不同水氮条件下冬小麦高光谱特征差异性分析

姚付启，蔡焕杰,孙金伟，乔 伟

(1.长江科学院 a.农业水利研究所;b.水土保持研究所,武汉 430012;2.西北农林科技大学 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

不同水氮条件下冬小麦高光谱特征差异性分析

姚付启1a,2，蔡焕杰2,孙金伟1b，乔 伟1a

(1.长江科学院 a.农业水利研究所;b.水土保持研究所,武汉 430012;2.西北农林科技大学 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

在2010—2011年冬小麦生长季，通过大田小区试验，利用ASD便携式野外光谱仪实测了不同水氮条件下冬小麦冠层高光谱反射率，并对不同叶面积指数(LAI)、叶绿素含量(SPAD值可以表征叶绿素含量)及不同水氮胁迫下光谱特征进行了分析。结果表明：随着LAI和SPAD值的增大，“绿峰”与“红谷”特征愈加明显；不同水氮胁迫使冬小麦高光谱特征产生差异，在不同灌溉条件下，冬小麦在可见光波段的反射率随氮素含量的减小而升高；而在近红外波段，规律则正好相反。成果可为遥感准确检测冬小麦生长状况与节水灌溉提供科学依据。

冬小麦；光谱特征；水氮胁迫;叶面积指数；叶绿素含量

1 研究背景

20世纪 80年代兴起的高光谱分辨率遥感技术，充分利用地物光谱信息，能获取地物微弱光谱信息，因此，高光谱分辨率遥感广泛应用到各个领域。在农业信息化和精准农业领域，可以利用高光谱遥感技术，快速、无损、周期性地对农田信息进行实时监测，掌握作物生长情况，为农业生产提供重要依据。

作物反射光谱是建立地面光谱与遥感图像之间关系的桥梁，是对作物进行遥感研究和各种模拟的基础数据。各种环境胁迫，如干旱等都会使作物反射特征发生变化，通过监测作物冠层反射特征可以了解作物的生长状况。对于作物冠层光谱特征的分析，国内外已有研究。Colwell[1]分析并指出作物冠层反射率特征的可能影响因素。唐延林等[2]研究了水稻、玉米、棉花的高光谱特征；方慧等[3]研究了油菜叶片的光谱特征；孙红等[4]研究了冬小麦生长期光谱变化特征。

冬小麦作为重要的粮食作物之一，科研人员对其光谱特征进行了大量研究。Kanemasu[5]研究了小麦在不同时期的冠层光谱特征；国内的学者在冬小麦条锈病高光谱特征[6]、冬小麦冻害光谱特征[7]、病虫害光谱特征[8]、不同种植密度下春小麦光谱特征[9]等方面做了深入研究，而对于不同水氮条件下冬小麦高光谱特征研究偏少[10]。在西北干旱、半干旱地区，如何准确快速判断冬小麦长势与农田干旱胁迫程度，作为研究课题显得尤为重要。本研究着重分析了不同水氮条件下冬小麦生态参数叶面积指数(LAI)和叶绿色含量(SPAD值)的变化，不同生态参数下高光谱特征的响应，以及不同水氮条件下冬小麦高光谱特征，以期为遥感准确检测冬小麦生长状况与节水灌溉提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 试验地概况

试验在西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室的灌溉试验站(东经108°24′，北纬34°18′，海拔521 m)进行。该站位于陕西省关中地区，地下水埋深较大，所以忽略地下水补给量。该站属于大陆性暖温带季风气候，全年平均无霜期212 d，多年平均气温12.9 ℃，多年平均降水量635.1 mm，年均蒸发量1 500 mm。试验地土壤质地为中壤土，1 m土层平均田间持水量为23%～25%，凋萎含水率为8.5%(以上均为质量含水率)，平均干密度为1.44 g/cm3。耕层土壤(0～25 cm)的基本肥力质量分数(肥力质量分数是指1 kg土壤中肥力的质量含量)为：土壤有机质15.28 g/kg，全氮0.87 g/kg，全磷0.74 g/kg，全钾17.64 g/kg，速效磷80.5 mg/kg，硝态氮85.32 mg/kg。土壤肥力中等偏上。

