不同氮肥條件下冬小麥冠層高光譜特征及紅邊參數(shù)變化

程曉娟　李振?！⊥跹觽}(cāng)　宋森楠　馮海寬

摘要：為快速、準(zhǔn)確、無損地監(jiān)測(cè)小麥長(zhǎng)勢(shì)和營(yíng)養(yǎng)狀況，對(duì)不同氮素處理下4個(gè)小麥品種的冠層高光譜信息進(jìn)行分析，并進(jìn)行了紅邊參數(shù)與農(nóng)學(xué)組分的相關(guān)分析。結(jié)果表明，在同一氮肥條件下，同一品種小麥在不同生育期的冠層高光譜反射率差異明顯，且在近紅外波段的差異大于可見光波段。隨著氮肥施用的增加，近紅外反射率有明顯升高的趨勢(shì)，而可見光處反射率降低并呈單峰曲線，且隨著施氮量的增加反射光譜的紅邊和綠峰分別發(fā)生紅移、藍(lán)移。在冬小麥紅邊參數(shù)中，紅谷位置、最小振幅及綠峰位置與農(nóng)學(xué)組分之間呈負(fù)相關(guān)，而其余各紅邊參數(shù)與農(nóng)學(xué)組分之間呈極顯著正相關(guān)；建立了基于紅邊振幅的各個(gè)組分之間的回歸統(tǒng)計(jì)模型，且模型較為穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：冬小麥；氮素水平；冠層高光譜；紅邊參數(shù)

中圖分類號(hào)：S512.1+1；S506.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）05-1004-06

近年來，隨著高光譜遙感技術(shù)的不斷深入發(fā)展，使得利用高光譜波段之間的差異對(duì)農(nóng)作物特征進(jìn)行定量分析得以廣泛開展，從而為快速、非破壞性診斷作物營(yíng)養(yǎng)狀況和大面積監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)、遙感估產(chǎn)等提供了重要的手段[1，2]。同一作物或不同作物在不同的環(huán)境條件、不同生育期及不同生產(chǎn)管理?xiàng)l件等因素下都會(huì)表現(xiàn)出不同的光譜反射特性。許多學(xué)者依據(jù)植被的這一光譜反射特性做了大量的研究工作。周學(xué)秋等[3]、朱雨杰等[4]利用小麥不同生育期和不同灌溉條件的冠層反射光譜特征，找出了最能區(qū)分作物不同生育階段和最佳灌溉的波段。楊長(zhǎng)明等[5]對(duì)不同株型水稻的冠層光譜反射率進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，其冠層光譜反射率之間存在明顯差異，并以藍(lán)波段最為明顯。氮素作為作物生命活動(dòng)中不可或缺的大量元素之一，它的虧缺會(huì)對(duì)作物的代謝過程造成影響。關(guān)于氮素脅迫條件下的作物反射光譜的研究也較多。唐延林等[6]、Shilayama等[7]研究了不同氮素水平下的水稻高光譜反射特征，結(jié)果表明，缺氮和正常條件下的水稻光譜存在明顯差異。一些學(xué)者分析提取了氮素脅迫下的冬小麥高光譜特征并研究了氮素脅迫下紅邊參數(shù)的變化規(guī)律及用NIR反射率來診斷小麥葉片水分含量[8-12]。李映雪等[13]、Filella等[14]研究分析了不同氮素水平下的小麥冠層高光譜紅邊特征，結(jié)果表明，紅邊參數(shù)與農(nóng)學(xué)參數(shù)之間存在較好的關(guān)系。劉芳等[15]、杜建軍等[16]研究了施肥狀況對(duì)小麥植株含水量和光合生理特性的影響，表明不同的施肥狀況會(huì)使小麥葉片水分利用效率發(fā)生變化。上述研究主要集中于同一品種的作物在不同氮素條件下的冠層反射光譜特征，而對(duì)不同品種在不同生育期、不同氮肥水平下光譜反射特征研究甚少。

