持續受漬對油菜葉片光譜特性的影響

劉莉 +戴黎+雷廷海+徐金剛+段丁丁+熊勤學++蘇榮瑞+劉凱文+尤慧+高華東

摘要：針對目前只能用最終產量診斷油菜是否受漬的現實，基于光譜反射曲線能準確反映作物水分脅迫狀況，為實現油菜漬害的快速、無損鑒別，通過田間試驗，在油菜蕾薹期和花期，利用光譜儀每隔3 d定期采集油菜華油雜668、中雙9號2個品種，在不受漬（CK）和充分受漬（地下水近地表）6、9、12、15、18 d后葉片的光譜反射率數據，分析油菜受漬時間對油菜葉片光譜特性的影響。研究結果表明，在花期持續受漬的21 d內，葉片光譜反射率相比未受漬油菜，在550～700 nm及1 400～1 500 nm區間內升高，在750～950 nm區間內降低；其NDVI、NDWI指數基本隨受漬時間的增加而降低。通過光譜曲線的一階導數提取紅邊位置后發現，當漬害脅迫超出了油菜機體自我調節閾值時，其葉片反射光譜的紅邊位置隨受漬時間的增加發生藍移現象，且藍移幅度隨漬水時間增加而增大。通過比較油菜品種華油雜668、中雙9號在蕾薹期、花期的紅邊位置，結果表明油菜品種華油雜668的抗漬能力比中雙9號強。建議用NDVI、NDWI指數變化，結合紅邊位置是否藍移診斷油菜是否受漬。

關鍵詞：油菜；漬害；高光譜遙感；紅邊參數

中圖分類號： S634.301；S127文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）05-0057-04

漬害是指在地下水位長期偏高的區域，由于土壤長時間處于水分過飽和狀態，而引起的土壤中水、熱、氣及養分狀況失調，致使土壤理化特征災變、肥力下降，從而影響作物生長，甚至危及作物存活的一種災害現象[1]。漬害是世界性的重大災害，也是我國主要的自然災害。它是我國南方平原、湖濱產稻區具有普遍性的一種災害現象[2]。油菜是我國最重要的油料作物之一，主要分布在長江流域一帶，長江流域油菜種植面積占我國油菜總面積的85%左右[3]。而長江流域水資源豐富，地下水位偏高；加上常年溫潤多雨，使得油菜極易遭受漬害。特別在花果期，當漬害脅迫超出了油菜機體自我調節閾值時，油菜葉片部分光合機構發生不可逆破壞，最終會影響油菜正常生長，引起油菜產量、品質下降[4-9]。目前，作物需水及水分脅迫狀況，主要是通過測量植株葉片的氣孔導度、葉水勢、冠層溫度、蒸騰速率、植株莖稈直徑的變化等指標間接獲得[10]。與這些分析技術相比，高光譜遙感技術分析技術的應用，具有對植株傷害小、數據采集較容易、分析精度高、結果穩定直觀、分析結果可大面積應用與推廣等優點[11-13]。Carter等研究發現，在近紅外波段950～970 nm范圍內對應1個弱的水吸收峰，并證明該吸收峰可以監測植物水分含量[14-15]。吉海彥等在1 400～1 600 nm范圍內，測量冬小麥葉片的反射光譜，用偏最小二乘法建立了水分含量與反射光譜的模型[16]。賀可勛等研究發現水分脅迫下小麥在生長期前期出現紅邊位置紅移現象，生長期后期出現紅邊位置藍移現象[17]。孫莉等研究發現，紅邊位移現象結合紅邊幅度變化的研究，用于診斷棉花水分脅迫也是可行的[18]。尹凡利用特征波長指數提取特征波段建立識別模型，能夠較好區分部分品種的油菜[19]。張曉東等研究發現，960、1 450、1 650 nm波段的光譜反射率與油菜含水率呈極顯著相關[20]。賈方方等研究發現，煙草葉片的紅邊特征受水分的影響較大，不同水分處理下烤煙葉片的紅邊一階導數光譜差異顯著，紅邊位置隨土壤水分減少向長波方向移動，發生“紅移”現象[21]。目前，國內外相關研究對象主要是水稻、小麥等糧食作物，且作物漬害研究相對較少。利用高光譜遙感分析技術，針對我國主要油料作物油菜受漬后，漬害光譜特征曲線進行分析的研究更少。本研究通過對油菜不同生育時期、不同品種受漬前后的光譜曲線分析，探討油菜葉片反射光譜隨受漬時間、生育期的變化規律，不同油菜品種受漬后葉片反射光譜特征差異，為高光譜特征進行油菜長勢評價和受漬狀況的鑒定應用提供理論依據。[JP][LM]

1材料與方法

1.1材料

試驗在湖北省荊州市荊州區氣象局進行，試驗油菜品種為半冬性甘藍型雜交品種華油雜668、常規油菜品種中雙9號。生長周期為2015年9月至次年5月，栽種環境為露天。

1.2試驗設計

2個品種共設12個處理，分別以不受漬為對照（CK）、蕾薹期（2月16日）受漬時間為6、9、12、15、18 d，花期（3月7日）受漬時間為6、10、14、16、18、20 d；3個重復，小區長2 m、寬2 m，受漬期間保持地下水位埋深小于0.1 m。

1.3分析測定

每個處理掛牌6張葉片（植株上、中、下部各取2張），每張葉片每隔2 d中午用ASD公司出產的FieldSpec4 Wide-Res Field Spectrum radiometer便攜式地物光譜儀進行光譜采集3條光譜曲線，其光譜觀測范圍為350～2 500 nm；光譜分辨率為1 nm@700 nm、30 nm@1 400，2 100 nm；波譜在350～1 000 nm光譜區采樣間隔為1.4 nm，在1 001～2 500 nm光譜區采樣間隔為2 nm。雨天延后。

