UV-B增强下施硅对水稻冠层反射光谱特征的影响*

朱怀卫，娄运生**，石一凡，张祎玮，肇思迪



UV-B增强下施硅对水稻冠层反射光谱特征的影响*

朱怀卫1,2，娄运生1,2**，石一凡2，张祎玮2，肇思迪2

（1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044；2.南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室，南京 210044）

通过田间试验，在UV-B增强和施硅条件下，利用ASD便携式手持光谱仪在水稻分蘖期、拔节期、抽穗期和灌浆期选择典型晴天观测冠层光谱曲线，通过计算一阶导数曲线分析光谱的红边参数特征。UV-B辐射设2个水平，即对照（自然光，ambient UV-B，A）和UV-B增强（比自然光增强20%，elevated UV-B，E）；施硅设2个水平，即不施硅和施硅（硅酸钠，200kgSiO2×hm-2）。结果表明：UV-B增强下水稻叶面积指数(LAI)和叶绿素含量(SPAD值)降低，而施硅可提高叶面积指数(LAI)和SPAD值，缓解UV-B增强对水稻生长的抑制作用。各处理间水稻冠层光谱的差异主要体现在近红外波段，UV-B增强使水稻近红外波段反射率降低，施硅使近红外波段反射率上升。UV-B增强使水稻光谱红边位置蓝移，施硅使红边位置红移。随着生育期推移，水稻光谱红边位置、红边幅值和红边面积均呈现先增后减的趋势，且在拔节期达最大。

UV-B增强；施硅；水稻；光谱分析；红边特征

由于人类活动产生的大量氮氧化物、氯氟烃等有害物质排放到大气中，导致大气平流层臭氧（O3）耗损，使到达地球表面的中波紫外辐射（UV-B）增强[1]。国内外研究表明，UV-B辐射增强抑制水稻生长，导致分蘖数减少[2]，叶面积和干物质量下降[3]，进而使籽粒产量下降[4]。UV-B辐射还影响水稻植株的光合和蒸腾生理特性，破坏叶片气孔器[5]，降低叶片净光合速率、胞间二氧化碳浓度、蒸腾速率、气孔导度和水分利用效率等[6-7]。

水稻是喜硅作物，增施硅肥不仅可提高产量[8]，而且可增强植株的抗逆性，如抗倒伏、抗旱、抗病虫害、抗盐、抗冻等[9-10]，缓解UV-B辐射对水稻生长的抑制作用[2,6]。但是，现有报道主要涉及水稻植株的生长、生理特性和产量等方面，迄今有关UV-B增强下施硅对水稻冠层光谱特征影响的研究尚不多见。高光谱遥感技术可用于定量分析植被冠层光谱数据，反演生理生化参数[11-13]，监测长势状况[14]，在农业生产中具有较大优势，已成为农业遥感领域的研究热点[15-16]。本文通过田间试验，研究UV-B增强下施硅对水稻关键生育期叶面积指数、叶绿素含量（SPAD值）及水稻冠层高光谱特征的影响，旨在为高光谱遥感监测UV-B 增强和施硅后水稻长势和产量估测提供试验基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2015年6-11月在南京信息工程大学农业气象试验站（32.0°N，118.8°E）进行。该站地处亚热带温润气候区，海拔约22m，多年平均降水量1100mm，平均温度15.6℃，适宜水稻生长。供试土壤为潴育型水稻土，灰马肝土属，质地为壤质黏土，有机碳含量为19.4g×kg-1，全氮1.45g×kg-1，黏粒含量26.1%，pH为6.2（土水比1:1）。供试水稻为南粳46。供试硅肥为硅酸钠，含有效硅(SiO2)49.2%。

