高光谱研究不同施肥条件对冬小麦冠层光谱的影响

引用本文

张玥, 田园盛, 孙文义, 穆兴民, 高鹏, 赵广举. 高光谱研究不同施肥条件对冬小麦冠层光谱的影响[J]. 光谱学与光谱分析, 2020, 40(2): 535-542.
ZHANG Yue, TIAN Yuan-sheng, SUN Wen-yi, MU Xing-min, GAO Peng, ZHAO Guang-ju. Effects of Different Fertilization Conditions on Canopy Spectral Characteristics of Winter Wheat Based on Hyperspectral Technique[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2020, 40(2): 535-542. 复制到剪切板

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高光谱研究不同施肥条件对冬小麦冠层光谱的影响

张玥¹, 田园盛¹, 孙文义^1,^2,^*, 穆兴民^1,², 高鹏^1,², 赵广举^1,²

1. 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨凌 712100

2. 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨凌 712100

*通讯联系人 e-mail: sunwy@ms.iswc.ac.cn

作者简介: 张玥, 1995年生, 西北农林科技大学水土保持研究所硕士研究生 e-mail: 17792126331@163.com

收稿日期:2019-01-02 接受日期:2019-05-10 网络出版日期:2020-02-12

基金项目:

国家自然科学基金委青年科学基金项目(41501293), 国家重点研发计划项目(2016YFC0402401)资助

摘要

高光谱定量研究土壤养分含量和冬小麦冠层光谱特征之间的关系, 可为冬小麦养分丰缺监测和科学合理指导施肥方案提供理论依据和技术支持。基于35年长期定位试验, 研究黄土高原渭北旱塬土壤不同施肥处理对冬小麦冠层不同生育期光谱特征的影响, 结果表明: 在单一施肥条件下, 与不施肥(CK)相比, 冬小麦从拔节期到抽穗期, 单施P的CR₅₀₀, CR₆₇₀和CR₅₅₀值均高于CK, 而单施N和M的光谱反射率显著低于CK。拔节期单施P, N和M的CR₅₀₀值分别为CK的1.2倍、 74.9%和70.5%; CR₆₇₀值分别为CK的1.2倍、 66.8%和62.6%; CR₅₅₀值分别为CK的1.2倍、 76.2%和76.9%。冬小麦抽穗期各处理反射特征峰谷比拔节期明显增强, 单施P, N和M的CR₅₀₀值分别为CK的1.2倍、 81.0%和53.5%; CR₆₇₀值分别为CK的1.3倍、 76.8%和40.6%; CR₅₅₀值分别为CK的1.2倍、 78.5%和63.4%。冬小麦至灌浆期, 各处理反射特征峰谷均明显减弱; 至成熟期, 不同施肥处理下冬小麦光谱的“峰谷”差异不再明显。包络线去除后单一施肥条件下的红谷光谱特征表明, 除成熟期外, 单施P的冬小麦红谷面积( A)、红谷左面积( AL)和吸收峰对称度( S)均高于CK, 单施N和M均低于CK。在组合施肥条件下, 所有施氮组合NMP, NP和NM均表现出相似的规律, 在可见光波段红、蓝光吸收谷深度和绿光反射峰值以及近红外波段的光谱反射率均显著低于CK; PM组合光谱反射特征值略低于CK。与CK相比, 冬小麦从拔节期到抽穗期, PM组合处理光谱反射率特征值略低于CK; NM, NPM和NP处理光谱反射率特征值之间差异较小但显著低于CK。 NM, NPM和NP处理的CR₅₀₀值分别为CK的25.85%, 27.99%和26.07%; CR₆₇₀值分别为CK的12.56%, 13.27%和13.98%; CR₅₅₀值分别为CK的33.39%, 35.38%和37.04%。而PM处理CR₅₀₀, CR₆₇₀和CR₅₅₀值分别为CK的67.52%, 55.69%和79.40%。冬小麦至灌浆期, 各组合处理反射特征峰谷较抽穗期均明显减弱; 冬小麦至成熟期, 不同施肥组合处理之间的光谱反射吸收特征差异不明显, 但均显著低于CK。连续统去除后组合施肥条件下的红谷光谱特征表明, 各生长期冬小麦红谷面积( A)CK最大, PM处理次之, NM处理最小。

关键词: 冬小麦; 施肥处理; 长期定位试验; 高光谱

中图分类号:O433.1 文献标志码:A

Effects of Different Fertilization Conditions on Canopy Spectral Characteristics of Winter Wheat Based on Hyperspectral Technique

ZHANG Yue¹, TIAN Yuan-sheng¹, SUN Wen-yi^1,^2,^*, MU Xing-min^1,², GAO Peng^1,², ZHAO Guang-ju^1,²

1. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;

2. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China

*Corresponding author

Abstract

Quantitative study of the relationship between soil nutrient content and canopy spectral characteristics of winter wheat based on hyperspectral techniques can provide theoretical basis and technical support for winter wheat nutrient abundance monitoring and scientific and rational guidance of fertilization programs. In a 35-year long-term positioning experiment, the effects of different fertilization treatments on the spectral characteristics of winter wheat canopy in different growth stages of Loess Plateau were studied. The results showed that under single fertilization conditions, compared with no fertilization (CK), from the jointing stage to the heading stage of the winter wheat, the CR₅₀₀, CR₆₇₀ and CR₅₅₀ values of single P application were higher, while the spectral reflectance of single N and M application was significantly lower. The CR₅₀₀ values of single P, N and M application in jointing stage were 1.2 times, 74.9% and 70.5% of CK; CR₆₇₀ values were 1.2 times, 66.8% and 62.6% of CK; CR₅₅₀ values were 1.2 times, 76.2% and 76.9% of CK, respectively. The peaks and valleys of the reflex characteristics of winter wheat were significantly enhanced at heading stage than those at jointing stage, at heading stage, the CR₅₀₀ values of P, N and M application were 1.2 times, 81.0% and 53.5% of CK; the CR₆₇₀ values were 1.3 times, 76.8% and 40.6% of CK; CR₅₅₀ values were 1.2 times, 78.5% and 63.4% of CK, respectively. At the filling stage, the peaks and valleys of the reflex characteristics of each treatment were obviously weakened; to the maturity stage, the difference between the peaks and valleys of the winter wheat spectrum under different fertilization treatments was no longer obvious. The spectral characteristics of the red band position absorption valley under single fertilization conditions after enveloping line removal showed that, except for the maturity period, the red band absorption valley area ( A), the red band absorption valley left area ( AL) and the absorption peak symmetry ( S) of winter wheat with single P application were higherthan CK, both with N and Mapplication were lower than CK. Under the combined fertilization conditions, the NMP, NP and NM of all nitrogen application combinations showed similar patterns, and the red, blue absorption depth and green reflection peak and the near-infrared spectral reflectance in the visible light range were significantly lower than CK; the spectral reflectance eigenvalue of the PM combined treatment was slightly lower than CK. Compared with CK, the characteristic value of spectral reflectance of PM combined treatment was slightly lower from the jointing stage to the heading stage; the difference between the spectral reflectance values of NM, NPM and NP treatment was small but significantly lower than CK. The CR₅₀₀ values of NM, NPM and NP treatment were 25.85%, 27.99% and 26.07% of CK; CR₆₇₀ values were 12.56%, 13.27% and 13.98% of CK; CR₅₅₀ values were 33.39%, 35.38% and 37.04% of CK, respectively. The CR₅₀₀, CR₆₇₀ and CR₅₅₀ values of PM treatment were 67.52%, 55.69% and 79.40% of CK, respectively. At grain filling stage, the peaks and valleys of each treatment were significantly weaker than those at heading stage. At maturity stage, the spectral reflectance absorption characteristics of different fertilization treatments were not significantly different, but they were significantly lower than CK. The spectral characteristics of red band absorption valley under combined fertilization conditions after enveloping line removal showed that the area of red band absorption valley ( A) of the winter wheat was the largest in CK, followed by PM treatment and NM treatment.

Keyword: Winter wheat; Fertilization conditions; Long-term positioning experiment; Hyperspectral

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引言

高光谱定量监测植被生长过程和反演生物理化参量已成为研究地表植被地学过程强有力的技术手段。由于高光谱数据具有丰富的光谱信息, 被测地物的光谱特征可以得到充分体现, 许多学者已经开展了大量应用高光谱精细光谱信息进行植被类型识别和生物物理化学特征参量的反演研究, 并且建立了不少能够反映植被生长状况的高光谱植被指数进行植被动态监测。

冬小麦作为黄土高原的主要农作物, 对其进行长势监测, 科学施肥管理, 有助于提高小麦产量, 改善小麦品质, 以及防止过量施肥引起水土污染^[1]。利用高光谱进行冬小麦养分含量、叶面积指数、叶绿素含量等各种植被生物物理化学参数的研究已有不少报道^[2]。贺佳^[3]等对黄土高原旱地冬小麦不同生育时期进行研究, 构建了叶面积指数统一监测模型。王凡^[4]等利用冬小麦冠层高光谱和田间同步实测生物量含量, 建立了基于提取的生物量敏感波段的冬小麦监测模型。 Femandez^[5]等利用红光(670 nm)和绿光(550 nm)两波段的线性组合预估小麦的氮含量, 具有显著的相关性。姚付启^[6]等通过对不同水氮胁迫下冬小麦高光谱特征差异进行研究, 得出在不同水分条件下冬小麦在可见光波段反射率随氮素含量减少而升高。不少学者已经进行了对冬小麦碳、氮、磷等单一元素生物化学参量的探索, 但缺乏不同元素不同组合施肥下小麦高光谱特征的研究。本文基于35年长期定位试验, 研究了不同土壤施肥水平和不同施肥组合对冬小麦光谱特征的影响, 探索土壤养分含量— 植被生物理化参量— 冬小麦冠层光谱特征之间的定量关系, 为不同生育期冬小麦养分丰缺监测和科学合理指导施肥方案提供理论依据和技术支持。

