不同氮肥条件下冬小麦冠层高光谱特征及红边参数变化

程晓娟　李振海　王延仓　宋森楠　冯海宽

摘要：为快速、准确、无损地监测小麦长势和营养状况，对不同氮素处理下4个小麦品种的冠层高光谱信息进行分析，并进行了红边参数与农学组分的相关分析。结果表明，在同一氮肥条件下，同一品种小麦在不同生育期的冠层高光谱反射率差异明显，且在近红外波段的差异大于可见光波段。随着氮肥施用的增加，近红外反射率有明显升高的趋势，而可见光处反射率降低并呈单峰曲线，且随着施氮量的增加反射光谱的红边和绿峰分别发生红移、蓝移。在冬小麦红边参数中，红谷位置、最小振幅及绿峰位置与农学组分之间呈负相关，而其余各红边参数与农学组分之间呈极显著正相关；建立了基于红边振幅的各个组分之间的回归统计模型，且模型较为稳定。

关键词：冬小麦；氮素水平；冠层高光谱；红边参数

中图分类号：S512.1+1；S506.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）05-1004-06

近年来，随着高光谱遥感技术的不断深入发展，使得利用高光谱波段之间的差异对农作物特征进行定量分析得以广泛开展，从而为快速、非破坏性诊断作物营养状况和大面积监测作物长势、遥感估产等提供了重要的手段[1，2]。同一作物或不同作物在不同的环境条件、不同生育期及不同生产管理条件等因素下都会表现出不同的光谱反射特性。许多学者依据植被的这一光谱反射特性做了大量的研究工作。周学秋等[3]、朱雨杰等[4]利用小麦不同生育期和不同灌溉条件的冠层反射光谱特征，找出了最能区分作物不同生育阶段和最佳灌溉的波段。杨长明等[5]对不同株型水稻的冠层光谱反射率进行了研究，结果表明，其冠层光谱反射率之间存在明显差异，并以蓝波段最为明显。氮素作为作物生命活动中不可或缺的大量元素之一，它的亏缺会对作物的代谢过程造成影响。关于氮素胁迫条件下的作物反射光谱的研究也较多。唐延林等[6]、Shilayama等[7]研究了不同氮素水平下的水稻高光谱反射特征，结果表明，缺氮和正常条件下的水稻光谱存在明显差异。一些学者分析提取了氮素胁迫下的冬小麦高光谱特征并研究了氮素胁迫下红边参数的变化规律及用NIR反射率来诊断小麦叶片水分含量[8-12]。李映雪等[13]、Filella等[14]研究分析了不同氮素水平下的小麦冠层高光谱红边特征，结果表明，红边参数与农学参数之间存在较好的关系。刘芳等[15]、杜建军等[16]研究了施肥状况对小麦植株含水量和光合生理特性的影响，表明不同的施肥状况会使小麦叶片水分利用效率发生变化。上述研究主要集中于同一品种的作物在不同氮素条件下的冠层反射光谱特征，而对不同品种在不同生育期、不同氮肥水平下光谱反射特征研究甚少。

本研究利用田间小区试验，分析了4个品种的冬小麦在不同生育期和不同氮素水平下的冠层高光谱反射率和红边参数变化规律及红边参数与小麦农学组分之间的关系，以期为快速诊断作物营养状况及监测作物长势提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2012～2013年在北京市小汤山精准农业示范基地进行，海拔高度36 m。前茬作物为小麦，土壤类型为潮土，底肥施过磷酸钙510 kg/hm2、硫酸钾150 kg/hm2。供试小麦品种为农大211（P1）、中麦175（P2）、京9843（P3）和中优206（P4）。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验设4个氮肥处理，分别为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。小区面积为10 m×9 m，播种行距15 cm。完全随机设计，2次重复，其他管理措施同大田管理。

1.2.2 冠层高光谱测定 在小麦的拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期和乳熟期，采用美国ASD公司生产的Fieldspec -FR Pro2500型地物光谱仪测定不同处理小区冠层高光谱反射率，其视场角为25°，波段范围为350～2 500 nm，间隔为1 nm。光谱测量选择在晴朗无云、风力较小的天气进行，测定时间为10：00～14：00，每个点测10次，取其平均值作为该小区的高光谱反射率。每次测量高光谱前后立即进行参考板校正。

