小麥生長及葉片磷含量與高光譜反射率的關(guān)系

王樂輝， 吉宇， 舒芳， 田國強， 蘇燕

(益陽市氣象局，湖南益陽　413000)

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小麥生長及葉片磷含量與高光譜反射率的關(guān)系

王樂輝， 吉宇， 舒芳， 田國強， 蘇燕

(益陽市氣象局，湖南益陽413000)

摘要：以小麥品種揚麥13、揚麥16為實驗材料，在田間設(shè)置了3個氮素水平處理，研究了不同處理拔節(jié)期到灌漿期葉面積指數(shù)(LAI)、葉綠素相對含量(SPAD)、氮磷含量與冠層高光譜反射率的關(guān)系。結(jié)果顯示，LAI隨著施氮量的增加而增大，并在整個生育期內(nèi)先增大后減小。LAI與二階導(dǎo)數(shù)SD1691、SD506和一階導(dǎo)數(shù)FD407、FD440的相關(guān)系數(shù)分別為0.600、0.569、0.506、0.477，在α=0.05標(biāo)準(zhǔn)上達(dá)到顯著水平，可為冠層高光譜反射率監(jiān)測LAI提供依據(jù)；在氮素水平不斷提高的情況下，SPAD與LAI有相同的趨勢，隨施氮量增加而增大。對葉片含磷量與光譜反射率做相關(guān)分析可以得出，抽穗期是小麥磷元素光譜診斷的敏感時期，敏感波段為730～900 nm?；谛←湽趯痈吖庾V與營養(yǎng)診斷研究的相關(guān)性為后期相關(guān)模型構(gòu)建提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：小麥； 高光譜遙感；葉面積指數(shù)； 葉綠素相對含量； 磷

國內(nèi)外的研究表明，葉面積指數(shù)(LAI)與冠層高光譜反射率及一階微分的相關(guān)性較好，可以用比值植被指數(shù)等來反演LAI，而且對于LAI的光譜反演已經(jīng)取得了較多的結(jié)果。磷是植物體內(nèi)的重要元素之一，它能促進(jìn)幼苗根系生長和改善果實品質(zhì)。我國缺磷耕地達(dá)到2/3[1]，大大降低了作物的產(chǎn)量。在正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷素不足就需要增施磷肥，但是一方面土壤磷的利用率低，另一方面，加施磷肥可能會導(dǎo)致環(huán)境污染[2]。所以，作物磷素營養(yǎng)診斷在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是必要的基礎(chǔ)工作。氮磷是植物所需的主要營養(yǎng)元素?？v觀國內(nèi)外的相關(guān)研究可知，人們利用高光譜遙感技術(shù)對植物冠層氮素的研究已相當(dāng)成熟，并建立了一些比較實用的模型。與氮相比，磷的相關(guān)性研究較少。Osborne等[3]指出可用光譜診斷植物體內(nèi)磷含量的時期是植物生長早期，晚期不適合磷的診斷；Al-Abbas等[4]和Milton等[5]研究發(fā)現(xiàn)，植物輕度缺磷時葉綠素濃度會提高，嚴(yán)重缺磷時才可以用光譜反射率檢測小麥磷元素含量。因為缺磷的植物葉片單位面積中葉綠素含量較高，相比于正常葉片顏色偏暗，且缺磷的植株，體內(nèi)新陳代謝過程不正常，糖分分解不完全，會積累，易形成花青素[6]。缺磷植物體內(nèi)葉綠素和花青素會對光譜反射率產(chǎn)生影響，導(dǎo)致葉片光譜分析也變得復(fù)雜。

本實驗將通過監(jiān)測作物不同生育期光譜反射率的變化，研究LAI、葉綠素相對含量(SPAD值)、葉片氮磷含量等與光譜反射率的關(guān)系[7]，特別是與光譜一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的相關(guān)性，找出對LAI、SPAD值等敏感的波段，為作物的遙感監(jiān)測提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1實驗區(qū)概況