1 实验部分

1.1 研究区概况

长期定位试验区位于陕西省咸阳市长武县十里铺村(34° 59'09″— 35° 18'37″N, 107° 38'49″— 107° 58'02″E), 属于典型的暖温带半湿润大陆性季风气候, 地处黄土高原沟壑区, 是典型的旱作农业区。试验地海拔1 200 m, 年均降水量578.5 mm, 年均气温9.2 ℃, > 10 ℃积温3 019 ℃, 无霜期172 d, 土壤为粘化黑垆土, 母质是深厚的中壤质马兰黄土, 全剖面土质均匀疏松, 通透性良好, 肥力中等。

试验于1984年开始, 布设长期定位试验(图1), 试验开始时, 施入耕层土壤(0~20 cm)的养分含量为: 有机质10.5 g· kg^-1, 土壤速效钾129.3 mg· kg^-1, 土壤有效磷3.0 mg· kg^-1, 土壤全磷含量0.659 g· kg^-1, 土壤碱解氮含量37.0 mg· kg^-1, 土壤全氮含量为0.57 g· kg^-1, pH为8.3。试验地土壤养分含量和地貌特征在黄土高原区域具有一定的代表性。

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	图1 渭北旱塬农田生态系统长期定位试验Fig.1 Long-term fertilization experiment of farmland ecosystem in Weibei dryland

对长期定位试验中不同施肥处理条件下不同生育期的冬小麦连作种植系统冠层进行了光谱测定。长期定位试验按照区组设计布设, 方案如表1: NPM(氮、磷、有机肥配施)、 NP(氮、磷肥配施)、 NM(氮、有机肥配施)、 PM(磷、有机肥配施)、 P(单施磷肥)、 N(单施氮肥)、 M(单施有机肥)、 CK(对照, 不施肥)8种施肥方式, 共3次重复。试验单个小区的面积是66.7 m², 小区的间距为0.5 m, 区组的间距为1.0 m。试验时所用的氮肥是尿素CO(NH₂)₂, 磷肥是过磷酸钙Ca(H₂PO₄)₂.H₂O, 有机肥是牛粪。种植作物为冬小麦“ 长武134” , 在作物播种前定量将肥料一次性全部撒入小区内, 翻入土中, 田间管理同大田。

表1 施肥方案 Table 1 Fertilization rates of the experiment plots

1.2 数据与处理

1.2.1 光谱测定

利用美国ASD公司研发的Field Spec4仪器进行光谱测定, 其波长范围: 350~2 500 nm; 波长重复性: 0.1 nm; 波长精度: 0.5 nm。分别在2017年4月22日(冬小麦拔节期)、 5月11日(冬小麦抽穗期)、 6月1日(冬小麦灌浆期)和6月18日(冬小麦成熟期)晴天中午前后10:00— 14:00之间进行了4次光谱测定, 风力不超过3级。测量时探头保持与水平面的法线夹角在± 10° 之内, 避免了阴影干扰。光谱测定时选用标准视场角进行测定, 得到纯度较高的光谱。光谱测量前, 需对标准参考板进行定标校准, 然后对目标地物进行测量。每隔10 min校准一次。同时详细记录了测点的位置、小麦长势并配以照相记录。分别对冬小麦24个小区(8种施肥处理3个区组)不同生育期(拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期)进行了光谱测量, 每个小区不同位置测定5次, 以其平均值作为该小区小麦的光谱反射值。

1.2.2 数据处理

利用ASD光谱仪配套的光谱数据处理软件ViewSpecPro对光谱曲线进行了去噪、平滑处理。光谱分析过程中去除了1 350~1 420, 1 790~1 930和2 400 nm处大气水汽吸收形成的噪声干扰。

对反射光谱进行连续统去除运算, 获取了冬小麦光谱的“ 峰、谷” 变化特征。计算方程见式(1)

$Rc (λ) = aλ + b$ (1)

其中, Rc为连续统线反射率; λ 为波长位置; a为连续统线截距; b为连续统线斜率。

连续统去除反射率R'(λ )为每个波段光谱吸收处的反射率值与相对应波段位置处连续统线比值

$R' (λ) = \frac{R (λ)}{Rc (λ)}$ (2)

包络线去除后可以提取波段深度(BD)、吸收峰面积(A)、吸收峰左侧面积(AL)和吸收峰对称度(S)等特征值, 其计算方法如下

$B_{D} = 1 - R'$ (3)

$A = \int_{λ_{star}}^{λ_{end}} C R, A_{L} = \int_{λ_{start}}^{λ_{B D_{\max}}} C R$ (4)

$\begin{matrix} S = A_{L} / A \end{matrix}$ (5)

式中: R'为光谱反射率连续统去除值; CR为原始光谱相应波段对应的连续统去除值; AL是红谷左半端的面积, A为红谷面积是宽度和深度的综合参数^[7]。

2 结果与讨论

2.1 单一施肥条件下不同施肥处理对冬小麦冠层光谱特征的影响

不同生育期冬小麦冠层光谱特征的变化因施肥处理的不同表现出明显差异(图2)。

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	图2 单一施肥处理的冬小麦冠层高光谱特征Fig.2 Hyperspectral characteristics of winter wheat canopy treated by single fertilization

