干旱胁迫对冬小麦冠层光谱及红边参数的影响

肖璐洁，杨武德，冯美臣，孙慧，王超

（山西农业大学 农学院，山西太谷030801）

由于物质组成成分及形态构成的差异，在电磁波作用下吸收和反射光谱的能力各不相同，会在某些特定波长形成物质独有的光谱特征和规律。而光谱特性差异正是进行物质光谱学诊断的重要物理基础和主要判断依据。作物冠层光谱特征分析一直以来都是农业遥感领域研究的热点［1～3］，是应用遥感技术进行作物长势和灾害监测的基础和先决条件。

早在1974 年，Colwell［4］指出叶片透射率、冠层组成部分、叶面积、土壤反射率等都是影响作物冠层光谱特征的主要可能因素。Kanemasu［5］在对不同生育时期小麦、大豆与高粱的冠层光谱特征进行分析之后发现农作物的冠层光谱反射特性在表面的能量交换中至关重要，并认为冠层独特的反射率模式可借助遥感技术进行农作物鉴定。众多学者研究也表明，作物冠层光谱随生育时期的推进、栽培措施的不同、土壤背景的不同、营养及环境胁迫的发生均会出现不同程度的改变。Xie 等［6］认为不对称变暖条件下影响水稻SPAD 和LAI 的敏感波段主要集中在可见光和近红外波段。姚付启等［7］通过分析不同播种密度条件下冬小麦冠层光谱与覆盖度的相关性建立了冬小麦覆盖度预测模型。赵钰等［8］在对不同氮素条件下冬小麦冠层光谱曲线变化规律分析的基础上，构建了冬小麦干生物量估测模型。束美艳等［9］等研究发现冬小麦冠层光谱反射率随倒伏强度的增大而升高，且近红外波段反射率增大的强度要高于可见光波段。张玥等［10］对不同元素不同肥料组合条件下冬小麦冠层光谱进行了研究，为冬小麦养分丰缺监测及科学施肥提供了理论依据。

“红边”现象是绿色植被区别于其他地物最突出的光谱特征［11］，红边参数是进行作物长势状况监测的重要指标。Horler［12］在对植被光谱与叶绿素含量估算研究中，首次提出了“红边参数”概念。Wei 等［13］通过对原始光谱进行一阶微分、去除包络线等数学转换方法确定了用于识别温带卷叶植物光谱带以及红边幅值。Sun 等［14］认为红边波带中的反射率对植被生长状况很敏感，其信息对指导农业生产有较强的利用价值。卢艳丽等［15］研究发现不同肥力条件下，冬小麦冠层光谱“红边”存在差异，随肥力水平会出现“红移”和“蓝移”现象。程晓娟等［16］对不同氮肥条件下冬小麦冠层光谱及红边参数进行了研究，并建立了最优红边参数与农学组分的拟合方程。Xie 等［17］研究表明低温胁迫下冬小麦冠层可见光波段的绿峰和红谷发生明显改变，红边位置发生“蓝移”，近红外波段的光谱反射率随低温胁迫程度的增加而逐渐升高。Sun等［18］通过田间淹水试验，模拟和分析了洪水对水稻冠层结构和冠层光谱响应规律的影响，研究表明在分蘖期顶部淹没后，红边参数蓝移最为明显。

纵观前人的研究发现，针对黄土高原旱区、人工模拟干旱条件下冬小麦冠层光谱特征及红边参数的研究鲜有报道。本文利用地面高光谱技术，从光谱学角度深入分析不同干旱处理、不同生育时期冬小麦冠层光谱反射率及红边特征变化规律，可为后期开展基于高光谱窄波段的植被指数与冬小麦外观形态指标、生理生化指标以及产量品质之间定量分析奠定基础，为无损、快速进行麦田生育期内长势监测及遥感定量化分析提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在山西农业大学农学院试验站（东经112°34′，北纬37°25′）进行。该区域属暖温带大陆性气候，年平均气温9.8 ℃，无霜期175 d，年降雨量462.9 mm。试验田土壤为黄土母质发育而成的石灰性褐土，土壤肥力水平中等，其理化性质为土 壤 有 机 质 含 量22.01 g·kg-1；碱 解 氮53.8 mg·kg-1；有效磷18.43 mg·kg-1；速效钾236.9 mg·kg-1；田间持水量为23.68%。

