施氮水平對馬蹄金草坪反射光譜特征及光合色素含量的影響

初曉輝，陳 功，張 銀，任 健，姜 華，陳興濤，單貴蓮

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)系，云南 昆明 650201； 2.云南綠盛美地園林景觀有限公司，云南 昆明 650501)

高光譜遙感監(jiān)測是快速、準(zhǔn)確、無損傷探測植物色澤和葉綠素含量的新方法[1]。近年高光譜遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于植物氮素營養(yǎng)的定量分析、產(chǎn)量估測以及色素監(jiān)測等方面。目前，已有研究利用高光譜技術(shù)監(jiān)測植物的葉綠素含量、密度、濃度等信息，進(jìn)而通過估測葉綠素含量等信息來評價(jià)植物的長勢、產(chǎn)量和確定最佳施肥量[2-6]。也有研究報(bào)道利用統(tǒng)計(jì)分析的方法分析了植物的氮素營養(yǎng)和葉綠素含量與光譜特征的相關(guān)關(guān)系，并進(jìn)一步建立了植物氮素營養(yǎng)和葉綠素含量的高光譜反演模型[7-12]。諸多研究表明，應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)來監(jiān)測植物的營養(yǎng)狀況確實(shí)可行。利用高光譜遙感技術(shù)獲取植被光合色素信息對于光合能力估測、產(chǎn)量動(dòng)態(tài)觀測和精確施肥等有著重要意義。

在草坪色澤、外觀質(zhì)量、水分及營養(yǎng)狀況評價(jià)方面，張文等[13,14]開展了利用高光譜遙感技術(shù)評價(jià)單播草坪色澤的研究，結(jié)果表明，利用高光譜參數(shù)評價(jià)草坪色澤，操作簡單，快捷方便，經(jīng)過相關(guān)參數(shù)的計(jì)算即可評價(jià)草坪色澤，克服了分光光度法等評價(jià)草坪色澤手續(xù)繁瑣，取樣不均勻，或因個(gè)人喜好而評價(jià)精度不高的缺點(diǎn)，適用于大面積的草坪色澤評價(jià)，以及草坪草種的外觀質(zhì)量評價(jià)。龍光強(qiáng)等[15]對干旱脅迫下馬蹄金草坪光譜反射特征和葉綠素含量的相關(guān)性的研究表明，當(dāng)馬蹄金草坪土壤含水量高于23%，草坪蓋度大于30%時(shí)，可用可見光某些波段光譜反射率對草坪葉片相對含水量和葉綠素含量進(jìn)行回歸預(yù)測。楊峰等[6]、錢育榮等[16]利用高光譜數(shù)據(jù)快速估算高羊茅營養(yǎng)狀況及光合色素含量的研究，結(jié)果表明，利用高光譜特征變量與光合色素含量的相關(guān)關(guān)系建立的回歸模型，為有效、快速、無損傷的探測草坪的營養(yǎng)狀況及草坪質(zhì)量提供了理論支持。許岳飛等[17]研究報(bào)道，反射光譜技術(shù)在園林綠化工程中為快速評價(jià)草坪質(zhì)量提供了新的途徑。綜上所述，應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)來監(jiān)測黑麥草、高羊茅、草地早熟禾等禾草單播草坪的色澤、外觀質(zhì)量及營養(yǎng)狀況確實(shí)可行，但高光譜遙感是否能用于馬蹄金草坪草等雙子葉草本植物營養(yǎng)狀況的監(jiān)測，目前報(bào)道較少。以馬蹄金為供試材料，研究不同施氮水平馬蹄金草坪草光合色素含量和反射光譜特征的變化，分析馬蹄金草坪高光譜反射率與光合色素含量的相關(guān)性，構(gòu)建馬蹄金草坪草光合色素含量的高光譜監(jiān)測模型，指導(dǎo)馬蹄金草坪的肥料管理，以期促進(jìn)高光譜遙感技術(shù)在草坪營養(yǎng)狀況監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)草坪基地的溫室大棚進(jìn)行，試驗(yàn)材料為普通馬蹄金，土壤為基地采集的酸性紅壤，pH 6.7，有機(jī)質(zhì)1.74%，有效氮116.67 mg/kg，速效磷33.11 mg/kg，速效鉀65.2 mg/kg。2011年8月將馬蹄金播種于口徑為22 cm，高20 cm的花盆中，播種量為20 g/m2(折合每盆播量為0.242 g)。正常培養(yǎng)成坪后，于2012年4月8日進(jìn)行施肥處理，肥料種類為尿素，含N 46.4%，施氮量設(shè)計(jì)4個(gè)水平，即N10、N24、N38、N412 g/m2(折合每盆中施氮量為0、0.152、0.304、0.456 g)，施肥方法為將肥料溶于100 mL水中進(jìn)行葉面噴施，每處理10次重復(fù)。4月18日施肥10 d后，天氣晴朗、無風(fēng)進(jìn)行光譜反射率的測定，同步取樣測定葉綠素含量。

