不同氮肥條件下冬小麥冠層高光譜特征及紅邊參數變化

程曉娟　李振海　王延倉　宋森楠　馮海寬

摘要：為快速、準確、無損地監測小麥長勢和營養狀況，對不同氮素處理下4個小麥品種的冠層高光譜信息進行分析，并進行了紅邊參數與農學組分的相關分析。結果表明，在同一氮肥條件下，同一品種小麥在不同生育期的冠層高光譜反射率差異明顯，且在近紅外波段的差異大于可見光波段。隨著氮肥施用的增加，近紅外反射率有明顯升高的趨勢，而可見光處反射率降低并呈單峰曲線，且隨著施氮量的增加反射光譜的紅邊和綠峰分別發生紅移、藍移。在冬小麥紅邊參數中，紅谷位置、最小振幅及綠峰位置與農學組分之間呈負相關，而其余各紅邊參數與農學組分之間呈極顯著正相關；建立了基于紅邊振幅的各個組分之間的回歸統計模型，且模型較為穩定。

關鍵詞：冬小麥；氮素水平；冠層高光譜；紅邊參數

中圖分類號：S512.1+1；S506.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）05-1004-06

近年來，隨著高光譜遙感技術的不斷深入發展，使得利用高光譜波段之間的差異對農作物特征進行定量分析得以廣泛開展，從而為快速、非破壞性診斷作物營養狀況和大面積監測作物長勢、遙感估產等提供了重要的手段[1，2]。同一作物或不同作物在不同的環境條件、不同生育期及不同生產管理條件等因素下都會表現出不同的光譜反射特性。許多學者依據植被的這一光譜反射特性做了大量的研究工作。周學秋等[3]、朱雨杰等[4]利用小麥不同生育期和不同灌溉條件的冠層反射光譜特征，找出了最能區分作物不同生育階段和最佳灌溉的波段。楊長明等[5]對不同株型水稻的冠層光譜反射率進行了研究，結果表明，其冠層光譜反射率之間存在明顯差異，并以藍波段最為明顯。氮素作為作物生命活動中不可或缺的大量元素之一，它的虧缺會對作物的代謝過程造成影響。關于氮素脅迫條件下的作物反射光譜的研究也較多。唐延林等[6]、Shilayama等[7]研究了不同氮素水平下的水稻高光譜反射特征，結果表明，缺氮和正常條件下的水稻光譜存在明顯差異。一些學者分析提取了氮素脅迫下的冬小麥高光譜特征并研究了氮素脅迫下紅邊參數的變化規律及用NIR反射率來診斷小麥葉片水分含量[8-12]。李映雪等[13]、Filella等[14]研究分析了不同氮素水平下的小麥冠層高光譜紅邊特征，結果表明，紅邊參數與農學參數之間存在較好的關系。劉芳等[15]、杜建軍等[16]研究了施肥狀況對小麥植株含水量和光合生理特性的影響，表明不同的施肥狀況會使小麥葉片水分利用效率發生變化。上述研究主要集中于同一品種的作物在不同氮素條件下的冠層反射光譜特征，而對不同品種在不同生育期、不同氮肥水平下光譜反射特征研究甚少。

本研究利用田間小區試驗，分析了4個品種的冬小麥在不同生育期和不同氮素水平下的冠層高光譜反射率和紅邊參數變化規律及紅邊參數與小麥農學組分之間的關系，以期為快速診斷作物營養狀況及監測作物長勢提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2012～2013年在北京市小湯山精準農業示范基地進行，海拔高度36 m。前茬作物為小麥，土壤類型為潮土，底肥施過磷酸鈣510 kg/hm2、硫酸鉀150 kg/hm2。供試小麥品種為農大211（P1）、中麥175（P2）、京9843（P3）和中優206（P4）。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗設4個氮肥處理，分別為0 kg/hm2 （N1）、225 kg/hm2 （N2）、450 kg/hm2（N3）、900 kg/hm2（N4），分基肥和追肥各50%施用。小區面積為10 m×9 m，播種行距15 cm。完全隨機設計，2次重復，其他管理措施同大田管理。

1.2.2 冠層高光譜測定 在小麥的拔節期、孕穗期、開花期、灌漿期和乳熟期，采用美國ASD公司生產的Fieldspec -FR Pro2500型地物光譜儀測定不同處理小區冠層高光譜反射率，其視場角為25°，波段范圍為350～2 500 nm，間隔為1 nm。光譜測量選擇在晴朗無云、風力較小的天氣進行，測定時間為10：00～14：00，每個點測10次，取其平均值作為該小區的高光譜反射率。每次測量高光譜前后立即進行參考板校正。

