小麥植株水分狀況遙感監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展與展望

史 博，馬祖凱，劉小軍，田永超，朱 艷，曹衛(wèi)星，曹 強(qiáng)

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家信息農(nóng)業(yè)工程技術(shù)中心/智慧農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)作物系統(tǒng)分析與決策重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省信息農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/現(xiàn)代作物生產(chǎn)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210095)

我國(guó)農(nóng)業(yè)用水占全國(guó)用水總量的70%左右，但每年仍會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的旱災(zāi)，受旱面積少則 2 000多萬(wàn)hm，多則可達(dá)4 000多萬(wàn)hm，糧食減產(chǎn)數(shù)百萬(wàn)噸到幾千萬(wàn)噸，直接導(dǎo)致上百億元的經(jīng)濟(jì)損失。小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要糧食作物之一，小麥高產(chǎn)對(duì)國(guó)家糧食安全至關(guān)重要。在水資源短缺的嚴(yán)峻形勢(shì)下，如何高效利用水分確保小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)是我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

在小麥的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，水分是影響其生理生長(zhǎng)、光合作用和產(chǎn)量的主要因素之一，及時(shí)監(jiān)測(cè)和管理水分信息是保證小麥優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關(guān)鍵。目前，我國(guó)應(yīng)用在小麥水分上的技術(shù)還比較落后，主要是依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)植株水分狀況進(jìn)行判斷，或者利用一些便攜式儀器對(duì)植株水分進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些方法效率低，工作量大，并且不能及時(shí)準(zhǔn)確地反映作物水分信息。而遙感技術(shù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，快速高效地獲取大范圍作物的水分信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的精確灌溉。因此，利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)小麥植株水分狀況是未來(lái)提高農(nóng)業(yè)水分管理的重要途徑，也是現(xiàn)代化精確農(nóng)業(yè)需要研究的重要內(nèi)容。

1 小麥植株水分監(jiān)測(cè)方法

水分占植株組成成分的80%～90%以上，其含量的高低對(duì)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)至關(guān)重要。植物水分的吸收、運(yùn)輸和散失是一個(gè)土壤-植株-大氣組成的循環(huán)系統(tǒng)(圖1)，因此可以從土壤、植株和大氣多個(gè)角度進(jìn)行水分的監(jiān)測(cè)診斷。傳統(tǒng)的小麥植株水分監(jiān)測(cè)診斷方法主要是對(duì)植株的形態(tài)與生理指標(biāo)進(jìn)行間接觀測(cè)。隨著科技的發(fā)展，科研人員不斷探索出一些更加便捷高效的現(xiàn)代水分監(jiān)測(cè)方法(如光譜監(jiān)測(cè)、圖像監(jiān)測(cè)和信息融合等)，能夠大范圍對(duì)小麥水分信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效的采集。

圖1 土壤-植株-大氣水分循環(huán)示意圖

1.1 傳統(tǒng)方法

1.1.1 基于植株形態(tài)指標(biāo)

小麥對(duì)水分非常敏感，當(dāng)其受到水分脅迫時(shí)植株形態(tài)發(fā)生明顯改變，主要表現(xiàn)有：(1)干旱脅迫會(huì)減弱植株光合作用，影響其生長(zhǎng)發(fā)育，最終導(dǎo)致株高降低；(2)干旱脅迫引起小麥葉面積減??；(3)干旱脅迫條件下小麥葉片形態(tài)會(huì)發(fā)生變化，如葉片萎蔫，葉夾角降低，葉形系數(shù)和葉片卷曲度則明顯升高；(4)干旱脅迫會(huì)影響葉綠素的合成和降解，使其含量降低，進(jìn)而改變?nèi)~片顏色。

形態(tài)指標(biāo)能直觀反映植株水分狀況，但依據(jù)此類指標(biāo)只能對(duì)植株水分進(jìn)行粗略的判斷，且具有滯后性，對(duì)于農(nóng)業(yè)水分精確管理指導(dǎo)意義不大。除此之外，觀察者之間不同的判斷標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)以及不同生育時(shí)期變化指標(biāo)的不同，都會(huì)導(dǎo)致極大的結(jié)果差異。因此，通過(guò)植株形態(tài)指標(biāo)對(duì)小麥進(jìn)行水分監(jiān)測(cè)和診斷并不能起到很好的指導(dǎo)效果。

