不同生育時(shí)期冬小麥葉片相對(duì)含水量高光譜監(jiān)測(cè)

劉曉靜，陳國(guó)慶，王 良，陳玉潔，王 蘭，劉肖瑜，李學(xué)國(guó)

(作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東省作物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東泰安 271018)

葉片相對(duì)含水量與土壤含水量密切相關(guān)，同時(shí)關(guān)系著葉片的生理功能，可反映逆境下植物的保水能力，是植物組織水分狀況最為直接的指示指標(biāo)[1-2]。葉片相對(duì)含水量的常規(guī)測(cè)量費(fèi)事費(fèi)力，進(jìn)行大量樣品測(cè)定時(shí)較難得到精準(zhǔn)的結(jié)果，因此，尋求一種快速準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)葉片相對(duì)含水量的方法，對(duì)于指導(dǎo)冬小麥的科學(xué)精確灌概具有十分重要的意義。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，尤其是高光譜技術(shù)不斷成熟和應(yīng)用，使之成為地表植被地學(xué)過(guò)程對(duì)地觀測(cè)的強(qiáng)有力工具[3-5]。目前的研究表明，利用高光譜遙感技術(shù)可對(duì)作物地上部干物質(zhì)量[6-7]、葉片氮含量和磷含量[8-15]、葉面積指數(shù)[16-19]、覆蓋度[20-22]等參數(shù)進(jìn)行估測(cè)，并表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。在作物水分含量的預(yù)測(cè)反演方面，利用高光譜遙感技術(shù)也已經(jīng)成為重要手段。Inoue等[23]和Yu等[24]利用不同波段反射率來(lái)反演冠層葉片相對(duì)含水量。田慶久等[25]、王紀(jì)華等[26-27]發(fā)現(xiàn)，小麥葉片相對(duì)含水量與光譜反射率在1 450 nm附近的特征吸收峰和面積呈良好線性正相關(guān)。同時(shí)，基于光譜反射率構(gòu)建的植被指數(shù)也被廣泛應(yīng)用于作物葉片含水量的監(jiān)測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，植被指數(shù)NDWI、SR與作物葉片含水量存在顯著正相關(guān)[28]，歸一化差值(NDSI)及差值光譜指數(shù)(DSI)也可以很好預(yù)測(cè)作物葉片含水量[29]。此外，蘇 毅等[30]利用水分指數(shù)(WI)、歸一化差值水分指數(shù)(NDWI)、水分脅迫指數(shù)(MSI)、水分波段指數(shù)(WBI)構(gòu)建了作物含水量和葉片含水量的最佳監(jiān)測(cè)模型。由于作物水分狀況和生育階段等因素的影響，作物冠層反射率存在一定差異。在不同生育階段，冬小麥冠層結(jié)構(gòu)和背景信息不同，從而造成不同生育時(shí)期所構(gòu)建植被指數(shù)對(duì)葉片相對(duì)含水量的敏感程度存在差異，最終導(dǎo)致通過(guò)單一植被指數(shù)難以精確構(gòu)建全生育期的葉片相對(duì)含水量監(jiān)測(cè)模型。鑒于此，本研究分別在不同生育時(shí)期，分析小麥葉片相對(duì)含水量與光譜參數(shù)的定量關(guān)系，建立小麥葉片相對(duì)含水量高光譜監(jiān)測(cè)模型，探索能適應(yīng)不同生育時(shí)期更為精準(zhǔn)的光譜參數(shù)，以期為不同水分處理下冬小麥不同生育時(shí)期作物水分的精確監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)1：于2016-2017年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水肥耦合試驗(yàn)站進(jìn)行，采用池栽方式，小麥供試品種為濟(jì)麥22。試驗(yàn)共設(shè)0、30、60 和90 mm 四個(gè)灌水量處理，分別用W1、W2、W3和W4代表，灌水時(shí)間在拔節(jié)期(追肥后)和孕穗期進(jìn)行，兩次灌水量相等。小麥條播種植，行距20 cm，小區(qū)面積為18 m2(5 m×3.6 m)，播種密度為每平方米222株，采用人工點(diǎn)播。每小區(qū)底施尿素 192.2 kg·hm-2、 磷酸二銨 260.9 kg·hm-2和硫酸鉀 210.0 kg·hm-2，拔節(jié)期追施尿素192.2 kg·hm-2，其他管理同高產(chǎn)田。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于監(jiān)測(cè)模型構(gòu)建。

