冬小麥生長期冠層光譜變化相關環境因子分析

摘要：研究以許昌市東郊小麥田為試驗區，實測小麥冠層光譜數據，并采集相應樣地的土壤樣本，測定樣本中氮、磷、鉀的含量以及pH，對比分析它們之間的相關關系。結果表明，樣地冬小麥生長正常，開花期、灌漿期光譜反射率變化較大；土壤pH較為穩定，有利于冬小麥生長發育；銨態氮含量與冬小麥冠層光譜在起身期到拔節期變化方向相反，在拔節期到抽穗期變化方向相同，在抽穗期到灌漿期相關關系比較復雜；當有效磷含量較為穩定時，對小麥冠層光譜無明顯影響，當其含量較低時，與小麥冠層光譜變化方向相反；速效鉀含量不穩定，與小麥冠層光譜相關性比較復雜。

關鍵詞：冬小麥；冠層；光譜；環境因子；相關分析

中圖分類號：S512.1+1；O657.3；S153.6 文獻標識碼： A 文章編號：0439-8114（2013）23-5714-04

小麥的光譜特征研究一直是植物光譜研究的重點，目前國內外對小麥光譜的研究主要集中在不同施肥水平下小麥冠層光譜特征的分析、不同水分狀況與小麥冠層光譜特征的關系、葉片營養診斷、葉面積指數等與光譜特性的相關性、病蟲害或倒伏及葉片灰塵對光譜特征的影響等方面，所有這些研究都是以植被光譜特征為基礎進行的[1-10]。但植被在生長發育的不同階段，光譜特征也不斷變化。影響植物光譜的因素有植物本身的結構特征，也有外界的影響，如空氣、土壤等環境因子的影響[11-13]。因此對植被光譜特征及相關因子的研究非常必要。本研究主要分析小麥冠層光譜變化特征與土壤中氮、磷、鉀含量等相關環境因子的關系，為實現大面積小麥長勢實時監測提供參考。

1 研究區概況

試驗區位于河南省許昌市東郊。許昌市（E113°03′-114°190′、N33°16′-34°24′）位于河南省中部，為中原腹地，平均海拔72.8 m，屬暖溫帶季風氣候區，氣候溫和，光照充足，雨量充沛，無霜期長，四季分明。春季干旱多風沙，夏季炎熱雨集中，秋季晴和氣爽日照長，冬季寒冷少雨雪。年平均氣溫14.7 ℃，年日照時間2 280 h，年降水量579 mm，年無霜期217 d。境內75%的面積為平原，25%的面積為山崗。現有農作物種植面積33.2萬hm2，其中小麥種植面積21.7萬hm2，試驗區比較肥沃，非常適宜農業耕種[6]。

2 研究數據與方法

2.1 數據來源

研究數據主要包括野外實測小麥光譜數據和試驗區土壤數據。小麥光譜數據利用美國ASD野外光譜輻射儀（波長范圍為325～1 075 nm，光譜分辨率為1 nm）選擇晴朗、無云、無風天氣進行測定，每個采樣點每次記錄5～6個采樣光譜，刪除不合格數據后取平均值，即為每個采樣點最后的光譜輻射值。采樣在小麥起身期、返青期、拔節期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期7個階段進行，測定的時間段為10：00～14：00，即在光照條件良好，太陽幾乎直射的時段內進行測定（太陽高度角大于45°）。光譜數據的處理是基于ViewSpecPro軟件平臺，采用98%的白板反射率計算小麥光譜反射率。

土壤樣本采用五點采樣法采集，采樣時將表層腐殖質刮去，大田采樣深度為10～20 cm。每個采樣點的取土深度及取土量應均勻一致。鏟去表層腐殖質，然后用取土鏟取樣，先鏟出一個耕層斷面，再平行于斷面取土。土壤樣本經過風干、碾碎、過篩，然后測定pH和氮、磷、鉀的含量，此次試驗主要測定了土壤樣本中銨態氮、有效磷、速效鉀的含量。

2.2 研究方法

2.2.1 光譜分析方法 對經過預處理后的光譜特征數據進行光譜分析，總結出冬小麥光譜曲線隨生長期不同所發生的變化，并比較同一生長期同一因素的不同情況下冬小麥光譜曲線，找出單一因素對冬小麥光譜曲線影響的相應波段。定期定點采集生長期冬小麥冠層光譜數據并繪制出光譜曲線圖及曲線對照圖，通過多次采集得出冬小麥在生長期各個階段冠層光譜曲線。對冬小麥生長期冠層光譜曲線進行綜合和對照，得出小麥生長期總體光譜特征，并分析小麥冠層光譜特征變化與土壤pH、氮、磷、鉀含量的相關關系。

