持续受渍对油菜叶片光谱特性的影响

刘莉 +戴黎+雷廷海+徐金刚+段丁丁+熊勤学++苏荣瑞+刘凯文+尤慧+高华东

摘要：针对目前只能用最终产量诊断油菜是否受渍的现实，基于光谱反射曲线能准确反映作物水分胁迫状况，为实现油菜渍害的快速、无损鉴别，通过田间试验，在油菜蕾薹期和花期，利用光谱仪每隔3 d定期采集油菜华油杂668、中双9号2个品种，在不受渍（CK）和充分受渍（地下水近地表）6、9、12、15、18 d后叶片的光谱反射率数据，分析油菜受渍时间对油菜叶片光谱特性的影响。研究结果表明，在花期持续受渍的21 d内，叶片光谱反射率相比未受渍油菜，在550～700 nm及1 400～1 500 nm区间内升高，在750～950 nm区间内降低；其NDVI、NDWI指数基本随受渍时间的增加而降低。通过光谱曲线的一阶导数提取红边位置后发现，当渍害胁迫超出了油菜机体自我调节阈值时，其叶片反射光谱的红边位置随受渍时间的增加发生蓝移现象，且蓝移幅度随渍水时间增加而增大。通过比较油菜品种华油杂668、中双9号在蕾薹期、花期的红边位置，结果表明油菜品种华油杂668的抗渍能力比中双9号强。建议用NDVI、NDWI指数变化，结合红边位置是否蓝移诊断油菜是否受渍。

关键词：油菜；渍害；高光谱遥感；红边参数

中图分类号： S634.301；S127文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）05-0057-04

渍害是指在地下水位长期偏高的区域，由于土壤长时间处于水分过饱和状态，而引起的土壤中水、熱、气及养分状况失调，致使土壤理化特征灾变、肥力下降，从而影响作物生长，甚至危及作物存活的一种灾害现象[1]。渍害是世界性的重大灾害，也是我国主要的自然灾害。它是我国南方平原、湖滨产稻区具有普遍性的一种灾害现象[2]。油菜是我国最重要的油料作物之一，主要分布在长江流域一带，长江流域油菜种植面积占我国油菜总面积的85%左右[3]。而长江流域水资源丰富，地下水位偏高；加上常年温润多雨，使得油菜极易遭受渍害。特别在花果期，当渍害胁迫超出了油菜机体自我调节阈值时，油菜叶片部分光合机构发生不可逆破坏，最终会影响油菜正常生长，引起油菜产量、品质下降[4-9]。目前，作物需水及水分胁迫状况，主要是通过测量植株叶片的气孔导度、叶水势、冠层温度、蒸腾速率、植株茎秆直径的变化等指标间接获得[10]。与这些分析技术相比，高光谱遥感技术分析技术的应用，具有对植株伤害小、数据采集较容易、分析精度高、结果稳定直观、分析结果可大面积应用与推广等优点[11-13]。Carter等研究发现，在近红外波段950～970 nm范围内对应1个弱的水吸收峰，并证明该吸收峰可以监测植物水分含量[14-15]。吉海彦等在1 400～1 600 nm范围内，测量冬小麦叶片的反射光谱，用偏最小二乘法建立了水分含量与反射光谱的模型[16]。贺可勋等研究发现水分胁迫下小麦在生长期前期出现红边位置红移现象，生长期后期出现红边位置蓝移现象[17]。孙莉等研究发现，红边位移现象结合红边幅度变化的研究，用于诊断棉花水分胁迫也是可行的[18]。尹凡利用特征波长指数提取特征波段建立识别模型，能够较好区分部分品种的油菜[19]。张晓东等研究发现，960、1 450、1 650 nm波段的光谱反射率与油菜含水率呈极显著相关[20]。贾方方等研究发现，烟草叶片的红边特征受水分的影响较大，不同水分处理下烤烟叶片的红边一阶导数光谱差异显著，红边位置随土壤水分减少向长波方向移动，发生“红移”现象[21]。目前，国内外相关研究对象主要是水稻、小麦等粮食作物，且作物渍害研究相对较少。利用高光谱遥感分析技术，针对我国主要油料作物油菜受渍后，渍害光谱特征曲线进行分析的研究更少。本研究通过对油菜不同生育时期、不同品种受渍前后的光谱曲线分析，探讨油菜叶片反射光谱随受渍时间、生育期的变化规律，不同油菜品种受渍后叶片反射光谱特征差异，为高光谱特征进行油菜长势评价和受渍状况的鉴定应用提供理论依据。[JP][LM]

1材料与方法

1.1材料

试验在湖北省荆州市荆州区气象局进行，试验油菜品种为半冬性甘蓝型杂交品种华油杂668、常规油菜品种中双9号。生长周期为2015年9月至次年5月，栽种环境为露天。

1.2试验设计

2个品种共设12个处理，分别以不受渍为对照（CK）、蕾薹期（2月16日）受渍时间为6、9、12、15、18 d，花期（3月7日）受渍时间为6、10、14、16、18、20 d；3个重复，小区长2 m、宽2 m，受渍期间保持地下水位埋深小于0.1 m。

1.3分析测定

每个处理挂牌6张叶片（植株上、中、下部各取2张），每张叶片每隔2 d中午用ASD公司出产的FieldSpec4 Wide-Res Field Spectrum radiometer便携式地物光谱仪进行光谱采集3条光谱曲线，其光谱观测范围为350～2 500 nm；光谱分辨率为1 nm@700 nm、30 nm@1 400，2 100 nm；波谱在350～1 000 nm光谱区采样间隔为1.4 nm，在1 001～2 500 nm光谱区采样间隔为2 nm。雨天延后。

