叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)通常定义为单位地表面积上的叶子表面积总和的一半^[1]。作物叶面积指数是反映作物长势和预报作物产量的一个重要农学参数^[2]，准确获取该数据，可以为作物长势监测、作物识别、单产预测甚至粮食产量的估算提供有效的数据源^{[3, 4]}。太阳辐射是地球大气系统最重要的能量来源，对小麦、水稻等作物的生长发育起着重要的作用，辐亮度是太阳辐射能量的表征，因此研究辐亮度及LAI的动态变化及两者的关系，对作物的种植培育等具有指导意义。

目前国内外的研究，很多都是研究植被LAI的季节变化或年变化等长时间序列变化趋势，如孙建文等^[5]和Wasseige等^[6]的研究等；或者只是研究太阳辐射季节变化或年变化等长时间序列变化趋势及日变化等短时间变化趋势，如Kevin等^[7]和Ali等^[8]的研究；或者研究植被冠层其他理化参数如消光系数等的短时间变化特征，如王谦等^[9]的研究；而针对短时间内植被LAI与对应时刻的太阳辐射的关系研究较少。

本研究以拔节期冬小麦为研究对象，进行固定点冬小麦LAI晴天观测实验和同步光谱辐亮度观测实验。研究了晴天从中午至傍晚序列观测的LAI值与对应各时刻各谱段辐亮度的相关性。研究分析了LAI-2000观测的小麦LAI对总辐射亮度、直射光辐亮度和天空光辐射亮度的响应特征，可为晴天观测LAI值进行归一化修正处理提供新的思路和途径。

本实验测量时间为2012年3月31日12:15—17:40，测量地点位于安徽省滁州市来安县水口镇空旷的麦地一固定点(32°18′43.87″; 118°26′22.32″)，此麦地的冬小麦品种是扬麦，株型是直立型。当天大气稳定，晴朗无云，能见度20 km以上。

地面观测实验包括两部分：定点冬小麦LAI观测和定点附近地面光谱辐亮度观测。两部分观测实验同步进行，每隔10—20 min同步采集一次光谱数据和LAI数据。

本实验使用美国LI-COR 公司生产的LAI-2000 植物冠层分析仪测量拔节期小麦LAI。LAI-2000使用一个“鱼眼”镜头将半球视野范围内的光线折射到光电感应器上，感应器被分为5个同心圆环，当光线折射到感应器上时，每一个感应器所检测的角度范围都不同，它们所检测的光线是经过过滤的，只对波长小于490 nm的光线响应——因为在这个范围里的光线受叶片的反射及折射最小^[10]。滤光片使得叶簇相对其光亮的天空背景，表现为黑色，每个感应器的输出值即B值与环带上被天空光照亮部分即A值呈比例的。测量中采取A 值(天空光) 、B 值(冠层下方) 分开测量，然后经过计算即可得到LAI值。

为了提高观测精度，在空旷的麦地里，选择冬小麦长势均匀、密度高且均匀的平坦样地^[11]。以定点(32°18′43.87″; 118°26′22.32″)为基准点，将LAI-2000的光学探头水平放置，然后用小木桩将探头位置固定下来。每隔10—20 min测量1次，每次都是先将探头抬到约1 m高度，确保鱼眼镜头水平，测量1个A值，然后迅速将探头水平放置在之前固定的位置，连续测量2个B值，两者经运算后即可得到LAI值。

测量过程中应注意：(1)测量时使用270°的遮盖帽；(2)测量时保持鱼眼镜头水平；(3)背对阳光进行测量，遮挡住阳光和操作者本身；(4)对小麦冠层进行遮阴处理。

本实验采用从美国引进的背挂式ASD FieldSpec-FR地物光谱仪，具有较高的抽样间隔和光谱分辨率，采样速度快、操作简单、存储容量大等特点，该仪器通过软硬件自动为每个测量光谱实现暗光谱更新，其主要技术指标见表 1。仪器探头视场角有25°和5°，本次实验采用5°探头，以防止探测范围超出参考板而对结果造成影响，实验状况如图 1所示。测量要求在大气比较稳定的时段内，每个测量过程分为两部分，包括用挡板挡掉太阳直射辐照的漫射辐亮度和在无遮挡的情况下的总辐亮度，后者与前者之差即太阳直射光谱辐亮度。

图 1 光谱观测实验示意图 Fig.1 Diagram of the spectrum experiment

图选项

在冬小麦LAI观测实验的定点(32°18′43.87″; 118°26′22.32″)附近空旷地方，先将仪器按图 1A架好，将参考板平放在地面上，探头固定在三角架上，调整探头方向使其垂直于参考板所在平面，自然光照射时测量1次总辐亮度，记为E；然后迅速用挡板遮住太阳直射光使阴影盖过参考板(图 1B)，再测1次太阳漫射辐亮度，记为Es；两者之差E-Es即太阳直射光谱辐亮度，每隔10—20 min重复1次上述实验。

