马铃薯光谱及数字图像特征参数对氮素水平的响应及其应用

何彩莲，郑顺林, 2*，万年鑫，赵婷婷，袁继超, 2，何 卫，胡建军

1.四川农业大学农学院, 四川 成都 611130 2.西南地区作物栽培重点实验室，四川 成都 611130 3.四川省农科院作物所，四川 成都 610066

马铃薯光谱及数字图像特征参数对氮素水平的响应及其应用

何彩莲1，郑顺林1, 2*，万年鑫1，赵婷婷1，袁继超1, 2，何 卫3，胡建军3

1.四川农业大学农学院, 四川 成都 611130 2.西南地区作物栽培重点实验室，四川 成都 611130 3.四川省农科院作物所，四川 成都 610066

为准确、快速地掌握马铃薯氮素状况，提高马铃薯对氮素的利用率，采用便携式高光谱地物波谱仪、数码相机与SPAD-502叶绿素仪获取马铃薯冠层图像、叶片光谱、叶片SPAD值，分析不同施氮水平下马铃薯两个关键生育时期数字化指标、叶片光谱指标、SPAD、产量的变化状况，以SPAD为辅助验证指标，以产量为氮素施用效率评价，分析数字化指标、叶片光谱与SPAD、产量的关系，明确最佳施氮水平下数字化指标、叶片光谱指标的临界值，以期探讨快速、简便进行马铃薯氮素营养诊断的方法。结果表明：(1)随着施氮水平的增加红边位置出现了“红移”，红边参数REP，Lwidth，FD_Max增加，Lo减小。(2)随着施氮水平增加数字化指标G/B和(G-B)/(R+G+B)逐渐降低，B/(R+G+B)逐渐增加。(3)SPAD随施氮量增加而提高，施氮量增加低氮水平增产效果明显，高氮水平增产效果不明显。光谱、红边参数、数字化指标与SPAD、产量相关性较好，据此建立了各个指标评价马铃薯氮营养丰缺的量化标准。表明运用数字图像与光谱技术进行马铃薯氮素营养诊断具有可行性，为马铃薯精准氮素营养监测提供研究思路与技术支撑。

马铃薯; 氮营养; 数字图像; 光谱

引 言

马铃薯有望成为我国第四大主粮，氮素是决定马铃薯产量和品质的关键因素。氮肥缺乏抑制马铃薯的生长发育，降低产量和品质，但过量施用氮肥造成一定的环境压力和资源浪费，同时导致马铃薯贪青晚熟与减产。准确掌握马铃薯氮肥状况，合理有效施用氮肥，提高马铃薯生产效率，减轻氮肥不当施用对环境造成的压力在生产上十分必要。准确科学地施用氮肥，既能保证马铃薯生产、又能减轻环境压力，因此快速、有效、准确掌握马铃薯氮素状况，为氮肥的合理施用提供可靠依据显得至关重要。

近年来，作物无损监测技术迅速发展，运用数字图像技术于氮素营养诊断中受到研究者的关注。国外已成功利用数码相机获得小麦等作物冠层图像并进行该作物的氮素营养诊断与氮肥施用模型推荐[1-2]。国内运用数字图像技术对玉米、小麦等作物进行氮素营养状况诊断，发现数字化指标能较好的反映植株全氮状况，指示作物氮素丰缺，建立氮肥推荐标准[3-4]。作物冠层光谱技术是一种无损测试遥感技术，是当今作物长势监测的有效方法[5]。植物光谱能够用于植物氮素营养监测[6]。玉米、小麦等作物已运用光谱技术进行氮素营养状况诊断与施肥推荐模型的构建[7-8]。然而，运用数字图像技术与作物光谱分析马铃薯氮营养状况的研究较少。故运用数字图像技术与光谱分析技术，将光谱参数、数字化指标分别与传统氮营养指标SPAD和产量进行相关性分析，探讨数字化指标与光谱指标对马铃薯不同氮营养水平的响应，提出马铃薯经济施氮下各指标的临界值值，为快速、有效、简便地进行马铃薯氮营养诊断提供依据。

