UV-B增強(qiáng)下施硅對(duì)水稻冠層反射光譜特征的影響*

朱懷衛(wèi)，婁運(yùn)生**，石一凡，張祎瑋，肇思迪

?

UV-B增強(qiáng)下施硅對(duì)水稻冠層反射光譜特征的影響*

朱懷衛(wèi)1,2，婁運(yùn)生1,2**，石一凡2，張祎瑋2，肇思迪2

（1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044）

通過(guò)田間試驗(yàn)，在UV-B增強(qiáng)和施硅條件下，利用ASD便攜式手持光譜儀在水稻分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期選擇典型晴天觀測(cè)冠層光譜曲線，通過(guò)計(jì)算一階導(dǎo)數(shù)曲線分析光譜的紅邊參數(shù)特征。UV-B輻射設(shè)2個(gè)水平，即對(duì)照（自然光，ambient UV-B，A）和UV-B增強(qiáng)（比自然光增強(qiáng)20%，elevated UV-B，E）；施硅設(shè)2個(gè)水平，即不施硅和施硅（硅酸鈉，200kgSiO2×hm-2）。結(jié)果表明：UV-B增強(qiáng)下水稻葉面積指數(shù)(LAI)和葉綠素含量(SPAD值)降低，而施硅可提高葉面積指數(shù)(LAI)和SPAD值，緩解UV-B增強(qiáng)對(duì)水稻生長(zhǎng)的抑制作用。各處理間水稻冠層光譜的差異主要體現(xiàn)在近紅外波段，UV-B增強(qiáng)使水稻近紅外波段反射率降低，施硅使近紅外波段反射率上升。UV-B增強(qiáng)使水稻光譜紅邊位置藍(lán)移，施硅使紅邊位置紅移。隨著生育期推移，水稻光譜紅邊位置、紅邊幅值和紅邊面積均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，且在拔節(jié)期達(dá)最大。

UV-B增強(qiáng)；施硅；水稻；光譜分析；紅邊特征

由于人類活動(dòng)產(chǎn)生的大量氮氧化物、氯氟烴等有害物質(zhì)排放到大氣中，導(dǎo)致大氣平流層臭氧（O3）耗損，使到達(dá)地球表面的中波紫外輻射（UV-B）增強(qiáng)[1]。國(guó)內(nèi)外研究表明，UV-B輻射增強(qiáng)抑制水稻生長(zhǎng)，導(dǎo)致分蘗數(shù)減少[2]，葉面積和干物質(zhì)量下降[3]，進(jìn)而使籽粒產(chǎn)量下降[4]。UV-B輻射還影響水稻植株的光合和蒸騰生理特性，破壞葉片氣孔器[5]，降低葉片凈光合速率、胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率等[6-7]。

水稻是喜硅作物，增施硅肥不僅可提高產(chǎn)量[8]，而且可增強(qiáng)植株的抗逆性，如抗倒伏、抗旱、抗病蟲害、抗鹽、抗凍等[9-10]，緩解UV-B輻射對(duì)水稻生長(zhǎng)的抑制作用[2,6]。但是，現(xiàn)有報(bào)道主要涉及水稻植株的生長(zhǎng)、生理特性和產(chǎn)量等方面，迄今有關(guān)UV-B增強(qiáng)下施硅對(duì)水稻冠層光譜特征影響的研究尚不多見。高光譜遙感技術(shù)可用于定量分析植被冠層光譜數(shù)據(jù)，反演生理生化參數(shù)[11-13]，監(jiān)測(cè)長(zhǎng)勢(shì)狀況[14]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有較大優(yōu)勢(shì)，已成為農(nóng)業(yè)遙感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[15-16]。本文通過(guò)田間試驗(yàn)，研究UV-B增強(qiáng)下施硅對(duì)水稻關(guān)鍵生育期葉面積指數(shù)、葉綠素含量（SPAD值）及水稻冠層高光譜特征的影響，旨在為高光譜遙感監(jiān)測(cè)UV-B 增強(qiáng)和施硅后水稻長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量估測(cè)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2015年6-11月在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站（32.0°N，118.8°E）進(jìn)行。該站地處亞熱帶溫潤(rùn)氣候區(qū)，海拔約22m，多年平均降水量1100mm，平均溫度15.6℃，適宜水稻生長(zhǎng)。供試土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬，質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，有機(jī)碳含量為19.4g×kg-1，全氮1.45g×kg-1，黏粒含量26.1%，pH為6.2（土水比1:1）。供試水稻為南粳46。供試硅肥為硅酸鈉，含有效硅(SiO2)49.2%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，即處理1：UV-B輻射增強(qiáng)20%處理（E，elevated UV-B），相當(dāng)于南京地區(qū)大氣臭氧耗損20%時(shí)的輻射劑量(輻射強(qiáng)度1.8kJ×m-2×h-1)；處理2：UV-B輻射增強(qiáng)下施硅處理（ESi），土壤中施入硅酸鈉200kg×hm-2(SiO2)；處理3：自然光照下施硅處理(自然光，A，ambient UV-B，輻射強(qiáng)度1.5kJ×m-2×h-1)，用ASi表示，施硅量同處理2；處理4：自然光照下不施硅處理，用A（CK）表示。UV-B 增強(qiáng)小區(qū)中采用可升降燈架(紫外燈功率為40W)，將UV-B燈管（波長(zhǎng)為280-320nm）置于水稻冠層上方，燈管用醋酸纖維素膜包裹以濾掉280nm以下的波段(UV-C)。采用完全區(qū)組設(shè)計(jì)，隨機(jī)排列，每個(gè)處理重復(fù)3次。小區(qū)規(guī)格為2m×2m。2015年5月10日水稻育苗，2015年6月13日移栽，株行距為20cm×20cm。移栽前兩天在各小區(qū)分別挖出3條施肥溝，將硅肥均勻撒入溝內(nèi)，用土掩埋，并于2015年7月12日追施硅肥。從分蘗期（6月20日）開始進(jìn)行UV-B輻射處理，光源與水稻植株冠層的垂直距離始終保持0.8m，每日輻照時(shí)間為8：00-16：00，共8h，陰雨天停止照射，直至水稻成熟。2015年8月15日-9月5日進(jìn)行田間排水曬田。2015年11月4日，水稻成熟收獲。大田常規(guī)管理，病蟲害防治依據(jù)田間實(shí)際情況進(jìn)行。

