冬小麥氮素積累量的高光譜遙感監(jiān)測(cè)研究

李加芬

傳統(tǒng)的測(cè)量田間氮素營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)是通過(guò)破壞作物取樣，需要消耗大量的人力物力，準(zhǔn)確性偏低，時(shí)效性差，并存在一定的主觀影響，不適合推廣和使用。現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)包括葉綠素儀、葉綠素突光技術(shù)、作物數(shù)碼圖像識(shí)別技術(shù)和光譜遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，在不破壞作物的基礎(chǔ)上，利用多種現(xiàn)代技術(shù)手段來(lái)對(duì)作物含氮量進(jìn)行大面積快速準(zhǔn)確高效的獲取氮素含量是科學(xué)氮肥運(yùn)籌的關(guān)鍵。

一、供試材料和方法

1、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)是大學(xué)當(dāng)中的農(nóng)作站，土壤是褐土，為堿性，氮、磷、鉀含量分別是53.82mg、18.44mg、236.91mg，使用的肥料主要是尿素，含氮量大約46%，還有12%的是過(guò)磷酸鈣。

試驗(yàn)時(shí)間：2018年9月～2019年6月，該實(shí)驗(yàn)為氮肥運(yùn)籌試驗(yàn)，釆用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。氮肥施入量分別為NO：0 kg/hm2;Nl：75kg/hm2;N2：150kg/hm2;N3：225kg/hm2;N4：300kg/hm2。供試品種為：京9549。小區(qū)面積4*7=28m2，行距20cm，重復(fù)3次，田間在管理上相同。

2、測(cè)量指標(biāo)和方法

（1）冠層光譜測(cè)定

高光譜分辨率遙感是利用應(yīng)用探測(cè)器，遙遠(yuǎn)地感知一個(gè)客觀物體的存在，將電磁波信號(hào)記錄下來(lái)，通過(guò)后期分析揭示物體的特性和變化的一門(mén)綜合性探測(cè)技術(shù)。其原理是對(duì)光譜學(xué)的應(yīng)用。

對(duì)小麥的冠層光譜測(cè)定使用的儀器是美國(guó)生產(chǎn)的，型號(hào)是FieldSpec3，波段是2500m～350nm，視場(chǎng)角度約25度。其中波段不一樣，光譜間隔也不一樣，當(dāng)光譜采樣的波段帶在350～1000nm時(shí)，光波采樣間隔度是1.4納米。當(dāng)光譜采樣的波段帶超過(guò)1000nm，不足2500m時(shí)，光譜采樣間隔大約在2nm。儀器每三個(gè)月進(jìn)行一次光度校準(zhǔn)。測(cè)量時(shí)選擇天氣比較晴朗少云，沒(méi)有風(fēng)時(shí)。分別在冬小麥不同的季節(jié)檢測(cè)。并對(duì)光譜測(cè)定率進(jìn)行記錄，不管是哪一個(gè)時(shí)期，時(shí)間都在上午十點(diǎn)到下午兩點(diǎn)之間檢測(cè)。測(cè)量時(shí)探頭和冠層間的垂直距離約1.2m左右。在不同的區(qū)域點(diǎn)選取三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量的次數(shù)不低于五次，平均值為該區(qū)域內(nèi)光譜的測(cè)量值。

（2）葉綠素（Chi）含量測(cè)定

測(cè)定葉綠素含量時(shí)和特定光譜亮度一樣，在冬小麥不同的生長(zhǎng)期采集。讓葉子進(jìn)行密封每個(gè)不同的區(qū)域最少重復(fù)三次，將選取的樣本進(jìn)行測(cè)定。先將葉脈部分去掉，裁剪成不同的小塊，寬度不超過(guò)2mm，放到容量瓶中，比例為4：1。用1ml的丙酮和15ml的80%的丙酮選取的樣品浸泡，密封保存中不能見(jiàn)光，約24小時(shí)后進(jìn)行測(cè)定。

（3）葉面積指數(shù)測(cè)定

葉面積指數(shù)測(cè)定和光譜測(cè)定同時(shí)進(jìn)行，葉面積指數(shù)測(cè)定使用的是干重法。在不同的地方選取小麥進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)地區(qū)隨機(jī)選5個(gè)葉片，用尺子量取寬度，再精確地剪下葉片中段4cm，求得這部分葉片的總面積（Si），烘干稱重（Wi），并將S的冬小麥葉片的其余部分烘干稱重（W2），求得葉片總面積。

