郭建茂 王星宇 李淑婷 謝曉燕 劉榮花 于庚康

摘要：基于冬小麥不同水分脅迫試驗(yàn)，采用便攜式光譜儀測(cè)定冬小麥抽穗期、開(kāi)花期和灌漿期受不同水分脅迫處理的冠層光譜反射率，分析不同水分處理下冬小麥冠層光譜特性，并對(duì)植被指數(shù)、紅邊參數(shù)與冠層葉片含水率和土壤含水率進(jìn)行相關(guān)性分析，構(gòu)建各生育期葉片含水率和土壤含水率的最佳監(jiān)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)冠層葉片含水率以及土壤含水率的監(jiān)測(cè)評(píng)估。結(jié)果顯示，在整個(gè)生育期，冬小麥的冠層光譜反射率在可見(jiàn)光范圍呈現(xiàn)綠峰紅谷，尤其在旺盛生長(zhǎng)時(shí)期，隨著水分脅迫程度加深，綠峰紅谷逐漸變得不明顯，紅谷抬升幅度增大;相反，在近紅外波段范圍內(nèi)水分脅迫主要使得反射率表現(xiàn)為明顯下降;冬小麥紅邊參數(shù)隨生長(zhǎng)進(jìn)程呈藍(lán)移現(xiàn)象，灌漿期受脅迫程度越重的紅邊參數(shù)越低;植被指數(shù)（EVI、NDVI、SAVI、WI）在開(kāi)花期之后具有不同程度的下降趨勢(shì)，至灌漿期有大幅度減小，且隨受脅迫程度加深植被指數(shù)下降幅度增大;植被指數(shù)和紅邊位置、紅邊面積在灌漿期與葉片含水率和土壤含水率有顯著相關(guān)，其中植被水分指數(shù)WI、歸一化植被指數(shù)NDVI和紅邊位置λred相關(guān)性較佳，其建立的葉片含水率和土壤含水率估算模型效果較好，決定系數(shù)r2均大于0.84，平均相對(duì)誤差（MRE）≤0.207。綜合分析認(rèn)為，冠層反射光譜特征和植被指數(shù)與冬小麥冠層葉片含水率和土壤含水率相關(guān)性良好，可利用高光譜遙感參數(shù)對(duì)冬小麥的水分狀況進(jìn)行快速、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：冬小麥;冠層光譜特征;植被指數(shù);紅邊參數(shù);葉片含水率;土壤含水率

中圖分類號(hào)： S512.1+10.1;TP79;S127? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）10-0088-07

全球氣候變化是人類現(xiàn)今面臨最嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題之一，已廣泛引起關(guān)注[1]。氣候變化導(dǎo)致干旱等極端氣候事件的繼發(fā)頻率和強(qiáng)度均顯著增加。在眾多不利影響中，水分對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的影響最為明顯和直接。水分含量不僅影響著植物體內(nèi)的細(xì)胞活性和器官、組織功能，而且缺失水分會(huì)引起活性氧的增加、細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變、光合作用受抑制，從而進(jìn)一步限制植物個(gè)體或群體的生長(zhǎng)，最終影響到產(chǎn)量[2-5]。因此，準(zhǔn)確、及時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷作物水分脅迫狀況，對(duì)提高作物水分利用率和抗旱保產(chǎn)具有重要意義。