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

1.3.1 冠層光譜測(cè)定

采用ASD便攜式野外光譜儀（ASD FieldSpec HandHeld，美國(guó)）在水稻分蘗期（2015年7月30日）、拔節(jié)期（2015年9月5日）、抽穗期（2015年9月20日）和灌漿期（2015年10月9日），對(duì)冠層光譜進(jìn)行測(cè)定。光譜儀的有效波段范圍是350-2500nm，在350-1050nm區(qū)間光譜分辨率為3nm,光譜采樣間隔為1.4nm；1050-2500nm區(qū)間光譜分辨率為10nm，光譜采樣間隔為2nm，探頭視場(chǎng)角為25°。光譜在1400nm附近易受大氣水分等因素的影響而產(chǎn)生強(qiáng)烈波動(dòng)，故本研究選取400-1000nm范圍內(nèi)的波譜。光譜測(cè)量時(shí)，選擇晴朗無(wú)云或少云，微風(fēng)或少風(fēng)的天氣，測(cè)定時(shí)間為10：30-13：30，測(cè)量時(shí)傳感器探頭垂直向下，距離水稻冠層1m，每個(gè)小區(qū)選取10個(gè)樣點(diǎn)固定測(cè)定，每個(gè)樣點(diǎn)測(cè)定前后均進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白板校正，取平均值作為該小區(qū)的光譜反射率。利用ASD ViewSpecPro4.5軟件對(duì)采集的原始光譜曲線進(jìn)行分析處理，取其平均值。

1.3.2 葉面積指數(shù)（LAI）測(cè)定

采用葉面積指數(shù)儀（LAI-2000，美國(guó)）在天氣條件穩(wěn)定且光線良好的狀態(tài)下，于水稻分蘗期（2015年7月30日）、拔節(jié)期（2015年9月5日）、抽穗期（2015年9月20日）和灌漿期（2015年10月9日），測(cè)定LAI，取平均值。LAI和冠層反射光譜數(shù)據(jù)的測(cè)定時(shí)間和地點(diǎn)一致。

1.3.3 葉綠素含量（SPAD值）測(cè)定

采用手持便攜式葉綠素儀（SPAD-502），在水稻關(guān)鍵生育期與冠層光譜同步測(cè)定。每個(gè)小區(qū)選取3株代表性樣品，每株樣品選取3片主莖功能葉片（劍葉、倒二葉、倒三葉），在每片葉子上部、中部、下部各測(cè)1次，取其平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，LSD法對(duì)同一生育期各處理的差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。為消除大田觀測(cè)背景噪音和大氣干擾，可對(duì)水稻冠層原始光譜做一階導(dǎo)數(shù)處理， 獲取光譜內(nèi)在特性。對(duì)冠層光譜計(jì)算一階導(dǎo)數(shù)，其計(jì)算式為

表1 反射光譜紅邊特征參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 UV-B增強(qiáng)下施硅對(duì)水稻LAI和SPAD值的影響