本研究利用田間小區(qū)試驗(yàn)，分析了4個(gè)品種的冬小麥在不同生育期和不同氮素水平下的冠層高光譜反射率和紅邊參數(shù)變化規(guī)律及紅邊參數(shù)與小麥農(nóng)學(xué)組分之間的關(guān)系，以期為快速診斷作物營(yíng)養(yǎng)狀況及監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2012～2013年在北京市小湯山精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地進(jìn)行，海拔高度36 m。前茬作物為小麥，土壤類型為潮土，底肥施過磷酸鈣510 kg/hm2、硫酸鉀150 kg/hm2。供試小麥品種為農(nóng)大211（P1）、中麥175（P2）、京9843（P3）和中優(yōu)206（P4）。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)4個(gè)氮肥處理，分別為0 kg/hm2 （N1）、225 kg/hm2 （N2）、450 kg/hm2（N3）、900 kg/hm2（N4），分基肥和追肥各50%施用。小區(qū)面積為10 m×9 m，播種行距15 cm。完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，2次重復(fù)，其他管理措施同大田管理。

1.2.2 冠層高光譜測(cè)定 在小麥的拔節(jié)期、孕穗期、開花期、灌漿期和乳熟期，采用美國(guó)ASD公司生產(chǎn)的Fieldspec -FR Pro2500型地物光譜儀測(cè)定不同處理小區(qū)冠層高光譜反射率，其視場(chǎng)角為25°，波段范圍為350～2 500 nm，間隔為1 nm。光譜測(cè)量選擇在晴朗無云、風(fēng)力較小的天氣進(jìn)行，測(cè)定時(shí)間為10：00～14：00，每個(gè)點(diǎn)測(cè)10次，取其平均值作為該小區(qū)的高光譜反射率。每次測(cè)量高光譜前后立即進(jìn)行參考板校正。

1.2.3 樣品分析 在對(duì)應(yīng)測(cè)定高光譜的位置進(jìn)行破壞性取樣，取樣為2行，行長(zhǎng)1 m。將取好的冬小麥植株樣品放入密封的塑料袋中，以盡可能地避免植株水分的流失。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將莖葉分離，分別稱其鮮重，在105 ℃下殺青，然后將所有植株樣品在80 ℃烘干24 h以上，直至恒重后再稱其干重。氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定，葉綠素含量采用酒精提取-分光光度計(jì)測(cè)定，LAI采用LAI2000測(cè)定。葉片和植株含水量的計(jì)算公式為：

LWC=[（LFWC-LDWC）/LFWC]×100% （1）

VWC=[（VFWC-VDWC）/VFWC]×100% （2）

式中，LFWC為樣品葉片的鮮重（g），LDWC為樣品葉片的干重（g）；VFWC為樣品植株的鮮重（g），VDWC為樣品植株的干重（g）。

1.2.4 紅邊參數(shù)計(jì)算及處理 紅邊參數(shù)包括紅邊位置（REP）、紅谷位置（L0）、紅邊寬度（Lwidth）、紅邊振幅和最小振幅、紅邊振幅與最小振幅的比值、紅邊峰值面積及綠峰位置。為了簡(jiǎn)便地分析紅邊特征，利用倒高斯模型模擬小麥的紅邊特征[12]。倒高斯模型可以很好地模擬植被地物在670～780 nm的反射光譜，其定義如下：

R（λ）= Rs-（Rs-R0）exp[■] （3）

REP=L0+Lwidth （4）

利用R0和Rs對(duì)紅邊處的光譜進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，然后在670～780 nm范圍內(nèi)用最小二乘法估計(jì)模型參數(shù)REP和Lwidth。其對(duì)數(shù)變換公式為：

B（λ）={-ln[■]}■=a1λ+a0 （5）

式中，R0為葉綠素吸收谷的冠層高光譜反射率；Rs為紅肩處（680～780 nm范圍內(nèi)冠層高光譜反射率最大值處）的高光譜反射率； L0是紅谷位置；REP為紅邊位置；Lwidth為紅邊寬度，也即為紅邊位置與紅谷位置之差。B（λ）為小麥冠層紅邊光譜對(duì)數(shù)變換后的取值，對(duì)B（λ）和λ進(jìn)行線性擬合，那么就得到公式（5）中a1的和a0，則

L0=-■ （6）

Lwidth=-■ （7）

紅邊振幅：當(dāng)波長(zhǎng)為紅邊時(shí)的一階微分值。

最小振幅：波長(zhǎng)680～750 nm范圍的一階微分最小值。

紅邊峰值面積：680～750 nm范圍的光譜一階微分值所包圍的面積。

綠峰位置：520～560 nm范圍的光譜一階微分最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥品種冠層高光譜反射率差異

