桂南红壤区尾叶桉叶片高光谱特征研究

银彬吾，朱 兵，黄林胜，杨桂婵，陆星任，岑祖明

（1.广西壮族自治区国有派阳山林场，广西壮族自治区 崇左 532500；2.广西壮族自治区国有雅长林场，广西壮族自治区 百色 533200；3.广西华沃特生态肥业股份有限公司，广西壮族自治区 南宁 530022）

植物叶片是植物的重要营养器官之一，其主要功能是通过光合作用合成有机物，并借助蒸腾作用为植物运输水和无机盐提供动力[1]。当植物受到病虫害、盐分缺失、环境缺水等胁迫时，其叶部容易先表现出相应的变化和症状。因此把握植物叶部形貌变化成为判断植物病害种类及其严重程度的重要依据。然而，目前主要通过人工观察的途径判断植物长势和病害情况，往往具有较大的主观性，并且效率较低，因而需要探求更为高效、客观、准确的检测方法[2]。

高光谱（Hyperspectra）检测技术作为一种新型的样品检测技术，其具有快速、高效、成本低、样品无损且适用范围广等特点[3]，其原理是利用样品所含的化学成分中C-C、C-O、C-H、N-H等官能团对高光谱波段的基频和倍频吸收获取光谱数据，无需对样品进行研磨等前处理，目前已广泛应用于植物营养诊断[4]、土壤环境等研究领域中。传统的实验室化学分析手段虽然精度较高，但测定成本高、耗时长，测定结果往往时效性较差，废液处理不当有造成环境污染的风险，因此，研究高光谱技术在植物光谱特征识别、营养诊断方面的应用具有重要的现实意义[5]。

植物叶片的光谱特征与叶片厚度、叶片表面特性、水分含量和叶绿素等色素含量有关,同时也与植物营养状况密切相关[6]。如叶绿素在可见光波段（690 nm）处的强烈吸收、在（740 nm）附近的散射辐射，木质素在近红外波段（1 696 nm）的谐波振动和蛋白质在近红外波段（1 510 nm）的谐波振动等。这些谐波及其叠合在可见-红外光谱区所导致的具有诊断特性的光谱特征，这些特征为高效、快速的监测植物生理特征以及生长状况提供了理论依据[7-8]。

广西桉树种植历史悠久、规模较大[9]。自1980年始开始大规模推广桉树人工林，截至2015年广西桉树人工林面积达到256.05×104hm2，占广西乔木树种面积的24.41%[10]，栽植品种以尾叶桉（Eucalyptus urophylla）为主。随着长期、大规模的桉树人工林种植，诸如土壤退化、林地病虫害增加、林分生产力下降等一系列经济、生态问题逐渐暴露[11-12]，利用光谱技术实现林木营养实时诊断、病虫害监测等，可为林权业主田间施肥管理提供数据支持，但目前针对尾叶桉叶片光谱的研究鲜有报道。因此，本研究以桂南红壤区尾叶桉人工林为研究对象，采用ASD F4高光谱仪获取尾叶桉叶片光谱数据，分析其典型光谱特征，以填补尾叶桉叶片光谱研究的空白，为建立尾叶桉高光谱营养诊断模型提供理论基础与前期数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本次研究区域位于广西壮族自治区国有高峰林场六里分场(北纬22°86′、东经108°19′，海拔80 m)。属于典型南亚热带季风气候区域，光照、水热条件优越，年平均气温21.3℃～24.4℃，年平均降雨量815～1 686 mm，年平均日照时数1 275～1 579 h，平均相对湿度为79%，气候主要以炎热潮湿为主。试验地土壤成土母质为第四纪红土，偏酸性红壤，土层较厚，坡度23°。土壤质地为黏壤土，pH值范围在4.3～4.8，土层厚度适中，腐殖层小于5 cm，土壤肥力适中。栽植树种为尾叶桉新造林，林龄1年，植苗时施基肥，年中追肥1次（500g），养分比例为N（15）∶P（6）∶K（9），总养分30%，有机质含量≥15%。