傳統(tǒng)土壤水分狀況的調(diào)查一般采用土鉆取土烘干法，費(fèi)力費(fèi)時(shí)，難以在大面積上同時(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，遙感技術(shù)被應(yīng)用在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)和管理等諸多方面并取得了不錯(cuò)的成效。其中，高光譜遙感具有光譜分辨率高、波段連續(xù)性強(qiáng)、光譜信息量大、允許對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行直接識(shí)別和微弱光譜差異分析等特點(diǎn)，既能夠探測(cè)植被的精細(xì)光譜信息（尤其是植被各生化組分的吸收光譜信息），還能反演、監(jiān)測(cè)植被的各組分含量和生長(zhǎng)狀況[6]。在農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)中，利用高光譜遙感進(jìn)行植被水分和土壤水分研究對(duì)于發(fā)現(xiàn)植被水分和土壤水分與光譜間的規(guī)律、尋找水分敏感波段具有非常重要的意義[7]。關(guān)于冬小麥冠層反射率與土壤含水量、葉片含水量等方面的相關(guān)性已有一些研究，田慶久等通過(guò)觀測(cè)小麥葉片的含水量，并利用光譜歸一化技術(shù)建立小麥葉片的光譜特征和葉片相對(duì)含水量之間的線性回歸方程，診斷小麥的水分狀況[8-9];谷艷芳等用冬小麥高光譜特征及紅邊參數(shù)判斷冬小麥生育后期長(zhǎng)勢(shì)和農(nóng)田水分脅迫程度[10];汪沛等對(duì)不同土壤水分處理下甘蔗苗期和分蘗期冠層光譜反射率的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，比值植被指數(shù)與甘蔗土壤含水量呈較好的正相關(guān)關(guān)系[11];林毅等發(fā)現(xiàn)，750～1 350 nm波段反射率、紅邊幅值、紅邊面積對(duì)于干旱脅迫響應(yīng)時(shí)間較短，可以作為判斷農(nóng)田干旱發(fā)生的參考[12];王宏博等通過(guò)研究拔節(jié)期至吐絲期水分脅迫下春玉米高光譜發(fā)現(xiàn)，350～700 nm光譜反射率與20 cm土壤濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，710～1 300 nm光譜反射率與60 cm深度以內(nèi)的土壤濕度呈正相關(guān)關(guān)系[13];趙俊芳等發(fā)現(xiàn)，350～630 nm和 1 000～1 130 nm是冬小麥灌漿末期識(shí)別水分脅迫最敏感的光譜波段，紅邊參數(shù)也可以判別水分脅迫的程度[14]。這些研究表明，利用植被光譜反射特性、紅邊參數(shù)和植被指數(shù)來(lái)對(duì)植株或土壤水分進(jìn)行監(jiān)測(cè)、診斷和定量分析是可行的。然而，這些理論關(guān)系研究常因作物品種及試驗(yàn)條件的不同存在差異，特別是水分控制試驗(yàn)時(shí)間過(guò)短、光譜觀測(cè)頻次較少等因素，類似研究還須要進(jìn)一步探索、加深。

本試驗(yàn)對(duì)冬小麥整個(gè)生育期內(nèi)水分設(shè)定多個(gè)處理，討論不同水分脅迫對(duì)冬小麥不同生育期冠層光譜反射率變化規(guī)律、紅邊特征及植被指數(shù)的影響，分析比較它們與冬小麥冠層葉片含水率和土壤含水率的相關(guān)性，找出最佳估算模型，以促進(jìn)高光譜遙感技術(shù)在冬小麥水分監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站（地理位置118°42′N，32°12′E）進(jìn)行，試驗(yàn)站位于長(zhǎng)江中下游中部地區(qū)，江蘇省西南部，屬北亞熱帶濕潤(rùn)氣候，四季分明，降水充沛。常年平均降水117 d，平均降水量為1 106.5 mm，相對(duì)濕度為76%，無(wú)霜期237 d。試驗(yàn)于2016年進(jìn)行。土壤為潴育型水稻土，灰馬干土屬，耕層土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，土壤容重為1.5 g/cm3，黏粒含量約為26.1%，土壤pH值為6.1±0.2，有機(jī)碳、全氮的含量分別為19.4、11.5 g/kg。供試品種為揚(yáng)麥16號(hào)。