對(duì)正常施氮水平條件下的2次重復(fù)的4個(gè)品種進(jìn)行光譜分析（圖1）。不同小麥品種間冠層高光譜反射率存在差異，但是反射率光譜曲線的基本走勢(shì)一樣，只是表現(xiàn)為反射率不同。在可見光部分，中麥175的反射率最低；在近紅外區(qū)域表現(xiàn)為中優(yōu)206的冠層高光譜反射率最大，2次重復(fù)的結(jié)果均一致。各個(gè)品種間的冠層高光譜反射率的差異可能是不同的株型和株高造成的。

2.2 不同生育期小麥冠層高光譜反射率的變化規(guī)律

4個(gè)小麥品種在田間的長(zhǎng)勢(shì)有所不同，但是它們的冠層高光譜反射率隨生育期的變化規(guī)律都一致。這里以農(nóng)大211為例來分析小麥冠層高光譜反射率隨生育期的變化規(guī)律。從圖2可以看出，小麥不同生育期的冠層高光譜反射率存在差異，在近紅外部分的差異明顯大于可見光部分。從孕穗期到開花期，可見光部分的冠層高光譜反射率先升高再降低，而在近紅外部分的冠層高光譜反射率呈下降的趨勢(shì)，近紅外波段以孕穗期冠層高光譜反射率最高；到了灌漿期，小麥冠層高光譜反射率在近紅外波段迅速下降，而可見光部分的冠層高光譜反射率有所上升，可能是隨著生育期的推進(jìn)，小麥葉片開始變黃，導(dǎo)致在可見光部分的冠層高光譜反射率上升；到了小麥乳熟期，其在可見光部分的冠層高光譜有異于其他三個(gè)生育期，冠層高光譜反射率在綠光波段550 nm左右無反射峰出現(xiàn)。

2.3 不同氮肥條件下的小麥冠層高光譜反射特征

孕穗期是小麥高光譜遙感研究作物長(zhǎng)勢(shì)和養(yǎng)分診斷的最佳時(shí)期，以農(nóng)大211孕穗期為例來分析在4個(gè)施氮水平條件下的小麥冠層高光譜響應(yīng)。從圖3a可以看出，不同施氮量的冠層高光譜響應(yīng)近紅外部分的差異明顯大于可見光部分，尤其是在近紅外波段的750～1 250 nm反射率隨著氮肥水平的增加而升高。而在可見光波段，無氮處理和其他三個(gè)施氮水平的反射率差異較大。單獨(dú)對(duì)可見光部分（350～650 nm）作圖（圖3b）分析可知，在350～650 nm的可見光部分冠層高光譜反射率呈現(xiàn)單峰曲線，4種施氮水平下反射率最大均在550 nm附近，表現(xiàn)出葉綠素的強(qiáng)吸收特性。

2.4 藍(lán)移和紅移現(xiàn)象分析

“綠峰”和“紅邊”是可見光波段植被的兩個(gè)主要光譜反射特征，它們的位置反映了植被的生長(zhǎng)狀況。從圖4a可以看出，高光譜反射率的一階微分?jǐn)?shù)隨施氮量的增加而變大，波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)（圖4b），也即是發(fā)生了“紅移”現(xiàn)象。隨著施氮量的增加，綠峰波長(zhǎng)的變化與紅邊位置的變化正好相反，在綠峰位置處的高光譜反射率的一階微分隨施氮量增加變小，波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)，也就是發(fā)生了“藍(lán)移”現(xiàn)象（圖4c和圖4d）。