1.2 试验方法

本试验于2013 年9 月至2014 年6 月在试验站水分池（根据FAO 标准建立）中进行。采用随机区组设计，设5 个胁迫处理，每个处理重复3 次，共设30 个小区。5 个处理分别为：W0 正常水分处理（田间持水量的80%）、W1 轻度干旱（田间持水量的60%）、W2 中度干旱（田间持水量的45%）、W3严重干旱（田间持水量的35%）、W4 极度干旱（低于田间持水量的30%）。干旱处理全部位于防雨棚内的小区中，全生育期防降水。小区面积2 m×3 m=6 m2，深1.5 m，水分池四周墙厚24.5 cm，用水泥混合防水剂抹壁，防止水分的侧渗。所有小区田间管理与当地大田生产一致。每小区在播前灌足底墒水，以确保冬小麦生育前期水分充足。

供试品种选择当地主栽品种长4738。小麦基本苗为450 万·hm-2，行间距为20 cm。各试验小区施纯N 为225 kg·hm-2，纯P 为135 kg·hm-2，氮、磷肥全部底施。

1.3 高光谱数据采集

利用美国Analytical Spectral Device（ASD）公司的FieldSpec®3 型野外高光谱波谱仪测量，记录不同生育时期、不同干旱处理条件下冬小麦冠层光谱反射率。测量波段范围350～2 500 nm，视场角度为25°。其中350～1 000 nm 间的光谱采样间隔为1.4 nm，光谱分辨率为3 nm；1 000～2 500 nm的光谱采样间隔为2 nm，光谱分辨率为10 nm。测定时选择晴空少云、无风的天气，测定时间为10：00-14：00。观测时，探头垂直向下，光谱仪视场角为25°，距冠层100 cm。以10 个光谱为一采样光谱，每小区重复测量3 次，以其平均值作为该小区的光谱反射值，每次测量前先用白板进行校正。

1.4 高光谱数据处理

1.4.1 高光谱数据预处理

在ViewSpec Pro 6.0 软件中对采集的原始光谱数据进行预处理，主要包括剔除异常值、Savitz⁃ky-Golay 平滑和求平均值。

1.4.2 一阶导数光谱

光谱微分可以增加光谱曲线在坡度上的细微变化，还可以消除大气效应、背景光谱和噪声对目标光谱的影响。因此，本研究中在Unscramb 9.7软件环境下对原始光谱进行了一阶微分［19］变换处理，具体计算公式如（1）所示。

1.4.3 红边参数

“红边”是绿色植被在红光范围（680～760 nm）独有的光谱曲线特征，也是植被光谱区别于岩石、水体和土壤的重要标志。红边参数主要由红边位置［20］、红边幅值［21］和红边面积［22］三要素组成（表1）。大量研究表明，红边参数与植被生理生化指标、生长阶段密切相关，可以很好的反映植被生长状况［23～25］。在本研究中，通过对冬小麦原始光谱求一阶导数而得到红边参数，具体计算公式如下。

表1 红边参数的定义Table 1 Definition of red edge parameters

2 结果与分析

2.1 冬小麦冠层光谱特征分析

2.1.1 不同生育时期冬小麦冠层光谱特征分析

W0 处理下不同生育时期冬小麦光谱反射率曲线在可见光区和近红外区都具有明显差异，并且近红外区域差异明显大于可见光区域（图1）。具体来说，在可见光波段光谱反射率随生育期呈先降低后升高的趋势，光谱反射率表现为：成熟期>灌浆期>抽穗期>开花期>拔节期>孕穗期。从拔节期到孕穗期，植株生长逐渐旺盛，受到叶绿素等叶子色素影响，冬小麦冠层光谱反射率不断下降。从抽穗期开始，植株营养逐渐从叶片开始向穗部转移，叶绿素含量逐渐降低，光谱反射率逐渐上升，到开花期有小幅下降，到灌浆期继续上升，成熟期光谱反射率达最大值。这是由于在灌浆期-成熟期叶片由绿转黄，叶绿素含量大幅下降，对红光和蓝紫光的吸收显著降低所致。在近红外区域冬小麦冠层光谱反射率差异更为显著，并随生育时期呈现先升高后下降趋势，具有抽穗期>开花期>拔节期>孕穗期>灌浆期>成熟期的规律。其余各处理下不同生育时期冠层光谱曲线均呈现类似规律。

