不同氮處理春玉米葉片光譜反射率與葉片全氮和葉綠素含量的相關(guān)研..doc

1、中國農(nóng)業(yè)科學(xué) 2005,38(11):2268-2276 Scientia Agricultura Sinica 不同氮處理春玉米葉片光譜反射率與葉片全氮和葉綠素含量的相關(guān)研究王 磊，白由路（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 /農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與養(yǎng)分循環(huán)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）摘要：采用盆栽試驗(yàn)研究了不同氮營養(yǎng)水平下的春玉米葉片葉綠素和全氮含量與葉片光譜反射率的相關(guān)性。結(jié)果表明，拔節(jié)期和喇叭口期是玉米氮素光譜營養(yǎng)診斷的敏感時(shí)期；利用綠峰處葉片最大光譜反射率反演玉米葉片氮素含量和葉綠素含量的精度為：喇叭口期拔節(jié)期開花吐絲期；不同生育時(shí)期診斷玉米葉片氮素含量和葉綠素含量時(shí)所采用的光

2、譜波段也不同，拔節(jié)期和喇叭口期采用可見光波段的光譜反射率可靠性較高，而開花吐絲期采用近紅外波段的光譜反射率可靠性較高；兩波段組合光譜變量對葉片葉綠素和全氮含量的判別精度高于單一波段的判別精度。關(guān)鍵詞：玉米；氮素；葉綠素；光譜反射率Correlation Between Corn Leaf Spectral Reflectance andLeaf Total Nitrogen and Chlorophyll ContentUnder Different Nitrogen LevelWANG Lei ，BAI You-lu（ Institute of Agricultural Resources

3、and Regional Planning, Chinese Academy ofAgricultural Sciences/ Key Laboratory of PlantNutrition and Nutrient Cycling, Ministry of Agriculture, Beijing 100081 ） Abstract: The correlation between the corn leaf chlorophyll content, total nitrogen content, moisture content and leaf spectral reflectance

4、 was studied in a patted experiment under different N treatments. Results showed that shooting stage and trumpet stage were sensitive stages for diagnosis of nitrogen in corn. The precision of inferring leaf nitrogen and chlorophyll concentration by leaves maximal spectral reflectance at green waveb

5、and was: trumpet stage > shooting stage > anthesis-silking stage. Different wavebands should be chosed for diagnosis of corn leaf nitrogen and chlorophyll concentration in different development stages. It was proved that the reliability of using visible spectral reflectance was preferable than

6、 other wavebands at shooting stage and trumpet, but near infrared spectral reflectance was more reliable at anthesis-silking stage. The combination spectra variables of two wave bands were better than single wave band to estimate the content of leaf total nitrogen and chlorophyll.Key words: Corn (Ze

7、a mays L.)； Nitrogen； Chlorophyll ；Spectral reflectance氮素營養(yǎng)是作物生產(chǎn)中重要的考慮因素之一，合理適時(shí)的氮肥管理是作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的管理措施之一。因而及時(shí)了解作物的營養(yǎng)狀況，進(jìn)行合理的施肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有極其重要的地位。但是傳統(tǒng)的植物離體化學(xué)分析方法已不能滿足作物高效生產(chǎn)管理的需要，尤其是在不同生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ降木珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中，它顯的更為遜色。隨著遙感和高光譜技術(shù)的發(fā)展，各種傳感器應(yīng)運(yùn)而生，植物的遙感光譜監(jiān)測技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了長足的發(fā)展，尤其在地塊邊界劃定，作物長勢監(jiān)測、鑒別分類 1 和估產(chǎn)方面 2,3 取得了一些成果。 高光譜技術(shù)在作物

8、監(jiān)測上的潛力也很大，它是有收稿日期： 2005-04-11基金項(xiàng)目：上海市科技興農(nóng)重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目（農(nóng)科攻字 (2001)第 2-8 號(hào)）資助作者簡介：王 磊（ 1978-），男，河南原陽人，博士研究生，主要從事植物營養(yǎng)光譜診斷研究。 Tel:E-mail: lwang。白由路為通訊作者， Tel:E-mail: ylbai11 期 王 磊等：不同氮處理春玉米葉片光譜反射率與葉片全氮和葉綠素含量的相關(guān)研究 2269光譜范圍廣（ 4002 500 nm）、波段多（ 5121 024 個(gè)）、光譜分辨率高（ 3 nm）、數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)，可以用來監(jiān)測