2.2.2 測定方法 利用土壤實驗室中雷茲酸度計測定土壤樣本pH，利用豫農2000微電腦土肥速測儀測定28個土壤樣本中銨態氮、有效磷、速效鉀含量，這些數據反映不同生長階段土壤pH和銨態氮、有效磷、速效鉀含量。

3 結果與分析

3.1 環境因子的測定結果及光譜曲線圖的繪制

氮、磷、鉀是土壤肥力三要素。氮是植物生長的必需養分，氮素營養狀況直接影響植物葉綠素的組成和含量，進而導致葉片光譜特性發生變化[1-8]。磷對植物營養有重要的作用，磷在植物體內參與光合作用、呼吸作用，有助于增強一些植物的抗病性和抗旱能力，且磷有促熟作用，對適時收獲和作物品質是重要的[9]。鉀是植物的主要營養元素，能夠促進光合作用，缺鉀使光合作用減弱，鉀能明顯提高植物對氮的吸收和利用，并很快轉化為蛋白質。

試驗主要選擇土壤作為環境因子，主要分析土壤pH、銨態氮、有效磷、速效鉀的含量（表1）與冬小麥生長期光譜特征的相關性。繪制的光譜曲線圖見圖1。

3.2 光譜變化與各環境因子的相關分析

3.2.1 光譜變化與pH的相關性 土壤pH對土壤肥力的發展有巨大影響，不適宜的土壤pH或土壤pH變化頻繁會導致土壤微生物的活性降低，土壤肥力的發展受到嚴重阻礙[10]。經過對土壤樣本進行測定可知生長期內4塊樣地的pH較為穩定，為6.5～7.5，屬于中性，這符合河南省土壤pH弱酸性的大致趨勢，且整個生長期內，土壤pH比較穩定，有利于土壤中有機質的形成，能夠促進冬小麥的生長發育。在這種情況下土壤pH對4塊樣地整個生長階段有機質形成的影響是一致的，對光譜特征的影響也較穩定，無明顯變化。

3.2.2 光譜變化與氮元素的相關性 銨態氮是土壤氮元素的組成部分，是測定土壤氮元素含量的常規指標，對植物光譜特征與土壤氮元素之間的相關關系有一定的代表性。由表1和圖1可知，4塊樣地的土壤銨態氮含量變化較大，最大值出現在2號樣地起身期，含量高達43.13 mg/kg，最小值出現在3號樣地開花期，含量只有14.36 mg/kg。4塊樣地銨態氮含量的平均值為23.02 mg/kg。

綜合分析可知，1號樣地從起身期到返青期的光譜反射率隨銨態氮含量的升高而升高，二者變化的方向相同；從拔節期到灌漿期，土壤銨態氮含量比較接近，處于一個穩定狀態，小麥冠層光譜反射率也比較穩定。2號樣地從起身期到返青期，土壤銨態氮含量呈下降狀態，而小麥光譜反射率則是上升變化的，二者變化的方向相反；從拔節期到抽穗期土壤銨態氮含量比較穩定，小麥光譜反射率也比較穩定；從抽穗期到灌漿期二者之間又呈現出負相關關系。3號樣地從起身期到拔節期，二者變化的方向相反，從拔節期到抽穗期銨態氮含量比較穩定，小麥光譜反射率也比較穩定；從抽穗期到開花期銨態氮含量有明顯的下降，但光譜反射率無明顯變化；從開花期到灌漿期二者變化的方向相同。4號樣地從起身期到拔節期二者變化的方向相反，從拔節期到抽穗期銨態氮含量比較穩定，小麥光譜反射率也比較穩定；從抽穗期到灌漿期二者變化方向相反。

由此可知，在小麥的生長階段中，從起身期到拔節期這一階段除1號樣地外其余樣地土壤銨態氮含量與小麥光譜反射率變化的方向相反，即這一階段以負相關為主。從拔節期到抽穗期銨態氮的含量比較穩定，小麥光譜反射率也比較穩定。從抽穗期到灌漿期各樣地的銨態氮含量變化較大，光譜反射率變化也較大，二者之間相關關系呈現不確定性。

3.2.3 光譜變化與磷元素的相關性 土壤有效磷是土壤中可被植物吸收的磷組分，是土壤磷素養分供應水平高低的指標，其含量高低在一定程度上反映了土壤中磷素的儲量和供應能力。從表1和圖1可以看出，4塊樣地中土壤有效磷的含量大致在同一水平上，且在生長期內含量比較穩定，無太大變化。最大值為56.70 mg/kg，出現在1號樣地拔節期，最小值是50.55 mg/kg，出現在2號樣地抽穗期，4塊樣地平均值是54.90 mg/kg。綜合分析可知，在4塊樣地的7個生長階段中，2號樣地從孕穗期到開花期土壤有效磷的含量與小麥光譜反射率呈負相關，4號樣地從抽穗期到灌漿期二者也為負相關。其他階段則未表現出明顯相關關系。由此可知，冬小麥生長期內土壤有效磷的含量一直比較穩定，對小麥光譜反射率的變化無明顯影響。

