不同生育期棉花叶片对干旱胁迫的光谱响应研究

罗霄玉 王家强

摘要 试验设置2个灌水量梯度，分别测量蕾期、花期、铃期的棉花叶片在325～1 075 nm处的光谱数据进行光谱响应研究。结果表明，不同生育期干旱胁迫下的棉花叶片光谱特征与常规灌溉有较大差异。蕾期和铃期，常规灌溉棉花叶片的近红外的反射率大于水分胁迫处理，花期常规灌溉小于水分胁迫处理；而在绿峰位置处，蕾期和花期常规灌溉棉花叶片的反射率大于水分胁迫处理。因此，干旱胁迫与常规灌溉棉花叶片在不同生育期部分光谱参数和植被指数有显著差异，可以通过不同的光谱参数与植被指数区分不同生育期发生干旱胁迫的棉花植株，为棉田水分管理提高科学参考。

关键词 棉花；干旱胁迫；光谱特征

中图分类号 S532   文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2023）11-0040-04

Spectral response of cotton leaves at different growth stages to drought stress

LUO Xiaoyu   WANG Jiaqiang*

（College of Agriculture， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract Two irrigation gradients were set up to measure the spectral data of cotton leaves at 325-1 075 nm at bud stage， flowering stage and boll stage respectively. The results indicated that the spectral characteristics of cotton leaves under drought stress at different growth stages were different from those under conventional irrigation. At bud and boll stages， the near-infrared reflectance of cotton leaves under conventional irrigation was higher than that under water stress， while that under conventional irrigation was lower than that under water stress. In the green peak position， the reflectance of cotton leaves under conventional irrigation at bud and flowering stage was higher than that under water stress. Therefore， some spectral parameters and vegetation indices of cotton leaves under drought stress and conventional irrigation are significantly different at different growth stages. The cotton plants under drought stress at different growth stages can be distinguished by different spectral parameters and vegetation indices， which can provide scientific reference for improving water management in cotton fields.

Keywords cotton; drought stress; spectral features

棉花是中國乃至全世界重要的经济作物之一，然而干旱灾害天气的频繁出现，给我国棉花生产带来了极大的影响，因此确定合理的灌溉量具有重要的研究意义[1]。目前，基于植物光谱特性的监测技术使作物水分诊断得到愈来愈广泛的应用[2]。干旱胁迫下棉花叶片不同生育期的生理学指标会发生变化，因此棉花叶片各生育期的光谱特征也会发生改变。本研究通过水分试验，获取棉花叶片的光谱反射率，分析光谱变换、光谱位置参数及植被指数的变化特征，从而为棉花水分及养分的大面积遥感监测提供理论基础。

1 试验设计与预处理

1.1 试验设计

试验地点为中国科学院新疆生态与地理研究所水平衡试验站（新疆阿拉尔市），本研究设置2个灌水量梯度，分别为20、33 m3/hm2，每个处理2个重复，一共设置4个小区。对于样本数据的采集和处理，本试验对选择棉花的3个生育期进行测定，分别为蕾期、花期、铃期。苗期过后，从蕾期开始，分别对5个处理采用上述不同的2个含水量进行灌溉并采集样本以及数据测定。

1.2 光谱数据预处理

使用ASD FieldSpec Hand Held 2便携式地物光谱仪测定在325～1 075 nm内棉花叶片的光谱反射率，光谱分辨率为1 nm。每个点测定10株棉花叶片的光谱反射率，取平均值作为1个点的平均反射率，每块地可获取30条光谱反射率曲线数据。对原始数据降噪后，根据Origin制图得出其变换值（一阶导数、二阶导数、倒数、对数），参考光谱位置参数，分析光谱位置参数的变化特征。

1.3 植被指数

植被指数是依据植被的特性，选择恰当的波段进行组合运算，能对植被进行简单有效的度量[3]。本研究需要涉及9种植被指数类型，分别是归一化光谱反射指数、光谱反射指数、植株氮素光谱指数、生理反射指数、荧光比值指数、比值指数、双倍差异指数、修正的比值指数、标准叶绿素指数。

2 结果与分析

2.1 不同水分处理棉花叶片的光谱曲线特征

为了研究不同干旱胁迫下棉花叶片反射光谱的特征，测定蕾期、花期、铃期的棉花叶片光谱反射率，获得的光谱反射率范围在325～1 075 nm，但由于外界因素的影响，光谱曲线在波段325～350 nm以及900～1 075 nm处的波动性较大，不利于光谱特征的分析，故将该波段予以剔除。将350～900 nm的光谱数据使用The Unscrambler软件进行平滑降噪，分析棉花叶片反射率的变化特征。