1.2.3 样品分析 在对应测定高光谱的位置进行破坏性取样，取样为2行，行长1 m。将取好的冬小麦植株样品放入密封的塑料袋中，以尽可能地避免植株水分的流失。在实验室内，将茎叶分离，分别称其鲜重，在105 ℃下杀青，然后将所有植株样品在80 ℃烘干24 h以上，直至恒重后再称其干重。氮含量采用凯氏定氮法测定，叶绿素含量采用酒精提取-分光光度计测定，LAI采用LAI2000测定。叶片和植株含水量的计算公式为：

LWC=[（LFWC-LDWC）/LFWC]×100% （1）

VWC=[（VFWC-VDWC）/VFWC]×100% （2）

式中，LFWC为样品叶片的鲜重（g），LDWC为样品叶片的干重（g）；VFWC为样品植株的鲜重（g），VDWC为样品植株的干重（g）。

1.2.4 红边参数计算及处理 红边参数包括红边位置（REP）、红谷位置（L0）、红边宽度（Lwidth）、红边振幅和最小振幅、红边振幅与最小振幅的比值、红边峰值面积及绿峰位置。为了简便地分析红边特征，利用倒高斯模型模拟小麦的红边特征[12]。倒高斯模型可以很好地模拟植被地物在670～780 nm的反射光谱，其定义如下：

R（λ）= Rs-（Rs-R0）exp[■] （3）

REP=L0+Lwidth （4）

利用R0和Rs对红边处的光谱进行对数变换，然后在670～780 nm范围内用最小二乘法估计模型参数REP和Lwidth。其对数变换公式为：

B（λ）={-ln[■]}■=a1λ+a0 （5）

式中，R0为叶绿素吸收谷的冠层高光谱反射率；Rs为红肩处（680～780 nm范围内冠层高光谱反射率最大值处）的高光谱反射率； L0是红谷位置；REP为红边位置；Lwidth为红边宽度，也即为红边位置与红谷位置之差。B（λ）为小麦冠层红边光谱对数变换后的取值，对B（λ）和λ进行线性拟合，那么就得到公式（5）中a1的和a0，则

L0=-■ （6）

Lwidth=-■ （7）

红边振幅：当波长为红边时的一阶微分值。

最小振幅：波长680～750 nm范围的一阶微分最小值。

红边峰值面积：680～750 nm范围的光谱一阶微分值所包围的面积。

绿峰位置：520～560 nm范围的光谱一阶微分最大值。

2 结果与分析

2.1 不同小麦品种冠层高光谱反射率差异

对正常施氮水平条件下的2次重复的4个品种进行光谱分析（图1）。不同小麦品种间冠层高光谱反射率存在差异，但是反射率光谱曲线的基本走势一样，只是表现为反射率不同。在可见光部分，中麦175的反射率最低；在近红外区域表现为中优206的冠层高光谱反射率最大，2次重复的结果均一致。各个品种间的冠层高光谱反射率的差异可能是不同的株型和株高造成的。

2.2 不同生育期小麦冠层高光谱反射率的变化规律

4个小麦品种在田间的长势有所不同，但是它们的冠层高光谱反射率随生育期的变化规律都一致。这里以农大211为例来分析小麦冠层高光谱反射率随生育期的变化规律。从图2可以看出，小麦不同生育期的冠层高光谱反射率存在差异，在近红外部分的差异明显大于可见光部分。从孕穗期到开花期，可见光部分的冠层高光谱反射率先升高再降低，而在近红外部分的冠层高光谱反射率呈下降的趋势，近红外波段以孕穗期冠层高光谱反射率最高；到了灌浆期，小麦冠层高光谱反射率在近红外波段迅速下降，而可见光部分的冠层高光谱反射率有所上升，可能是随着生育期的推进，小麦叶片开始变黄，导致在可见光部分的冠层高光谱反射率上升；到了小麦乳熟期，其在可见光部分的冠层高光谱有异于其他三个生育期，冠层高光谱反射率在绿光波段550 nm左右无反射峰出现。

2.3 不同氮肥条件下的小麦冠层高光谱反射特征

孕穗期是小麦高光谱遥感研究作物长势和养分诊断的最佳时期，以农大211孕穗期为例来分析在4个施氮水平条件下的小麦冠层高光谱响应。从图3a可以看出，不同施氮量的冠层高光谱响应近红外部分的差异明显大于可见光部分，尤其是在近红外波段的750～1 250 nm反射率随着氮肥水平的增加而升高。而在可见光波段，无氮处理和其他三个施氮水平的反射率差异较大。单独对可见光部分（350～650 nm）作图（图3b）分析可知，在350～650 nm的可见光部分冠层高光谱反射率呈现单峰曲线，4种施氮水平下反射率最大均在550 nm附近，表现出叶绿素的强吸收特性。

