持續(xù)受漬對(duì)油菜葉片光譜特性的影響

劉莉 +戴黎+雷廷海+徐金剛+段丁丁+熊勤學(xué)++蘇榮瑞+劉凱文+尤慧+高華東

摘要：針對(duì)目前只能用最終產(chǎn)量診斷油菜是否受漬的現(xiàn)實(shí)，基于光譜反射曲線能準(zhǔn)確反映作物水分脅迫狀況，為實(shí)現(xiàn)油菜漬害的快速、無(wú)損鑒別，通過田間試驗(yàn)，在油菜蕾薹期和花期，利用光譜儀每隔3 d定期采集油菜華油雜668、中雙9號(hào)2個(gè)品種，在不受漬（CK）和充分受漬（地下水近地表）6、9、12、15、18 d后葉片的光譜反射率數(shù)據(jù)，分析油菜受漬時(shí)間對(duì)油菜葉片光譜特性的影響。研究結(jié)果表明，在花期持續(xù)受漬的21 d內(nèi)，葉片光譜反射率相比未受漬油菜，在550～700 nm及1 400～1 500 nm區(qū)間內(nèi)升高，在750～950 nm區(qū)間內(nèi)降低；其NDVI、NDWI指數(shù)基本隨受漬時(shí)間的增加而降低。通過光譜曲線的一階導(dǎo)數(shù)提取紅邊位置后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)漬害脅迫超出了油菜機(jī)體自我調(diào)節(jié)閾值時(shí)，其葉片反射光譜的紅邊位置隨受漬時(shí)間的增加發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象，且藍(lán)移幅度隨漬水時(shí)間增加而增大。通過比較油菜品種華油雜668、中雙9號(hào)在蕾薹期、花期的紅邊位置，結(jié)果表明油菜品種華油雜668的抗?jié)n能力比中雙9號(hào)強(qiáng)。建議用NDVI、NDWI指數(shù)變化，結(jié)合紅邊位置是否藍(lán)移診斷油菜是否受漬。

關(guān)鍵詞：油菜；漬害；高光譜遙感；紅邊參數(shù)

中圖分類號(hào)： S634.301；S127文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）05-0057-04

漬害是指在地下水位長(zhǎng)期偏高的區(qū)域，由于土壤長(zhǎng)時(shí)間處于水分過飽和狀態(tài)，而引起的土壤中水、熱、氣及養(yǎng)分狀況失調(diào)，致使土壤理化特征災(zāi)變、肥力下降，從而影響作物生長(zhǎng)，甚至危及作物存活的一種災(zāi)害現(xiàn)象[1]。漬害是世界性的重大災(zāi)害，也是我國(guó)主要的自然災(zāi)害。它是我國(guó)南方平原、湖濱產(chǎn)稻區(qū)具有普遍性的一種災(zāi)害現(xiàn)象[2]。油菜是我國(guó)最重要的油料作物之一，主要分布在長(zhǎng)江流域一帶，長(zhǎng)江流域油菜種植面積占我國(guó)油菜總面積的85%左右[3]。而長(zhǎng)江流域水資源豐富，地下水位偏高；加上常年溫潤(rùn)多雨，使得油菜極易遭受漬害。特別在花果期，當(dāng)漬害脅迫超出了油菜機(jī)體自我調(diào)節(jié)閾值時(shí)，油菜葉片部分光合機(jī)構(gòu)發(fā)生不可逆破壞，最終會(huì)影響油菜正常生長(zhǎng)，引起油菜產(chǎn)量、品質(zhì)下降[4-9]。目前，作物需水及水分脅迫狀況，主要是通過測(cè)量植株葉片的氣孔導(dǎo)度、葉水勢(shì)、冠層溫度、蒸騰速率、植株莖稈直徑的變化等指標(biāo)間接獲得[10]。與這些分析技術(shù)相比，高光譜遙感技術(shù)分析技術(shù)的應(yīng)用，具有對(duì)植株傷害小、數(shù)據(jù)采集較容易、分析精度高、結(jié)果穩(wěn)定直觀、分析結(jié)果可大面積應(yīng)用與推廣等優(yōu)點(diǎn)[11-13]。Carter等研究發(fā)現(xiàn)，在近紅外波段950～970 nm范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)1個(gè)弱的水吸收峰，并證明該吸收峰可以監(jiān)測(cè)植物水分含量[14-15]。吉海彥等在1 400～1 600 nm范圍內(nèi)，測(cè)量冬小麥葉片的反射光譜，用偏最小二乘法建立了水分含量與反射光譜的模型[16]。賀可勛等研究發(fā)現(xiàn)水分脅迫下小麥在生長(zhǎng)期前期出現(xiàn)紅邊位置紅移現(xiàn)象，生長(zhǎng)期后期出現(xiàn)紅邊位置藍(lán)移現(xiàn)象[17]。孫莉等研究發(fā)現(xiàn)，紅邊位移現(xiàn)象結(jié)合紅邊幅度變化的研究，用于診斷棉花水分脅迫也是可行的[18]。尹凡利用特征波長(zhǎng)指數(shù)提取特征波段建立識(shí)別模型，能夠較好區(qū)分部分品種的油菜[19]。張曉東等研究發(fā)現(xiàn)，960、1 450、1 650 nm波段的光譜反射率與油菜含水率呈極顯著相關(guān)[20]。賈方方等研究發(fā)現(xiàn)，煙草葉片的紅邊特征受水分的影響較大，不同水分處理下烤煙葉片的紅邊一階導(dǎo)數(shù)光譜差異顯著，紅邊位置隨土壤水分減少向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，發(fā)生“紅移”現(xiàn)象[21]。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究對(duì)象主要是水稻、小麥等糧食作物，且作物漬害研究相對(duì)較少。利用高光譜遙感分析技術(shù)，針對(duì)我國(guó)主要油料作物油菜受漬后，漬害光譜特征曲線進(jìn)行分析的研究更少。本研究通過對(duì)油菜不同生育時(shí)期、不同品種受漬前后的光譜曲線分析，探討油菜葉片反射光譜隨受漬時(shí)間、生育期的變化規(guī)律，不同油菜品種受漬后葉片反射光譜特征差異，為高光譜特征進(jìn)行油菜長(zhǎng)勢(shì)評(píng)價(jià)和受漬狀況的鑒定應(yīng)用提供理論依據(jù)。[JP][LM]

