基于冠层反射指数和产量潜力理论定义的小麦产量预测模型


发布时间:

2023-01-16

来源:

植物表型资讯

作者:

PhenoTrait

通过简单的方法预测作物产量将有助于作物育种计划,并可实现准确及时的田间管理措施。
 
本文提出了一种基于冠层盖度(CC)和反射率指数的小麦全生育期产量预测模型。利用2015年和2016年在田间条件下生长的小麦群体的表型数据,通过比较产量与提出模型的输出来评估该模型。累积辐射(RAD)、归一化植被指数(NDVI)、光化学反射率(PRI)、水分指数(WI)、收获指数(HI)和CC指数是模型的组成部分。本研究评估了基于小麦冠层特征(如反射率参数和CC指数)的多种产量预测模型的效率,并与其他统计建模方法进行了比较。结果表明该模型预测产量与实测产量相关且能够较早地根据花期生物量进行产量预测;对模型组成部分的评价能够更好地了解在整个作物周期内限制产量形成的主要因素;提出的Yieldp模型基于产量形成方程和与三种效率εi、εc和εp相关的潜在过程,提出了产量建模的新概念,可为开发廉价、稳健的作物田间产量预测模型奠定基础。
 

 

图1. 田间水平计算的叶片覆盖指数的图形表示。叶盖度是以每平方米土壤叶面积的平方米为单位的。早期活力期:Z2.4至叶覆盖面积达到90%时的累积叶面积;累计绿叶面积:Z2.4至Z6.5的累积叶面积;持绿期:Z6.5至S10的累积叶面积。

 

 

图2. 2015年和2016年产量预测模型。皮尔逊积矩相关系数(R),在5%的显著水平上评价实测值与预测值之间的相关性(F检验)。虚线表示1:1分割线

 

 

图3. 小麦产量预测模型组件及其在整个生长期进展的图形表示。直到抽穗期(Z5.7)生物量积累对高NDVI和LUE有响应。NDVI的维持和WS的增加以及较高的太阳辐射使生物量积累速率保持到Z7.5。Z7.5开始,生物量积累速率随NDVI、WS和LUE的降低而降低。垂直虚线表示特定Zadoks(Z)阶段的测量时间点。彩色虚线代表估计点和测量点之间的趋势线。LUE(光利用效率,单位为g C MJ−1;棕色)、WS(水分状况指数,蓝色)、NDVIcor(单位:%;浅绿色)、RAD(累积辐射,单位:MJ m−2;黄色)和预测生物量(单位:t C m−2;深绿色)。

 

表1. 两年间(2015年-2016年)小麦产量预测模型(模型1-模型4)与实测籽粒产量的评价指标。NDVIcor和WS的共同参与使预测产量和实测产量之间的相关性在2015年提高到0.59 (p < 0.001),在2016年提高到0.64 (p < 0.001)。注:p < 0.001。r,各模型预测产量与实测产量之间的Pearson相关系数;Yieldp:模型预测的产量、HI:收获指数、NDVIcor:修正的归一化差异植被指数、LUE:光能利用效率、WS:水状况指数、RAD:阳光辐射。

 

表2. 两年间(2015年-2016年)实测和预测性状与籽粒产量相关性(基于产量模型)。2015年预测产量和预测生物量的相关性分别为0.59 (p < 0.001)和0.56 (p < 0.001),高于任何测量和计算性状的最大相关性(NDVI (Z3.4),r = 0.48, p < 0.001;LUE (Z3.4),r = 0.47, p < 0.001;2016年,Yieldp (r = 0.64, p < 0.001)。与籽粒产量的相关性高于实测和计算性状、WI (Z7.4) (r =−0.59,p < 0.001)和LUE (Z3.7和Z5.7) (r = 0.44, p < 0.001)。与单一性状相比,该模型在2015年和2016年分别提高了11%(0.59-0.48 = 0.11)和5%(0.64-0.59 = 0.05)的产量预测能力。预测生物量与产量之间的相关性随着作物周期增加,在开花期和籽粒发育期达到最大值。2015年,花期最大(Z6.5;r = 0.54, p < 0.001),但在初期也很高(Z4.5;R = 0.53, p < 0.001)。2016年籽粒发育时相关性最大(Z7.1、Z7.5和Z7.9;r = 0.50, p < 0.001),但与花期比较接近(Z6.5;r = 0.48, p < 0.001)。注:* p < 0.05;** p < 0.01, *** p < 0.001, NS不显著。Yieldp:模型预测的产量;HI:收获指数;生物量,由产量模型预测的周期结束时积累的生物量。EV:早期活力;AGA:累计绿化面积;SG,持绿。生物量(Z), Yieldp模型预测的Z阶段累积生物量。NDVI (Z),Z阶段归一化植被指数;LUE (Z),Z阶段的光利用效率;WI (Z), Z阶段水分指数。Z为植物发展阶段的Zadoks尺度值。

 

表3.Yieldp模型简化模型的评价指标。2015年NDVIcor对模型的影响最大,其次是LUE和HI。2016年,HI对产量预测的影响较大,其次是NDVIcor和LUE。单项对最终模型的影响缺乏一致的模式,突出了模型对不同季节的灵活响应。注:p < 0.001。r:各模型预测产量与实测产量之间的Pearson相关系数; RMS:各模型的均方根误差;HI:收获指数;NDVIcor:修正的归一化差异植被指数;LUE:光能利用效率; W:S水状况指数;RAD:阳光辐射。

 

 

来 源

Pennacchi, J.P., Virlet, N., Barbosa, J.P.R.A.D. et al. A predictive model of wheat grain yield based on canopy reflectance indices and theoretical definition of yield potential. Theor. Exp. Plant Physiol. 34, 537–550 (2022).

 

编 辑

Sona

 

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