不同施肥處理兩夏玉米品種穗位葉光譜特征比較

牛魯燕+孫家波+鄭紀(jì)業(yè)+張曉艷

摘要：為了探索不同施肥處理夏玉米葉片的光譜反射率特征，利用高光譜近地遙感技術(shù)，采集五種施肥處理（CK，控釋肥K40和K30，復(fù)合肥F50+N和F40+N）下不同生育期登海605（DH605）和魯單981（LD981）的穗位葉高光譜圖像，利用ENVI軟件提取光譜反射率。結(jié)果表明，不同施肥處理兩夏玉米品種穗位葉的反射波譜曲線趨勢基本相同，均表現(xiàn)出在綠波段（550 nm左右）有1個反射峰，在近紅外波段（760～1 050 nm）有1個較高的反射率平臺。在光譜曲線表現(xiàn)特征上，玉米生長前期（抽穗-灌漿期），DH605和LD981均以不施肥處理的光譜反射率最高，且DH605明顯高于LD981；其次分別為K30和F40+N處理。玉米生長后期（灌漿-蠟熟期），DH605和LD981分別以K30和F40+N處理的光譜反射率最高，明顯高于CK和其他施肥處理。在施用復(fù)合肥的條件下，除了灌漿后期外，其他生育期LD981穗位葉的高光譜反射率值略大于DH605，但差別較??；而在施用控釋肥的條件下，在蠟熟-完熟期，LD981穗位葉的高光譜反射率值明顯高于其他生育期的高光譜反射率值，也明顯高于DH605在該時期的高光譜反射率值，其他生育期LD981穗位葉的高光譜反射率值與DH605無明顯差異。

關(guān)鍵詞：施肥；夏玉米；穗位葉；光譜反射率；光譜特征

中圖分類號：S127 文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2017）08-0145-05

Abstract This study is aimed to explore the spectrum reflection characteristics of summer corn leaves in different fertilization conditions. Using hyperspectral remote sensing technology， the experiments were conducted in fields to collect the hyperspectral images of Denghai 605（DH605） and Ludan 981（LD981） in different growth period under five fertilization treatments， and then the reflectance of corn ear leaves was extracted by ENVI software. The five fertilization treatments included the control （CK） with no fertilization， 40 and 30 kg of controlled-release fertilizer per 666.7m2 as base （K40 and K30）， 50 and 40 kg of compound fertilizer per 666.7m2 as base with 15 kg urea as seed fertilizer （F50+N and F40+N）. The reflectance spectrums of the two corn cultivars under different fertilization treatments showed the approximately same changing trend with a reflection peak at green band （550 nm） and a higher reflection platform at near infrared band （760～1050 nm）. At the heading to filling stage， the reflectance of DH605 and LD981 was the highest under the CK， followed by the K30 and F40+N respectively. At the filling to dough stage， the reflectance of DH605 and LD981 was the highest under the treatment K30 and F40+N respectively， which was obviously higher than that of the other treatments. In the conditions of compound fertilizer， except the late filling stage， LD981 had little higher reflectance than DH605 at the other stages. In the conditions of controlled-release fertilizer and at dough to mature stage， LD981 had obviously higher reflectance compared to the other stages， and also higher than that of DH605； there was not obvious difference in reflectance between LD981 and DH605 at the other stages.

Keywords Fertilization； Summer corn； Ear leaf； Spectral reflectance； Spectral characteristics

玉米是重要的糧食作物和飼料來源，是我國僅次于水稻和小麥的第三大糧食作物，在促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障糧食安全中占有非常重要的地位。endprint

