小麦生长及叶片磷含量与高光谱反射率的关系

2016-08-08王乐辉吉宇舒芳田国强苏燕

广东气象 2016年1期

关键词：小麦

王乐辉，吉宇，舒芳，田国强，苏燕

(益阳市气象局，湖南益阳　413000)

小麦生长及叶片磷含量与高光谱反射率的关系

王乐辉，吉宇，舒芳，田国强，苏燕

(益阳市气象局，湖南益阳413000)

摘要：以小麦品种扬麦13、扬麦16为实验材料，在田间设置了3个氮素水平处理，研究了不同处理拔节期到灌浆期叶面积指数(LAI)、叶绿素相对含量(SPAD)、氮磷含量与冠层高光谱反射率的关系。结果显示，LAI随着施氮量的增加而增大，并在整个生育期内先增大后减小。LAI与二阶导数SD1691、SD506和一阶导数FD407、FD440的相关系数分别为0.600、0.569、0.506、0.477，在α=0.05标准上达到显著水平，可为冠层高光谱反射率监测LAI提供依据；在氮素水平不断提高的情况下，SPAD与LAI有相同的趋势，随施氮量增加而增大。对叶片含磷量与光谱反射率做相关分析可以得出，抽穗期是小麦磷元素光谱诊断的敏感时期，敏感波段为730～900 nm。基于小麦冠层高光谱与营养诊断研究的相关性为后期相关模型构建提供了基础。

关键词：小麦；高光谱遥感；叶面积指数；叶绿素相对含量；磷

国内外的研究表明，叶面积指数(LAI)与冠层高光谱反射率及一阶微分的相关性较好，可以用比值植被指数等来反演LAI，而且对于LAI的光谱反演已经取得了较多的结果。磷是植物体内的重要元素之一，它能促进幼苗根系生长和改善果实品质。我国缺磷耕地达到2/3[1]，大大降低了作物的产量。在正常的农业生产中磷素不足就需要增施磷肥，但是一方面土壤磷的利用率低，另一方面，加施磷肥可能会导致环境污染[2]。所以，作物磷素营养诊断在现代农业生产中是必要的基础工作。氮磷是植物所需的主要营养元素。纵观国内外的相关研究可知，人们利用高光谱遥感技术对植物冠层氮素的研究已相当成熟，并建立了一些比较实用的模型。与氮相比，磷的相关性研究较少。Osborne等[3]指出可用光谱诊断植物体内磷含量的时期是植物生长早期，晚期不适合磷的诊断；Al-Abbas等[4]和Milton等[5]研究发现，植物轻度缺磷时叶绿素浓度会提高，严重缺磷时才可以用光谱反射率检测小麦磷元素含量。因为缺磷的植物叶片单位面积中叶绿素含量较高，相比于正常叶片颜色偏暗，且缺磷的植株，体内新陈代谢过程不正常，糖分分解不完全，会积累，易形成花青素[6]。缺磷植物体内叶绿素和花青素会对光谱反射率产生影响，导致叶片光谱分析也变得复杂。

本实验将通过监测作物不同生育期光谱反射率的变化，研究LAI、叶绿素相对含量(SPAD值)、叶片氮磷含量等与光谱反射率的关系[7]，特别是与光谱一阶导数和二阶导数的相关性，找出对LAI、SPAD值等敏感的波段，为作物的遥感监测提供理论依据。

1材料与方法

1.1实验区概况

小麦田间试验于2013—2014年度在南京信息工程大学农业气象试验站进行。试验地土壤为壤土，质地均匀，土壤肥力高[8]。供试小麦品种为扬麦13(A1)和扬麦16(A2)。设3个施氮水平，分别为0、150、300 kg·hm-2纯氮(分别用B1、B2、B3表示)。小区面积9 m2，基本苗为2.0×106株·hm-2，行距25 cm。两因素随机分组排列，3次重复。11月5日播种，播种前采集土样，管理措施同高产大田栽培[9]。

1.2试验方法

以下指标均在小麦主要生育期(拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期)测定。

1)反射率测定。

小麦冠层高光谱反射率采用ASD FieldSpec 3光谱仪进行测定。选择在晴朗无云或少云的天气进行，测量时间为10：00—14：00。每个小区选择3个样点测定，取平均值。

2)叶片SPAD测定。

采用SPAD-502仪测定叶片SPAD值。测量时测剑叶中部，避开主叶脉。

3)LAI测定。

采用比叶重法测量。进行光谱测量的同时，每个小区取样20株，按叶位分离并称重，杀青烘干后称量得到干重。样本叶片的叶面积用CID-301型叶面积仪测定。利用比叶重法求样本植株叶片面积，进而得到总LAI。