對(duì)冬小麥設(shè)4種水分控制處理試驗(yàn)（B1、B2、B3、B4），每種處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，樣方大小為2.5 m×2.5 m。B1處理設(shè)置為保持80%～90%田間持水量，作為對(duì)照（CK），B2處理設(shè)置為保持65%～75%田間持水量，B3處理設(shè)置為保持50%～60%田間持水量;B4處理設(shè)置35%～45%田間持水量。播種和其他管理同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。

1.2 光譜測(cè)量及預(yù)處理方法

采用FieldSpec Pro FR光譜儀（美國(guó)ASD公司）進(jìn)行光譜測(cè)定，視場(chǎng)角為25°，測(cè)量范圍為350～2 500 nm。分別于2016年4月21日（抽穗期）、4月29日（開(kāi)花期）、5月11日（灌漿期）11：00—13：00測(cè)量冠層光譜反射率，均為晴朗、無(wú)風(fēng)天氣狀況。測(cè)量時(shí)傳感器探頭距冠層頂測(cè)量目標(biāo)約 0.6 m，每處理選5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每點(diǎn)記錄10次數(shù)據(jù)，取平均值作為該點(diǎn)的高光譜反射率，測(cè)量過(guò)程中及時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白板校正。數(shù)據(jù)采集后，用ASD ViewSpec Programs軟件對(duì)反射光譜原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步修正，并剔除反射率數(shù)值不合理波段。用Savitzky-Golay濾波器對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行初步去噪，然后對(duì)經(jīng)過(guò)平滑處理的光譜數(shù)據(jù)取平均值，先將每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)單次采集的10組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，再對(duì)每個(gè)處理中的5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行平均，最終得到光譜數(shù)據(jù)。

1.3 紅邊參數(shù)提取

紅邊是指植物在680～760 nm處一階導(dǎo)數(shù)光譜最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，一般認(rèn)為，導(dǎo)數(shù)光譜可以減少背景干擾和土壤反射率變化而導(dǎo)致的光譜反射率變動(dòng)，縮小由冠層結(jié)構(gòu)變化而引起的差異[15-16]。光譜的一階導(dǎo)數(shù)可表示為

式中：i為光譜通道;λi為各波段的波長(zhǎng);R（λi）為波段λi的反射率;R′（λi）為波長(zhǎng)λi的一階微分值;Δλ是λi-1到λi的間隔。通過(guò)一階導(dǎo)數(shù)光譜，可確定紅邊參數(shù)，包括紅邊位置λred、紅邊振幅Dλred、紅邊面積Sred[17]。紅邊位置為紅光范圍內(nèi)一階導(dǎo)數(shù)光譜最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，紅邊振幅為紅光范圍內(nèi)一階導(dǎo)數(shù)光譜的最大值，紅邊面積為680～760 nm波段一階導(dǎo)數(shù)光譜總和。

1.4 植被指數(shù)的計(jì)算

除了利用紅邊參數(shù)外，還選取了植被水分指數(shù)和常用的植被指數(shù)來(lái)進(jìn)行其植株含水量能力的分析與比較，計(jì)算公式及參考文獻(xiàn)見(jiàn)表1。

1.5 葉片含水率和土壤含水率

葉片含水率（FWC）為葉片中水分含量占鮮葉質(zhì)量的比率[23]。冠層光譜測(cè)量的同時(shí)，分別在各小區(qū)選取5株長(zhǎng)勢(shì)均一的小麥，貼根剪下后放入樣品袋，送回實(shí)驗(yàn)室后立即分離并稱取葉鮮質(zhì)量。之后，先在105 ℃條件下將葉烘30 min殺青，再在75 ℃條件下將葉烘至恒質(zhì)量，稱得干質(zhì)量。冬小麥葉片含水率計(jì)算公式如下：

土壤含水率即土壤所含水分的數(shù)量。本研究采用烘干法，用土鉆采取土樣，稱量可得土樣的濕質(zhì)量，再采用105 ℃的烘箱將土樣烘6～8 h至恒質(zhì)量，測(cè)量烘干后的土樣即為土樣的干質(zhì)量，則

