高光谱对冬小麦倒伏的响应

曹利萍，王君杰，雷梦林，张 晋

高光谱对冬小麦倒伏的响应

曹利萍，王君杰，雷梦林，张 晋

（山西省农业科学院农作物品种资源研究所，农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室，杂粮种质资源发掘与遗传改良山西省重点实验室，山西太原030031）

为了解冬小麦倒伏与冠层光谱的响应关系，以2013年6月的倒伏冬小麦为研究对象，通过测定倒伏角度及其冠层光谱，研究倒伏程度与冬小麦冠层原始光谱的关系，并进一步分析倒伏冬小麦与红边特征参数的响应规律。结果表明，在可见光范围内（400～760 nm），倒伏冬小麦的反射率比正常冬小麦的反射率高，冬小麦的倒伏程度与光谱反射率呈正相关；倒伏冬小麦在倒伏角度为20°～60°范围内，光谱反射率的增长速率大致相同。分析红边参数可知，倒伏冬小麦的红边位置随着倒伏程度的增加会发生红移现象，且红边幅值、红边面积随着倒伏程度的增大而增大。研究表明，冬小麦冠层高光谱能够敏感响应冬小麦倒伏程度，可为采用光谱遥感技术实时、快速、无损监测冬小麦倒伏奠定一定的理论基础。

冬小麦；倒伏；冠层光谱

近年来，极端天气的频繁发生严重影响到粮食生产，倒伏是影响冬小麦产量的重要自然灾害之一。倒伏发生后，冬小麦光合作用降低，部分叶片和茎秆腐烂，影响光合产物的形成和运输，最终导致冬小麦产量大幅度降低。另外，冬小麦倒伏后，会严重影响到机械化收割，且对人力的需求量增大，造成很大的人力和物力浪费。

对于作物倒伏，许多专家学者对其进行了一系列研究。测定倒伏的传统方法[1]虽然能综合判断植株的抗倒伏性，但是拉力方向和角度的不同、拉力与角度也不能实时匹配，都会造成测量结果的不准确。另外，测定过程需要大量人力和物力，且对植株进行破坏，难以满足未来农业现代化、智能化的发展需求。

光谱遥感技术已经广泛应用于作物长势监测，如叶面积指数（LAI）、作物含水量、叶绿素含量等方面[2]。王纪华等[3]运用高光谱遥感技术完成对冬小麦氮含量的监测。THENKABAIL等[4]研究表明，可运用植被指数反演植物的农学参数。高光谱遥感技术已广泛的应用于农业领域[5-7]。目前，国内外许多学者已经采用高光谱遥感技术对小麦倒伏进行研究[8-12]，并取得了重要的监测效果。但是，在对作物的大面积遥感监测研究方面，利用遥感技术对冬小麦监测研究的估测精度不是很高[10，13]。冠层高光谱与冬小麦倒伏的响应机理不明确是限制光谱遥感技术大面积监测冬小麦倒伏的重要原因之一。

本研究利用地面光谱技术，通过测定自然条件下正常冬小麦和倒伏冬小麦的冠层光谱，结合光谱特征分析技术，揭示冬小麦倒伏与冠层光谱的响应机理。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试小麦品种为晋农190。

1.2 试验设计

2013年6月3日，正值冬小麦灌浆后期，晋农190试验麦区发生大面积倒伏，并于6月4日对不同倒伏冬小麦进行了调查，测定了不同倒伏水平下的冬小麦冠层光谱和倒伏角度。倒伏角度为植株倾斜角度，倒伏程度根据植株倾斜角度而定，根据田间实际调查发现，冬小麦倒伏角度大于60°的群体较少，而处于10°～50°的冬小麦居多，为了更好地明确冠层光谱与倒伏冬小麦的响应规律，特设置以下倒伏梯度：正常（倒伏角度＝0°），I级倒伏（倒伏角度≤20°），Ⅱ级倒伏（20°＜倒伏角度≤40°），Ⅲ级倒伏（40°＜倒伏角度≤60°之间）和Ⅳ级倒伏（倒伏角度＞60°）。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 冠层光谱的测定 采用美国ASDFieldSpec 3.0型便携式高光谱仪进行冠层光谱的测定，仪器视场角为25°，波段范围为350～2 500 nm。小麦冠层反射光谱测量从灌浆期倒伏开始，获取灌浆期和成熟期光谱，所有光谱的测量均在天气晴朗、无风或者风速较小时进行，测量时间为10：00—14：00，每次测量时需用白色标准版校准1次，探头垂直向下，探头距冠层的垂直高度约1 m。每个小区测定3点，每点重复10次，取平均值作为该小区倒伏小麦的冠层光谱。

1.3.2 “红边”特征获取 “红边”是植物内部对可见光的强烈吸收和近红外波段的多次散射形成的[14]，红边位置、红边面积与红边幅值是描述红边特征的重要参数[15]。

红边位置指在红边区域内，光谱反射率一阶微分的最大值所对应的光谱波段；红边面积指红边区域内，光谱反射率一阶微分值的总和[16]；红边幅值指小麦光谱波段在红边位置时的一阶微分值[17]。

1.4 数据处理及分析

利用Viewspec软件，对光谱数据进行平均化、平滑和数据导出预处理，并利用Unscrambler 10.0软件进行光谱的一阶微分处理，提取“红边”特征参数。

2 结果与分析

2.1 正常冬小麦和倒伏冬小麦的光谱差异

由图1可知，倒伏冬小麦的反射率比正常冬小麦的反射率高。正常冬小麦已接近成熟，叶片发黄，不具备绿色植被的光谱特征，而倒伏冬小麦由于发育进程受阻，叶片发绿，因此，倒伏冬小麦具有典型的绿色植被的光谱特征。

