不同氮肥條件下冬小麥冠層高光譜特征及紅邊參數(shù)變化

1、不同氮肥條件下冬小麥冠層高光譜特征及紅邊參數(shù) 變化近年來， 隨著高光譜遙感技術(shù)的不斷深入發(fā)展， 使得利用高 光譜波段之間的差異對(duì)農(nóng)作物特征進(jìn)行定量分析得以廣泛開展， 從而為快速、非破壞性診斷作物營(yíng)養(yǎng)狀況和大面積監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng) 勢(shì)、遙感估產(chǎn)等提供了重要的手段 1，2 。同一作物或不同作物 在不同的環(huán)境條件、 不同生育期及不同生產(chǎn)管理?xiàng)l件等因素下都 會(huì)表現(xiàn)出不同的光譜反射特性。 許多學(xué)者依據(jù)植被的這一光譜反 射特性做了大量的研究工作。 周學(xué)秋等 3 、朱雨杰等 4 利用小 麥不同生育期和不同灌溉條件的冠層反射光譜特征， 找出了最能 區(qū)分作物不同生育階段和最佳灌溉的波段。楊長(zhǎng)明等 5 對(duì)不同 株型水稻的

2、冠層光譜反射率進(jìn)行了研究， 結(jié)果表明， 其冠層光譜 反射率之間存在明顯差異， 并以藍(lán)波段最為明顯。 氮素作為作物 生命活動(dòng)中不可或缺的大量元素之一， 它的虧缺會(huì)對(duì)作物的代謝 過程造成影響。 關(guān)于氮素脅迫條件下的作物反射光譜的研究也較 多。唐延林等 6 、Shilayama 等7 研究了不同氮素水平下的水 稻高光譜反射特征， 結(jié)果表明， 缺氮和正常條件下的水稻光譜存 在明顯差異。 一些學(xué)者分析提取了氮素脅迫下的冬小麥高光譜特 征并研究了氮素脅迫下紅邊參數(shù)的變化規(guī)律及用 NIR 反射率來 診斷小麥葉片水分含量 8-12 。李映雪等 13 、 Filella 等 14 研究分析了不同氮素水平下的小麥

3、冠層高光譜紅邊特征， 結(jié)果表 明，紅邊參數(shù)與農(nóng)學(xué)參數(shù)之間存在較好的關(guān)系。劉芳等 15 、杜 建軍等 16 研究了施肥狀況對(duì)小麥植株含水量和光合生理特性 的影響，表明不同的施肥狀況會(huì)使小麥葉片水分利用效率發(fā)生變 化。上述研究主要集中于同一品種的作物在不同氮素條件下的冠 層反射光譜特征， 而對(duì)不同品種在不同生育期、 不同氮肥水平下 光譜反射特征研究甚少。本研究利用田間小區(qū)試驗(yàn)， 分析了 4 個(gè)品種的冬小麥在不同 生育期和不同氮素水平下的冠層高光譜反射率和紅邊參數(shù)變化 規(guī)律及紅邊參數(shù)與小麥農(nóng)學(xué)組分之間的關(guān)系， 以期為快速診斷作 物營(yíng)養(yǎng)狀況及監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)提供理論依據(jù)。1 材料與方法1.1 材料試驗(yàn)于2

4、0122013年在北京市小湯山精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地進(jìn)行，海拔高度36 m。前茬作物為小麥，土壤類型為潮土，底肥 施過磷酸鈣 510 kg/hm2 、硫酸鉀 150 kg/hm2 。供試小麥品種為 農(nóng)大 211( P1)、中麥 175(P2)、京 9843 ( P3)和中優(yōu) 206( P4)。1.2 方法1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè) 4 個(gè)氮肥處理，分別為 0 kg/hm2( N1)、 225 kg/hm2 ( N2)、 450 kg/hm2 (N3)、 900 kg/hm2(N4),分基肥和追肥各 50%施用。小區(qū)面積為10 mx 9 m,播 種行距15 cm。完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，2次重復(fù)，其他管理措施

5、同大田 管理。1.2.2 冠層高光譜測(cè)定 在小麥的拔節(jié)期、 孕穗期、 開花期、 灌漿期和乳熟期，采用美國(guó) ASD公司生產(chǎn)的Fieldspec -FRPro2500 型地物光譜儀測(cè)定不同處理小區(qū)冠層高光譜反射率，其視場(chǎng)角為25°,波段范圍為3502 500 nm ,間隔為1 nm。光 譜測(cè)量選擇在晴朗無云、風(fēng)力較小的天氣進(jìn)行，測(cè)定時(shí)間為10：0014：00，每個(gè)點(diǎn)測(cè) 10次，取其平均值作為該小區(qū)的高光譜 反射率。每次測(cè)量高光譜前后立即進(jìn)行參考板校正。1.2.3 樣品分析 在對(duì)應(yīng)測(cè)定高光譜的位置進(jìn)行破壞性取樣，取樣為2行，行長(zhǎng)1 m。將取好的冬小麥植株樣品放入密封的塑料袋中，以盡可能地避