土壤含水率=（濕質(zhì)量-干質(zhì)量）/（干質(zhì)量-空鋁盒質(zhì)量）×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分脅迫對(duì)冬小麥冠層光譜曲線的影響

由圖1可知，冬小麥在抽穗期、開(kāi)花期、灌漿期內(nèi)同一時(shí)段（11：00左右）不同水分處理導(dǎo)致各處理較對(duì)照（CK）光譜反射率出現(xiàn)明顯差異。在抽穗期，可見(jiàn)光區(qū)（400～760 nm）各水分脅迫處理均低于CK，近紅外波段范圍（圖1中為 790～1 300 nm）內(nèi)B3處理的光譜反射率最高，其次為CK和B2處理，B4處理最低。開(kāi)花期，可見(jiàn)光區(qū)B4處理下的光譜反射率最高，其次是CK處理;近紅外波段除B3處理光譜反射率較抽穗期變化較大外其余處理變化相似。灌漿期，可見(jiàn)光區(qū)域各水分處理光譜反射率變化規(guī)律與開(kāi)花期相似，B4處理與B3處理由于水分脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)反射率增加，這是因?yàn)楣酀{期小麥明顯發(fā)黃，水分缺失更甚。整體而言，水分脅迫下冬小麥冠層光譜在紅光區(qū)域（620～750 nm）表現(xiàn)更為明顯，利用此波段范圍內(nèi)的光譜反射率的變化能夠有效的評(píng)估水分脅迫。

同樣，可分析同一水分處理下不同生育期冬小麥冠層光譜反射率的變化。由圖2可知，從抽穗、開(kāi)花期到灌漿期冬小麥可見(jiàn)光波段的光譜反射率大致呈增高趨勢(shì)，B4處理原本在550 nm處的綠峰和675 nm處的紅光低谷將逐漸消失，整條光譜曲線趨于平緩;在近紅外波段，光譜反射率曲線則與可見(jiàn)光波段相反，灌漿期的光譜曲線低于抽穗期，但B4處理的灌漿期光譜曲線卻高于開(kāi)花期?？梢?jiàn)，冠層光譜曲線在水分脅迫一段時(shí)間后才會(huì)有明顯的響應(yīng)，對(duì)前后時(shí)段的光譜曲線進(jìn)行比較分析能夠有效識(shí)別和評(píng)估作物水分狀況。

2.2 不同水分脅迫對(duì)冬小麥冠層光譜紅邊特征的影響

紅邊是植物光譜最明顯的標(biāo)志，表2為不同水分處理下冬小麥各生育期冠層光譜紅邊參數(shù)。在水分脅迫程度下，在3個(gè)生育期內(nèi)，除抽穗期紅邊位置和開(kāi)花期紅邊振幅外B4處理的冬小麥紅邊參數(shù)均較其他處理低，且隨著受水分脅迫時(shí)間的增加，B4處理和B3處理的冬小麥紅邊參數(shù)大體逐漸降低。B2處理在冬小麥抽穗、開(kāi)花、灌漿期內(nèi)對(duì)冬小麥紅邊參數(shù)影響不大。

在不同生長(zhǎng)階段，抽穗、開(kāi)花期期間的冬小麥紅邊參數(shù)變化較小，開(kāi)花期紅邊位置、紅邊振幅和紅邊面積同抽穗期相比較分別最大下降0.68%、58.00%和40.02%;而從開(kāi)花期到灌漿期，冬小麥的紅邊位置、紅邊振幅和紅邊面積均呈現(xiàn)明顯變小的趨勢(shì)，灌漿期紅邊位置、紅邊振幅和紅邊面積同抽穗期相比，分別最大下降5.03%、75.00%和68.10%，同開(kāi)花期相比分別最大下降4.66%、74.36%和49.81%;整體上，小麥?zhǔn)芩置{迫時(shí)間越長(zhǎng)，田間持水量越低，紅邊參數(shù)越小，也就是說(shuō)出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，受水分脅迫的冬小麥在開(kāi)花期至灌漿期期間紅邊變化較為明顯，利用這一時(shí)期的紅邊參數(shù)對(duì)冬小麥水分狀況的監(jiān)測(cè)與評(píng)估是可行的。