由表2、表3可見，不同生育期（分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期）各處理水稻的LAI和葉片SPAD值均表現(xiàn)為“先升后降”的變化趨勢(shì)。無(wú)論是否施硅，UV-B增強(qiáng)均降低水稻LAI和SPAD值。不施硅時(shí)，與對(duì)照CK（A）相比，UV-B增強(qiáng)下（E），水稻在上述生育期其LAI分別下降13.0%、14.3%、14.9%和6.55%，SPAD值分別減少4.46%、6.10%、5.98%和5.23%，處理間差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）；施硅時(shí)，與對(duì)照（ASi）相比，UV-B增強(qiáng)下（ESi），水稻在上述生育期其LAI分別下降9.59%、11.8%、10.6%和1.58%，SPAD值分別減少4.01%、4.36%、3.22%和3.09%，分蘗期、拔節(jié)期和抽穗期處理間差異達(dá)顯著水平（P＜0.05），說(shuō)明施硅可提高 水稻LAI和SPAD值。自然光處理下，與對(duì)照CK（A）相比，施硅處理（ASi）下，水稻在上述生育期其LAI分別提高12.7%、3.77%、3.54%和5.24%，處理間差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05），SPAD值分別增大0.67%、2.18%、5.52%和4.28%，拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期處理間差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）；UV-B增強(qiáng)下，與對(duì)照（E）相比，施硅處理（ESi）下，水稻在上述生育期其LAI分別提高3.94%、2.93%、4.99%和5.32%，SPAD值分別增大0.466%、1.86%、2.93%和2.26%，拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期處理間差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）?？梢?，UV-B增強(qiáng)顯著降低水稻LAI和SPAD值，而施硅可顯著提高LAI和SPAD值，緩解UV-B增強(qiáng)對(duì)水稻生長(zhǎng)的抑制作用。

表2 不同處理水稻各生育期葉面積指數(shù)（LAI）的比較(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

注：A表示自然光；E表示UV-B增強(qiáng)；Si表示施硅肥200kgSiO2×hm-2；同列數(shù)據(jù)中的小寫字母表示各處理間在0.05水平上的差異顯著性。下同。

Note：A indicates ambient UV-B；E indicates elevated UV-B; Si indicates 200kgSiO2×ha-1. Lowercase letters in the same column mean significant difference among treatments at 0.05 level. The same as below.

表3 不同處理水稻各生育期葉片葉綠素含量（SPAD值）的比較(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2.2 UV-B增強(qiáng)下施硅對(duì)水稻冠層光譜曲線的影響

在水稻分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期4個(gè)關(guān)鍵生育期，分別測(cè)定冠層光譜反射率。水稻冠層光譜數(shù)據(jù)在1350nm和1850nm附近噪聲較大，因此，本文選取遙感常用的可見光和近紅外波段（400-1000nm）分析水稻實(shí)測(cè)冠層光譜特征。由圖1可見，在不同生育期各處理水稻冠層光譜曲線具有形狀和變化趨勢(shì)相似的特點(diǎn)，即在可見光波段（450-720nm），光譜曲線均呈現(xiàn)兩“谷”和一“峰”形狀，在500nm附近出現(xiàn)藍(lán)光低谷，550nm附近有明顯的綠峰，680nm附近出現(xiàn)紅光低谷；近紅外波段（750-1000nm）存在反射高臺(tái)。

在相同生育期內(nèi)，各處理水稻冠層光譜曲線的峰值和高臺(tái)區(qū)有一定差異，說(shuō)明UV-B增強(qiáng)或施硅對(duì)水稻冠層光譜曲線有一定影響。在近紅外波段（750-1000nm），在分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期，CK（A）處理的水稻冠層反射率分別為0.208～0.299，0.294～0.369，0.358～0.425和0.339～0.392；不施硅時(shí)，與對(duì)照CK相比，UV-B增強(qiáng)（E）下水稻分蘗期和拔節(jié)期冠層反射率差異不大，而抽穗期和灌漿期則分別降低5.41%和13.3%；施硅時(shí)，與對(duì)照（ASi）相比，UV-B增強(qiáng)（ESi）下水稻分蘗期和拔節(jié)期冠層反射率差異不明顯，而抽穗期和灌漿期則分別降低17.3%和20.7%。說(shuō)明無(wú)論是否施硅，UV-B增強(qiáng)可降低水稻中后期（抽穗期、灌漿期）冠層反射率。在自然光處理下，與對(duì)照CK（A）相比，施硅（ASi）水稻冠層反射率在上述生育期分別顯著提高41.5%、72.5%、13.4%和9.29%；在UV-B增強(qiáng)下，與對(duì)照（E）相比，施硅（ESi）水稻冠層反射率在拔節(jié)期顯著升高70.3%，而分蘗期、抽穗期和灌漿期差異不大。可見，UV-B增強(qiáng)可降低水稻冠層近紅外反射率，施硅可提高冠層近紅外反射率，但提高幅度因生育期而異。