1.4数据分析

运用ViewSpec Pro软件，将每个处理的反射率光谱曲线取平均值作为该处理的叶片光谱特征数据。

红边位置计算。红边位置是植被光谱主要特征之一，是指对光谱数据一阶导数最大值所对应的波长，绿色植物的一阶导数最大值通常出现在红光范围680～760 nm，称之为红边位置，作物在受到水分胁迫通常会蓝移和红移，它是反映作物光谱变化的重要特征量，其中一阶导数光谱曲线的计算公式如下：

2结果与分析

2.1受渍时间对油菜叶片光谱反射率变化的影响

华油杂668油菜，在花期未受渍时和持续受渍的21 d，其叶片光谱反射率的变化见图1。可知受渍后的叶片不同光谱区域对水分胁迫的响应特征不太一致。主要表现为：在 550～700 nm区间内叶片光谱反射率升高，750～950 nm区间内反射率降低，1 400～1 500 nm区间内反射率升高。

由此，运用公式（2）和公式（3）计算NDVI指数和NDWI指数，得到其不同受渍天数后，其值的变化规律

NDVI是一个能反映植被的叶绿素、叶片水分含量等信息的综合植被指数， 而NDWI能有效地提取植被冠层水分含量，灵敏地响应植被受水分胁迫的信息[24-26]。刘小磊等研究发现，林地的NDVI、NDWI变化趋势与相对湿度变化趋势相似[25]；Chen等利用NDWI反演玉米和大豆的冠层水分含量，玉米冠层含水量与NDWI有较好的线性关系[26]。从图2可以看出，华油杂668在持续受渍8 d（蕾薹期）、2～3 d（花期）后，其NDVI、NDWI指数基本随受渍时间的增加而明显降低。可能是当渍害胁迫超出了油菜机体自我调节阈值时，油菜叶片的叶绿素含量减少，表现为受渍叶片较正常植株加速发黄，水势降低叶片加速萎蔫导致。同时华油杂668耐渍时间蕾薹期大约为8 d，花期耐渍能力差，只有2～3 d。

[HTK]2.2受渍时间对油菜红边位置的影响[HT]

运用公式（1）计算每个处理的红边位置，得到华油杂668油菜在蕾薹期随时间的变化曲线（图3），随渍水时间的延长，红边位置较对照（即正常植株），发生红移现象，但红移幅度在减小。这可能与品种自身的抗渍能力有关，朱建强等之前研究表明，油菜春季短期7 d以内受渍对产量影响不大。而在渍水大约11 d时，发生蓝移现象，蓝移幅度随渍水时间增加而增大[27]。在花期整個生育期内，华油杂668随渍水时间的延长，红边位置相较对照发生明显的蓝移现象，且蓝移幅度随渍水时间增加而增大。[FL）]

相关学者研究表明，植物叶绿素含量、生物量、物候变化、冠层结构、叶片结构等因素都能使红边位置和红边幅值发生改变[23]。由此可推断，当渍害胁迫超出了油菜机体自我调节阈值时，油菜叶片部分光合机构发生不可逆破坏，影响油菜正常生长[28]，最终导致受渍油菜光谱曲线的红边位置相较对照发生蓝移现象，蓝移幅度随渍水时间增加而增大。该结论与张晓东等在小麦[20]、孙莉等在棉花[18]、贾方方等在烟草上的观点[21]大致一致。

2.3不同油菜品种受渍后叶片光谱红边位置特征比较

与华油杂668油菜相似，蕾薹期，中双9号随渍水时间延长，红边位置较对照发生明显的蓝移现象，且蓝移幅度随渍水时间增加而增大（图4）。在渍水等条件相同情况下，华油杂668与中双9号比较，在蕾薹期有11～13 d自我调节时期，表明蕾薹期，华油杂668比中双9号的耐渍性能要强。[FL）]

[FL（2K2]花期华油杂668随受渍时间延长，红边位置较对照发生明显的蓝移现象，蓝移幅度逐渐增大。而中双9号随渍水时间的延长，红边位置较对照无明显变化，后期发生红移现象（图5）。这与中双9号油菜营养生长期较长，生殖生长较快[29]的生育特性有关。在终花至成熟过程中，中双9号对照与处理植株叶片相继自然变黄枯萎，且叶片因渍水时间过长而枯死脱落，由于更换观测叶片导致。结果表明，在蕾薹期和花期，油菜受渍超过一段时间后红边位置有明显的蓝移现象。

3结论与讨论

当渍害胁迫超出了油菜机体自我调节阈值时，油菜叶片的叶绿素含量减少，表现为受渍叶片较正常植株加速发黄，水势降低叶片加速萎蔫，使得其NDVI、NDWI指数表现为随受渍时间的增加而降低。油菜叶片部分光合机构发生不可逆破坏，影响其正常生长，其叶片反射光谱的红边位置会随着受渍时间的增加发生蓝移现象，且蓝移幅度随渍水时间增加而增大。在蕾薹期，华油杂668比中双9号抗渍能力强。

本研究确定了油菜叶片光谱曲线红边位置变化与受渍时间的规律。根据红边位置的变化，明确了不同品种其抗渍能力差异。今后将增加渍害试验的油菜品种，根据光谱曲线进行不同品种抗渍能力的比较，以期明确不同油菜品种耐渍时间。[FL）]

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