試驗(yàn)2：于2016-2017年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校試驗(yàn)田進(jìn)行，池栽試驗(yàn)，小麥供試品種為濟(jì)麥22。分別設(shè)置拔節(jié)期和拔節(jié)后10 d灌水兩種水分處理，灌水量均為30 mm。純氮、磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)施用量分別為225.0、120.0和105.0 kg·hm-2，其中氮肥基施和追施量各占一半，拔節(jié)期追施，磷、鉀肥全部基施。田間管理按照高產(chǎn)田的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于監(jiān)測(cè)模型驗(yàn)證。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 冠層光譜數(shù)據(jù)測(cè)定

利用SOC710VP便攜式高光譜成像儀(光譜范圍400～1 000 nm，分辨率4.68 nm，波段為128個(gè))測(cè)量拔節(jié)期至灌漿期冬小麥的冠層光譜。冠層光譜的測(cè)定時(shí)間為早晨9點(diǎn)至下午3點(diǎn)，選擇在天氣晴朗、無(wú)積云、無(wú)風(fēng)或少風(fēng)(最好不超過(guò)3級(jí))時(shí)進(jìn)行。測(cè)量人員身著無(wú)強(qiáng)反射的暗色衣物，與儀器背光測(cè)量。測(cè)量時(shí)鏡頭垂直向下，距離冠層垂直高度1.0 m。每小區(qū)測(cè)量三個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)重復(fù)3次，取平均值作為該樣點(diǎn)光譜測(cè)量值。測(cè)量時(shí)用參考版進(jìn)行標(biāo)定(冬小麥和參考版要在相同的光照條件和環(huán)境狀態(tài)下測(cè)定)。

1.2.2 冠層溫度及氣溫測(cè)定

以德國(guó)生產(chǎn)testo890熱紅外成像儀采集拔節(jié)期至灌漿期冬小麥的冠層溫度(Tc)。測(cè)量時(shí)儀器與作物冠層呈45度角，并距冠層25～30 cm，測(cè)定時(shí)間為12:00-14:00，每個(gè)水分處理測(cè)量3次，取其平均值。氣溫(Ta)采用JM222數(shù)字溫度表觀測(cè)，并計(jì)算冠氣溫差(TDc-a)。TDc-a=Tc-Ta。

1.2.3 葉片相對(duì)含水量(RWC)的測(cè)定

與光譜測(cè)量同步，每小區(qū)選有代表性的植株10株，迅速摘取莖稈上所有葉片，裝入自封塑料袋，帶回實(shí)驗(yàn)室用萬(wàn)分之一精度的電子天平稱取鮮重(WF)，然后將裝有葉片的自封袋內(nèi)分別裝滿自來(lái)水，泡8 h后，用吸水紙擦去水分，稱取葉片飽和鮮重(WS)，最后在105 ℃下殺青30 min后，于80 ℃下烘干至恒重(WD)。RWC=(WF-WD)/(WS-WD)×100%

1.2.4 植被指數(shù)的選擇

本研究選取4種植被指數(shù)(表1)建立冬小麥葉片相對(duì)含水量高光譜遙感監(jiān)測(cè)模型。由于冠氣溫差可指示作物的水分狀況[31-32]，也將其作為監(jiān)測(cè)葉片相含水量的備選指標(biāo)之一。

表1 高光譜植被指數(shù)計(jì)算公式Table 1 Expressions of hyperspectral vegetation indices

R810、R610、R560、R645和R555分別為810、610、560、800、670 nm波段的光譜反射率。

R810,R610,R560,R645andR555are spectral reflectance of 810, 610, 560, 800 and 670 nm，respectively.