1.2 指標(biāo)測定

1.2.1 光譜反射率(R)的測定 采用美國Ocean公

司的HR2000光譜儀(波長200～1 100 nm，分辨率約為1 nm)進(jìn)行測定，時(shí)間為10∶00～13∶00。測定時(shí)固定光譜儀探頭垂直向下，探頭距離草坪10 cm，每處理測量值為10次，平均值作為該處理的光譜反射值。測量時(shí)及時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白板校正。

1.2.2 光合色素含量的測定 對應(yīng)觀測馬蹄金冠層高光譜的葉片，隨機(jī)剪切葉片0.1 g，按照丙酮∶無水乙醇∶蒸餾水=4.5∶4.5∶1.0的混合液提取葉片色素，測量D663 nm，D646 nm和D470 nm的值，然后計(jì)算葉綠素和類胡蘿卜素含量[17]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮水平對馬蹄金草坪光合色素含量的影響

與未施氮相比，施氮4，8和12 g/m2后馬蹄金草坪的葉綠素及類胡蘿卜素含量均顯著增加(P<0.05)。且隨著施氮量增加，馬蹄金草坪的葉綠素和類胡蘿卜素含量不斷增加。施氮量由4 g/m2增加到8 g/m2，馬蹄金草坪的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜色素、總?cè)~綠素含量無顯著增加；施氮量由8 g/m2增加到12 g/m2，馬蹄金草坪的葉綠素b和類胡蘿卜色素含量顯著增加(P<0.05)，葉綠素a和總?cè)~綠素含量無顯著增加。

表1 不同施氮水平下馬蹄金光合色素含量

注：同列中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 施氮水平對馬蹄金草坪冠層光譜反射率的影響

在綠光510～570 nm時(shí)，不同施氮水平馬蹄金草坪的冠層光譜反射率差異較大，尤其在綠峰550 nm處反射率差異尤其明顯，綠峰處不施氮時(shí)馬蹄金草坪的冠層反射率最大，達(dá)10.74，隨著施氮量的增加，綠峰處馬蹄金草坪的冠層光譜反射率逐漸降低，當(dāng)施氮量增加到12 g/m2時(shí)，馬蹄金草坪的冠層光譜反射率下降為7.59%。

2.3 馬蹄金草坪光合色素含量與冠層光譜反射率的相關(guān)關(guān)系

將不同施氮水平下馬蹄金草坪光和色素含量與綠波段510～570 nm光譜反射率分別進(jìn)行相關(guān)分析(表2)。結(jié)果表明，馬蹄金草坪光合色素含量與綠波段草坪冠層光譜反射率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，以570 nm處相關(guān)性最高，達(dá)顯著水平(P<0.05)。比較馬蹄金草坪各光合色素含量與綠波段510～570 nm時(shí)，冠層光譜反射率的相關(guān)系數(shù)大小可以發(fā)現(xiàn)，葉綠素b與光譜反射率之間的相關(guān)性達(dá)顯著相關(guān)水平(P<0.05)，高于葉綠素a、類胡籮卜素及總?cè)~綠素含量與光譜反射率之間的相關(guān)性。