2.5 紅邊參數(shù)與各農(nóng)學(xué)組分之間的關(guān)系

從表1可以看出，在冬小麥紅邊參數(shù)中紅邊振幅與農(nóng)學(xué)組分之間的相關(guān)性要優(yōu)于其他參數(shù)。除了紅谷位置與葉片含水量關(guān)系較差外，紅谷位置與其他農(nóng)學(xué)組分、最小振幅和綠峰位置與所有農(nóng)學(xué)組分之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，而其余各紅邊參數(shù)與農(nóng)學(xué)組分之間呈極顯著正相關(guān)（表1）。葉片含氮量和植株含氮量與紅邊位置、紅邊寬度、紅邊振幅和紅邊峰值面積呈極顯著正相關(guān)，可以通過這些紅邊參數(shù)來預(yù)測(cè)氮含量，且葉片含氮量與紅邊參數(shù)之間的關(guān)系優(yōu)于植株含氮量與紅邊參數(shù)的關(guān)系。葉面積指數(shù)與紅邊位置、紅邊寬度、紅邊振幅和紅邊峰值面積呈極顯著正相關(guān)，而與紅谷位置、最小振幅和綠峰位置呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。葉片含水量和植株含水量與紅邊位置、紅邊寬度、紅邊振幅和紅邊峰值面積呈極顯著正相關(guān)，而與最小振幅和綠峰位置呈極顯著負(fù)相關(guān)，且這些組分與植株含水量的相關(guān)性優(yōu)于與葉片含水量的相關(guān)性。用最優(yōu)紅邊參數(shù)為自變量（x），各農(nóng)學(xué)組分為因變量（y）建立擬合方程如圖5所示。

紅邊振幅與葉片含氮量、植株含氮量和植株含水量具有較為穩(wěn)定的關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0.916，0.901和0.884；紅邊峰值面積與葉面積指數(shù)和葉片含水量具有較好的關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0.854和0.713；紅邊寬度與總生物量之間存在較好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.825。因此，可以利用紅邊參數(shù)快速、無破壞地診斷小麥營(yíng)養(yǎng)狀況。

3 結(jié)論

研究結(jié)果顯示，不同品種之間的小麥冠層高光譜反射率存在差異，且在近紅外部分的差異明顯大于可見光部分。小麥冠層高光譜反射率在不同的生育期也有明顯的變化，且在近紅外波段的變化要大于可見光波段。從孕穗期到開花期，可見光部分的反射率先升高再降低，而在近紅外部分的反射率呈下降的趨勢(shì)，近紅外波段以孕穗期冠層高光譜反射率最高。在灌漿期，近紅外部分的反射率迅速下降，而可見光部分的反射率有所上升，隨著生育期的進(jìn)一步推進(jìn)，到了乳熟期小麥在可見光部分單峰現(xiàn)象消失。

不同施氮量的高光譜響應(yīng)，近紅外部分的差異明顯大于可見光部分，在近紅外波段反射率隨著氮肥水平的增加而升高，而在可見光波段4個(gè)施氮水平的反射率都很小，差異不明顯。小麥冠層高光譜反射率的紅邊位置、綠峰位置隨著施氮量的增加都有所變化，隨著施氮量的增加，高光譜反射率的一階導(dǎo)數(shù)隨施氮量的增加而變大，波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，發(fā)生“紅移”現(xiàn)象，而綠峰波長(zhǎng)變短，向藍(lán)光方向移動(dòng)，發(fā)生“藍(lán)移”現(xiàn)象。發(fā)生這些現(xiàn)象的原因是由于隨著施氮水平提高，葉綠素含量增加的緣故。但是氮肥水平達(dá)到一定程度時(shí)，葉綠素的含量反而會(huì)降低，影響作物的正常生長(zhǎng)。

上述研究的結(jié)果僅是基于不同小麥品種之間關(guān)鍵生育期的冠層高光譜反射特征分析的，雖然部分消除了品種之間的差異，但是紅邊參數(shù)的反射率信息是整個(gè)冠層信息的綜合，而農(nóng)學(xué)組分是部分葉片的，可能無法代表整個(gè)冠層的信息，如何定性和定量分析各種因素的影響還有待進(jìn)一步研究。

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上述研究的結(jié)果僅是基于不同小麥品種之間關(guān)鍵生育期的冠層高光譜反射特征分析的，雖然部分消除了品種之間的差異，但是紅邊參數(shù)的反射率信息是整個(gè)冠層信息的綜合，而農(nóng)學(xué)組分是部分葉片的，可能無法代表整個(gè)冠層的信息，如何定性和定量分析各種因素的影響還有待進(jìn)一步研究。

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上述研究的結(jié)果僅是基于不同小麥品種之間關(guān)鍵生育期的冠層高光譜反射特征分析的，雖然部分消除了品種之間的差異，但是紅邊參數(shù)的反射率信息是整個(gè)冠層信息的綜合，而農(nóng)學(xué)組分是部分葉片的，可能無法代表整個(gè)冠層的信息，如何定性和定量分析各種因素的影響還有待進(jìn)一步研究。

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