不同水分处理下冬小麦叶片光谱特征及氮素垂直分布情况分析*

翟丽婷 ，魏峰远 ，冯海宽 ，李长春 ，杨贵军 ，吴智超 ，刘明星 ，苗梦珂

（1. 河南理工大学测绘与国土信息工程学院，焦作454000；2. 农业部农业遥感机理与定量遥感重点实验室，北京农业信息技术研究中心，北京100097；3. 国家农业信息技术工程研究中心，北京100097；4. 北京农业物联网工程技术研究中心，北京100097）

0 引言

氮素对作物的生长具有重要作用［1-3］。水分和氮素之间存在明显的交互作用，土壤水分状况影响小麦的氮素吸收、转运和利用，但是过量的灌水量对氮素的吸收利用并不一定具有更好的促进作用［4-7］。不同的水分处理对冬小麦冠层氮素的分布具有一定影响，其氮素分布存在垂直异质性［8-11］。前人对冠层氮素的分布一般都习惯于将整个冠层看做一个整体去对氮素进行分配，而实验中氮素在冠层的分布情况随着叶位的不同也存在很大差异性，目前在这方面的研究相对较少。李贺丽［12］等提出了不同叶层的光谱反射率与冠层整体的光谱反射率存在一定差异性。刘晓静［13］等分析了不同生育期不同水分处理下冬小麦冠层光谱反射率变化特征。张军［14］等在拔节期水分胁迫下对冬小麦生理特性的影响中研究了干旱胁迫下小麦叶片中相关酶含量变化。王纪华［15］等研究表明运用偏最小二乘算法可利用垂向观测的冬小麦冠层光谱来反演不同层次的液氮浓度。肖春华［16］等从不同观测角度测定逐层去除叶片或麦穗后的小麦冠层光谱，确定不同观测角度下不同冠层结构的光谱贡献。但是叶片含水量对于氮素以及冠层的一些营养物质积累也具有一定作用。水分处理对于冬小麦长势影响也非常大，其技术已相对成熟，但是很少有对小麦冠层叶片进行细致划分来对小麦进行更加精细的研究。由于水分在冬小麦的生长过程中具有重要意义，水分处理对冬小麦冠层氮素的垂直分布存在一定影响，但是在目前的相关研究中都只是单一研究水分处理对冬小麦生长的影响或者研究冠层氮素的垂直异质性，很少考虑两者共同的影响。文章主要是根据不同水分处理分析冠层叶片氮素的垂直异质性。

水分胁迫反应是植物在细胞与分子水平上生理和生化反应相互交替作用的结果［17-18］。水分的亏缺和盈余对小麦的生长具有很大影响，一定程度影响着根部养分向冠层的运输，随着水分胁迫程度加剧，各生育期单株小麦地上干物质量逐渐减少，拔节至抽穗、抽穗至成熟两个生长阶段生物量的增加量也随灌水量减少而减少，而且生长后期生物量的累积量要远远大于前期［19-22］。该文在前人研究的基础上主要对水分处理下冬小麦冠层氮素分布的垂直异质性进行分析。从不同的水分处理下不同叶位氮素的分布差异性进行分析，分析不同水分处理不同叶位的冬小麦冠层氮素与光谱的相关性。将不同的水分处理，不同的叶层进行分离，分别对各自对应的冠层光谱反射率进行相关性分析，分析其中存在的不同，研究灌水量影响下冠层叶片氮素与光谱指数之间的相关性。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

实验田位于北京市海淀区，地处北纬40°11′，东经116°27′，海拔高度为36 m，土地肥沃、地势平坦，土壤类型为潮土，气候类型为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，实验的农作物是在9月末至10月初所种植的冬小麦。

1.2 研究设计

选择京9843（大水大肥），农大211（耐旱）作为供试品种，试验在北京市农林科学院内72个材料区中进行，每个材料区长乘宽为1.5 m×1.2 m。播种密度为600万株/hm2，播种时间为2013年9月29日；施肥处理为尿素15 kg，二胺20 kg；水分处理：两个品种、5个处理、4个重复试验，小区大小为1.8 m2，水胁迫试验共安排了从不灌水到水分充分饱和（级差225 m3，0～900 m3/hm2）5个不同处理，4个重复，各处理的灌水量为：0 m3/hm2（W1）、225 m3/hm2（W2）、450 m3/hm2（W3）、675 m3/hm2（W4）、900 m3/hm2（W5）。其中A1和B1灌水量是W1，A2和B2灌水量是W5，A3和B3灌水量是W4，A4和B4灌水量是W3，A5和B5灌水量是W2。试验区概况如图1所示。

