基于紅外傳感器的棉花葉片溫度變化特征及其影響因子分析

王亞茹，楊北方，雷亞平，熊世武，韓迎春，王占彪，馮璐，李小飛，邢芳芳，辛明華，吳灃槭，陳家樂(lè)，李亞兵*

（1. 鄭州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，鄭州 450001；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/ 棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 安陽(yáng) 455000）

棉花（Gossypium hirsutumL.）是我國(guó)廣泛種植的一種重要的經(jīng)濟(jì)作物。 棉花原產(chǎn)于熱帶、亞熱帶地區(qū)，是一種喜溫作物，生長(zhǎng)發(fā)育期間需要較高的溫度[1]。 植物溫度是監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)的重要指標(biāo)，既可以指示植物健康狀況，又可以有效反映植物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力[2-5]。 在棉花生長(zhǎng)過(guò)程中，葉片是營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的重要器官，是植物進(jìn)行光合作用、蒸騰作用的主要場(chǎng)所，在植物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)環(huán)境變化較敏感，其結(jié)構(gòu)特征最能體現(xiàn)植物對(duì)小氣候的適應(yīng)性[6-7]。 植株生長(zhǎng)發(fā)育狀況、水分脅迫程度以及植物的酶促反應(yīng)、膜運(yùn)輸、蒸騰作用等各項(xiàng)生命活動(dòng)均與植物的葉片溫度息息相關(guān)[8-10]。葉片溫度的變化是植物與外界環(huán)境進(jìn)行能量交換的結(jié)果，作為重要的生理指標(biāo)廣泛應(yīng)用于植物的熱量交換、光合作用、呼吸作用、蒸騰作用及其對(duì)極端溫度的響應(yīng)等研究[11-12]。 因此，快速準(zhǔn)確地獲取并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物的葉片溫度，研究葉片溫度變化特征及其與環(huán)境因素的關(guān)系，對(duì)深入揭示葉片溫度與植物對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的關(guān)系具有重要意義。

近年來(lái)，隨著遙感和紅外測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展[13]，葉片溫度逐漸成為一個(gè)容易測(cè)定的植物參數(shù)，許多研究也指出直接測(cè)量植物某些參數(shù)比測(cè)量土壤的水分狀況更能反映植物對(duì)土壤和環(huán)境變化的適應(yīng)性[14-15]。 葉片溫度的測(cè)量方法一般分為接觸式和非接觸式兩類，其采用的典型技術(shù)路徑分別是熱電偶和紅外輻射技術(shù)[16]。 在紅外測(cè)溫技術(shù)出現(xiàn)以前， 大多通過(guò)接觸式測(cè)量獲取植物溫度，這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是工作量大、 測(cè)量面積有限、測(cè)量精度低[17]。 相比之下，紅外測(cè)溫法具有非接觸、非破壞、反應(yīng)速度快、靈敏度高、方便、使用范圍廣、可以連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)[18-20]。

隨著紅外測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展與完善，以葉片溫度為基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)發(fā)育狀況的研究備受關(guān)注。 Pou 等[21]通過(guò)紅外測(cè)溫技術(shù)測(cè)定不同時(shí)間段葡萄葉片的陽(yáng)面和陰面的溫度， 研究不同水分條件下葡萄生理指標(biāo)的變化。馬黎華等[22]研究表明氣象因素與土層含水量共同影響葉片溫度的變化。 王佩舒等[7]研究發(fā)現(xiàn)，靜風(fēng)時(shí)栓皮櫟（Quercus variabilis）幼苗的葉氣溫差（葉片溫度與氣溫的差值）隨太陽(yáng)輻射的增加而增加，二者呈線性關(guān)系。 Zhang 等[23]對(duì)高粱葉氣溫差的研究發(fā)現(xiàn)，葉氣溫差與葉片水分含量、光合速率顯著相關(guān)，可以作為反映葉片水分含量的指標(biāo)。 劉婧然等[24]利用TES-1314 型溫度計(jì)測(cè)定了膜下滴灌棉花的葉片溫度，并分析其與氣象因素的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)棉花葉片溫度與氣溫的相關(guān)性最強(qiáng)。 從前人的相關(guān)研究來(lái)看， 研究人員多采用溫度計(jì)和手持式紅外測(cè)溫儀測(cè)定植物的葉片溫度， 但這些商業(yè)化的紅外測(cè)溫儀多不具備在線測(cè)量的功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)葉片溫度的晝夜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，缺乏量化作物葉片溫度所需的高分辨率和長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。 目前，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在葉片溫度與水分脅迫、 葉片溫度與環(huán)境因素的簡(jiǎn)單相關(guān)關(guān)系的分析， 關(guān)于多個(gè)環(huán)境因素對(duì)葉片溫度綜合效應(yīng)的研究鮮有報(bào)道。