9、作物葉片和冠層的生化組分的狀況和變化。但它作為成熟的技術(shù)應(yīng)用到作物遙感監(jiān)測上之前，首先要進(jìn)行地面模擬和測試，確定傳感器測量光譜范圍、波段設(shè)置（波段數(shù)、寬度、位置）和評(píng)價(jià)遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用潛力。本文的目的就在于此。許多學(xué)者利用寬波段光譜和高光譜技術(shù)對玉米的生物物理和化學(xué)參數(shù)作了大量研究。 Walburg 等 4 在玉米上研究表明，近紅外光譜反射率（ 760900 nm）與紅光光譜反射率（ 630690 nm）的比值比單一波段的光譜反射率能更好地區(qū)分氮的不同處理。 Ma 等5 研究表明，在玉米開花期前，光譜反射率能很好的預(yù)測谷物產(chǎn)量，并且可以指明氮的豐缺程度。 Osborne等6 用光譜診斷玉米氮磷營

10、養(yǎng)時(shí)指出，植物體內(nèi)氮含量的預(yù)測應(yīng)在紅光和綠光波段，但具體波段隨生育期的不同而改變。吳長山等 7 提出利用玉米群體的反射光譜數(shù)據(jù)能很好地反映葉片葉綠素密度的信息。程一松等8譜響應(yīng)，并建立了相關(guān)估測模型。但就利用某單一葉片光譜反射率對玉米整個(gè)生育期進(jìn)行監(jiān)測，找出診斷氮素營養(yǎng)狀況的敏感時(shí)期并沒有做一揭示；而且對葉片全氮和葉綠素含量與整個(gè)生育期某單一葉片光譜反射率的相關(guān)性未做系統(tǒng)的研究。因此，本文從建立遙感與農(nóng)學(xué)鏈接模型的需求出發(fā)，考察了春玉米在整個(gè)生育期葉綠素和氮素的消長和變化規(guī)律，分析了在不同光譜波段與光譜反射率的相關(guān)關(guān)系，以期為建立更加適用的遙感監(jiān)測模型提供依據(jù)。1 材料與方法1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試

11、驗(yàn)于 2004 年 49 月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院進(jìn)行。采用盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每盆裝土12kg（風(fēng)干土），供試土壤為潮土，其基本肥力見表 1（采用土壤養(yǎng)分狀況。供試品種為農(nóng)大 108。試驗(yàn)設(shè) 5 系統(tǒng)研究法 11 測試）個(gè)施肥處理： N1：不施氮； N2：施氮 225 kg ·ha-1；N3：施氮 450 kg ·ha-1； N4：施氮 675 kg ·ha-1；N5：施氮 900 kg ·ha-1，使之表現(xiàn)為嚴(yán)重缺氮、缺氮、適量氮、過量氮、嚴(yán)重過量氮。總氮肥的 60%作基肥、 15%在拔節(jié)前期施入、 25%作穗粒肥施入。水分管理按常規(guī)進(jìn)行，設(shè) 3 次重復(fù)。分別在

12、玉米的拔節(jié)期、喇叭口期、開花吐絲期和成熟期進(jìn)行葉片光譜測定，并剪下對應(yīng)葉片測定葉綠素和氮素含量。研究了養(yǎng)分脅迫下的夏玉米葉片反射光譜和一階導(dǎo)數(shù)光譜數(shù)據(jù)與其葉綠素濃度的關(guān)系。唐延林等 9 研究指出玉米的 “紅邊 ”參數(shù)（紅邊位置、紅邊振幅、紅邊面積）與葉面積指數(shù)、生物量、鮮葉重、葉綠素含量和類胡蘿卜素含量存在顯著的相關(guān)關(guān)系。譚昌偉等10探討了夏玉米葉片全氮、葉綠素及葉面積指數(shù)的光表 1 供試土壤基本肥力Table 1 The basic fertility of experimental soilpH OM(g ·kg-1)AA (cmol ·L-1) N (mg·

13、L-1)P (mg ·L-1) K (mg ·L-1) Ca (mg ·L-1) Mg (mg·L-1) S (mg ·L-1)B (mg ·L-1) Cu (mg ·L-1) FeMn Zn(mg·L-1) (mg L·-1)(mg ·L-1)7.9 12.0 0.00 24.8 18.3 43.5 2950.6 279.6 48.7 4.08 3.8 28.4 4.3 2.51.2 光譜測定和數(shù)據(jù)預(yù)處理采用美國 ASD 公司生產(chǎn)的 FieldSpec光譜儀進(jìn)行測定。選擇晴朗無風(fēng)天氣，北京時(shí)間