冬小麦拔节期, 在可见光波段(380~760 nm)形成以500 nm为中心的蓝光吸收谷和以670 nm为中心的红光吸收谷, 以及以550 nm为中心的绿光反射峰, 但不同施肥处理其吸收反射特征差异显著。单施P的光谱反射率高于CK, 单施N和M的光谱反射率低于CK。 CK的去包络值CR₅₀₀, CR₆₇₀和CR₅₅₀值分别为0.467, 0.422和0.601; 单施P, N和M的CR₅₀₀值分别为CK的1.2倍、 74.9%和70.5%; CR₆₇₀值分别为CK的1.2倍、 66.8%和62.6%; CR₅₅₀值分别为CK的1.2倍、 76.2%和76.9%。在近红外波段(760~1 300 nm)形成了一个高反射峰, 其中单施P光谱反射率略低于CK, 但单施N和M的光谱反射率显著高于CK。在短波红外波段(1 300~2 500 nm), 1 450及1 940 nm附近受到水分的强吸收作用形成两个吸收谷, 不同施肥处理的反射特征规律与可见光区相似。

冬小麦抽穗期, 可见光区不同施肥处理条件下形成蓝光(500 nm)和红光(670 nm)的吸收谷以及绿光(550 nm)的反射峰特征差异比拔节期明显增强。单施P, N和M的CR₅₀₀值分别为CK(0.572)的1.2倍、 81.0%和53.5%; CR₆₇₀值分别为CK(0.534)的1.3倍、 76.8%和40.6%; CR₅₅₀值分别为CK(0.734)的1.2倍、 78.5%和63.4%。近红外区, 冬小麦冠层光谱在980和1 200 nm处的吸收特征增强, 形成了两个水分吸收谷。单施M的光谱反射率显著高于CK, 单施P的反射光谱略高于CK, 单施N与CK处理冠层光谱反射率差异不大。在短波红外区, 单施P显著高于CK, 单施N与CK相似, 单施M处理显著低于CK。

冬小麦灌浆期, 在可见光波段不同施肥处理条件下蓝光和红光的吸收以及绿光的反射特征规律与拔节期相似, 但反射吸收特征明显减弱。单施M光谱反射率显著低于CK, 单施N与CK相似, 单施P的反射光谱略高于CK。 CK的CR₅₀₀, CR₆₇₀和CR₅₅₀值分别为0.290, 0.269和0.346, 单施P, N和M的CR₅₀₀值分别为CK的66.6%, 82.4%和57.9%; CR₆₇₀值分别为CK的59.1%, 77.7%和46.1%; CR₅₅₀值分别为CK的62.1%, 78.3%和76.9%。在近红外波段, 单施P的光谱反射率与CK相似, 单施N光谱反射率略高于CK, 单施M显著高于CK。短波红外波段不同施肥处理的反射特征规律与可见光区相似。

随着冬小麦成熟变黄, 不同施肥处理条件下冬小麦光谱的“ 峰谷” 变化特征差异不再明显。在可见光范围内红光的吸收特征和近红外高反射特征显著减弱。总体上单施P反射光谱特征和CK相似且差异不大, 单施N和M的光谱反射率在各个波段均低于CK。

利用连续统去除法提取红谷特征参数值(表2)表明, 单施M的红谷深度(BD)在各生长期均最大, 变化范围在0.736~0.876; 其次为单施N处理; 单施P处理的BD均最小; CK红谷吸收深度小于单施M和N, 但大于P处理。冬小麦拔节期、抽穗期和成熟期的红谷面积(A)、红谷左面积(AL)和吸收峰对称度(S)均为单施P高于CK, 单施N和M低于CK; 冬小麦灌浆期红谷面积和左面积表现为CK最高, 单施N、 M次之, 单施P最小。

表2 连续统去除后红谷光谱特征参数 Table 2 Red band absorption valley characteristic parameters of continuum removal

2.2 组合施肥条件下不同施肥处理对冬小麦冠层光谱特征的影响

不同生育期冬小麦冠层光谱特征因N, P和M组合处理的不同表现出明显的差异(图3)。

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	图3 组合施肥处理的冬小麦冠层高光谱特征Fig.3 Hyperspectral characteristics of winter wheat canopy treated by combined fertilization