本試驗(yàn)搭建了紅外溫度傳感器系統(tǒng)對(duì)棉花葉片溫度進(jìn)行全自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以提高葉片溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度、實(shí)現(xiàn)全天連續(xù)測(cè)量為目的，探索了棉花植株葉片溫度晝夜變化特征，綜合分析其與環(huán)境因素的相關(guān)關(guān)系，為明確調(diào)節(jié)葉片溫度變化的要素提供理論依據(jù)， 對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化管理、推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 紅外溫度傳感器系統(tǒng)

如圖1 所示， 紅外溫度傳感器系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成，即紅外傳感單元（圖1A）；供電與保護(hù)模塊（圖1B）；數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與共享模塊（圖1C）。

圖1 紅外傳感器系統(tǒng)組成元件Fig. 1 Components of infrared sensor system

1.1.1紅外傳感單元。 紅外傳感單元由Apogee公司的SI-400 系列紅外溫度傳感器構(gòu)成。 SI-400系列紅外溫度傳感器是用于測(cè)量冠層溫度的科研級(jí)傳感器，具有高精度、非接觸、低功耗等特點(diǎn)，出廠時(shí)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的校準(zhǔn)。 SI-400 系列傳感器配有防輻射罩，以減少吸收太陽(yáng)輻射，輻射屏蔽使輻射計(jì)免受快速溫度變化的影響，保障傳感器在嚴(yán)酷天氣條件下正常工作，并使輻射計(jì)的溫度更接近目標(biāo)溫度[25]。傳感器不需要頻繁校準(zhǔn)，可確保連續(xù)監(jiān)測(cè)并降低系統(tǒng)成本。

1.1.2數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與共享模塊。 SI-400 系列傳感器通過(guò)電纜線與帶有STC8A8K64S4A12 主控芯片的單機(jī)片連接，控制紅外溫度傳感器的開(kāi)關(guān)，傳感器接收并執(zhí)行數(shù)據(jù)記錄器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包所含的地址和命令，完成對(duì)目標(biāo)和探測(cè)器溫度數(shù)據(jù)的采集， 并將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于單機(jī)片內(nèi)，同時(shí)可以與主機(jī)計(jì)算設(shè)備實(shí)時(shí)共享[26]。

1.1.3供電與保護(hù)模塊。 設(shè)計(jì)的外殼箱用以容納單板計(jì)算機(jī)、微控制器、傳感器電纜線、鋰電池以及其他內(nèi)部布線。 外部電源（鋰電池以及太陽(yáng)能板） 可以避免由于供電中斷導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，允許更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間和不間斷的溫度監(jiān)控。

1.2 試驗(yàn)部署

田間試驗(yàn)于2021 年在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所東場(chǎng)試驗(yàn)基地（36°06′N，114°21′E）進(jìn)行，海拔76.4 m。 該試驗(yàn)地為一熟棉田，多年棉花連作，土壤質(zhì)地為輕壤土，播種前施基肥（N：225 kg·hm-2，P2O5：150 kg·hm-2，K2O：225 kg·hm-2），花鈴期追肥 （N：273 kg·hm-2，P2O5：169 kg·hm-2，K2O：169 kg·hm-2）。 供試品種為魯棉研28 號(hào)，棉花種子來(lái)源于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，4 月17 日播種， 種植密度為10.5 萬(wàn)株·hm-2， 株距11.9 cm，每個(gè)小區(qū)10 行，行距0.8 m，行長(zhǎng)8 m，小區(qū)面積64 m2，3 個(gè)重復(fù)。 棉田田間管理采取當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培管理方式。

