冬小麥葉片氮含量的時(shí)空分布及光譜監(jiān)測(cè)研究

武改紅，馮美臣，楊武德，肖璐潔，王 超，孫 慧，賈學(xué)勤，張 松

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)工程研究所，山西太谷 030801）

氮素參與作物的光合作用，是葉綠素的重要組成部分，缺氮會(huì)造成產(chǎn)量和品質(zhì)下降，而氮肥的過(guò)量施用也會(huì)導(dǎo)致土壤的有機(jī)質(zhì)含量下降、土壤板結(jié)以及環(huán)境污染[1]。及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)作物氮素含量對(duì)于指導(dǎo)合理施肥、提高氮素利用率、保護(hù)環(huán)境具有重要的意義[2]。

高光譜技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)得到作物的冠層光譜信息[3]，實(shí)現(xiàn)快速監(jiān)測(cè)氮素含量。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)高光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)作物氮素的研究已有很多，作物氮含量與光譜反射率密切相關(guān)[4]，綠光和近紅外波段的比值與氮含量呈線性關(guān)系[5]，550～700，2 100，2 300 nm波段與植株氮含量相關(guān)性較高，2 180 nm處的反射率能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氮含量[6-7]。已有的研究大都基于植株氮含量進(jìn)行，但是由于氮素的可轉(zhuǎn)移性，導(dǎo)致不同葉位葉片氮含量的垂直差異[8]，葉片光譜反射率也存在差異[9-10]。

有研究表明，作物持續(xù)缺肥時(shí)，植株上部葉片變化不顯著[11]。DEBAEKE等[12]用小麥頂1葉RSPAD值與NNI建立的關(guān)系結(jié)果比較穩(wěn)定。王紹華[13]研究表明，在不同氮素處理下水稻頂4葉葉片色差表現(xiàn)較為敏感，預(yù)測(cè)含氮量較為準(zhǔn)確。李剛?cè)A等[14]研究提出，頂3葉SPAD值能夠準(zhǔn)確地表征水稻氮含量的變化規(guī)律。

目前，通過(guò)冬小麥不同葉位葉片光譜開(kāi)展氮素光譜估算的研究較少，由于不同葉位葉片氮含量存在一定差異，因此尋求對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)狀況反應(yīng)敏感的葉位，可作為精確診斷冬小麥氮素營(yíng)養(yǎng)的前提之一。作物冠層光譜是作物群體、土壤和水汽溫度等背景要素的綜合反映，通過(guò)冠層光譜預(yù)測(cè)葉片氮含量，模型精度較低。

本研究嘗試通過(guò)冠層光譜以及葉片光譜估測(cè)不同葉位的葉片氮含量，并且進(jìn)行模型效果的對(duì)比，以期為作物氮素營(yíng)養(yǎng)的研究提供一定的理論支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)于2016—2017年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)作站進(jìn)行。試驗(yàn)土壤肥力中等，耕層土壤堿解氮51.12 mg/kg，速效磷18.74 mg/kg，速效鉀242.07 mg/kg，有機(jī)質(zhì)21.72 g/kg。

1.1.2 試驗(yàn)材料 供試品種為濟(jì)麥22和長(zhǎng)4738；供試肥料為氮肥（尿素，含N 46.4%），磷肥（過(guò)磷酸鈣，含P2O516%），鉀肥（氯化鉀，含K2O60%）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)置5個(gè)氮梯度：0，75，150，225，300 kg/hm2，分別以 N0，N1，N2，N3，N4 表示，磷肥和鉀肥不設(shè)處理，分別為120，150 kg/hm2。氮肥分2次在播前和拔節(jié)期按6∶4施入：播前施基肥，拔節(jié)期追肥，磷肥和鉀肥作為基肥在播前一次性施入。

小區(qū)面積為12 m2（3 m×4 m），行距為20 cm，3次重復(fù)，其他管理措施同一般高產(chǎn)麥田，于拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開(kāi)花期及灌漿中期（花后15 d）進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 冬小麥冠層光譜 冬小麥冠層光譜采用美國(guó)ASD FieldSpec 3.0型便攜式高光譜儀測(cè)定冠層光譜反射率，儀器視場(chǎng)角為25°，波段范圍350～2 500 nm。晴天無(wú)風(fēng)時(shí)10：00—14：00進(jìn)行測(cè)量，探頭垂直向下，距離冠層垂直高度約1 m。每小區(qū)測(cè)量3處，每處重復(fù)10次，計(jì)算平均值作為該小區(qū)光譜測(cè)量值。