1.2 试验设计

试验设4个处理，即处理1：UV-B辐射增强20%处理（E，elevated UV-B），相当于南京地区大气臭氧耗损20%时的辐射剂量(辐射强度1.8kJ×m-2×h-1)；处理2：UV-B辐射增强下施硅处理（ESi），土壤中施入硅酸钠200kg×hm-2(SiO2)；处理3：自然光照下施硅处理(自然光，A，ambient UV-B，辐射强度1.5kJ×m-2×h-1)，用ASi表示，施硅量同处理2；处理4：自然光照下不施硅处理，用A（CK）表示。UV-B 增强小区中采用可升降灯架(紫外灯功率为40W)，将UV-B灯管（波长为280-320nm）置于水稻冠层上方，灯管用醋酸纤维素膜包裹以滤掉280nm以下的波段(UV-C)。采用完全区组设计，随机排列，每个处理重复3次。小区规格为2m×2m。2015年5月10日水稻育苗，2015年6月13日移栽，株行距为20cm×20cm。移栽前两天在各小区分别挖出3条施肥沟，将硅肥均匀撒入沟内，用土掩埋，并于2015年7月12日追施硅肥。从分蘖期（6月20日）开始进行UV-B辐射处理，光源与水稻植株冠层的垂直距离始终保持0.8m，每日辐照时间为8：00-16：00，共8h，阴雨天停止照射，直至水稻成熟。2015年8月15日-9月5日进行田间排水晒田。2015年11月4日，水稻成熟收获。大田常规管理，病虫害防治依据田间实际情况进行。

1.3 指标测定方法

1.3.1 冠层光谱测定

采用ASD便携式野外光谱仪（ASD FieldSpec HandHeld，美国）在水稻分蘖期（2015年7月30日）、拔节期（2015年9月5日）、抽穗期（2015年9月20日）和灌浆期（2015年10月9日），对冠层光谱进行测定。光谱仪的有效波段范围是350-2500nm，在350-1050nm区间光谱分辨率为3nm,光谱采样间隔为1.4nm；1050-2500nm区间光谱分辨率为10nm，光谱采样间隔为2nm，探头视场角为25°。光谱在1400nm附近易受大气水分等因素的影响而产生强烈波动，故本研究选取400-1000nm范围内的波谱。光谱测量时，选择晴朗无云或少云，微风或少风的天气，测定时间为10：30-13：30，测量时传感器探头垂直向下，距离水稻冠层1m，每个小区选取10个样点固定测定，每个样点测定前后均进行标准白板校正，取平均值作为该小区的光谱反射率。利用ASD ViewSpecPro4.5软件对采集的原始光谱曲线进行分析处理，取其平均值。

1.3.2 叶面积指数（LAI）测定

采用叶面积指数仪（LAI-2000，美国）在天气条件稳定且光线良好的状态下，于水稻分蘖期（2015年7月30日）、拔节期（2015年9月5日）、抽穗期（2015年9月20日）和灌浆期（2015年10月9日），测定LAI，取平均值。LAI和冠层反射光谱数据的测定时间和地点一致。

1.3.3 叶绿素含量（SPAD值）测定

采用手持便携式叶绿素仪（SPAD-502），在水稻关键生育期与冠层光谱同步测定。每个小区选取3株代表性样品，每株样品选取3片主茎功能叶片（剑叶、倒二叶、倒三叶），在每片叶子上部、中部、下部各测1次，取其平均值。

1.4 数据处理

采用Excel 2003进行数据处理和绘图，SPSS软件进行数据分析，LSD法对同一生育期各处理的差异进行显著性检验。为消除大田观测背景噪音和大气干扰，可对水稻冠层原始光谱做一阶导数处理， 获取光谱内在特性。对冠层光谱计算一阶导数，其计算式为

表1 反射光谱红边特征参数

2 结果与分析

2.1 UV-B增强下施硅对水稻LAI和SPAD值的影响

由表2、表3可见，不同生育期（分蘖期、拔节期、抽穗期和灌浆期）各处理水稻的LAI和叶片SPAD值均表现为“先升后降”的变化趋势。无论是否施硅，UV-B增强均降低水稻LAI和SPAD值。不施硅时，与对照CK（A）相比，UV-B增强下（E），水稻在上述生育期其LAI分别下降13.0%、14.3%、14.9%和6.55%，SPAD值分别减少4.46%、6.10%、5.98%和5.23%，处理间差异均达到显著水平（P＜0.05）；施硅时，与对照（ASi）相比，UV-B增强下（ESi），水稻在上述生育期其LAI分别下降9.59%、11.8%、10.6%和1.58%，SPAD值分别减少4.01%、4.36%、3.22%和3.09%，分蘖期、拔节期和抽穗期处理间差异达显著水平（P＜0.05），说明施硅可提高 水稻LAI和SPAD值。自然光处理下，与对照CK（A）相比，施硅处理（ASi）下，水稻在上述生育期其LAI分别提高12.7%、3.77%、3.54%和5.24%，处理间差异均达显著水平（P＜0.05），SPAD值分别增大0.67%、2.18%、5.52%和4.28%，拔节期、抽穗期和灌浆期处理间差异均达显著水平（P＜0.05）；UV-B增强下，与对照（E）相比，施硅处理（ESi）下，水稻在上述生育期其LAI分别提高3.94%、2.93%、4.99%和5.32%，SPAD值分别增大0.466%、1.86%、2.93%和2.26%，拔节期、抽穗期和灌浆期处理间差异均达显著水平（P＜0.05）。可见，UV-B增强显著降低水稻LAI和SPAD值，而施硅可显著提高LAI和SPAD值，缓解UV-B增强对水稻生长的抑制作用。