1.1.2 基于植株生理指標(biāo)

葉片是植物受到水分脅迫時(shí)生理變化最敏感的部位，當(dāng)作物處于缺水狀態(tài)時(shí)，葉片的一些生理指標(biāo)會(huì)發(fā)生變化，如含水量減少、水勢(shì)降低、光合作用減弱等。在水分脅迫條件下，小麥為了適應(yīng)干旱環(huán)境，體內(nèi)水分存在形式及比例會(huì)發(fā)生改變，葉片自由水減少，束縛水增加。這些生理指標(biāo)的改變?yōu)楸O(jiān)測(cè)小麥植株水分狀況的變化提供了 依據(jù)。

凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等光合生理指標(biāo)是監(jiān)測(cè)作物水分的常用指標(biāo)。當(dāng)受到干旱脅迫時(shí)，作物水分利用效率改變，并且通過(guò)控制葉片氣孔的孔徑甚至關(guān)閉氣孔來(lái)限制水分損失，隨著水分虧缺程度的加劇，植株的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均呈下降趨勢(shì)。拔節(jié)期的輕度干旱有助于冬小麥改善植株冠層結(jié)構(gòu)，保持開(kāi)花后冠層更高的光合能力。葉片水勢(shì)是調(diào)節(jié)植株細(xì)胞水分的關(guān)鍵因素，在診斷植株水分時(shí)應(yīng)用廣泛。對(duì)土壤-植物-大氣連續(xù)體中的水分循環(huán)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，葉水勢(shì)會(huì)受到土壤水分和大氣水分的影響，在水分虧缺時(shí)葉片水勢(shì)會(huì)明顯降低，葉片水勢(shì)較高的植株生長(zhǎng)狀況較好。

基于生理指標(biāo)對(duì)作物的水分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要對(duì)大量的樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，會(huì)對(duì)植被造成破壞，且處理過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，獲取的信息也存在嚴(yán)重滯后性，因此不利于在大田生產(chǎn)中進(jìn)行推廣。

1.2 遙感監(jiān)測(cè)

由于物質(zhì)具有光譜特性，不同物體在不同波段呈現(xiàn)出不同的反射特征和吸收特征，使得遙感監(jiān)測(cè)在水分監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用成為可能。當(dāng)植株處于干旱脅迫條件下，葉片的形態(tài)指標(biāo)、生理指標(biāo)、組織結(jié)構(gòu)等都會(huì)發(fā)生改變，從而引起相應(yīng)的反射光譜曲線表現(xiàn)出不同的特征變化。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)小麥植株水分狀況方面開(kāi)展了大量研究，為小麥水分管理提供了更好的方法和途徑。與傳統(tǒng)方法相比，遙感技術(shù)具有獲取信息手段多、探測(cè)范圍廣、信息量大等特點(diǎn)。

1.2.1 可見(jiàn)光-反射紅外遙感監(jiān)測(cè)

作物光譜特性受到水分含量的影響主要有兩方面原因：在400～1 300 nm，水分含量變化會(huì)引起葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，從而影響該波段反射率；在 1 300～2 500 nm，水分含量會(huì)影響輻射的直接吸收，進(jìn)而影響反射率。葉片含水量降低時(shí)紅外光譜反射率增加，且1 450和1 930 nm波段光譜對(duì)葉片含水量變化反應(yīng)敏感。也有學(xué)者認(rèn)為，690、740及950～970 nm波段的冠層光譜均可很好地反映植株水分狀況。基于多/高光譜遙感構(gòu)建的歸一化差值水分指數(shù)(NDWI)、簡(jiǎn)單比值水分指數(shù)(SRWI)、水分脅迫指數(shù)(MSI)等光譜指數(shù)，建立的相應(yīng)水分監(jiān)測(cè)模型可用于對(duì)作物植株水分狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)對(duì)小麥進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在1 450 nm附近葉片含水量與光譜反射率強(qiáng)吸收特征表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，對(duì)不同的葉位水分與光譜反射率和其一階導(dǎo)數(shù)所構(gòu)建的植被指數(shù)均表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。

