不同产量水平棉花蕾期叶片的光谱特征分析

王式琴 张冬冬 温云梦 蔡海辉 李福庆 李建成 多 晶 柳维扬

（塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔 843300）

植物生长发育与体内叶绿素含量的高低密切相关，植物中大部分干物质的形成是由其光合作用所提供，而对光合作用影响最大的一个因素就是叶绿素含量的高低，叶绿素含量与光合作用、光能利用率成正比［1］，而且叶绿素能利用阳光的照射将水和二氧化碳转化为植物生长发育必不可少的营养物质，为作物高产优质奠定物质基础。未来，精准农业技术体系将成为农业发展必不可少的一部分，而高光谱分辨率遥感技术是获取农田数据的重要途径，利用高光谱遥感快速准确提取与植物光合生产能力和作物长势状况有关的叶绿素特征波段信息，继而寻找一些敏感波段以及相关参数，以更好地对作物生长发育进行实时快速无损遥感监测，对提高农作物生长发育的预见性具有重要意义［2，3］。Liu等［4］研究表明叶绿素含量与红边参数具有很好的相关性。HAN⁃SEN等［5］研究了小麦高光谱原始反射率及处理后的反射率与叶绿素密度等变量的相关波段，认为大多数的敏感波段集中在红边光谱范围内。黄山等［6］研究表明对净、套作下大豆叶绿素密度进行估测较好的模型是用比值植被指数RVl（507∕697）构建的叶绿素密度二次估测模型。杨峰等［7］研究高光谱数据预处理对大豆叶绿素密度反演的作用，结果显示微分处理可以很大程度上提高模型预测的精度，其中二阶微分处理效果最理想，决定系数达0.998，均方根误差达0.012。依尔夏提·阿不来提等［8］研究表明在560～740nm波段范围内包络线去除后的光谱反射率与叶绿素含量的相关性优于原始光谱以及光谱变换后反射率与叶绿素含量的相关性。龙耀威等［9］通过对玉米植株进行冠层图像分割和叶绿素含量指标光谱特征变量筛选方法的研究，建立冠层叶绿素含量指标诊断模型，绘制作物冠层叶绿素含量分布图，为田间玉米叶绿素分布与生长动态可视化观测提供技术支持。基于此，本研究分析了不同产量水平棉花蕾期叶片叶绿素与光谱特征变化规律，以期为高光谱遥感监测棉田生长发育状况提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况试验于2020年在新疆生产建设兵团第一师九团进行，本区域属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，垦区以灌溉为主。在研究区内选取5个地块采样，分别编号为N0、N1、N2、N3、N4，每个地块的产量不同，分别为7500（N0）、6000（N1）、4500（N2）、3000（N3）、1500kg∕hm2左右（N4）。在棉花蕾期，在每个地块选取30个点，每个点选取10株棉花，测定每株棉花功能叶片的光谱反射率，并将每个点10株棉花的功能叶片作为1个混合样，放入0～4℃的保温箱内带回实验室测定叶绿素。

1.2 光谱反射率的获取使用ASD FieldSpec Hand⁃Held2便携式地物光谱仪测定在325～1075nm内棉花叶片的光谱反射率，光谱分辨率为1nm。每个点测定10株棉花叶片的光谱反射率，取平均值作为1个点的平均反射率，每块地可获取30条光谱反射率曲线数据。

1.3 叶绿素密度的测定比叶重的测定：测定棉花叶片鲜重及叶面积，烘干后测其干重，并计算其比叶重。叶绿素测定：采用95%乙醇缓冲液提取—可见分光光度法测定。

式中：A663、A537、A647为波长663、537、647nm处的吸光度值；V为浸提体积；Ma、Mb分别为叶绿素a、叶绿素b的分子量；S为比叶重；m为叶片鲜重。

1.4 光谱数据预处理

1.4.1 平滑处理 采用Savitzky-Golay卷积平滑，光谱在波长i处经Savitzky-Golay平滑后的值为：

式中：Xim Savitzky-Golay，为波长i处平滑后的值，x为平滑处理前的值；m为波长一侧平滑窗口数，n为归一化指数，为平滑系数，可用多项式拟合求得。

1.4.2 包络线去除

其中，CRi为波段i处的包络线去除值；Ri为波段i处的反射率；RHi波段i处的Hull值；Rstart、Rsnd分别为起始和终止吸收波段的反射率；Rstart、Rsnd分别为起始和终止点处的波长。

1.5 光谱变换

式中：R′λ(i)是波长i处的一阶微分值；Rλ(i-1)和Rλ(i+1)分别是平滑后波长i-1和i+1处的反射率值；R″λ(i)是波长i处的二阶微分值；R′λ(i-1)和R′λ(i+1)分别是波长i-1和i+1处的一阶微分值。