表2 馬蹄金草坪光合色素含量與光譜反射率的相關(guān)性分析

注：*為0.05 水平顯著相關(guān)；**為 0.01 水平極顯著相關(guān)

圖1 不同施氮水平馬蹄金草坪冠層光譜反射率 Fig.1 Effects of nitrogen levels on spectral reflection rate of canopy

2.4 馬蹄金草坪光合色素含量的高光譜反演模型

圖3 馬蹄金草坪葉綠素b含量與R570 nm之間的相關(guān)性Fig.3 Relationship between Chlb and R570 nm of Dichondra repens

圖4 馬蹄金草坪類胡蘿卜素含量與R570 nm之間的相關(guān)性Fig.4 Relationship between Cars and R570 nm of Dichondra repens

圖5 馬蹄金草坪總?cè)~綠素含量與R570 nm之間的相關(guān)性Fig.5 Relationship between Chls and R570 nm of Dichondra repens

在570 nm處馬蹄金草坪光合色素含量與光譜反射率具有較好的線性回歸關(guān)系，利用光譜反射率的變化來反演光合色素含量的變化可以達(dá)到較好的擬合效果(R2達(dá)0.85以上，P<0.01)。并且以葉綠素b和光譜反射率的擬合效果最好，擬合系數(shù)達(dá)0.923 5。

3 討論與結(jié)論

(1)植物光合色素含量是植物生長和營養(yǎng)狀況的指標(biāo)器，同時(shí)與氮素之間具有較高的相關(guān)性[18]。試驗(yàn)結(jié)果表明，馬蹄金草坪光合色素含量和光譜反射率對施氮反映敏感，隨著施氮量的增加，馬蹄金草坪葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素含量增加，葉片顏色變深，進(jìn)而導(dǎo)致可見光區(qū)光譜反射率降低。馬蹄金草坪在綠波段510～570 nm的光譜反射率與光和色素含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，以綠波段570 nm處的反射率(R570 nm)與光合色素含量相關(guān)性最高，利用R570 nm的變化來反演其光合色素含量的變化可以達(dá)到較好的擬合效果(R2達(dá)0.85以上，P<0.01)，表明高光譜遙感技術(shù)可以用來監(jiān)測馬蹄金草坪的生長和營養(yǎng)狀況。

(2)草坪是覆蓋度較高，低矮、致密、整齊、均一的人工植被，土壤背景、枯葉等因素對其影響較小，研究高光譜遙感技術(shù)在草坪上的應(yīng)用比天然植被、農(nóng)作物具有更高的精確度[14]。但試驗(yàn)所用材料馬蹄金為暖季型C3植物，無論從形態(tài)、生長習(xí)性上都與其他廣泛使用的禾本科草坪草建植的草坪有較大的差別[19,20]，所以，對于以禾本科草坪草建植的草坪，其營養(yǎng)狀況的高光譜監(jiān)測模型有待進(jìn)一步研究。另外，在紅外長波范圍，馬蹄金草坪光譜反射率與光合色素含量間的相關(guān)性還待進(jìn)一步研究。

(3)高光譜技術(shù)操作簡單、結(jié)果可靠，與NTEP法和實(shí)測法(分光光度法)等評價(jià)草坪顏色的方法相比，可節(jié)省人力、物力，避免人為因素的影響，并且可以用在大面積草坪營養(yǎng)狀況和外觀質(zhì)量的評價(jià)上[17]。此次試驗(yàn)結(jié)果為利用高光譜遙感技術(shù)快速的、有效的、無損傷的探測馬蹄金草坪的營養(yǎng)狀況提供了理論支持和數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。

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