图1 实验区分布情况Fig.1 Experimental area distribution

1.3 数据获取

（1）叶片氮含量测定

将每个小区选取的植株样品测定光谱后，带回实验室，将植株器官分离为叶片、茎和根后分别置于纸袋，然后在105℃下杀青，在80℃下烘干72 h至恒重，最后称各个器官的质量。将各个器官粉碎，采用凯氏定氮法对植株氮含量进行测定。

（2）地面冠层光谱数据获取

冬小麦叶片光谱采用美国ASD FiedSpec FR2500高光谱仪（光谱范围350～2 500 nm，间隔1 nm）和叶片夹（ASD Leaf Clip）进行测定。在350～1 000 nm、1 000～2 500 nm内光谱仪分辨率间隔分别为3 nm、10 nm，采样间隔分别为1.4 nm、2 nm，光谱重采样间隔为1 nm。叶片夹探测器里面安装有石英卤化灯，灯的光源稳定，冬小麦叶片测量时为了获得相同的探测面积，消除背景反射、叶片弯曲引起的光谱波动的影响，需要保证叶片是平整放置。冬小麦叶片光谱测量前，用布把叶片表面的浮尘擦去，以减少误差。冬小麦叶片光谱测量需要用叶片夹自带的标准白板进行校正。

1.4 研究方法

1.4.1 光谱植被指数的构建

实验中通过测定不同水分处理下不同叶层叶片的光谱反射率与叶片氮素的相关性进行分析，挑选出敏感波段与叶片氮素进行相关性分析。实验所构建的光谱指数如表1所示。

表1 光谱植被指数Table 1 Spectral vegetation index

RNIR为波长在850～880 nm范围内反射率的均值，RRED为波长在620～670 nm范围内反射率的均值，RREDEDGE为波长在720～740 nm范围内反射率的均值，RGREEN为波长在540～570 nm范围内反射率的均值，RBLUE为波长在460～480 nm范围内反射率的均值。

1.4.2 统计分析

文中根据R2（相关系数）评价光谱反射率与叶片氮素的相关性，具体公式为：

式（1）中，X为光谱反射率，Y为叶片氮素含量，N为样本个数。其中R2越大表示相关性越高。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫下冬小麦冠层叶片氮素分布的差异性

冬小麦拔节期正处于生长阶段叶片较少，只测定了上2叶；挑旗期小麦生长旺盛测量上5叶；抽穗期由于部分小麦的上5叶已经枯萎很难测量，只测量上4叶；灌浆期小麦已经处于生长后期，一些叶片已经枯萎凋落，无法进行完整的实验，只分析上1叶和上2叶。冬小麦不同生育期不同水分处理的氮含量如图2。其中横坐标表示所测的叶位，纵坐标表示所测叶位在不同水分胁迫下的氮素含量。

图2 水分胁迫下各生育期冬小麦氮素冠层分布Fig.2 Nitrogen canopy distribution of winter wheat under different water stress stages

实验中不同叶层不同水分处理下共有8个实验小区，根据同一叶层同一水分处理下所测的所有样本的叶片氮素取平均值作为叶片氮素的含量。图2（a）拔节期没有进行后期的灌水，水分含量为原始冬小麦叶片水分含量，因此不同水分处理下氮素分布的差异性不大，在同一水分处理下上2叶的氮素含量高于上1叶。其中在W2水分处理下，叶片氮素含量相对较低，其他水分处理的叶片氮素含量没有明显的差异。图2（b）挑旗期，实验前期进行了不同的灌水处理，不同水分处理下冠层氮素含量存在明显的差异性，其中W2水分处理下氮素含量较高，其余W1、W3、W4、W5水分处理下的叶片氮素含量随灌水量降低叶片氮素含量降低，但同一水分处理下，不同叶位叶片氮素含量没有明显差异性。这一时期水分处理下冠层氮素含量存在明显差异性与这一时期小麦的生长速度快水分充足以及后期灌水有一定关系。图2（c）抽穗期W2和W3水分处理下冠层叶片氮素含量较高，其他水分胁迫下氮素含量基本持平。但是在这一时期氮素分布在冠层的垂直方向上存在较大差异性，随着叶位的上升氮素含量升高，这是由于小麦处于抽穗期上部需要大量的养分积累去完成抽穗，因此在水分推动下氮素会快速向上部运转，最终导致上部的氮素含量明显高于下部，并且逐级的递减。图2（d）灌浆期氮素含量冠层上部高于下部，此时小麦穗部成长需要大量的养分积累去促使籽粒生长饱满，因此会有大量的氮素在冠层上部积累，为籽粒的生长提供必要的营养物质。这一时期小麦生长后期水分与原始拔节期基本相同，冠层叶片氮素含量已经不受水分的影响，其W2水分下冠层叶片氮素含量最低，W1、W3、W4、W5叶片氮素含量越来越高，随叶位升高叶片氮素含量升高。

