异质性冠层中叶片光照分布的非均匀性模型构建与验证——基于三维辐射传输理论的sunlit-shaded叶片面积分数计算新方法

为解决传统Beer定律在非均匀冠层中计算sunlit叶片面积分数(fsun)的局限性，研究人员开发了基于路径长度分布和冠层吸收辐射分数(fabs)的新型几何模型。通过三维叶片级辐射传输模型验证，该模型能准确预测异质冠层（包括球形/锥形冠层和真实树木重建）的fsun值，误差指数d>0.95。研究为作物模型和地表模型提供了关键参数计算的新范式。

　　

在植物生理学和农业气象学领域，准确计算冠层中受光叶片比例(f_sun)是预测光合作用、水分利用等生物物理过程的关键。传统Beer定律虽然适用于均匀冠层，但在果园、间作系统等具有明显间隙的异质冠层中，由于枝叶的"丛生效应"(clumping)和木质结构干扰，会导致辐射拦截和f_sun计算出现显著偏差。这种偏差会通过光合作用的非线性响应进一步放大，使得基于平均光通量的尺度扩展计算产生10%以上的误差。

针对这一难题，PlantSimulationLab的研究团队在《Agricultural and Forest Meteorology》发表研究，提出了两种创新解决方案：一是基于路径长度分布的几何模型，通过计算射线穿过冠层包络线的概率分布来推导f_sun；二是建立f_sun与冠层吸收辐射分数(f_abs)的新关系式f_sun=f_abs/L_p（其中L_p=G·LAI/cosθ_s）。研究采用三维射线追踪模型Helios作为验证基准，测试了球形/椭球形/锥形理想冠层和LiDAR重建的真实杏仁树冠层，涵盖0.5-2.0 m^-1叶面积密度和球面/平面/直立叶型分布。

关键技术包括：1) 基于包围盒的射线-冠层包络线求交算法计算路径长度分布；2) 周期性边界条件下多冠层相互作用的N_c系数修正；3) 三维辐射传输模型Helios的亚叶片级(0.05×0.05 m²网格)光通量计算；4) 基于LiDAR点云的树木枝干重建与凹包络构建。

【理论模型】
在均匀冠层中，传统Beer定律给出f_sun=cosθ_s(1-exp(-G·LAI/cosθ_{sD=D/(2Rc²)，推导出fsun=[exp(-2GaRc)+2GaRc-1]/[2(GaRc)²]。该模型在球形冠层验证中达到d=0.999的吻合度。}

【多冠层相互作用】
引入N_c=max(1,2R_c/(s·cosθ_s))表征射线穿过的冠层数量，将路径长度缩放N_c倍后，模型在冠层间距s=2R_c-4R_c条件下仍保持d=0.997的精度。

【复杂冠形适应性】
对于锥形冠层，当太阳天顶角θ_s超过锥角时，短路径概率降低导致模型误差增大(d=0.957)。而LiDAR重建的真实树木在排除枝干影响后，凹包络模型仍能达到d=0.947，证实几何简化有效性。

【吸收辐射法验证】
通过f_abs/L_p计算f_sun的新定义在所有测试案例中均与三维模型直接计算结果吻合(d>0.99)，证实其理论普适性。即使在存在枝干和丛生效应时，误差仅来源于f_abs建模精度。

该研究建立了异质冠层sunlit-shaded叶片分区计算的理论框架，其创新性体现在：1) 首次将路径长度分布解析解扩展到任意冠层几何；2) 揭示f_sun与f_abs的普适关系，为现有模型升级提供捷径。实际应用中，建议对锥形冠层或密集枝干系统进行G函数和叶面积密度的分层测量以提高精度。这些进展为精准农业中的光能利用率评估和生态系统碳循环建模提供了新工具。