式中：ρλ是波长λ处的对数值；Sλ是波长λ处的倒数值；i是平滑后波长λ处的反射率。

1.6 数据处理光谱数据处理采用Unscramber、ENVI、Excel软件，数据统计分析采用SPSS软件。

2 结果与分析

2.1 棉花蕾期反射光谱特征图1（a、b）是不同产量原始光谱与包络线去除光谱曲线。由图中可见，包络线去除后光谱反射率曲线（b）比原始光谱反射率曲线（a）的变化更加明显，易于区分波峰、波谷，较好识别棉花蕾期反射光谱特征变化。棉花蕾期叶片的光谱反射率在绿光区域（535～570nm）内，由于植物对叶绿素吸收少，形成1个明显的叶绿素绿色强反射峰区，称之为“绿峰”，而且原始光谱处理N0的峰最高，包络线去除后处理N2的峰最高。在红光区域（675～710nm）内，出现1个低谷区，这是由于在这一波段内叶绿素的强吸收和水的强吸收带所导致的，称之为“红谷”，而且原始光谱处理N1的谷最低，包络线去除后处理N4的谷最低［10-12］。在452、554nm附近出现明显的反射峰，在502、687、770nm附近出现明显的吸收谷。在研究的整个波段（350～1050nm）内，5个处理具有相似的光谱曲线形状，其中处理N4在波长700～800nm处的光谱反射率与其他4个处理稍有不同，而且曲线的变化幅度较大。在可见光区域（410～700nm）内，棉花蕾期叶片光谱反射率随产量的增加而呈现降低趋势，这与田间作物施肥量息息相关，尤其是作物的施氮量，与楚万林等［13，14］的研究成果一致。形成这一现象的原因主要是随着施氮量的增加，植被叶绿素含量也增加，而且在可见光范围内的光谱反射率受植被体内叶绿素和其他色素含量的影响最大［15］。在近红外区域（780～1050nm）内，棉花蕾期叶片光谱反射率随产量的增加而呈现明显的增长趋势，主要是因为在这一波段，叶片细胞的排列方式与植被整体结构是影响光谱反射率的主导因子［16］。

图1（c、d）是不同产量对数与倒数光谱变化曲线，对平滑后的光谱进行对数与倒数变换，可以更加明显地看出不同产量光谱曲线的变化特征，有利于分析多谱线间的谷峰差异［17］。图1（c）显示5个处理的对数光谱曲线与图1（a）原始光谱曲线变化趋势大致相似，在475、580nm附近出现波峰，而且各处理的峰值高低顺序为N0＞N3＞N2＞N1＞N4；在510、700nm附近出现波谷，在510nm处各处理的谷值高低顺序为N0＞N3＞N2＞N1＞N4，在700nm处各处理的谷值高低顺序为N0＞N3＞N2＞N4＞N1。图1（d）显示5个处理的倒数光谱曲线都呈现相似的变化趋势，其中在410、510、700nm附近出现波峰，达到最高峰的分别是处理N2、N3、N1；在475、575nm附近出现波谷，最低谷都是处理N4。

图1（e、f）是不同产量水平的一阶微分与二阶微分光谱变化曲线，其中一阶微分代表光谱曲线的斜率变化，二阶微分反映光谱曲线的曲率变化，2个图都出现“双峰”和“多峰”现象。图1（e）显示5个处理在520、720nm附近分别达到反射率增速最快的极点，而且这2处曲线上升分别是叶绿素的反射和“红边”效应所导致的［18，19］，且处理3的光谱曲线变化幅度比较大，说明它的光谱曲线斜率变化大，反射率的变化较大。其他处理的一阶微分光谱值在-0.01～0.01，而且5个处理的一阶微分光谱值在近红外（780～1050nm）区域内接近于0，表示在此波段5个处理的光谱反射率达到极值。图1（f）显示5个处理在700～760nm波段间，二阶微分曲线有明显的波动，尤其是处理N3，说明在此波段内反射率光谱处于吸收区。在430～730nm间除了处理N4，其他处理的曲线波动比较大；在910～1050nm间处理N4的曲线波动较大，其余处理波动较小，这可能是由于在野外采样过程中受到外界因素（如天气，光照等）的干扰所致。

棉花蕾期叶片的光谱反射率在可见光波段差异比较明显，而这些差别可以反映植物的光谱特性，从而间接体现蕾期棉花的生长状况，因此从中选择了4个差异性比较显著的波段作对比。在487nm附近有个不明显的吸收谷，这主要是棉花蕾期叶片较小且密度低，叶绿素含量少所致。在450nm处有1个明显的反射峰，在438～515nm内，反射率大小顺序为N0＞N3＞N2＞N1＞N4。在554nm附近有1个明显的绿峰，峰值高低顺序为N0＞N3＞N2＞N1＞N4，处理N3与N2的峰值相近，随产量的增加有“绿峰蓝移”现象发生，预示着在合理的施氮范围内棉花蕾期叶片生长发育良好。图1（c）显示，在690nm附近有1个“红谷”比较明显，此处反射率大小顺序为N0＞N1＞N2＞N4＞N3，随产量的提高，红谷反射率依次降低，其中处理N2、N4、N3的反射率相差很小，反射率均小于其他2个处理，说明此处3个处理吸收率较大，棉花叶片长势较好，所含叶绿素较多［20］。处理N0、N2、N3在755nm处光谱反射率开始下降至758～767nm处平稳变化，之后突然上升至770nm处又下降至790nm处趋于稳定，呈现“凹”型变化，这可能是在野外测定光谱时，受外界不稳定因素影响所致。在690～809nm间，处理N1、N4先上升至一个峰值后趋于稳定，而且处理N4的峰值最高，处理N1的最低。综上所述，处理N4在688nm处，反射率开始增大至峰值后趋于稳定。