小麥田間試驗于2013—2014年度在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗站進(jìn)行。試驗地土壤為壤土，質(zhì)地均勻，土壤肥力高[8]。供試小麥品種為揚麥13(A1)和揚麥16(A2)。設(shè)3個施氮水平，分別為0、150、300 kg·hm-2純氮(分別用B1、B2、B3表示)。小區(qū)面積9 m2，基本苗為2.0×106株·hm-2，行距25 cm。兩因素隨機分組排列，3次重復(fù)。11月5日播種，播種前采集土樣，管理措施同高產(chǎn)大田栽培[9]。

1.2試驗方法

以下指標(biāo)均在小麥主要生育期(拔節(jié)期、抽穗期、開花期、灌漿期)測定。

1)反射率測定。

小麥冠層高光譜反射率采用ASD FieldSpec 3光譜儀進(jìn)行測定。選擇在晴朗無云或少云的天氣進(jìn)行，測量時間為10：00—14：00。每個小區(qū)選擇3個樣點測定，取平均值。

2)葉片SPAD測定。

采用SPAD-502儀測定葉片SPAD值。測量時測劍葉中部，避開主葉脈。

3)LAI測定。

采用比葉重法測量。進(jìn)行光譜測量的同時，每個小區(qū)取樣20株，按葉位分離并稱重，殺青烘干后稱量得到干重。樣本葉片的葉面積用CID-301型葉面積儀測定。利用比葉重法求樣本植株葉片面積，進(jìn)而得到總LAI。

4)生物量測定。

分樣烘干后，稱取各部分干重，根據(jù)種植密度計算單位土地面積的干物重(g·m-2)；樣品粉碎后裝自封袋密閉保存，供生物化學(xué)組分測定。

5)小麥氮、磷含量測定。

葉片、莖稈和籽粒全氮含量采用凱氏定氮法測定。將粉碎樣品經(jīng)過消煮、蒸餾后，進(jìn)行滴定，通過公式可計算出葉片氮含量及莖桿氮含量。計算公式如下：

其中，V為滴定試液時所用酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積(mL)；V0為滴定空白時所用酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積(mL)；cH為酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度(mol/L)；0.014為氮原子的毫摩質(zhì)量；m為烘干植物質(zhì)量(g)。

全磷的測定：H2SO4-H2O2消煮，釩鉬黃比色法。

標(biāo)準(zhǔn)曲線制作：準(zhǔn)確吸取50 μg·mL-1的P標(biāo)準(zhǔn)溶液0、1.0、2.5、5、7.5、10.0、15.0 mL，于50 mL容量瓶中，加與吸取的待測液等量的空白消煮液，同上述操作步驟顯色和比色。該標(biāo)準(zhǔn)系列P的質(zhì)量濃度分別為0、1.0、2.5、5、7.5、10.0、15.0 μg·mL-1。

w(植株全P)(%)=ρ×V×分取倍數(shù)×10-4/m

其中，ρ為從標(biāo)準(zhǔn)曲線查得顯色液P的質(zhì)量濃度(μg/mL)；V為顯色液體積(mL)；m為烘干樣品質(zhì)量(g)；10-4為將 μg/L換算為質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)的換算因數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1冠層高光譜反射率與小麥LAI的相關(guān)關(guān)系

1)不同氮素水平下LAI隨生育期的變化。

表1提供了不同氮素水平下小麥LAI隨生育期的變化?？梢?，隨施氮水平的提高，LAI的值也隨著增大，是因為土壤氮素的增加促進(jìn)了小麥對營養(yǎng)元素的吸收，從而加快了小麥的生長發(fā)育，在旺盛的光合作用下，小麥葉片迅速生長，促使LAI增大。而在小麥整個生育期內(nèi)，LAI值是先增大后減小的，從拔節(jié)期到開花期，小麥葉片逐漸長大，導(dǎo)致LAI也跟著變大，在開花期達(dá)到最大[10]。隨著生命進(jìn)程的進(jìn)行，小麥葉片逐漸衰老，LAI也隨著下降。