3.2.4 光譜變化與鉀元素的相關性 土壤速效鉀含量的豐缺程度及其分布狀況除與土壤本身含鉀礦物類型及數量有關外，與土壤所處的地理位置、土壤母質、土壤發育程度、土壤質地及利用方式、培肥程度等因素有密切關系。由表1和圖1可知，4塊樣地的速效鉀含量平均水平是132.0 mg/kg，屬于中上水平，但分布不是很均勻，最大值可以達到201.7 mg/kg，而最小值只有86.1 mg/kg。含量的不均勻可能會對小麥的生長產生一定的影響。

綜合分析可知，1號樣地起身期到孕穗期光譜反射率與土壤中速效鉀含量變化的方向相反，從孕穗期到灌漿期土壤速效鉀含量和光譜反射率都比較穩定，二者變化的方向相反。2號樣地從起身期到返青期小麥冠層光譜反射率與土壤中速效鉀含量變化的方向相同，從返青期到灌漿期變化的方向相反。3號樣地二者的相關關系比較復雜，從起身期到返青期二者變化的方向相同，從返青期到拔節期二者變化的方向相反，從拔節期到孕穗期二者變化的方向相同，從孕穗期到灌漿期二者變化的方向相反。4號樣地速效鉀含量比較穩定，從起身期到拔節期二者變化的方向相反，從拔節期到抽穗期二者變化的方向相同，從抽穗期到開花期是二者變化的方向相反，從開花期到灌漿期二者變化的方向相同。

4 小結與討論

以許昌市實測冬小麥光譜數據和相應土壤樣本數據為依據，研究冬小麥生長期冠層光譜特征與土壤氮、磷、鉀含量以及土壤pH的相關關系，研究結果表明：

1）在整個生長期內，4塊樣地的土壤pH一直比較穩定，有利于土壤有機質的形成和促進冬小麥生長發育，但與冬小麥生長期冠層光譜特征無明顯相關關系。

2）在生長期內土壤中銨態氮的含量與冬小麥冠層光譜特征在起身期到拔節期以負相關為主，拔節期到抽穗期二者的相關關系比較穩定，抽穗期到灌漿期二者的相關關系比較復雜。

3）土壤中有效磷的含量較為穩定，對冬小麥生長期冠層光譜特征無明顯影響。

4）研究區土壤中速效鉀的含量變化較大，與冬小麥生長期冠層光譜特征的相關性比較復雜，主要表現為3號樣地光譜反射率變化比較異常。

參考文獻：

[1] 江立庚，曹衛星，甘秀芹，等.不同施氮水平對南方早稻氮素吸收利用及其產量和品質的影響[J].中國農業科學，2004，37（4）：490-496.

[2] 王月福，姜 東，于振文，等.氮素水平對小麥籽粒產量和蛋白質含量的影響及其生理基礎[J].中國農業科學，2003，36（5）：513-520.

[3] 楊紅麗，陳 功，吳建付.施氮水平對多花黑麥草植株氮含量以及光譜反射特征的影響[J].草業學報，2011，20（3）：239-244.

[4] 王克茹，潘文超，李少坤，等.不同施氮量棉花冠層高光譜特征研究[J].光譜學與光譜分析，2011，31（7）：1868-1872.

[5] 馮 偉，王永華，謝迎新，等.作物氮素診斷技術的研究綜述[J].中國農學通報，2008，24（11）：179-185.

[6] 劉宏斌，張云貴，李志宏，等.光譜技術在冬小麥氮素營養診斷中的應用研究[J].中國農業科學，2004，37（11）：1743-1748.

[7] 任紅艷，潘劍君，張佳寶.不同施氮水平下的小麥冠層光譜特征及產量分析[J].土壤通報，2005，36（1）：26-29.

[8] 景娟娟，王紀華，王錦地，等.不同氮素營養條件下的冬小麥生理及光譜特性[J].遙感信息，2003（2）：28-31.

[9] 任紅艷，潘劍君，張佳寶.不同磷肥水平的小麥冠層多光譜特征研究[J].土壤，2005，37（4）：405-409.

[10] 鄧玉龍，張乃明.設施土壤pH值與有機質演變特征研究[J].生態環境，2006，15（2）：367-370.

[11] 張春梅，張建明.基于高光譜影像的干旱區草地光譜特征分析[J].光譜學與光譜分析，2012，32（2）：445-448.

[12] 薛利紅，曹衛星，羅衛紅，等.小麥葉片氮素狀況與光譜特性的相關性研究[J].植物生態學報，2004，28（2）：172-177.

[13] 孫 紅，李民贊，趙 勇，等.冬小麥生長期光譜變化特征與葉綠素含量監測研究[J].光譜學與光譜分析，2010，30（1）：192-196.