李燕麗，李 磊，吳啟俠，熊勤學(xué)，雷仁清

(1.長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州 434025；2.荊州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖北荊州 434025)

澇漬害是世界性的重大災(zāi)害，也是我國主要的自然災(zāi)害。中國約有2/3國土面積存在不同程度的澇漬災(zāi)害，其中黃淮平原和江漢平原最為嚴(yán)重，二者的受災(zāi)面積占全國總受災(zāi)面積的3/4以上，長期澇漬脅迫已成為這兩個(gè)區(qū)域冬小麥高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因子[1-3]。冬小麥漬害的實(shí)時(shí)、快速、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)對(duì)及時(shí)了解農(nóng)作物受害程度、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理等方面具有重要的意義。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)視覺和圖像信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像技術(shù)在農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注[4-6]。利用數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)植物生長進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有無損、快速、實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以監(jiān)測(cè)作物的葉面積、葉周長、莖稈直徑、葉柄夾角等形態(tài)生長參數(shù)[6-8]，還可通過對(duì)圖像信息的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合實(shí)地考察與實(shí)際測(cè)量，探討作物的生長狀況及其影響因素，從而確定相應(yīng)的生產(chǎn)管理措施[9-10]。Lee等[11]基于數(shù)字圖像對(duì)水稻植被覆蓋度、葉綠素含量、氮素營養(yǎng)狀況、生物量等進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，圖像信息處理技術(shù)可用于水稻生長和氮素營養(yǎng)狀況的快速無損監(jiān)測(cè)。Fernandez-Gallego等[12]基于數(shù)字圖像技術(shù)估算了小麥穗密度。Omar等[13]基于田間試驗(yàn)評(píng)價(jià)了數(shù)字圖像技術(shù)在預(yù)測(cè)糧食作物產(chǎn)量和病害嚴(yán)重程度方面的準(zhǔn)確性，認(rèn)為以RGB為基礎(chǔ)的指數(shù)和天數(shù)加在一起解釋了糧食產(chǎn)量變化的70.9%和產(chǎn)量損失的 62.7%。楊北方等[14]分析發(fā)現(xiàn)，群體冠層數(shù)字圖像H值可有效描述棉花田間長勢(shì)信息。目前，國內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)字圖像技術(shù)進(jìn)行作物無損監(jiān)測(cè)研究取得了一定進(jìn)展[15-16]，但對(duì)農(nóng)作物漬害監(jiān)測(cè)的研究相對(duì)較少。理清冬小麥?zhǔn)軡n后圖像變化特征及其與葉綠素含量、產(chǎn)量、千粒重的相關(guān)性是利用數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行漬害監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)冬小麥漬害無損、快速、可視化監(jiān)測(cè)的前提條件。

本研究依據(jù)江漢平原冬小麥生育期降水致漬的特點(diǎn)，通過灌排可控的小區(qū)試驗(yàn)?zāi)M冬小麥孕穗期和花后遭受漬害脅迫情形，分析冬小麥冠層圖像特征及其與SPAD值、產(chǎn)量、千粒重的相關(guān)關(guān)系，并構(gòu)建基于圖像特征指數(shù)衰減量的漬害估算模型，探索冬小麥漬害損失程度的可視化監(jiān)測(cè)方法，以期為冬小麥漬害監(jiān)測(cè)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在長江大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行，該基地位于江漢平原腹地(30°21′N、112°09′E，海拔32 m)，屬東部季風(fēng)農(nóng)業(yè)氣候大區(qū)、北亞熱帶農(nóng)業(yè)氣候帶、長江中下游農(nóng)業(yè)氣候區(qū)，年平均氣溫16.5 ℃，年均降水量約1 095 mm，年均日照時(shí)數(shù)1 718 h。受夏季風(fēng)影響，每年4-10月常發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害。地下水位較淺，約為3 m。該區(qū)農(nóng)作物主要為冬小麥、水稻、玉米、油菜等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共24個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積4 m2(2 m×2 m)，深1 m。每個(gè)小區(qū)底部布設(shè)有灌排一體系統(tǒng)，水管包裹一層海綿，四周墊有20 cm厚的谷殼，谷殼外面墊有10 cm厚的細(xì)沙，起到反濾的作用。小區(qū)表面布設(shè)有灌水系統(tǒng)，可從底部和上部2個(gè)方向灌溉。小區(qū)內(nèi)除水管附近為70 cm土層外，其余部位均為100 cm土層，小區(qū)內(nèi)土壤為中壤，取自旱地，按等土壤密度分層回填，0～30 cm土壤pH值7.6，堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為69.4、28.7和118.7 mg·kg-1。