表1　不同氮素水平下小麥的LAI

2)LAI與冠層光譜反射率的關(guān)系。

圖1 a、b、c、d 4個分圖分別表示拔節(jié)期小麥LAI與二階導(dǎo)數(shù)SD1691、SD506和一階導(dǎo)數(shù)FD407、FD440的相關(guān)性(對吸收光譜求微分，所得到的圖譜稱為一階導(dǎo)數(shù)光譜，再次微分可得二階導(dǎo)數(shù)光譜，SD1691即為波長1 691 nm的光的二階導(dǎo)數(shù))，其決定系數(shù)(R2)均在α=0.05水平上達(dá)到顯著性檢驗。同時，抽穗期、開花期、灌漿期的決定系數(shù)分別達(dá)到0.534 3、0.622 1、0.453 2(圖略)，說明LAI與光譜反射率的導(dǎo)數(shù)存在較大的相關(guān)性，由此可為冠層光譜反射率監(jiān)測LAI提供依據(jù)[11]。利用導(dǎo)數(shù)光譜分析可以增加冠層光譜與LAI的相關(guān)性，因為導(dǎo)數(shù)光譜可以去除背景噪聲和隔離不好的信號。

圖1　小麥LAI與冠層高光譜反射率的關(guān)系

2.2冠層高光譜反射率與SPAD值的關(guān)系

不同氮素水平下小麥SPAD隨生育期的變化。

SPAD值也被稱作葉色值，是作物葉片相對葉綠素含量的讀數(shù)，采用SPAD-502儀可以迅速便捷的測出目標(biāo)葉片的SPAD值。由圖2可以看出，小麥從拔節(jié)期到灌漿期的過程中，SPAD一直都是增加的，兩個品種的趨勢是一樣的。SPAD上升的主要原因是植株越來越成熟，體內(nèi)代謝旺盛，葉綠素含量也隨著增加[12]，而且隨著施氮水平的提高，SPAD值也越來越大。

圖2　不同氮素水平下小麥SPAD值隨生育期的變化

對比兩個品種的SPAD值可以發(fā)現(xiàn)，在同一氮素水平下?lián)P麥13的SPAD值增加速率要大于揚麥16，而且揚麥13 SPAD值的變化幅度也比揚麥16大，最大達(dá)到8，而揚麥16增幅最大只有6，揚麥13的SPAD值最大值也大于揚麥16[13]。

2.3冠層高光譜反射率與小麥體內(nèi)氮、磷含量的關(guān)系

1)冠層高光譜反射率與小麥不同生育期葉片磷含量的關(guān)系。

表2列出了在350～2 500 nm光譜范圍內(nèi)葉片光譜反射率與磷含量達(dá)到顯著水平的相關(guān)波段及相關(guān)系數(shù)，從表2中可以看出抽穗期是小麥營養(yǎng)光譜診斷的敏感時期，730～900 nm是該時期的敏感波段。

表2　不同生育期葉片光譜反射率與磷含量的相關(guān)波段及相關(guān)系數(shù)

不同的施氮水平導(dǎo)致小麥吸收營養(yǎng)的速率和總量發(fā)生變化，小麥葉片因此也表現(xiàn)不同的光譜特征?？梢?，營養(yǎng)水平不同，葉片性狀也不同，光譜反射率也不同。從作物對營養(yǎng)需求的方面考慮，抽穗期是小麥在整個生育期內(nèi)對養(yǎng)分需求最大的時期。小麥抽穗期磷元素含量的多少對小麥營養(yǎng)生長和生殖生長具有深遠(yuǎn)的影響[14]。由圖3可以看出，小麥葉片磷含量與光譜反射率的相關(guān)性較好，由此可利用相關(guān)性好的波段與小麥葉片的磷含量建立營養(yǎng)診斷模型[15]。

根據(jù)表2可以提取出相關(guān)性大的波段單獨分析，與圖3在近紅外波段(730～900 nm)的葉片光譜反射率曲線的相關(guān)性可以看出，根據(jù)施氮量的增加，不同品種的小麥葉片光譜反射率均增大，說明二者的相關(guān)性較好。

圖3　不同氮營養(yǎng)水平下小麥抽穗期葉片光譜反射率曲線(730～900 nm)