2.3 不同水分脅迫對(duì)冬小麥冠層光譜植被指數(shù)的影響

圖3顯示，不同水分脅迫下?lián)P麥16號(hào)5種不同波段組合的植被指數(shù)或水分指數(shù)除WI和NDWI外隨生育期發(fā)展均呈下降趨勢(shì)，其中灌漿期各植被指數(shù)值較抽穗、開(kāi)花期有明顯降低，而抽穗期與開(kāi)花期植被指數(shù)變化幅度較小。抽穗期小麥由于受水分脅迫時(shí)間較短，各處理下的植被指數(shù)與對(duì)照相比無(wú)明顯變化;至開(kāi)花期，受水分脅迫影響的大部分冬小麥冠層光譜植被指數(shù)較對(duì)照開(kāi)始有不同程度的下降;灌漿期由于冬小麥長(zhǎng)時(shí)間受水分脅迫，各植被指數(shù)較對(duì)照呈現(xiàn)大幅度下降趨勢(shì)，且隨受脅迫程度加深下降幅度整體增大?？梢?jiàn)，受不同水分脅迫的冬小麥，由于土壤或葉片水分含量的改變，不同敏感波段組合構(gòu)建的5種植被指數(shù)除NDWI外從開(kāi)花期之后出現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，因而適合用來(lái)監(jiān)測(cè)診斷冬小麥葉片或土壤的水分狀況。其中，從WI的變化散點(diǎn)圖可以看出，在CK處理下，各生育期WI值變化很小，而在受水分脅迫處理下WI值隨生育期明顯發(fā)生變化，尤其是灌漿期WI值明顯變小，可見(jiàn)植被水分指數(shù)WI對(duì)冬小麥水分變化有很好的敏感度，能夠較好地監(jiān)測(cè)水分脅迫程度。

2.4 不同水分脅迫下冬小麥冠層光譜紅邊參數(shù)、植被指數(shù)與葉片含水率的相關(guān)分析

由表3中可知，冬小麥開(kāi)花期和灌漿期的紅邊參數(shù)和5種植被指數(shù)與葉片含水率均呈正相關(guān)關(guān)系，抽穗期除植被指數(shù)WI、NDWI和紅邊位置外與其他參數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。紅邊位置、紅邊振幅和紅邊面積與葉片含水率的相關(guān)系數(shù)在灌漿期介于0.914～0.974 之間（P<0.05），其中紅邊位置與葉片含水率在灌漿期的相關(guān)系數(shù)最高，為0.974（P<0.01），因此可以利用灌漿期的紅邊位置參數(shù)建立冬小麥冠層葉片含水率估算模型。開(kāi)花期紅邊面積與葉片含水率相關(guān)系數(shù)最高（r=0.888，P<0.05），達(dá)到顯著檢驗(yàn)水平，可利用紅邊面積參數(shù)建立冬小麥冠層葉片含水率估算模型。而在抽穗期，紅邊參數(shù)與冬小麥冠層葉片含水率的相關(guān)系數(shù)均較低，且未達(dá)到顯著檢驗(yàn)水平，不適用于冬小麥冠層葉片含水率的估算。

抽穗期冬小麥冠層葉片含水率與5種植被指數(shù)的相關(guān)性以WI和NDWI較好，相關(guān)系數(shù)分別為0.755、0.767。開(kāi)花期冬小麥冠層葉片含水率與SAVI、WI、EVI、NDWI的相關(guān)系數(shù)較高，分別為0.867、0.927、0.862、0.856，其中WI達(dá)到了顯著水平。而灌漿期冬小麥冠層葉片含水率與5種植被指數(shù)的相關(guān)系數(shù)均大于0.93（P<0.05），相關(guān)性較高，其中WI（r=0978，P<0.01）達(dá)極顯著水平。因此可以在抽穗期用植被指數(shù)WI和NDWI來(lái)估算葉片含水率;在開(kāi)花期用植被指數(shù)SAVI、WI和NDWI來(lái)估算葉片含水率;在灌漿期用WI和NDWI來(lái)估算葉片含水率。