4)生物量测定。

分样烘干后，称取各部分干重，根据种植密度计算单位土地面积的干物重(g·m-2)；样品粉碎后装自封袋密闭保存，供生物化学组分测定。

5)小麦氮、磷含量测定。

叶片、茎秆和籽粒全氮含量采用凯氏定氮法测定。将粉碎样品经过消煮、蒸馏后，进行滴定，通过公式可计算出叶片氮含量及茎杆氮含量。计算公式如下：

其中，V为滴定试液时所用酸标准溶液的体积(mL)；V0为滴定空白时所用酸标准溶液的体积(mL)；cH为酸标准溶液的浓度(mol/L)；0.014为氮原子的毫摩质量；m为烘干植物质量(g)。

全磷的测定：H2SO4-H2O2消煮，钒钼黄比色法。

标准曲线制作：准确吸取50 μg·mL-1的P标准溶液0、1.0、2.5、5、7.5、10.0、15.0 mL，于50 mL容量瓶中，加与吸取的待测液等量的空白消煮液，同上述操作步骤显色和比色。该标准系列P的质量浓度分别为0、1.0、2.5、5、7.5、10.0、15.0 μg·mL-1。

w(植株全P)(%)=ρ×V×分取倍数×10-4/m

其中，ρ为从标准曲线查得显色液P的质量浓度(μg/mL)；V为显色液体积(mL)；m为烘干样品质量(g)；10-4为将 μg/L换算为质量分数(%)的换算因数。

2结果与分析

2.1冠层高光谱反射率与小麦LAI的相关关系

1)不同氮素水平下LAI随生育期的变化。

表1提供了不同氮素水平下小麦LAI随生育期的变化。可见，随施氮水平的提高，LAI的值也随着增大，是因为土壤氮素的增加促进了小麦对营养元素的吸收，从而加快了小麦的生长发育，在旺盛的光合作用下，小麦叶片迅速生长，促使LAI增大。而在小麦整个生育期内，LAI值是先增大后减小的，从拔节期到开花期，小麦叶片逐渐长大，导致LAI也跟着变大，在开花期达到最大[10]。随着生命进程的进行，小麦叶片逐渐衰老，LAI也随着下降。

表1　不同氮素水平下小麦的LAI

2)LAI与冠层光谱反射率的关系。

图1 a、b、c、d 4个分图分别表示拔节期小麦LAI与二阶导数SD1691、SD506和一阶导数FD407、FD440的相关性(对吸收光谱求微分，所得到的图谱称为一阶导数光谱，再次微分可得二阶导数光谱，SD1691即为波长1 691 nm的光的二阶导数)，其决定系数(R2)均在α=0.05水平上达到显著性检验。同时，抽穗期、开花期、灌浆期的决定系数分别达到0.534 3、0.622 1、0.453 2(图略)，说明LAI与光谱反射率的导数存在较大的相关性，由此可为冠层光谱反射率监测LAI提供依据[11]。利用导数光谱分析可以增加冠层光谱与LAI的相关性，因为导数光谱可以去除背景噪声和隔离不好的信号。

图1　小麦LAI与冠层高光谱反射率的关系

2.2冠层高光谱反射率与SPAD值的关系

不同氮素水平下小麦SPAD随生育期的变化。

SPAD值也被称作叶色值，是作物叶片相对叶绿素含量的读数，采用SPAD-502仪可以迅速便捷的测出目标叶片的SPAD值。由图2可以看出，小麦从拔节期到灌浆期的过程中，SPAD一直都是增加的，两个品种的趋势是一样的。SPAD上升的主要原因是植株越来越成熟，体内代谢旺盛，叶绿素含量也随着增加[12]，而且随着施氮水平的提高，SPAD值也越来越大。

图2　不同氮素水平下小麦SPAD值随生育期的变化

对比两个品种的SPAD值可以发现，在同一氮素水平下扬麦13的SPAD值增加速率要大于扬麦16，而且扬麦13 SPAD值的变化幅度也比扬麦16大，最大达到8，而扬麦16增幅最大只有6，扬麦13的SPAD值最大值也大于扬麦16[13]。

2.3冠层高光谱反射率与小麦体内氮、磷含量的关系

1)冠层高光谱反射率与小麦不同生育期叶片磷含量的关系。

表2列出了在350～2 500 nm光谱范围内叶片光谱反射率与磷含量达到显著水平的相关波段及相关系数，从表2中可以看出抽穗期是小麦营养光谱诊断的敏感时期，730～900 nm是该时期的敏感波段。