2)冠層高光譜反射率與小麥莖氮、磷含量的關(guān)系。

表3表示在不同的生育時期小麥莖氮、磷含量與光譜的關(guān)系。可知莖氮、磷含量在各個時期的相關(guān)性都達(dá)到了顯著水平，說明二者的相關(guān)性較好。其中莖磷與光譜的決定系數(shù)在抽穗期最大，達(dá)到0.684 4。而莖氮與光譜導(dǎo)數(shù)相關(guān)性最好的時期為開花期，決定系數(shù)0.607 5，其次為抽穗期和灌漿期，相關(guān)性最差的是拔節(jié)期，這是因為小麥生育前期光合作用比較弱，吸收養(yǎng)分的速率也較慢[16]。

表3　光譜變量與小麥莖氮、磷含量的線性關(guān)系1)

1)樣本n=18在0.05水平顯著值為0.444

3)冠層高光譜反射率與小麥籽粒氮、磷含量的關(guān)系。

圖4是灌漿期小麥籽粒氮含量、磷含量與冠層高光譜反射率的相關(guān)系數(shù)圖。從圖4中可以看出，在可見光波段(430～720 nm)它們與反射率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，小麥籽粒含氮量與高光譜反射率相關(guān)性較大。在近紅外波段(750～800 nm)小麥籽粒氮含量與反射率的相關(guān)性急劇變化，并由負(fù)相關(guān)變?yōu)檎嚓P(guān)，之后在近紅外波段(850～1 350 nm)又逐漸由正相關(guān)變?yōu)樨?fù)相關(guān)。而小麥籽粒含磷量與反射率的相關(guān)性一直呈負(fù)相關(guān)，且在近紅外波段(1 100～1 350 nm)相關(guān)性逐漸增大[17]?？傮w分析籽粒氮、磷含量與高光譜反射率的相關(guān)性不大，沒有達(dá)到顯著性水平，說明利用高光譜監(jiān)測小麥籽粒的氮、磷含量比較困難。

圖4　灌漿期小麥籽粒含氮量、含磷量與冠層

3結(jié)論

通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，在不同的氮素水平下，LAI隨施氮量的增加而增大，在整個生育期內(nèi)先增大后減小，從拔節(jié)期到開花期，葉片長大的同時LAI也增大，在開花期達(dá)到最大，唐延林等[18]的研究也證實了這一點。LAI與二階導(dǎo)數(shù)SD1691、SD506和一階導(dǎo)數(shù)FD407、FD440的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.600、0.569、0.506、0.477，在α=0.05水平上達(dá)到顯著性檢驗，可為冠層高光譜反射率監(jiān)測LAI提供依據(jù)。SPAD值也隨著氮素水平的提高而增大，通過與高光譜反射率的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)其與高光譜反射率一直呈正相關(guān)關(guān)系，在可見光波段(480～720 nm)相關(guān)系數(shù)有稍微下降，之后恢復(fù)。對比試驗中的兩個品種可以發(fā)現(xiàn)，揚麥13SPAD值的增速和增幅都比揚麥16大，田間觀測揚麥13比揚麥16葉片顏色深。

不同的生育期莖氮磷含量與高光譜反射率的相關(guān)性不同，通過對比得出莖氮與光譜導(dǎo)數(shù)的決定系數(shù)在開花期最大，為0.607 5，而莖磷與光譜導(dǎo)數(shù)相關(guān)性最好的時期是抽穗期，決定系數(shù)0.684 4。通過對葉片含磷量與光譜反射率做相關(guān)分析可以得出，抽穗期是小麥營養(yǎng)光譜診斷的敏感時期，730～900 nm是該時期的敏感波段。可以通過反演技術(shù)建立模型從而得到監(jiān)測小麥葉片含磷量的方法。

該次試驗通過高光譜反射率對小麥的監(jiān)測，分析得出了一些結(jié)論，但也存在不足，如小麥品種的局限性決定了結(jié)果的局限性；雖然提出了抽穗期的敏感波段，但沒有具體建立模型來監(jiān)測小麥的生長狀況。

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收稿日期：2014-11-15

作者簡介：王樂輝(1965年生)，女，工程師，主要從事氣象業(yè)務(wù)管理工作。E-mail：396132156@qq.com

中圖分類號：S512.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.01.015

王樂輝， 吉宇， 舒芳， 等.小麥生長及葉片磷含量與高光譜反射率的關(guān)系[J].廣東氣象，2016,38(1)：61-65.