1.3 氣溫和葉片溫度測(cè)定

葉片溫度和氣溫的測(cè)量采用紅外溫度傳感器（SI-400, Apogee Instruments，美國(guó)），從棉花蕾期到吐絮期（6 月中旬至9 月初）在每個(gè)重復(fù)中連續(xù)監(jiān)測(cè)具有代表性的3 株棉株，共9 株（打頂前為倒4 葉，打頂后為倒3 葉），觀測(cè)時(shí)傳感器探頭在距棉花頂部完全展開(kāi)葉2～5 cm 處，與葉片展開(kāi)方向垂直，并隨株高增加不斷調(diào)整探頭高度。數(shù)據(jù)采集器每隔10 s 自動(dòng)測(cè)定并記錄1 次數(shù)據(jù)，每天早晚調(diào)整2 次傳感器的位置。

1.4 氣象數(shù)據(jù)獲取

環(huán)境數(shù)據(jù)由試驗(yàn)場(chǎng)附近的小型氣象站（Campbell Scientific，美國(guó)）獲取，環(huán)境因子主要包括，X1：氣溫（℃）；X2：空氣相對(duì)濕度（%）；X3：日照時(shí)間（h）；X4：降水量（mm）；X5：風(fēng)速（m·s-1）；X6： 光合有效輻射（μmol·s-1·m-2）；X7： 總輻射（W·m-2）；X8：水汽壓（105Pa）；X9：5 cm 處土壤溫度（℃）；X10：10 cm 處土壤溫度（℃）；X11：20 cm處土壤溫度 （℃）；X12：20 cm 處土壤體積含水量（%）。 試驗(yàn)地的天氣狀況如表1 所示。

表1 2021 年棉花生長(zhǎng)季節(jié)每月天氣總結(jié)Table 1 Monthly weather summary during the cotton growing season in 2021

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Office Excel 2019 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析， 基于SPSS 25.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析、多元逐步回歸分析，采用Stata 17 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理并繪制溫度變化圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同天氣條件下葉片溫度變化特征

圖2 為花鈴期7 月15-25 日棉花葉片溫度和葉氣溫差的日變化曲線。 其中15 日、16 日、23日至25 日為晴天，17 日至19 日為陰天，20 日至22 日為大雨天氣。 可以看出，不同天氣條件下棉花的葉片溫度差異較大，晴天時(shí)棉花葉片溫度變化波動(dòng)大，陰天時(shí)棉花葉片溫度的波動(dòng)較晴天時(shí)小，雨天棉花葉片溫度波動(dòng)更平穩(wěn)。 晴天白天葉片溫度在日出時(shí)最低，日出后隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和氣溫的升高，葉片溫度呈上升趨勢(shì)，在正午前后達(dá)到最大值；下午隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和氣溫的降低，葉片溫度開(kāi)始下降，但葉片溫度下降幅度小于氣溫，葉氣溫差呈逐漸上升的趨勢(shì)；夜間葉片溫度與氣溫接近。 陰天時(shí)葉氣溫差較小，雨天時(shí)葉氣溫差接近0。

圖2 不同天氣條件下葉片溫度（A）和葉氣溫差（B）變化趨勢(shì)Fig. 2 Trendlines of leaf temperature (A) and leaf-air temperature difference (B) under different weather conditions

從不同天氣的葉片溫度變幅來(lái)看，晴天條件下棉花葉片的晝夜溫度差值在10～15 ℃， 陰天時(shí)葉片溫度的晝夜差值在5～10 ℃，雨天情況下葉片溫度的晝夜差值在2～5 ℃。