冬小麦拔节期, 在可见光波段CK的蓝光吸收谷(500 nm)和红光吸收谷(670 nm)以及绿光反射峰(550 nm)特征值最大; PM组合处理光谱反射率特征值略低于CK; NM, NPM和NP处理光谱反射特征值之间差异较小但显著低于CK。 CK处理的CR₅₀₀, CR₆₇₀和CR₅₅₀值分别为0.468, 0.422和0.602, NM, NPM和NP处理的CR₅₀₀值分别为CK的25.85%, 27.99%和26.07%; CR₆₇₀值分别为CK的12.56%, 13.27%和13.98%; CR₅₅₀值分别为CK的33.39%, 35.38%和37.04%。而PM处理CR₅₀₀, CR₆₇₀和CR₅₅₀值分别为CK的67.52%, 55.69%和79.40%。在近红外波段, CK光谱反射率最低, PM处理的光谱反射率略高于CK, 但NPM, NM和NP显著高于CK, 其中NPM最高。在短波红外波段, 不同施肥处理的反射特征规律与可见光区相似。

冬小麦抽穗期, 在可见光波段不同施肥处理条件下形成蓝光(500 nm)和红光(670 nm)的吸收谷, 以及绿光(550 nm)的反射峰与拔节期相似, 但特征值差异比拔节期更大。 CK的光谱反射和吸收特征值最大, CR₅₀₀, CR₆₇₀和CR₅₅₀值分别为0.573, 0.534和0.734。 NM, NPM和NP处理的CR₅₀₀值分别为CK的25.65%, 27.40%和35.25%; CR₆₇₀值分别为CK的12.36%, 13.67%和22.85%; CR₅₅₀值分别为CK的31.47%, 34.33%和31.61%。 PM处理CR₅₀₀, CR₆₇₀和CR₅₅₀值分别为CK的81.85%, 73.41%和88.69%。在近红外波段, PM处理光谱反射率略高于CK, NPM, NM和NP的光谱反射率显著高于CK, 其中NM最高。短波红外波段PM光谱反射率略低于CK, 但NM, NPM和NP处理光谱反射率显著低于CK。

冬小麦灌浆期光谱反射有较大变化, 不同施肥处理条件下蓝光和红光的吸收以及绿光的反射特征较抽穗期明显减弱。在可见光波段CK的CR₅₀₀值、 CR₆₇₀值和CR₅₅₀值分别为0.291, 0.268和0.346; NPM, NP和NM的CR₅₀₀值分别为CK的32.30%, 23.37%和18.56%; CR₆₇₀值分别为CK的16.76%, 13.58%和9.25%; CR₅₅₀值分别为CK的47.01%, 38.01%和29.85%。 PM处理CR₅₀₀, CR₆₇₀和CR₅₅₀值分别为CK处理的27.49%, 17.34%和45.15%。在可见光波段和近红外波段, CK的光谱反射率显著高于NM, NPM, NP, 其次为PM处理, NPM和NM处理光谱反射率特征值最低且差异较小, NP略高于NPM和NM处理。短波红外区, 各施肥处理反射吸收特征开始减弱, 反射峰较抽穗期较低, 其中NM光谱反射率低于NPM, NP和PM处理。

冬小麦成熟期, 不同施肥组合处理之间的光谱反射吸收特征差异不明显, 但均显著低于CK。

利用连续统去除方法提取红谷特征参数值(表3)表明, 各生育期各施肥处理的红谷位置比较稳定。各生育期CK的红谷吸收深度值BD均最小, 分别为0.578, 0.466, 0.732和0.815; NM处理的红谷吸收深度最大, 分别为0.947, 0.934, 0.969, 0.906; 其次为NPM; PM处理的红谷吸收深度均小于NM, NPM和NP, 但大于CK。冬小麦红谷面积(A)、红谷左面积(AL)和对称度(S)均表现为CK最大, PM处理次之, NM处理最小。

表3 连续统去除后红谷光谱特征参数 Table 3 Red band absorption valley characteristic parameters of continuum removal

3 讨论

关于开展土壤养分含量— 植被生物理化参量— 冬小麦冠层光谱特征之间的定量关系已有不少报道。赵君伟等^[8]对冬小麦不同生育期耕层土壤养分及其冠层反射光谱进行测定, 结果表明在拔节期、灌浆期和成熟期, 水浇地土壤耕层硝态氮和速效磷含量与植被指数的相关模拟效果达到显著水平。高林^[9]等通过不同植被指数探究不同土壤类型对冬小麦叶面积指数的影响, 通过回归模型分析了各土壤类型下各项植被指数与叶面积指数的相关性。受土壤背景条件的干扰, 不同学者研究往往存在较大差异。长期定位试验可以消除环境背景条件的干扰, 能够真实地反映特定气候条件下施肥处理对冬小麦特征光谱的影响。长期定位试验在监测土壤肥力变化, 评价施肥效应, 长期评估增产效应, 探究生态环境质量演变规律等方面具有重要意义。

