不同施氮处理下滴灌甜菜冠层的高光谱响应

李宗飞，陈 兵，苏继霞，费 聪，李阳阳，刘宁宁，唐利华，周红亮，耿青云，樊 华

(1.石河子大学农学院，新疆 石河子 832003；2.新疆农垦科学院棉花研究所，新疆 石河子 832003；3.塔城地区农业技术推广中心，新疆 塔城 834700)

氮素是影响作物生长发育以及产量形成的重要营养物质。施氮量不足，难以保证作物产量品质，施氮量过多，可能造成农田污染。因此，如何根据作物生长发育状况及时判断适宜施氮量，是实现作物精准施肥的必要环节。遥感作为一种无损监测技术，通过建立冠层反射光谱与地上生物量、叶面积指数、叶绿素含量之间的关系，为实时快速获取农学参数及营养诊断提供支持[1-3]。“红边”是由于红光波段强烈吸收和近红外波段强烈反射造成的，是描述植物色素状态和健康状况的重要指示波段[4-5]，与作物叶绿素含量、生物量以及氮素营养密切相关[6-7]。

有关高光谱遥感监测作物长势的研究表明，可以用植被指数RVI(810，510)、DVI(810,560)作为反演小麦LAI的光谱参数[8]。利用高光谱RVI可以定量反演棉花地上各组分的干物质积累量[9]。由760、810、870、950等构成的各类植被指数以及红边面积、红边幅值与玉米干物质积累有较好相关性，并且可以利用红边位置来估测叶绿素含量[10]。植被指数NDVI(R573，R440)建立的估测方程可以监测小麦氮素营养状况[11],植被指数SR(R553，R537)可以较好地对水稻叶片氮素含量进行估测[12]。杨荣超等[13]筛选了NDVI、SDr /SDy、CCI 和SDb四种光谱指数分别用来估测甜菜不同生育时期SPAD值。尽管前人利用光谱变量估测作物农学参数方面已经开展了大量的研究，但在甜菜上涉及不多。甜菜是我国北方主要糖料作物，新疆是我国重要的糖料基地，近年新疆滴灌甜菜生产中出现了单产87 t·hm-2的全国高产纪录[14]，但相关氮素光谱监测特征尚不明确。为此，本文以滴灌甜菜为研究对象，明确不同施氮水平和氮素运筹模式下甜菜冠层的高光谱特征及其与甜菜农学参数的关系，以期为滴灌甜菜长势监测和氮肥精准管理提供支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2016年4月至2016年11月在新疆石河子大学农学院试验站(44°31′N, 88°06′E))进行。试验区域耕层土壤为灌溉灰漠土，有机质含量13.27 g·kg-1，pH值7.3，全氮含量0.76 mg·kg-1，速效磷22.56 mg·kg-1，速效钾157.97 mg·kg-1。试验共设置4个施氮水平：N0(0 kg·hm-2)、N75(75 kg·hm-2)、N150(150 kg·hm-2)、N225(225 kg·hm-2)。施氮比例按照运筹模式(M1，10∶0)、运筹模式(M2，7∶3)两种模式，即分别在甜菜叶丛快速生长期和块根膨大期按M1、M2所示比例施入氮肥。试验采用随机区组设计，重复3次，供试甜菜品种为Beta356，播种日期为4月15日，试验田内设置24个小区，小区面积24 m2，甜菜播种行距50 cm，株距20 cm。基肥为尿素315 kg·hm-2，重过磷酸钙319.5 kg·hm-2，硫酸钾206 kg·hm-2。其它按照大田统一管理。

1.2 测试项目及方法

1.2.1高光谱数据采集 在甜菜叶丛快速生长期、块根膨大期、糖分积累期，选择晴朗无云天气，于当地北京时间12∶00-15∶00，采用美国Analytical Spectral Device(ASD)公司生产的FileSpecPro FR2500型背挂式野外高光谱辐射仪测定甜菜植株冠层高光谱反射率。该光谱仪波段范围为350～2 500 nm，采样间隔为1 nm，光谱仪视场角25°，测量时探头垂直向下，距离冠层垂直高度约0.5 m，各小区在测量前均进行白板校正。每小区测量4次，取平均值作为该小区的光谱反射率值。