总体来看不同水分处理对冠层叶片氮素含量在挑旗期影响最大，在其他生育期的影响相对较弱。并且在挑旗期各叶位氮素含量差异不大。在拔节期上2叶的氮素含量高于上1叶，而到了抽穗期和灌浆期随着叶位的升高氮素含量逐渐升高。实验证明在充足灌水的情况下叶片氮素含量随灌水量的增加而升高。

2.2 不同水分处理下冠层叶片光谱响应

不同水分处理不仅使冠层叶片氮素分布出现垂直异质性，其光谱反射率也存在一定差异性。根据对冠层分层测定的叶片光谱反射率，分析不同水分处理下光谱反射率之间存在的差异性。拔节期上1叶和上2叶不同水分处理下冠层叶片的光谱特征如图3所示。小麦拔节期叶片光谱特征在750～1 300 nm之间出现差异性，其他波段范围内，不同叶层的光谱反射率分布基本相同。上1叶和上2叶在750～1 300 nm范围内不同水分处理下光谱反射率出现差异性，W1水分处理下光谱反射率最小，W5水分胁迫下光谱反射率次之，W4光谱反射率大于W5。对于上1叶W2、W3水分处理下光谱反射率最大。上2叶在W2水分处理下光谱反射率最大。此生育期未对小麦进行水分处理，光谱反射率反应小麦自身的生长情况。在小麦的这一生育期未进行灌水处理，所以光谱反射率表现出来的差异性为小麦自然生长状态下的光谱反射率的差异性。

图4为挑旗期不同叶层光谱反射率的响应曲线，此时小麦已经进行不同的水分处理。其在750～1 300 nm和1 500～1 900 nm范围内受不同水分处理光谱反射率的响应曲线出现差异性。对于上1叶在750～1 300 nm范围内受W1水分影响下的光谱反射率最大，W2水分影响下光谱反射率最小，W3、W4水分影响下的光谱反射率基本相同并没有明显的差异。上2叶的光谱反射率在750～1 300 nm范围内，在W1水分影响下的光谱反射率最大，W2水分影响下光谱反射率最小，W3、W4、W5水分影响下光谱反射率依次升高。上3叶光谱反射率在W1水分处理下最大，在W2水分处理下最小，W3、W4、W5水分处理下光谱反射率基本相同。上4叶和上5叶光谱反射率在750～1 300 nm范围内，W1水分处理下光谱反射率最大。对于上4叶W2、W3、W4水分处理下光谱反射率基本相同且最大，W5水分处理下光谱反射率小于W1水分处理下。而上5叶W2光谱反射率最大且大于W3大于W4。

图3 拔节期冠层叶片光谱反射率的垂直异质性Fig.3 Vertical heterogeneity of spectral reflectance of canopy leaves during jointing stage

图4 挑旗期冠层叶片光谱反射率的垂直异质性Fig.4 Vertical heterogeneity of spectral reflectance of canopy leaves during flag-raising stage

图5为抽穗期冠层叶片光谱反射率的差异性。光谱在750～1 300 nm和1 500～1 800 nm区域内受不同水分处理光谱反射率有明显的差异性。但上2叶和上3叶在1 500～1 800 nm波段内光谱反射率的差异性不太明显。在350～700 nm波段范围内冠层上叶片的光谱反射率都有明显波动。上1叶在750～1 300 nm和1 500～1 800 nm范围内W2、W3水分处理下的光谱反射率基本相同且最小，W4、W5水分处理下光谱反射率基本相同且低于W1、水分处理。上2叶在750～1 300 nm范围内不同水分处理下光谱反射率，W2、W3水分处理下光谱反射率基本相同且最小，W1水分处理下光谱反射率最大。上3叶的光谱反射率在750～1 300 nm区域内W1、W4、W5水分处理下的光谱反射率相同且相对较大，而W2、W3水分处理下的光谱反射率基本相同且较小。上4叶在750～1 300 nm范围内W1、W5水分处理下的光谱反射率较大，而W2水分处理下的叶片光谱反射率最小，在W3、W4水分处理下叶片的光谱反射率处于二者之间没有差异。