選擇在江漢平原廣泛栽培的冬小麥品種鄂麥596和西農(nóng)979作為供試材料，2017年11月6日播種。播種前每小區(qū)撒施復(fù)合肥300 g(N∶P2O5∶K2O= 18∶8∶15)，施肥后混勻20 cm表層土壤。播種量為13.5 g·m-2，采用條播方式，行距為25 cm，每小區(qū)9行。在返青期每小區(qū)撒施尿素50 g。在冬小麥開花后(4月10日開始)分別對(duì)兩個(gè)冬小麥品種進(jìn)行不同時(shí)間長度的漬水處理(0、5、9、13和17 d)。漬水處理為田間低洼處有明水，且土壤含水率保持在田間持水率的90%以上，達(dá)到設(shè)定漬澇時(shí)間后3 d將地下水位降到70 cm以下。同時(shí)，設(shè)定對(duì)照(CK，漬水時(shí)間為0 d)，將小區(qū)內(nèi)土壤水分保持在田間持水率的70%～80%(即大田正常水分管理要求的土壤水分含量)。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),其中漬水13和 17 d處理各重復(fù)3次，其余處理各重復(fù)2次。在漬水處理之前，在每小區(qū)選擇同一天開花、生長整齊的穗子50個(gè)進(jìn)行掛牌標(biāo)記，用于測(cè)定冬小麥籽粒的千粒重。

1.3 樣品采集與測(cè)定

2018年4月28日12：00-13：00進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。冬小麥冠層圖像采用數(shù)碼相機(jī)(SONYNEX-5R , SONY Inc., Tokyo, Japan)拍攝。為每次獲得相同的采樣面積，照片采集前先把100 cm×75 cm的矩形框放在所要拍攝的樣區(qū)位置，將相機(jī)垂直于冬小麥冠層高度1 m處進(jìn)行拍攝，相機(jī)采用自動(dòng)白平衡和多點(diǎn)自動(dòng)對(duì)焦模式，同時(shí)設(shè)置為光圈優(yōu)先自動(dòng)曝光。拍攝時(shí)保證相片覆蓋整個(gè)矩形框，提取矩形框內(nèi)區(qū)域作為該樣區(qū)的冠層圖像。

每個(gè)小區(qū)選取10片旗葉，采用SPAD502測(cè)定SPAD值，每片葉為一個(gè)重復(fù)，每片葉測(cè)定8個(gè)點(diǎn)取平均值。小麥成熟收獲后，測(cè)定冬小麥含水量進(jìn)行干重?fù)Q算，以獲取最終產(chǎn)量。收獲掛牌標(biāo)記的冬小麥穗子，統(tǒng)計(jì)粒數(shù)，然后將籽粒置烘箱中105 ℃殺青0.5 h，80 ℃烘至恒重，稱其干重，并換算出千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

DX=Xnormal-Xwaterlogging

(1)

式(1)中，DX分別代表SPAD值、產(chǎn)量、千粒重和圖像特征指數(shù)的減少量；Xnormal和Xwaterlogging分別代表對(duì)照區(qū)和受漬區(qū)冬小麥SPAD、產(chǎn)量、千粒重和圖像特征指數(shù)。

表1 圖像特征指數(shù)計(jì)算Table 1 Indices of image evaluated in this study

2 結(jié)果與分析

2.1 漬水對(duì)冬小麥SPAD、產(chǎn)量和千粒重的影響

由圖1可見，短期漬水(5 d)對(duì)冬小麥SPAD值和產(chǎn)量影響不明顯；當(dāng)漬水時(shí)間大于5 d時(shí)，SPAD值和產(chǎn)量均隨漬水時(shí)間的增加而大幅下降；當(dāng)漬水時(shí)間大于13 d時(shí)，其變化均不明顯。千粒重則隨漬水時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)。

圖1 不同漬水時(shí)間處理下冬小麥SPAD、產(chǎn)量和千粒重的變化

2.2 冬小麥漬害圖像特征及其與SPAD值、產(chǎn)量和千粒重的相關(guān)性

相關(guān)分析(表2)表明，16個(gè)圖像特征指數(shù)中有9個(gè)(R、NRI、NGI、NGRDI、GMR、EXR、EXG、CIVE、GRVI)與漬水時(shí)間有極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)最高達(dá)到0.89。其中，R、NRI、EXR、CIVE與漬水時(shí)間呈極顯著正相關(guān)，而NGI、NGRDI、GMR、EXG、GRVI與漬水時(shí)間呈極顯著負(fù)相關(guān)。同時(shí)，這9個(gè)指數(shù)與SPAD值、產(chǎn)量、千粒重相關(guān)極顯著，其相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值最大分別達(dá)到0.92、0.85、0.91。其中，R、NRI、EXR、CIVE與SPAD值、產(chǎn)量、千粒重呈負(fù)相關(guān)，而NGI、NGRDI、GMR、EXG、GRVI與SPAD值、產(chǎn)量、千粒重呈正相關(guān)。因此，可以基于這9個(gè)圖像特征指數(shù)建立冬小麥SPAD值、產(chǎn)量和千粒重的估算模型。