對(duì)各生育期適于估算冬小麥冠層葉片含水率的植被指數(shù)與紅邊參數(shù)建立相應(yīng)葉片含水率估算模型，并從中挑選出最佳的估算模型，結(jié)果見(jiàn)表4。

2.5 不同水分脅迫下冬小麥冠層光譜紅邊參數(shù)、植被指數(shù)與土壤含水率的相關(guān)分析

表5顯示，冬小麥各生育期冠層光譜植被指數(shù)、紅邊參數(shù)與冬小麥土壤含水率的相關(guān)系數(shù)。與冠層葉片含水率情況相似，冬小麥開(kāi)花期和灌漿期的紅邊參數(shù)和5種植被指數(shù)與冬小麥土壤含水率均呈正相關(guān)關(guān)系。紅邊位置、紅邊振幅和紅邊面積與土壤含水率的相關(guān)系數(shù)在灌漿期介于0.876～0941之間，其中紅邊位置與土壤含水率在灌漿期的相關(guān)性最高，為 0.941（P<0.05），因此可以利用灌漿期的紅邊位置參數(shù)建立冬小麥土壤含水率估算模型。紅邊參數(shù)與土壤含水率的相關(guān)系數(shù)在開(kāi)花期介于0.506～0.950之間，其中紅邊面積與土壤含水率的相關(guān)性最高，為0.950（P<0.05）。而在抽穗期，紅邊參數(shù)與土壤含水率的相關(guān)系數(shù)均較低，且未達(dá)到顯著檢驗(yàn)水平，不適合用于土壤含水率的估算。

抽穗期土壤含水率與5種植被指數(shù)的相關(guān)性以WI為最好，相關(guān)系數(shù)為0.796。開(kāi)花期土壤含水率與EVI、SAVI、WI和NDWI的相關(guān)系數(shù)分別為0.920、0.914、0.902和0.880（P<0.05），達(dá)到顯著水平。灌漿期土壤含水率與5種植被指數(shù)的相關(guān)系數(shù)介于0.889～0.960之間（P<0.05），均達(dá)顯著水平。可見(jiàn)，土壤含水率和冠層葉片含水率一樣與植被指數(shù)有良好相關(guān)性，尤其在灌漿期，相關(guān)性更為顯著。表6為建立并挑選出的冬小麥各生育期適于估算土壤含水率的最佳估算模型。

3 討論與結(jié)論

本研究對(duì)不同生育期不同水分處理冬小麥冠層光譜的變化進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冬小麥冠層光譜會(huì)受到作物水分盈缺的影響，并有規(guī)律可循。不同水分脅迫下的冬小麥在不同生育期表現(xiàn)的光譜曲線變化差異可由葉片或植株含水量的改變引起，水分含量不僅影響輻射的直接吸收，同時(shí)也影響葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[24]。因此，通過(guò)高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法能夠簡(jiǎn)單、快捷并且非破壞地評(píng)估植株的水分狀況，適合用來(lái)監(jiān)測(cè)診斷冬小麥葉片和土壤水分狀況。目前已有一些關(guān)于作物在逆境脅迫下的光譜研究，結(jié)果多為作物在逆境情況下近紅外光譜曲線逐漸下降，紅邊參數(shù)具有藍(lán)移現(xiàn)象[25]，本研究得到同樣的結(jié)果，且由本研究可見(jiàn)，紅邊參數(shù)能夠有效地診斷冬小麥?zhǔn)芩置{迫的響應(yīng)情況。土壤水分變化對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響較為復(fù)雜，除了影響葉片水分含量外，還影響葉片的葉綠素含量、蒸騰作用等，土壤干旱可能通過(guò)影響冬小麥其他生物量和機(jī)能進(jìn)而影響冠層的紅邊特征。本研究嘗試進(jìn)一步分析紅邊參數(shù)與土壤含水率之間的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，紅邊參數(shù)在受水分脅迫時(shí)間長(zhǎng)的冬小麥灌漿期與土壤含水率相關(guān)性較好，這與趙俊芳等的研究結(jié)果[14]一致。