2.3 UV-B增強(qiáng)下施硅對(duì)水稻一階導(dǎo)數(shù)光譜的響應(yīng)特征

水稻原始光譜反射曲線受土壤背景和大氣散射光譜等因素影響很大，可見光區(qū)域(400-700nm)雖然有明顯的“紅藍(lán)”谷和“綠”峰，但處理間差異不明顯，通過(guò)對(duì)原始光譜求一階導(dǎo)數(shù)，可降低外部環(huán)境因素的干擾，便于識(shí)別處理間的差異。圖2是紅邊區(qū)域(650-750nm)各處理水稻不同生育期一階導(dǎo)數(shù)光譜的比較，由圖可見，各生育期均呈現(xiàn)“雙峰”和多個(gè)“次峰”現(xiàn)象，主峰在730nm附近，次峰在719nm附近，隨著生育期推進(jìn)，“峰”現(xiàn)象減弱。在同一生育期內(nèi)各處理水稻紅邊區(qū)域?qū)?shù)光譜，在紅邊位置和紅邊幅值，曲線間存有差異，表現(xiàn)為，在各生育期，CK（A）處理的水稻紅邊位置分別為733、738、731和724nm，對(duì)應(yīng)紅邊幅值分別為0.0056、0.00808、0.008和0.00635，紅邊面積分別為0.25629、0.33145、0.36506和0.32371。UV-B增強(qiáng)下（E），紅邊位置分別為730、731、730和724nm，對(duì)應(yīng)紅邊幅值分別為0.00619、0.01194、0.0075和0.00711，紅邊面積分別為0.24899、0.33139、0.35348和0.3388。與CK（A）相比，UV-B增強(qiáng)（E）下各生育期（灌漿期除外）紅邊位置藍(lán)移，紅邊幅值和紅邊面積下降。ASi處理中，紅邊位置分別為736、738、736和735nm，對(duì)應(yīng)紅邊幅值分別為0.00774、0.01275、0.00949和0.00754，紅邊面積分別為0.35421、0.53485、0.41731和0.3684，說(shuō)明在自然光（CK，A）下，施硅可使各生育期紅邊位置紅移，紅邊幅值和紅邊面積增加。ESi處理中，紅邊位置分別為730、736、731和730nm，對(duì)應(yīng)紅邊幅值分別為0.00571、0.001194、0.00755和0.00589，紅邊面積分別為0.29094、0.53124、0.34324和0.29308。與對(duì)照（E）相比，（ESi）紅邊位置紅移（分蘗期除外），上述生育期紅邊幅值增加，紅邊面積增加（分蘗期除外）?？梢姡琔V-B增強(qiáng)使紅邊位置藍(lán)移，紅邊幅值和紅邊面積降低，施硅使紅邊位置紅移，紅邊面積和紅邊幅值增加，但不同生育期表現(xiàn)存在差異。

2.4 UV-B增強(qiáng)下施硅水稻“紅邊”變化特征

紅邊位置是綠色植物的敏感特征光譜波段，它的移動(dòng)可反映植物的健康狀況、葉綠素含量、物候期等多種生長(zhǎng)變化信息。由圖3可見，在上述4個(gè)生育期內(nèi)，各處理水稻的紅邊位置為724-738nm，紅邊幅值為0.0056～0.01275，紅邊面積為0.24899～0.54485。隨著生育期推移，紅邊位置先向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，再向短波方向移動(dòng)。無(wú)論UV-B增強(qiáng)還是施硅與否，水稻紅邊位置、紅邊幅值和紅邊面積均出現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)，在拔節(jié)期出現(xiàn)峰值，抽穗期和灌漿期逐漸降低。在分蘗期，ASi處理紅邊位置較CK（A）紅移3nm，E處理紅邊位置較CK藍(lán)移3nm；在拔節(jié)期，ASi處理紅邊位置較ESi紅移2nm，ESi處理紅邊位置較E處理紅移5nm，E處理紅邊位置較CK藍(lán)移7nm；在抽穗期，ASi處理紅邊位置較CK紅移5nm，ESi處理紅邊位置較E處理紅移1nm，E處理紅邊位置較CK藍(lán)移1nm；在灌漿期，ASi處理紅邊位置較CK分別紅移11nm，ESi處理紅邊位置較E處理紅移6nm?？梢姡瑥乃旧趤?lái)看，水稻前-中期階段，生長(zhǎng)旺盛且群體較穩(wěn)定，紅邊位置變化?。恢泻笃谏L(zhǎng)加速，不斷衰亡，群體變化大，紅邊位置變化大。施硅條件下水稻紅邊紅移在生長(zhǎng)后期變化大，而UV-B增強(qiáng)下水稻紅邊藍(lán)移在生長(zhǎng)前期變化不大。

注：短線表示標(biāo)準(zhǔn)差；*表示通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)