由不同产量的棉花叶片一阶微分曲线可以看出，各处理的蓝边特征与红边特征突出。处理N1、N4的蓝边斜率、蓝边面积均明显小于其他3个处理，说明此处这2个处理下的棉花营养元素含量充足，叶绿素对蓝光的吸收较强。处理N4的黄边斜率、黄边面积均明显小于其他4个处理，且黄边斜率没有超过0，说明此处处理N4棉花叶片叶绿素对黄光的吸收较强。处理N1、N4的红边斜率、红边面积均明显小于其他3个处理，其中处理N1最小，随产量的增加红边位置有向长波方向移动的趋势，呈现“红移”现象，说明棉花在此处生长发育旺盛，叶绿素含量较多，光合作用较强，这与陈书琳等［21］描述的结论一致。由不同产量典型波段间二阶微分曲线可以看出，在720、760nm附近5个处理的光谱曲线变化幅度较大，而且在760nm处二阶微分值最大，5个处理的二阶微分光谱值大小顺序为N3＞N0＞N2＞N4＞N1，说明处理N3的曲线波动较明显，在此波长处反射率光谱处于吸收区。

2.2 棉花蕾期叶绿素密度变化规律将5个处理30个重复，其中处理N4有18个重复，即138个样点的叶绿素密度数据，按照不同产量水平分别计算叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素的密度并作统计描述，结果如表1所示。由表2可知，在处理N0、N1、N2、N3、N4处，棉花蕾期叶片叶绿素密度的最大值与最小值具有较大的分布区间，可满足数据要求。

表1 棉花蕾期叶绿素密度统计描述

选取每个处理的18个样点数据作方差分析，发现不同处理的棉花蕾期叶绿素密度存在极显著差异，因此可进一步进行多重比较，所得结果如表1所示。由表1可知，处理N1的叶绿素a密度最大，与处理N0、N4没有显著差异，但与处理N2、N3存在极显著差异；处理N2的叶绿素a密度最小，与处理N3没有显著差异，但与处理N0、N1、N4均存在极显著差异。处理N1的叶绿素b密度最大，与处理N0、N2、N3、N4均存在极显著差异；处理N2的叶绿素b密度最小，与处理N3没有显著差异，但与处理N0、N1、N4存在极显著差异。处理N1的总叶绿素密度最大，与处理N0没有显著差异，但与处理N4存在显著差异，与处理N2、N3存在极显著差异；处理N2的总叶绿素密度最小，与处理N3没有显著差异，但与处理N0、N1、N4均存在极显著差异。

3 结论与讨论

通过对不同产量棉花蕾期叶片反射光谱和叶绿素的测定，基于5种光谱变换对棉花叶片反射光谱特征进行分析，结果表明：包络线去除、对数、倒数、一阶微分、二阶微分的变换可以增强可见光波段的光谱特征，更容易区分和分析光谱的变化特征，其中包络线去除变换后，明显放大了可见光波段中叶绿素对绿光反射和红光吸收的特征波段［22］。不同处理原始光谱和包络线去除光谱曲线在450、487、554、690nm附近处差异较明显。在350～520nm内，随产量的增加反射率增加，但处理N4的反射率最低，处理N0的反射率最高，但没有超过0.2，这主要是由于存在于植物叶片内的各种色素对入射光中蓝光的强烈吸收所致。在554nm附近有1个明显的绿峰，处理N0的峰值最高，处理N3与N2的峰值相近，随产量的增加有“绿峰蓝移”现象发生，预示着在合理的施氮范围内棉花蕾期叶片生长发育良好。在690nm附近有1个“红谷”比较明显，处理N3的谷最低，随产量的增加，红谷反射率依次降低，其中处理N2、N4、N3的反射率相差很小，说明此处3个处理吸收率较大，棉花叶片长势较好，所含叶绿素较多。在可见光区域（410～700nm）内，棉花蕾期叶片光谱反射率随产量的增加而呈现降低趋势，这主要是受叶片叶肉结构参数和叶绿素、类胡萝卜素、花青素的影响；在近红外区域（780～1050nm）内，棉花蕾期叶片光谱反射率随产量的增加而呈现明显的增长趋势，这主要是叶片光谱受到水分、叶肉结构参数和干物质含量的影响。不同处理的对数和倒数光谱曲线分别在475、510、580、700nm和410、475、510、575、700nm附近处差异较明显。产量高的地块，叶绿素a、b及总叶绿素密度也高，这主要是因为植物体内蛋白质、酶活性、光合作用随着氮素的增加，呈现积极增长状态，促进了植物生长，但氮素过量则会抑制植物生物量的积累，继而影响植物生长。