14、為 10:3014:00 太陽高度角變化不大的時(shí)間段進(jìn)行，探頭視場角為 25°，波段范圍為 350 2 500 nm，光譜分辨率在 700 nm 時(shí)為 3 nm，在 1 400 nm 及 2 100 nm 時(shí)為 10 nm。拔節(jié)期和喇叭口期選擇第 6 片葉，開花吐絲期和成熟期選擇第12 片葉（穗位葉），測定其 DN 值，探頭離葉片的距離視葉片大小而定，保證探頭的視野范圍落在葉片上，并移動(dòng)探頭連續(xù)測定 20 次（各處理測定前后立即測定參考板校正），去除最大值和最小值，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)板反射率校正后取平均值作為該葉片的光譜反射率。為了減小數(shù)據(jù)的冗余度，筆者將所得到的光譜數(shù)據(jù)作預(yù)處理。因?yàn)?501

15、000 nm光譜分辨率為 3 nm，抽樣間隔是 1.4 nm；10002 500 nm 光譜分辨率為 10 nm，抽樣間隔是 2 nm，所以將全波段光譜數(shù)據(jù)每 5 個(gè)波段數(shù)據(jù)作平均，得到波段寬為 10 nm（抽樣間隔 2 nm×5）的 215 個(gè)光譜波段數(shù)據(jù)。 1.3 生化組分測定葉綠素含量測定采用分光光度法，取測完光譜的葉片，用脫脂棉擦拭干凈，去除主脈和兩頭部分，剪碎，混勻，稱 0.2 g 左右，用 99%丙酮和 95%乙醇 11 混合液定容 50 ml，每個(gè)樣品 3 個(gè)重復(fù)。將定容好的容量瓶置于黑暗處，每天搖動(dòng)1次，約 7 d 后葉片完全變白，分別在663、645 nm 處比色，

16、記錄吸光度（ OD）值。計(jì)算公式為：2270中國農(nóng)業(yè)科學(xué)38卷CA=12.7OD663-2.59OD645 CB=22.9 OD645-4.67OD663 CA+B=20.3 OD645+8.04OD663式中， CA、 CB 分別為葉綠素 a 和 b 的濃度； CA+B 為葉植物葉片在可見光區(qū)域有強(qiáng)烈的輻射能量吸收和較低的反射主要是由于葉綠素的存在，在近紅外區(qū)域有相對高的反射率是由于葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)多次散射的結(jié)果，在紅外區(qū)域（ 1 300 nm 以后）又有較低的光譜吸收是綠素 a和 b 的總濃度，單位為 mg·L-1 由于水的存在 12 。筆者把可見光波段的葉片光譜反射C×V

17、 率提取出來，以探明不同氮素營養(yǎng)水平下春玉米不同 -1 葉綠素含量（ mg·g） =生育時(shí)期在可見光波段葉片光譜反射率的差異。如圖式中， C：葉綠素濃度（ mg·L-1 ）； V ：提取液總體積W× 1 0001 所示，在可見光波段，其葉片光譜反射率在整個(gè)生（ ml）； W：葉片鮮重（ g）。 育期保持先上升后下降趨勢，在 550 nm 左右處形成反用凱氏葉片全氮的測定，先用H2SO4-H2O2 消煮，法測定。射峰，只是在反射強(qiáng)度上有所差別。隨著施氮量的增加，其光譜反射率逐漸下降，在拔節(jié)期和大喇叭口期尤為明顯（圖1-A 和圖 1-B），這可能與葉片中葉綠素含量的增

18、加有關(guān)。而拔節(jié)期和大喇叭口期是玉米一生中吸收養(yǎng)分最快、最多的時(shí)期，也是玉米追肥的主要時(shí)期，這也是玉米生理需肥規(guī)律在光譜上的反應(yīng)。在開花吐絲期，不施氮處理的葉片光譜反射率比其它施2 結(jié)果與分析2.1 不同氮營養(yǎng)水平下春玉米葉片在可見光波段光譜反射率的特征差異早在 20 世紀(jì) 60、70 年代就有學(xué)者證明，典型的11 期 王 磊等：不同氮處理春玉米葉片光譜反射率與葉片全氮和葉綠素含量的相關(guān)研究 2271氮處理的光譜反射率都高，而其它4 個(gè)處理的葉片光譜的反射強(qiáng)度基本相同（圖1-C）。原因可能是由于玉米在開花吐絲期，生殖生長勝于營養(yǎng)生長，體內(nèi)養(yǎng)分過多的供給生殖生長，葉片內(nèi)葉綠素含量穩(wěn)定所致。而不施氮