1材料與方法

1.1材料

試驗(yàn)在湖北省荊州市荊州區(qū)氣象局進(jìn)行，試驗(yàn)油菜品種為半冬性甘藍(lán)型雜交品種華油雜668、常規(guī)油菜品種中雙9號(hào)。生長(zhǎng)周期為2015年9月至次年5月，栽種環(huán)境為露天。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2個(gè)品種共設(shè)12個(gè)處理，分別以不受漬為對(duì)照（CK）、蕾薹期（2月16日）受漬時(shí)間為6、9、12、15、18 d，花期（3月7日）受漬時(shí)間為6、10、14、16、18、20 d；3個(gè)重復(fù)，小區(qū)長(zhǎng)2 m、寬2 m，受漬期間保持地下水位埋深小于0.1 m。

1.3分析測(cè)定

每個(gè)處理掛牌6張葉片（植株上、中、下部各取2張），每張葉片每隔2 d中午用ASD公司出產(chǎn)的FieldSpec4 Wide-Res Field Spectrum radiometer便攜式地物光譜儀進(jìn)行光譜采集3條光譜曲線，其光譜觀測(cè)范圍為350～2 500 nm；光譜分辨率為1 nm@700 nm、30 nm@1 400，2 100 nm；波譜在350～1 000 nm光譜區(qū)采樣間隔為1.4 nm，在1 001～2 500 nm光譜區(qū)采樣間隔為2 nm。雨天延后。

1.4數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用ViewSpec Pro軟件，將每個(gè)處理的反射率光譜曲線取平均值作為該處理的葉片光譜特征數(shù)據(jù)。

紅邊位置計(jì)算。紅邊位置是植被光譜主要特征之一，是指對(duì)光譜數(shù)據(jù)一階導(dǎo)數(shù)最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，綠色植物的一階導(dǎo)數(shù)最大值通常出現(xiàn)在紅光范圍680～760 nm，稱之為紅邊位置，作物在受到水分脅迫通常會(huì)藍(lán)移和紅移，它是反映作物光譜變化的重要特征量，其中一階導(dǎo)數(shù)光譜曲線的計(jì)算公式如下：

2結(jié)果與分析

2.1受漬時(shí)間對(duì)油菜葉片光譜反射率變化的影響

華油雜668油菜，在花期未受漬時(shí)和持續(xù)受漬的21 d，其葉片光譜反射率的變化見圖1。可知受漬后的葉片不同光譜區(qū)域?qū)λ置{迫的響應(yīng)特征不太一致。主要表現(xiàn)為：在 550～700 nm區(qū)間內(nèi)葉片光譜反射率升高，750～950 nm區(qū)間內(nèi)反射率降低，1 400～1 500 nm區(qū)間內(nèi)反射率升高。

由此，運(yùn)用公式（2）和公式（3）計(jì)算NDVI指數(shù)和NDWI指數(shù)，得到其不同受漬天數(shù)后，其值的變化規(guī)律

NDVI是一個(gè)能反映植被的葉綠素、葉片水分含量等信息的綜合植被指數(shù)， 而NDWI能有效地提取植被冠層水分含量，靈敏地響應(yīng)植被受水分脅迫的信息[24-26]。劉小磊等研究發(fā)現(xiàn)，林地的NDVI、NDWI變化趨勢(shì)與相對(duì)濕度變化趨勢(shì)相似[25]；Chen等利用NDWI反演玉米和大豆的冠層水分含量，玉米冠層含水量與NDWI有較好的線性關(guān)系[26]。從圖2可以看出，華油雜668在持續(xù)受漬8 d（蕾薹期）、2～3 d（花期）后，其NDVI、NDWI指數(shù)基本隨受漬時(shí)間的增加而明顯降低?？赡苁钱?dāng)漬害脅迫超出了油菜機(jī)體自我調(diào)節(jié)閾值時(shí)，油菜葉片的葉綠素含量減少，表現(xiàn)為受漬葉片較正常植株加速發(fā)黃，水勢(shì)降低葉片加速萎蔫導(dǎo)致。同時(shí)華油雜668耐漬時(shí)間蕾薹期大約為8 d，花期耐漬能力差，只有2～3 d。