表2　不同生育期叶片光谱反射率与磷含量的相关波段及相关系数

不同的施氮水平导致小麦吸收营养的速率和总量发生变化，小麦叶片因此也表现不同的光谱特征。可见，营养水平不同，叶片性状也不同，光谱反射率也不同。从作物对营养需求的方面考虑，抽穗期是小麦在整个生育期内对养分需求最大的时期。小麦抽穗期磷元素含量的多少对小麦营养生长和生殖生长具有深远的影响[14]。由图3可以看出，小麦叶片磷含量与光谱反射率的相关性较好，由此可利用相关性好的波段与小麦叶片的磷含量建立营养诊断模型[15]。

根据表2可以提取出相关性大的波段单独分析，与图3在近红外波段(730～900 nm)的叶片光谱反射率曲线的相关性可以看出，根据施氮量的增加，不同品种的小麦叶片光谱反射率均增大，说明二者的相关性较好。

图3　不同氮营养水平下小麦抽穗期叶片光谱反射率曲线(730～900 nm)

2)冠层高光谱反射率与小麦茎氮、磷含量的关系。

表3表示在不同的生育时期小麦茎氮、磷含量与光谱的关系。可知茎氮、磷含量在各个时期的相关性都达到了显著水平，说明二者的相关性较好。其中茎磷与光谱的决定系数在抽穗期最大，达到0.684 4。而茎氮与光谱导数相关性最好的时期为开花期，决定系数0.607 5，其次为抽穗期和灌浆期，相关性最差的是拔节期，这是因为小麦生育前期光合作用比较弱，吸收养分的速率也较慢[16]。

表3　光谱变量与小麦茎氮、磷含量的线性关系1)

1)样本n=18在0.05水平显著值为0.444

3)冠层高光谱反射率与小麦籽粒氮、磷含量的关系。

图4是灌浆期小麦籽粒氮含量、磷含量与冠层高光谱反射率的相关系数图。从图4中可以看出，在可见光波段(430～720 nm)它们与反射率呈负相关关系，小麦籽粒含氮量与高光谱反射率相关性较大。在近红外波段(750～800 nm)小麦籽粒氮含量与反射率的相关性急剧变化，并由负相关变为正相关，之后在近红外波段(850～1 350 nm)又逐渐由正相关变为负相关。而小麦籽粒含磷量与反射率的相关性一直呈负相关，且在近红外波段(1 100～1 350 nm)相关性逐渐增大[17]。总体分析籽粒氮、磷含量与高光谱反射率的相关性不大，没有达到显著性水平，说明利用高光谱监测小麦籽粒的氮、磷含量比较困难。

图4　灌浆期小麦籽粒含氮量、含磷量与冠层

3结论

通过实验可以发现，在不同的氮素水平下，LAI随施氮量的增加而增大，在整个生育期内先增大后减小，从拔节期到开花期，叶片长大的同时LAI也增大，在开花期达到最大，唐延林等[18]的研究也证实了这一点。LAI与二阶导数SD1691、SD506和一阶导数FD407、FD440的相关系数分别达到了0.600、0.569、0.506、0.477，在α=0.05水平上达到显著性检验，可为冠层高光谱反射率监测LAI提供依据。SPAD值也随着氮素水平的提高而增大，通过与高光谱反射率的相关性研究发现其与高光谱反射率一直呈正相关关系，在可见光波段(480～720 nm)相关系数有稍微下降，之后恢复。对比试验中的两个品种可以发现，扬麦13SPAD值的增速和增幅都比扬麦16大，田间观测扬麦13比扬麦16叶片颜色深。

不同的生育期茎氮磷含量与高光谱反射率的相关性不同，通过对比得出茎氮与光谱导数的决定系数在开花期最大，为0.607 5，而茎磷与光谱导数相关性最好的时期是抽穗期，决定系数0.684 4。通过对叶片含磷量与光谱反射率做相关分析可以得出，抽穗期是小麦营养光谱诊断的敏感时期，730～900 nm是该时期的敏感波段。可以通过反演技术建立模型从而得到监测小麦叶片含磷量的方法。

该次试验通过高光谱反射率对小麦的监测，分析得出了一些结论，但也存在不足，如小麦品种的局限性决定了结果的局限性；虽然提出了抽穗期的敏感波段，但没有具体建立模型来监测小麦的生长状况。

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收稿日期：2014-11-15