图1 不同生育时期冬小麦冠层光谱反射率变化规律Fig.1 The change trends of the canopy spectral reflectance in differ⁃ent stages

2.1.2 不同干旱胁迫下冬小麦冠层光谱特征分析

水分是影响农作物长势的关键因素之一［26］。作物冠层光谱曲线也会随土壤水分以及植株水分的改变发生规律性的变化。拔节期冠层光谱特征，冬小麦冠层光谱反射率曲线趋势基本一致，在不同水分条件下差异明显（图2）。在可见光区域，冠层光谱反射率随干旱胁迫程度的增加而升高，尤其在“绿峰”处差异明显，土壤水分含量越高，植株长势越好，叶面积指数越大，叶绿素含量越高，对蓝光和红光的吸收越强，红谷越深，绿峰越明显；反之，土壤水分含量越低，植株越缺水，长势越差，对蓝光和红光的吸收越弱，红谷越浅，绿峰处曲线越平缓越不明显。而在近红外区域，受小麦冠层组成结构变化的影响，光谱反射率随干旱胁迫程度的增加而降低，尤其在“近红外平台”差异显著，干旱胁迫越重，光谱反射率越低；反之，光谱反射率越高。其余各生育时期内不同干旱条件下冠层光谱曲线均呈现类似的趋势。

图2 不同干旱胁迫下冬小麦冠层光谱反射率变化（W0 为正常水分处理，W1 为轻度干旱处理，W2 为中度干旱处理，W3 为严重干旱处理，W4 极度干旱处理）Fig.2 The change trends of the canopy spectral reflectance in differ⁃ent drought stresses（W0 represents normal water treatment，W1 represents light drought treatment，W2 represents moder⁃ate drought treatment，W3 represents severe drought treat⁃ment，W4 represents extreme drought treatment.）

2.2 冬小麦冠层光谱红边参数分析

2.2.1 不同生育时期冬小麦冠层光谱红边特征

将图1 光谱曲线进行一阶微分变换，提取680～760 nm 波长范围内一阶微分光谱值，得到不同生育时期冬小麦冠层光谱红边特征曲线（图3），不同生育时期冬小麦冠层光谱红边特征曲线差异明显。表2 为不同生育时期冬小麦冠层光谱红边参数变化情况。将图和表相结合可知，冬小麦冠层光谱红边位置从拔节期开始先向长波方向移动发生“红移”，开花期红边位置到达739 nm 处，之后逐渐开始向短波方向移动发生“蓝移”。红边幅值也从拔节期开始增大，到孕穗期达到顶峰0.007 60，然后逐渐减小，到成熟期达最小值0.001 30。红边区域面积随生育期的推进，也呈现先增大后减小的趋势，在孕穗期达最大值0.316 73，然后逐渐减小，成熟期达最小值0.070 69。

图3 不同生育时期冬小麦冠层光谱红边一阶微分Fig. 3 First derivative spectra of canopy red edge of winter wheat at different growth stages

表2 不同生育时期冬小麦冠层光谱红边参数Table 2 Red edge parameters for winter wheat canopy spectra at different growth stages

冬小麦生育期内，红边参数变化呈现一定的规律性。这是因为在生长初期，植株、叶片都较小，叶面积指数小，叶绿素含量低，对红光的吸收和对近红外的反射都较弱，红边斜率值小，红边位置更靠近短波方向。随着生育期的推进，叶面积指数、叶绿素含量都会逐渐加大，对红光的吸收和对近红外的反射增强，红边斜率也随之增加，红边位置向长波方向移动。到生长旺盛期时，冠层叶面积指数和叶绿素含量都达到顶峰，对红光的吸收和对近红外的反射最强，红边斜率最大，此时红边幅值也最大。生殖生长开始时，植株养分开始转向花、籽粒等生殖器官，冠层叶片叶面积指数、叶绿素含量降低，叶片由绿色逐渐变为黄色。红边斜率逐渐降低，红边位置向短波方向移动，红边面积和红边幅值随之减小，到成熟期达最小值。从全生育期来看，灌浆期到成熟期这一阶段，冠层光谱一阶微分曲线变化幅度最大，相应红边参数变化也最大。