基于高光谱技术能快速无损地监测作物生长状况以及获取养分丰缺信息。王慧芳等利用冠层光谱反射率对冬小麦冻害胁迫进行反演, 建立了基于冠层尺度上的冬小麦冻害严重度反演估测模型。王乐辉等^[10]对叶片含磷量与光谱反射率做相关分析, 得出抽穗期是小麦营养光谱诊断的最佳时期。崔贝等^[11]对比了施肥前后冬小麦冠层光谱变化量以及归一化植被指数的差异, 发现不同施肥处理之间冬小麦长势和光谱特征存在差异。单一施肥条件下小麦光谱特征的研究较多, 缺乏两种及以上组合施肥条件下小麦光谱特征的深入研究。本研究发现, 所有施氮组合NMP, NP和NM均表现出相似的规律, 可见光波段的红、蓝光吸收谷吸收深度BD值以及近红外波段的光谱反射率均显著高于CK, 而PM组合光谱反射特征值略低于CK。赵刚峰^[12]研究认为, 氮在植物生长发育过程中是植物细胞原生质、蛋白质、叶绿素的重要组成部分, 叶片光合作用随施氮量增加而加强, 对可见光吸收强, 是造成可见光波段施氮组合光谱反射率低于CK的主要原因。其次, 组合施肥处理的光谱反射率在可见光波段均低于单一施肥和CK, 近红外波段的光谱反射率都较单一施肥高。表明组合施肥产生协同效应, 具有明显的耦合效应, 能提高小麦的光能和养分利用率。

4 结论

基于长期定位试验, 研究了黄土高原渭北旱塬不同施肥处理对冬小麦冠层光谱特征的影响, 取得以下成果。

(1)冬小麦从拔节期到抽穗期, 不同施肥处理下蓝红光吸收谷和绿光反射峰特征差异比拔节期明显增强; 至灌浆期, 反射特征峰谷明显减弱; 至成熟期, 不同施肥处理条件下冬小麦光谱的“ 峰谷” 变化特征差异不再明显。

(2)单一施肥条件下, 可见光区单施P的蓝、红光吸收谷(CR₅₀₀, CR₆₇₀)和绿光反射峰(CR₅₅₀)均高于CK, 单施N和M的光谱反射率显著低于CK。近红外区, 单施P光谱反射率略低于CK, 但单施N和M显著高于CK。短波红外区不同施肥处理的反射特征规律与可见光相似。

(3)组合施肥条件下所有施氮组合NMP, NP和NM均表现出相似的规律, 在可见光波段红、蓝光吸收谷吸收深度和绿光反射峰的反射率峰值以及近红外波段的光谱反射率均显著低于CK; PM组合光谱反射特征值略低于CK。

参考文献

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[6]	YAO Fu-qi, CAI Huan-jie, SUN Jin-wei, et al(姚付启, 蔡焕杰, 孙金伟, 等). Journal of Yangtze River Scientific Research Institute(长江学院院报), 2015, 32(3): 95. [本文引用:1]
[7]	LI Zhen-zhen, ZHENG Xiang, NIU De-kui, et al(李真真, 郑翔, 牛德奎, 等). Pratacultural Science(草业科学), 2016, 33(8): 1492. [本文引用:1]
[8]	ZHAO Jun-wei, FENG Mei-chen, YANG WU-de(赵君伟, 冯美臣, 杨武德). Journal of Shanxi Agricultural Sciences(山西农业科学), 2015, 43(1): 35. [本文引用:1]
[9]	GAO Lin, WANG Xiao-fei, GU Xing-fa, et al(高林, 王晓菲, 顾行发). Chinese Journal of Plant Ecology(植物生态学报), 2017, 41(12): 1273. [本文引用:1]
[10]	WANG Le-hui, JI Yu, SHU Fang, et al(王乐辉, 吉宇, 舒芳, 等). Guangdong Meteorology(广东气象), 2016, 38(1): 61. [本文引用:1]
[11]	CUI Bei, HUANG Wen-jiang, YANG Wu-de, et al(崔贝, 黄文江, 杨武德, 等). Plant Nutrition and Fertilizer Science(植物营养与肥料学报), 2013, 19(1): 11. [本文引用:1]
[12]	ZHAO Gang-feng, LI Jun, LIU Bing-feng(赵刚峰, 李军, 刘冰峰). Journal of Triticeae Crops(麦类作物学报), 2012, 32(3): 530. [本文引用:1]

2015

0.0

... 冬小麦作为黄土高原的主要农作物, 对其进行长势监测, 科学施肥管理, 有助于提高小麦产量, 改善小麦品质, 以及防止过量施肥引起水土污染^[1] ...

2013

0.0

... 利用高光谱进行冬小麦养分含量、叶面积指数、叶绿素含量等各种植被生物物理化学参数的研究已有不少报道^[2] ...

2014

0.0

... 贺佳^[3]等对黄土高原旱地冬小麦不同生育时期进行研究, 构建了叶面积指数统一监测模型 ...

2018

0.0

... 王凡^[4]等利用冬小麦冠层高光谱和田间同步实测生物量含量, 建立了基于提取的生物量敏感波段的冬小麦监测模型 ...

2012

0.0

... Femandez^[5]等利用红光(670 nm)和绿光(550 nm)两波段的线性组合预估小麦的氮含量, 具有显著的相关性 ...

2015

0.0

... 姚付启^[6]等通过对不同水氮胁迫下冬小麦高光谱特征差异进行研究, 得出在不同水分条件下冬小麦在可见光波段反射率随氮素含量减少而升高 ...