1 实验部分

1.1 材料

供试材料为脱毒马铃薯川芋117，为四川省十二五培育的马铃薯新品种。

1.2 方法

试验在四川农业大学成都校区进行，采用精确控制盆栽沙培试验，盆子规格为35 cm×56 cm，盆土类型为河沙，每盆装沙20 kg，每盆种植六株马铃薯，播深5 cm。试验施氮量设6个水平，以SM营养液为基础，氮素采用硝酸铵随营养液施入，设置不同氮素水平，在马铃薯整个生育期，分6次均匀施用。每公顷施纯氮分别为0, 55, 110, 220, 330, 440 kg(用N0, N1, N2, N3, N4, N5代表)，N3为正常水平氮, N0, N1, N2, N4, N5分别为不施氮、1/4正常氮、1/2正常氮、1.5倍正常氮、2倍正常氮，每处理4次重复。

光谱测量使用荷兰AvaField-3便携式高光谱地物波谱仪，光谱范围350～2500 nm采样间隔为0.6 nm，视场角为25 °，选用350～1 050 nm光谱区间。在马铃薯关键生育时期块茎形成期、块茎膨大期，选择晴天无云的天气，中午11:00—14:00之间进行叶片光谱的测定。每个处理选取代表整体水平的马铃薯功能叶片(倒四叶)3片，立即送入遮光的实验室内平铺在黑色背景的工作台上，用AvaField-3便携式高光谱地物波谱仪进行光谱测定。测量时，标准探头靠近叶片，每次重复10次，以其平均值作为该观测点的光谱反射值。测定过程中，每次测完后及时进行标准白板校正。

数字图像获取使用Canon 650型数码相机，在马铃薯关键生育时期块茎形成期、块茎膨大期进行拍摄。所有的图像都在晴天12:00—13:00获取，拍摄时相机距地面高度为1.2 m，与地面冠层成60°角。相机调至Auto模式，以自动曝光模式控制曝光时间色彩平衡，图像的分辨率采用1 024×768，得到的图像为R，G，B真彩色图像，照片以JPEG格式转入计算机。图像数据提取采用Adobe Photoshop7.0软件，使用其直方图功能得到各处理图像的红光值、绿光值、蓝光值(R，G，B)。

SPAD采用SPAD-502叶绿素仪，每处理选取长势一致4片功能叶，每片测定6次，记录平均值。

数据分析使用Excel，Origin，Photoshop数据处理软件进行。

2 结果与讨论

2.1 不同施氮水平下马铃薯叶片光谱的变化规律

2.1.1 施氮水平对马铃薯叶片光谱动态变化的影响

不同生育时期的马铃薯的反射光谱曲线与绿色植被典型光谱反射曲线规律一致，马铃薯不同施氮水平下，光谱反射率在可见光波段与近红外波段差异显著(图1)。460 nm附近的蓝光区和690 nm附近的红光区有吸收谷，而在550 nm附近的绿光区存在较明显的反射峰，700 nm处反射率急剧上升，750 nm以后反射率趋于最大值且走势趋于稳定，形成高反射平台。在块茎形成期，400～700 nm可见光波段，不同施氮水平反射率都较低，随着施氮量的增加，马铃薯叶片反射率逐渐降低，550 nm绿峰处不同氮处理差异较为明显。700～1 050 nm近红外光区反射平台，随着施氮量的增加马铃薯叶片反射率逐渐提高。块茎膨大期与块茎形成期的光谱反射率变化规律一致，块茎膨大期在高反射平台处不同氮水平间差异更明显。

图1 不同施氮水平下两个生育时期马铃薯叶片原始光谱反射的变化

2.1.2 施氮水平对马铃薯叶片一阶微分光谱及红边参数的影响

一阶微分光谱是对光谱数据进行求导变换，可以部分消除线性和二次型背景噪声光谱；红边是由于植被在红光波段叶绿素的强烈吸收和近红外波段叶片内部结构多次散射而造成反射率急剧增加，从而出现陡而近于直线的斜边。由图2可知，马铃薯叶片反射光谱红边位置处于680～760 nm之间，N0～N5在块茎形成期，红边位置分别为703，708，714，716 ，718，718 nm，在块茎膨大期，红边位置分别为699，704，713，714，716，719 nm，红边位置随着施氮水平的提高，逐渐向长波方向移动，呈现“红移”现象。