1.2.5 監(jiān)測(cè)模型的檢驗(yàn)

模型的精度用決定系數(shù)(r2)、平均相對(duì)誤差(MRE)和均方根差(RMSE)對(duì)所建立的監(jiān)測(cè)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，決定系數(shù)越接近1，平均相對(duì)誤差越小，均方根誤差越接近零時(shí)，模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率越高，反之則越差。

式中，xi為葉片相對(duì)含水量模擬值；yi為葉片相對(duì)含水量實(shí)測(cè)值；i為樣本序數(shù)，i=1，2，…，n；n為樣本數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分處理下冬小麥葉片相對(duì)含水量的變化

在拔節(jié)和抽穗兩個(gè)時(shí)期，由于冬小麥葉片相對(duì)含水量是在澆水后進(jìn)行測(cè)定的，因而只有W1處理顯著低于W2、W3、W4處理，后三個(gè)處理之間無(wú)明顯差異。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，處理間差異逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，灌漿后期四個(gè)水分處理之間彼此差異顯著，表現(xiàn)為W4>W3>W2>W1(圖1)。隨生育進(jìn)程的推進(jìn)，不同水分處理下冬小麥葉片相對(duì)含水量的變化趨勢(shì)相似，抽穗期含水量較高，在灌漿后期含水量較小。

2.2 不同水分處理下冬小麥冠層光譜反射率

不同水分處理下冬小麥冠層光譜特征的變化趨勢(shì)一致，但是不同水分處理和不同生育時(shí)期的冠層光譜反射率存在一定的差異(圖2)。在可見光波段(400～700 nm)，隨灌水量的增加，冬小麥冠層光譜反射率呈降低的趨勢(shì)，W1處理與其他處理的差異明顯。在近紅外波段(750～950 nm)，抽穗期、開花期和灌漿期W3、W4處理冠層光譜反射率均高于W1、W2處理，而拔節(jié)期W1處理冠層光譜反射率高于其他處理，可能原因是W1處理下水分脅迫嚴(yán)重，影響作物地上部生長(zhǎng)，植被覆蓋率小，土壤背景對(duì)冠層植被反射的影響大[37-39]，致使W1水分處理反射率較高。此外，整個(gè)生育期W2處理冠層光譜反射率均小于W1處理。在不同生育時(shí)期中，冬小麥冠層光譜反射率也不相同，在近紅外波段抽穗期的冠層反射率最高，這主要?dú)w因于抽穗期生物量和葉面積的增大。

圖柱上的字母不同表示同一時(shí)期不同處理間差異顯著(P<0.05)。

Different letters on the columns mean significant differences among treatments at same stage at 0.05 level.

圖1冬小麥不同生育時(shí)期不同水分處理葉片相對(duì)含水量變化

Fig.1Changesofleafrelativewatercontentunderdifferentwatertreatmentsatvariousgrowthstagesofwinterwheat

圖2 不同生育時(shí)期冬小麥不同水分處理的冠層光譜反射率

2.3 冬小麥光譜參數(shù)與葉片相對(duì)含水量的相關(guān)性

相關(guān)分析(表2)表明，4個(gè)小麥植被指數(shù)(RVI、NDVI、R/ND和OSAVI)及TDc-a與葉片相對(duì)含水量的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值范圍為0.814～0.972，表明所選的4 種植被指數(shù)及TDc-a均能作為參數(shù)用于拔節(jié)期至灌漿末期冬小麥葉片相對(duì)含水量的反演。

表2 光譜參數(shù)與葉片相對(duì)含水量的相關(guān)性Table 2 Correlation coefficients between spectral parameters and leaf relative water content