Note: The bar is standard deviation,*indicates significant difference among treatments at 0.05 level. TS, JS, HS and GS is tillering, jointing, heading and grain-filling stages, respectively

3 結(jié)論與討論

UV-B增強(qiáng)抑制水稻生長(zhǎng)，降低葉面積指數(shù)和葉片葉綠素含量，而施硅可提高葉面積指數(shù)和葉綠素含量(SPAD)。其原因在于，（1）UV-B輻射可破壞葉綠體結(jié)構(gòu)和葉綠體膜系統(tǒng)，抑制光合色素合成，導(dǎo)致葉綠素含量降低[17-18]；（2）UV-B輻射降低水稻株高[19]，增加葉片厚度，降低單株分蘗數(shù)，使單位面積水稻葉片數(shù)減少，導(dǎo)致群體葉面積指數(shù)降低[19]，而施硅可改善葉片姿態(tài)、株型和冠層結(jié)構(gòu)[20-21]，增加單株分蘗數(shù)，提高葉面積指數(shù)[22]；（3）施硅有利于水稻葉片表面形成硅化細(xì)胞，提高葉片表面硅元素含量[23]，降低水稻植株后壁組織、維管束鞘和肉桂乙醇脫氫酶的反應(yīng)，抑制水稻葉片對(duì)紫外線的吸收；（4）硅沉積在植物各組織層中，形成“角質(zhì)-硅雙硅”結(jié)構(gòu)，促進(jìn)酚類物質(zhì)的增加[23]，而酚類物質(zhì)可提高植株對(duì)紫外輻射的吸收能力，減少自由基的積累[24]，緩輕對(duì)水稻的傷害程度。

UV-B增強(qiáng)下施硅對(duì)水稻冠層近紅外光譜反射率有明顯影響，UV-B增強(qiáng)下水稻冠層近紅外光譜反射率下降，而施硅使冠層近紅外光譜反射率上升，其原因在于近紅外光譜反射率高低主要取決于生物量和葉面積指數(shù)的大小。作物光譜特征的差異與其生理生態(tài)指標(biāo)有關(guān)，如葉面積指數(shù)、覆蓋度、葉綠素含量等，一般葉面積指數(shù)越小，葉綠素含量越低，冠層近紅外波段反射率越小[12]。前人研究也發(fā)現(xiàn)，UV-B增強(qiáng)下冬小麥冠層反射光譜在近紅外波段的反射率明顯低于對(duì)照處理[25]。

紅邊位置是對(duì)植物生長(zhǎng)變化較敏感的紅邊參數(shù)，隨著葉面積指數(shù)和葉綠素含量的增加，紅邊向長(zhǎng)波方向移動(dòng)[26]。本研究表明，隨著生育期的推進(jìn)，紅邊位置先紅移再藍(lán)移，紅邊峰值、紅邊面積均在生長(zhǎng)后期降低；UV-B增強(qiáng)下水稻紅邊藍(lán)移在生長(zhǎng)前期表現(xiàn)不明顯，而施硅水稻的紅邊紅移在生長(zhǎng)后期表現(xiàn)明顯。原因可能在于，（1）生長(zhǎng)前期植株長(zhǎng)勢(shì)旺盛，葉綠素含量和葉面積指數(shù)增加，紅光吸收增強(qiáng)，發(fā)生紅移；而生長(zhǎng)后期葉片開始衰老，葉綠素含量減少[27]，紅移停止而發(fā)生藍(lán)移；（2）UV-B輻射增強(qiáng)會(huì)累加傷害水稻葉片[28]，破壞葉片構(gòu)造及光合器官[29]，后期葉片逐漸枯黃、凋落，導(dǎo)致UV-B增強(qiáng)下水稻生長(zhǎng)前期藍(lán)移不明顯；而施硅使生長(zhǎng)后期葉綠素含量增加，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育[30]，使后期紅移現(xiàn)象明顯。姚付啟[12]研究表明，紅邊位置的變化可反映作物生長(zhǎng)階段，小麥生長(zhǎng)中前期紅邊位置紅移，后期葉片衰亡，紅邊位置藍(lán)移。

水稻生長(zhǎng)中前期紅邊波段一階導(dǎo)數(shù)光譜具有雙峰多峰現(xiàn)象，后期峰現(xiàn)象減弱，原因可能在于葉片枯黃，各種生理指標(biāo)下降，這與前人研究結(jié)果相符[31-32]。本試驗(yàn)將UV-B輻射和施硅相結(jié)合研究了水稻關(guān)鍵生育期冠層光譜特征，但因研究條件限制，本文也存在如下不足：（1）野外大田選點(diǎn)采集光譜數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)全面檢測(cè)，且測(cè)定水稻冠層光譜，除了受光譜特征、土壤背景等因素影響外，還受光線入射角、氣溶膠等外部因素以及水稻品種、耕作措施、生長(zhǎng)環(huán)境等諸多人為因素影響[33-37]；（2）本研究結(jié)果來(lái)自UV-B增強(qiáng)下一季水稻的觀測(cè)數(shù)據(jù)，品種單一，后續(xù)工作還需通過(guò)試驗(yàn)，如通過(guò)更換或增加品種數(shù)量、增加重復(fù)、設(shè)置不同土壤類型和管理措施等進(jìn)行更深入的驗(yàn)證。