表2 不同处理水稻各生育期叶面积指数（LAI）的比较(平均值±标准差)

注：A表示自然光；E表示UV-B增强；Si表示施硅肥200kgSiO2×hm-2；同列数据中的小写字母表示各处理间在0.05水平上的差异显著性。下同。

Note：A indicates ambient UV-B；E indicates elevated UV-B; Si indicates 200kgSiO2×ha-1. Lowercase letters in the same column mean significant difference among treatments at 0.05 level. The same as below.

表3 不同处理水稻各生育期叶片叶绿素含量（SPAD值）的比较(平均值±标准差)

2.2 UV-B增强下施硅对水稻冠层光谱曲线的影响

在水稻分蘖期、拔节期、抽穗期和灌浆期4个关键生育期，分别测定冠层光谱反射率。水稻冠层光谱数据在1350nm和1850nm附近噪声较大，因此，本文选取遥感常用的可见光和近红外波段（400-1000nm）分析水稻实测冠层光谱特征。由图1可见，在不同生育期各处理水稻冠层光谱曲线具有形状和变化趋势相似的特点，即在可见光波段（450-720nm），光谱曲线均呈现两“谷”和一“峰”形状，在500nm附近出现蓝光低谷，550nm附近有明显的绿峰，680nm附近出现红光低谷；近红外波段（750-1000nm）存在反射高台。

在相同生育期内，各处理水稻冠层光谱曲线的峰值和高台区有一定差异，说明UV-B增强或施硅对水稻冠层光谱曲线有一定影响。在近红外波段（750-1000nm），在分蘖期、拔节期、抽穗期和灌浆期，CK（A）处理的水稻冠层反射率分别为0.208～0.299，0.294～0.369，0.358～0.425和0.339～0.392；不施硅时，与对照CK相比，UV-B增强（E）下水稻分蘖期和拔节期冠层反射率差异不大，而抽穗期和灌浆期则分别降低5.41%和13.3%；施硅时，与对照（ASi）相比，UV-B增强（ESi）下水稻分蘖期和拔节期冠层反射率差异不明显，而抽穗期和灌浆期则分别降低17.3%和20.7%。说明无论是否施硅，UV-B增强可降低水稻中后期（抽穗期、灌浆期）冠层反射率。在自然光处理下，与对照CK（A）相比，施硅（ASi）水稻冠层反射率在上述生育期分别显著提高41.5%、72.5%、13.4%和9.29%；在UV-B增强下，与对照（E）相比，施硅（ESi）水稻冠层反射率在拔节期显著升高70.3%，而分蘖期、抽穗期和灌浆期差异不大。可见，UV-B增强可降低水稻冠层近红外反射率，施硅可提高冠层近红外反射率，但提高幅度因生育期而异。