19、處理的葉片內(nèi)葉綠素含量較低導(dǎo)致光譜反射率比其它施氮處理的光譜反射率要高。如圖 1-D 所示，成熟期不施氮處理的葉片光譜沒有明顯的反射峰，在反射波形上與其它處理明顯不同，可能是由于營養(yǎng)極其匱乏，但反射率顯著下降的原因尚不清楚。其它施氮處理又表現(xiàn)為隨施氮量增加，反射率下降，而這時(shí)在反射梯度上明顯縮小?？赡苁怯捎谥仓晁ダ系木壒省＞C上所述，玉米在拔節(jié)期和喇叭口期葉片在可見關(guān)波段的光譜反射率隨著施氮量的增加而顯著減小。在玉米營養(yǎng)學(xué)上，拔節(jié)期和喇叭口期是養(yǎng)分利用最大效率期。因此，利用光譜進(jìn)行玉米氮素營養(yǎng)診斷時(shí)，拔節(jié)期和喇叭口期是光譜診斷的敏感時(shí)期。 2.2 不同氮營養(yǎng)水平下春玉米葉片葉綠素含量與葉片全氮的

20、相關(guān)性表 2 不同施氮量玉米葉片葉綠素含量與葉片全氮相關(guān)性分析Blackmer 和 McMutrey 等研究表明，氮素在葉片上的光譜反射率的顯著差別主要表現(xiàn)在 550600 nm 波段上 13,14 ，而這些顯著差別跟葉片中葉綠素含量是緊密相關(guān)的。因此，本文表 2 分析了不同施氮量處理下，春玉米在不同生育期葉片葉綠素含量與葉片全氮含量的相關(guān)關(guān)系。除成熟期以外，拔節(jié)期、喇叭口期和開花吐絲期玉米隨著施氮量的增加，葉片葉綠素含量和葉片氮含量在同步增長，二者擬合方程為線形方程，擬合度分別為 0.9872、0.9882 和 0.8863；并且在拔節(jié)期和喇叭口期二者關(guān)系達(dá)到極顯著水平，相關(guān)系數(shù)分別為 0.

21、9936（P=0.0007）和0.9941（ P =0.0005）；在開花吐絲期二者相關(guān)性達(dá)顯著水平，相關(guān)系數(shù)為0.9414（P =0.0173）。但在成熟期，隨著施氮量的增加，葉片含氮量是增加的，而葉綠素含量是先增加后下降的趨勢，二者并非線性相關(guān)。其原因尚不清楚。由此可見，葉片全氮含量與葉綠素含量在喇叭口期達(dá)到最大相關(guān)，而后相關(guān)性明顯較弱，其相關(guān)性呈單峰曲線變化。Table 2 Correlation analysis between leaves chlorophyll content and total nitrogen content under different treaments

22、拔節(jié)期 Shooting stage Chl (a+b) (mgg-1 FW)·N cortent (%, DW)喇叭口期 Trumpet stage Chl (a+b) (mgg-1 FW)·N (%, DW) 0.74開花吐絲期 Anthesis-silking stage Chl (a+b) (mg g-1 FW)·0.53 N content (%, DW) 0.58成熟期 Dough stageChl (a+b)(mg·g-1 FW) 0.71N content(%, DW) 0.97N1 1.57 1.05 1.12N2 1.83 1.21

23、1.74 1.09 0.62 1.14 1.58 0.99 N3 2.40 1.62 1.62 1.65 2.67 1.68 3.13 1.47 N4 2.52 1.72 3.04 1.78 2.94 1.75 2.60 1.64 N5方程 Equation 擬合度 (R) Determine coefficient 相關(guān)系數(shù) (R) Correlation coefficient P0.00070.0005 0.0173 -*, * 分別表示相關(guān)達(dá) P<0.05和 P<0.01顯著水平。下同*, * Significance at P<0.05 and P<0.01

24、levels, respectively. The same as below 0.9936*0.9941* 0.9414*-23.28 0.98722.492.93 1.82 3.32 1.91 2.65 1.84 y=0.5771x+0.1025y=0.3843x+0.638 非線性 Nonlineary=0.8379x-0.3220.9882 0.8863 -2.3 不同氮營養(yǎng)水平下春玉米葉片葉綠素含量與綠光葉片光譜反射率最大值的相關(guān)分析分析了春玉米在不同施氮水平下，在可見光 560 nm 左右處葉片光譜反射率最大時(shí)與葉綠素含量的相關(guān)性。結(jié)果顯示（表 3），不同施氮量下，玉米在整個(gè)生育期

