不同水氮條件下冬小麥高光譜特征差異性分析

姚付啟，蔡煥杰,孫金偉，喬 偉

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 a.農(nóng)業(yè)水利研究所;b.水土保持研究所,武漢 430012;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

不同水氮條件下冬小麥高光譜特征差異性分析

姚付啟1a,2，蔡煥杰2,孫金偉1b，喬 偉1a

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 a.農(nóng)業(yè)水利研究所;b.水土保持研究所,武漢 430012;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

在2010—2011年冬小麥生長(zhǎng)季，通過(guò)大田小區(qū)試驗(yàn)，利用ASD便攜式野外光譜儀實(shí)測(cè)了不同水氮條件下冬小麥冠層高光譜反射率，并對(duì)不同葉面積指數(shù)(LAI)、葉綠素含量(SPAD值可以表征葉綠素含量)及不同水氮脅迫下光譜特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：隨著LAI和SPAD值的增大，“綠峰”與“紅谷”特征愈加明顯；不同水氮脅迫使冬小麥高光譜特征產(chǎn)生差異，在不同灌溉條件下，冬小麥在可見(jiàn)光波段的反射率隨氮素含量的減小而升高；而在近紅外波段，規(guī)律則正好相反。成果可為遙感準(zhǔn)確檢測(cè)冬小麥生長(zhǎng)狀況與節(jié)水灌溉提供科學(xué)依據(jù)。

冬小麥；光譜特征；水氮脅迫;葉面積指數(shù)；葉綠素含量

1 研究背景

20世紀(jì) 80年代興起的高光譜分辨率遙感技術(shù)，充分利用地物光譜信息，能獲取地物微弱光譜信息，因此，高光譜分辨率遙感廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)信息化和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可以利用高光譜遙感技術(shù)，快速、無(wú)損、周期性地對(duì)農(nóng)田信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握作物生長(zhǎng)情況，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供重要依據(jù)。

作物反射光譜是建立地面光譜與遙感圖像之間關(guān)系的橋梁，是對(duì)作物進(jìn)行遙感研究和各種模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。各種環(huán)境脅迫，如干旱等都會(huì)使作物反射特征發(fā)生變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)作物冠層反射特征可以了解作物的生長(zhǎng)狀況。對(duì)于作物冠層光譜特征的分析，國(guó)內(nèi)外已有研究。Colwell[1]分析并指出作物冠層反射率特征的可能影響因素。唐延林等[2]研究了水稻、玉米、棉花的高光譜特征；方慧等[3]研究了油菜葉片的光譜特征；孫紅等[4]研究了冬小麥生長(zhǎng)期光譜變化特征。

冬小麥作為重要的糧食作物之一，科研人員對(duì)其光譜特征進(jìn)行了大量研究。Kanemasu[5]研究了小麥在不同時(shí)期的冠層光譜特征；國(guó)內(nèi)的學(xué)者在冬小麥條銹病高光譜特征[6]、冬小麥凍害光譜特征[7]、病蟲(chóng)害光譜特征[8]、不同種植密度下春小麥光譜特征[9]等方面做了深入研究，而對(duì)于不同水氮條件下冬小麥高光譜特征研究偏少[10]。在西北干旱、半干旱地區(qū)，如何準(zhǔn)確快速判斷冬小麥長(zhǎng)勢(shì)與農(nóng)田干旱脅迫程度，作為研究課題顯得尤為重要。本研究著重分析了不同水氮條件下冬小麥生態(tài)參數(shù)葉面積指數(shù)(LAI)和葉綠色含量(SPAD值)的變化，不同生態(tài)參數(shù)下高光譜特征的響應(yīng)，以及不同水氮條件下冬小麥高光譜特征，以期為遙感準(zhǔn)確檢測(cè)冬小麥生長(zhǎng)狀況與節(jié)水灌溉提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的灌溉試驗(yàn)站(東經(jīng)108°24′，北緯34°18′，海拔521 m)進(jìn)行。該站位于陜西省關(guān)中地區(qū)，地下水埋深較大，所以忽略地下水補(bǔ)給量。該站屬于大陸性暖溫帶季風(fēng)氣候，全年平均無(wú)霜期212 d，多年平均氣溫12.9 ℃，多年平均降水量635.1 mm，年均蒸發(fā)量1 500 mm。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為中壤土，1 m土層平均田間持水量為23%～25%，凋萎含水率為8.5%(以上均為質(zhì)量含水率)，平均干密度為1.44 g/cm3。耕層土壤(0～25 cm)的基本肥力質(zhì)量分?jǐn)?shù)(肥力質(zhì)量分?jǐn)?shù)是指1 kg土壤中肥力的質(zhì)量含量)為：土壤有機(jī)質(zhì)15.28 g/kg，全氮0.87 g/kg，全磷0.74 g/kg，全鉀17.64 g/kg，速效磷80.5 mg/kg，硝態(tài)氮85.32 mg/kg。土壤肥力中等偏上。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試驗(yàn)作物為冬小麥，品種為“小偃 22號(hào)”、“秦農(nóng)142”、“鄭麥9023”。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)施肥水平，分別為0，60，120，180 kg/hm2純氮，五氧化二磷240 kg/hm2，播種時(shí)一次全部施入。設(shè)置2個(gè)灌溉水平，分為充分灌溉、水分虧缺。小麥于2009年10月17日播種，2010年3月3日返青，6月9日成熟收獲；2010年10月17日播種，2011年3月6日返青， 6月7日成熟收獲。試驗(yàn)為隨機(jī)區(qū)組排列，試驗(yàn)小區(qū)面積為3 m×4 m，行距25 cm，設(shè)4個(gè)重復(fù)。