测量过程中应注意：(1)保持探头不动，以防改变光线进入探头的入射角；(2)每次测量记录5条光谱曲线(每隔0.1 s采集1条曲线)，计算时取5条曲线的平均值，以避免偶然误差对结果的影响；(3)测量人员应着深色衣服，并尽可能远离参考板；(4)测量地点应选择远离高层建筑物的空旷地。

将每次测量的2个B值分别与本次测量的A值配对计算得到2个LAI，然后取平均作为该时间点对应的定点冬小麦LAI值。考虑到天顶角最大的A值第5圈数据可能存在地物遮挡影响，以及相对严重的蓝光多次散射影响，本研究仅用LAI-2000的1—4圈数据计算LAI。计算结果如表 2。由于定点冬小麦LAI测点及其附近的小麦长势较好，且处于拔节期，因此LAI值较大。此外，由表 2可知不同时刻测得的LAI也有一定的差异。

将每次测量的5条辐亮度曲线取平均，作为最终对应的辐亮度值。经处理后的总辐射亮度、天空光辐射亮度和两者之差即太阳直射辐亮度分别如图 2所示。然后分别计算出紫光谱段(380—430 nm)、蓝光谱段(430—470 nm)、青光谱段(470—490 nm)、绿光谱段(500—560 nm)、红光谱段(620—760 nm)和近红外谱段(760—1000 nm)的辐亮度。

图 2 不同时刻辐亮度 Fig.2 The radiance at different momoents 注解

图选项

由图 2可知，太阳光谱的峰值波长在一天中随着时间变化有规律地移动，这与杨希峰^[12]等的研究结果是一致的。总体上，从中午到傍晚，三者均在不断减小，除了强吸收部分，三者在可见光波段较大，随着波长增大，三者均变小，至2350 nm处几乎为0。

LAI-2000植被冠层分析仪的基本测量原理是基于叶面积与植被冠层透射率的关系，通过测量光线透过冠层时被削弱的程度来推导植被冠层的叶片数量，从而得到植被冠层LAI^[10]。由此可以看出，LAI-2000观测的LAI大小由透过冠层的天空光辐射透过率和观测天顶角决定。然而，在本定点控制实验中，由于同一天每次观测和计算的实验标准相同，并且计算时采用相同的观测天顶角，因此相对变化的条件只有太阳辐射强度的变化。由此可知太阳辐射的变化引起了LAI-2000观测的LAI值的变化。在地球大气上界接受的太阳辐射基本由地理纬度决定，此外还受到太阳常数以及日地平均距离的影响，其长期变化非常小^[13]。但是到达地球表面太阳辐射的变化则相对很大，这是因为某一地区在不同时段大气对太阳辐射的吸收和散射作用存在差异。而辐亮度是太阳辐射能量的表征，因此，本研究通过连续进行不同时刻的辐亮度观测来分析不同时刻的太阳辐射差异，并结合定点小麦LAI同步控制观测实验来定性分析辐亮度变化引起的定点小麦LAI变化。

由图 2知，不同谱段的辐亮度存在着较明显的差异，且LAI-2000传感器只对波长小于490 nm的光线响应，因此本研究取观测时间段内(12:15—17:40)紫光谱段(380—430 nm)、蓝光谱段(430— 470 nm)、和青光谱段(470—490 nm)的天空光辐亮度、总辐亮度和太阳直射辐亮度来分别研究其与对应每个时刻观测的定点小麦LAI值之间的相关性，结果如图 3所示。

图 3 各个时刻观测的小麦LAI与紫光谱段 (380—430 nm) 、蓝光谱段 (430—470 nm) 和青光谱段 (470—490nm) 辐亮度线性回归分析 Fig.3 The linear regression between wheat LAI measured at each moment and the radiance in purple spectrum region,blue spectrum region and cyan spectrum region

图选项

由图 3可知，在紫光谱段、蓝光谱段和青光谱段，LAI与天空光辐亮度、总辐亮度和太阳直射辐亮度都呈负相关，具体的相关系数如表 3所示。这说明从中午到傍晚，随着时间的变化，太阳高度角逐渐减小，太阳辐射能量不断减弱，而小麦LAI值则逐渐增大。这主要是因为，中午太阳高度角最大，太阳辐射能量最强，进入LAI-2000传感器的太阳直射光比例较大，导致了LAI-2000观测的LAI值偏小。而随着太阳高度角的减小，辐射能量减弱，进入LAI-2000传感器的太阳直射光比例减小，使得LAI-2000观测的小麦LAI值受太阳直射光的影响越来越小，从而LAI-2000测得的小麦LAI值逐渐增大。至傍晚，太阳落山，没有太阳直射光的影响，基本完全处于天空光条件，这是比较理想的观测条件，因此LAI-2000观测的LAI值最佳且最大，这与Sylvain^[14]等的研究结果是一致的。观测时间段内(12:00—17:40)辐亮度与LAI的相关系数R²如表 3、图 4所示。