2.2 不同生育時(shí)期棉花葉片溫度變化特征

棉花在不同生育時(shí)期的代謝強(qiáng)度、葉片蒸騰強(qiáng)度不同，葉片溫度以及葉氣溫差的變化范圍也不同。 本試驗(yàn)對(duì)棉花初花期（圖3A）、盛花期（圖3B）、吐絮期（圖3C）3 個(gè)生育時(shí)期內(nèi)連續(xù)3 個(gè)晴天的葉片溫度和葉氣溫差的日變化進(jìn)行分析，日期分別為7 月3-5 日、7 月24-26 日、9 月13-15 日。

如圖3 所示，在初花期、盛花期和吐絮期，棉花葉片溫度均呈現(xiàn)明顯的晝夜變化規(guī)律：從5：00-6：00 開(kāi)始緩慢上升， 在12：00-14：00 之間達(dá)到最大值后又逐漸下降；白天溫度波動(dòng)明顯，夜間溫度波動(dòng)較小，白天溫度高于夜間。 各時(shí)期葉片溫度均隨著氣溫的變化而變化，但是葉片溫度及葉氣溫差的變化幅度存在差異。 初花期的葉片溫度高于吐絮期的葉片溫度，盛花期的葉片溫度最高。 棉花葉片溫度的晝夜變化范圍在初花期為20～35 ℃，盛花期為20～38 ℃，吐絮期為18～32 ℃。 初花期晝夜葉氣溫差變化為-10～0 ℃，盛花期晝夜葉氣溫差在-8～0 ℃，吐絮期的晝夜葉氣溫差變幅最小，為-5～0 ℃。

圖3 不同生育時(shí)期棉花葉片溫度日變化趨勢(shì)Fig. 3 Diurnal variation trend of cotton leaf temperature at different growth period

2.3 棉花葉片溫度、葉氣溫差與環(huán)境因子的關(guān)系研究

2.3.1相關(guān)性分析。 對(duì)環(huán)境因子與棉花葉片溫度、葉氣溫差的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，除了降水量與葉片溫度、水汽壓與葉氣溫差的相關(guān)程度未達(dá)到顯著水平外，其余環(huán)境因子與葉片溫度、葉氣溫差的相關(guān)程度均達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），除空氣相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)速和20 cm 處土壤體積含水量外，其余環(huán)境因子均與葉片溫度呈顯著正相關(guān)；氣溫、日照時(shí)間、光合有效輻射、總輻射、5 cm、10 cm 和20 cm 處土壤溫度與葉氣溫差呈顯著負(fù)相關(guān)（表2）。

表2 棉花葉片溫度、葉氣溫差與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Table2 Correlation analysis of leaf temperature, leaf-air temperature difference and environmental factors in cotton

環(huán)境因子與葉片溫度的相關(guān)性由大到小依次是氣溫（r＝0.890）＞10 cm 處土壤溫度（r＝0.741）＞光合有效輻射（r＝0.735）＞總輻射（r＝0.726）＞日照時(shí)間（r＝0.721）＞5 cm 處土壤溫度（r＝0.717）＞20 cm 處土壤溫度 （r＝0.642）＞空氣相對(duì)濕度（r＝-0.630）＞20 cm 處土壤體積含水量 （r＝-0.460）＞水汽壓 （r＝0.372）＞風(fēng)速（r＝-0.351）＞降水量（r＝-0.253）；環(huán)境因子與葉氣溫差的相關(guān)性由大到小依次是空氣相對(duì)濕度 （r＝0.825）＞氣溫 （r＝-0.763）＞日照時(shí)間（r＝-0.730）＞總輻射（r＝-0.717）＞光合有效輻射（r＝-0.704）＞5 cm 處土壤溫度（r＝-0.576）＞10 cm 處土壤溫度 （r＝0.557）＞20 cm 處土壤體 積含水量 （r＝0.426）＞20 cm 處土壤溫度（r＝-0.420）＞降水量（r＝0.412）＞風(fēng)速（r＝0.395）＞水汽壓（r＝0.038）。

