不同生育时期玉米洪涝胁迫遥感监测与评估

隋学艳 梁守真 张金盈 王 猛 王 勇 侯学会张晓冬

1 山东省农业可持续发展研究所 / 农业农村部华东都市农业重点实验室, 山东济南 250100; 2 山东省国土测绘院, 山东济南 250013;3 山东省农作物种质资源中心, 山东济南 250100

玉米是我国主要的粮食作物, 其用途较其他粮食作物广泛[1], 2018 年玉米播种面积占全国粮食播种面积的36.0%, 位居粮食作物播种面积首位[2]。玉米属于C4作物,与C3作物相比具有较强的抗旱能力和抗热能力[3], 需水量大而不耐涝[4]。我国玉米生育时期多集中在6 月至9 月,频繁的强对流天气致使玉米遭受洪涝灾害, 受灾后玉米根系呼吸受阻活力下降[5-6]、植株体内源激素含量和平衡失调、光合能力降低[7]、新叶片出生速率降低老叶片变黄[8]、叶面积指数降低[9]、叶绿素含量和氮素降低[10], 生育时期延迟[11]、产量下降[12]。暴雨过后各级生产管理部门需要尽快掌握玉米洪涝灾害发生的面积和程度, 制定合理的救灾和减灾措施[13], 同时农业保险部门也要争分夺秒调查灾情, 做好理赔工作。当前洪涝灾害的调查程序为: 农户上报, 行政部门逐级汇总统计, 保险公司实地核查并组织农业专家对灾损进行评估。暴雨发生时会造成道路损坏、桥梁坍塌, 车辆无法通行, 玉米多为规模化种植, 地块大、植株高, 靠人力很难在短时间内实现全面地、具有地理属性的清查。玉米涝灾的发生发展, 是植株逆境下进行生理生化反应的动态变化过程[3], 数据的准确性和科学性是灾害救助决策方案制定的重要保障。以遥感为主的空间信息技术是当前快速、准确、大面积获取地面信息的手段[14], 遥感技术已被广泛地应用于洪水淹没区域监测[15-17], 和玉米长势[18]与产量[19-20]评估研究, 但在玉米洪涝灾害监测与评估方面的研究鲜有报道。本研究采用人工模拟的办法, 观测不同生育时期、不同程度洪涝胁迫玉米冠层光谱及长势变化, 旨在建立玉米洪涝灾害遥感监测与灾损评估的技术方法。

1 材料与方法

1.1 试验设计

洪涝胁迫试验于2015 年进行, 地点在山东省济南市济阳县太平镇姜家村(39°57.822'N, 116°19.602'E), 胁迫实验设置早(拔节期)、中(吐丝期)、晚(灌浆期) 3 个时期, 每个时期设0、1、3、5、7 和9 d 6 个胁迫水平, 其中0 d为对照。小区长6.0 m, 宽2.5 m, 共18 个小区, 玉米行距0.6 m, 株距30 cm, 玉米品种为登海605。小区四周铺埋塑料布, 筑高0.4 m、宽0.5 m 土堰, 防止水分外渗, 24 h持续注水, 水深保持30 cm。胁迫处理情况见表1。

表1 试验设计Table 1 Experimental design

1.2 测定项目及方法

1.2.1 冠层高光谱测量 自7 月31 日拔节期胁迫处理开始, 天气晴朗日持续进行冠层光谱测量, 直至灌浆中后期。采用美国ASD Field SpecHandHeld 野外便携式高光谱仪进行光谱测量, 测量时间为北京时间11:00—14:00。光纤探头垂直向下固定于自制观测架的横臂上, 架子高3.4 m, 横臂长0.75 m。每小区用插地标牌固定南中北3个测试点, 测试前进行白板标定, 每点采集1 条光谱, 取均值作为测量结果。