25、綠峰處的光譜反射率與葉綠素含量呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，隨著生育期的推遲相關(guān)性先增強(qiáng)，在喇叭口期相關(guān)性達(dá)到最強(qiáng)，而后在開花吐絲期和成熟期迅速下降。在拔節(jié)期和大喇叭口期分別達(dá)到了顯著和極顯著水平，相關(guān)系數(shù)分別為 -0.9169 和-0.9774。而在開花吐絲期二者相關(guān)程度沒達(dá)到顯著水平，但也表現(xiàn)出一定的線性關(guān)系；在成熟期該波段處的葉片反射率與葉片葉綠素含量不呈線性關(guān)系，可能是由于葉片內(nèi)細(xì)胞死亡，葉片表面顏色不均一導(dǎo)致的。不同的施氮量處2272中國農(nóng)業(yè)科學(xué)38卷理下，使得玉米葉片內(nèi)葉綠素含量有所差別，外觀上葉片顏色的深淺不一，從而在綠光波段光譜反射率也不同。拔節(jié)期和喇叭口期是玉米施肥的關(guān)鍵時(shí)期，在這兩個(gè)時(shí)

26、期葉綠素含量和光譜反射率表現(xiàn)出顯著和極顯著的相關(guān)關(guān)系。表 3 不同施氮量玉米葉片葉綠素含量與葉片光譜反射率相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between leaves chlorophyll content and leaf spectralreflectance under different N treatments拔節(jié)期 Shooting stage反射率 Reflectance (%)N1 N2N3 N5 方程 Equation 擬合度 (R) Determine coefficient 相關(guān)系數(shù) (R) Correlation coefficien

27、t P0.0284 0.00410.2605-0.9169* -0.9774* -0.9774*-2Chl (a+b)喇叭口期 Trumpet stage反射率 Reflectance (%)Chl (a+b)開花吐絲期 Anthesis-silking stage 反射率 Reflectance (%)1.7412.10.62 Chl (a+b)成熟期 Dough stage反射率 Reflectance (%)Chl (a+b)20.5 1.57 27.7 1.12 17.41.8319.615.6 2.40 14.6 2.58 13.30.84143.2813.7 0.85532.931

28、7.3 0.53 13.9 0.7116.51.5812.2 2.67 15.6 3.13 12.0 0.39103.3212.8 -2.65N4 14.7 2.52 11.6 3.04 12.3 2.94 13.2 2.60y=5.7349-0.2116xy=4.4546-0.1243xy=6.8022-0.3622x非線性 Nonlinear2.4 不同氮營養(yǎng)水平下春玉米葉片全氮含量與綠光葉片光譜反射率最大值的相關(guān)分析上文分析表明，在不同氮營養(yǎng)水平下，拔節(jié)期和喇叭口期葉片全氮含量與葉綠素含量表現(xiàn)出極顯著的相關(guān)關(guān)系；葉綠素含量和綠峰處葉片光譜反射率的也表現(xiàn)出顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系。因此，筆者

29、繼續(xù)分析了葉片全氮含量與綠峰處葉片最大光譜反射率的關(guān)系（表4）。結(jié)果表明，在喇叭口期葉片光譜反射率與葉片氮含量二者達(dá)極顯著（ P =0.0063）的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，擬合度為0.9404，相關(guān)系數(shù)為-0.9697；在拔節(jié)期和開花吐絲期光譜反射率與氮含量二者并沒有達(dá)到顯著的相關(guān)關(guān)系，但二者也表現(xiàn)出較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.8693（P=0.0556）和 -0.8519（ P= 0.0669）。在成熟期，可能是由于測定的誤差，剔除掉N1 處理的數(shù)據(jù)，分析其他氮處理情況下光譜反射率與氮含量的相關(guān)性，結(jié)果顯示出較高的相關(guān)性。由此看出，喇叭口期綠峰處光譜反射率能很好的反映葉片全氮含量。拔節(jié)期和開花