2016

0.0

Zhen-zhen

, ZHENG

Xiang

, NIU

De-kui

, et al(李真真, 郑翔, 牛德奎, 等). Pratacultural Science(草业科学), 2016, 33(8): 1492.

Miscanthus floridulus , Arundinella hirta , Fimbristylis wukungshanensis , Carex chinensis , Sinarundinaria nitida was the dominant species, respectively, of five different main communities in Jinding scenic of Wugong Mountain in Jiangxi Provience. The hyperspectral data of these five different main communities were measured using field portable spectroradiometers (SVC HR 768, USA). The effective characteristic parameters of spectral absorption achieved by three data processing methods including resampling method, first-order differential method and continuum removal method to obtain the spectral characteristics distinguishing these 5 kinds of grassland communities. The analyzed results showed that there was significant difference between the variance analysis of each wave band of these 5 kinds communities and C. chinensis>A. hirta>M. floridulus >S. nitida> F. wukungshanensis based on reflectivity value. There was most significant difference between peak/Valley depth of the 3 wave bands(500-600 nm, 600-700 nm and 1 200-1 300 nm) which achieved by resampling method. The five communities can be well classified using the characteristic parameters related to red edge, yellow edge and blue edge. The maximum difference between aspect rations of absorption valley obtained from continuum removal method can reach as high as 92 which was the most effective parameter to distinguish the 5 communities. The corresponding wavelength position of the peak/trough was the common parameters of five main mountain meadow community.

1.College of Forestry, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 2.Jiangxi Provincial key Laboratory of Forest cultivation, Nanchang 330045, China; 3.College of Land Resources and the Environment, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 4.Vocational College of Teachers, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China

本研究以江西省武功山金顶风景区的五节芒( Miscanthus floridulus )、野古草( Arundinella hirta )、飘拂草( Fimbristylis wukungshanensis )、中华苔草( Carex chinensis )、箭竹( Sinarundinaria nitida )为优势物种的5种主要群落为研究对象,以美国 SVC HR-768 野外便携式地物波谱仪测定的高光谱数据为基础,利用重采样、一阶微分和去包络线3种数据处理方法分别提取有效的光谱吸收特征参数,以此获得区分5种草地群落的光谱特征。结果表明,1)5种群落光谱反射率组间差异显著( P <0.05),光谱反射率表现为中华苔草>野古草>五节芒>箭竹>飘拂草;2)重采样处理得到的特征参数中500-600、600-700和1 200-1 300 nm 3个波段的波峰/谷深度差别都最明显,一阶微分处理提取的红边、黄边和蓝边有关的特征参数也能够很好的将5种群落进行分类,而利用连续统去除法提取的特征参数中,吸收谷的宽深比差值最大可达到92,是区分5种群落最有效的特征参数;3)波峰/波谷对应的波长位置是山地草甸5种主要群落的共性参数。

... AL是红谷左半端的面积, A为红谷面积是宽度和深度的综合参数^[7] ...

2015

0.0

... 赵君伟等^[8]对冬小麦不同生育期耕层土壤养分及其冠层反射光谱进行测定, 结果表明在拔节期、灌浆期和成熟期, 水浇地土壤耕层硝态氮和速效磷含量与植被指数的相关模拟效果达到显著水平 ...

2017

0.0

... 高林^[9]等通过不同植被指数探究不同土壤类型对冬小麦叶面积指数的影响, 通过回归模型分析了各土壤类型下各项植被指数与叶面积指数的相关性 ...

2016

0.0

... 王乐辉等^[10]对叶片含磷量与光谱反射率做相关分析, 得出抽穗期是小麦营养光谱诊断的最佳时期 ...

2013

0.0

CUI

Bei

, HUANG

Wen-jiang

, YANG

Wu-de

, et al(崔贝, 黄文江, 杨武德, 等). Plant Nutrition and Fertilizer Science(植物营养与肥料学报), 2013, 19(1): 11.

Shading post flowering caused by cloudy weather and the surrounding protective trees often occurs in the HuangHuaiHai Plain of China. In the present study, two winter wheat cultivars with different spike types, a largespike cultivar of Shannong8355 and a multiplespike cultivar of Jimai22, were used to evaluate the effects of shading at different grainfilling stages on nitrogen accumulation and translocation by using 15N tracer technique. There were four shading treatments, shading from day 1 to day 10 after the anthesis (T1), shading from day 11 to day 20 after the anthesis (T2), shading from day 21 to day 30 after the anthesis (T3) and no shading (T0). The results indicate that the shading at different grainfilling stages decreases the uptake and translocation of N of the two cultivars which are in the order: T0>T3>T2>T1 The amounts of nitrogen derived from soil range from 68.0% - 71.39% and the percentages of nitrogen derived from the basal fertilizer in the vegetative organs are lower than those derived from the topdressing fertilizer. The shading at different grainfilling stages increases the absorption amount and proportion of soil N in the vegetative organs, and inhibits translocation of those to the grain. The grain yield, N uptake from fertilizer, fertilizer N use efficiency and partial factor productivity from fertilizer N at different grainfilling stages are also in order: T0>T3>T2>T1 In conclusion, the shading at different filling stages decreases the uptake and translocation of N and grain yield, and the uptake and translocation are highest under the shading at the early filling stage and the lowest at the later filling stage. Under the same shading condition, the grain yield and N use efficiency of Jimai22 are higher than those of Shannong 8355.