2.3 光譜測(cè)量

采用美國(guó)ASD便攜式野外光譜儀(ASD FieldSpec HandHeld)對(duì)冬小麥冠層進(jìn)行光譜測(cè)定，光譜儀波段范圍為325～1 075 nm，光譜分辨率3.5 nm，光譜采樣間隔1.6 nm，視場(chǎng)角25°。選擇天氣晴朗、無(wú)風(fēng)或者風(fēng)力很小時(shí)于北京時(shí)間11：00—13：00進(jìn)行光譜測(cè)定。2010年，在各生育期分別做4次光譜測(cè)量；2011年，各生育期內(nèi)分別做3次光譜測(cè)量。各處理測(cè)定前后進(jìn)行參考板校正，測(cè)量時(shí)傳感器探頭垂直向下，據(jù)冠層垂直高度1 m。每個(gè)處理光譜值重復(fù)采集10次，把10組數(shù)據(jù)的平均值作為該樣品最終光譜反射率。

2.4 生態(tài)參數(shù)測(cè)定

2.4.1 冬小麥LAI采集

冠層光譜測(cè)定之后，數(shù)出光譜測(cè)量范圍內(nèi)的小麥株數(shù)，然后在這些小麥中選取長(zhǎng)勢(shì)均勻具有代表性的10株小麥貼根割下來(lái)，把所有葉片裁下，平鋪在一個(gè)以黑布為背景的鐵圈內(nèi)(鐵圈大小和光譜儀的視場(chǎng)范圍一致)，以數(shù)碼相機(jī)對(duì)取下的葉片垂直拍照。利用GIS方法求得光譜測(cè)量范圍內(nèi)的小麥葉面積指數(shù)，并作為該小區(qū)的一個(gè)葉面積指數(shù)值。

2.4.2 葉綠素含量測(cè)量

葉綠素儀主要利用650 nm和940 nm中心波段葉片透射率進(jìn)行葉片葉綠素含量的測(cè)定，其讀數(shù)SPAD值可以較好地表征葉片綠度，近年來(lái)在不同作物中取得了良好的應(yīng)用效果。使用葉綠素計(jì)測(cè)定冬小麥的葉綠素含量是完全可行的，在一定條件下可代替葉綠素含量的直接測(cè)定。本文即用便攜式葉綠素儀SPAD-502測(cè)定SPAD值代替葉綠素含量。待冠層光譜測(cè)定之后，用便攜式葉綠素儀SPAD-502在光譜測(cè)量范圍內(nèi)均勻地測(cè)量20個(gè)值，求取平均值作為此小區(qū)的一個(gè)葉綠素含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同試驗(yàn)條件下冬小麥LAI和SPAD值的變化

3.1.1 不同品種、不同氮素、不同水分條件下冬小麥LAI的變化

由表1可知，在不同品種、不同水氮條件下，從返青期開(kāi)始，冬小麥LAI開(kāi)始增大，抽穗期時(shí)LAI達(dá)到最大值。抽穗期到灌漿期(灌漿期是指冬小麥的一個(gè)生育期，這個(gè)階段，小麥籽粒開(kāi)始充實(shí))，冬小麥LAI開(kāi)始減少，到成熟期，減少到最小值。不同品種、不同氮素和不同水分條件下冬小麥LAI均隨著生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)先增大后減少的變化趨勢(shì)。之所以出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)檫M(jìn)入返青期后，冬小麥單株葉面積迅速增加，抽穗期冬小麥所有葉片均已長(zhǎng)出，且植株總莖數(shù)也處于最高值。隨著時(shí)間的推移，小麥植株底部的葉片逐漸枯黃，綠葉面積減少，成熟時(shí)葉片基本全部枯黃。在不同試驗(yàn)條件下同生育期內(nèi)也存在差異，同氮條件下，充分灌溉條件下3個(gè)品種的冬小麥LAI大于水分虧缺條件下冬小麥LAI。同灌溉條件下，隨著施氮量的增加，3個(gè)品種的冬小麥LAI均有增大的趨勢(shì)。造成此現(xiàn)象的原因是水分虧缺或者施氮量的多寡影響了冬小麥的生長(zhǎng)。在同氮情況下，水分虧缺阻礙了冬小麥的生長(zhǎng)，葉面積相應(yīng)減少；在同灌溉條件下，施肥量增加，冬小麥生長(zhǎng)愈加茂盛，葉面積相應(yīng)增加。