2.2 试验设计

供试验作物为冬小麦，品种为“小偃 22号”、“秦农142”、“郑麦9023”。试验设4个施肥水平，分别为0，60，120，180 kg/hm2纯氮，五氧化二磷240 kg/hm2，播种时一次全部施入。设置2个灌溉水平，分为充分灌溉、水分亏缺。小麦于2009年10月17日播种，2010年3月3日返青，6月9日成熟收获；2010年10月17日播种，2011年3月6日返青， 6月7日成熟收获。试验为随机区组排列，试验小区面积为3 m×4 m，行距25 cm，设4个重复。

2.3 光谱测量

采用美国ASD便携式野外光谱仪(ASD FieldSpec HandHeld)对冬小麦冠层进行光谱测定，光谱仪波段范围为325～1 075 nm，光谱分辨率3.5 nm，光谱采样间隔1.6 nm，视场角25°。选择天气晴朗、无风或者风力很小时于北京时间11：00—13：00进行光谱测定。2010年，在各生育期分别做4次光谱测量；2011年，各生育期内分别做3次光谱测量。各处理测定前后进行参考板校正，测量时传感器探头垂直向下，据冠层垂直高度1 m。每个处理光谱值重复采集10次，把10组数据的平均值作为该样品最终光谱反射率。

2.4 生态参数测定

2.4.1 冬小麦LAI采集

冠层光谱测定之后，数出光谱测量范围内的小麦株数，然后在这些小麦中选取长势均匀具有代表性的10株小麦贴根割下来，把所有叶片裁下，平铺在一个以黑布为背景的铁圈内(铁圈大小和光谱仪的视场范围一致)，以数码相机对取下的叶片垂直拍照。利用GIS方法求得光谱测量范围内的小麦叶面积指数，并作为该小区的一个叶面积指数值。

2.4.2 叶绿素含量测量

叶绿素仪主要利用650 nm和940 nm中心波段叶片透射率进行叶片叶绿素含量的测定，其读数SPAD值可以较好地表征叶片绿度，近年来在不同作物中取得了良好的应用效果。使用叶绿素计测定冬小麦的叶绿素含量是完全可行的，在一定条件下可代替叶绿素含量的直接测定。本文即用便携式叶绿素仪SPAD-502测定SPAD值代替叶绿素含量。待冠层光谱测定之后，用便携式叶绿素仪SPAD-502在光谱测量范围内均匀地测量20个值，求取平均值作为此小区的一个叶绿素含量。

3 结果与分析

3.1 不同试验条件下冬小麦LAI和SPAD值的变化

3.1.1 不同品种、不同氮素、不同水分条件下冬小麦LAI的变化

由表1可知，在不同品种、不同水氮条件下，从返青期开始，冬小麦LAI开始增大，抽穗期时LAI达到最大值。抽穗期到灌浆期(灌浆期是指冬小麦的一个生育期，这个阶段，小麦籽粒开始充实)，冬小麦LAI开始减少，到成熟期，减少到最小值。不同品种、不同氮素和不同水分条件下冬小麦LAI均随着生育期的推进呈现先增大后减少的变化趋势。之所以出现这种情况，是因为进入返青期后，冬小麦单株叶面积迅速增加，抽穗期冬小麦所有叶片均已长出，且植株总茎数也处于最高值。随着时间的推移，小麦植株底部的叶片逐渐枯黄，绿叶面积减少，成熟时叶片基本全部枯黄。在不同试验条件下同生育期内也存在差异，同氮条件下，充分灌溉条件下3个品种的冬小麦LAI大于水分亏缺条件下冬小麦LAI。同灌溉条件下，随着施氮量的增加，3个品种的冬小麦LAI均有增大的趋势。造成此现象的原因是水分亏缺或者施氮量的多寡影响了冬小麦的生长。在同氮情况下，水分亏缺阻碍了冬小麦的生长，叶面积相应减少；在同灌溉条件下，施肥量增加，冬小麦生长愈加茂盛，叶面积相应增加。