高光譜遙感（hyperspectral remote sensing）是當(dāng)前遙感領(lǐng)域的前沿技術(shù)，它利用很多很窄（一般小于10 nm）的電磁波波段從感興趣的物體獲取遙感數(shù)據(jù)，使遙感可以在光譜維上展開，能直接對地物進(jìn)行微弱光譜差異的定量分析，在植被遙感研究與應(yīng)用中表現(xiàn)出強(qiáng)大優(yōu)勢[1]，已被廣泛應(yīng)用于植被生理生化參數(shù)的提取和植物類型狀態(tài)的識別等研究中[2]。高光譜遙感數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地反映田間作物本身的光譜特征，而作物葉片的光譜特征與其生長狀況有直接關(guān)系[3]。王樹文等[4]對不同氮素水平下不同生育期的寒地玉米冠層高光譜圖像進(jìn)行研究，結(jié)果表明，不同氮素水平下寒地玉米冠層反射率存在較大差異，玉米“紅邊”具有雙峰現(xiàn)象，紅邊位置呈“紅移”現(xiàn)象，根據(jù)玉米冠層高光譜反射率以及紅邊位置峰值可定性區(qū)分嚴(yán)重缺氮、正常施氮和過量施氮。陳國慶等[5]研究表明，不同氮肥處理下，超高產(chǎn)夏玉米冠層高光譜特征與普通玉米相比具有較大差異，隨著施氮量的增加，超高產(chǎn)夏玉米冠層高光譜反射率及紅邊位置變化不大，而紅邊幅值與紅邊面積呈逐步增大趨勢。郭曼等[6]的研究結(jié)果也表明，夏玉米的氮營養(yǎng)水平與葉面光譜反射率存在顯著的相關(guān)性，利用高光譜遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測關(guān)中地區(qū)夏玉米的營養(yǎng)狀況是可行的。譚昌偉等[7]對兩個年份不同生育階段的田間夏玉米活體進(jìn)行冠層反射光譜測定，結(jié)果表明夏玉米在不同條件下的冠層反射光譜響應(yīng)均呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性：在近紅外波段，其反射率值隨氮肥施用量的增加而增大，尤以750～1 350 nm波段表現(xiàn)明顯，但在可見光波段，反射率值降低；隨著觀測探頭的逐步升高，反射率值降低；隨雜草量的增多，反射率值逐漸增大。

可見，前人的研究主要集中在不同氮處理對玉米葉片或者冠層高光譜特征的影響，而對于不同控釋肥和復(fù)合肥處理對夏玉米葉片高光譜的影響鮮見報道。本研究以氮高效品種登海605和氮低效品種魯單981為試材，比較了不同控釋肥和復(fù)合肥處理條件下玉米穗位葉的光譜反射特征，以期為利用作物高光譜數(shù)據(jù)估測其需肥狀況提供理論支持，為下一步的合理施肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及樣品采集時間

供試夏玉米品種為登海605（DH605，氮高效）和魯單981（LD981，氮低效）。數(shù)據(jù)采集時間分別為8月11日（抽穗期）、8月20日（抽穗-灌漿期）、8月31日（灌漿后期）、9月7日（灌漿-蠟熟期）、9月17日（蠟熟-完熟期）。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2015年6—10月在山東淄博臨淄試驗田進(jìn)行，共設(shè)5個處理：CK，對照，不施肥；K40，每666.7m2基施40 kg控釋肥（硫酸鉀型，N-P2O5-K2O為28-5-9，總養(yǎng)分≥42%，下同）； K30，每666.7m2基施30 kg控釋肥；F50+N，每666.7m2基施50 kg復(fù)合肥（N-P2O5-K2O為28-6-6，總養(yǎng)分≥40%，下同），并于播種時施15 kg尿素；F40+N，每666.7m2基施40 kg復(fù)合肥，并于播種時施15 kg尿素。玉米種植方式同當(dāng)?shù)?，實行免耕直播，?66.7m2種植4 000株，其他管理同常規(guī)田。

1.3 玉米穗位葉高光譜數(shù)據(jù)采集

玉米葉片高光譜測量采用美國Surface Optics Corporation公司生產(chǎn)的SOC710VP可見-近紅外高光譜成像式地物光譜儀在可控制光照條件（鎢燈照明）實驗室內(nèi)進(jìn)行，光譜范圍為350～1 050 nm，光譜分辨率為4.6875 nm。