30、吐絲期綠峰處葉片光譜反射率在一定程度上也能反映葉片全氮含量。2.5 不同氮營養(yǎng)水平下春玉米葉片葉綠素含量和全氮含量與葉片光譜反射率的相關(guān)分析為了進(jìn)一步探討葉片葉綠素含量Chl(a+b)和全氮含量 T(N)等農(nóng)學(xué)參數(shù)在可見光和近紅外波段（ 350 1 100 nm）葉片光譜反射率上的反映，進(jìn)行可見光和近紅外光譜區(qū)域（ 3501 100 nm）葉片光譜反射率與葉片葉綠素含量、全氮含量的相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)分別表示為R（Chl）和 R（N）。如圖 2 中 A 、B、 C、 D 所示，在玉米不同生育時(shí)期， Chl（a+b）和 T （N）與葉片光譜反射率在整個(gè)波段上的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)出不同的相關(guān)曲線，總的看來

31、， Chl（a+b）與葉片光譜反射率的相關(guān)曲線和 T（N）與葉片光譜反射率的相關(guān)曲線的趨勢極為相似，相關(guān)性完全一致，相關(guān)程度也幾乎一致，只是在某些波段上有些差別。在拔節(jié)期， T（N）、 Chl（a+b）在紫光波段二者與葉片光譜反射率呈正相關(guān)關(guān)系，在 408 nm 波段處相關(guān)系數(shù)分別為 0.73 和 0.76；在 450740 nm 波段， T （N）、 Chl（ a+b）與葉片光譜反射率呈負(fù)的相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)程度前者稍微弱于后者，相關(guān)性在 720 nm 左右達(dá)到最高，相關(guān)系數(shù)分別為 -0.88 和-0.92；但在750940 nm 波段，二者與葉片光譜反射率又表現(xiàn)出正的相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不強(qiáng)，

32、相關(guān)系數(shù)在 0.60 以下；在 967 nm 波段之后，二者與葉片光譜反射率相關(guān)性繼續(xù)減弱，但是呈負(fù)的相關(guān)關(guān)系。因此，拔節(jié)期，氮和葉綠素含量的指示波段。450 740 nm 波段可作為葉片11 期 王 磊等：不同氮處理春玉米葉片光譜反射率與葉片全氮和葉綠素含量的相關(guān)研究 2273 表 4 不同施氮量玉米葉片全氮含量與葉片光譜反射率相關(guān)性分析 Table 4 Correlation analysis between leaves total nitrogen content and leaf spectral reflectance under different N treatments拔節(jié)期

33、 Shooting stage R (%)N content喇叭口期 Trumpet stage R (%)N content開花吐絲期 Anthesis-silking stage R (%)N content成熟期 Dough stage R (%)N contentN1 20.5 1.05 27.7 0.74 17.3 0.58 - N2 17.4 1.21 19.6 1.09 12.1 1.14 16.6 0.99 N3 15.6 1.62 14.6 1.65 12.2 1.68 15.6 1.47 N4 14.7 1.72 11.6 1.78 12.3 1.75 13.2 1.64

34、N5方程 Equation 擬合度 (R2) Determine coefficient 相關(guān)系數(shù) (R) Correlation coefficient P 0.05560.00630.06690.0751-0.8693 -0.9697* -0.8519 -0.924913.32.4913.7 0.94041.8212.0 0.72431.9112.81.84y=4.3586-0.1696x 0.7600y=2.6709-0.0716xy=4.0716-0.2012xy=4.1662-0.1842x-2274中國農(nóng)業(yè)科學(xué)38卷與拔節(jié)期不同的是，喇叭口期T(N) 和 Chl（ a+b）與葉片光

35、譜反射率在3501100 nm 均表現(xiàn)負(fù)的相關(guān)關(guān)系。 T（N）、 Chl（a+b）與葉片光譜反射率的相關(guān)性在 350 730 nm 波段較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)分別在 -0.91 和-0.92 以上，最高達(dá) -0.97 和-0.98；其它波段相關(guān)性相對較弱。開花吐絲期 T（ N）和 Chl（ a+b）與葉片光譜反射率在 3501 100 nm 波段的相關(guān)性與前兩個(gè)時(shí)期明顯不同。在 510 720 nm 波段， T（N）、 Chl（ a+b）與葉片光譜反射率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，但 T(N) 與葉片光譜反射率的相關(guān)性比 Chl（a+b）與葉片光譜反射率的相關(guān)性強(qiáng)。而在其他波段均表現(xiàn)為極強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)最