基于可見(jiàn)光-反射紅外遙感光譜監(jiān)測(cè)小麥水分狀況具有無(wú)損、實(shí)時(shí)、精確性高等優(yōu)點(diǎn)，但受環(huán)境條件影響較大，儀器設(shè)備成本較高，且研究結(jié)論不盡相同，普適性較差。目前對(duì)作物水分指標(biāo)與光譜指數(shù)間的定量關(guān)系及分析方法已進(jìn)行了較多研究，但對(duì)于水分脅迫下植株結(jié)構(gòu)和生理方面的變化與反射光譜的相關(guān)機(jī)理性研究還比較少。

1.2.2 熱紅外遙感監(jiān)測(cè)

利用熱紅外遙感監(jiān)測(cè)小麥植株水分狀況十分便捷、高效，通過(guò)葉片或冠層溫度反演作物含水量具有較好的適用性，該方法在國(guó)外的應(yīng)用相對(duì)成熟，而國(guó)內(nèi)相關(guān)研究開(kāi)展較晚。熱紅外遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)從最初的手持式熱紅外計(jì)、手持式熱紅外成像儀，到現(xiàn)在的無(wú)人機(jī)熱紅外成像測(cè)溫儀以及星載熱紅外遙感技術(shù)，信息的獲取經(jīng)歷了由“點(diǎn)”到“面”的發(fā)展，使研究更加趨于全面和嚴(yán)謹(jǐn)。研究初期，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們主要利用手持式熱紅外測(cè)溫儀探究了冠層溫度與作物水分狀況的關(guān)系，基于點(diǎn)狀測(cè)溫方式進(jìn)行了大量研究。2004年，Jones等開(kāi)始將熱紅外影像技術(shù)應(yīng)用在作物水分的相關(guān)研究中。近年來(lái)無(wú)人機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，因其具有成本低、輕巧方便的特點(diǎn)，使得基于無(wú)人機(jī)熱紅外遙感監(jiān)測(cè)植株水分狀況成為熱點(diǎn)。姚志華等基于無(wú)人機(jī)采集不同水分處理下的冬小麥熱紅外圖像來(lái)反演作物水分脅迫狀況具有較好效果。基于冠層溫度來(lái)監(jiān)測(cè)小麥植株水分已經(jīng)構(gòu)建了多種植被指數(shù)。Han等新建了作物冠層水分含量指標(biāo)CTSD(冠層溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差)來(lái)預(yù)測(cè)作物水分狀況，表現(xiàn)出很好的準(zhǔn)確性。

通過(guò)熱紅外遙感對(duì)小麥水分狀況進(jìn)行診斷具有測(cè)定速度快、操作簡(jiǎn)單、無(wú)損和多時(shí)相連續(xù)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，能很好地應(yīng)用于大范圍的小麥水分監(jiān)測(cè)。但該技術(shù)易受天氣和周圍環(huán)境等影響，另外基于無(wú)人機(jī)熱紅外傳感器的空間分辨率不高，因而針對(duì)熱紅外技術(shù)的儀器開(kāi)發(fā)和理論基礎(chǔ)的研究仍需進(jìn)一步加深。

2 基于遙感技術(shù)的小麥植株水分診斷指標(biāo)

基于遙感技術(shù)，研究者不斷對(duì)診斷指標(biāo)進(jìn)行豐富和完善，使其能夠更加高效、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)不同生態(tài)條件下小麥植株水分狀況。表1中列出了幾種常用診斷指標(biāo)及其優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 溫 度

作物溫度受到土壤-植株-大氣連續(xù)體內(nèi)的水氣流和熱量影響，與該系統(tǒng)中能量的吸收和釋放相關(guān)。作物冠層把吸收的太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為熱能，使葉片溫度上升，蒸騰作用又使葉面溫度下降。當(dāng)受到干旱脅迫時(shí)，蒸騰作用減弱，作物葉片溫度升高，因而冠層溫度與植株水分狀況緊密相關(guān)。通過(guò)紅外裝置監(jiān)測(cè)作物溫度用來(lái)診斷小麥植株水分狀況，具有簡(jiǎn)便、快速和適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)方法由手持式紅外輻射儀擴(kuò)展到航空和衛(wèi)星遙感平臺(tái)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)也由葉片溫度向冠層溫度優(yōu)化。