图5 抽穗期冠层叶片光谱反射率的垂直异质性Fig.5 Vertical heterogeneity of spectral reflectance of canopy leaves during heading stage

图6为灌浆期冬小麦冠层叶片光谱反射率曲线。上1叶在350～700 nm波段范围内，在500 nm左右出现一个峰值。在710 nm反射率急剧上升，在750～1 300 nm范围内受不同水分处理光谱反射率出现差异性，其中W1水分处理下光谱反射率最高，W4、W5的光谱反射率略高于W3水分处理下的光谱反射率，W2水分处理下的光谱反射率最低。对于上2叶在整个波段范围受不同水分处理出现不同的差异性，在750～1 300 nm范围内W1水分处理下光谱反射率最大，W5水分处理下光谱反射率略小于W1水分处理下的光谱反射率，W4水分处理下光谱反射率小于W1、W5，W2、W3水分处理下光谱反射率基本相同且最低。在1 430 nm和1 970 nm左右上2叶光谱反射率出现两个峰谷W2光谱反射率大于W1水分处理下的光谱反射率大于W3、W4水分处理下的光谱反射率，大于W5水分处理下的光谱反射率。在1 970 nm之后光谱反射率差异较大W2水分处理的光谱反射率大于W1水分处理的光谱反射率，大于W3、W4水分处理的光谱反射率，大于W5水分处理下的光谱反射率。

图6 灌浆期冠层叶片光谱反射率的垂直异质性Fig.6 Vertical heterogeneity of spectral reflectance of canopy leaves during grain filling stage

根据实验结果可以看出来在小麦生长的任何一个时期，其在750～1 300 nm的近红外区域受不同水分处理的影响其反射率都会出现一定的差异。对于不同的生育时期，不同的叶层其受不同水分处理光谱反射率差异性基本相同，呈现一定的规律性。拔节期未做水分处理时，冬小麦光谱反射率的差异性表现为W2＞W3＞W4＞W5＞W1。除拔节期外其他生育期灌水量越大其光谱反射率越小。

2.3 水分胁迫下冠层叶片氮素与光谱参数之间相关性分析

冠层叶片中氮素含量与光谱存在一定相关性。该文主要分析冬小麦不同生育时期，不同水分处理下，冠层不同叶层处光谱指数与叶片氮素含量之间的相关性。

表2为拔节期冬小麦在不同水分处理下的不同叶层光谱指数与氮素的相关系数。可以看出上1叶与各光谱指数的相关性较大，其中在W1水分处理下氮素与TCARI、CIrededge、TGI等光谱指数的相关性分别达到0.74、0.70、0.85达到显著性水平。在W2水分处理下上1叶叶片氮素与NDVI、RVI、NDGI等光谱指数相关性为0.86、0.87、0.67达到显著性水平。在W3水分处理下叶片氮素与PRI相关性为0.82达到显著性水平。在W4和W5水分处理下氮素与所测光谱指数均不能达到显著性水平。对于上2叶其在不同的水分处理下氮素与光谱指数的相关性都比较低，最高也只能达到0.5，相关性较弱，无法准确的对冠层叶片的氮素含量进行估测。

表2 拔节期水分处理下氮素与光谱指数的相关性Table 2 Correlation between nitrogen and spectral index under water treatment during jointing stage

表3为挑旗期不同叶层在不同水分处理下冠层叶片氮素含量与光谱指数的相关系数。对于挑旗期冠层上1叶叶片氮素含量与光谱指数的相关性在W1水分处理下与TGI相关性为0.7达到显著相关性，其在W3水分处理下与EVI、TCARI、CIrededg、TGI、NDII相关性分别为0.81，0.81，0.76，0.73，0.79，W4水分处理下与NDVI、RVI、CIrededg相关性为0.77，0.77，0.83，W5水分处理下与CIrededg、TGI相关性为0.77，0.90，达到了显著性水平，在对上1叶不同水分处理下的叶片氮素含量可通过CIrededg或TGI进行反演，其相关性均能实现显著性水平。上3叶在W5水分处理下与NDVI、NDII相关性分别为0.67，0.83，达到显著性相关水平，其它水分处理下氮素与光谱指数相关性均未能达到显著性水平。上4叶氮素与光谱指数的相关性都比较低但是在W3水分处理下叶片氮素含量与NDVI、RVI、NDGI、SIPI相关性分别为0.69，0.67，0.69，0.70。对于上5叶在W1和W2水分处理下氮素与TGI的相关性均为0.68。