6、免植株水分的流失。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將莖葉分離，分別稱其鮮重，在 105 C下殺青，然后將所有植株 樣品在80 C烘干24 h以上，直至恒重后再稱其干重。氮含量 采用凱氏定氮法測(cè)定，葉綠素含量采用酒精提取 -分光光度計(jì)測(cè) 定， LAI 采用 LAI2000 測(cè)定。葉片和植株含水量的計(jì)算公式為：LWC= (LFWC丄DV)C/LFWCX 100% ( 1)VWC=(VFWC-VDWCVFWC X 100% ( 2)式中，LFWC為樣品葉片的鮮重(g), LDW(為樣品葉片的干 重(g); VFW(為樣品植株的鮮重(g), VDW為樣品植株的干 重( g)。1.2.4 紅邊參數(shù)計(jì)算及處理 紅邊參數(shù)包括紅

7、邊位置 ( REP)、 紅谷位置( L0) 、紅邊寬度( Lwidth )、紅邊振幅和最小振幅、 紅邊振幅與最小振幅的比值、 紅邊峰值面積及綠峰位置。 為了簡(jiǎn)便地分析紅邊特征，利用倒高斯模型模擬小麥的紅邊特征 12 。 倒高斯模型可以很好地模擬植被地物在670780 nm的反射光譜，其定義如下：R （入）=Rs- （Rs-R0） exp （ 3）REP=L0+Lwidth （ 4）利用R0和Rs對(duì)紅邊處的光譜進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，然后在 670 780 nm范圍內(nèi)用最小二乘法估計(jì)模型參數(shù) REF和Lwidth。其對(duì) 數(shù)變換公式為：B （入）=- ln =a1 入 +a0 （5）式中，R0為葉綠素吸收谷

8、的冠層高光譜反射率；Rs為紅肩處（680780 nm范圍內(nèi)冠層高光譜反射率最大值處）的高光譜反射率； L0 是紅 谷位置；REP為紅邊位置；Lwidth為紅邊寬度，也即為紅邊位置 與紅谷位置之差。B （入）為小麥冠層紅邊光譜對(duì)數(shù)變換后的取 值，對(duì)B （入）和入進(jìn)行線性擬合，那么就得到公式（5）中a1 的和a0,則L0=- （6）Lwidth=- （ 7）紅邊振幅：當(dāng)波長(zhǎng)為紅邊時(shí)的一階微分值。最小振幅：波長(zhǎng) 680 750 nm 范圍的一階微分最小值。紅邊峰值面積：680750 nm范圍的光譜一階微分值所包圍 的面積。綠峰位置： 520 560 nm 范圍的光譜一階微分最大值。2 結(jié)果與分析2.

9、1 不同小麥品種冠層高光譜反射率差異 對(duì)正常施氮水平條件下的 2 次重復(fù)的 4 個(gè)品種進(jìn)行光譜分析 （圖 1）。不同小麥品種間冠層高光譜反射率存在差異，但是反 射率光譜曲線的基本走勢(shì)一樣， 只是表現(xiàn)為反射率不同。 在可見 光部分，中麥 175 的反射率最低；在近紅外區(qū)域表現(xiàn)為中優(yōu) 206 的冠層高光譜反射率最大， 2 次重復(fù)的結(jié)果均一致。各個(gè)品種間 的冠層高光譜反射率的差異可能是不同的株型和株高造成的。2.2 不同生育期小麥冠層高光譜反射率的變化規(guī)律4 個(gè)小麥品種在田間的長(zhǎng)勢(shì)有所不同，但是它們的冠層高光 譜反射率隨生育期的變化規(guī)律都一致。 這里以農(nóng)大 211 為例來分 析小麥冠層高光譜反射率隨

10、生育期的變化規(guī)律。從圖 2 可以看 出，小麥不同生育期的冠層高光譜反射率存在差異， 在近紅外部 分的差異明顯大于可見光部分。 從孕穗期到開花期， 可見光部分 的冠層高光譜反射率先升高再降低， 而在近紅外部分的冠層高光 譜反射率呈下降的趨勢(shì)， 近紅外波段以孕穗期冠層高光譜反射率 最高；到了灌漿期， 小麥冠層高光譜反射率在近紅外波段迅速下 降，而可見光部分的冠層高光譜反射率有所上升， 可能是隨著生 育期的推進(jìn)， 小麥葉片開始變黃， 導(dǎo)致在可見光部分的冠層高光 譜反射率上升； 到了小麥乳熟期， 其在可見光部分的冠層高光譜 有異于其他三個(gè)生育期，冠層高光譜反射率在綠光波段 550 nm 左右無反射峰出