1.3.2 冬小麥葉片光譜 在測(cè)定冠層光譜的區(qū)域，每次采集20 cm植株，于室內(nèi)測(cè)定葉片光譜。同樣采用美國(guó)ASD FieldSpec 3.0型便攜式高光譜儀，用50 W內(nèi)置鹵鎢燈作為光源在室內(nèi)測(cè)定葉片反射率。每次測(cè)量前，用白板進(jìn)行校正。測(cè)量時(shí)從上部依次獲取頂1葉、頂2葉、頂3葉3層葉片，每層每次選5片葉子，把不同葉位的葉片整齊排列，探頭距離葉片10 cm進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量10條光譜曲線。每組葉片測(cè)量3次，計(jì)算平均值作為該樣本的光譜反射率。

1.3.3 葉片氮含量 葉片光譜測(cè)量后，將不同葉位葉片烘干，用粉碎機(jī)粉碎，稱(chēng)取0.5 g粉末于刻度消煮管中，再加濃硫酸5 mL，搖勻，在消煮爐中370℃消解，期間加2～3次過(guò)氧化氫，每次加5～10滴，消解后冷卻，定容至100 mL容量瓶，澄清或過(guò)濾后利用Smart-chem 200全自動(dòng)離子分析儀測(cè)定氮含量，每個(gè)葉位葉片50組數(shù)據(jù)，建模集和驗(yàn)證集隨機(jī)分為36組和14組。

1.4 數(shù)據(jù)處理

偏最小二乘法（PLS）是一種多因變量對(duì)多自變量的分析方法，在多維變量中提取有效信息，適用于多重線性的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[15]。本研究通過(guò)均方根誤差（RMSE）選取潛在變量，消除無(wú)用變量，達(dá)到數(shù)據(jù)降維的目的。

利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用ViewSpec Pro軟件處理原始高光譜數(shù)據(jù)，采用DPS6.5統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析和多重比較，使用Matlab 7.0進(jìn)行PLS運(yùn)算，利用Origin 8.0制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥同一施肥水平不同葉位的氮含量分析

施氮量水平對(duì)不同生育時(shí)期、不同葉位葉片氮含量的影響如圖1所示，以濟(jì)22為例。

從圖1可以看出，不施氮處理，葉片氮含量在拔節(jié)期最高；施氮條件下，葉片氮含量在孕穗期為最大值，孕穗期之后，氮含量逐漸下降。在拔節(jié)期、開(kāi)花期和灌漿期，頂1葉的葉片氮含量最高，頂2葉次之，頂3葉最??；而在孕穗期，各施氮處理葉片含氮量大小趨勢(shì)基本變?yōu)轫?葉＞頂1葉＞頂3葉。葉片氮含量隨著施氮量的增加而增加，但是不同葉位葉片的增加量不同。以拔節(jié)期為例，頂1葉、頂2葉、頂3葉的N4比N0分別增加了36.9%，55.5%和91.2%，頂3葉增幅最大。不施肥處理，不同葉位葉片間氮含量呈顯著性差異，頂1葉和頂2葉氮含量差值小于頂2葉和頂3葉的差值；隨著施氮量的增加，不同葉位葉片間氮含量的差異逐漸減小。

2.2 冬小麥冠層光譜及葉片光譜分析

不同氮運(yùn)籌條件下冬小麥冠層光譜及葉片反射率如圖2所示，以濟(jì)麥22開(kāi)花期為例。從圖2-A可以看出，不同施氮條件下趨勢(shì)大致相同，在550，670 nm處形成反射峰和吸收谷，在700～1300 nm處形成近紅外高反射平臺(tái)，在1450，1950 nm附近有水分強(qiáng)吸收特征，在光譜應(yīng)用中一般刪除受水分影響大的波段。

從圖2-B可以看出，不同施氮條件下，葉片的反射率曲線與冠層光譜相比較，葉位光譜反射率整體高于冠層光譜，冠層光譜近紅外區(qū)域的反射率約在0.4左右，而葉片光譜達(dá)到0.6。在可見(jiàn)光區(qū)域，反射率的大小與施氮量成反比；在近紅外和中紅外區(qū)域光譜反射率則與施氮量成正比。