**：P<0.01;n=36.

2.4 小麥葉片相對(duì)含水量監(jiān)測(cè)模型的擬合與驗(yàn)證

將小麥葉片相對(duì)含水量與植被指數(shù)及TDc-a進(jìn)行擬合，建立不同生育時(shí)期葉片相對(duì)含水量監(jiān)測(cè)模型(表3)。在拔節(jié)期、抽穗期和開花期，分別基于NDVI、OSAVI和R/ND建立的監(jiān)測(cè)模型具有較高的擬合度，r2分別為0.842、0.884和0.831；灌漿前期和灌漿后期，均以基于TDc-a建立的模型擬合度較高，r2分別為0.864、0.945。進(jìn)一步分析表明，上述模型對(duì)相應(yīng)時(shí)期的葉片相對(duì)含水量的預(yù)測(cè)效果均較好。其中，利用監(jiān)測(cè)模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值計(jì)算得到的r2、RMSE和MRE在拔節(jié)期分別為0.799、0.019和2.16%(圖3a)，在抽穗期分別為0.884、0.016和1.80%(圖3b)，在開花期分別為0.831、0.027和3.30%(圖3c)，在灌漿前期分別為0.864、0.032和3.81%(圖3d)，在灌漿后期分別為0.945、0.024和3.53%(圖3d)。

表3 冬小麥葉片相對(duì)含水量的擬合監(jiān)測(cè)模型Table 3 Fitting monitor model of leaf relative water content of winter wheat

a:拔節(jié)期；b:抽穗期；c:開花期；d:灌漿前期(上)和后期(下)。

a:Jointing stage;b:Heading stage;c:Anthesis stage;d:Early(upper) and Latter(down) stage of grain filling.

圖3小麥葉片相對(duì)含水量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較分析

Fig.3Comparativeanalysisofpredictedandmeasuredleafrelativewatercontentofwheat

3 討 論

本研究對(duì)比分析了多種光譜參數(shù)監(jiān)測(cè)不同時(shí)期冬小麥葉片相對(duì)含水量的監(jiān)測(cè)效果，由于葉片相對(duì)含水量受多種因素的共同影響，所得結(jié)果有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。從本研究結(jié)果看，隨著干旱程度的加劇，冬小麥葉片相對(duì)含水量隨之下降。水分供應(yīng)影響冬小麥植株的生長(zhǎng)狀態(tài)，從而影響冠層光譜反射率。在可見光波段，隨著灌水量的增加，冬小麥冠層光譜反射率呈降低的趨勢(shì)；而在近紅外波段，隨著灌水量的增加，冬小麥冠層光譜反射率呈升高的趨勢(shì)。其可能原因是，干旱脅迫使葉片內(nèi)的自由水含量降低，束縛水含量増加，導(dǎo)致葉面積縮小，葉綠素含量下降，葉片的光合作用能力降低[40]。同時(shí)，由于土壤水分的缺乏，幼葉需要從老葉中爭(zhēng)奪水分，致使老葉死亡，光合面積下降，引起冠層光譜反射率變化[41]。在冬小麥不同生育時(shí)期，冠層光譜也不相同，這與冬小麥的生長(zhǎng)狀況有很大的關(guān)系。在生育前期，隨著冬小麥生物量的增加，近紅外波段的冠層光譜反射率高；而在生育后期，隨著葉片的衰老死亡，葉綠素減少，紅藍(lán)波段的反射率上升加快，這與前人的研究結(jié)果一致[42]。