由图1可知，在不同时期，不同含水量下棉花叶片的光谱曲线特征在其他波段存在着很大的差异。波长360～440 nm及680～1 075 nm下，同一时期不同含水量的棉花叶片反射率差异大，蕾期，常规水分的反射率大于水分胁迫。在花期，常规水分棉花的光谱反射率大于水分胁迫，在红谷处，不同时期不同处理的棉花叶片反射率存在着较大的差异，水分胁迫下棉花在蕾期和铃期的叶片反射率大于常规水分。

植被的原始光谱曲线不能完全突出植被的光谱特征，对光谱数据进行数学变换，能在一定程度上放大植物光谱的细节信息[4]。

由图2可知，经过一阶、二阶导数变换后的光谱曲线变化较为一致。蕾期水分胁迫的棉花叶片光谱在570 nm处出现最小值-0.045，在波长710 nm处常规水分处理出现最大值0.012。3个生育期不同水分下棉花叶片光谱在可见光波段525、715 nm处都有反射峰出现，但是蕾期水分胁迫下的光谱在可见光波段内，尤其蕾期常规水分处理在波长710 nm附近的红边位置的反射峰比其他生育期高。对数变换后能波长800 nm附近的峰谷与原始光谱相比有所减弱，而其他波段的特征与原始光谱近乎一致。倒数变换后，铃期水分胁迫处理的棉花叶片光谱在红谷的反射率值最大，其他生育期棉花叶片光谱红谷的反射率值较小。

2.2 光谱位置参数变化特征

本研究分析了2种灌溉处理的棉花叶片光谱位置参数，分析常规水分与水分胁迫下棉花叶片的光谱特征。

由表1可知，蕾期水分胁迫棉花叶片的Db、Dy、Ho比常规水分处理的显著增大（P<0.01），而λy、Dr、Rg显著减小（P<0.01）；花期水分胁迫棉花叶片的Db、Dy比常规水分处理的显著增大（P<0.01），而Ho显著减小（P<0.01）；铃期水分胁迫棉花叶片的Dy比常规水分处理的显著增大（P<0.01），而Db、Dr 显著减小（P<0.01）。因此，可以在不同生育期通过光谱位置参数来判断棉花是否发生了水分胁迫。

2.3 植被指数变化特征

植被指数是2个或者多个波长范围内反射率值的线性或者非线性组合[5-7]，其目的是增强植被某一特性或细节，在一定条件下可以定量说明植被的生长状况[8-9]。

由表2可知，在蕾期常规水分和水分胁迫的棉花mND705差异极显著（P<0.01），ND（483，503）、PRI、Carter2、NPCI差异显著（P<0.05）；在花期常规水分和水分胁迫的棉花ND（770，713）、SR、FRI2、Carter1、Carter2、Carter4、Carter5、Datt、Maccioni、NPCI差异极显著（P<0.01），ND（483，503）、PRI、Carter3、DD、mND705差异显著（P<0.05）；在铃期常规水分和水分胁迫的棉花ND（483，503）、PRI、Carter2、Carter3差异极显著（P<0.01），ND（770，713）、SR（723，770）、FRI2、Carter4、DD、Gite/son、NPCI差异显著（P<0.05）；因此，在不同生育期，也可以通过不同植被指数的差异来区分干旱胁迫的棉花。

3 小结

（1）在蕾期和铃期，常规灌溉棉花叶片的近红外的反射率大于水分胁迫处理，花期常规灌溉小于水分胁迫处理；在绿峰位置处，蕾期和花期常规灌溉棉花叶片的反射率大于水分胁迫处理，而在铃期则是相反。

（2）一阶导数处理后，蕾期常规水分处理在波长710 nm附近的红边位置的反射峰比其他生育期高，倒数变换后，铃期水分胁迫處理的棉花叶片光谱在红谷的反射率值最大。

（3）在不同生育期，常规灌溉的棉花叶片与水分胁迫相比光谱位置参数和植被指数都有不同程度的变化，可以用差异显著的指标来判断棉花是否发生了水分胁迫。

参考文献

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[2] 张楠楠，张晓，姚娜，等.塔里木河流域上游胡杨叶面积指数高光谱遥感反演方法对比[J].江苏农业科学，2018，46（8）：216-221.

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[4] ARVAYO-ENR?QUEZ H，MONDACA-FERN?NDEZ I，GORT?REZ-MOROYOQUI P，et al. Carotenoids extraction and quantification：a review[J]. Analytical Methods，2013，5（12）：2916-2924.

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（责编：王 菁）