從圖2-C可以看出，葉位光譜不同葉位葉片反射率相似，在可見(jiàn)光區(qū)域頂1葉反射率最小，近紅外區(qū)域則相反。

2.3 冠層光譜與葉片光譜預(yù)測(cè)氮含量的比較

2.3.1 基于PLS的最佳因子數(shù)選取 如圖3所示，圖3-A～C分別表示冠層光譜監(jiān)測(cè)頂1葉、頂2葉、頂3葉氮含量，圖3-D～F分別表示葉片光譜監(jiān)測(cè)頂1葉、頂2葉、頂3葉的氮含量，曲線的拐點(diǎn)處應(yīng)為最佳因子數(shù)，圖3-A～F的最佳波段維數(shù)分別為5，4，5，8，8，5。

2.3.2 冠層及葉片光譜預(yù)測(cè)氮含量模型表現(xiàn) 由表1可知，冠層光譜和葉片光譜預(yù)測(cè)不同葉位葉片氮含量模型表現(xiàn)存在差異，冠層光譜估測(cè)頂1葉、頂2葉、頂3葉葉片氮含量模型R2分別為0.714，0.675和 0.687，RMSE 分別為 0.363，0.316和 0.431。葉片光譜監(jiān)測(cè)葉片氮含量效果較好，R2分別為0.810，0.781和0.701，RMSE也較小。冠層光譜監(jiān)測(cè)頂1葉氮含量的模型效果優(yōu)于頂2葉、頂3葉，而頂2葉與頂3葉效果相近。葉片光譜監(jiān)測(cè)氮含量模型效果均較好，其中，頂1葉模型效果最好。

表1 冠層、葉位光譜預(yù)測(cè)植株、葉片氮含量模型表現(xiàn)

3 討論與結(jié)論

葉片氮含量能夠反映冬小麥植株氮素含量的多少，對(duì)冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量指標(biāo)起著重要作用[16-17]。在植物體內(nèi)，氮素分布在空間水平上具有層次性[18]。本研究表明，增加施氮量可促進(jìn)小麥植株對(duì)氮的吸收能力，葉片氮含量均明顯增加，葉位間葉片氮含量差異逐漸減小，頂3葉增幅最大。除孕穗期外，其余時(shí)期氮含量大小為頂1葉＞頂2葉＞頂3葉，與秦曉東等[19]研究結(jié)果相似，符合氮素輸送一般規(guī)律；在孕穗期，氮含量為頂2葉最大，頂2葉隨氮素響應(yīng)較為敏感，與李映雪等[20]的研究結(jié)果存在差異，可能是由于在拔節(jié)期追肥后，不同冬小麥品種葉片對(duì)氮素的吸收存在差異。

不同施氮條件下，葉片反射率趨勢(shì)大致相同，高于冠層反射率。低氮和適量氮水平下，由于氮素具有可轉(zhuǎn)移性，氮素向上層葉片轉(zhuǎn)移，不同葉位葉片氮含量、葉綠素等差異較大，導(dǎo)致葉片反射率主要在可見(jiàn)光波段和近紅外區(qū)域波段均存在較大差異。高施氮量條件下，不同葉位葉片含氮量差異較小，葉綠素含量相近，反射率差異降低。

本研究利用葉片光譜預(yù)測(cè)葉片氮含量模型效果優(yōu)于冠層光譜，由于冠層光譜包含的信息除葉片外，還有籽粒、土壤等無(wú)關(guān)信息[21]，因此，可能存在監(jiān)測(cè)精度低的問(wèn)題。冠層光譜監(jiān)測(cè)頂1葉效果優(yōu)于頂2葉和頂3葉，可能是由于頂1葉在植株最上部，理論上對(duì)光譜的貢獻(xiàn)高于頂2葉和頂3葉。不同葉位葉片對(duì)冠層光譜的貢獻(xiàn)是否會(huì)由于冬小麥緊湊型或舒展型等其他因素發(fā)生變化，監(jiān)測(cè)模型效果是否會(huì)相應(yīng)改變還需進(jìn)一步探討；如何更精確地獲取冠層光譜、降低干擾信息，或者如何將冠層光譜與葉片光譜相結(jié)合，提高預(yù)測(cè)模型精度，提高高光譜技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，仍需進(jìn)一步研究。

［1］孟紅旗，劉景，徐明崗，等.長(zhǎng)期施肥下我國(guó)典型農(nóng)田耕層土壤的 pH 演變[J].土壤學(xué)報(bào)，2013，50（6）：1109-1116.