在不同生育時(shí)期，RVI、NDVI、R/ND、OSAVI、TDc-a與葉片相對(duì)含水量均呈極顯著相關(guān)，不同生育時(shí)期葉片相對(duì)含水量監(jiān)測(cè)模型均具有較高的預(yù)測(cè)精度。通過(guò)獨(dú)立數(shù)據(jù)對(duì)所建模型驗(yàn)證，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間具有較小的RMSE和MRE。本研究從時(shí)間序列上對(duì)冬小麥生育期進(jìn)行劃分，在不同生育時(shí)期選擇最佳光譜監(jiān)測(cè)參數(shù)，以最佳的光譜監(jiān)測(cè)參數(shù)建立檢測(cè)精度較高的葉片相對(duì)含水量監(jiān)測(cè)模型，該方法不失為一種較好的方法。

作物的冠層溫度主要受到空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速等的影響，其中氣溫的影響最大，因此基于作物的冠氣溫差反演植株水分狀況時(shí)需要綜合考慮了作物、土壤和氣象因素。另外，不同的植被指數(shù)對(duì)矯正光譜反射率、降低土壤背景及大氣溶膠等噪聲的程度不同[43-45]，所以應(yīng)根據(jù)小麥不同生育時(shí)期的長(zhǎng)勢(shì)狀況及光譜參數(shù)的特性，選擇適宜的光譜參數(shù)，建立葉片相對(duì)含水量監(jiān)測(cè)模型，才能獲得較好預(yù)測(cè)效果。植被指數(shù) NDVI對(duì)綠色植被表現(xiàn)敏感，常被用來(lái)監(jiān)測(cè)區(qū)域或全球植被狀態(tài)變化，是植被豐度、長(zhǎng)勢(shì)的靈敏指示參數(shù)，該指數(shù)適合于植被早中期生長(zhǎng)階段的監(jiān)測(cè)[46]，因此在拔節(jié)期有較好的監(jiān)測(cè)效果；但是當(dāng)作物受到水分脅迫時(shí)，植被密度低于一定程度時(shí)，特別是孕穗后，冬小麥由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的旺盛時(shí)期開始向生殖生長(zhǎng)時(shí)期過(guò)渡，葉片的養(yǎng)分開始向穗部轉(zhuǎn)移，之后下部葉片衰老、脫落[47]，植被與土壤背景之間的光譜響應(yīng)差異逐漸被拉大，冠層光譜反射率易受土壤背景的影響，而 OSAVI 可在一定程度上消除土壤背景的影響[48]，所以在抽穗期有較好的監(jiān)測(cè)效果。研究表明，采用兩個(gè)波段組合而成的光譜指數(shù)(比值指數(shù)和歸一化指數(shù))來(lái)建立水分監(jiān)測(cè)模型，可提高預(yù)測(cè)的精度，降低單波段反射光譜值的干擾因素(如易受大氣效應(yīng)、圖像分辨率、圖像解譯精確度、儀器精度以及模型參數(shù)等)的影響[49]，所以R/ND在該階段有較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。進(jìn)入灌漿期以后，由于水分脅迫的影響，植株由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)速度加快，葉片開始變黃，利用冠氣溫差監(jiān)測(cè)作物生育后期的含水量有較好的效果[50]。

由于光譜的數(shù)據(jù)量大，連續(xù)性強(qiáng)，而且不同植被指數(shù)具各自不同的特點(diǎn)，如何篩選出最為有效合理的植被指數(shù)建立監(jiān)測(cè)模型，還需要不斷的探索和研究；由于利用熱紅外成像獲取冬小麥冠層溫度受拍攝角度的影響，結(jié)果會(huì)有差異，所以如何確定最佳的拍攝角度，建立最佳的監(jiān)測(cè)模型仍需繼續(xù)研究。由于本試驗(yàn)以山東地區(qū)的冬小麥為試驗(yàn)對(duì)象，受試驗(yàn)條件的限制，所建立的模型在其他地區(qū)的適用性還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證；本研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在晴朗天氣下獲得,在陰天時(shí)冠氣溫差與水分狀況關(guān)系有待于進(jìn)一步探討。因此在今后的工作中還需更加深入的研究，為實(shí)現(xiàn)冬小麥水分的精確監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。