基于3D重建技术的玉米冠层结构与光能捕获优化研究——种植密度和叶序排列对光合有效辐射拦截的影响分析

《Smart Agricultural Technology》：Accessing the Effect of Phyllotaxy and Planting Density on Light Interception in Field-Grown Maize using 3D Reconstructions

本研究针对高密度种植下玉米光能利用效率低的问题，通过集成LiDAR点云重建与辐射传输模型，开发了端到端的3D冠层光拦截分析框架。研究发现离行平行叶方位在30英寸行距下比平行取向多拦截约22%PAR（R2=0.79），揭示了冠层重定向对光捕获的关键作用，为高密度种植模式下的玉米育种和栽培优化提供了新策略。

　　

在全球粮食安全面临挑战的背景下，玉米作为世界第一大谷物作物，其产量提升对满足日益增长的食品和工业需求至关重要。过去几十年间，通过增加种植密度来提高单位面积产量已成为玉米生产的主要策略，现代杂交种对高密度种植的耐受性增强使得每公顷穗数得以提升。然而，这种高密度种植模式也带来了新的挑战——植株间竞争加剧导致相互遮荫现象严重，从而限制了光能捕获效率，最终影响产量潜力。

植物冠层结构在光能拦截中扮演着关键角色，其中光合有效辐射（PAR，Photosynthetically Active Radiation）是衡量光能利用效率的重要指标。玉米植株通过一种称为"冠层重定向"的自然适应机制，即调整叶片方位角来优化光捕获能力。特别是在行距远大于株距的矩形分布模式下，一些玉米基因型能够将叶片重新定向为垂直于行方向，以减少相互遮荫。然而，由于缺乏能够测试多种结构和生态生理性状组合的强大工具，玉米冠层结构特征至今尚未得到充分表征。

为了解决这一瓶颈问题，爱荷华州立大学的研究团队在《Smart Agricultural Technology》上发表了创新性研究，开发了一套从田间重建到PAR计算评估的端到端框架，精确测量不同冠层条件下的PAR拦截情况。

研究团队采用了多项关键技术方法：通过地面激光雷达（LiDAR）扫描获取田间生长玉米的高分辨率3D点云数据；利用专门开发的label3dmaize软件进行植物器官分割；采用球旋转算法进行精确的3D网格重建；基于Helios 3D建模框架进行太阳辐射模拟，使用反向光线追踪方法计算PAR拦截；最后通过虚拟田间试验系统评估不同种植配置对光拦截的影响。研究材料来自玉米茎尖分生组织多样性面板中的10个自交系，代表了不同的叶方位取向模式。

3.1. 模拟PAR值与田间测量的验证

通过将虚拟环境中的模拟PAR值与实际田间测量数据进行对比，研究发现两者之间存在显著相关性，确定系数R²达到0.79。这一验证结果证明了该框架在准确评估光拦截效率方面的可靠性，为后续复杂种植配置的分析奠定了基础。

3.2. 冠层重定向对光拦截的影响

研究结果显示，叶方位角对光拦截具有显著影响。在整个生长季节中，离行平行（off-row parallel）取向的光拦截量比行内平行（on-row parallel）取向高21.6%，而随机取向也比行内平行高14.3%。这表明通过优化叶方位角可以显著提高光能捕获效率，特别是在高密度种植系统中。

3.3. 种植密度对光拦截的影响

行间距的减小会降低整体光拦截量，但离行平行取向在所有行间距配置中均表现出最高的光拦截效率。相比之下，株间距对总拦截PAR的影响相对较小。值得注意的是，随着植株间距的减小，不同取向之间的性能差距逐渐扩大，行内平行取向由于行内遮荫增加而受到更大限制。

3.4. 种植行方向对光拦截的影响

针对表现最佳的离行平行取向，研究进一步分析了不同行方向对光拦截的影响。在爱荷华州埃姆斯市的条件下，东北-西南（NE-SW）和西北-东南（NW-SE）行向比其他两种行向捕获更多的PAR，这表明地理因素和行向对光捕获效率具有重要影响。

研究结论部分强调，通过整合高分辨率LiDAR植物重建和基于物理的光线追踪，建立的3D模拟框架为评估不同种植配置下玉米冠层光拦截提供了有效工具。离行平行叶方位在最小化遮荫和最大化光暴露方面表现最优，特别是在高密度系统中效果更为显著。行间距比株间距对光拦截的影响更大，而NE-SW和NW-SE行向由于与太阳轨迹更好对齐，能产生更高的季节性光捕获。

该研究的重要意义在于为育种计划（如选择叶方位性状）和农艺实践（如行布局和间距）提供了科学指导。通过数字工具进行理想型设计和精准农业决策，有望最大程度地提高资源利用效率和作物性能。未来研究将侧重于扩展框架以纳入每个基因型的多个重建植株，更好地捕捉基因型内变异性，并进一步模拟生理响应和整合作物产量模型。