［2］秦文，韓燕來(lái)，張毅博，等.減氮增施腐殖酸液肥對(duì)夏玉米產(chǎn)量和氮肥利用率的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，46（4）：21-25.

［3］ZHANG J C，YUAN L，PUI R L，et al.Comparison between wavelet spectral features and conventional spectral features in detecting yellowrust for winter wheat[J].Computers and Electronics in Agriculture，2014，100：79-87.

［4］孫慧，馮美臣，楊武德，等.水旱地冬小麥植株氮素含量的高光譜監(jiān)測(cè)[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（3）：273-276.

［5］薛利紅，曹衛(wèi)星，羅衛(wèi)紅，等.基于冠層反射光譜的水稻群體葉片氮素狀況監(jiān)測(cè)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2003，36（7）：807-812.

［6］ BLACKMER T M，SCHEPERS J S，GARVEL G E，et al.Nitrogen dificiencydetection usingreflected short wave radiation fromirrigated corn canopies[J].AgronomyJournal，1996，88（1）：1-5.

［7］ MITCHELL J J，GLENN N F，SANKEY T T，et al.Spectroscopic detection ofnitrogen concentrations in sagebrush[J].Remote Sensing Letters，2012，3（4）：285-294.

［8］姜繼萍，楊京平，楊正超，等.不同氮素水平下水稻葉片及其相鄰葉位 SPAD值變化特征 [J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38（2）：166-174.

［9］NAMRATAJ，SHIBENDUSR，SINGH J P，et al.Use ofhyperspectral data to assess the effects of different nitrogen applications on a potatocrop[J].Precision Agriculture，2007，8（4）：225-239.

［10］崔貝，黃文江，楊武德，等.不同施肥決策對(duì)冬小麥生長(zhǎng)影響的高光譜監(jiān)測(cè)及對(duì)比分析 [J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2013，19（1）：11-19.

［11］ FENG W，YAO X，ZHU Y，et al.Monitoring leaf nitrogen status with hyperspectral reflectance in wheat[J].European Journal of A-gronomy，2008，28（3）：394-404.

［12］ DEBAEKE P，ROUET P，JUSTES E.Relationship between the normalized SPAD index and the nitrogen nutrition index:application to durum wheat[J].Journal of Plant Nutrition，2006，29（1）：75-92.

［13］王紹華.水稻氮素營(yíng)養(yǎng)的生理指標(biāo)及診斷技術(shù)[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003.

［14］李剛?cè)A，薛利紅，尤娟，等.水稻氮素和葉綠素SPAD葉位分布特點(diǎn)及氮素診斷的葉位選擇 [J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，40（6）：1127-1134.

［15］王昶，黃馳超，余光輝，等.近紅外光譜結(jié)合偏最小二乘法快速評(píng)估土壤質(zhì)量[J].土壤學(xué)報(bào)，2013，50（5）：881-891.

［16］張瀟元，張立福，張霞，等.不同光譜植被指數(shù)反演冬小麥葉氮含量的敏感性研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，50（3）：474-485.

［17］南鎮(zhèn)武，梁斌，劉樹(shù)堂，等.長(zhǎng)期定位施肥對(duì)冬小麥籽粒品質(zhì)的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2015，30（4）：162-167.

［18］劉濤，魯劍巍，任濤，等.適宜氮水平下冬油菜苗期不同葉位葉片光合氮分配特征 [J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，49（18）：3532-3541.

［19］秦曉東，戴廷波，荊奇，等.冬小麥葉片氮含量時(shí)空分布及其與植株氮營(yíng)養(yǎng)狀況的關(guān)系 [J].作物學(xué)報(bào)，2006，32（11）：1717-1722.

［20］李映雪，徐德福，謝曉金，等.小麥葉片SPAD空間分布及其與氮素營(yíng)養(yǎng)狀況的關(guān)系 [J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2009，30（2）：164-168.

［21］ STENBERG B，ROSSEL R A V，MOUAZEN A M，et al.Chapter five-visible and near infrared spectroscopyin soil science[J].Advances in Agronomy，2010，107：163-215.