭, 吴鹏年, 王艳丽, 刘长硕, 乔毅博, 关小康, 王同朝, 温鹏飞. 基于综合指标协同优化的冬小麦植株水分含量预测[J]. 中国农业科学, 2023, 56(22): 4403-4416.
GAO ChenKai, LIU ShuiMiao, LI YuMing, WU PengNian, WANG YanLi, LIU ChangShuo, QIAO YiBo, GUAN XiaoKang, WANG TongChao, WEN PengFei. Prediction of Water Content of Winter Wheat Plant Based on Comprehensive Index Synergetic Optimization[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(22): 4403-4416.
表1
不同水分处理下两个小麦品种冠层温度参数变化特征"
生育时期 Growing stage | 处理 Treatment | CETR | MTD | CTSD | CTCV | CRTD | CWSI | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
拔节期 Jointing stage | 洛麦22 Luomai 22 | W1 | 19.41-29.61 | 10.85-14.14 | 1.21-1.46 | 0.052-0.059 | 0.163-0.184 | 0.41-0.45 |
W2 | 16.94-25.17 | 8.03-8.63 | 0.92-1.00 | 0.047-0.049 | 0.136-0.144 | 0.34-0.36 | ||
W3 | 15.85-22.01 | 5.52-7.03 | 0.83-0.88 | 0.042-0.044 | 0.113-0.124 | 0.30-0.32 | ||
周麦27 Zhoumai 27 | W1 | 20.37-29.56 | 14.29-15.26 | 1.09-1.64 | 0.052-0.069 | 0.174-0.191 | 0.42-0.49 | |
W2 | 17.21-25.26 | 8.26-9.52 | 0.96-1.08 | 0.048-0.051 | 0.169-0.178 | 0.40-0.43 | ||
W3 | 16.38-23.18 | 6.24-6.68 | 0.83-0.87 | 0.041-0.045 | 0.134-0.162 | 0.34-0.37 | ||
孕穗期 Booting stage | 洛麦22 Luomai 22 | W1 | 23.74-33.91 | 9.43-13.40 | 1.55-1.94 | 0.066-0.081 | 0.179-0.191 | 0.42-0.48 |
W2 | 21.60-28.26 | 5.99-6.36 | 0.73-0.87 | 0.031-0.036 | 0.117-0.134 | 0.37-0.39 | ||
W3 | 20.24-26.04 | 4.43-5.71 | 0.55-0.69 | 0.024-0.029 | 0.088-0.116 | 0.29-0.33 | ||
周麦27 Zhoumai 27 | W1 | 24.34-37.74 | 9.59-13.67 | 1.66-2.29 | 0.074-0.093 | 0.216-0.244 | 0.41-0.49 | |
W2 | 22.80-29.69 | 7.15-8.06 | 0.85-0.93 | 0.032-0.036 | 0.131-0.143 | 0.42-0.48 | ||
W3 | 20.48-26.44 | 5.38-6.12 | 0.64-0.79 | 0.027-0.033 | 0.101-0.127 | 0.29-0.39 | ||
灌浆期 Filling stage | 洛麦22 Luomai 22 | W1 | 31.32-42.48 | 11.37-12.21 | 1.72-1.95 | 0.051-0.056 | 0.167-0.185 | 0.45-0.51 |
W2 | 29.31-40.07 | 7.80-8.38 | 1.35-1.61 | 0.041-0.046 | 0.115-0.146 | 0.42-0.45 | ||
W3 | 27.86-34.51 | 5.99-7.40 | 0.61-0.89 | 0.021-0.028 | 0.085-0.106 | 0.31-0.38 | ||
周麦27 Zhoumai 27 | W1 | 31.68-43.53 | 10.70-13.35 | 1.98-2.53 | 0.058-0.070 | 0.173-0.208 | 0.50-0.55 | |
W2 | 30.74-41.23 | 8.41-9.63 | 1.29-1.63 | 0.041-0.048 | 0.126-0.144 | 0.43-0.46 | ||
W3 | 28.40-36.35 | 7.65-8.52 | 0.73-1.15 | 0.024-0.036 | 0.119-0.123 | 0.37-0.41 |
表2
不同生育时期预测植株含水量建模及验证分析"
生育时期 Growing stage | 建模Modeling | 验证Validation | ||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
MLR | PLSR | SVM | MLR | PLSR | SVM | |||||||||||||
R2 | RMSE | nRMSE | R2 | RMSE | nRMSE | R2 | RMSE | nRMSE | R2 | RMSE | nRMSE | R2 | RMSE | nRMSE | R2 | RMSE | nRMSE | |
拔节期 Jointing stage | 0.707 | 2.62% | 3.30% | 0.735 | 3.91% | 5.48% | 0.728 | 2.97% | 4.48% | 0.622 | 4.67% | 6.21% | 0.658 | 7.50% | 10.04% | 0.702 | 3.71% | 5.07% |
孕穗期 Booting stage | 0.771 | 2.70% | 3.86% | 0.827 | 2.23% | 3.20% | 0.878 | 2.06% | 3.10% | 0.676 | 4.11% | 5.87% | 0.766 | 3.98% | 5.65% | 0.815 | 2.37% | 3.33% |
灌浆期 Filling stage | 0.721 | 3.30% | 5.53% | 0.744 | 3.30% | 4.98% | 0.770 | 3.16% | 5.54% | 0.668 | 4.04% | 6.57% | 0.704 | 3.72% | 5.67% | 0.718 | 3.70% | 5.31% |
全生育期 Whole reproductive period | 0.494 | 6.02% | 8.23% | 0.572 | 5.10% | 6.38% | 0.711 | 5.06% | 6.32% | 0.387 | 10.71% | 17.83% | 0.508 | 9.26% | 16.21% | 0.665 | 7.62% | 13.34% |
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