36、高達(dá)到 0.98 和 1.00。成熟期這三個(gè)農(nóng)學(xué)參數(shù)與光譜反射率的關(guān)系與開花吐絲期基本相似， T（N）、Chl（a+b）與葉片光譜反射率的相關(guān)程度與開花吐絲期相比總體上減弱，相關(guān)系數(shù)最高為 0.87 和 0.88。同樣，在 520730 nm 波段，二者與葉片光譜反射率為負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性較開花吐絲期有所增強(qiáng)。 T（N）與葉片光譜反射率在 610 nm 處相關(guān)系數(shù)達(dá) -0.99， Chl（ a+b）與葉片光譜反射率在 660 nm 處相關(guān)系數(shù)達(dá) - 0.93。綜上所述，春玉米葉片氮素和葉綠素的光譜診斷波段在拔節(jié)期、喇叭口期、開花吐絲期和成熟期分別為450 740、350730、7601 10

37、0 和 7601 100 nm。這說明可見光波段適合于玉米生育前期的葉片氮素和葉綠素的光譜診斷，而后期的光譜診斷應(yīng)選用近紅外波段較為適宜。 2.6 光譜指數(shù)的建立經(jīng)過上述相關(guān)分析，考慮到可見光波段在實(shí)際應(yīng)用中的方便，本文選擇可見光范圍內(nèi)相關(guān)性較強(qiáng)的兩個(gè)波段，將這兩個(gè)波段的光譜反射率相加和取對數(shù)后相加，然后分別與葉片葉綠素含量和全氮含量建立函數(shù)關(guān)系（表 5）。結(jié)果表明，生育前期，在相同波段下葉片葉綠素含量和全氮含量與光譜反射率達(dá)到極顯著相關(guān)，而后期則表現(xiàn)為與光譜反射率達(dá)到較顯著相關(guān)。總的來講，葉片葉綠素含量和全氮含量與光譜反射率或其衍生變量存在冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系，并且方程擬合度在 0.870.

38、98 之間，表明存在較高的擬和關(guān)系。值得一提的是，兩個(gè)波段的光譜反射率取對數(shù)加和后，其與葉片葉綠素含量和全氮含量建立的方程擬合度比取對數(shù)前得到不同程度的增強(qiáng)。表明光譜反射率經(jīng)過對數(shù)處理后提高了對葉綠素和全氮含量的判別精度。這樣可以在玉米的不同生育時(shí)期，在獲取這些光譜變量后對其葉綠素和氮素營養(yǎng)狀況進(jìn)行估測。表 5 不同生育時(shí)期葉片葉綠素含量和全氮含量與光譜變量的函數(shù)關(guān)系Table 5 Functions of the spectra variables and leaf chlorophyll content and total nitrogen content生育時(shí)期 Development

39、stage光譜變量 Spectra variabbes葉綠素 /全氮Chlorophyll/Total nitrogen 葉綠素 Chlorophyll全氮 Total nitrogen 葉綠素 Chlorophyll 全氮 Total nitrogen 葉綠素 Chlorophyll 全氮 Total nitrogen 葉綠素 Chlorophyll 全氮 Total nitrogen 葉綠素 Chlorophyll 葉綠素 Chlorophyll 全氮 Total nitrogen 全氮 Total nitrogen 葉綠素 Chlorophyll 葉綠素 Chlorophyll 全氮 T

40、otal nitrogen 全氮 Total nitrogen方程 Equation y=4638.2x-2.2884y=9025.6x-6.0172y=759.65x-6.8471y=1170.6x-0.0293xy=8.9635e-0.0269xy=4.9812e-1.6515xy=186.46e-1.5064xy=79.049e0.802xy=0.0009e7.7569xy=6E-05e-2.3363y=2006.7x-5.979y=113.59x-0.3382xy=871.16e-7.1053xy=1E+06e-1.5486y=196.77x-1.819xy=71.916e-2.014

41、8擬合度Determine coefficient R2=0.9414R2=0.8951 R2=0.9477 R2=0.9044 R2=0.9835 R2=0.9642 R2=0.9764 R2=0.9513 R2=0.9525 R2=0.9731 R2=0.9123 R2=0.9156 R2=0.8873 R2=0.871 R2=0.966 R2=0.9697拔節(jié)期 R537+R717 Shooting stagelgR537+lgR717 喇叭口期 R557+R717 Trumpet stagelgR557+lgR717 開花吐絲期 R417+R677 Anthesis silking s