挑旗期不同水分处理下上1叶氮素含量与光谱指数相关性均能达到显著性水平，上2叶在不同水分处理下叶片氮素含量与光谱指数无显著相关性，上3叶、上4叶叶片氮素含量与光谱指数相关性较低。

表3 挑旗期水分胁迫下氮素与光谱指数的相关系数Table 3 Correlation coefficient between nitrogen and spectral index under water stress during flag-raising stage

表4所示为抽穗期不同水分处理下冠层叶片氮素与光谱指数的相关性。上1叶在W1、W5水分处理下相关性较高。其在W5水分处理下与CIrededge相关性为0.92，与NDGI相关性为0.77，达到显著相关性。对于上2叶其在W1水分处理下与NDVI、RVI、PRI、EVI、NDII相关性分别为0.84，0.86，0.84，0.87，0.92，达到显著性水平，而其他水分处理下氮素与光谱指数无显著相关性。上3叶在W1水分处理下与EVI、NDII相关性分别为0.75，0.84，在W2水分处理下与NDVI、RVI相关性分别为0.72，0.71，W5水分处理下与NDII的相关性为0.73，均达到显著性水平。上4叶在W1水分处理下与PRI、EVI、NDII相关性为0.73，0.86，0.81，W4水分处理下与CIrededge、NDII相关性分别为0.73，0.68，W5水分处理下与EVI相关性最高为0.87，与TCARI、TGI、NDII的相关性也可以达到0.68，0.71，0.81，达到了显著相关性。对于上3叶和上4叶其实现显著性水平的水分处理下氮素与NDII相关性达到显著性水平。对于抽穗期冬小麦来说，不同的叶层其受W1、W5水分处理下叶片氮素与光谱指数的相关性相对较高。

表4 抽穗期水分胁迫下氮素与光谱指数的相关系数Table 4 Correlation coefficient between nitrogen and spectral index under water stress during heading stage

由表5可以看出来灌浆期上2叶在W1、W2、W3水分处理下与光谱指数的相关性均较高，只有少部分其相关性不能达到显著性水平，W4、W5水分处理下氮素与光谱指数的相关性较低，W4水分处理下与RVI、EVI、CIrededge、NDII均能达到显著性水平，其相关性分别为0.67，0.78，0.84，0.77，W5水分处理下与CIrededge相关性达显著性水平，相关系数为0.69。对于上1叶W1、W3水分处理下相关性较高，与一些光谱指数的相关性可以达到0.9，W2、W5水分处理下相关性较低不能实现显著性水平，W4水分处理下与TCARI、CIrededge、TGI相关性达显著性水平，其相关性分别为0.76，0.79，0.79。

表5 灌浆期水分胁迫下氮素与光谱指数的相关系数Table 5 Correlation coefficient between nitrogen and spectral index under water stress during grain filling stage

以上是冬小麦全生育期，不同水分处理下冠层叶片氮素含量与光谱指数的相关性分析，根据实验结果可以看出来在不同生育期所测试的冠层叶片中一般最上层叶片和最下层叶片氮素含量与光谱指数的相关性较高。并且对于不同的生育时期其受水分处理的影响并不相同。

3 结论

（1）对于冬小麦其冠层叶片的氮素含量受不同的水分处理存在一定的差异性，除挑旗期和抽穗期外其他生育期不同水分处理下冠层叶片氮素含量虽然存在差异性，但是其差异并不大。只有在挑旗期和抽穗期受不同水分处理氮素在叶片中的含量有明显的差异性，随灌水量升高叶片氮素含量升高。

（2）不同的水分处理对冠层叶片的光谱反射率也有一定影响，但是无论处于哪一生育期，哪一叶层，不同水分处理下的光谱反射率都会在750～1 300 nm区域内出现明显差异性。对于拔节期未做水分处理时光谱反射率差异性表现为W2＞W3＞W4＞W5＞W1。除拔节期外其他生育期随灌水量增加冠层叶片氮素含量降低。

（3）由于不同水分处理下冠层光谱的反射率受到一定影响，所以对于不同水分处理下冠层叶片的氮素含量与光谱指数的相关性也存在很大差异，因此在对冠层叶片氮素含量进行建模反演时应从不同叶层、不同水分处理等种种因素综合考虑选择合适的光谱指数对冠层不同叶位氮素的含量进行估测。