寧夏引黃灌區水稻冠層高光譜特征研究

李永梅　張立根　侯靜　張學儉

摘要：以不同施氮量試驗小區為依托，對各生育期水稻冠層光譜反射率及一階微分光譜進行分析。結果表明，水稻冠層光譜隨生育期的變化規律與其生長發育變化特征相對應；不同施氮條件下水稻冠層光譜反射率隨施氮量增加在可見光波段降低、近紅外波段升高，其中550～600 nm和800～900nm處差異明顯，是診斷氮素的特征波段：紅邊位置（A。）和紅邊斜率（DT）在孕穗期前均隨著氮素水平的提高而增加，齊穗期后出現藍移現象，DT減小；將特征波長的比值指數和DT與葉片氮積累量進行相關性分析，結果顯示，800 nm和550 nm的反射率之比與葉片氮積累量的相關性較好，其相關系數為0，864，λ，和D，與葉片氮積累量的相關系數分別為0.814、0.908。說明合適的光譜變量可以診斷水稻氮素狀況，進而為合理施肥提供參考。

關鍵詞：水稻；冠層；高光譜特征；寧夏引黃灌區

寧夏大米以上乘品質著稱，得益于優越的生態環境。孟亞利等對全國氣候生態條件評價的結果顯示，寧夏引黃灌區的綜合評價結果幾乎全為1級。同時光熱資源分析表明，寧夏水稻的潛在生產力和現實生產力均位居全國第二位。隨著“三農”政策的推進，寧夏引黃灌區正在建設高產優質萬畝水稻種植基地，水稻生產向著規模化產業化方向發展。然而，在水稻栽培中仍存在氮肥施用過多等問題，不僅影響水稻產量及品質，也給環境帶來嚴重污染。如何合理施用氮肥，成為寧夏優質水稻栽培生產中需要研究的重要問題。

近幾年，高光譜遙感技術作為診斷作物氮素的新手段備受關注，是變量施肥的基礎技術，在現代農業中有極高的應用價值及前景。寧夏北部引黃灌區太陽輻射總量為5 873×10⁶-6 101×10⁶J/m²，年日照時間為2 868～3 060 h，利于應用遙感技術對水稻營養進行診斷與監測，目前寧夏還未見有相關研究報道。本研究結合寧夏水稻生長發育規律，以不同施氮水平的試驗小田為依托，探討水稻冠層反射光譜變化規律，分析水稻高光譜反射率及其變量與水稻氮素含量的關系，為寧夏水稻氮素的遙感監測提供基礎，為合理施肥提供依據，對促進寧夏水稻產業向高檔綠色食品發展具有現實意義。

1.材料與方法

1.1試驗方法

試驗地點為靈武市梧桐樹鄉楊洪橋村，供試品種為寧優2號，種子播種量為300 kg/hm²，行間距為23 cm。旱直播種植方式。設3個氮素處理，純施氮量分別為240、270、300 kg/hm²，用N0、N1、N2表示。每小區為4.8 m×12.5 m，小區間筑埂隔離，重復3次，隨機排列。所有氮肥分別在播種期、分蘗期和孕穗期按50%、30%和20%施入。磷（P2O5）和鉀（K2O）施用量為90 kg/hm2和45 kg/hm2，全部基施。田間管理栽培措施和大田生產相同。

1.2高光譜反射率測定

利用美國SVC GERl500野外便攜式光譜儀，光譜波段512個，光譜范圍350～1 096 nm，其中350～1 050 nm內性能穩定，采樣間隔為1.5 nm，視場角是25°。光譜測定從分蘗盛期至乳熟期幾乎覆蓋水稻整個生育期。為了保證光譜數據的質量，測定選擇在有適當太陽高度及光照強度的條件下進行，選擇晴朗、無風或風速極小的天氣，時間在10：30-14：30最佳。每次測定要用白板校準儀器。測定時，傳感器探頭垂直向下，距離冠層頂為70 cm，每小區選取3個點分別測定5次，取均值作為小區的高光譜數據。

1.3氦素測定

在冠層光譜測定的范圍內取樣，用烘箱在105℃殺青約10 min，在80℃烘72 h至恒重，采用凱氏定氮儀測定其氮素含量。

2.結果與分析

2.1冠層光譜隨生育期的變化規律

隨著水稻不斷生長，其葉面積指數、覆蓋度和生物量等均發生變化，光譜反射率也會隨之發生改變。圖1為不同生育期水稻冠層光譜反射率的變化情況，由圖1可以看出，各生育期的水稻冠層光譜反射率都具有綠色植物典型的光譜特征。在可見光波段，從分蘗盛期（7月3日）至孕穗期（8月13日），水稻冠層光譜反射率呈現降低趨勢，這是由于隨著植株持續生長、水稻葉面積指數及覆蓋度不斷增長，水稻群體的光合能力不斷提升，從而使可見光波段的吸收增強，其反射率逐步降低，抽穗期（8月24日）降至最低。從抽穗期至乳熟期（9月3日），可見光波段水稻冠層光譜反射率呈現增長趨勢，是由于從抽穗期起養分開始由葉片向穗部轉移，使水稻冠層的葉綠素減少，使得可見光波段的紅光和藍光反射率逐步升高；進入成熟期（9月24日）后，綠色葉片養分繼續向穗部轉移，葉綠素不斷分解，底部葉片逐步轉黃、枯萎、脫落，葉面積指數也不斷降低，使水稻光合作用減弱，可見光波段的反射率迅速上升。紅波段、藍波段的反射率上升加快。