截取穗位葉的中間部分20 cm左右，將其表面擦拭干凈；將單層葉片平整放置于反射率近似為零的黑色試驗平臺上，兩端用黑色板壓住以防止葉片上翹；光譜儀的視場角為25°，探頭距待測葉片0.30 m，垂直向下正對待測葉片的中部。為了消除外界干擾以保證精度，每個處理取5片穗位葉進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，取其平均值作為該處理玉米穗位葉的光譜反射率；測量過程中及時進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白板校正。

1.4 高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了消除原始光譜數(shù)據(jù)中干擾因素對所建模型的影響，本研究利用SRAnal710軟件首先對SOC710獲得的高光譜圖像立方數(shù)據(jù)進(jìn)行3個步驟的標(biāo)定——光譜標(biāo)定、黑場標(biāo)定和空間、光譜輻射標(biāo)定，然后從標(biāo)定后的光譜數(shù)據(jù)中提取反射率，利用提取的反射率值采用5點加權(quán)平滑法對采集的原始光譜進(jìn)行平滑處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理DH605和LD981穗位葉的光譜反射特征

不同施肥處理兩品種玉米不同生育期穗位葉在全波長范圍內(nèi)的光譜曲線具有相似性，與典型的植物光譜曲線[8，9]變化規(guī)律一致，即具有可見光波段的“綠峰”、紅光低谷、近紅外高原區(qū)，且可見光波段的光譜反射率值差異較小，近紅外波段差異較大（圖1、圖2）。明顯的反射率峰值出現(xiàn)在綠波段（550 nm左右）處，在此峰左側(cè)出現(xiàn)藍(lán)紫波段吸收峰，約在402 nm處；右側(cè)沿長波方向移動，經(jīng)歷一個紅波段吸收谷（約685 nm處）；680～750 nm，光譜反射率值急劇升高，呈現(xiàn)出陡峭的劇增特點；750 nm后，光譜反射率值增加緩慢，在近紅外波段（>780 nm）形成一個較高的反射平臺。這是因為在可見光波段，玉米葉片反射率主要取決于葉綠素含量，葉綠素含量多，吸收率高，反射率就低；而近紅外區(qū)域的光譜反射率一般受葉片內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響，葉綠素含量高的葉片，其細(xì)胞結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，因而反射率高。這與前人的研究結(jié)果一致[10]。波長超過900 nm后，玉米反射光譜曲線起伏相對較大，是由于該波段范圍正好位于大氣水分的吸收帶，因而使得光譜反射率降低且變化不規(guī)則[11]。

抽穗-灌漿期（圖1），兩品種均以不施肥處理的光譜反射率值最高，且總體來說各處理DH605穗位葉的光譜反射率值明顯高于LD981；施肥處理中，DH605在K30處理下的光譜反射率值最高，LD981則在F40+N處理下最高。而灌漿-蠟熟期（圖2），DH605以K30和F40+N處理的光譜反射率高于CK和其他施肥處理；LD981則以兩復(fù)合肥處理下的光譜反射率值較高。在CK、K40處理下，DH605和LD981穗位葉光譜反射率值差別不大，K30處理下，DH605穗位葉光譜反射率值要高于LD981，F(xiàn)40+N、F50+N處理下，DH605穗位葉光譜反射率值均低于LD981。綜合來看，氮高效品種DH605在低量控釋肥處理下的光譜反射率值高，而氮低效品種LD981在復(fù)合肥處理下的光譜反射率要高于控釋肥處理。endprint