表2 冬小麥圖像特征指數(shù)與漬水時(shí)間和主要生長參數(shù)的相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlation of the image indices and the main growth parameters of winter wheat

**:P<0.01;*:P<0.05;n=24.

2.3 基于圖像特征指數(shù)的冬小麥漬害災(zāi)損估算

表3 基于9種圖像特征指數(shù)差異值的冬小麥SPAD、產(chǎn)量和千粒重的災(zāi)損估算結(jié)果Table 3 Estimation results of winter wheat SPAD, yield and thousand kernel weight reduction based on the nine indices

3 討 論

冬小麥本身具有一定耐漬性，但當(dāng)漬害脅迫超出其自身調(diào)節(jié)閾值時(shí)，葉片部分光合結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的破壞，其葉綠素含量逐漸減少，主要表現(xiàn)為葉片加速發(fā)黃、萎蔫，且隨著受漬時(shí)間的延長，冬小麥產(chǎn)量、千粒重、穗粒重、穗長等指標(biāo)逐漸降低[22-24]。已有研究表明，冬小麥生長中后期的漬害可使其減產(chǎn)18%～63%[24]。本研究中，孕穗期漬水5～17 d，冬小麥減產(chǎn)2%～59%，這與前人研究結(jié)果相近。千粒重的下降是漬害脅迫后冬小麥減產(chǎn)的主要原因之一[25]。本研究表明，孕穗期漬水導(dǎo)致冬小麥旗葉SPAD值降低，從而影響光合作用和干物質(zhì)積累，這與前人研究結(jié)果基本一致。佟漢文等[25]也認(rèn)為，漬水脅迫對(duì)冬小麥SPAD值、產(chǎn)量和千粒重的抑制作用最明顯。因此，本研究基于這三個(gè)參數(shù)，來分析利用數(shù)字圖像技術(shù)監(jiān)測(cè)冬小麥漬害的可行性。

目前，數(shù)字圖像作為可見光光譜遙感最易獲取的數(shù)據(jù)源之一，在作物長勢(shì)、雜草識(shí)別、病蟲害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本研究將數(shù)字圖像技術(shù)引入作物漬害監(jiān)測(cè)中，與傳統(tǒng)的作物漬害監(jiān)測(cè)方法相比，基于數(shù)字圖像技術(shù)來研究作物受害程度的方法具有很多優(yōu)勢(shì)，其實(shí)時(shí)、快速、方便、無損的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足。本研究結(jié)果顯示，圖像特征指數(shù)R、NRI、EXR和CIVE隨漬水時(shí)間的增加極顯著上升，而NGI、NGRDI、GMR、EXG和GRVI則極顯著下降。主要原因是冬小麥在孕穗期和灌漿期受到漬水脅迫時(shí)，葉綠素水解加快，葉黃素合成增加[26]，最明顯的響應(yīng)是葉片失綠黃化，具體表現(xiàn)為基部1～3片葉逐漸干枯，旗葉也逐漸變黃。

本研究基于數(shù)字圖像特征進(jìn)行了冬小麥漬害災(zāi)損監(jiān)測(cè)研究。通過利用不同受漬時(shí)間的冬小麥數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，對(duì)圖像特征指數(shù)與冬小麥SPAD值、產(chǎn)量、千粒重之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了分析，并建立基于圖像特征指數(shù)差值的SPAD值、產(chǎn)量、千粒重災(zāi)損估算模型，間接監(jiān)測(cè)不同受漬時(shí)間下作物災(zāi)損狀況，結(jié)果表明利用冬小麥冠層圖像數(shù)據(jù)可以有效監(jiān)測(cè)漬害脅迫下冬小麥災(zāi)損程度。由于冬小麥災(zāi)損程度隨品種、土壤類型、土壤肥力、灌溉條件和受漬時(shí)期的不同而有所差異，而后續(xù)研究可將這些影響因素考慮進(jìn)去，以提高漬害脅迫下作物災(zāi)損監(jiān)測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)受災(zāi)作物快速、無損、高效監(jiān)測(cè)的目的。