王樂(lè)輝， 吉宇， 舒芳， 田國(guó)強(qiáng)， 蘇燕

(益陽(yáng)市氣象局，湖南益陽(yáng)　413000)

?

小麥生長(zhǎng)及葉片磷含量與高光譜反射率的關(guān)系

王樂(lè)輝， 吉宇， 舒芳， 田國(guó)強(qiáng)， 蘇燕

(益陽(yáng)市氣象局，湖南益陽(yáng)413000)

摘要：以小麥品種揚(yáng)麥13、揚(yáng)麥16為實(shí)驗(yàn)材料，在田間設(shè)置了3個(gè)氮素水平處理，研究了不同處理拔節(jié)期到灌漿期葉面積指數(shù)(LAI)、葉綠素相對(duì)含量(SPAD)、氮磷含量與冠層高光譜反射率的關(guān)系。結(jié)果顯示，LAI隨著施氮量的增加而增大，并在整個(gè)生育期內(nèi)先增大后減小。LAI與二階導(dǎo)數(shù)SD1691、SD506和一階導(dǎo)數(shù)FD407、FD440的相關(guān)系數(shù)分別為0.600、0.569、0.506、0.477，在α=0.05標(biāo)準(zhǔn)上達(dá)到顯著水平，可為冠層高光譜反射率監(jiān)測(cè)LAI提供依據(jù)；在氮素水平不斷提高的情況下，SPAD與LAI有相同的趨勢(shì)，隨施氮量增加而增大。對(duì)葉片含磷量與光譜反射率做相關(guān)分析可以得出，抽穗期是小麥磷元素光譜診斷的敏感時(shí)期，敏感波段為730～900 nm。基于小麥冠層高光譜與營(yíng)養(yǎng)診斷研究的相關(guān)性為后期相關(guān)模型構(gòu)建提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：小麥； 高光譜遙感；葉面積指數(shù)； 葉綠素相對(duì)含量； 磷

國(guó)內(nèi)外的研究表明，葉面積指數(shù)(LAI)與冠層高光譜反射率及一階微分的相關(guān)性較好，可以用比值植被指數(shù)等來(lái)反演LAI，而且對(duì)于LAI的光譜反演已經(jīng)取得了較多的結(jié)果。磷是植物體內(nèi)的重要元素之一，它能促進(jìn)幼苗根系生長(zhǎng)和改善果實(shí)品質(zhì)。我國(guó)缺磷耕地達(dá)到2/3[1]，大大降低了作物的產(chǎn)量。在正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷素不足就需要增施磷肥，但是一方面土壤磷的利用率低，另一方面，加施磷肥可能會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染[2]。所以，作物磷素營(yíng)養(yǎng)診斷在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是必要的基礎(chǔ)工作。氮磷是植物所需的主要營(yíng)養(yǎng)元素。縱觀國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究可知，人們利用高光譜遙感技術(shù)對(duì)植物冠層氮素的研究已相當(dāng)成熟，并建立了一些比較實(shí)用的模型。與氮相比，磷的相關(guān)性研究較少。Osborne等[3]指出可用光譜診斷植物體內(nèi)磷含量的時(shí)期是植物生長(zhǎng)早期，晚期不適合磷的診斷；Al-Abbas等[4]和Milton等[5]研究發(fā)現(xiàn)，植物輕度缺磷時(shí)葉綠素濃度會(huì)提高，嚴(yán)重缺磷時(shí)才可以用光譜反射率檢測(cè)小麥磷元素含量。因?yàn)槿绷椎闹参锶~片單位面積中葉綠素含量較高，相比于正常葉片顏色偏暗，且缺磷的植株，體內(nèi)新陳代謝過(guò)程不正常，糖分分解不完全，會(huì)積累，易形成花青素[6]。缺磷植物體內(nèi)葉綠素和花青素會(huì)對(duì)光譜反射率產(chǎn)生影響，導(dǎo)致葉片光譜分析也變得復(fù)雜。

本實(shí)驗(yàn)將通過(guò)監(jiān)測(cè)作物不同生育期光譜反射率的變化，研究LAI、葉綠素相對(duì)含量(SPAD值)、葉片氮磷含量等與光譜反射率的關(guān)系[7]，特別是與光譜一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的相關(guān)性，找出對(duì)LAI、SPAD值等敏感的波段，為作物的遙感監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