[1]Caldwell M M,Ballare CL,Borman J F,et al.Terrestrial ecosystems, increased solar ultraviolet radiation and interactions with other climate change factors[J].Photochem Photobiol Sci,2003, (2): 29-38.

[2]孟艷,婁運(yùn)生,吳蕾,等.UV-B增強(qiáng)下施硅對(duì)水稻生長(zhǎng)及CH4排放的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2015,26(1):25-31.

Meng Y,Lou Y S,Wu L,et al.Effects of silicon supply on rice growth and methane emission from paddy soil under elevated UV-B radiation[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2015, 26(1):25-31.(in Chinese)

[3]Teramura A H,Ziska L H,Sztein A E.Changes in growth and photosynthetic capacity of rice with increased UV-B radiation[J].Physiologia Plantarum,1992,83(3):373-380.

[4]唐莉娜,林文雄,吳杏春,等.UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育及其產(chǎn)量形成的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2002, 13(10): 1278-1282.

Tang L N,Lin W X,Wu X C,et al.Effects of enhanced ultraviolet-B radiation on growth development and yield formation in rice(L)[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2002,13(10):1278-1282.(in Chinese)

[5]吳杏春,林文雄,黃忠良.UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)兩種不同抗性水稻葉片光合生理及超顯微結(jié)構(gòu)的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 27(2):554-564.

Wu X C,Lin W X,Huang Z L,et al.Influence of enhanced ultraviolet-B radiation on photosynthetic physiologies and ultrastructure of leaves in two different resistivity rice cultivars[J].Acta Ecologica Sinica,2007,27(2):554-564.(in Chinese)

[6]吳蕾,婁運(yùn)生,孟艷,等.UV-B增強(qiáng)下施硅對(duì)水稻抽穗期生理特性日變化的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2015,26(1):32-38.

Wu L,Lou Y S,Meng Y,et al.Effects of silicon supply on variation of physiological properties at rice heading stage under elevated UV-B radiation[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2015,26(1):32-38.(in Chinese)

[7]殷紅,郭巍,毛曉艷,等.增強(qiáng)的UV-B輻射對(duì)水稻光合作用的影響[J].作物雜志,2009,4(16):40-45.

Yan H,Guo W,Mao X Y,et al. Effects of enhanced UV-B radiation on physiological response of rice[J]. Crops, 2009, 4(16):40-45.(in Chinese)

[8]薛高峰,宋阿琳,孫萬(wàn)春,等.硅對(duì)水稻葉片抗氧化酶活性的影響及其與百葉枯病抗性的關(guān)系[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2010,16(3):591-597.

Xue G F,Song A L,Sun W C,et al.Influences of silicon on activities of antioxidant enzymes in rice leaves infected by Xoostrain in relation to bacterial blight resistance[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science,2010,16(3):591-597.(in Chinese)

[9]趙井豐.不同硅肥在水稻上應(yīng)用效果[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè), 2013, (7):12-22.

Zhao J F.Different application effect of silicon fertilizer on rice[J].Modernizing Agriculture,2013,(7):12-22.(in Chinese)

[10]Tamai K,Ma J F.Reexamination of silicon effects on rice growth and production under field conditions using a low silicon mutant[J].Plant and Soil,2008,307:21-27.

[11]袁小康,楊再?gòu)?qiáng),邱譯萱,等.番茄葉片葉綠素含量光譜估算模型[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2014,35(6):700-707.

Yuan X K,Yang Z Q,Qiu Y X,et al.Chlorophyll content of tomato leaf estimate model under different water stress treatments based on hyperspectral[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2014,35(6): 700-707.(in Chinese)

[12]姚付啟.冬小麥高光譜特征及其生理生態(tài)參數(shù)估算模型研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2012.

Yao F Q.Hyperspectral characteristics and estimation models about physiological ecological parameters of winter wheat [D].Yangling:Northwest A&F University,2012.(in Chinese)

[13]王莉雯,衛(wèi)亞星.基于減少葉片水分影響的濕地蘆葦?shù)獫舛雀吖庾V反演研究[J].地理科學(xué),2016,36(1):135-141.