3.1.2 不同品种、不同氮素、不同水分条件下冬小麦SPAD值的变化

由表1可知，在不同品种、不同水氮条件下，冬小麦SPAD值随着生育期的变化均呈现先增大后减少的变化趋势。从返青期开始，冬小麦SPAD值开始增大，灌浆期时达到最大值，成熟期时，SPAD值已经变得很小。造成此种现象的原因：返青期后，冬小麦营养生长加快，光合作用加强，叶绿素含量增加。而随着生育期的推进，冬小麦开始变黄，叶绿素开始分解，叶绿素含量降低。

3个品种的冬小麦SPAD值在各生育期内均随着施氮量的增加而提高。在不同试验条件下冬小麦SPAD值也存在差异。在相同氮处理条件下，充分灌溉条件冬小麦SPAD值要大于水分亏缺条件下冬小麦SPAD值。同灌溉条件下，随着施氮量的增加，

表1 不同品种、不同氮素、不同水分条件下冬小麦LAI和SPAD的变化Table 1 LAI and SPAD of winter wheat of different species with different nitrogen and moisture levels

3个品种的冬小麦SPAD值均有增大的趋势。出现此种现象，是因为水分亏缺和氮素影响了冬小麦SPAD值。同氮处理条件下，水分亏缺影响了冬小麦生长，叶绿素含量降低；由于氮素和叶绿素含量密切相关，同灌溉条件下，施氮量的增加，对应着SPAD值的增大。

图1 不同LAI下的冬小麦原始光谱Fig.1 Spectral reflectance of winter wheat canopy in the presence of different LAI

3.2 不同生态参数的冬小麦高光谱特征

3.2.1 不同LAI下的冬小麦冠层高光谱特征

作物冠层反射光谱是作物、土壤、大气、水分等多个因子综合形成的，其反射率受作物本身、田间杂草、植被覆盖度、作物水分、土壤状况和大气等多个因素的影响。图1所示为不同LAI条件下冬小麦冠层高光谱特征。不同LAI条件下，冬小麦冠层高光谱特征类似，形成“峰”、“谷”特征。在可见光区域(400～700 nm)植物叶片的反射和透射都很低，存在2个“吸收谷”和1个“反射峰”，即450 nm的蓝光、650 nm的红光和550 nm的绿光。在图1中，550 nm附近能看到一个凸起的反射峰，两边有一个低反射率区间，形成吸收谷。“吸收谷”是色素对蓝光和红光的强吸收造成的，而“反射峰”则是由于绿光的弱反射造成的，所以植物通常呈暗绿色。在680～740 nm波段，冬小麦光谱反射率急剧上升形成植被光谱最重要的特征——“红边”。这是因为叶肉内的海绵组织结构内有很大反射表面的空腔，且细胞内的叶绿素呈水溶胶状态，具有强烈的红外反射。但是不同LAI条件下，冬小麦冠层高光谱特征产生差异。当冬小麦LAI偏小时(如0.31)，冬小麦冠层光谱在可见光区的绿峰不明显，这是由土壤背景造成的。随着LAI的增大，绿峰特征愈加明显，红谷也越深。

图2 不同SPAD值下的冬小麦原始光谱Fig.2 Spectral reflectance of winter wheat canopy in the presence of different SPAD values

3.2.2 不同叶绿素含量下的冬小麦冠层高光谱特征

图2为不同SPAD值下的冬小麦冠层高光谱特征。由图2可知，不同SPAD值下，冬小麦冠层高光谱特征类似，形成“峰”、“谷”特征。但是不同SPAD值下，冬小麦冠层高光谱特征也产生差异。当冬小麦叶绿素含量偏小时(如值39.3)，冬小麦冠层光谱在可见光区的绿峰不明显，随着叶绿素含量的增大，绿峰特征愈加明显，红谷也越深。这是由于叶绿素绿光区的弱反射造成的。