1.2 叶片采集与光谱测定

在试验地内随机选取30个单株，测定其树高、胸径数据后取平均值，以此为标准选取5株标准木，从上中下部各摘取5片叶子，放入保温盒中带回实验室进行光谱测定。叶片光谱测定采用美国ASD公司的FieldSpec 4测定叶片的光谱反射率，利用仪器内置光源及自带的叶片夹与光谱探头进行测定，每组数据测量前进行标准白板校正，并扣除空气背景值，单个叶片测定10次，取算术平均值。光谱测量波段为可见-近红外波段（350～2 500 nm），分辨率为1nm。

1.3 光谱数据预处理

仪器采集叶片光谱为原始光谱反射率（Raw spectral reflectance，R），由于仪器噪声、叶片有机物、矿质营养元素的影响，混合叠加峰较多，因此对原始光谱反射率进行预处理，计算反射率的一阶导数（First derivative of reflectivity，FDR）分解重叠峰，提高光谱分辨率。

2 结果与分析

2.1 叶片形态特征

根据尾叶桉生长情况，分上中下3个部位采集叶片样品，同时采集出现黄化病叶片，其形态特征如图1所示。尾叶桉叶片均呈现披针形，叶柄呈楔形，长度在1.5～2 cm。如图1a、b所示，上部叶（嫩叶）与中部叶（成熟叶）叶脉较为清晰，侧脉稀疏平行，边脉不明显。下部叶（老叶）叶脉模糊且呈现明显缺素症状。黄化叶呈黄绿色，其叶脉、侧脉模糊，边缘卷曲。

2.2 叶片光谱特征

图2展示了桂南红壤区一年生尾叶桉叶片光谱反射率（R）与反射率一阶导数变换（FDR）光谱曲线。如图2a所示，上、中、下部叶片、黄化叶片光谱原始反射率整体峰形（350～2 500 nm）较为一致，黄化叶片反射率明显低于上、中、下叶片，具有显著光谱特征，说明可以利用高光谱技术快速筛查尾叶桉黄化状况。在可见光波段350～780 nm不同叶片间并未表现出一致规律性；780～1 350 nm近红外平台波段变化规律一致，光谱反射率高低排序为上部叶>中部叶>下部叶>黄化叶，不同叶片波段间差异较大；1 350～2 500 nm短波红外波段，光谱反射率表现为由上至下逐渐增大；黄化叶片在780～2 500 nm反射率均处于最低水平。如图2b所示，经一阶导数变换后，不同叶片光谱曲线差异性有所减小，特征吸收峰数量显著增加且更加尖锐，500 nm、680 nm、730 nm处存在3个尖锐吸收、反射峰，但在2 000～2 500 nm波段范围内，光谱曲线较为紧实，不同叶片光谱曲线无明显规律性。

在可见光波段，由于叶片的透过率很低，吸收很强，主要反映叶片表面部分的生化组分（如叶脉）和结构特点[13]；在近红外波段，叶片反射率对含水量的敏感性最大，由于新叶含水量较高，因此反射率呈现由上至下逐渐减小的趋势[14]；短波红外波段，由于叶片生化组分的光谱吸收相对较弱，反射率光谱能够更多地反映整个叶片内部的结构特点和生化组分含量。在养分充足的情况下，诸如氮素、钾素是易于转运的营养元素，中下部分叶片养分易于向新叶转移，因此上部叶与下部叶光谱反射曲线存在显著差异性[15-16]。

3 结论

采用ASDF4高光谱仪对桂南红壤区尾叶桉不同部位叶片进行测试分析，同时对光谱原始反射率采取一阶导数变换，结果表明尾叶桉叶片光谱反射率差异性主要表现在3个特征波段：（1）可见光波段（350～780 nm），由于叶片形态特征差异较大，原始光谱反射率相互叠加现象严重，经一阶导数变换后，在500 nm、680 nm、730 nm三个波段差异较为明显，可用于诊断如病虫害等具有较为明显形态特征的生理特性；（2）近红外平台波段（780～1350 nm），由于该波段对叶片含水量较为敏感，叶片原始光谱反射率在950 nm、1 230 nm有两处明显吸收谷，可用于植物叶片含水率的快速诊断；（3）短波红外波段（1 350～2 500 nm），主要反映叶片生化组分的差异，可用于植物营养快速诊断。鉴于以上研究结果，本课题组认为可以利用近高光谱技术，结合遥感等大尺度、空间定位的方式对植被进行大范围的监测，利用高光谱对植物叶片生理特征、含水率、养分特征的识别能力，及时掌握植物的生长情况并采取相应的经营措施。