不同生育期棉花葉片對干旱脅迫的光譜響應(yīng)研究

羅霄玉 王家強(qiáng)

摘要 試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)灌水量梯度，分別測量蕾期、花期、鈴期的棉花葉片在325～1 075 nm處的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜響應(yīng)研究。結(jié)果表明，不同生育期干旱脅迫下的棉花葉片光譜特征與常規(guī)灌溉有較大差異。蕾期和鈴期，常規(guī)灌溉棉花葉片的近紅外的反射率大于水分脅迫處理，花期常規(guī)灌溉小于水分脅迫處理；而在綠峰位置處，蕾期和花期常規(guī)灌溉棉花葉片的反射率大于水分脅迫處理。因此，干旱脅迫與常規(guī)灌溉棉花葉片在不同生育期部分光譜參數(shù)和植被指數(shù)有顯著差異，可以通過不同的光譜參數(shù)與植被指數(shù)區(qū)分不同生育期發(fā)生干旱脅迫的棉花植株，為棉田水分管理提高科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞 棉花；干旱脅迫；光譜特征

中圖分類號 S532 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）11-0040-04

Spectral response of cotton leaves at different growth stages to drought stress

LUO Xiaoyu ? WANG Jiaqiang*

（College of Agriculture， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract Two irrigation gradients were set up to measure the spectral data of cotton leaves at 325-1 075 nm at bud stage， flowering stage and boll stage respectively. The results indicated that the spectral characteristics of cotton leaves under drought stress at different growth stages were different from those under conventional irrigation. At bud and boll stages， the near-infrared reflectance of cotton leaves under conventional irrigation was higher than that under water stress， while that under conventional irrigation was lower than that under water stress. In the green peak position， the reflectance of cotton leaves under conventional irrigation at bud and flowering stage was higher than that under water stress. Therefore， some spectral parameters and vegetation indices of cotton leaves under drought stress and conventional irrigation are significantly different at different growth stages. The cotton plants under drought stress at different growth stages can be distinguished by different spectral parameters and vegetation indices， which can provide scientific reference for improving water management in cotton fields.

Keywords cotton; drought stress; spectral features

棉花是中國乃至全世界重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，然而干旱災(zāi)害天氣的頻繁出現(xiàn)，給我國棉花生產(chǎn)帶來了極大的影響，因此確定合理的灌溉量具有重要的研究意義[1]。目前，基于植物光譜特性的監(jiān)測技術(shù)使作物水分診斷得到愈來愈廣泛的應(yīng)用[2]。干旱脅迫下棉花葉片不同生育期的生理學(xué)指標(biāo)會發(fā)生變化，因此棉花葉片各生育期的光譜特征也會發(fā)生改變。本研究通過水分試驗(yàn)，獲取棉花葉片的光譜反射率，分析光譜變換、光譜位置參數(shù)及植被指數(shù)的變化特征，從而為棉花水分及養(yǎng)分的大面積遙感監(jiān)測提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與預(yù)處理

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)為中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所水平衡試驗(yàn)站（新疆阿拉爾市），本研究設(shè)置2個(gè)灌水量梯度，分別為20、33 m3/hm2，每個(gè)處理2個(gè)重復(fù)，一共設(shè)置4個(gè)小區(qū)。對于樣本數(shù)據(jù)的采集和處理，本試驗(yàn)對選擇棉花的3個(gè)生育期進(jìn)行測定，分別為蕾期、花期、鈴期。苗期過后，從蕾期開始，分別對5個(gè)處理采用上述不同的2個(gè)含水量進(jìn)行灌溉并采集樣本以及數(shù)據(jù)測定。

1.2 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用ASD FieldSpec Hand Held 2便攜式地物光譜儀測定在325～1 075 nm內(nèi)棉花葉片的光譜反射率，光譜分辨率為1 nm。每個(gè)點(diǎn)測定10株棉花葉片的光譜反射率，取平均值作為1個(gè)點(diǎn)的平均反射率，每塊地可獲取30條光譜反射率曲線數(shù)據(jù)。對原始數(shù)據(jù)降噪后，根據(jù)Origin制圖得出其變換值（一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)、倒數(shù)、對數(shù)），參考光譜位置參數(shù)，分析光譜位置參數(shù)的變化特征。

1.3 植被指數(shù)

植被指數(shù)是依據(jù)植被的特性，選擇恰當(dāng)?shù)牟ǘ芜M(jìn)行組合運(yùn)算，能對植被進(jìn)行簡單有效的度量[3]。本研究需要涉及9種植被指數(shù)類型，分別是歸一化光譜反射指數(shù)、光譜反射指數(shù)、植株氮素光譜指數(shù)、生理反射指數(shù)、熒光比值指數(shù)、比值指數(shù)、雙倍差異指數(shù)、修正的比值指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)葉綠素指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分處理棉花葉片的光譜曲線特征