3.3 不同水氮条件下冬小麦高光谱特征

不同氮素、不同水分条件对冬小麦冠层高光谱特征的影响，以抽穗期冬小麦“小偃22”为例，简要说明一下各处理间的差异(图3)。由图3知，灌浆期，不同氮素水平下的充分灌溉、水分亏缺的冬小麦光谱特征趋势一致，同时存在差异。差异主要表现在反射率不同：在充分灌溉条件下，不同氮素下的冬小麦在可见光波段的反射率随氮素含量的减小而升高；而在近红外波段，冬小麦光谱反射率随氮素含量的减少而降低。水分亏缺条件下出现的规律大致为不同氮素下的冬小麦在可见光波段的反射率随氮素含量的增加而降低；而在近红外波段，冬小麦光谱反射率随氮素含量的增加而升高。其他2种冬小麦均产生类似的规律，这里不再赘述。

图3 抽穗期不同水氮条件下冬小麦“小偃22”光谱特征Fig.3 Spectral reflectance of winter wheat canopy with different moisture and nitrogen levels at heading stage

4 结 论

本文通过对野外田间不同水氮条件下的冬小麦冠层反射光谱数据的获取与分析，得到如下结论：

(1) 不同品种、不同氮素和不同水分条件下冬小麦LAI和SPAD值均随着生育期的推进呈现先增大后减少的变化趋势。同氮条件下，充分灌溉条件下3个品种的冬小麦LAI和SPAD值大于水分亏缺条件下冬小麦LAI和SPAD值。同灌溉条件下，随着施氮量得增加，3个品种的冬小麦LAI和SPAD值均有增大的趋势。

(2) 不同LAI和SPAD值下冬小麦冠层高光谱特征产生差异。当冬小麦LAI和SPAD值偏小时，冬小麦冠层光谱在可见光区的绿峰不明显，随着LAI和SPAD值的增大，绿峰特征愈加明显，红谷也越深。

(3) 不同水氮处理使冬小麦高光谱特征在近红外区产生差异。光谱特征出现这种差异，与影响光谱特征的冬小麦生理生态指标(叶面积、覆盖度、叶绿素含量等)有关，随着水氮素胁迫程度的加大，冬小麦生理生态指标随之减小。

[1] COLWELL J E.Vegetation Canopy Reflectance[J].Remote Sensing of Environment,1974,3(3): 175-183.

[2] 唐延林，黄敬峰，王秀珍，等.水稻,玉米,棉花的高光谱及其红边特征比较 [J].中国农业科学,2004,37(1): 29-35.(TANG Yan-lin,HUANG Jing-feng,WANG Xiu-zhen,etal.Comparison of the Characteristics of Hyperspectra and the Red Edge in Rice,Corn and Cotton[J].Scientia Agricultura Sinica,2004,37(1): 29-35.(in Chinese))

[3] 方 慧，宋海燕，曹 芳，等,油菜叶片的光谱特征与叶绿素含量之间的关系研究[J].光谱学与光谱分析,2007,27(9): 1731-1734.(FANG Hui,SONG Hai-yan,CAO Fang,etal.Study on the Relationship Between Spectral Properties of Oilseed Rape Leaves and Their Chlorophyll Content[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2007,27(9): 1731-1734.(in Chinese))

[4] 孙 红，李民赞，张彦娥，等,不同施氮水平下玉米冠层光谱反射特征分析[J].光谱学与光谱分析,2010,(1): 715-719.(SUN Hong,LI Min-zan,ZHANG Yan-e,etal.Spectral Characteristics of Corn under Different Nitrogen Treatments[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2010,(1): 715-719.(in Chinese))

[5] KANEMASU E T.Seasonal Canopy Reflectance Patterns of Wheat,Sorghum,and Soybean[J].Remote Sensing of Environment,1974,3(1):43-47.