小麥田間試驗(yàn)于2013—2014年度在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)地土壤為壤土，質(zhì)地均勻，土壤肥力高[8]。供試小麥品種為揚(yáng)麥13(A1)和揚(yáng)麥16(A2)。設(shè)3個(gè)施氮水平，分別為0、150、300 kg·hm-2純氮(分別用B1、B2、B3表示)。小區(qū)面積9 m2，基本苗為2.0×106株·hm-2，行距25 cm。兩因素隨機(jī)分組排列，3次重復(fù)。11月5日播種，播種前采集土樣，管理措施同高產(chǎn)大田栽培[9]。

1.2試驗(yàn)方法

以下指標(biāo)均在小麥主要生育期(拔節(jié)期、抽穗期、開(kāi)花期、灌漿期)測(cè)定。

1)反射率測(cè)定。

小麥冠層高光譜反射率采用ASD FieldSpec 3光譜儀進(jìn)行測(cè)定。選擇在晴朗無(wú)云或少云的天氣進(jìn)行，測(cè)量時(shí)間為10：00—14：00。每個(gè)小區(qū)選擇3個(gè)樣點(diǎn)測(cè)定，取平均值。

2)葉片SPAD測(cè)定。

采用SPAD-502儀測(cè)定葉片SPAD值。測(cè)量時(shí)測(cè)劍葉中部，避開(kāi)主葉脈。

3)LAI測(cè)定。

采用比葉重法測(cè)量。進(jìn)行光譜測(cè)量的同時(shí)，每個(gè)小區(qū)取樣20株，按葉位分離并稱(chēng)重，殺青烘干后稱(chēng)量得到干重。樣本葉片的葉面積用CID-301型葉面積儀測(cè)定。利用比葉重法求樣本植株葉片面積，進(jìn)而得到總LAI。

4)生物量測(cè)定。

分樣烘干后，稱(chēng)取各部分干重，根據(jù)種植密度計(jì)算單位土地面積的干物重(g·m-2)；樣品粉碎后裝自封袋密閉保存，供生物化學(xué)組分測(cè)定。

5)小麥氮、磷含量測(cè)定。

葉片、莖稈和籽粒全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定。將粉碎樣品經(jīng)過(guò)消煮、蒸餾后，進(jìn)行滴定，通過(guò)公式可計(jì)算出葉片氮含量及莖桿氮含量。計(jì)算公式如下：

其中，V為滴定試液時(shí)所用酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積(mL)；V0為滴定空白時(shí)所用酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積(mL)；cH為酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度(mol/L)；0.014為氮原子的毫摩質(zhì)量；m為烘干植物質(zhì)量(g)。

全磷的測(cè)定：H2SO4-H2O2消煮，釩鉬黃比色法。

標(biāo)準(zhǔn)曲線制作：準(zhǔn)確吸取50 μg·mL-1的P標(biāo)準(zhǔn)溶液0、1.0、2.5、5、7.5、10.0、15.0 mL，于50 mL容量瓶中，加與吸取的待測(cè)液等量的空白消煮液，同上述操作步驟顯色和比色。該標(biāo)準(zhǔn)系列P的質(zhì)量濃度分別為0、1.0、2.5、5、7.5、10.0、15.0 μg·mL-1。

w(植株全P)(%)=ρ×V×分取倍數(shù)×10-4/m

其中，ρ為從標(biāo)準(zhǔn)曲線查得顯色液P的質(zhì)量濃度(μg/mL)；V為顯色液體積(mL)；m為烘干樣品質(zhì)量(g)；10-4為將 μg/L換算為質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)的換算因數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1冠層高光譜反射率與小麥LAI的相關(guān)關(guān)系

1)不同氮素水平下LAI隨生育期的變化。

表1提供了不同氮素水平下小麥LAI隨生育期的變化?？梢?jiàn)，隨施氮水平的提高，LAI的值也隨著增大，是因?yàn)橥寥赖氐脑黾哟龠M(jìn)了小麥對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，從而加快了小麥的生長(zhǎng)發(fā)育，在旺盛的光合作用下，小麥葉片迅速生長(zhǎng)，促使LAI增大。而在小麥整個(gè)生育期內(nèi)，LAI值是先增大后減小的，從拔節(jié)期到開(kāi)花期，小麥葉片逐漸長(zhǎng)大，導(dǎo)致LAI也跟著變大，在開(kāi)花期達(dá)到最大[10]。隨著生命進(jìn)程的進(jìn)行，小麥葉片逐漸衰老，LAI也隨著下降。

