本发明涉及一种利用多层级复合式的冠层辐射连续观测系统获取水稻冠层上以及冠层下辐射数据计算水稻冠层光合有效辐射的方法。具体地说，结合通用的冠层辐射观测与改进后的可随稻田水位浮动的浮标式辐射观测装置的观测方法，利用位于水稻生态系统不同位置的多个光量子辐射计，直接对水稻冠层吸收的光合有效辐射进行观测和计算的方法，属于植被遥感反演参数获取方法的研究领域。
二、技术背景
光合有效辐射(par，photosyntheticallyactiveradiation)是波长在0.4～0.7μm的太阳短波辐射，指可以被绿色植物利用来进行光合作用的太阳辐射，能够直接影响植物的生长发育和果实的品质。光合有效辐射在冠层内通过作物的植株，叶片和地表面等对其进行多次反射，游移和吸收的过程会影响作物冠层获取光能资源的能力以及冠层内部光能分布特征，这对植被的光合作用过程的研究以及对植被生产力的估算具有重要的意义和价值。
进入植物冠层的光合有效辐射并不会被全部吸收，有很大一部分会通过反射和散射等过程损耗。被植物吸收利用的光合有效辐射apar是研究植物光合作用过程以及生态系统植被生产力最重要的参数之一。apar的精确度直接影响植被生产力估算模型以及模拟结果的精度。如何准确获取冠层吸收光合有效辐射，是定量化研究生态系统光合作用过程的重要研究内容。
目前，对于到达植被冠层的光合有效辐射的数据获取，主要通过光学传感器直接测定，地面观测过程中通常采用的计量单位主要有两种，其中一种是能量单位，即测定到达地面或植被冠层的光合有效辐射照度(单位：wm-2)，这种能量计量数据被广泛应用于光能利用率等的研究当中；另外一种是光量子单位，主要是通过测定到达地面或者冠层的光量子通量密度(单位：μmolm-2s-1)来获取的，该数据被广泛应用于生态过程的模拟研究当中。光合作用过程中所利用的光能主要是通过量子的形态存在以及被植物吸收的，在生态学过程以及植被生产力估算的研究中，多采用光量子通量密度进行参数的优化。
通常地面观测实验当中，以通量观测系统为基础，通过冠层上方固定位置的光量子传感器观测到达冠层的par以及冠层反射数据，但是并不能直接获取冠层apar的数据，而apar才是真正参与光合作用过程的能量。而且，现有的很多研究并没有关注光能在冠层内部传递的生态过程，要想直接获取冠层吸收的光合有效辐射，必须要观测到冠层下方散失的光能，而一般的研究中，冠层下方光能的观测也是通过固定光量子传感器获取的，固定位置的光量子传感器，在季节尺度等较长时间尺度进行观测的时候，会受到植物生长情况的影响。对于水稻田生态系统，这样的影响更为严重。在水稻生长旺季时，田间水位会有所上升或下降，固定位置的光量子传感器会直接被田间的积水覆盖而无法正常观测。因此，设计一款能够随着水稻田水位自由移动的浮标式光量子观测装置尤为重要。
三、
技术实现要素：
本发明的目的是：
提供一种连续观测水稻冠层吸收光合有效辐射的方法，用于提供水稻生态系统物质循环与能量平衡相关研究所需要的水稻冠层光合有效辐射参数的方法。方便获取相关植被遥感反演参数，有利于定量研究农田生态系统碳循环过程中的能量分配。
本发明的原理如下：
以eva泡棉为主要浮标材料，制作可随稻田水位上下自由调节的水稻冠层以下辐射的观测装置，结合冠层上方入射与反射的光合有效辐射观测，根据能量平衡的原理，计算冠层吸收光合有效辐射。
本发明的技术方案主要包括以下步骤：
(1)主要部件设计：首先设计观测水稻冠层下方光合有效辐射的装置。主要包括：eva泡棉浮板，光量子传感器以及固定的金属托盘和套环。其中最重要的部分是主要成分为eva的泡棉浮板。
本设计选用的eva泡棉。eva塑料、树脂的特点是具有良好的柔软性，橡胶般的弹性，在-50℃下仍能够具有较好的可挠性，化学稳定性良好，抗老化和耐臭氧强度好，无毒性。与填料的掺混性好，着色和成型加工性好。由于eva材料的高可塑性，轻质以及防腐蚀性等优秀特点，是用来做水稻田水位上升或下降的浮板的最佳材料。
在浮板上方固定有金属托盘，作为安装光量子传感器的基座，金属托盘是根据光亮子传感器底座安装需要设计定做，浮板下方配有用来调节平衡的配重螺丝，可以调节螺丝嵌入浮板的多少来平衡浮板在水中保持水平。