[6] 黄木易，王纪华，黄文江，等,冬小麦条锈病的光谱特征及遥感监测[J].农业工程学报,2004,19(6):154-158.(HUANG Mu-yi,WANG Ji-hua,HUANG Wen-jiang,etal.Hyperspectral Character of Stripe Rust on Winter Wheat and Monitoring by Remote Sensing[J].Transactions of the CSAE,2004,19(6): 154-158.(in Chinese))[7] 李章成，周清波，吕 新，等,冬小麦拔节期冻害后高光谱特征[J].作物学报,2008,34(5): 831-837.(LI Zhang-cheng,ZHOU Qing-bo,LV Xin,etal.Hyperspectral Features of Winter Wheat after Frost Street at Jointing Stage[J].Acta Agronomica Sinica,2008,34(5): 831-837.(in Chinese))

[8] 罗菊花，黄木易，赵晋陵，等.冬小麦灌浆期蚜虫危害高光谱特征研究[J].农业工程学报,2011,27(7): 215-219.(LUO Ju-hua,HUANG Mu-yi,ZHAO Jin-ling,etal.Spectrum Characteristics of Winter Wheat Infected by Aphid in Filling Stage[J].Transactions of the CSAE,2011,27(7): 215-219.(in Chinese))

[9] 王小平，郭 铌，张 凯，等.黄土高原不同种植密度下春小麦冠层和叶片高光谱反射特征[J].生态学杂志,2008,27(7): 1109-1114.(WANG Xiao-ping,GUO Ni,ZHANG Kai,etal.Canopy and Leaf Hyperspectral Reflectance of Spring Wheat under Different Planting Densities in Loess Plateau[J].Chinese Journal of Ecology,2008,27(7): 1109-1114.(in Chinese))

[10]赵春江，黄文江，王纪华，等.不同品种肥水条件下冬小麦光谱红边参数研究[J].中国农业科学,2002,35(8): 980-987.(ZHAO Chun-jiang,HUANG Wen-jiang,WANG Ji-hua,etal.Studies on the Red Edge Parameters of Spectrum in Winter Wheat under Different Varieties,Fertilizer and Water Treatments[J].Scientia Agricultura Sinica,2002,35(8): 980-987.(in Chinese))

(编辑：刘运飞)

Spectral Characteristic of Winter Wheat with Different Waterand Nitrogen Conditions

YAO Fu-qi1,2,CAI Huan-jie2,SUN Jin-wei3,QIAO Wei1

(1.Agricultural Water Conservancy Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430012,China;2.Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid Areas under Ministry of Education,Northwest A &F University,Yangling 712100,China;3.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430012,China)

By field experiments,the hyperspectral reflectance of winter wheat canopy with different moisture and nitrogen conditions during growth periods of 2010 and 2011 was measured by portable field spectrometer ASD.The canopy spectral characteristic in the presence of different leaf area index(LAI) ,different chlorophyll content(SPAD value) and different water and nitrogen stress was analyzed.Results showed that peak of reflectance (green) and valley of adsorption (red) became more obvious with the increase of LAI and SPAD.The hyperspectral reflectance of winter wheat canopy was different in the presence of different water and nitrogen stresses.In the visible light band,the reflectivity increased with the decrease of nitrogen,but reduced in the near-infrared band.The research result could be a scientific support for winter wheat growth detection and water-saving irrigation.

winter wheat;spectral characteristic;water and nitrogen stress;leaf area index;chlorophyll content

2014-12-30；

2015-01-08

国家自然科学基金项目(51309016)；中央级公益性科研院所基本科研业务费资助项目(CKSF2014041/NS)；农业部作物需水与调控重点实验室基金项目(CWRR201401)；湖北省自然科学基金项目(2013CFB401)

姚付启(1981-)，男，山东费县人，工程师，博士，主要从事农业节水与农业信息技术方面的研究，(电话)027-82820495(电子信箱)fuqiyao163@163.com。

蔡焕杰(1962-)，男，河北藁城人，教授，博士生导师，主要从事农业节水和水资源高效利用方面的研究，(电话)029-87082233(电子信箱)caihj@nwsuaf.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.019

S512.11；TP79

A

1001-5485(2015)03-0095-04

2015,32(03):95-98,111