2.3.2逐步回歸分析。 分別以12 個(gè)環(huán)境因子為自變量，以葉片溫度和葉氣溫差為因變量進(jìn)行逐步回歸分析，得到葉片溫度與環(huán)境因子的回歸方程Y1＝8.808＋0.371X1＋0.004X6＋1.932X8（R2＝0.876）； 葉氣溫差與環(huán)境因子的回歸方程Y2＝-5.406＋0.077X2-0.093X3-1.087X8（R2＝0.674）。 2 個(gè)回歸方程的F值分別為82.307，24.124，均達(dá)到了極顯著水平，上述回歸方程的環(huán)境因子可以用于葉片溫度和葉氣溫差的預(yù)測(cè)。

回歸方程表明， 氣溫 （X1）、 光合有效輻射（X6）和水汽壓（X8）是影響葉片溫度的主要因素，空氣相對(duì)濕度（X2）、日照時(shí)間（X3）和水汽壓（X8）是影響葉氣溫差的主要因素。 葉片溫度和葉氣溫差的剩余因子分別為0.237 和0.571，說(shuō)明除了回歸方程中的自變量，還有一些對(duì)葉片溫度和葉氣溫差影響較大的因素未包含在內(nèi)。

2.3.3通徑分析。 在田間條件下，各環(huán)境因子之間存在相互作用， 不斷變化的各種環(huán)境因素，對(duì)葉片溫度和葉氣溫差具有綜合性的影響。 各環(huán)境因子與葉片溫度、葉氣溫差之間的相關(guān)性高低并不能完全代表其對(duì)葉片溫度和葉氣溫差的影響，因此進(jìn)一步對(duì)上文中經(jīng)逐步回歸分析篩選出的對(duì)葉片溫度和葉氣溫差有顯著影響的自變量（環(huán)境因子）進(jìn)行通徑分析，綜合分析其對(duì)因變量的直接作用和間接作用（表3）。

表3 棉花葉片溫度和葉氣溫差與其主要影響因子間的通徑分析Table 3 Path analysis of leaf temperature and leaf-air temperature difference and their effecting factors in cotton

由表3 可知，各環(huán)境因子對(duì)葉片溫度的直接效應(yīng)排序?yàn)椋?氣溫＞光合有效輻射＞水汽壓；各環(huán)境因子對(duì)葉氣溫差的直接效應(yīng)排序?yàn)椋嚎諝庀鄬?duì)濕度＞日照時(shí)間＞水汽壓。 從間接通徑系數(shù)來(lái)看，氣溫對(duì)葉片溫度具有最大的間接效應(yīng)；光合有效輻射通過(guò)氣溫對(duì)葉片溫度起正向的間接效應(yīng)，通過(guò)水汽壓起負(fù)向的間接效應(yīng)，而且通過(guò)氣溫的正向間接效應(yīng)大于通過(guò)水汽壓的負(fù)向間接效應(yīng)， 最終表現(xiàn)為對(duì)葉片溫度正向的間接效應(yīng)；水汽壓對(duì)葉片溫度也存在正向的間接效應(yīng)。 對(duì)于葉氣溫差來(lái)說(shuō)，日照時(shí)間的間接效應(yīng)最大，其主要通過(guò)空氣相對(duì)濕度來(lái)影響葉氣溫差，與葉氣溫差呈負(fù)相關(guān)。 從決策系數(shù)絕對(duì)值大小可以得出，各因子對(duì)葉片溫度影響的綜合排序?yàn)闅鉁兀竟夂嫌行л椛洌舅麎?，氣溫和光合有效輻射的決策系數(shù)相近且為正值，說(shuō)明二者是影響葉片溫度的最主要環(huán)境因子；各因子對(duì)葉氣溫差影響的綜合排序與直接效應(yīng)的排序一致，空氣相對(duì)濕度是影響葉氣溫差的主要環(huán)境因子。

3 討論

葉片溫度是植物體的一個(gè)重要生理特征，同時(shí)也是植物生理生態(tài)研究中的一個(gè)基本參數(shù)[27]。在農(nóng)作物中，葉片是植物生理生長(zhǎng)和物質(zhì)生產(chǎn)的農(nóng)藝學(xué)最小單位，葉片溫度是環(huán)境因素和植株內(nèi)部因素共同影響葉片能量代謝平衡的結(jié)果[28]，能直接反映植物的生長(zhǎng)狀況。 因此，深入研究葉片溫度、葉氣溫差的晝夜變化特征及其與環(huán)境因素的關(guān)系， 對(duì)了解棉花葉片溫度變化對(duì)氣象因子的響應(yīng)機(jī)制，完善棉花生產(chǎn)管理具有重要意義。