2.2 不同冬小麦倒伏水平下的原始光谱分析

从图2可以看出，随着冬小麦倒伏程度的增加，冬小麦的绿光区域和近红外区域的光谱反射率也增大，说明光谱的反射率与冬小麦的倒伏程度呈正相关。在可见光范围内，随着波段的增加，正常冬小麦反射率是均匀增加的，而在红边区域内（680～760 nm）光谱反射率随着倒伏程度的增加呈突然陡增的规律，说明冬小麦的“红边”与倒伏有关。倒伏发生时，冬小麦尚未成熟，倒伏冬小麦冠层光谱具有绿色植物的光谱特征，且随着其倒伏程度增加，冬小麦成熟度减小，其冠层光谱表现出绿色植物的光谱特征也更加明显。

2.3 不同冬小麦倒伏水平下的一阶微分光谱分析

从图3可以看出，冬小麦的红边位置在红边区域内（680～760 nm），倒伏冬小麦的红边面积和红边幅值比正常冬小麦大。随着冬小麦倒伏程度的增加，红边幅值和红边面积差异明显。说明光谱的红边特征与冬小麦的倒伏程度有关。

2.4 不同冬小麦倒伏水平下的“红边”特征分析

由表1可知，冬小麦在受到倒伏胁迫后，其红边位置会随着冬小麦倒伏程度增加从691 nm处移动到699 nm处，冬小麦的红边幅值和红边面积会随着冬小麦倒伏程度的增加而增加。表明冬小麦倒伏越严重，红边位置会发生明显红移，冬小麦倒伏红边幅值和红边面积与倒伏严重程度呈正相关。

表1 不同冬小麦倒伏水平下的“红边”特征

3 讨论

作物冠层光谱是作物生理及长势信息的综合体现，利用冠层光谱技术来评估小麦的倒伏程度存在理论的可行性。本研究对倒伏冬小麦冠层光谱进行监测，结果表明，倒伏冬小麦的反射率比正常冬小麦的反射率高。冬小麦倒伏引起可见光波段的反射率明显增加。冠层光谱反射率与叶片的光学性质有关，还与冬小麦的冠层形态结构有关。刘良云等[12]研究了冬小麦的叶片和茎秆的组分光谱试验，结果表明，直立冬小麦的冠层光谱受叶片影响最大，而倒伏冬小麦则主要受到茎秆的影响，冬小麦茎秆的反射率与叶片相比，近红外波段的反射率比可见光波段高。因此，冬小麦冠层光谱反射率与倒伏角度呈正相关，表明倒伏程度与光谱有着敏感的响应关系，这与崔怀洋等[18-20]的研究一致。

冬小麦在发生倒伏胁迫后，分析其冠层光谱的红边特征参数可知，冬小麦的红边面积和红边幅值与冬小麦倒伏程度呈正相关，倒伏冬小麦的红边位置会发生红移。正常冬小麦成熟时，倒伏冬小麦尚未成熟，还具有绿色植物的光谱特征。随着冬小麦倒伏程度的增加，倒伏冬小麦的成熟度也会减小，红边位置红移。姚付启[21]研究了冬小麦冠层的光谱反射率与叶绿素含量间的关系，结果表明，叶绿素含量越高，冬小麦冠层光谱的红边幅值和红边面积增大，反之，红边幅值和红边面积减小。赵佳佳等[22]通过人工模拟倒伏对倒伏冬小麦的红边进行监测分析，结果表明，随着倒伏程度的增加，红边面积和红边幅值呈增大趋势，这与本试验研究结果相同。

4 结论

本研究表明，光谱的反射率与冬小麦的倒伏程度呈正相关，不同倒伏程度下冬小麦红边特征差异性显著，红边位置随着倒伏程度的加大而出现“红移”，红边幅值和红边面积也呈现增加的趋势。本研究证实，冬小麦倒伏与光谱存在显著的响应关系，利用高光谱分析技术来监测冬小麦倒伏及倒伏程度存在理论可行性。

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Response of Canopy Spectra on the Winter Wheat Lodging

CAOLiping，WANGJunjie，LEIMenglin，ZHANGJin
（Instituteof Crop Germplasm Resources，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of Crop Gene Resourcesand Germplasm Enhancement on Loess Plateau，Ministry of Agriculture，Shanxi Key Laboratory of Genetic Resources and Genetic Improvement of Minor Crops，Taiyuan 030031，China）

To study the relationship between the winter wheat lodging and its canopy spectra,the relationship between thedegreeof lodging and the primitive spectrum of winter wheat canopy was studied by measuring the lodging angle and its canopy spectrum on the winter wheat lodging in June 2013,and analyzed the response of winter wheat and red edge parameters.The results showed that the reflectance of winter wheat was higher than normal winter wheat in the range of visible light（400-760 nm）,and the degree of winter wheat lodging was positively correlated with spectral reflectance.In the range of 20°-60°,the rate of increase of spectral reflectance was approximately the same.According to the analysis of red edge parameters,the red edge of winter wheat lodging would shift with the increase of lodging degree,and the red edge amplitude and red edge area increased with the increase of lodging degree.The results showed that the canopy hyperspectral of winter wheat could respond to the degree of winter wheat lodging,which laid a theoretical foundation for real-time,fast and non-destructivemonitoringof winter wheat lodgingby spectral remote sensing.

winter wheat;lodging;canopy spectra

S512.1＋1

A

1002-2481（2017）12-1930-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.12.08

2017-10-28

杂粮种质资源发掘与遗传改良山西省重点实验室（201705d111008-32）

曹利萍（1974-），女，山西汾阳人，助理研究员，主要从事会计和资源收集工作。王君杰为通信作者。