1.2.2 农学参数采集 农学参数取样时间与冠层高光谱反射率测量同步。每个小区在光谱测定区域取代表性植株3株，破坏性取样。叶面积指数测定(LAI)：采用LI-3100进行叶面积的测定，通过单位面积群体数据，换算成LAI。叶绿素含量的测定：选取植株对应光谱叶片，用无水乙醇、丙酮混合液(1∶1)浸提叶片24 h，在分光光度计下进行比色测定。叶片全氮含量测定：采用凯氏定氮法，经消煮定容的试样碱化蒸馏，经H3BO3吸收后，利用硫酸标准溶液滴定并计算。产量测定：在收获期对各处理未取样小区实收，拔出块根后去除青头，及时称量各小区鲜重。

1.2.3 光谱分析 采用光谱归一化微分分析技术，对反射光谱进行一阶微分(差分)，从一阶微分光谱数值中提取红边位置λred(红光范围680～760 nm内反射光谱一阶导数最大值所对应的波长)、红边幅值(即红边斜率Dλred，红光范围680～760 nm内一阶导数光谱的最大值)与红边峰值面积(即红边面积Sred，680～760 nm之间的一阶导数光谱所包围的面积)来描述光谱红边特征。

1.2.4 数据分析 采用EXCEL 2013进行基础农学数据的输入，用ViewSpecPro进行基础光谱数据的处理，采用MATLAB软件提取甜菜冠层光谱数据的特征参数，采用SPSS 12.0分析软件进行农学参数与光谱特征参数之间的相关分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理甜菜农学参数特征

各施氮处理甜菜冠层LAI和冠层叶片叶绿素含量均随着生育时期的推进呈现单峰曲线，叶片全氮含量则表现先下降后稳定的趋势(图1)。不同施氮量之间甜菜冠层LAI、冠层叶片叶绿素含量和叶片全氮含量在叶丛快速生长期均基本表现为N225处理最高。氮素运筹模式对甜菜生育后期叶片农学参数影响显著，与M1相比，M2氮素运筹模式显著提高了糖分积累期N150处理的LAI、叶片叶绿素含量和叶片全氮含量。表明块根膨大期少量施氮能够提高糖分积累期甜菜叶片农学参数，维持甜菜生育后期对光合产物的需求，有利于块根糖分的累积。随着施氮量的增加，块根产量呈现上升趋势(图2)，两种运筹模式均在N225达到最高值，但在氮素运筹模式M1与M2之间差异较小。

2.2 不同施氮处理下甜菜冠层高光谱反射率

以甜菜叶丛快速生长期为例，不同施氮处理下甜菜冠层高光谱反射率变化较大(图3a，b)，甜菜冠层光谱反射率随着施氮量的增加在可见光波段(400～700 nm)基本无变化，在近红外波段(700～1 300 nm)逐渐增加，其中N75、N150与N225处理的冠层高光谱反射率分别比N0处理提高了0.9%～9%、0.5%～24%与0.3%～37%。

两种氮素运筹模式下甜菜冠层反射光谱的形状随生育期的推进变化趋势相同，但各生育时期冠层高光谱反射率略有差异(图3 c,d),其中可见光波段(400～700 nm)和近红外波段(700～1 300 nm),M2在糖分积累期的冠层高光谱反射率均低于M1运筹模式。此外，与M1相比，M2氮素运筹模式下N75、N150、N225冠层高光谱反射率分别提高了0.1%～4%、1%～14%、12%～18%。M2氮素运筹模式下甜菜冠层高光谱反射率在块根膨大期和糖分积累期之间的差异较小，可能与M2氮素运筹模式下甜菜生育后期叶片衰老速度减慢有关。

图1 不同氮素处理甜菜LAI、叶绿素含量与叶片全氮含量变化Fig.1 The changes of LAI and chlorophyll content under different nitrogen management

2.3 不同施氮处理下甜菜红边参数

以甜菜叶丛快速生长期为例，不同施氮处理下甜菜冠层光谱红边均具有“双峰”现象，但处理间的红边特征各异(图4a，b)。随着施氮量的增加，甜菜冠层光谱红边“双峰”现象越加明显，且峰值相对更高。与N0相比，N75、N150、N225处理在主峰718 nm处的峰值分别提高了30%、39%与53%(图4b)，且随着施氮量的增加，Dλred呈现上升趋势。两种氮素运筹模式的红边随着生育进程的推进“双峰”现象逐渐减弱(图4c,d)。

图2 不同氮素处理甜菜块根产量变化Fig.2 The change of root yield under differentnitrogen managements