近紅外區，從分蘗盛期，隨著水稻葉面積指數增加，近紅外的反射率不斷增大，當葉面積指數在抽穗期達到一定值時，近紅外反射率也隨之趨于穩定。灌漿和乳熟期，由于葉片向穗部轉移了大量養分，使得葉片內部組織結構發生明顯變化，近紅外波段的光譜反射率也開始逐步下降，一直持續至水稻成熟。

2.2不同氦素水平的冠層高光譜特征

不同施氮水平下，水稻冠層光譜反射曲線如圖2所示。由圖2可見，水稻在分蘗盛期、孕穗期、齊穗期都呈現出基本相似的規律：在可見光波段350-700 nm，水稻冠層光譜反射率呈現出隨施氮量的增加而降低，在近紅外波段750-1 050 nm，隨著氮肥用量的增加，冠層光譜反射率逐漸升高。施氮量增加，水稻葉綠素含量也隨之升高，使光合能力增強，可見光波段的吸收增加而反射減弱，在近紅外波段主要受葉面積大小的影響。分析得出，冠層反射光譜在可見光波段為480-670 nm和近紅外波段為800～910 nm處更易于區分不同的氮肥處理。

2.4不同氦素水平的導數光譜及紅邊參數

從圖3和表1可見，不同施氮條件的一階微分反射光譜峰值位置及峰值大小明顯不同。分蘗盛期和孕穗期，紅邊位置及紅邊斜率均隨著氮素水平的提高而增加，表明該時段水稻葉片的葉綠素含量與氮素呈正相關：齊穗期后紅邊位置呈現藍移，紅邊斜率減小。由此可知，水稻冠層光譜紅邊位置及紅邊斜率均與氮素水平有關，可作為診斷水稻氮素的特征光譜。

2.5水稻反射光譜與葉片氮積累量的關系

采用t檢驗法對相鄰施氮處理間的光譜差異進行檢驗，結果表明，分蘗盛期至孕穗期診斷氮素水平的波段集中在可見光區的550～600 nm和近紅外波段的800～900 nm。冠層光譜是對植被群體光譜特征的反映，是包含了稈、莖、葉片、穗及下墊面等背景光譜信息的綜合體，用單波段光譜診斷葉片氮積累量容易受葉面積指數、生物量和背景等影響。根據水稻冠層高光譜反射率特征，分析了近紅外與可見光2個波段的比值共60個植被指數與葉片氮積累量之間的關系，其中與葉片氮積累量相關性較好，相關系數為0.864，達到顯著水平。紅邊位置和紅邊斜率與葉片氮積累量的相關系數分別為0.814、0.908，也均達到了顯著水平。

3.討論

通過人為控制施氮量導致試驗田中水稻葉綠素含量及葉面積指數產生差異，進而使水稻冠層反射光譜產生差異。隨著水稻生育期的推進也引起水稻冠層反射光譜的差異。通過對田間試驗的分析，表明水稻冠層反射光譜及一階微分光譜變化的規律性與其生長發育的變化特征是相對應的：不同施氮水平下水稻冠層光譜差異明顯，反射率隨施氮量增加在可見光波段降低、近紅外波段升高：紅邊位置（λ）和紅邊斜率（D）在孕穗期前均隨著氮素水平的提高而增加，齊穗期后紅邊位置呈現藍移，紅邊斜率減小。

在對光譜反射率與氮素相關性分析中，由于冠層光譜反映的是植被群體的光譜信息，受葉面積、生物量及下墊面等影響較大，本研究采用群體葉片氮積累量（單位面積土地上全部葉片氮素總量）與光譜變量進行相關分析，在一定程度上可以消除冠層光譜所受的影響。同時，僅用單一波段分析冠層光譜受生物量、下墊面等的影響較大，本研究采用2個波段的比值并結合紅邊參數，這樣可以消除噪音對光譜數據的干擾，擴展不同施氮水平水稻間的光譜差異，充分挖掘反射波段的光譜信息，提高光譜分析的準確性。本研究說明利用高光譜遙感技術實時診斷水稻長勢和肥力狀況具有重要意義和巨大潛力。