為了研究不同干旱脅迫下棉花葉片反射光譜的特征，測定蕾期、花期、鈴期的棉花葉片光譜反射率，獲得的光譜反射率范圍在325～1 075 nm，但由于外界因素的影響，光譜曲線在波段325～350 nm以及900～1 075 nm處的波動性較大，不利于光譜特征的分析，故將該波段予以剔除。將350～900 nm的光譜數(shù)據(jù)使用The Unscrambler軟件進(jìn)行平滑降噪，分析棉花葉片反射率的變化特征。

由圖1可知，在不同時(shí)期，不同含水量下棉花葉片的光譜曲線特征在其他波段存在著很大的差異。波長360～440 nm及680～1 075 nm下，同一時(shí)期不同含水量的棉花葉片反射率差異大，蕾期，常規(guī)水分的反射率大于水分脅迫。在花期，常規(guī)水分棉花的光譜反射率大于水分脅迫，在紅谷處，不同時(shí)期不同處理的棉花葉片反射率存在著較大的差異，水分脅迫下棉花在蕾期和鈴期的葉片反射率大于常規(guī)水分。

植被的原始光譜曲線不能完全突出植被的光譜特征，對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，能在一定程度上放大植物光譜的細(xì)節(jié)信息[4]。

由圖2可知，經(jīng)過一階、二階導(dǎo)數(shù)變換后的光譜曲線變化較為一致。蕾期水分脅迫的棉花葉片光譜在570 nm處出現(xiàn)最小值-0.045，在波長710 nm處常規(guī)水分處理出現(xiàn)最大值0.012。3個(gè)生育期不同水分下棉花葉片光譜在可見光波段525、715 nm處都有反射峰出現(xiàn)，但是蕾期水分脅迫下的光譜在可見光波段內(nèi)，尤其蕾期常規(guī)水分處理在波長710 nm附近的紅邊位置的反射峰比其他生育期高。對數(shù)變換后能波長800 nm附近的峰谷與原始光譜相比有所減弱，而其他波段的特征與原始光譜近乎一致。倒數(shù)變換后，鈴期水分脅迫處理的棉花葉片光譜在紅谷的反射率值最大，其他生育期棉花葉片光譜紅谷的反射率值較小。

2.2 光譜位置參數(shù)變化特征

本研究分析了2種灌溉處理的棉花葉片光譜位置參數(shù)，分析常規(guī)水分與水分脅迫下棉花葉片的光譜特征。

由表1可知，蕾期水分脅迫棉花葉片的Db、Dy、Ho比常規(guī)水分處理的顯著增大（P<0.01），而λy、Dr、Rg顯著減?。≒<0.01）；花期水分脅迫棉花葉片的Db、Dy比常規(guī)水分處理的顯著增大（P<0.01），而Ho顯著減?。≒<0.01）；鈴期水分脅迫棉花葉片的Dy比常規(guī)水分處理的顯著增大（P<0.01），而Db、Dr 顯著減?。≒<0.01）。因此，可以在不同生育期通過光譜位置參數(shù)來判斷棉花是否發(fā)生了水分脅迫。

2.3 植被指數(shù)變化特征

植被指數(shù)是2個(gè)或者多個(gè)波長范圍內(nèi)反射率值的線性或者非線性組合[5-7]，其目的是增強(qiáng)植被某一特性或細(xì)節(jié)，在一定條件下可以定量說明植被的生長狀況[8-9]。

由表2可知，在蕾期常規(guī)水分和水分脅迫的棉花mND705差異極顯著（P<0.01），ND（483，503）、PRI、Carter2、NPCI差異顯著（P<0.05）；在花期常規(guī)水分和水分脅迫的棉花ND（770，713）、SR、FRI2、Carter1、Carter2、Carter4、Carter5、Datt、Maccioni、NPCI差異極顯著（P<0.01），ND（483，503）、PRI、Carter3、DD、mND705差異顯著（P<0.05）；在鈴期常規(guī)水分和水分脅迫的棉花ND（483，503）、PRI、Carter2、Carter3差異極顯著（P<0.01），ND（770，713）、SR（723，770）、FRI2、Carter4、DD、Gite/son、NPCI差異顯著（P<0.05）；因此，在不同生育期，也可以通過不同植被指數(shù)的差異來區(qū)分干旱脅迫的棉花。

3 小結(jié)

（1）在蕾期和鈴期，常規(guī)灌溉棉花葉片的近紅外的反射率大于水分脅迫處理，花期常規(guī)灌溉小于水分脅迫處理；在綠峰位置處，蕾期和花期常規(guī)灌溉棉花葉片的反射率大于水分脅迫處理，而在鈴期則是相反。

（2）一階導(dǎo)數(shù)處理后，蕾期常規(guī)水分處理在波長710 nm附近的紅邊位置的反射峰比其他生育期高，倒數(shù)變換后，鈴期水分脅迫處理的棉花葉片光譜在紅谷的反射率值最大。

（3）在不同生育期，常規(guī)灌溉的棉花葉片與水分脅迫相比光譜位置參數(shù)和植被指數(shù)都有不同程度的變化，可以用差異顯著的指標(biāo)來判斷棉花是否發(fā)生了水分脅迫。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)編：王 菁）