Wang L W,Wei Y X.Estimating nitrogen concentrations in wetland reeds based on reducing foliar water effect by hyperspectral data[J].Scientia Geographica Sinica, 2016, 36(1):135-141.(in Chinese)

[14]付元元.基于遙感數(shù)據(jù)的作物長(zhǎng)勢(shì)參數(shù)反演及作物管理分區(qū)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2015.

Fu Y Y.Remote sensing data based crop growth parameters retrieval and crop management zone delineation research [D].Hangzhou:Zhejiang University,2015.(in Chinese)

[15]Zhang B,Wang X J,Liu J G,et al.Hyperspectral image processing and analysis system(HIPAS) and its applications[J].Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,2000,66(5):605-609.

[16]姚云軍,秦其明,張自力,等.高光譜技術(shù)在農(nóng)業(yè)遙感中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,7(7):301-306.

Yao Y J,Qin Q M,Zhang Z L,et al.Research progress of hyperspectral technology applied in agricultural remote sensing[J].Transactions of the CSAE,2008, 7(7):301-306. (in Chinese)

[17]Yao Y N,Xuan Z Y,Li Y,et al.Effects of ultraviolent-B radiation on crop growth,development,yield and leaf pigment concentration of tartary buckwheat () under field conditions[J].European Journal of Agronomy, 2006,25(3):215-222.

[18]林文雄.水稻UV-B輻射增強(qiáng)的生理響應(yīng)及分子機(jī)制研究[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2013,21(1):119-126.

Lin W X.Physiological responses and molecular mechanism of rice () exposed to enhanced UV-Bradiation[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture,2013,21(1):119-126.(in Chinese)

[19]高天鵬,安黎哲,馮虎元.增強(qiáng)UV-B輻射和干旱對(duì)不同品種春小麥生長(zhǎng)、產(chǎn)量和生物量的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(6):1933-1940.

Gao T P,An L Z,Feng H Y,et al.Effects of UV-B irradiance and drought stress on the growth,production,and biomass of spring wheat[J].Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(6): 1933-1940. (in Chinese)

[20]龔金龍,張洪程,龍厚元,等.水稻中硅的營(yíng)養(yǎng)功能及生理機(jī)制的研究進(jìn)展[J].植物生理學(xué)報(bào),2012,48:1-10.

Gong J L,Zhang H C,Long H Y,et al.Progress in research of nutrition function and physiological echanisms of silicon in rice[J].Plant Physiology Journal,2012,48:1-10.(in Chinese)

[21]高臣,劉俊渤,常海波,等.硅對(duì)水稻葉片光合特性和超微結(jié)構(gòu)的影響[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011,33(1):1-4.

Gao C,Liu J B,Chang H B,et al.Effects of silicon rice leaf photosynthesis and ultrastructure[J].Journal of Jilin Agricultural University,2011,33(1):1-4.(in Chinese)

[22]韋還和,孟天瑤,李超,等.施硅量對(duì)甬優(yōu)系列秈粳稻交超級(jí)稻產(chǎn)量及相關(guān)形態(tài)生理性狀的影響[J].作物學(xué)報(bào), 2016, 42(3):437-445.

Wei H H,Meng T Y,Li C,et al.Effects of silicon fertilizer rate on grain yield and related morphological and physiological characteristics in super rice of Yongyou japonicalindica hybrids series[J].Acta Agronomica Sinica,2016,42(3): 437- 445.(in Chinese)

[23]方長(zhǎng)旬,清水,余彥,等.硅及其吸收基因調(diào)節(jié)耐UV-B輻射的作用[J].作物學(xué)報(bào),2011,37(6):1005-1011.

Fang C X,Qing S,Yu Y,et al.Silicon and its uptaking gene

[24]Bieza K,Lois R.An Arabidopsis mutant tolerant to lethal ultraviolet-B levels show constitutively elevated accumulation of flavonoids and other phenelics[J].Plant Physiology,2001,126:1105-1115.

[25]徐家平,江曉東,李映雪,等.UV-B輻射增強(qiáng)和免耕對(duì)冬小麥冠層反射光譜特性的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2013, 34(4): 486-492.

Xu J P,Jiang X D,Li Y X,et al.Effects of enhanced UV-B radiation and no-tillage on canopy reflectance spectroscopy of winter wheat[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2013,34(4):486-492.(in Chinese)

[26]Patel N K,Patnailk C,Dutta J,et al.Study of crop growth parameters using airborne imaging spectrometer data[J]. International Journal of Remote Sensing, 2001, 22(12): 2401-2411.

[27]Collins W.Remote sensing of crop type and nature[J]. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 1978,(44):43-45.

[28]戰(zhàn)莘曄,殷紅,李雪瑩,等.UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)粳稻光合特性及保護(hù)酶活性的影響[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 45(5): 513-517.