2.2.2 不同干旱胁迫下冬小麦冠层光谱红边特征

将图2 光谱曲线进行一阶微分变换，提取680～760 nm 波长范围内一阶微分光谱值，得到不同干旱胁迫下冬小麦冠层光谱红边特征曲线（图4），不同干旱胁迫下冬小麦冠层光谱红边特征曲线差异明显。表3 为不同干旱胁迫下冬小麦冠层光谱红边参数。综合光谱曲线与具体红边参数可知，红边幅值、红边面积随着土壤水分含量的降低而变小，红边位置随干旱胁迫程度的增强向短波方向移动。其中，土壤水分为田间持水量的80%（土壤含水量为18.94%）时，红边幅值达最大值0.008 00，红边面积达0.320 65；土壤水分为田间持水量的30%（土壤含水量为7.01%）时，红边幅值达最小值0.005 71，红边面积为0.243 66。

表3 不同干旱胁迫下冬小麦冠层光谱红边参数Table.3 Red edge parameters for winter wheat canopy spectra at different drought stresses

图4 不同干旱胁迫下冬小麦冠层光谱红边一阶微分（W0 为正常水分处理，W1 为轻度干旱处理，W2 为中度干旱处理，W3 为严重干旱处理，W4 极度干旱处理）Fig.4 First derivative spectra of canopy red edge for winter wheat at different drought stress（W0 represents normal water treat⁃ment，W1 represents light drought treatment，W2 represents moderate drought treatment，W3 represents severe drought treatment，W4 represents extreme drought treatment.）

3 讨论与结论

高光谱遥感技术是进行植物监测和作物田间管理的有效手段［27］。绿色植被光谱曲线是冠层叶片群体长势、土壤背景以及周围环境因素的综合体现。而从红光过渡到近红外的“红边区域”（680～760 nm）是反映植被生长状况的重要指示器。冠层光谱曲线及红边参数会随着植被营养状况、生育时期的变化而发生相应的改变。因此，开展冠层光谱特征和红边区域的研究和探索，对于监测作物胁迫具有很强的科学价值和研究意义。

由于受到冠层组成结构和叶绿素含量的变化，冬小麦冠层光谱反射率随生育期的推进发生规律性的变化，敏感波段主要集中在可见光波段和近红外波段，并且近红外波段波动幅度更为明显。在可见光波段，光谱反射率先降低后升高，随生育期的推进呈现成熟期>灌浆期>抽穗期>开花期>拔节期>孕穗期的规律；在近红外波段，光谱反射率先升高后降低，呈现抽穗期>开花期>拔节期>孕穗期>灌浆期>成熟期的规律。这一结果与程晓娟等［16］、束美艳等［28］的部分研究结果相一致。前人对冬小麦生育期光谱反射率的研究主要集中在3～5 个生育时期，相比较而言，本文研究结果更加细致而深入。

农作物遭受干旱胁迫时，会出现叶片枯萎、光合速率降低、叶面积减少、蒸散降低等症状，作物干旱早期预警对减少产量损失至关重要。通过识别叶片颜色等其他早期症状来进行干旱预警已经有较多的报道［29，30］。而高光谱遥感所获得的作物冠层光谱反射曲线可以提供350～2 500 nm 光谱范围的作物生长状态的详细信息。而叶片光合色素的能量吸收和反射在可见光区域的“绿峰”、“红谷”以及“近红外平台”得到了充分的反映。本研究对不同干旱胁迫下冬小麦冠层光谱进行分析后发 现，“绿 峰”、“红 谷”、“近 红 外 平 台”随 干 旱 胁 迫程度的增大也发生规律性的变化：干旱胁迫越重，绿峰越不明显，红谷越浅，近红外平台越低；干旱胁迫越轻，绿峰越凸出，红谷越深，近红外平台越高。这一结果与Wang 等［26］研究结果相一致。

“红边”是红光波段与和近红外（NIR）光谱范围之间植物反射光谱曲线的最大斜率点［31］，对植被胁迫十分敏感。在本研究中，随生育期的推进，红边幅值先增大后减小，红边位置先红移后蓝移。红边面积先增加后减小。随着干旱胁迫程度的加剧，红边幅值逐渐减小，红边位置发生蓝移，红边面积逐渐减小。

本研究对不同生育时期、不同干旱胁迫下冬小麦冠层光谱曲线及红边参数特征的变化进行了研究和探讨，并总结了诊断性规律，为干旱胁迫下不同生育时期冬小麦长势及产量的高光谱遥感监测提供理论基础和研究平台。