表1　不同氮素水平下小麥的LAI

2)LAI與冠層光譜反射率的關(guān)系。

圖1 a、b、c、d 4個(gè)分圖分別表示拔節(jié)期小麥LAI與二階導(dǎo)數(shù)SD1691、SD506和一階導(dǎo)數(shù)FD407、FD440的相關(guān)性(對(duì)吸收光譜求微分，所得到的圖譜稱(chēng)為一階導(dǎo)數(shù)光譜，再次微分可得二階導(dǎo)數(shù)光譜，SD1691即為波長(zhǎng)1 691 nm的光的二階導(dǎo)數(shù))，其決定系數(shù)(R2)均在α=0.05水平上達(dá)到顯著性檢驗(yàn)。同時(shí)，抽穗期、開(kāi)花期、灌漿期的決定系數(shù)分別達(dá)到0.534 3、0.622 1、0.453 2(圖略)，說(shuō)明LAI與光譜反射率的導(dǎo)數(shù)存在較大的相關(guān)性，由此可為冠層光譜反射率監(jiān)測(cè)LAI提供依據(jù)[11]。利用導(dǎo)數(shù)光譜分析可以增加冠層光譜與LAI的相關(guān)性，因?yàn)閷?dǎo)數(shù)光譜可以去除背景噪聲和隔離不好的信號(hào)。

圖1　小麥LAI與冠層高光譜反射率的關(guān)系

2.2冠層高光譜反射率與SPAD值的關(guān)系

不同氮素水平下小麥SPAD隨生育期的變化。

SPAD值也被稱(chēng)作葉色值，是作物葉片相對(duì)葉綠素含量的讀數(shù)，采用SPAD-502儀可以迅速便捷的測(cè)出目標(biāo)葉片的SPAD值。由圖2可以看出，小麥從拔節(jié)期到灌漿期的過(guò)程中，SPAD一直都是增加的，兩個(gè)品種的趨勢(shì)是一樣的。SPAD上升的主要原因是植株越來(lái)越成熟，體內(nèi)代謝旺盛，葉綠素含量也隨著增加[12]，而且隨著施氮水平的提高，SPAD值也越來(lái)越大。

圖2　不同氮素水平下小麥SPAD值隨生育期的變化

對(duì)比兩個(gè)品種的SPAD值可以發(fā)現(xiàn)，在同一氮素水平下?lián)P麥13的SPAD值增加速率要大于揚(yáng)麥16，而且揚(yáng)麥13 SPAD值的變化幅度也比揚(yáng)麥16大，最大達(dá)到8，而揚(yáng)麥16增幅最大只有6，揚(yáng)麥13的SPAD值最大值也大于揚(yáng)麥16[13]。

2.3冠層高光譜反射率與小麥體內(nèi)氮、磷含量的關(guān)系

1)冠層高光譜反射率與小麥不同生育期葉片磷含量的關(guān)系。

表2列出了在350～2 500 nm光譜范圍內(nèi)葉片光譜反射率與磷含量達(dá)到顯著水平的相關(guān)波段及相關(guān)系數(shù)，從表2中可以看出抽穗期是小麥營(yíng)養(yǎng)光譜診斷的敏感時(shí)期，730～900 nm是該時(shí)期的敏感波段。

表2　不同生育期葉片光譜反射率與磷含量的相關(guān)波段及相關(guān)系數(shù)

不同的施氮水平導(dǎo)致小麥吸收營(yíng)養(yǎng)的速率和總量發(fā)生變化，小麥葉片因此也表現(xiàn)不同的光譜特征?？梢?jiàn)，營(yíng)養(yǎng)水平不同，葉片性狀也不同，光譜反射率也不同。從作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)需求的方面考慮，抽穗期是小麥在整個(gè)生育期內(nèi)對(duì)養(yǎng)分需求最大的時(shí)期。小麥抽穗期磷元素含量的多少對(duì)小麥營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)具有深遠(yuǎn)的影響[14]。由圖3可以看出，小麥葉片磷含量與光譜反射率的相關(guān)性較好，由此可利用相關(guān)性好的波段與小麥葉片的磷含量建立營(yíng)養(yǎng)診斷模型[15]。

根據(jù)表2可以提取出相關(guān)性大的波段單獨(dú)分析，與圖3在近紅外波段(730～900 nm)的葉片光譜反射率曲線的相關(guān)性可以看出，根據(jù)施氮量的增加，不同品種的小麥葉片光譜反射率均增大，說(shuō)明二者的相關(guān)性較好。