（4）植株生物量的測(cè)定

本次使用的方法是烘干稱重法，在不同的小區(qū)選一些比較有代表性的植物來(lái)測(cè)量，每個(gè)小區(qū)大約選10株，先對(duì)生物量進(jìn)行測(cè)定和計(jì)算，再對(duì)重量測(cè)量，最后將生物放入烤箱內(nèi)烘烤30分鐘后，繼續(xù)烘干，溫度和之前相比有所降低，直到烘干為止。每?jī)尚r(shí)測(cè)一次重量之間的差值，根據(jù)記錄的數(shù)值，計(jì)算植株的含水量。

（5）植株氮素測(cè)定

確定植株氮素含量時(shí)，使用的是微量凱氏定氮法。先將選取的植株樣品粉碎，再加入一些化學(xué)制劑一起加熱的過(guò)程中蛋白質(zhì)進(jìn)行充分分解，分解之后的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的硫酸氨，最后用鹽酸的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定后，根據(jù)氮素含量的計(jì)算公式得到植株氮素的含量。公式如下：

式中V為鹽酸體積變量，M為樣品質(zhì)量。氮素積累量（kg/hm2）=全氮含量*干物重

二、冬小麥光譜變化特征分析

1、冬小麥冠層光譜變化規(guī)律

（1）不同生育時(shí)期冬小麥冠層光譜變化規(guī)律

本次將氮素進(jìn)行處理，最后發(fā)現(xiàn)冬小麥觀光層光譜的變化曲線基本上沒(méi)有發(fā)生變化，以氧化氮為例，紅光波段和藍(lán)光波短分別出現(xiàn)了兩個(gè)反射率比較低的吸收谷。但中間有一個(gè)比較強(qiáng)的反射峰是綠光波段約為550nm。光譜曲線在波段680nm時(shí)開(kāi)始上升，1000nm時(shí)到達(dá)頂峰，這時(shí)近紅外高臺(tái)區(qū)反射的波形變化比較明顯。

（2）不同氮梯度下冬小麥冠層光譜的變化規(guī)律

冬小麥在生產(chǎn)過(guò)程中，雖然氮素不一致，但觀測(cè)光譜變化基本一樣。氮元素對(duì)冬小麥的生長(zhǎng)幫助非常大，生長(zhǎng)情況和氮素含量成正比。同時(shí)，植被的覆蓋率也比較高，葉綠素比較強(qiáng)，導(dǎo)致可見(jiàn)光區(qū)的反射率比較低。

2、冬小麥冠層光譜一階導(dǎo)數(shù)變化規(guī)律

（1）不同生育時(shí)期冬小麥冠層光譜一階導(dǎo)數(shù)變化規(guī)律

原始光譜反射力度雖然會(huì)受到背景因素的干擾，但經(jīng)過(guò)一階微處理影響可忽略不計(jì)。除成熟期外，冬小麥在其他生長(zhǎng)期，光譜線路基本保持不變。其中反射率變化有一部分比較大，就是紅邊的位置。這個(gè)特征比較明顯，也是和其他綠色植被區(qū)別最明顯的地方。一些小的波峰在930～1130nm處會(huì)有一個(gè)小的波谷。拔節(jié)期光譜反射率最高，可能是因?yàn)樾←溕L(zhǎng)時(shí)，植株含水量比較低。冬小麥的冠層光譜的紅邊特征比較明顯，其實(shí)這種現(xiàn)象在生長(zhǎng)前期就出現(xiàn)了，但因受到土壤信息和冬小麥葉面積的影響并沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)，隨著冬小麥不斷的生長(zhǎng)，覆蓋度和之前相比都有明顯的增加。在生產(chǎn)的過(guò)程中，土壤對(duì)小麥的影響也比之前有所降低，所以生長(zhǎng)后期這種雙峰現(xiàn)象會(huì)慢慢表現(xiàn)出來(lái)。但隨著葉片繼續(xù)生長(zhǎng)和脫落，最后會(huì)逐漸消失。

（2）不同氮梯度下冬小麥冠層光譜一階導(dǎo)數(shù)變化規(guī)律

冬小麥在生長(zhǎng)的過(guò)程中，雖然氮元素的含量不一樣，但光譜曲線一致。在近紅外區(qū)反射率和施氮量成正比，可見(jiàn)光區(qū)域反射率和施氮水平成反比。冬小麥在紅邊區(qū)生產(chǎn)時(shí)，如果施氮的含量過(guò)多，可能會(huì)出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。另外，冬小麥成熟期時(shí)反射率最小，隨著冬小麥不斷生長(zhǎng)，反射率變化也越來(lái)越小，可能是因?yàn)樾←溤谏L(zhǎng)時(shí)營(yíng)養(yǎng)成分有所轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致小麥籽兒的營(yíng)養(yǎng)比較高，葉片的營(yíng)養(yǎng)素比較低。

（作者單位：651215 云南省祿豐縣一平浪鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村服務(wù)中心）