11、現(xiàn)。2.3 不同氮肥條件下的小麥冠層高光譜反射特征 孕穗期是小麥高光譜遙感研究作物長(zhǎng)勢(shì)和養(yǎng)分診斷的最佳 時(shí)期，以農(nóng)大 211 孕穗期為例來分析在 4 個(gè)施氮水平條件下的小 麥冠層高光譜響應(yīng)。從圖 3a 可以看出，不同施氮量的冠層高光 譜響應(yīng)近紅外部分的差異明顯大于可見光部分， 尤其是在近紅外 波段的7501 250 nm反射率隨著氮肥水平的增加而升高。而在 可見光波段，無氮處理和其他三個(gè)施氮水平的反射率差異較大。 單獨(dú)對(duì)可見光部分（350650 nm）作圖（圖3b）分析可知，在 350650 nm 的可見光部分冠層高光譜反射率呈現(xiàn)單峰曲線，4種施氮水平下反射率最大均在 550 nm 附近，表現(xiàn)

12、出葉綠素的強(qiáng) 吸收特性。2.4 藍(lán)移和紅移現(xiàn)象分析 “綠峰”和“紅邊”是可見光波段植被的兩個(gè)主要光譜反射特征， 它們的位置反映了植被的生長(zhǎng)狀況。 從圖 4a 可以看出， 高光譜反射率的一階微分?jǐn)?shù)隨施氮量的增加而變大， 波長(zhǎng)向長(zhǎng)波 方向移動(dòng)（圖4b），也即是發(fā)生了 “紅移”現(xiàn)象。隨著施氮量 的增加， 綠峰波長(zhǎng)的變化與紅邊位置的變化正好相反， 在綠峰位 置處的高光譜反射率的一階微分隨施氮量增加變小， 波長(zhǎng)向短波 方向移動(dòng)，也就是發(fā)生了“藍(lán)移”現(xiàn)象（圖 4c 和圖 4d）。2.5 紅邊參數(shù)與各農(nóng)學(xué)組分之間的關(guān)系從表 1 可以看出， 在冬小麥紅邊參數(shù)中紅邊振幅與農(nóng)學(xué)組分 之間的相關(guān)性要優(yōu)于其他參數(shù)。

13、除了紅谷位置與葉片含水量關(guān)系 較差外， 紅谷位置與其他農(nóng)學(xué)組分、 最小振幅和綠峰位置與所有 農(nóng)學(xué)組分之間呈極顯著負(fù)相關(guān)， 而其余各紅邊參數(shù)與農(nóng)學(xué)組分之 間呈極顯著正相關(guān)（表 1）。葉片含氮量和植株含氮量與紅邊位 置、紅邊寬度、紅邊振幅和紅邊峰值面積呈極顯著正相關(guān)，可以 通過這些紅邊參數(shù)來預(yù)測(cè)氮含量， 且葉片含氮量與紅邊參數(shù)之間 的關(guān)系優(yōu)于植株含氮量與紅邊參數(shù)的關(guān)系。 葉面積指數(shù)與紅邊位 置、紅邊寬度、紅邊振幅和紅邊峰值面積呈極顯著正相關(guān)，而與 紅谷位置、 最小振幅和綠峰位置呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。 葉片含水 量和植株含水量與紅邊位置、 紅邊寬度、 紅邊振幅和紅邊峰值面 積呈極顯著正相關(guān)，而與最小振

14、幅和綠峰位置呈極顯著負(fù)相關(guān)， 且這些組分與植株含水量的相關(guān)性優(yōu)于與葉片含水量的相關(guān)性。 用最優(yōu)紅邊參數(shù)為自變量（x），各農(nóng)學(xué)組分為因變量（y）建立 擬合方程如圖 5 所示。紅邊振幅與葉片含氮量、 植株含氮量和植株含水量具有較為 穩(wěn)定的關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為 0.916 ， 0.901 和 0.884 ；紅邊 峰值面積與葉面積指數(shù)和葉片含水量具有較好的關(guān)系， 其相關(guān)系 數(shù)分別為 0.854 和 0.713 ；紅邊寬度與總生物量之間存在較好的 相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為 0.825 。因此，可以利用紅邊參數(shù)快速、 無破壞地診斷小麥營(yíng)養(yǎng)狀況。3 結(jié)論研究結(jié)果顯示， 不同品種之間的小麥冠層高光譜反射率存在

15、差異，且在近紅外部分的差異明顯大于可見光部分。 小麥冠層高 光譜反射率在不同的生育期也有明顯的變化， 且在近紅外波段的 變化要大于可見光波段。 從孕穗期到開花期， 可見光部分的反射 率先升高再降低， 而在近紅外部分的反射率呈下降的趨勢(shì)， 近紅 外波段以孕穗期冠層高光譜反射率最高。 在灌漿期， 近紅外部分 的反射率迅速下降， 而可見光部分的反射率有所上升， 隨著生育 期的進(jìn)一步推進(jìn)，到了乳熟期小麥在可見光部分單峰現(xiàn)象消失。不同施氮量的高光譜響應(yīng)， 近紅外部分的差異明顯大于可見 光部分， 在近紅外波段反射率隨著氮肥水平的增加而升高， 而在 可見光波段 4個(gè)施氮水平的反射率都很小， 差異不明顯。 小麥冠 層高光譜反射率的紅邊位置、 綠峰位置隨著施氮量的增加都有所 變化，隨著施氮量的增加， 高光譜反射率的一階導(dǎo)數(shù)隨施氮量的 增加而變大，波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，發(fā)生“