圖3　不同氮營(yíng)養(yǎng)水平下小麥抽穗期葉片光譜反射率曲線(730～900 nm)

2)冠層高光譜反射率與小麥莖氮、磷含量的關(guān)系。

表3表示在不同的生育時(shí)期小麥莖氮、磷含量與光譜的關(guān)系。可知莖氮、磷含量在各個(gè)時(shí)期的相關(guān)性都達(dá)到了顯著水平，說(shuō)明二者的相關(guān)性較好。其中莖磷與光譜的決定系數(shù)在抽穗期最大，達(dá)到0.684 4。而莖氮與光譜導(dǎo)數(shù)相關(guān)性最好的時(shí)期為開(kāi)花期，決定系數(shù)0.607 5，其次為抽穗期和灌漿期，相關(guān)性最差的是拔節(jié)期，這是因?yàn)樾←溕捌诠夂献饔帽容^弱，吸收養(yǎng)分的速率也較慢[16]。

表3　光譜變量與小麥莖氮、磷含量的線性關(guān)系1)

1)樣本n=18在0.05水平顯著值為0.444

3)冠層高光譜反射率與小麥籽粒氮、磷含量的關(guān)系。

圖4是灌漿期小麥籽粒氮含量、磷含量與冠層高光譜反射率的相關(guān)系數(shù)圖。從圖4中可以看出，在可見(jiàn)光波段(430～720 nm)它們與反射率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，小麥籽粒含氮量與高光譜反射率相關(guān)性較大。在近紅外波段(750～800 nm)小麥籽粒氮含量與反射率的相關(guān)性急劇變化，并由負(fù)相關(guān)變?yōu)檎嚓P(guān)，之后在近紅外波段(850～1 350 nm)又逐漸由正相關(guān)變?yōu)樨?fù)相關(guān)。而小麥籽粒含磷量與反射率的相關(guān)性一直呈負(fù)相關(guān)，且在近紅外波段(1 100～1 350 nm)相關(guān)性逐漸增大[17]?？傮w分析籽粒氮、磷含量與高光譜反射率的相關(guān)性不大，沒(méi)有達(dá)到顯著性水平，說(shuō)明利用高光譜監(jiān)測(cè)小麥籽粒的氮、磷含量比較困難。

圖4　灌漿期小麥籽粒含氮量、含磷量與冠層

3結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在不同的氮素水平下，LAI隨施氮量的增加而增大，在整個(gè)生育期內(nèi)先增大后減小，從拔節(jié)期到開(kāi)花期，葉片長(zhǎng)大的同時(shí)LAI也增大，在開(kāi)花期達(dá)到最大，唐延林等[18]的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。LAI與二階導(dǎo)數(shù)SD1691、SD506和一階導(dǎo)數(shù)FD407、FD440的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.600、0.569、0.506、0.477，在α=0.05水平上達(dá)到顯著性檢驗(yàn)，可為冠層高光譜反射率監(jiān)測(cè)LAI提供依據(jù)。SPAD值也隨著氮素水平的提高而增大，通過(guò)與高光譜反射率的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)其與高光譜反射率一直呈正相關(guān)關(guān)系，在可見(jiàn)光波段(480～720 nm)相關(guān)系數(shù)有稍微下降，之后恢復(fù)。對(duì)比試驗(yàn)中的兩個(gè)品種可以發(fā)現(xiàn)，揚(yáng)麥13SPAD值的增速和增幅都比揚(yáng)麥16大，田間觀測(cè)揚(yáng)麥13比揚(yáng)麥16葉片顏色深。

不同的生育期莖氮磷含量與高光譜反射率的相關(guān)性不同，通過(guò)對(duì)比得出莖氮與光譜導(dǎo)數(shù)的決定系數(shù)在開(kāi)花期最大，為0.607 5，而莖磷與光譜導(dǎo)數(shù)相關(guān)性最好的時(shí)期是抽穗期，決定系數(shù)0.684 4。通過(guò)對(duì)葉片含磷量與光譜反射率做相關(guān)分析可以得出，抽穗期是小麥營(yíng)養(yǎng)光譜診斷的敏感時(shí)期，730～900 nm是該時(shí)期的敏感波段?？梢酝ㄟ^(guò)反演技術(shù)建立模型從而得到監(jiān)測(cè)小麥葉片含磷量的方法。

該次試驗(yàn)通過(guò)高光譜反射率對(duì)小麥的監(jiān)測(cè)，分析得出了一些結(jié)論，但也存在不足，如小麥品種的局限性決定了結(jié)果的局限性；雖然提出了抽穗期的敏感波段，但沒(méi)有具體建立模型來(lái)監(jiān)測(cè)小麥的生長(zhǎng)狀況。

參考文獻(xiàn):

[1]LI Ji-yun，LIU Xiu-di，ZHOU Wei，et al.Rice seed inspection of bacterial leaf streak of rice[J].Science in China(Series B).1995，25(1)：41.