3.1 不同天氣條件下葉片溫度、葉氣溫差變化特征

棉花的葉片溫度和葉氣溫差在不同的天氣條件下變化幅度存在差異，晴天葉片溫度晝夜波動(dòng)大，陰雨條件下溫度波動(dòng)小，與趙揚(yáng)博等[29]、楊景等[30]的結(jié)論一致。 陰雨天時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低，蒸騰散熱低，全天葉片溫度的變化幅度小，葉片溫度與氣溫接近；晴天時(shí)，葉片溫度變化幅度大，日出時(shí)葉片溫度最低，是因?yàn)榇藭r(shí)氣溫和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度均較低， 并且葉片上的露水較多，蒸發(fā)蒸騰強(qiáng)度低，隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，氣溫和葉片溫度迅速升高，至中午前后達(dá)到最大值，之后隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和氣溫的降低，葉片溫度逐漸降低。 葉氣溫差在晴天時(shí)較大，陰天時(shí)較小，雨天時(shí)基本沒(méi)有。

3.2 不同生育時(shí)期棉花葉片溫度、葉氣溫差晝夜變化特征

由于棉花在不同生育時(shí)期的代謝強(qiáng)度、葉片蒸騰強(qiáng)度、外界環(huán)境因素不同，因而不同生育時(shí)期葉片溫度和葉氣溫差的變化幅度存在差異。 棉花葉片溫度與氣溫呈協(xié)同變化趨勢(shì)，且棉株的葉片溫度總是低于氣溫，葉氣溫差為負(fù)值，與前人[31-33]的研究一致。 盛花期棉花的葉片溫度最高，初花期的葉氣溫差值最大，越接近成熟期，葉氣溫差值越小。 這是因?yàn)樵诨ㄢ徠诔跗冢拗赀M(jìn)入旺盛生長(zhǎng)時(shí)期，生理代謝活動(dòng)旺盛，蒸騰作用較強(qiáng)，溫度調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，使自身能夠在較高溫度下維持一個(gè)較低的葉片溫度水平；隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，盛花結(jié)鈴期，葉片的生理功能逐步下降，受到持續(xù)高溫和降雨的影響，棉花根系呼吸作用受到限制，棉花通過(guò)蒸騰作用緩解高溫灼傷的能力受到影響，調(diào)節(jié)溫度的能力減弱，進(jìn)而導(dǎo)致葉片溫度升高， 葉片溫度與氣溫之間的差距減??；吐絮期時(shí)，棉株生理機(jī)能衰退，蒸發(fā)蒸散量也減少，葉片溫度升高，葉氣溫差減小。 棉花的溫度調(diào)節(jié)機(jī)制可以使葉片溫度保持在適宜的區(qū)間，減少高溫灼傷，是極端高溫條件下維持植株活力的重要因素，也說(shuō)明葉片溫度和葉氣溫差受棉花的生理功能及外界環(huán)境因素的共同影響。

無(wú)論在初花期、盛花期、還是吐絮期，葉片溫度變化晝夜節(jié)律相似。 白天葉片溫度波動(dòng)明顯，夜間波動(dòng)平緩，且白天葉片溫度高于夜間，葉片溫度從0：00 到6：00 穩(wěn)定在一個(gè)較低水平，6：00后大幅度升高，9：00 到18：00 保持在較高溫度范圍內(nèi)，18：00 后溫度下降至較低水平并持續(xù)到次日6：00，這與賈正茂等[34]的結(jié)論一致。

