不同施肥处理两夏玉米品种穗位叶光谱特征比较

牛鲁燕+孙家波+郑纪业+张晓艳

摘要：为了探索不同施肥处理夏玉米叶片的光谱反射率特征，利用高光谱近地遥感技术，采集五种施肥处理（CK，控释肥K40和K30，复合肥F50+N和F40+N）下不同生育期登海605（DH605）和鲁单981（LD981）的穗位叶高光谱图像，利用ENVI软件提取光谱反射率。结果表明，不同施肥处理两夏玉米品种穗位叶的反射波谱曲线趋势基本相同，均表现出在绿波段（550 nm左右）有1个反射峰，在近红外波段（760～1 050 nm）有1个较高的反射率平台。在光谱曲线表现特征上，玉米生长前期（抽穗-灌浆期），DH605和LD981均以不施肥处理的光谱反射率最高，且DH605明显高于LD981；其次分别为K30和F40+N处理。玉米生长后期（灌浆-蜡熟期），DH605和LD981分别以K30和F40+N处理的光谱反射率最高，明显高于CK和其他施肥处理。在施用复合肥的条件下，除了灌浆后期外，其他生育期LD981穗位叶的高光谱反射率值略大于DH605，但差别较小；而在施用控释肥的条件下，在蜡熟-完熟期，LD981穗位叶的高光谱反射率值明显高于其他生育期的高光谱反射率值，也明显高于DH605在该时期的高光谱反射率值，其他生育期LD981穗位叶的高光谱反射率值与DH605无明显差异。

关键词：施肥；夏玉米；穗位叶；光谱反射率；光谱特征

中图分类号：S127 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2017）08-0145-05

Abstract This study is aimed to explore the spectrum reflection characteristics of summer corn leaves in different fertilization conditions. Using hyperspectral remote sensing technology， the experiments were conducted in fields to collect the hyperspectral images of Denghai 605（DH605） and Ludan 981（LD981） in different growth period under five fertilization treatments， and then the reflectance of corn ear leaves was extracted by ENVI software. The five fertilization treatments included the control （CK） with no fertilization， 40 and 30 kg of controlled-release fertilizer per 666.7m2 as base （K40 and K30）， 50 and 40 kg of compound fertilizer per 666.7m2 as base with 15 kg urea as seed fertilizer （F50+N and F40+N）. The reflectance spectrums of the two corn cultivars under different fertilization treatments showed the approximately same changing trend with a reflection peak at green band （550 nm） and a higher reflection platform at near infrared band （760～1050 nm）. At the heading to filling stage， the reflectance of DH605 and LD981 was the highest under the CK， followed by the K30 and F40+N respectively. At the filling to dough stage， the reflectance of DH605 and LD981 was the highest under the treatment K30 and F40+N respectively， which was obviously higher than that of the other treatments. In the conditions of compound fertilizer， except the late filling stage， LD981 had little higher reflectance than DH605 at the other stages. In the conditions of controlled-release fertilizer and at dough to mature stage， LD981 had obviously higher reflectance compared to the other stages， and also higher than that of DH605； there was not obvious difference in reflectance between LD981 and DH605 at the other stages.

Keywords Fertilization； Summer corn； Ear leaf； Spectral reflectance； Spectral characteristics

玉米是重要的糧食作物和饲料来源，是我国仅次于水稻和小麦的第三大粮食作物，在促进我国经济发展和保障粮食安全中占有非常重要的地位。endprint

高光谱遥感（hyperspectral remote sensing）是当前遥感领域的前沿技术，它利用很多很窄（一般小于10 nm）的电磁波波段从感兴趣的物体获取遥感数据，使遥感可以在光谱维上展開，能直接对地物进行微弱光谱差异的定量分析，在植被遥感研究与应用中表现出强大优势[1]，已被广泛应用于植被生理生化参数的提取和植物类型状态的识别等研究中[2]。高光谱遥感数据能准确地反映田间作物本身的光谱特征，而作物叶片的光谱特征与其生长状况有直接关系[3]。王树文等[4]对不同氮素水平下不同生育期的寒地玉米冠层高光谱图像进行研究，结果表明，不同氮素水平下寒地玉米冠层反射率存在较大差异，玉米“红边”具有双峰现象，红边位置呈“红移”现象，根据玉米冠层高光谱反射率以及红边位置峰值可定性区分严重缺氮、正常施氮和过量施氮。陈国庆等[5]研究表明，不同氮肥处理下，超高产夏玉米冠层高光谱特征与普通玉米相比具有较大差异，随着施氮量的增加，超高产夏玉米冠层高光谱反射率及红边位置变化不大，而红边幅值与红边面积呈逐步增大趋势。郭曼等[6]的研究结果也表明，夏玉米的氮营养水平与叶面光谱反射率存在显著的相关性，利用高光谱遥感数据监测关中地区夏玉米的营养状况是可行的。谭昌伟等[7]对两个年份不同生育阶段的田间夏玉米活体进行冠层反射光谱测定，结果表明夏玉米在不同条件下的冠层反射光谱响应均呈现出一定的规律性：在近红外波段，其反射率值随氮肥施用量的增加而增大，尤以750～1 350 nm波段表现明显，但在可见光波段，反射率值降低；随着观测探头的逐步升高，反射率值降低；随杂草量的增多，反射率值逐渐增大。