3.1.2 不同品種、不同氮素、不同水分條件下冬小麥SPAD值的變化

由表1可知，在不同品種、不同水氮條件下，冬小麥SPAD值隨著生育期的變化均呈現(xiàn)先增大后減少的變化趨勢(shì)。從返青期開(kāi)始，冬小麥SPAD值開(kāi)始增大，灌漿期時(shí)達(dá)到最大值，成熟期時(shí)，SPAD值已經(jīng)變得很小。造成此種現(xiàn)象的原因：返青期后，冬小麥營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)加快，光合作用加強(qiáng)，葉綠素含量增加。而隨著生育期的推進(jìn)，冬小麥開(kāi)始變黃，葉綠素開(kāi)始分解，葉綠素含量降低。

3個(gè)品種的冬小麥SPAD值在各生育期內(nèi)均隨著施氮量的增加而提高。在不同試驗(yàn)條件下冬小麥SPAD值也存在差異。在相同氮處理?xiàng)l件下，充分灌溉條件冬小麥SPAD值要大于水分虧缺條件下冬小麥SPAD值。同灌溉條件下，隨著施氮量的增加，

表1 不同品種、不同氮素、不同水分條件下冬小麥LAI和SPAD的變化Table 1 LAI and SPAD of winter wheat of different species with different nitrogen and moisture levels

3個(gè)品種的冬小麥SPAD值均有增大的趨勢(shì)。出現(xiàn)此種現(xiàn)象，是因?yàn)樗痔澣焙偷赜绊懥硕←淪PAD值。同氮處理?xiàng)l件下，水分虧缺影響了冬小麥生長(zhǎng)，葉綠素含量降低；由于氮素和葉綠素含量密切相關(guān)，同灌溉條件下，施氮量的增加，對(duì)應(yīng)著SPAD值的增大。

圖1 不同LAI下的冬小麥原始光譜Fig.1 Spectral reflectance of winter wheat canopy in the presence of different LAI

3.2 不同生態(tài)參數(shù)的冬小麥高光譜特征

3.2.1 不同LAI下的冬小麥冠層高光譜特征

作物冠層反射光譜是作物、土壤、大氣、水分等多個(gè)因子綜合形成的，其反射率受作物本身、田間雜草、植被覆蓋度、作物水分、土壤狀況和大氣等多個(gè)因素的影響。圖1所示為不同LAI條件下冬小麥冠層高光譜特征。不同LAI條件下，冬小麥冠層高光譜特征類似，形成“峰”、“谷”特征。在可見(jiàn)光區(qū)域(400～700 nm)植物葉片的反射和透射都很低，存在2個(gè)“吸收谷”和1個(gè)“反射峰”，即450 nm的藍(lán)光、650 nm的紅光和550 nm的綠光。在圖1中，550 nm附近能看到一個(gè)凸起的反射峰，兩邊有一個(gè)低反射率區(qū)間，形成吸收谷?！拔展取笔巧貙?duì)藍(lán)光和紅光的強(qiáng)吸收造成的，而“反射峰”則是由于綠光的弱反射造成的，所以植物通常呈暗綠色。在680～740 nm波段，冬小麥光譜反射率急劇上升形成植被光譜最重要的特征——“紅邊”。這是因?yàn)槿~肉內(nèi)的海綿組織結(jié)構(gòu)內(nèi)有很大反射表面的空腔，且細(xì)胞內(nèi)的葉綠素呈水溶膠狀態(tài)，具有強(qiáng)烈的紅外反射。但是不同LAI條件下，冬小麥冠層高光譜特征產(chǎn)生差異。當(dāng)冬小麥LAI偏小時(shí)(如0.31)，冬小麥冠層光譜在可見(jiàn)光區(qū)的綠峰不明顯，這是由土壤背景造成的。隨著LAI的增大，綠峰特征愈加明顯，紅谷也越深。

圖2 不同SPAD值下的冬小麥原始光譜Fig.2 Spectral reflectance of winter wheat canopy in the presence of different SPAD values