不同氮水平下马铃薯红边位置(REP)、红谷位置(Lo)、红边宽度(Lwidth)、一阶导数最大值(FD_Max)均存在差异(图3)。随着施氮水平的提高马铃薯叶片REP不断增大，在块茎形成期和块茎膨大期均表现出一致规律，除N5外其他氮水平下块茎形成期的REP高于块茎膨大期，正常氮水平块茎形成期红边位置在716 nm，块茎膨大期在714 nm。而随着施氮水平的增加马铃薯叶片Lo总体呈现减小的趋势，高氮处理块茎形成期大于块茎膨大期，中低氮处理相反，块茎形成期和块茎膨大期大体表现出一致趋势，正常氮水平块茎形成期红谷位置在667 nm，块茎膨大期在670 nm。不同施氮水平，马铃薯叶片Lwidth有所不同，呈现出随施氮水平增加而升高的趋势(图3)。马铃薯叶片Lwidth在高氮处理两个生育时期的差异较小，低氮处理差异较高氮处理明显，正常氮水平块茎形成期红边宽度为49，块茎膨大期红边宽度为43.88。随施氮量的增加马铃薯叶片FD_Max逐渐增大，最低与最高施氮量在两个生育时期差异较小，其他施氮水平差异明显，正常氮水平块茎形成期一阶导数极大值为0.82，块茎膨大期一阶导数极大值为0.74。

图2 不同施氮水平下两个生育时期马铃薯叶片一阶导数光谱的变化

图3 不同施氮水平下两个生育时期马铃薯叶片红边参数REP, Lo, Lwidth, FD_Max的变化

随着施氮水平的增加，马铃薯叶片的REP，Lwidth，FD_Max呈现不断增加，两个生育时期表现出一致变化规律，中、低氮处理块茎形成期马铃薯叶片REP，Lwidth，FD_Max均高于块茎膨大期，而施氮水平提高Lo则呈降低趋势，中、低氮处理块茎膨大期Lo高于块茎形成期。

2.2 不同施氮水平下马铃薯冠层图像数字化指标的变化规律

根据R，G，B值得出G/B，R+G+B，G/(R+G+B)，B/(R+G+B)，R/(R+G+B)，(G-B)/(R+G+B)，G-B，R-B，(R-B)/(R+G+B)，R+B，(R-B)/(R+B)，(R-G-B)/(R+G)，R/B这13个冠层图像数字化指标。分析数字化指标与马铃薯氮素供应水平之间的相关性。结果表明，块茎形成期G/B，R+G+B，G/(R+G+B)，B/(R+G+B)，(G-B)/(R+G+B)相关性较高，均到达显著水平。随着施氮量的增加，马铃薯数字化指标G/B值降低，低氮处理差异高于高氮处理，两个生育时期的差异不大(图4)，正常氮水平块茎形成期G/B值为1.153，块茎膨大期G/B值为1.131。B/(R+G+B)随施氮水平的增加而增加，两个生育时期呈现一致规律，正常氮水平块茎形成期B/(R+G+B)值为0.309，块茎膨大期B/(R+G+B)值为0.311。(G-B)/(R+G+B)随氮水平提高而增加，低氮处理差异大于高氮处理，正常氮水平块茎形成期(G-B)/(R+G+B)值为0.047，块茎膨大期(G-B)/(R+G+B)值为0.040。

图4 不同施氮水平下两个生育时期马铃薯数字化图像指标G/B, B/(R+G+B), (G-B)/(R+G+B)的变化

2.3 不同施氮水平马铃薯叶片SPAD、产量的影响

马铃薯叶片SPAD有随施氮量增加而提高的趋势，块茎形成期与块茎膨大期均呈现此种趋势(图5)。相同施氮水平下块茎形成期SPAD高于块茎膨大期。低于正常水平的N0，N1，N2施氮量每株产量均低于正常水平，在低氮水平下，增施氮肥增产效果明显，N1比N0增产超过1倍，N2较N1增产0.7倍左右，N3较N2增产1倍以上。高氮水平下，施氮量增加增产效果差，N3，N4，N5无显著差异。

图5 不同施氮水平下两个生育时期马铃薯SPAD及产量的变化

2.4 叶片光谱、数字图像与SPAD的关系

2.4.1 马铃薯叶片光谱与SPAD及产量的关系

将马铃薯不同氮水平两个生育时期的原始光谱、一阶导数光谱分别与SPAD进行相关性分析(图6)。原始光谱与SPAD在709 nm波段处相关性最好达到极显著相关关系，相关系数为-0.935，一阶导数光谱与SPAD在749 nm波段处相关程度最高达到极显著相关，相关系数为0.975。在400～700 nm可见光波段大部分波段马铃薯叶片原始光谱反射率与SPAD存在显著或极显著负相关关系、700～1 050 nm近红外区绝大部分波段马铃薯叶片原始光谱反射率与SPAD呈显著或极显著正相关，在709和1 048 nm处存在谷值与峰值分别为-0.935和0.984；一阶导数光谱与SPAD相关性在蓝光和红光区相对稳定、在近红外平台处波动较大，与SPAD存在显著相关的波段较多。由此可知，马铃薯叶片的原始光谱、一阶导数光谱与SPAD相关性都较好。