[HTK]2.2受漬時(shí)間對(duì)油菜紅邊位置的影響[HT]

運(yùn)用公式（1）計(jì)算每個(gè)處理的紅邊位置，得到華油雜668油菜在蕾薹期隨時(shí)間的變化曲線（圖3），隨漬水時(shí)間的延長(zhǎng)，紅邊位置較對(duì)照（即正常植株），發(fā)生紅移現(xiàn)象，但紅移幅度在減小。這可能與品種自身的抗?jié)n能力有關(guān)，朱建強(qiáng)等之前研究表明，油菜春季短期7 d以內(nèi)受漬對(duì)產(chǎn)量影響不大。而在漬水大約11 d時(shí)，發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象，藍(lán)移幅度隨漬水時(shí)間增加而增大[27]。在花期整個(gè)生育期內(nèi)，華油雜668隨漬水時(shí)間的延長(zhǎng)，紅邊位置相較對(duì)照發(fā)生明顯的藍(lán)移現(xiàn)象，且藍(lán)移幅度隨漬水時(shí)間增加而增大。[FL）]

相關(guān)學(xué)者研究表明，植物葉綠素含量、生物量、物候變化、冠層結(jié)構(gòu)、葉片結(jié)構(gòu)等因素都能使紅邊位置和紅邊幅值發(fā)生改變[23]。由此可推斷，當(dāng)漬害脅迫超出了油菜機(jī)體自我調(diào)節(jié)閾值時(shí)，油菜葉片部分光合機(jī)構(gòu)發(fā)生不可逆破壞，影響油菜正常生長(zhǎng)[28]，最終導(dǎo)致受漬油菜光譜曲線的紅邊位置相較對(duì)照發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象，藍(lán)移幅度隨漬水時(shí)間增加而增大。該結(jié)論與張曉東等在小麥[20]、孫莉等在棉花[18]、賈方方等在煙草上的觀點(diǎn)[21]大致一致。

2.3不同油菜品種受漬后葉片光譜紅邊位置特征比較

與華油雜668油菜相似，蕾薹期，中雙9號(hào)隨漬水時(shí)間延長(zhǎng)，紅邊位置較對(duì)照發(fā)生明顯的藍(lán)移現(xiàn)象，且藍(lán)移幅度隨漬水時(shí)間增加而增大（圖4）。在漬水等條件相同情況下，華油雜668與中雙9號(hào)比較，在蕾薹期有11～13 d自我調(diào)節(jié)時(shí)期，表明蕾薹期，華油雜668比中雙9號(hào)的耐漬性能要強(qiáng)。[FL）]

[FL（2K2]花期華油雜668隨受漬時(shí)間延長(zhǎng)，紅邊位置較對(duì)照發(fā)生明顯的藍(lán)移現(xiàn)象，藍(lán)移幅度逐漸增大。而中雙9號(hào)隨漬水時(shí)間的延長(zhǎng)，紅邊位置較對(duì)照無(wú)明顯變化，后期發(fā)生紅移現(xiàn)象（圖5）。這與中雙9號(hào)油菜營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期較長(zhǎng)，生殖生長(zhǎng)較快[29]的生育特性有關(guān)。在終花至成熟過程中，中雙9號(hào)對(duì)照與處理植株葉片相繼自然變黃枯萎，且葉片因漬水時(shí)間過長(zhǎng)而枯死脫落，由于更換觀測(cè)葉片導(dǎo)致。結(jié)果表明，在蕾薹期和花期，油菜受漬超過一段時(shí)間后紅邊位置有明顯的藍(lán)移現(xiàn)象。

3結(jié)論與討論

當(dāng)漬害脅迫超出了油菜機(jī)體自我調(diào)節(jié)閾值時(shí)，油菜葉片的葉綠素含量減少，表現(xiàn)為受漬葉片較正常植株加速發(fā)黃，水勢(shì)降低葉片加速萎蔫，使得其NDVI、NDWI指數(shù)表現(xiàn)為隨受漬時(shí)間的增加而降低。油菜葉片部分光合機(jī)構(gòu)發(fā)生不可逆破壞，影響其正常生長(zhǎng)，其葉片反射光譜的紅邊位置會(huì)隨著受漬時(shí)間的增加發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象，且藍(lán)移幅度隨漬水時(shí)間增加而增大。在蕾薹期，華油雜668比中雙9號(hào)抗?jié)n能力強(qiáng)。

本研究確定了油菜葉片光譜曲線紅邊位置變化與受漬時(shí)間的規(guī)律。根據(jù)紅邊位置的變化，明確了不同品種其抗?jié)n能力差異。今后將增加漬害試驗(yàn)的油菜品種，根據(jù)光譜曲線進(jìn)行不同品種抗?jié)n能力的比較，以期明確不同油菜品種耐漬時(shí)間。[FL）]

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