1.2.2 覆盖度测量 光谱观测架横臂紧临光纤探头处垂直悬挂照相机SAMSUNG 100II, 调整焦距, 使拍摄范围与光谱测试范围相同, 与光谱同步拍摄, 用图像处理软件计算绿色占整幅图像的面积百分比得覆盖度, 取均值作为测量结果。

1.2.3 叶绿素测量 每小区选取长势均匀的连续 10株玉米, 固定叶片用植物养分测定仪TYS-3N 活体监测。拔节期选取玉米植株最上部第1 片完全展开叶, 吐丝期和灌浆期选定玉米穗上部第1 片叶片, 测试时间与光谱测试同步。

1.2.4 产量测定 蜡熟期全部收获, 每行玉米作为1个样本, 测定产量构成因素; 晾晒后脱粒称重, 并用PM-8188-A 谷物水分测量仪随机测定3 次玉米含水量。折算每公顷穗数、平均穗粒数、千粒重以及每公顷产量。

1.2.5 数据处理 根据试验采集数据情况, 统一选取每个时期全部胁迫处理完后5 d 与洪涝胁迫之前的测试数据进行分析。采用ASD ViewSpecPro 软件对光谱数据进行初处理; 采用ENVI、MATLAB 图像处理软件提取覆盖度; 采用Microsoft Excel 软件进行数据整理与作图; 采用DPS 软件进行数据统计分析和差异显著性检验(Duncan’s 法)。

2 结果与分析

2.1 洪涝胁迫对叶绿素的影响

洪涝胁迫后被观测叶片叶绿素呈现复杂的变化现象。由图1 可见, 拔节期洪涝胁迫对照处理E-0 和E-1 的最上部第1 片展开叶的叶绿素稍有增加, 其他处理的叶绿素均降低, 处理E-9 和E-7 极显著低于其他处理, 处理E-9 胁迫后叶片叶绿素降至17.55, 仅为之前的45.70%; 吐丝期玉米棒上第1 片叶片的叶绿素只有M-9 处理下降, 其他处理均增加, 增加幅度无明显规律, 洪涝胁迫对被观测叶片的叶绿素无影响; 灌浆期玉米处于生育后期, 叶片逐渐衰老, 叶绿素含量会逐渐降低, 洪涝胁迫促使叶绿素下降但并不明显。

2.2 洪涝胁迫对覆盖度的影响

洪涝胁迫能够降低玉米覆盖度, 玉米全生育期内拔节期覆盖度最高, 吐丝期次之, 灌浆期最低。处理之前各小区覆盖度均匀, 胁迫之后处理间覆盖度部分达到了极显著的差异水平。3 个生育时期洪涝胁迫均能降低玉米覆盖度, 以拔节期影响最大, 相对变化值最高幅度为-40.67%, 吐丝期次之, 灌浆期较小(图2)。

2.3 洪涝胁迫对玉米冠层光谱的影响

2.3.1 洪涝胁迫对反射率的影响 植物体内因含有叶绿素、水、蛋白质等复杂的化学组分, 以及多层叶片叠交的冠层结构而产生不同于其他地物的光谱反射率曲线[21]。选择3 个时期洪涝胁迫处理完成5 d 后的小区冠层光谱, 绘制光谱曲线(图3～图5)。与对照E-0 相比, 拔节期洪涝胁迫, 造成原有叶片叶绿素含量降低, 下部叶片迅速衰老, 新生叶片生长速度降低, 覆盖度降低, 露出植株底部土壤, 土壤及土壤中的水分对太阳光可见光至近红外的吸收要高于植被, 因此整体呈现反射率降低的现象, 胁迫程度越高降低越大, 可见光波段 553 nm处反射率降低幅度最大, 为0.022, 近红外平台879 nm处反射率降低幅度最大, 为0.340 (图3)。吐丝期玉米植株的叶片数量已经基本确定, 最后几片新生叶片逐渐展开, 洪涝胁迫主要造成下部叶片的衰老, 降低了新生叶片展开的速度, 胁迫处理与对照M-0 相比光谱反射率在可见光波段降低, 最大幅度在553 nm 处0.016, 在近红外波段反射率同样下降, 最大幅度在879 nm 处0.199,整体趋势同拔节期洪涝胁迫一致, 但降低幅度均变小(图4)。灌浆期洪涝胁迫处理L-7、L-5 和L-9 与对照L-0的反射率相比可见光有明显的升高, 处理L-5 和L-7 与对照L-0 的反射率相比近红外有明显的升高, 处理L-9与对照 L-0 的反射率相比近红外波段基本一致, 处理L-3、L-1 与对照L-0 的反射率相比, 在可见光和近红外均有明显的降低(图5)。