3.3 棉花葉片溫度、葉氣溫差與氣象因子的相關(guān)關(guān)系

許多研究者對(duì)葉片溫度與氣象因子的關(guān)系進(jìn)行了簡(jiǎn)單相關(guān)性分析研究[7,18,22,24,27]。 通過(guò)簡(jiǎn)單相關(guān)分析可以反映2 個(gè)變量間的相關(guān)程度，然而影響葉片溫度和葉氣溫差的環(huán)境因子之間存在復(fù)雜的相互作用，形成多重相關(guān)關(guān)系，通徑分析可將因變量與自變量的相關(guān)系數(shù)分解為自變量對(duì)因變量的直接影響和間接影響[35]，具體且清晰展示各因子間的復(fù)雜關(guān)系。

對(duì)葉片溫度、葉氣溫差與氣象因子之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)葉片溫度與氣溫的相關(guān)性最強(qiáng)（r＝0.890），葉氣溫差與空氣相對(duì)濕度的相關(guān)性最強(qiáng)（r＝0.825），這與劉婧然等[24]的研究結(jié)果一致。 分別建立氣象因子與葉片溫度、葉氣溫差的回歸方程，方程的方差分析結(jié)果均達(dá)到了顯著水平，其中影響葉片溫度的主要環(huán)境因子是氣溫、光合有效輻射和水汽壓，影響葉氣溫差的主要環(huán)境因子是空氣相對(duì)濕度、 日照時(shí)間和水汽壓。 影響葉片溫度和葉氣溫差的因素不僅包括環(huán)境因子，還包括植物本身因素，由于本試驗(yàn)未考慮棉株的生理生長(zhǎng)狀況，所以會(huì)對(duì)模型的擬合精度產(chǎn)生一定的影響，例如棉株的氣孔導(dǎo)度，蒸騰速率、光合作用等生理性狀對(duì)葉片溫度和葉氣溫差的影響有待于進(jìn)一步研究。

通徑分析結(jié)果顯示，氣溫對(duì)葉片溫度的直接作用最大，并通過(guò)光合有效輻射和水汽壓對(duì)葉片溫度起正向間接作用。 空氣相對(duì)濕度對(duì)葉氣溫差的直接作用最大，其主要通過(guò)日照時(shí)間對(duì)葉氣溫差起正向間接作用， 通過(guò)水汽壓起負(fù)向間接作用， 且正向間接效應(yīng)大于負(fù)向間接效應(yīng)的總和，與葉氣溫差呈顯著正相關(guān)關(guān)系。 比較各環(huán)境因子對(duì)葉片溫度和葉氣溫差的間接效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，光合有效輻射、水汽壓都主要通過(guò)氣溫間接影響著葉片溫度的變化，這與前人[28,36]的研究相似。 日照時(shí)間、水汽壓都主要通過(guò)空氣相對(duì)濕度間接影響葉氣溫差的變化。 環(huán)境因子對(duì)葉片溫度綜合作用排序?yàn)椋簹鉁兀竟夂嫌行л椛洌舅麎?，環(huán)境因子對(duì)葉氣溫差綜合作用排序?yàn)椋嚎諝庀鄬?duì)濕度＞日照時(shí)間＞水汽壓。

4 結(jié)論

本研究基于紅外溫度傳感器對(duì)棉花的葉片溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)棉花葉片溫度的變化規(guī)律及氣象因素對(duì)葉片溫度、葉氣溫差的綜合作用的分析發(fā)現(xiàn)， 通常葉片溫度低于空氣溫度，葉片溫度隨著氣溫的變化而變化。 葉片溫度和葉氣溫差的變化受多種環(huán)境因素的綜合影響， 氣溫、光合有效輻射和水汽壓是影響葉片溫度的主要因素，空氣相對(duì)濕度、日照時(shí)間和水汽壓是影響葉氣溫差的主要因素。 光合有效輻射和水汽壓均主要通過(guò)氣溫間接影響葉片溫度，日照時(shí)間和水汽壓均主要通過(guò)空氣相對(duì)濕度間接影響葉氣溫差。 研究結(jié)果有利于加深對(duì)葉片溫度、葉氣溫差與環(huán)境因子間響應(yīng)機(jī)制的理解， 為棉花精準(zhǔn)灌溉，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化管理提供參考。