2.3 UV-B增强下施硅对水稻一阶导数光谱的响应特征

水稻原始光谱反射曲线受土壤背景和大气散射光谱等因素影响很大，可见光区域(400-700nm)虽然有明显的“红蓝”谷和“绿”峰，但处理间差异不明显，通过对原始光谱求一阶导数，可降低外部环境因素的干扰，便于识别处理间的差异。图2是红边区域(650-750nm)各处理水稻不同生育期一阶导数光谱的比较，由图可见，各生育期均呈现“双峰”和多个“次峰”现象，主峰在730nm附近，次峰在719nm附近，随着生育期推进，“峰”现象减弱。在同一生育期内各处理水稻红边区域导数光谱，在红边位置和红边幅值，曲线间存有差异，表现为，在各生育期，CK（A）处理的水稻红边位置分别为733、738、731和724nm，对应红边幅值分别为0.0056、0.00808、0.008和0.00635，红边面积分别为0.25629、0.33145、0.36506和0.32371。UV-B增强下（E），红边位置分别为730、731、730和724nm，对应红边幅值分别为0.00619、0.01194、0.0075和0.00711，红边面积分别为0.24899、0.33139、0.35348和0.3388。与CK（A）相比，UV-B增强（E）下各生育期（灌浆期除外）红边位置蓝移，红边幅值和红边面积下降。ASi处理中，红边位置分别为736、738、736和735nm，对应红边幅值分别为0.00774、0.01275、0.00949和0.00754，红边面积分别为0.35421、0.53485、0.41731和0.3684，说明在自然光（CK，A）下，施硅可使各生育期红边位置红移，红边幅值和红边面积增加。ESi处理中，红边位置分别为730、736、731和730nm，对应红边幅值分别为0.00571、0.001194、0.00755和0.00589，红边面积分别为0.29094、0.53124、0.34324和0.29308。与对照（E）相比，（ESi）红边位置红移（分蘖期除外），上述生育期红边幅值增加，红边面积增加（分蘖期除外）。可见，UV-B增强使红边位置蓝移，红边幅值和红边面积降低，施硅使红边位置红移，红边面积和红边幅值增加，但不同生育期表现存在差异。

2.4 UV-B增强下施硅水稻“红边”变化特征

红边位置是绿色植物的敏感特征光谱波段，它的移动可反映植物的健康状况、叶绿素含量、物候期等多种生长变化信息。由图3可见，在上述4个生育期内，各处理水稻的红边位置为724-738nm，红边幅值为0.0056～0.01275，红边面积为0.24899～0.54485。随着生育期推移，红边位置先向长波方向移动，再向短波方向移动。无论UV-B增强还是施硅与否，水稻红边位置、红边幅值和红边面积均出现先增大后减少的趋势，在拔节期出现峰值，抽穗期和灌浆期逐渐降低。在分蘖期，ASi处理红边位置较CK（A）红移3nm，E处理红边位置较CK蓝移3nm；在拔节期，ASi处理红边位置较ESi红移2nm，ESi处理红边位置较E处理红移5nm，E处理红边位置较CK蓝移7nm；在抽穗期，ASi处理红边位置较CK红移5nm，ESi处理红边位置较E处理红移1nm，E处理红边位置较CK蓝移1nm；在灌浆期，ASi处理红边位置较CK分别红移11nm，ESi处理红边位置较E处理红移6nm。可见，从水稻生育期来看，水稻前-中期阶段，生长旺盛且群体较稳定，红边位置变化小；中后期生长加速，不断衰亡，群体变化大，红边位置变化大。施硅条件下水稻红边红移在生长后期变化大，而UV-B增强下水稻红边蓝移在生长前期变化不大。

注：短线表示标准差；*表示通过0.05水平的显著性检验

Note: The bar is standard deviation,*indicates significant difference among treatments at 0.05 level. TS, JS, HS and GS is tillering, jointing, heading and grain-filling stages, respectively

3 结论与讨论

UV-B增强抑制水稻生长，降低叶面积指数和叶片叶绿素含量，而施硅可提高叶面积指数和叶绿素含量(SPAD)。其原因在于，（1）UV-B辐射可破坏叶绿体结构和叶绿体膜系统，抑制光合色素合成，导致叶绿素含量降低[17-18]；（2）UV-B辐射降低水稻株高[19]，增加叶片厚度，降低单株分蘖数，使单位面积水稻叶片数减少，导致群体叶面积指数降低[19]，而施硅可改善叶片姿态、株型和冠层结构[20-21]，增加单株分蘖数，提高叶面积指数[22]；（3）施硅有利于水稻叶片表面形成硅化细胞，提高叶片表面硅元素含量[23]，降低水稻植株后壁组织、维管束鞘和肉桂乙醇脱氢酶的反应，抑制水稻叶片对紫外线的吸收；（4）硅沉积在植物各组织层中，形成“角质-硅双硅”结构，促进酚类物质的增加[23]，而酚类物质可提高植株对紫外辐射的吸收能力，减少自由基的积累[24]，缓轻对水稻的伤害程度。