1 Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an, Shandong 271018, China; 2 Life Scienceand Technology College, Hebei Normal University of Science & Technology, Qinhuangdao, Hebei 066600, China;3 Tai’an Academy of Agricultural Sciences, Tai’an, Shandong 27100, China; 4 Institute of Plant Protection, HeilongjiangAcademy of Land Reclamation Sciences, Harbin, Heilongjiang 150038

在大田试验条件下，采用 15 N示踪法，设置不遮光（T0）、开花后110 d遮光（T1）、开花后1120 d遮光（T2）和开花后2130 d遮光（T3）4个处理，每个处理设置15N尿素作底肥+普通尿素作追肥和普通尿素作底肥+ 15 N尿素作追肥两个15N示踪的微区，研究灌浆期弱光条件下不同穗型小麦品种对不同来源氮素的吸收、分配、转运和氮素利用效率的影响。结果表明，灌浆期不同阶段遮光均不利于植株对氮素的吸收、积累和转运，品种间表现一致，呈T0>T3>T2>T1规律; 小麦植株吸收的氮素68.0 %~71.39 %来自土壤氮，对追施氮的吸收量大于底施氮，灌浆期遮光增加了土壤氮素在营养器官的分配比例，不利于营养器官中土壤氮素向籽粒中的转运; 各处理籽粒产量、肥料氮吸收量、氮肥利用率和肥料偏生产力均表现为T0>T3>T2>T1。相同处理条件下，济麦22籽粒产量和对肥料的利用大于山农8355。小麦灌浆期阶段性遮光降低了植株对氮素的吸收、转运和籽粒产量，以灌浆前期遮光影响最大，中期次之，后期最小; 相同遮光条件下济麦22的籽粒产量和氮素利用率较高。

... 崔贝等^[11]对比了施肥前后冬小麦冠层光谱变化量以及归一化植被指数的差异, 发现不同施肥处理之间冬小麦长势和光谱特征存在差异 ...

2012

0.0

ZHAO

Gang-feng

, LI

Jun

, LIU

Bing-feng

(赵刚峰, 李军, 刘冰峰). Journal of Triticeae Crops(麦类作物学报), 2012, 32(3): 530.

Hyperspectral remote sensing is a new approach for quick, nondestructive and reliable monitoring of crop nitrogen nutrition. A field winter wheat nitrogen nutrition monitoring experiment for hyperspectral remote sensing with different nitrogen application treatments was conducted in Guanzhong district, Shaanxi to explore the best growth period, sensitive waveband and other spectral parameters of hyperspectral remote sensing to diagnosis leaf nitrogen content of winter wheat. The results showed that grain filling stage was the most appropriate stage for diagnosis wheat leaf nitrogen content by hyperspectral remote sensing and the waveband of R680 could be used to leaf nitrogen content at jointing, heading and grain filling stage of wheat growth. The index based on position of the spectrum and leaf area can also predict leaf nitrogen content of winter wheat precisely. The best wheat leaf nitrogen content regression equation based on spectral reflectance of 680 nm waveband at jointing stage was Y=27.54-280.247X+1456.245X, R 2=0.832; and the best wheat leaf nitrogen content regression equation based on spectral reflectance of green peak at heading stage was Y=8.632X-0.24, R =0.882; the best wheat leaf nitrogen content regression equation based on vegetation index of ( SDr-SDb)/(SDr+SDb ) at grain filling stage was Y=25.83X1.012，R =0.860.

为给黄土高原大范围的冬小麦氮素营养遥感监测提供理论依据，通过田间试验，研究了冬小麦叶片氮素含量遥感监测的最佳生育时期、最敏感波段及其他最优光谱参量。结果表明，灌浆期是利用高光谱遥感监测冬小麦叶片氮素营养状况的最佳生育时期；在拔节、抽穗和灌浆期680 nm波段光谱反射率 R680 均能较好地反映冬小麦叶片氮素含量，基于光谱位置以及叶面积指数的光谱参量也能较好地反映冬小麦叶片氮素含量。拔节期、抽穗期和灌浆期分别以680 nm波段光谱反射率 R680 、绿峰反射率 Rg和植被指数(SDr-SDb)/(SDr+SDb )对小麦叶片氮素含量的拟合效果最佳，其回归方程分别为 Y=27.54-280.247X+1456.245X、Y=8.632X-0.24和Y=25.83X1.012。

... 赵刚峰^[12]研究认为, 氮在植物生长发育过程中是植物细胞原生质、蛋白质、叶绿素的重要组成部分, 叶片光合作用随施氮量增加而加强, 对可见光吸收强, 是造成可见光波段施氮组合光谱反射率低于CK的主要原因 ...