不同氮水平两个生育时期马铃薯的原始光谱、一阶导数光谱分别与产量进行相关性分析(图7)。原始光谱与产量在719 nm波段处达到极显著相关相关性最好其系数为-0.938，一阶导数光谱与产量在701 nm波段处相关程度最高达到极显著相关相关系数为-0.949。在400～700 nm可见光波段及700～1 050 nm近红外区绝大部分波段马铃薯叶片原始光谱反射率与产量达到显著相关关系，在719和589 nm处存在谷值与峰值分别为-0.938和0.936；一阶导数光谱与产量相关性在蓝光和红光区相对稳定、在近红外平台处波动较大。马铃薯叶片的原始光谱、一阶导数光谱与产量的相关性都较好。

图6 马铃薯叶片的原始光谱(a)、一阶导数光谱(b)与SPAD的相关性分析

图7 马铃薯叶片的原始光谱(a)、一阶导数光谱(b)与产量的相关性分析

分析不同氮水平下两个生育时期马铃薯红边位置(REP)、红谷位置(Lo)、红边宽度(Lwidth)、一阶导数最大值(FD_Max)与SPAD的相关性(表1)。发现红边位置(REP)、红谷位置(Lo)、红边宽度(Lwidth)、一阶导数最大值(FD_Max)与SPAD均存在极显著相关关系，红边位置与SPAD相关系数最高为0.972，除红谷位置与SPAD为极显著负相关外，其他红边参数均与SPAD存在极显著正相关关系。红边位置(REP)、红边宽度(Lwidth)与产量均存在极显著相关关系，红谷位置(Lo)、一阶导数最大值(FD_Max)与产量均存在显著相关关系，红边位置与产量相关系数最高为0.896，除红谷位置与产量为极显著负相关外，其他红边参数均与产量存在正相关关系。红边位置与SPAD及产量均达到极显著相关且相关系数最高。

表1 马铃薯红边参数与SPAD、产量的相关性分析

Note:*p<0.05% level;**p<0.01 level

2.4.2 马铃薯数字图像指标与SPAD、产量的关系

对马铃薯数字图像指标与SPAD、产量进行相关性分析(表2)。经过选择的数字图像指标G/B，B/(R+G+B)，(G-B)/(R+G+B)在块茎形成期与块茎膨大期均与SPAD有显著或极显著相关关系。G/B和(G-B)/(R+G+B)在两个生育时期与SPAD呈极显著负相关关系，B/(R+G+B)在两个生育时期与SPAD呈显著正相关关系，相关程度最高的是指标在块茎形成期的G/B，相关系数为-0.953。而数字图像指标G/B, B/(R+G+B), (G-B)/(R+G+B)，除B/(R+G+B)在块茎膨大期与产量不存在显著相关关系外，其余在块茎形成期与块茎膨大期均与产量有显著或极显著相关关系。G/B，(G-B)/(R+G+B)两个生育时期与产量呈极显著负相关关系，B/(R+G+B)在块茎形成期与产量呈显著正相关关系，相关程度最高的指标是块茎形成期的(G-B)/(R+G+B)，相关系数为-0.952。

表2 马铃薯数字图像指标与SPAD、产量的相关性分析

Note:*p<0.05% level;**p<0.01 level

光谱技术能够应用于监测作物不同施氮量与推荐作物施肥。玉米叶片在可见光波段的光谱反射率有随着施氮量的增加而显著减小的趋势[9]。生菜[10]叶片红边位置、FD_Max随供氮水平的提高而逐步增加。本研究发现马铃薯叶片反射率在400～700 nm可见光波段随着施氮量的增加逐渐降低；随着施氮水平的增加，马铃薯叶片的REP，Lwidth，FD_Max呈现增加规律，而施氮水平提高Lo则呈降低趋势。姜继萍等[11]指出水稻叶片SPAD随施氮量的提高有所增加。本试验发现SPAD随施氮量增加而提高，施氮量增加低氮水平增产效果明显，高氮水平增产效果不明显。400～700 nm可见光波段大部分波段马铃薯叶片原始光谱反射率与SPAD存在显著或极显著负相关关系，红边位置、红谷位置、红边宽度、一阶导数最大值与SPAD均存在极显著相关关系，与产量存在显著或极显著的相关。