學(xué)者們基于冠層溫度進(jìn)行了大量研究并建立了多種水分指標(biāo)，其中有代表性的指標(biāo)主要有脅迫積溫SDD(stree degree day)、溫度脅迫日TSD(temperature stress day)等。目前基于冠層溫度、葉片溫度、冠氣溫差和葉氣溫差與作物產(chǎn)量、土壤水分和各項(xiàng)生理指標(biāo)的關(guān)系展開(kāi)了大量研究。有研究人員分析了小麥不同葉位葉片的葉氣溫差和不同角度的冠氣溫差與水分狀況的關(guān)系，明確了冠氣溫度指標(biāo)與水分狀況的變化規(guī)律及其定量關(guān)系。邊江利用無(wú)人機(jī)遙感基于冠層溫度構(gòu)建了作物水分狀況的診斷模型和水分脅迫指數(shù)。

表1 小麥植株水分診斷指標(biāo)Table 1 Wheat moisture diagnostic indicators

目前基于冠層溫度來(lái)診斷小麥植株水分狀況的研究較零散，結(jié)果差異性較大，且缺少系統(tǒng)的、公認(rèn)的應(yīng)用型研究成果。此外，氣象因素對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果有很大影響，因而如何解決氣象因子的干擾也是需要關(guān)注的問(wèn)題。另外，單靠溫度指標(biāo)來(lái)監(jiān)測(cè)小麥植株水分狀況的精度較低，需綜合考慮其他環(huán)境指標(biāo)來(lái)建立普適性好、精確度高又具有機(jī)理性的水分監(jiān)測(cè)模型。

2.2 冠層含水率

冠層含水率CWC(canopy water content)既能反映植株葉片的水分狀況，又具有作物群體水分特征，是水分脅迫和植株長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)。基于冠層光譜反射率獲取的信息具有實(shí)時(shí)、無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)豐富的光譜參數(shù)和光譜波段信息使其對(duì)植株水分的估測(cè)更加精準(zhǔn)。前人通過(guò)研究得出CWC的最優(yōu)敏感波段位于1 458 nm的中心波段附近。1999年P(guān)enuelas J等構(gòu)建了用于預(yù)測(cè)葉片、植株和冠層含水量的光譜指數(shù)WI/NDVI。多項(xiàng)研究均發(fā)現(xiàn)在近紅外波段范圍內(nèi)，隨著水分含量的上升，冠層反射率降低。隨著冬小麥生育進(jìn)度的推進(jìn)，冠層光譜反射率會(huì)逐漸降低；當(dāng)增加灌水量時(shí)CWC會(huì)逐漸上升，在達(dá)到一定程度時(shí)，CWC便開(kāi)始降低。Tarin等發(fā)現(xiàn)，用成像光譜法監(jiān)測(cè)CWC的變化是確定物種對(duì)氣候事件和長(zhǎng)期變化反應(yīng)的有力方法，可為大規(guī)模空間尺度的政策決策和保護(hù)提供支持。

利用手持式傳感器雖然能夠?qū)WC進(jìn)行無(wú)損、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，但獲取信息量較小且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而衛(wèi)星平臺(tái)具有高時(shí)間分辨率的特點(diǎn)，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)CWC在技術(shù)上更具優(yōu)勢(shì)，也是未來(lái)監(jiān)測(cè)作物冠層含水率的發(fā)展方向。

2.3 植株含水率

植株含水率PWC(plant water content)是診斷作物水分虧缺的優(yōu)良指標(biāo)，對(duì)監(jiān)測(cè)作物水分狀況和指導(dǎo)農(nóng)田灌溉具有重要意義。傳統(tǒng)方法主要通過(guò)破壞性取樣對(duì)植株含水量進(jìn)行測(cè)定，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的需求。而基于無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星平臺(tái)的遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)PWC具有高效、省時(shí)、省力的特點(diǎn)，逐漸成為研究熱點(diǎn)，并取得一定進(jìn)展。