2.4 甜菜叶片农学参数与冠层光谱的相关性

从高光谱波段中选择部分波段，进一步对其组合构成的植被指数(R680/R550，R980/R680，R980/R550，R1090/R550，R1200/R550，R1285/R550)、红边特征参数与甜菜叶片农学参数进行相关分析(表1)，其中全氮含量与光谱变量之间显著相关，R980/R680与全氮含量之间相关性要优于其他光谱变量。LAI和叶片叶绿素含量与红边特征参数之间均达到了极显著相关，但与光谱变量之间的相关性较差，其中LAI与λred之间的相关性要优于Dλred与Sred，叶片叶绿素含量与Dλred的相关性要优于λred与Sred。块根产量在叶丛快速生长期的相关性均大于其他时期，其中与红边参数之间的相关性要优于与光谱变量之间的相关性，但仍未达到显著水平。

3 讨 论

作物冠层光谱特征是其自身随生育时期变化生理参数与农学参数的反映，并且从整个生育期来看，甜菜冠层光谱特征与农学参数有密切的关系。随着施氮水平的提高，甜菜叶面积指数LAI与叶绿素含量均呈现上升趋势，同时在近红外区域的冠层光谱反射率增大。不同氮素运筹模式下的甜菜冠层光谱反射率表明，在可见光波段(400～700 nm)，尤其是550 nm波长附近存在叶绿素强反射峰区，并且在此波段内，M2氮素运筹模式下糖分积累期的冠层高光谱反射率均低于M1运筹模式，可能与糖分积累期甜菜绿叶面积较大，光合能力较强，对红光和蓝光的吸收较强，其反射率逐渐降低，促使绿色波段形成的反射峰较低有关。在近红外波段(700～1 300 nm)，在不同施氮处理下差异较为明显，各时期之间也形成较大差异。

图3 不同施氮处理甜菜冠层高光谱反射率Fig.3 Hyperspectra reflectance of beet canopy under different nitrogen management modes

图4 不同施氮处理下甜菜冠层光谱红边参数Fig.4 The red edge of spectra of beet canopy under different nitrogen managements

农学参数Agronomic parameter红边斜率Dλred红边位置λred红边面积SredR680/R550R980/R680R980/R550R1090/R550R1200/R550R1285/R550全氮含量 Total N/%0.1610.1460.129-0.611**0.676**0.641**0.623**0.577*0.574*叶面积指数LAI0.727**0.757**0.704**-0.1770.1210.1630.1720.1430.157叶绿素含量 CHL0.690**0.614**0.653**-0.1530.1320.1500.1500.1180.126块根产量 Yield0.5530.5890.681-0.5320.5460.5230.5140.4890.489

注：**极显著水平(P<0.01)，*显著水平(P<0.05)，N%、LAI、CHL分别表示植株叶片全氮含量、叶面积指数、植株叶绿素含量。

Note: ** indicates significant correlation atP<0.01; * indicates significant correlation atP< 0.05. N%, LAI, and CHL denote the total nitrogen content, leaf area index, and chlorophyll content of plant leaves, respectively.

甜菜冠层光谱的红边均具有“双峰”现象，随着生育时期推进，“双峰”现象逐渐减弱，可能是由于甜菜叶丛快速生长期，叶面积指数增大，生物量增加，所受到的土壤背景影响较小，“双峰”现象也更加明显，但到块根膨大期，光合同化产物开始向块根运输，LAI有所减少，尤其到糖分积累期之后，甜菜植株下部叶片开始变黄、脱落，土壤背景对冠层光谱影响较大。通过分析甜菜植株冠层的“红边”及其红边参数发现，两种氮素运筹模式下甜菜冠层反射光谱的红边位置均处于712～728 nm之间，没有出现“红移”现象，可能因为甜菜叶丛快速生长期主要以生长叶片为主，此时LAI、叶绿素含量均已达到峰值。

甜菜叶片全氮含量与光谱变量(R680/R550、R980/R680、R980/R550、R1090/R550)之间均达到极显著水平，LAI和叶片叶绿素含量与红边特征参数(Dλred、λred、Sred)之间均达到极显著水平，这与王秀珍等在水稻上的研究结果一致[15]，块根产量与红边参数之间有较好相关性，但仍未达到显著水平。农学参数与光谱之间相关关系表明可以通过提取冠层高光谱参数对甜菜叶片农学参数进行估测，从而为甜菜氮素管理的快速无损监测提供依据。

4 结 论

不同施氮水平下甜菜冠层光谱反射率随着施氮量的增加而升高，与M1相比，M2氮素运筹模式下的冠层光谱反射率和冠层光谱“红边”在叶丛快速生长期较低，在糖分积累期较高。光谱变量与叶片全氮含量，红边参数与LAI、叶绿素含量之间显著相关，研究结果为进一步应用高光谱快速无损监测技术进行甜菜氮素管理提供支持。