42、tage lgR417+lgR677 R582+R702 lgR582+lgR702 成熟期 R657+R687 Dough stage lgR657+lgR687R607+R697 lgR607+lgR6973 討論本文研究了春玉米整個(gè)生育期葉片葉綠素含量和葉片全氮含量的變化，并利用高光譜技術(shù)對其葉片的光譜反射率進(jìn)行了監(jiān)測，而且將這兩個(gè)農(nóng)學(xué)參數(shù)和光譜參數(shù)作了對應(yīng)分析。前人研究表明，植物葉片中的葉綠素的含量和植株體內(nèi)的氮素含量密切相關(guān)（尤其當(dāng)植株缺氮時(shí)） 15 19，本文研究結(jié)果與其基本一致，11 期 王 磊等：不同氮處理春玉米葉片光譜反射率與葉片全氮和葉綠素含量的相關(guān)研究 2275值得指出的

43、是在玉米整個(gè)生育期葉綠素和葉片氮含量的相關(guān)性呈單峰曲線變化，但在成熟期二者幾乎無相關(guān)性，可能是此時(shí)期葉片衰老，葉綠體解體的緣故。因此用葉綠素含量估算植株含氮量時(shí)應(yīng)注意植物的生育時(shí)期。本研究指出，春玉米葉片氮素和葉綠素的光譜診斷波段在拔節(jié)期、喇叭口期、開花吐絲期和成熟期分別為450 740、350730、 7601 100 和 7601 100 nm。這說明可見光波段適合于玉米生育前期的葉片氮素和葉綠素的光譜診斷；而后期的光譜診斷應(yīng)選用近紅外波段較為適宜。在玉米生育后期，尤其在開花吐絲期，近紅外波段葉片光譜反射率與葉片葉綠素和含氮量的相關(guān)性極強(qiáng)，而其中內(nèi)在機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。無論是單一波段還是

44、兩個(gè)波段組合的光譜變量，它們與葉綠素和全氮的擬和方程的擬合度在喇叭口期是最大的，這說明喇叭口期是春玉米葉綠素狀況和氮素營養(yǎng)的光譜響應(yīng)最為敏感的時(shí)期。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩波段組合的光譜變量（尤其在對數(shù)處理后）與葉綠素和全氮的擬和方程的擬合度比單一波段與之建立的方程的擬合度要大的多。說明多波段組合光譜變量更適合葉綠素和全氮含量的判別。這與 Daughtry20 和 Walburg4 等研究的結(jié)果是一致的。原因可能是單一波段光譜反射率容易被背景反射或者葉面積指數(shù)的變異所混淆干擾，因此，應(yīng)尋找對葉綠素和氮素敏感并且能使影響葉片或冠層反射的背景因素最小化的光譜指數(shù)來監(jiān)測葉片葉綠素和氮素狀況。需要指出的是，目前葉

45、片光譜大都采用積分球的方法測定，比較精確而本試驗(yàn)是采用探頭直接對準(zhǔn)葉片測定的，這樣會(huì)因背景不一致而易產(chǎn)生誤差；另外，光譜測定過程中受太陽輻射、氣溶膠、水蒸汽等環(huán)境因素的影響，因此本文結(jié)果需要進(jìn)一步驗(yàn)證和修正。量能夠指示作物的氮素營養(yǎng)狀況，并且在光譜維上有敏感波段。那么作物體內(nèi)其它營養(yǎng)元素的狀況，是否也與作物的代謝產(chǎn)物相對對應(yīng)，并且能在光譜維上找到與之對應(yīng)的敏感波段？是否可以利用這些敏感波段來監(jiān)測和診斷作物的營養(yǎng)狀況。這有待于進(jìn)一步研究。References1白由路，金繼運(yùn)，楊俐蘋，張寧，王 磊 . 低空遙感技術(shù)及其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用.土壤肥料， 2004, (1): 3-6.Bai Y L,

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52、上也是玉米氮素營養(yǎng)的敏感時(shí)期；同時(shí)也是利用可見光波段的葉片光譜反射率評(píng)價(jià)葉片氮和葉綠素狀況較為可靠的時(shí)期。顯然這是玉米生理需肥規(guī)律在光譜上的反映。研究表明在拔節(jié)期和大喇叭口期葉片葉綠素和全氮含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，利用綠峰處葉片最大光譜反射率反演葉綠素含量和全氮含量的精度均為：喇叭口期>拔節(jié)期 >開花吐絲期。由此表明，葉綠素含2276中國農(nóng)業(yè)科學(xué)38卷農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào) , 2003，22(3): 189-194.Tang Y L, Wang X Z, Wang R C. Study on the hyperspectral and their red edge characteris

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