数字图像技术也被发现能够用于作物氮素营养的监测及进行施肥推荐。李岚涛等[12]提出R/(R+G+B)是最佳的监测水稻氮素营养冠层图像色彩参数指标。本试验发现能够较好反映马铃薯氮营养状况的数字图像参数指标是G/B，B/(R+G+B)，(G-B)/(R+G+B)，B/(R+G+B)与(G-B)/(R+G+B)随氮水平提高而增加，G/B则随施氮量增加而降低。将三个数字图像指标与SPAD及产量分析，G/B，B/(R+G+B)，(G-B)/(R+G+B)均与SPAD及产量相关性好，尤其G/B与SPAD及产量相关性均到达极显著水平。

3 结 论

通过对光谱、数字图像的各项指标与传统氮素营养指标SPAD、产量分析发现，N3水平为马铃薯最佳施氮水平。马铃薯N3水平下红边参数Lwidth和FD_Max在块茎形成期分别为49和0.82，块茎膨大期为43.88和0.74。马铃薯氮素诊断数字化推荐指标为G/B, B/(R+G+B), (G-B)/(R+G+B)，块茎形成期与块茎膨大期N3水平分别为1.153和1.131；0.309和0.311；0.047和0.040。马铃薯光谱与数字图像各指标N3水平下的值为马铃薯氮素临界值，低于上述指标的临界值，说明马铃薯处于缺氮水平；高于上述指标的临界值，则说明马铃薯供氮过多。通过分析马铃薯不同生育时期光谱及冠层数字图像，结果表明：可以利用此两种方法进行马铃薯氮素营养的诊断。

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(Received Jun.12, 2015; accepted Nov.8, 2015)

*Corresponding author

Potato Spectrum and the Digital Image Feature Parameters on the Response of the Nitrogen Level and Its Application

HE Cai-lian1，ZHENG Shun-lin1, 2*，WAN Nian-xin1，ZHAO Ting-ting1，YUAN Ji-chao1, 2，HE Wei3，HU Jian-jun3

1.College of Agriculture, Sichuan Agricultural Uniersity, Chengdu 611130, China 2.Key Laboratory of Southwest Crop Cultivation, Chengdu 611130, China 3.Crop Research Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Chengdu 610066, China

In order to know the potatoes nitrogen situation rapidly and accurately, promoting the efficient use of nitrogen fertilizer on the potatoes.Using the feature of portable hyperspectral spectrometer, digital cameras and SPAD-502 chlorophyll meter to abtain the potato digital indicators, leaf spectral and SPAD.Analysing the change status of digital indicators, leaf spectral index, SPAD and production of potatoes under different nitrogen levels in two key periods.Analysing the correlation between canopy image, leaf spectral and SPAD and production, with SPAD as auxiliary validation index, nitrogen fertilizer efficiency evaluation of yield to make sure potato canopy image under the most economic nitrogen application levels and leaf spectral’s critical value to explore the methods of nitrogen nutrition diagnosis quickly and simply.The results show: (1)With nitrogen levels increased, potato tuber formation stage and tuber bulking stage leaf spectral reflectance is the emergence of the "red shift" phenomenon, and the red edge parameters REP, Lwidth, FD_Max increased, Lo decreased.(2)With the nitrogen levels increased, potatoes tuber formation stage and tuber bulking stage digital indicators G/B, (G-B)/(R+G+B) decreased gradually, B/(R+G+B) increased gradually.(3) with the increase of nitrogen application rate SPAD is increased.It is obvious low nitrogen levels increase production with nitrogen increased.It is not obvious the high level of nitrogen stimulation effect.Potato canopy image, leaf spectral and red edge parameters have good correlation with SPAD value and productions, establishing the index evaluation of nitrogen nutrition abundance or lack of quantitative standard of potatoes.Indicating digital image and spectrum technology to nitrogen nutrition diagnosis of potatoes is feasible, provide research ideas and technical support for the potato accurate monitoring of nitrogen nutrition.

Potato; Nitrogen; Digital image; Spectral technique

2015-06-12，

2015-11-08

国家科技支撑计划项目(2012BAD06B0407), 国家现代农业产业技术体系(马铃薯)建设专项项目(CARS-P20)和四川省育种攻关配套项目(2011NZ0098-15-5)资助

何彩莲, 女，1991年生, 四川农业大学农学院研究生 e-mail: hecailian818@163.com *通讯联系人 e-mail: zhengshunlin123@163.com

S127; S532

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-2930-07