2.4 蓝移和红移现象分析

“绿峰”和“红边”是可见光波段植被的两个主要光谱反射特征，它们的位置反映了植被的生长状况。从图4a可以看出，高光谱反射率的一阶微分数随施氮量的增加而变大，波长向长波方向移动（图4b），也即是发生了“红移”现象。随着施氮量的增加，绿峰波长的变化与红边位置的变化正好相反，在绿峰位置处的高光谱反射率的一阶微分随施氮量增加变小，波长向短波方向移动，也就是发生了“蓝移”现象（图4c和图4d）。

2.5 红边参数与各农学组分之间的关系

从表1可以看出，在冬小麦红边参数中红边振幅与农学组分之间的相关性要优于其他参数。除了红谷位置与叶片含水量关系较差外，红谷位置与其他农学组分、最小振幅和绿峰位置与所有农学组分之间呈极显著负相关，而其余各红边参数与农学组分之间呈极显著正相关（表1）。叶片含氮量和植株含氮量与红边位置、红边宽度、红边振幅和红边峰值面积呈极显著正相关，可以通过这些红边参数来预测氮含量，且叶片含氮量与红边参数之间的关系优于植株含氮量与红边参数的关系。叶面积指数与红边位置、红边宽度、红边振幅和红边峰值面积呈极显著正相关，而与红谷位置、最小振幅和绿峰位置呈极显著负相关关系。叶片含水量和植株含水量与红边位置、红边宽度、红边振幅和红边峰值面积呈极显著正相关，而与最小振幅和绿峰位置呈极显著负相关，且这些组分与植株含水量的相关性优于与叶片含水量的相关性。用最优红边参数为自变量（x），各农学组分为因变量（y）建立拟合方程如图5所示。

红边振幅与叶片含氮量、植株含氮量和植株含水量具有较为稳定的关系，其相关系数分别为0.916，0.901和0.884；红边峰值面积与叶面积指数和叶片含水量具有较好的关系，其相关系数分别为0.854和0.713；红边宽度与总生物量之间存在较好的相关关系，相关系数为0.825。因此，可以利用红边参数快速、无破坏地诊断小麦营养状况。

3 结论

研究结果显示，不同品种之间的小麦冠层高光谱反射率存在差异，且在近红外部分的差异明显大于可见光部分。小麦冠层高光谱反射率在不同的生育期也有明显的变化，且在近红外波段的变化要大于可见光波段。从孕穗期到开花期，可见光部分的反射率先升高再降低，而在近红外部分的反射率呈下降的趋势，近红外波段以孕穗期冠层高光谱反射率最高。在灌浆期，近红外部分的反射率迅速下降，而可见光部分的反射率有所上升，随着生育期的进一步推进，到了乳熟期小麦在可见光部分单峰现象消失。

不同施氮量的高光谱响应，近红外部分的差异明显大于可见光部分，在近红外波段反射率随着氮肥水平的增加而升高，而在可见光波段4个施氮水平的反射率都很小，差异不明显。小麦冠层高光谱反射率的红边位置、绿峰位置随着施氮量的增加都有所变化，随着施氮量的增加，高光谱反射率的一阶导数随施氮量的增加而变大，波长向长波方向移动，发生“红移”现象，而绿峰波长变短，向蓝光方向移动，发生“蓝移”现象。发生这些现象的原因是由于随着施氮水平提高，叶绿素含量增加的缘故。但是氮肥水平达到一定程度时，叶绿素的含量反而会降低，影响作物的正常生长。

上述研究的结果仅是基于不同小麦品种之间关键生育期的冠层高光谱反射特征分析的，虽然部分消除了品种之间的差异，但是红边参数的反射率信息是整个冠层信息的综合，而农学组分是部分叶片的，可能无法代表整个冠层的信息，如何定性和定量分析各种因素的影响还有待进一步研究。

参考文献：

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上述研究的结果仅是基于不同小麦品种之间关键生育期的冠层高光谱反射特征分析的，虽然部分消除了品种之间的差异，但是红边参数的反射率信息是整个冠层信息的综合，而农学组分是部分叶片的，可能无法代表整个冠层的信息，如何定性和定量分析各种因素的影响还有待进一步研究。

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