可见，前人的研究主要集中在不同氮处理对玉米叶片或者冠层高光谱特征的影响，而对于不同控释肥和复合肥处理对夏玉米叶片高光谱的影响鲜见报道。本研究以氮高效品种登海605和氮低效品种鲁单981为试材，比较了不同控释肥和复合肥处理条件下玉米穗位叶的光谱反射特征，以期为利用作物高光谱数据估测其需肥状况提供理论支持，为下一步的合理施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料及样品采集时间

供试夏玉米品种为登海605（DH605，氮高效）和鲁单981（LD981，氮低效）。数据采集时间分别为8月11日（抽穗期）、8月20日（抽穗-灌浆期）、8月31日（灌浆后期）、9月7日（灌浆-蜡熟期）、9月17日（蜡熟-完熟期）。

1.2 试验设计

试验于2015年6—10月在山东淄博临淄试验田进行，共设5个处理：CK，对照，不施肥；K40，每666.7m2基施40 kg控释肥（硫酸钾型，N-P2O5-K2O为28-5-9，总养分≥42%，下同）； K30，每666.7m2基施30 kg控释肥；F50+N，每666.7m2基施50 kg复合肥（N-P2O5-K2O为28-6-6，总养分≥40%，下同），并于播种时施15 kg尿素；F40+N，每666.7m2基施40 kg复合肥，并于播种时施15 kg尿素。玉米种植方式同当地，实行免耕直播，每666.7m2种植4 000株，其他管理同常规田。

1.3 玉米穗位叶高光谱数据采集

玉米叶片高光谱测量采用美国Surface Optics Corporation公司生产的SOC710VP可见-近红外高光谱成像式地物光谱仪在可控制光照条件（钨灯照明）实验室内进行，光谱范围为350～1 050 nm，光谱分辨率为4.6875 nm。

截取穗位叶的中间部分20 cm左右，将其表面擦拭干净；将单层叶片平整放置于反射率近似为零的黑色试验平台上，两端用黑色板压住以防止叶片上翘；光谱仪的视场角为25°，探头距待测叶片0.30 m，垂直向下正对待测叶片的中部。为了消除外界干扰以保证精度，每个处理取5片穗位叶进行数据采集，取其平均值作为该处理玉米穗位叶的光谱反射率；测量过程中及时进行标准白板校正。

1.4 高光谱数据预处理

为了消除原始光谱数据中干扰因素对所建模型的影响，本研究利用SRAnal710软件首先对SOC710获得的高光谱图像立方数据进行3个步骤的标定——光谱标定、黑场标定和空间、光谱辐射标定，然后从标定后的光谱数据中提取反射率，利用提取的反射率值采用5点加权平滑法对采集的原始光谱进行平滑处理。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理DH605和LD981穗位叶的光谱反射特征

不同施肥处理两品种玉米不同生育期穗位叶在全波长范围内的光谱曲线具有相似性，与典型的植物光谱曲线[8，9]变化规律一致，即具有可见光波段的“绿峰”、红光低谷、近红外高原区，且可见光波段的光谱反射率值差异较小，近红外波段差异较大（图1、图2）。明显的反射率峰值出现在绿波段（550 nm左右）处，在此峰左侧出现蓝紫波段吸收峰，约在402 nm处；右侧沿长波方向移动，经历一个红波段吸收谷（约685 nm处）；680～750 nm，光谱反射率值急剧升高，呈现出陡峭的剧增特点；750 nm后，光谱反射率值增加缓慢，在近红外波段（>780 nm）形成一个较高的反射平台。这是因为在可见光波段，玉米叶片反射率主要取决于叶绿素含量，叶绿素含量多，吸收率高，反射率就低；而近红外区域的光谱反射率一般受叶片内部细胞结构的影响，叶绿素含量高的叶片，其细胞结构更为复杂，因而反射率高。这与前人的研究结果一致[10]。波长超过900 nm后，玉米反射光谱曲线起伏相对较大，是由于该波段范围正好位于大气水分的吸收带，因而使得光谱反射率降低且变化不规则[11]。