由表 3和图 4可以看出，对于波长小于490 nm的谱段，天空光辐亮度与LAI的相关系数R²在紫光谱段最大，随后随着波长的增大而减小。这是因为LAI-2000感应器所检测的光线是经过过滤的，对波长小于490 nm的光线响应^{[15, 16]}。而LAI与各谱段总辐亮度、太阳直射辐亮度的相关系数R²均随着波长的增大而增大。另外，由图 4还可以直观看出，在每个谱段，辐亮度与LAI的相关系数都是：天空光辐亮度>总辐射亮度>太阳直射辐亮度，这是由于LAI-2000主要是通过测量天空散射光透过率来计算LAI的，因此LAI-2000观测的LAI值与天空光辐亮度相关性较大。而且这些规律也很充分的解释了使用LAI-2000观测LAI最好选择在天空光较稳定的阴天或晴天日出前、日落后的原因。

另外，这里取24个观测时刻对应的可见光谱段(350—490 nm)天空光辐亮度分别与绿光谱段(500—560 nm)、红光谱段(620—760 nm)和近红外谱段(760—1000 nm)天空光辐亮度建立关系如图 5所示。由图 5可以看出，波长小于490 nm的天空光辐亮度与绿光谱段、红光谱段和近红外谱段的辐亮度呈高正相关，相关系数接近1。而又由图 3和表 3知，波长小于490 nm谱段的天空光辐亮度均与LAI高度负相关。据此，基于LAI-2000测得的小麦LAI数据，还研究了LAI与波长大于490 nm波段的辐亮度的相关性，如图 6所示。

图 4 LAI与各谱段辐亮度的相关系数 (R2) 随波长变化图 Fig.4 Variation with wavelength about coefficients of determination (R2) between LAI and radiance in each spectrum region

图选项

图 5 各个时刻观测的350-490 nm谱段辐亮度分别与绿光谱段 (500—560 nm) 、红光谱段 (620—760 nm) 和近红外谱段 (760—1000 nm) 天空光辐亮度之间的相关关系 Fig.5 Relationship between radiances in the range of 350—490 nm and the radiance in green spectrum region,red spectrum region and near infrared spectrum region for each moment

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由表 3和图 6可以看出，当波长大于490 nm时，各个谱段仍有以下特征：LAI与天空光辐亮度的相关系数R²随着波长的增大而减小；LAI与总辐亮度和太阳直射辐亮度的相关系数R²均随着波长的增大而增大；在每个谱段，LAI与辐亮度的相关系数都表现为：天空光辐亮度>总辐射亮度>太阳直射辐亮度。

(1)晴天条件下，波长小于490 nm和大于490 nm的各个谱段都有：LAI与总辐亮度、直射光辐亮度和天空光辐亮度都呈负相关，相关系数(R²)高达0.8左右，其大小为：天空光辐亮度>总辐射亮度>太阳直射辐亮度；且LAI与各谱段天空光辐亮度的相关性随着波长的增大而减小；而LAI与各谱段总辐亮度、太阳直射辐亮的相关性则均随着波长的增大而增大。验证了LAI-2000主要通过测量天空光来推导LAI的原理，同时也揭示了晴天条件下，LAI-2000会受到较大的太阳直射光的影响，从而带来LAI测量误差。因此，晴天进行LAI观测时，需要对不同时间观测的LAI值进行归一化修正等处理。可根据LAI与天空光辐亮度的相关性，并结合不同时间观测的LAI值与日落后观测的LAI值对LAI值进行归一化修正处理，从而消除太阳直射光的影响，可用于解决LAI-2000只能在晴天日出前和日落后观测的局限性，拓展LAI-2000在晴天观测条件下的适用性和有效性。

(2)尽管本研究是基于中午至下午时间段的定点小麦LAI观测实验和同步光谱辐亮度实验，但LAI和辐亮度随时间的变化特征以及两者的相关性特征可以推广到早上至中午。

(3)本研究是基于一个品种、一个生育期(拔节

图 6 各个时刻观测的小麦LAI分别与绿光谱段 (500—560 nm) 、红光谱段 (620—760 nm) 和近红外谱段 (760—1000 nm) 辐亮度线性回归分析 Fig.6 The linear regression between wheat LAI measured at each moment and the radiance in green spectrum region,red spectrum region and near infrared spectrum region

图选项

期)的冬小麦定点LAI观测实验，并且选择的定点小麦密度较高，因此测得的LAI值范围比同时期其他小麦的LAI值范围偏大。所以，在外推到其他品种小麦其他生长期、不同密度或者外推到其他植被类型时，还应结合相应植被本身的特性以及物候、生长等情况进一步系统研究。