[2]Hinsinger P.Bioavailability of soil inorganic P in the rhizosphere as affected by root-induced chemical changes[J].Plant and Soil，2001，237(2)：173.

[3]Osborne S L，Schepers J S，F(xiàn)rancis D D，et al.High spectral characteristics of summer maize under low temperature stress[J].Agronomy Journal，2002，94：1215.

[4]Al-AbbasAH，Barr R，Hall J D，et al.Spectra of normal and nutrient-deficient maize leaves[J].Agronomy J， 1974，66：16-20.

[5]Milton N M，Eiswerth B A，Ager C M.Effectof phosphorusdeficien-cy on spectral reflectance and morphology of soybean plants[J].Remote-Sensing of Environment，1991，36：121-127.

[6]秦榮顯，賴(lài)曉華，曾春生，等.連平鷹嘴蜜桃種植的氣候適宜性分析[J].廣東氣象，2014，36(3)：42-46.

[7]Sembiring H，Raun W R，Johnson G V，et al.Detection of nitrogen and phosphorusnutrient statusin bermudagrassusing spectral radiance[J].J Plant Nutrition，1998(21)：1189-1206.

[8]王剛，陳統(tǒng)強(qiáng)，吳文娟，等.烘干稱(chēng)重法與自動(dòng)觀測(cè)土壤濕度的差異分析[J].氣象研究與應(yīng)用，2010，31(2)：53-56.

[9]李映雪.基于冠層反射光譜的小麥氮素營(yíng)養(yǎng)與籽粒品質(zhì)監(jiān)測(cè)[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[10]鄧麗霞，鄭細(xì)華，李勇增，等.龍川縣氣候變化對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響[J].廣東氣象，2010，32(5)：32-33.

[11]王廣倫，李昱文，張才喜，等.珠三角地區(qū)一季中晚稻種植模式氣候適應(yīng)性[J].廣東氣象，2008，30(5)：38-42.

[12]龔仙玉，梁列夫，楊粵紅，等. 粵西北地區(qū)太陽(yáng)輻射的時(shí)空分布特征[J].廣東氣象，2012，34(3)：39-43.

[13]王石立，婁秀榮.氣候變化對(duì)華北地區(qū)冬小麥水分虧缺狀況及生長(zhǎng)的影響[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1996，7(3)：308-315.

[14]陳珍莉，詹尊嚴(yán).合理利用太陽(yáng)輻射能奪取早稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的對(duì)策研究[J].廣東氣象，1996，18(2)：2-3.

[15]薛利紅，朱艷，張憲，等.利用冠層反射光譜預(yù)測(cè)小麥籽粒品質(zhì)指標(biāo)的研究[J].作物學(xué)報(bào)，2004，30(10)：1036- 1041.

[16]周冬梅，歐陽(yáng)兆云，張和穩(wěn)，等.田陽(yáng)干旱指數(shù)對(duì)早玉米產(chǎn)量影響的農(nóng)業(yè)氣候評(píng)價(jià)[J].氣象研究與應(yīng)用，2014，35(3)：75-78.

[17]黃俊，翟志宏，陳慧華.氣候變化背景下廣東早稻溫度適宜度的變化特征[J].廣東氣象，2012，34(3)：60-63.

[18]唐延林，王秀珍，王福民，等.農(nóng)作物L(fēng)AI和生物量的高光譜法測(cè)定[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，32(11)：100-104.

收稿日期：2014-11-15

作者簡(jiǎn)介：王樂(lè)輝(1965年生)，女，工程師，主要從事氣象業(yè)務(wù)管理工作。E-mail：396132156@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：S512.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.01.015

王樂(lè)輝， 吉宇， 舒芳， 等.小麥生長(zhǎng)及葉片磷含量與高光譜反射率的關(guān)系[J].廣東氣象，2016,38(1)：61-65.