不同學(xué)者在對(duì)PWC的研究中建立了多種監(jiān)測(cè)模型，如利用MSI、WI和NDVI等建立的監(jiān)測(cè)模型都表現(xiàn)出比較高的精度。Das等通過(guò)對(duì)不同小麥品種相對(duì)含水量與光譜數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，結(jié)果表明最優(yōu)光譜指數(shù)分別為NDSI(,)和RSI(,)。在遙感監(jiān)測(cè)方面，通過(guò)利用無(wú)人機(jī)搭載多/高光譜相機(jī)，在快速高效地獲取圖像信息的同時(shí)，也解決了衛(wèi)星平臺(tái)易受天氣影響和周期性的缺點(diǎn)，通過(guò)獲取的圖像信息建立最優(yōu)模型，用來(lái)反演作物PWC。前人構(gòu)建了較多適用于PWC估算的光譜指數(shù)，但對(duì)光譜參數(shù)的優(yōu)化還需進(jìn)一步探究。

2.4 葉片等效水厚度

葉片等效水厚度LEWT(leaf equivalent water thickness)包含了作物含水量和葉面積等指標(biāo)信息，能夠直觀地反映出作物的含水量和其生長(zhǎng)發(fā)育狀況。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在估算植被等效水厚度方面開(kāi)展了大量研究，主要有三類估算方法：基于PROSPECT輻射傳輸模型的反演法、基于多種智能算法的反演方式和高光譜指數(shù)法。

研究者在利用光譜指數(shù)對(duì)葉片含水量進(jìn)行反演時(shí)發(fā)現(xiàn)，EWT也具有較好的反演精度。在對(duì)冬小麥的研究發(fā)現(xiàn)，用NDWI估算EWT效果較好。在小麥生長(zhǎng)后期，與葉片相對(duì)水分含量相比，EWT能夠更好地反映出小麥的水分狀況。同時(shí)，有學(xué)者認(rèn)為應(yīng)該以小麥開(kāi)花期為界限，對(duì)小麥開(kāi)花前后的LEWT獨(dú)立建模，可以更大程度提高模型的估測(cè)能力。劉良云等通過(guò)對(duì)Beer定律進(jìn)行結(jié)合，利用945和975 nm葉片反射率差值，在單葉尺度構(gòu)建EWT和REWT遙感反演的機(jī)理模型。Yilmaz等通過(guò)對(duì)多種植物進(jìn)行研究表明，歸一化紅外指數(shù)(NDII)對(duì)EWT表現(xiàn)出很好的反演效果，而且兩者具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

前人在研究光譜指數(shù)和LEWT的定量關(guān)系時(shí)構(gòu)建了幾種經(jīng)典的水分光譜指數(shù)(如WI、MSI、NDII等)，這些水分光譜指數(shù)多數(shù)是反映葉片或植株含水率等傳統(tǒng)水分指標(biāo)信息，當(dāng)對(duì)小麥的LEWT進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)在不同品種上或地區(qū)往往有一定的局限性。其主要原因可能是地區(qū)生態(tài)條件和品種類型帶來(lái)的差異性，因此不同水分光譜指數(shù)的精確度和穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步提高。

2.5 作物水分脅迫指數(shù)

作物水分脅迫指數(shù)CWSI(crop water stress index)是利用冠層溫度來(lái)監(jiān)測(cè)作物水分狀況的指標(biāo)，其數(shù)值在0～1之間，數(shù)值越大；水分虧缺越嚴(yán)重。1981年Idso等首先提出了CWSI經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停S后Jackson建立了CWSI理論模型，與理論法相比，經(jīng)驗(yàn)法中冠層溫度、空氣溫度和相對(duì)濕度這些參數(shù)更易獲取，所以在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)驗(yàn)法更加廣泛。國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了基于冠層溫度的CWSI對(duì)作物指標(biāo)的研究，結(jié)果表明，CWSI與光合作用、植株水勢(shì)、土壤基質(zhì)勢(shì)、土壤含水量等密切相關(guān)?？到B忠等指出可以利用CWSI作為干旱脅迫和水分灌溉的指標(biāo)，并明確了冬小麥在不同生育時(shí)期的CWSI臨界值。郭子卿基于冠氣溫差構(gòu)建了CWSI經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停野l(fā)現(xiàn)CWSI與植株含水率和葉層含水率都呈負(fù)相關(guān)，可以有效地對(duì)小麥進(jìn)行水分脅迫狀況的監(jiān)測(cè)，用于指導(dǎo)農(nóng)田灌溉和產(chǎn)量估測(cè)。