2.2 施用復(fù)合肥和控釋肥對不同品種夏玉米穗位葉高光譜反射率的影響

分別取復(fù)合肥和控釋肥處理兩水平光譜反射率的平均值，分析不同肥料對兩品種玉米穗位葉高光譜反射的影響，結(jié)果（圖3、圖4）顯示，復(fù)合肥處理條件下，DH605在近紅外波段（760～1050 nm）的光譜反射率以蠟熟-完熟期最高，其余依次是抽穗-灌漿期、灌漿-蠟熟期、抽穗期、灌漿后期；在可見光波段（380～760 nm）的光譜反射率隨生育期的變化趨勢與近紅外波段基本一致，但灌漿-蠟熟期、抽穗期、灌漿后期大部分波段的反射率是重合的，表明這三個時期的光譜反射率在近紅外波段基本無差異。在控釋肥條件下，DH605除蠟熟-完熟期各波段的光譜反射率明顯低于其它四個時期外，其余時期光譜反射率的變化趨勢基本與復(fù)合肥處理的相同。

復(fù)合肥處理條件下，LD981在近紅外波段（760～1050 nm）的光譜反射率也是以蠟熟-完熟期最高，以灌漿后期最低，同DH605；其次是灌漿-蠟熟期、抽穗-灌漿期、抽穗期，與DH605的波段表現(xiàn)略有不同，這可能與兩個玉米品種的生長發(fā)育時期略有差異有關(guān)。

在控釋肥處理下，LD981在蠟熟-完熟期的光譜反射率值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他生育時期，其原因可能是LD981屬于中早熟玉米品種，生長后期，營養(yǎng)主要供給玉米果實，葉片變黃衰老、葉綠素含量降低、吸收率低導(dǎo)致反射率高。LD981穗位葉光譜反射率值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DH605在該時期的穗位葉光譜反射率，這主要是因為兩個品種的成熟時間不同，DH605屬于中晚熟玉米品種，LD981屬于中早熟玉米品種，在同一時間節(jié)點，DH605的葉片葉綠素含量要高于LD981，導(dǎo)致DH605的葉片吸收率高，從而使光譜反射率變低。

3 討論與結(jié)論

本文針對不同施肥水平下夏玉米葉片光譜特征的初步研究，得出如下結(jié)論：

（1）不同施肥處理兩夏玉米品種穗位葉的反射波譜曲線趨勢基本相同，均表現(xiàn)出在綠波段（550 nm左右）有1個反射峰，在近紅外波段（760～1 050 nm）有1個較高的反射率平臺。

（2）在不同的施肥處理下，玉米生長前期（抽穗-灌漿期），DH605和LD981均以不施肥處理的光譜反射率值最高，其次分別為K30和F40+N；玉米生長后期（灌漿-蠟熟期），兩品種均以K30和F40+N處理的光譜反射率最高，其次分別為F40+N和F50+N，均高于CK和其余施肥處理。

（3）在施用復(fù)合肥的條件下，除灌漿后期外，其他生育期LD981穗位葉的高光譜反射率值略大于DH605，但差別較小。而在施用控釋肥的條件下，LD981蠟熟-完熟期穗位葉的高光譜反射率值明顯高于其他時期的高光譜反射率值，也明顯高于DH605該時期的高光譜反射率值；其他各生育期兩品種間差別不大。兩者差異可能主要與兩個品種冠層結(jié)構(gòu)的不同和成熟期長短有關(guān)。

（4）對于氮高效品種DH605來說，K30控釋肥處理的光譜反射率較高；而對氮低效品種LD981來說，復(fù)合肥處理的光譜反射率明顯高于控釋肥。

本試驗結(jié)果可為進(jìn)一步利用高光譜遙感數(shù)據(jù)研究夏玉米的營養(yǎng)狀況提供依據(jù)。但是，本研究的結(jié)論并不能完全揭示不同品種夏玉米在不同施肥水平下的光譜變化機(jī)理和規(guī)律，原因是受季節(jié)、土壤、氣候等自然因素和栽培管理等人為因素的影響，玉米葉片的高光譜信息會有所變化。因此，還需要做進(jìn)一步的深入研究和驗證，以更好地揭示不同施肥水平下不同夏玉米品種的光譜特性規(guī)律。

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