进一步对3 个时期洪涝胁迫后光谱反射率与胁迫天数进行相关性分析, 绘制曲线图。拔节期和吐丝期的胁迫天数与光谱反射率相关性曲线形状比较相近, 即400～900 nm 基本呈负相关关系, 整体分为3 部分, 在蓝绿光波段相关度较高, 在红谷波段相关度较低, 在近红外波段相关度较高。由于胁迫时期不同, 细节上仍然存在明显不同, 拔节期仅在较窄的可见光508～567 nm 的绿峰波段达到了显著相关水平, 而吐丝期在较宽的可见光400～564 nm 的蓝光吸收谷和绿光反射峰都达到了显著相关关系。拔节期在较宽的711～900 nm 波段达到了极显著相关关系, 吐丝期在较窄的727～896 nm 波段达到了极显著相关关系。与拔节期和吐丝期不同的是, 灌浆期的胁迫天数与光谱反射率在400～900 nm 均呈正相关关系, 即胁迫天数越长, 各波段的光谱反射率越高(图6)。

2.3.2 洪涝胁迫对光谱形状参数和植被指数的影响

洪涝胁迫对叶绿素含量、冠层结构的影响, 改变光谱反射率的同时也改变了光谱曲线的形状。计算拔节期、吐丝期、灌浆期的洪涝胁迫后经典光谱形状参数和植被指数共25 个, 并计算25 个指数与洪涝胁迫天数的相关性, 结果见表2。

表2 洪涝胁迫天数与光谱形状参数和植被指数的相关性Table 2 Correlation of flooding stress period with spectral shape parameters and vegetation indexes

洪涝胁迫天数与光谱形状参数和植被指数的相关性依然是拔节期和吐丝期较大, 灌浆期最小, 且以负相关为主。25 个指数中拔节期17 个达到极显著相关水平, 4 个达到显著相关水平; 吐丝期3 个达到极显著相关水平, 8 个达到显著相关水平; 灌浆期1 个达到显著相关水平。归一化差值植被指数NDVI [671, 867]、比值植被指数RVI [867,671]、结构不敏感色素指数SIPI 在拔节期和吐丝期的洪涝胁迫程度均达到极显著相关水平, 可以作为2 个生育时期洪涝灾害监测的共同指数。

2.4 洪涝胁迫玉米产量损失评估

将胁迫处理完后5 d 与洪涝胁迫之前的归一化差值植被指数NDVI [671, 867]、比值植被指数RVI [867, 671]、结构不敏感色素指数SIPI 的差值DNDVI、DRVI、DSIPI作为洪涝胁迫产量损失率估算的参数, 分别对拔节期和吐丝期的洪涝胁迫玉米产量损失率进行线性、多项式拟合,拟合效果均以多项式较优(表3)。

表3 拔节期和吐丝期洪涝胁迫玉米产量损失率模型Table 3 Model of maize yield loss rate under flooding stress at jointing stage and silking stage

3 个参数DNDVI、DRVI、DSIPI 分别建立的多项式产量损失率评估模型, 以DSIPI 为参数建立的模型效果最好, 模型拟合图见图7 和图8, 其次为参数DNDVI 建立的产量损失评估模型, 再次为参数DRVI 建立的模型。