1.2.3 樣品分析 在對應測定高光譜的位置進行破壞性取樣，取樣為2行，行長1 m。將取好的冬小麥植株樣品放入密封的塑料袋中，以盡可能地避免植株水分的流失。在實驗室內，將莖葉分離，分別稱其鮮重，在105 ℃下殺青，然后將所有植株樣品在80 ℃烘干24 h以上，直至恒重后再稱其干重。氮含量采用凱氏定氮法測定，葉綠素含量采用酒精提取-分光光度計測定，LAI采用LAI2000測定。葉片和植株含水量的計算公式為：

LWC=[（LFWC-LDWC）/LFWC]×100% （1）

VWC=[（VFWC-VDWC）/VFWC]×100% （2）

式中，LFWC為樣品葉片的鮮重（g），LDWC為樣品葉片的干重（g）；VFWC為樣品植株的鮮重（g），VDWC為樣品植株的干重（g）。

1.2.4 紅邊參數計算及處理 紅邊參數包括紅邊位置（REP）、紅谷位置（L0）、紅邊寬度（Lwidth）、紅邊振幅和最小振幅、紅邊振幅與最小振幅的比值、紅邊峰值面積及綠峰位置。為了簡便地分析紅邊特征，利用倒高斯模型模擬小麥的紅邊特征[12]。倒高斯模型可以很好地模擬植被地物在670～780 nm的反射光譜，其定義如下：

R（λ）= Rs-（Rs-R0）exp[■] （3）

REP=L0+Lwidth （4）

利用R0和Rs對紅邊處的光譜進行對數變換，然后在670～780 nm范圍內用最小二乘法估計模型參數REP和Lwidth。其對數變換公式為：

B（λ）={-ln[■]}■=a1λ+a0 （5）

式中，R0為葉綠素吸收谷的冠層高光譜反射率；Rs為紅肩處（680～780 nm范圍內冠層高光譜反射率最大值處）的高光譜反射率； L0是紅谷位置；REP為紅邊位置；Lwidth為紅邊寬度，也即為紅邊位置與紅谷位置之差。B（λ）為小麥冠層紅邊光譜對數變換后的取值，對B（λ）和λ進行線性擬合，那么就得到公式（5）中a1的和a0，則

L0=-■ （6）

Lwidth=-■ （7）

紅邊振幅：當波長為紅邊時的一階微分值。

最小振幅：波長680～750 nm范圍的一階微分最小值。

紅邊峰值面積：680～750 nm范圍的光譜一階微分值所包圍的面積。

綠峰位置：520～560 nm范圍的光譜一階微分最大值。

2 結果與分析

2.1 不同小麥品種冠層高光譜反射率差異

對正常施氮水平條件下的2次重復的4個品種進行光譜分析（圖1）。不同小麥品種間冠層高光譜反射率存在差異，但是反射率光譜曲線的基本走勢一樣，只是表現為反射率不同。在可見光部分，中麥175的反射率最低；在近紅外區域表現為中優206的冠層高光譜反射率最大，2次重復的結果均一致。各個品種間的冠層高光譜反射率的差異可能是不同的株型和株高造成的。

2.2 不同生育期小麥冠層高光譜反射率的變化規律

4個小麥品種在田間的長勢有所不同，但是它們的冠層高光譜反射率隨生育期的變化規律都一致。這里以農大211為例來分析小麥冠層高光譜反射率隨生育期的變化規律。從圖2可以看出，小麥不同生育期的冠層高光譜反射率存在差異，在近紅外部分的差異明顯大于可見光部分。從孕穗期到開花期，可見光部分的冠層高光譜反射率先升高再降低，而在近紅外部分的冠層高光譜反射率呈下降的趨勢，近紅外波段以孕穗期冠層高光譜反射率最高；到了灌漿期，小麥冠層高光譜反射率在近紅外波段迅速下降，而可見光部分的冠層高光譜反射率有所上升，可能是隨著生育期的推進，小麥葉片開始變黃，導致在可見光部分的冠層高光譜反射率上升；到了小麥乳熟期，其在可見光部分的冠層高光譜有異于其他三個生育期，冠層高光譜反射率在綠光波段550 nm左右無反射峰出現。

2.3 不同氮肥條件下的小麥冠層高光譜反射特征

孕穗期是小麥高光譜遙感研究作物長勢和養分診斷的最佳時期，以農大211孕穗期為例來分析在4個施氮水平條件下的小麥冠層高光譜響應。從圖3a可以看出，不同施氮量的冠層高光譜響應近紅外部分的差異明顯大于可見光部分，尤其是在近紅外波段的750～1 250 nm反射率隨著氮肥水平的增加而升高。而在可見光波段，無氮處理和其他三個施氮水平的反射率差異較大。單獨對可見光部分（350～650 nm）作圖（圖3b）分析可知，在350～650 nm的可見光部分冠層高光譜反射率呈現單峰曲線，4種施氮水平下反射率最大均在550 nm附近，表現出葉綠素的強吸收特性。