(2)观测系统的建立：构建水稻冠层从上到下的连续光合有效辐射的观测系统。以涡度相关通量塔为基础，在塔上横杆(冠层高度1.5-3倍)处安装两个光量子传感器，安装方向一个朝上，一个朝下，分别用来观测太阳入射的光合有效辐射parabove以及冠层反射的光合有效辐射parreflect，在冠层下方的东，南，西，北四个方向分别安装浮标式光量子传感器装置，用以观测进入冠层内部从下方逃逸的光合有效辐射parunder。
(3)数据处理：通过以上观测数据，根据以下能量平衡方程能够求得冠层吸收的光合有效辐射。
apar＝parabove-parreflect-parunder
具体有益效果如下：
本观测系统能够实现自动以及连续地对水稻冠层以及冠层下光合有效辐射进行数据获取，根据能量分配过程以及能量平衡方程对冠层吸收的光合有效辐射进行计算，就相当于直接获取了水稻冠层吸收的光合有效辐射值，简便易行且准确性高。
四、附图说明
图1为稻田冠层吸收光合有效辐射观测与计算方法技术流程图；
图2为观测系统以及主要部件(浮标光量子)的设计图；
图3为以泡棉板作浮标的冠层下方可浮动光量子传感器实物图；
图4为观测系统观测的各部分光合有效辐射及冠层吸收光合有效辐射的日变化图。
五、具体实施方式
本研究的目标是提供一种连续获取水稻冠层吸收光合有效辐射的方法，此方法可以服务于水稻生态系统物质循环与能量平衡的相关研究。可以更方便地获取相关植被遥感反演参数，有利于定量研究农田生态系统碳循环过程中的能量分配。发明原理主要是基于eva泡棉材料的特殊性质，将其作为可随稻田水位自由调节的浮标装置，承载光量子传感器，对水到冠层以下光合有效辐射进行连续观测，同时结合冠层上方入射与反射的光合有效辐射观测，根据能量平衡原理对冠层吸收的光合有效辐射进行计算。
主要的设计步骤包括以下三个方面：
(1)主要部件设计：水稻冠层下方光合有效辐射连续观测装置。主要材料包括：eva泡棉浮板，光量子传感器及起固定作用的金属托盘和套环。在浮板上方固定有金属托盘，作为安装光量子传感器的基座，金属托盘是根据光亮子传感器底座安装需要设计定做，浮板下方配有用来调节平衡的配重螺丝，可以调节螺丝嵌入浮板的多少来平衡浮板在水中保持水平。
(2)观测系统的建立：构建水稻冠层从上到下的连续光合有效辐射的观测系统。该观测系统基于涡度相关通量观测系统，在通量塔横杆(冠层高度1.5-3倍)处安装两个光量子传感器，安装方向一个朝上，一个朝下，分别用来观测太阳入射的光合有效辐射parabove以及冠层反射的光合有效辐射parreflect，在冠层下方的东，南，西，北四个方向分别安装浮标式光量子传感器装置，用以观测进入冠层内部从下方逃逸的光合有效辐射parunder。
(3)冠层吸收光合有效辐射的计算：通过以上观测数据，根据以下能量平衡方程能够求得冠层吸收的光合有效辐射。
apar＝parabove-parreflect-parunder
以下通过实例对本发明作进一步解释：
以江苏省镇江市句容生态试验站稻田冠层吸收光合有效辐射观测系统为例，根据技术方案步骤(1)和(2)所述，设计和制作稻田冠层下方光合有效辐射观测装置。如附图3所示，其中eva泡棉浮板位置固定有嵌入稻田土壤中1m深的直径为1.5cm的钢筋固定，钢筋外部包有pvc塑料管以减少浮标连接处圆环所受到的摩擦力，保证浮标板可以随稻田水位的升高而上下自由调整位置。
固定在浮板上的圆形金属托盘，依靠螺丝对光量子传感器进行固定，为保证整个浮标的水平位置，以光量子上方的水平仪为准，在浮板下方适当使用配重螺丝进行调平。
观测系统具体安装参数如下：
表1句容实验站冠层光合有效辐射观测系统设计参数
利用观测系统获取的每日连续数据，根据技术方案步骤(3)所述，可以直接通过能量平衡方法，获取水稻冠层吸收的光合有效辐射数据。附图4为观测系统获取的一天内太阳入射的光合有效辐射parabove、冠层反射的光合有效辐射parreflect，和进入冠层内部从下方逃逸的光合有效辐射parunder的日变化图，以及以此计算的吸收光合有效辐射apar的日变化图。
根据本发明提出的观测方法，可以较准确地连续获取水稻冠层光合有效辐射数据，可直接用于分析水稻农田生态系统能量平衡，及提高估算生态系统初级生产力的精度等研究。