3 讨论

玉米洪涝灾害是玉米生产中面临的重要气象灾害,生产单位和政府于灾后均需及时掌握受灾面积和受损程度。当前已有玉米洪涝胁迫后玉米生理变化的深入研究,以及以水体识别为主的洪涝灾害面积遥感监测的研究和应用, 但将玉米胁迫生理变化同遥感监测与评估技术相结合的相关研究鲜有报道, 玉米洪涝灾害监测仍停留在定性识别的阶段。为了建立玉米洪涝胁迫遥感监测和灾损评估方法, 本研究克服玉米洪涝灾害突发性和不可重复性的特点, 系统开展不同生育时期、不同胁迫程度玉米洪涝灾害人工模拟试验, 活体、持续、定位监测叶片叶绿素、冠层光谱和覆盖度, 分析洪涝胁迫下叶绿素、覆盖度的变化, 从典型植被光谱曲线各波段控制因素角度, 研究光谱变化的原因, 确定了不同生育时期洪涝胁迫特征波段和植被指数。基于洪涝胁迫程度与稳定性较好的植被指数,建立灾损评估模型。

洪涝胁迫后的变化不仅包括叶绿素、覆盖度还包括其他理化指标以及土壤水分的变化, 每个生育时期的情况各不相同, 还需进一步分析各指标与光谱变化的内在联系, 尤其是适当的光谱预处理提取土壤背景含水量的数据, 将有助于建立完善的遥感监测和评估技术体系。拔节期、吐丝期洪涝胁迫与玉米遭受其他胁迫后光谱反射率的变化趋势相同[33], 可辅助气象数据确定玉米是否遭受洪涝胁迫。通常, 植株越健壮, 叶绿素吸收可见光进行光合作用的能力和自我保护反射近红外光灼伤的能力越强,可见光的反射率越低, 近红外反射率越高, 但灌浆期玉米遭受胁迫后光谱呈现植株长势良好态势, 实质是玉米遭受洪涝灾害贪青晚熟的表现。

试验过程中曾出现2 次自然降雨, 对叶片叶绿素的持续观测发现, 受光照和气温的影响, 降雨时叶片叶绿素急剧下降, 雨后随着天气的好转, 叶绿素能够快速恢复到降雨前水平。本试验光谱测试均于晴天开展, 对整体试验结果无影响。

由遗传基因决定, 不同品种有不同的耐涝特性, 不同土壤的渗水性、通气性亦不同, 本研究仅在红壤土试验地用了目前试验区域主推品种之一, 代表性还不够全面。人工模拟采用地下水, 水深为30 cm, 不同于温度较高的自然降雨, 且试验时天气为晴天而不是阴天, 试验条件下植株和群体的变化与自然发生的洪涝胁迫还存在一些不同。因此, 还需要进一步丰富受试品种与土壤类型, 继续开展与自然洪涝胁迫更为吻合的试验。

拔节期、吐丝期和灌浆期的洪涝胁迫对玉米生长产生了负面影响, 拔节期危害最大, 吐丝期次之, 灌浆期较轻,这与王成业等人的研究结论一致[33-34]。拔节期洪涝胁迫能显著降低叶绿素的含量, 植株叶片发黄, 覆盖度急剧降低,冠层光谱变为裸露土壤和胁迫后玉米植株的混合光谱,可见光和近红外平台光谱反射率都显著降低。吐丝期洪涝胁迫对叶绿素基本无影响, 而覆盖度稍有降低, 光谱曲线变化不及拔节期显著。灌浆期洪涝胁迫稍微加速了叶绿素的分解和叶片的衰老, 覆盖度略有下降, 但影响均不大。可用与拔节期和吐丝期胁迫程度相关度都较高的结构不敏感色素指数, 胁迫之后与胁迫前的差值DSIPI 为参数建立模型, 进行玉米洪涝灾害损失的评估。