水分脅迫對(duì)植物的影響是多方面的，但最根本的是水分脅迫時(shí)土壤水分的缺失，葉片蒸騰失水得不到補(bǔ)償，從而引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)的損害，植物生理過(guò)程被破壞，葉片失水直至死亡。水分對(duì)植被的影響一般是由下而上的順序，即使底部的葉片已經(jīng)嚴(yán)重缺水干枯，冠層的葉片可能仍保持較高的反射率[12]。因此，研究高光譜與土壤水分含量和葉片含水量之間的響應(yīng)狀況尤為重要。研究表明，冠層光譜反射率可以估測(cè)葉片含水量，通過(guò)任意波段之間的組合能夠有效地減少單波段的散射效應(yīng)[26]，也能夠減輕植被生物量及環(huán)境影響，得到的植被指數(shù)或植被水分指數(shù)，可以更好地利用遙感進(jìn)行植被水分含量的監(jiān)測(cè)[27]。植被生長(zhǎng)過(guò)程中土壤水分的不足導(dǎo)致作物生長(zhǎng)異常，進(jìn)而影響植被指數(shù)的變化，通過(guò)植被指數(shù)可間接反演土壤的水分狀況、判斷作物的受旱程度。本研究利用光譜特征和植被指數(shù)分別與冠層葉片含水率和土壤含水率進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在冬小麥灌漿期植被指數(shù)和紅邊參數(shù)對(duì)葉片含水率和土壤含水率的相關(guān)性最佳，是監(jiān)測(cè)估算作物水分狀況的最佳時(shí)期，并且此時(shí)植被指數(shù)和紅邊參數(shù)與冠層葉片含水率的相關(guān)性優(yōu)于土壤含水率，這與前人研究結(jié)論[28]一致。但結(jié)果中，開(kāi)花期水分指數(shù)WI與葉片含水率相關(guān)性最高、紅邊面積Sred與土壤含水率相關(guān)性最高，可能是由于本試驗(yàn)樣本量較低，統(tǒng)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)偏差，因?yàn)槿~片及冠層植株含水量的大小還跟樣區(qū)內(nèi)株數(shù)有關(guān)，并不完全由土壤含水量決定[29]。

本試驗(yàn)中利用高光譜信息估算葉片含水率和土壤含水率采用的是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头椒?，這種方法雖然預(yù)測(cè)精度尚可，但僅基于數(shù)學(xué)方法，沒(méi)有考慮到冬小麥的生理機(jī)制[30]。以后還要在方法上改進(jìn)，利用PROSAIL模型等輻射傳輸機(jī)理模型對(duì)冠層含水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提高遙感手段監(jiān)測(cè)土壤含水量的準(zhǔn)確度。同時(shí)，還須結(jié)合作物、栽培等多學(xué)科領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)，進(jìn)一步研究探討土壤水分含量對(duì)冠層光譜的影響。另外，本試驗(yàn)結(jié)果雖是在冬小麥整個(gè)生育期田間水分控制試驗(yàn)條件下獲取的，但是影響因子仍較為單一，與實(shí)際大田生產(chǎn)有一定的差異，今后還要對(duì)不同生態(tài)點(diǎn)、生產(chǎn)力水平等條件進(jìn)行廣泛驗(yàn)證和完善，進(jìn)而為冬小麥的干旱監(jiān)測(cè)提供充分的理論基礎(chǔ)。

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