CWSI雖然可以有效評(píng)估小麥水分脅迫狀態(tài)，但是CWSI需在全覆蓋條件下使用，適用時(shí)間有限，且計(jì)算所需要的參數(shù)較多，影響應(yīng)用效果。同時(shí)，測(cè)量時(shí)間、天氣條件、種植方式和品種等都會(huì)影響CWSI的閾值設(shè)定，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥水分脅迫診斷的定量分析。

2.6 作物水分虧缺指數(shù)

作物水分虧缺指數(shù)CWDI(crop water deficit index)通過(guò)將土壤水分與植物吸收水分的能力聯(lián)系起來(lái)，考慮了水分平衡及其需水特性，能較全面地反映作物水分狀況。同時(shí)，CWDI彌補(bǔ)了CWSI的一些缺點(diǎn)，CWDI不需要獲取冠層溫度，適合低覆蓋度的作物生產(chǎn)條件。有學(xué)者基于衛(wèi)星遙感反演的WDI和潛在蒸散量相結(jié)合，估算實(shí)際蒸散量。有研究發(fā)現(xiàn)，除極端脅迫條件外，隨著植物水分虧缺指數(shù)閾值的增加，灌水次數(shù)、灌水量以及作物蒸騰、生長(zhǎng)和產(chǎn)量均受到顯著限制，而水分利用效率會(huì)顯著增加。利用CWDI還可以對(duì)作物的干旱時(shí)空特征在不同生育時(shí)期和某地多年的表現(xiàn)進(jìn)行分析，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

雖然CWDI的假設(shè)條件較多，對(duì)作物灌水后的響應(yīng)有一定的滯后性，但CWDI對(duì)植被的覆蓋度沒(méi)有要求，這為其在大范圍監(jiān)測(cè)小麥植株水分狀況提供了可能性。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，CWDI的應(yīng)用也得到不斷提升，使其未來(lái)在水分診斷指標(biāo)中更具有優(yōu)勢(shì)和潛力。

3 存在問(wèn)題與展望

3.1 存在問(wèn)題

與傳統(tǒng)診斷方法相比，基于遙感技術(shù)的小麥植株水分監(jiān)測(cè)診斷方法具有實(shí)時(shí)、無(wú)損、精準(zhǔn)等特點(diǎn)，能夠快速獲取大范圍的作物信息，為小麥進(jìn)行精確灌溉提供科學(xué)的依據(jù)。但隨著研究的深入和應(yīng)用需求的增加，在發(fā)展過(guò)程中也同樣存在一些不足。(1)作物的水分變化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，當(dāng)前多數(shù)研究?jī)H利用某一時(shí)間獲取的信息來(lái)判斷小麥植株水分狀況，具有一定的滯后性。對(duì)于融合遙感與其他多元數(shù)據(jù)對(duì)小麥植株水分進(jìn)行監(jiān)測(cè)的研究還不完善，系統(tǒng)性較差，在多元信息融合方面的研究有待加強(qiáng)。(2)基于不同平臺(tái)所獲取的遙感數(shù)據(jù)，由于不同數(shù)據(jù)源的時(shí)空尺度差異限制了數(shù)據(jù)的綜合利用，并且遙感數(shù)據(jù)的不確定性也影響了數(shù)據(jù)的使用。(3)傳統(tǒng)的遙感數(shù)據(jù)在某些方面(如作物識(shí)別、水分估測(cè)等)不能夠滿足當(dāng)前的使用目的和應(yīng)用需求，獲取數(shù)據(jù)后的處理方法十分復(fù)雜且耗時(shí)，需要一定的專業(yè)知識(shí)和技能，不利于該技術(shù)的推廣使用。(4)對(duì)小麥需水生理過(guò)程和調(diào)控機(jī)理研究不夠深入，不能滿足精確農(nóng)業(yè)的定量化管理需求，需加強(qiáng)與現(xiàn)代化技術(shù)的融合。