Zhan S Y,Yan H,Li X Y,et al.Effects of UV-B radiation on photosynthetics characteristics and protective enzyme activities of japonica rice[J].Journal of Shenyang Agricultural University,2014,45(5):513-517.(in Chinese)

[29]李林玉,黃群策,張書艮,等.低能氮離子束與UV-B增強(qiáng)對(duì)水稻光合及蒸騰速率的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013, 29(15): 136-144.

Li L Y,Huang Q C,Zhang S G,et al.Effects of low-energy N+ion irradiation on photosynthetics and transpiration in rice under enhanced UV-B radiation[J].Transactions of the CSAE,2013,29(15):136-144.(in Chinese)

[30]鄧接樓,王艾平,何長(zhǎng)水,等.硅肥對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)的影響[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,(12):58-61.

Deng J L,Wang A P,He C S,et al.The effect of sillicom fertilizer on growth and development,yield and quality of rice[J].Guangdong Agricultural Sciences,2011,(12):58-61.(in Chinese)

[31]唐延林,王人潮,黃敬峰,等.不同供氮水平下水稻高光譜及其紅邊特征研究[J].遙感學(xué)報(bào),2004,8(2):185-192.

Tang Y L,Wang R C,Huang J F,et al.Hyperspectral data and their relationships correlative to the pigment contents for rice under different nitrogen support level[J].Journal of Remote Sensing,2004,8(2):185-192.(in Chinese)

[32]王秀珍,王人潮,李云梅,等.不同氮素營(yíng)養(yǎng)水平的水稻冠層光譜紅邊參數(shù)及其應(yīng)用研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào) (農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版),2001,27(3):301-306.

Wang X Z,Wang R C,Li Y M,et al.Study on red edge characteristics of rice spectral caused by nitrogen level[J]. Journal of Zhejiang University(Agric & Life Sci),2001, 27(3):301-306.(in Chinese)

[33]Zhu Y G,Howes N K,Smith S E.Phosphorus uptake and utilization efficiencies of different wheat cultivars based on a sand-culture screening system[J].Pedosphere, 2002,12(4): 329-337.

[34]Mannschatz T,Pflug B,Borg E,et al.Uncertainties of LAI estimation from satellite imaging due to atmospheric correction[J].Remote Sensing Environment, 2014,153(10): 24-39.

[35]Qi J,Chehbouni A,Huete A R,et al.A modified soil adjusted vegetation index[J].Remote Sensing of Environment, 1994, 48(2):119-126.

[36]任紅艷,潘劍君,張佳寶.不同磷肥水平的小麥冠層多光譜特征研究[J].土壤,2005,37(4):405-409.

Ren H Y,Pan J J,Zhang J B.Spectral reflectance characteristics of wheat different in phosphorus fertilizer application rate[J].Soil,2005,37(4):405-409.(in Chinese)

[37]Steven M D.The sensitivity of the OSAVI vegetation index to observational parameters[J].Remote Sensing of Environ- ment, 1998,63(1):49-60.

Effects of Silicon Supply on Reflectance Spectroscopy Characteristics of Rice Canopy under Elevated UV-B Radiation

ZHU Huai-wei1, 2，LOU Yun-sheng1, 2，SHI Yi-fan2，ZHANG Yi-wei2，ZHAO Si-di2

（1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044）

A field experiment was conducted to observe the canopy spectra of rice by using ASD FieldSpec HandHeld spectrometer on typical sunny days and analyze the characteristics of red edge parameters by calculating the first derivative spectrum at tillering, jointing, heading and grain-filling stages under the conditions of elevated UV-B radiation and silicon supply. The experiment was designed with two UV-B radiation levels, i.e. ambient UV-B (ambient, A) and elevated UV-B (elevated by 20%, E)；with two silicon supply levels, i.e. control and +Si(200kgSiO2×ha-1as sodium silicate). The results indicated that LAI (leaf area index) and chlorophyll content (value of SPAD) were decreased under elevated UV-B radiation, but silicon supply increased and could alleviate the depressive effect of elevated UV-B radiation on rice growth. The differences of rice canopy spectra were mainly reflected in near-infrared band under each treatment, the reflectance of near-infrared band was decreased under elevated UV-B radiation, but increased by silicon application. The red edge position showed blue shift under elevated UV-B radiation and red shift by silicon application. The rice red edge position, red edge amplitude and red edge area showed a trend with an increase firstly and then a decrease, and reached the maximum at jointing stage.

Elevated UV-B radiation；Silicon supply；Rice；Spectrum analysis；Red edge

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.03.005

2016-08-16

通訊作者：。E-mail: yunshlou@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金（41375159）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK20131430）

朱懷衛(wèi)（1992-），女，碩士生，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究。E-mail:657391240@qq.com

朱懷衛(wèi),婁運(yùn)生,石一凡,等.UV-B增強(qiáng)下施硅對(duì)水稻冠層反射光譜特征的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(3):172-180