UV-B增强下施硅对水稻冠层近红外光谱反射率有明显影响，UV-B增强下水稻冠层近红外光谱反射率下降，而施硅使冠层近红外光谱反射率上升，其原因在于近红外光谱反射率高低主要取决于生物量和叶面积指数的大小。作物光谱特征的差异与其生理生态指标有关，如叶面积指数、覆盖度、叶绿素含量等，一般叶面积指数越小，叶绿素含量越低，冠层近红外波段反射率越小[12]。前人研究也发现，UV-B增强下冬小麦冠层反射光谱在近红外波段的反射率明显低于对照处理[25]。

红边位置是对植物生长变化较敏感的红边参数，随着叶面积指数和叶绿素含量的增加，红边向长波方向移动[26]。本研究表明，随着生育期的推进，红边位置先红移再蓝移，红边峰值、红边面积均在生长后期降低；UV-B增强下水稻红边蓝移在生长前期表现不明显，而施硅水稻的红边红移在生长后期表现明显。原因可能在于，（1）生长前期植株长势旺盛，叶绿素含量和叶面积指数增加，红光吸收增强，发生红移；而生长后期叶片开始衰老，叶绿素含量减少[27]，红移停止而发生蓝移；（2）UV-B辐射增强会累加伤害水稻叶片[28]，破坏叶片构造及光合器官[29]，后期叶片逐渐枯黄、凋落，导致UV-B增强下水稻生长前期蓝移不明显；而施硅使生长后期叶绿素含量增加，促进生长发育[30]，使后期红移现象明显。姚付启[12]研究表明，红边位置的变化可反映作物生长阶段，小麦生长中前期红边位置红移，后期叶片衰亡，红边位置蓝移。

水稻生长中前期红边波段一阶导数光谱具有双峰多峰现象，后期峰现象减弱，原因可能在于叶片枯黄，各种生理指标下降，这与前人研究结果相符[31-32]。本试验将UV-B辐射和施硅相结合研究了水稻关键生育期冠层光谱特征，但因研究条件限制，本文也存在如下不足：（1）野外大田选点采集光谱数据难以实现全面检测，且测定水稻冠层光谱，除了受光谱特征、土壤背景等因素影响外，还受光线入射角、气溶胶等外部因素以及水稻品种、耕作措施、生长环境等诸多人为因素影响[33-37]；（2）本研究结果来自UV-B增强下一季水稻的观测数据，品种单一，后续工作还需通过试验，如通过更换或增加品种数量、增加重复、设置不同土壤类型和管理措施等进行更深入的验证。

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Effects of Silicon Supply on Reflectance Spectroscopy Characteristics of Rice Canopy under Elevated UV-B Radiation

ZHU Huai-wei1, 2，LOU Yun-sheng1, 2，SHI Yi-fan2，ZHANG Yi-wei2，ZHAO Si-di2

（1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044）

A field experiment was conducted to observe the canopy spectra of rice by using ASD FieldSpec HandHeld spectrometer on typical sunny days and analyze the characteristics of red edge parameters by calculating the first derivative spectrum at tillering, jointing, heading and grain-filling stages under the conditions of elevated UV-B radiation and silicon supply. The experiment was designed with two UV-B radiation levels, i.e. ambient UV-B (ambient, A) and elevated UV-B (elevated by 20%, E)；with two silicon supply levels, i.e. control and +Si(200kgSiO2×ha-1as sodium silicate). The results indicated that LAI (leaf area index) and chlorophyll content (value of SPAD) were decreased under elevated UV-B radiation, but silicon supply increased and could alleviate the depressive effect of elevated UV-B radiation on rice growth. The differences of rice canopy spectra were mainly reflected in near-infrared band under each treatment, the reflectance of near-infrared band was decreased under elevated UV-B radiation, but increased by silicon application. The red edge position showed blue shift under elevated UV-B radiation and red shift by silicon application. The rice red edge position, red edge amplitude and red edge area showed a trend with an increase firstly and then a decrease, and reached the maximum at jointing stage.

Elevated UV-B radiation；Silicon supply；Rice；Spectrum analysis；Red edge

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.03.005

2016-08-16

通讯作者：。E-mail: yunshlou@163.com

国家自然科学基金（41375159）；江苏省自然科学基金（BK20131430）

朱怀卫（1992-），女，硕士生，主要从事农业气象研究。E-mail:657391240@qq.com

朱怀卫,娄运生,石一凡,等.UV-B增强下施硅对水稻冠层反射光谱特征的影响[J].中国农业气象,2017,38(3):172-180