3.2 展 望

隨著未來(lái)水資源的短缺、平均氣溫的上升以及用水需求的加劇，作物生育期中的干旱脅迫現(xiàn)象將會(huì)更加頻繁。通過(guò)開(kāi)展小麥植株水分狀況的監(jiān)測(cè)研究，及時(shí)獲取作物水分狀況，有利于指導(dǎo)小麥得到科學(xué)精確的灌溉，在節(jié)約水資源的同時(shí)，獲得更好的產(chǎn)量和品質(zhì)。傳統(tǒng)的水分監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是依賴于土壤水分、氣候數(shù)據(jù)和植物生理指標(biāo)來(lái)評(píng)估水分脅迫，這些方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、監(jiān)測(cè)范圍小并且不利于推廣。隨著遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的開(kāi)展，為自動(dòng)、非破壞性、快速高效監(jiān)測(cè)作物水分狀況創(chuàng)造了條件，多數(shù)研究也證實(shí)了其在小麥植株水分狀況方面所存在的巨大應(yīng)用潛力。

(1)加強(qiáng)多元信息融合，建立新型水分診斷指標(biāo)。研究表明，遙感參數(shù)(例如NDVI)與氣孔導(dǎo)度、葉片水勢(shì)和葉面積指數(shù)等指標(biāo)之間顯著相關(guān)，說(shuō)明利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)小麥植株水分狀況監(jiān)測(cè)是可行的，但在精度不足情況下單個(gè)指標(biāo)難以用來(lái)估測(cè)作物水分狀況。此外，對(duì)于小麥植株水分狀況的監(jiān)測(cè)方法和診斷指標(biāo)種類繁多，大多數(shù)研究成果只是把某一指標(biāo)單獨(dú)孤立進(jìn)行研究,很少考慮指標(biāo)間的綜合效應(yīng)對(duì)作物水分狀況的影響，今后需將小麥遙感信息與土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和表型信息等進(jìn)行融合，構(gòu)建更準(zhǔn)確、全面的綜合型診斷指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥植株水分狀況的早期預(yù)警，為田間灌溉管理及時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)。

(2)綜合利用星-機(jī)-地一體化工作體系，發(fā)展數(shù)據(jù)同化技術(shù)?；诓煌脚_(tái)和傳感器所獲取的數(shù)據(jù)源會(huì)存在差異問(wèn)題，雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多尺度遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，但綜合應(yīng)用尚未完全實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，遙感數(shù)據(jù)的不確定性(如易受天氣、云層遮擋等影響)也是一項(xiàng)問(wèn)題，發(fā)展數(shù)據(jù)同化技術(shù)對(duì)提高遙感數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用性和定量估測(cè)十分重要。今后，應(yīng)該完善星-機(jī)-地一體化工作體系，加強(qiáng)遙感在水分監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

(3)優(yōu)化遙感數(shù)據(jù)處理方法，建立自動(dòng)化處理流程?；诓煌脚_(tái)所獲取的數(shù)據(jù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)的可用性為在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。但獲取數(shù)據(jù)后的處理仍然是一個(gè)非常耗時(shí)的步驟，需要專業(yè)軟件和遙感方面的基礎(chǔ)知識(shí)，在遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)作為農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的常用工具應(yīng)用之前，這個(gè)過(guò)程必須在很大程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。同時(shí)，加強(qiáng)在軟件開(kāi)發(fā)和管理系統(tǒng)方面的提升，發(fā)展出一個(gè)實(shí)時(shí)、方便的管理系統(tǒng)，以增強(qiáng)使用者做出適當(dāng)決策的能力和應(yīng)用需求。

(4)深入研究小麥需水生理過(guò)程和調(diào)控機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)代化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化水分管理。作物的水分變化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要基于土壤-植物-大氣系統(tǒng)進(jìn)行更加深入的研究，開(kāi)展在土壤水分運(yùn)輸、植株生長(zhǎng)發(fā)育和作物耗水等過(guò)程的綜合分析，掌握小麥在不同生育期需水特性和生理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)作物需水過(guò)程的多要素協(xié)同調(diào)控。此外，要考慮多時(shí)空尺度的水分監(jiān)測(cè)，將農(nóng)業(yè)水分監(jiān)測(cè)由定性描述向定量描述過(guò)渡，結(jié)合人工智能等現(xiàn)代技術(shù)，向自動(dòng)化、智能化水分管理發(fā)展，為小麥精準(zhǔn)水分管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。