3.2.2 不同葉綠素含量下的冬小麥冠層高光譜特征

圖2為不同SPAD值下的冬小麥冠層高光譜特征。由圖2可知，不同SPAD值下，冬小麥冠層高光譜特征類似，形成“峰”、“谷”特征。但是不同SPAD值下，冬小麥冠層高光譜特征也產(chǎn)生差異。當(dāng)冬小麥葉綠素含量偏小時(shí)(如值39.3)，冬小麥冠層光譜在可見(jiàn)光區(qū)的綠峰不明顯，隨著葉綠素含量的增大，綠峰特征愈加明顯，紅谷也越深。這是由于葉綠素綠光區(qū)的弱反射造成的。

3.3 不同水氮條件下冬小麥高光譜特征

不同氮素、不同水分條件對(duì)冬小麥冠層高光譜特征的影響，以抽穗期冬小麥“小偃22”為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明一下各處理間的差異(圖3)。由圖3知，灌漿期，不同氮素水平下的充分灌溉、水分虧缺的冬小麥光譜特征趨勢(shì)一致，同時(shí)存在差異。差異主要表現(xiàn)在反射率不同：在充分灌溉條件下，不同氮素下的冬小麥在可見(jiàn)光波段的反射率隨氮素含量的減小而升高；而在近紅外波段，冬小麥光譜反射率隨氮素含量的減少而降低。水分虧缺條件下出現(xiàn)的規(guī)律大致為不同氮素下的冬小麥在可見(jiàn)光波段的反射率隨氮素含量的增加而降低；而在近紅外波段，冬小麥光譜反射率隨氮素含量的增加而升高。其他2種冬小麥均產(chǎn)生類似的規(guī)律，這里不再贅述。

圖3 抽穗期不同水氮條件下冬小麥“小偃22”光譜特征Fig.3 Spectral reflectance of winter wheat canopy with different moisture and nitrogen levels at heading stage

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)野外田間不同水氮條件下的冬小麥冠層反射光譜數(shù)據(jù)的獲取與分析，得到如下結(jié)論：

(1) 不同品種、不同氮素和不同水分條件下冬小麥LAI和SPAD值均隨著生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)先增大后減少的變化趨勢(shì)。同氮條件下，充分灌溉條件下3個(gè)品種的冬小麥LAI和SPAD值大于水分虧缺條件下冬小麥LAI和SPAD值。同灌溉條件下，隨著施氮量得增加，3個(gè)品種的冬小麥LAI和SPAD值均有增大的趨勢(shì)。

(2) 不同LAI和SPAD值下冬小麥冠層高光譜特征產(chǎn)生差異。當(dāng)冬小麥LAI和SPAD值偏小時(shí)，冬小麥冠層光譜在可見(jiàn)光區(qū)的綠峰不明顯，隨著LAI和SPAD值的增大，綠峰特征愈加明顯，紅谷也越深。

(3) 不同水氮處理使冬小麥高光譜特征在近紅外區(qū)產(chǎn)生差異。光譜特征出現(xiàn)這種差異，與影響光譜特征的冬小麥生理生態(tài)指標(biāo)(葉面積、覆蓋度、葉綠素含量等)有關(guān)，隨著水氮素脅迫程度的加大，冬小麥生理生態(tài)指標(biāo)隨之減小。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

Spectral Characteristic of Winter Wheat with Different Waterand Nitrogen Conditions

YAO Fu-qi1,2,CAI Huan-jie2,SUN Jin-wei3,QIAO Wei1

(1.Agricultural Water Conservancy Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430012,China;2.Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid Areas under Ministry of Education,Northwest A &F University,Yangling 712100,China;3.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430012,China)

By field experiments,the hyperspectral reflectance of winter wheat canopy with different moisture and nitrogen conditions during growth periods of 2010 and 2011 was measured by portable field spectrometer ASD.The canopy spectral characteristic in the presence of different leaf area index(LAI) ,different chlorophyll content(SPAD value) and different water and nitrogen stress was analyzed.Results showed that peak of reflectance (green) and valley of adsorption (red) became more obvious with the increase of LAI and SPAD.The hyperspectral reflectance of winter wheat canopy was different in the presence of different water and nitrogen stresses.In the visible light band,the reflectivity increased with the decrease of nitrogen,but reduced in the near-infrared band.The research result could be a scientific support for winter wheat growth detection and water-saving irrigation.

winter wheat;spectral characteristic;water and nitrogen stress;leaf area index;chlorophyll content

2014-12-30；

2015-01-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309016)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(CKSF2014041/NS)；農(nóng)業(yè)部作物需水與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(CWRR201401)；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013CFB401)

姚付啟(1981-)，男，山東費(fèi)縣人，工程師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水與農(nóng)業(yè)信息技術(shù)方面的研究，(電話)027-82820495(電子信箱)fuqiyao163@163.com。

蔡煥杰(1962-)，男，河北藁城人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水和水資源高效利用方面的研究，(電話)029-87082233(電子信箱)caihj@nwsuaf.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.019

S512.11；TP79

A

1001-5485(2015)03-0095-04

2015,32(03):95-98,111