抽穗-灌浆期（图1），两品种均以不施肥处理的光谱反射率值最高，且总体来说各处理DH605穗位叶的光谱反射率值明显高于LD981；施肥处理中，DH605在K30处理下的光谱反射率值最高，LD981则在F40+N处理下最高。而灌浆-蜡熟期（图2），DH605以K30和F40+N处理的光谱反射率高于CK和其他施肥处理；LD981则以两复合肥处理下的光谱反射率值较高。在CK、K40处理下，DH605和LD981穗位叶光谱反射率值差别不大，K30处理下，DH605穗位叶光谱反射率值要高于LD981，F40+N、F50+N处理下，DH605穗位叶光谱反射率值均低于LD981。综合来看，氮高效品种DH605在低量控释肥处理下的光谱反射率值高，而氮低效品种LD981在复合肥处理下的光谱反射率要高于控释肥处理。endprint

2.2 施用复合肥和控释肥对不同品种夏玉米穗位叶高光谱反射率的影响

分别取复合肥和控释肥处理两水平光谱反射率的平均值，分析不同肥料对两品种玉米穗位叶高光谱反射的影响，结果（图3、图4）显示，复合肥处理条件下，DH605在近红外波段（760～1050 nm）的光谱反射率以蜡熟-完熟期最高，其余依次是抽穗-灌浆期、灌浆-蜡熟期、抽穗期、灌浆后期；在可见光波段（380～760 nm）的光谱反射率随生育期的变化趋势与近红外波段基本一致，但灌浆-蜡熟期、抽穗期、灌浆后期大部分波段的反射率是重合的，表明这三个时期的光谱反射率在近红外波段基本无差异。在控释肥条件下，DH605除蜡熟-完熟期各波段的光谱反射率明显低于其它四个时期外，其余时期光谱反射率的变化趋势基本与复合肥处理的相同。

复合肥处理条件下，LD981在近红外波段（760～1050 nm）的光谱反射率也是以蜡熟-完熟期最高，以灌浆后期最低，同DH605；其次是灌浆-蜡熟期、抽穗-灌浆期、抽穗期，与DH605的波段表现略有不同，这可能与两个玉米品种的生长发育时期略有差异有关。

在控释肥处理下，LD981在蜡熟-完熟期的光谱反射率值远远高于其他生育时期，其原因可能是LD981属于中早熟玉米品种，生长后期，营养主要供给玉米果实，叶片变黄衰老、叶绿素含量降低、吸收率低导致反射率高。LD981穗位叶光谱反射率值也远远高于DH605在该时期的穗位叶光谱反射率，这主要是因为两个品种的成熟时间不同，DH605属于中晚熟玉米品种，LD981属于中早熟玉米品种，在同一时间节点，DH605的叶片叶绿素含量要高于LD981，导致DH605的叶片吸收率高，从而使光谱反射率变低。

3 讨论与结论

本文针对不同施肥水平下夏玉米叶片光谱特征的初步研究，得出如下结论：

（1）不同施肥处理两夏玉米品种穗位叶的反射波谱曲线趋势基本相同，均表现出在绿波段（550 nm左右）有1个反射峰，在近红外波段（760～1 050 nm）有1个较高的反射率平台。

（2）在不同的施肥处理下，玉米生长前期（抽穗-灌浆期），DH605和LD981均以不施肥处理的光谱反射率值最高，其次分别为K30和F40+N；玉米生长后期（灌浆-蜡熟期），两品种均以K30和F40+N处理的光谱反射率最高，其次分别为F40+N和F50+N，均高于CK和其余施肥处理。

（3）在施用复合肥的条件下，除灌浆后期外，其他生育期LD981穗位叶的高光谱反射率值略大于DH605，但差别较小。而在施用控释肥的条件下，LD981蜡熟-完熟期穗位叶的高光谱反射率值明显高于其他时期的高光谱反射率值，也明显高于DH605该时期的高光谱反射率值；其他各生育期两品种间差别不大。两者差异可能主要与两个品种冠层结构的不同和成熟期长短有关。

（4）对于氮高效品种DH605来说，K30控释肥处理的光谱反射率较高；而对氮低效品种LD981来说，复合肥处理的光谱反射率明显高于控释肥。

本试验结果可为进一步利用高光谱遥感数据研究夏玉米的营养状况提供依据。但是，本研究的结论并不能完全揭示不同品种夏玉米在不同施肥水平下的光谱变化机理和规律，原因是受季节、土壤、气候等自然因素和栽培管理等人为因素的影响，玉米叶片的高光谱信息会有所变化。因此，还需要做进一步的深入研究和验证，以更好地揭示不同施肥水平下不同夏玉米品种的光谱特性规律。

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