1.4數據分析

運用ViewSpec Pro軟件，將每個處理的反射率光譜曲線取平均值作為該處理的葉片光譜特征數據。

紅邊位置計算。紅邊位置是植被光譜主要特征之一，是指對光譜數據一階導數最大值所對應的波長，綠色植物的一階導數最大值通常出現在紅光范圍680～760 nm，稱之為紅邊位置，作物在受到水分脅迫通常會藍移和紅移，它是反映作物光譜變化的重要特征量，其中一階導數光譜曲線的計算公式如下：

2結果與分析

2.1受漬時間對油菜葉片光譜反射率變化的影響

華油雜668油菜，在花期未受漬時和持續受漬的21 d，其葉片光譜反射率的變化見圖1。可知受漬后的葉片不同光譜區域對水分脅迫的響應特征不太一致。主要表現為：在 550～700 nm區間內葉片光譜反射率升高，750～950 nm區間內反射率降低，1 400～1 500 nm區間內反射率升高。

由此，運用公式（2）和公式（3）計算NDVI指數和NDWI指數，得到其不同受漬天數后，其值的變化規律

NDVI是一個能反映植被的葉綠素、葉片水分含量等信息的綜合植被指數， 而NDWI能有效地提取植被冠層水分含量，靈敏地響應植被受水分脅迫的信息[24-26]。劉小磊等研究發現，林地的NDVI、NDWI變化趨勢與相對濕度變化趨勢相似[25]；Chen等利用NDWI反演玉米和大豆的冠層水分含量，玉米冠層含水量與NDWI有較好的線性關系[26]。從圖2可以看出，華油雜668在持續受漬8 d（蕾薹期）、2～3 d（花期）后，其NDVI、NDWI指數基本隨受漬時間的增加而明顯降低。可能是當漬害脅迫超出了油菜機體自我調節閾值時，油菜葉片的葉綠素含量減少，表現為受漬葉片較正常植株加速發黃，水勢降低葉片加速萎蔫導致。同時華油雜668耐漬時間蕾薹期大約為8 d，花期耐漬能力差，只有2～3 d。

[HTK]2.2受漬時間對油菜紅邊位置的影響[HT]

運用公式（1）計算每個處理的紅邊位置，得到華油雜668油菜在蕾薹期隨時間的變化曲線（圖3），隨漬水時間的延長，紅邊位置較對照（即正常植株），發生紅移現象，但紅移幅度在減小。這可能與品種自身的抗漬能力有關，朱建強等之前研究表明，油菜春季短期7 d以內受漬對產量影響不大。而在漬水大約11 d時，發生藍移現象，藍移幅度隨漬水時間增加而增大[27]。在花期整個生育期內，華油雜668隨漬水時間的延長，紅邊位置相較對照發生明顯的藍移現象，且藍移幅度隨漬水時間增加而增大。[FL）]

相關學者研究表明，植物葉綠素含量、生物量、物候變化、冠層結構、葉片結構等因素都能使紅邊位置和紅邊幅值發生改變[23]。由此可推斷，當漬害脅迫超出了油菜機體自我調節閾值時，油菜葉片部分光合機構發生不可逆破壞，影響油菜正常生長[28]，最終導致受漬油菜光譜曲線的紅邊位置相較對照發生藍移現象，藍移幅度隨漬水時間增加而增大。該結論與張曉東等在小麥[20]、孫莉等在棉花[18]、賈方方等在煙草上的觀點[21]大致一致。

2.3不同油菜品種受漬后葉片光譜紅邊位置特征比較

與華油雜668油菜相似，蕾薹期，中雙9號隨漬水時間延長，紅邊位置較對照發生明顯的藍移現象，且藍移幅度隨漬水時間增加而增大（圖4）。在漬水等條件相同情況下，華油雜668與中雙9號比較，在蕾薹期有11～13 d自我調節時期，表明蕾薹期，華油雜668比中雙9號的耐漬性能要強。[FL）]

[FL（2K2]花期華油雜668隨受漬時間延長，紅邊位置較對照發生明顯的藍移現象，藍移幅度逐漸增大。而中雙9號隨漬水時間的延長，紅邊位置較對照無明顯變化，后期發生紅移現象（圖5）。這與中雙9號油菜營養生長期較長，生殖生長較快[29]的生育特性有關。在終花至成熟過程中，中雙9號對照與處理植株葉片相繼自然變黃枯萎，且葉片因漬水時間過長而枯死脫落，由于更換觀測葉片導致。結果表明，在蕾薹期和花期，油菜受漬超過一段時間后紅邊位置有明顯的藍移現象。

3結論與討論

當漬害脅迫超出了油菜機體自我調節閾值時，油菜葉片的葉綠素含量減少，表現為受漬葉片較正常植株加速發黃，水勢降低葉片加速萎蔫，使得其NDVI、NDWI指數表現為隨受漬時間的增加而降低。油菜葉片部分光合機構發生不可逆破壞，影響其正常生長，其葉片反射光譜的紅邊位置會隨著受漬時間的增加發生藍移現象，且藍移幅度隨漬水時間增加而增大。在蕾薹期，華油雜668比中雙9號抗漬能力強。

本研究確定了油菜葉片光譜曲線紅邊位置變化與受漬時間的規律。根據紅邊位置的變化，明確了不同品種其抗漬能力差異。今后將增加漬害試驗的油菜品種，根據光譜曲線進行不同品種抗漬能力的比較，以期明確不同油菜品種耐漬時間。[FL）]

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