2.4 藍移和紅移現象分析

“綠峰”和“紅邊”是可見光波段植被的兩個主要光譜反射特征，它們的位置反映了植被的生長狀況。從圖4a可以看出，高光譜反射率的一階微分數隨施氮量的增加而變大，波長向長波方向移動（圖4b），也即是發生了“紅移”現象。隨著施氮量的增加，綠峰波長的變化與紅邊位置的變化正好相反，在綠峰位置處的高光譜反射率的一階微分隨施氮量增加變小，波長向短波方向移動，也就是發生了“藍移”現象（圖4c和圖4d）。

2.5 紅邊參數與各農學組分之間的關系

從表1可以看出，在冬小麥紅邊參數中紅邊振幅與農學組分之間的相關性要優于其他參數。除了紅谷位置與葉片含水量關系較差外，紅谷位置與其他農學組分、最小振幅和綠峰位置與所有農學組分之間呈極顯著負相關，而其余各紅邊參數與農學組分之間呈極顯著正相關（表1）。葉片含氮量和植株含氮量與紅邊位置、紅邊寬度、紅邊振幅和紅邊峰值面積呈極顯著正相關，可以通過這些紅邊參數來預測氮含量，且葉片含氮量與紅邊參數之間的關系優于植株含氮量與紅邊參數的關系。葉面積指數與紅邊位置、紅邊寬度、紅邊振幅和紅邊峰值面積呈極顯著正相關，而與紅谷位置、最小振幅和綠峰位置呈極顯著負相關關系。葉片含水量和植株含水量與紅邊位置、紅邊寬度、紅邊振幅和紅邊峰值面積呈極顯著正相關，而與最小振幅和綠峰位置呈極顯著負相關，且這些組分與植株含水量的相關性優于與葉片含水量的相關性。用最優紅邊參數為自變量（x），各農學組分為因變量（y）建立擬合方程如圖5所示。

紅邊振幅與葉片含氮量、植株含氮量和植株含水量具有較為穩定的關系，其相關系數分別為0.916，0.901和0.884；紅邊峰值面積與葉面積指數和葉片含水量具有較好的關系，其相關系數分別為0.854和0.713；紅邊寬度與總生物量之間存在較好的相關關系，相關系數為0.825。因此，可以利用紅邊參數快速、無破壞地診斷小麥營養狀況。

3 結論

研究結果顯示，不同品種之間的小麥冠層高光譜反射率存在差異，且在近紅外部分的差異明顯大于可見光部分。小麥冠層高光譜反射率在不同的生育期也有明顯的變化，且在近紅外波段的變化要大于可見光波段。從孕穗期到開花期，可見光部分的反射率先升高再降低，而在近紅外部分的反射率呈下降的趨勢，近紅外波段以孕穗期冠層高光譜反射率最高。在灌漿期，近紅外部分的反射率迅速下降，而可見光部分的反射率有所上升，隨著生育期的進一步推進，到了乳熟期小麥在可見光部分單峰現象消失。

不同施氮量的高光譜響應，近紅外部分的差異明顯大于可見光部分，在近紅外波段反射率隨著氮肥水平的增加而升高，而在可見光波段4個施氮水平的反射率都很小，差異不明顯。小麥冠層高光譜反射率的紅邊位置、綠峰位置隨著施氮量的增加都有所變化，隨著施氮量的增加，高光譜反射率的一階導數隨施氮量的增加而變大，波長向長波方向移動，發生“紅移”現象，而綠峰波長變短，向藍光方向移動，發生“藍移”現象。發生這些現象的原因是由于隨著施氮水平提高，葉綠素含量增加的緣故。但是氮肥水平達到一定程度時，葉綠素的含量反而會降低，影響作物的正常生長。

上述研究的結果僅是基于不同小麥品種之間關鍵生育期的冠層高光譜反射特征分析的，雖然部分消除了品種之間的差異，但是紅邊參數的反射率信息是整個冠層信息的綜合，而農學組分是部分葉片的，可能無法代表整個冠層的信息，如何定性和定量分析各種因素的影響還有待進一步研究。

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上述研究的結果僅是基于不同小麥品種之間關鍵生育期的冠層高光譜反射特征分析的，雖然部分消除了品種之間的差異，但是紅邊參數的反射率信息是整個冠層信息的綜合，而農學組分是部分葉片的，可能無法代表整個冠層的信息，如何定性和定量分析各種因素的影響還有待進一步研究。

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