高光譜對冬小麥倒伏的響應

曹利萍，王君杰，雷夢林，張 晉

高光譜對冬小麥倒伏的響應

曹利萍，王君杰，雷夢林，張 晉

（山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)作物品種資源研究所，農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，雜糧種質(zhì)資源發(fā)掘與遺傳改良山西省重點實驗室，山西太原030031）

為了解冬小麥倒伏與冠層光譜的響應關(guān)系，以2013年6月的倒伏冬小麥為研究對象，通過測定倒伏角度及其冠層光譜，研究倒伏程度與冬小麥冠層原始光譜的關(guān)系，并進一步分析倒伏冬小麥與紅邊特征參數(shù)的響應規(guī)律。結(jié)果表明，在可見光范圍內(nèi)（400～760 nm），倒伏冬小麥的反射率比正常冬小麥的反射率高，冬小麥的倒伏程度與光譜反射率呈正相關(guān)；倒伏冬小麥在倒伏角度為20°～60°范圍內(nèi)，光譜反射率的增長速率大致相同。分析紅邊參數(shù)可知，倒伏冬小麥的紅邊位置隨著倒伏程度的增加會發(fā)生紅移現(xiàn)象，且紅邊幅值、紅邊面積隨著倒伏程度的增大而增大。研究表明，冬小麥冠層高光譜能夠敏感響應冬小麥倒伏程度，可為采用光譜遙感技術(shù)實時、快速、無損監(jiān)測冬小麥倒伏奠定一定的理論基礎(chǔ)。

冬小麥；倒伏；冠層光譜

近年來，極端天氣的頻繁發(fā)生嚴重影響到糧食生產(chǎn)，倒伏是影響冬小麥產(chǎn)量的重要自然災害之一。倒伏發(fā)生后，冬小麥光合作用降低，部分葉片和莖稈腐爛，影響光合產(chǎn)物的形成和運輸，最終導致冬小麥產(chǎn)量大幅度降低。另外，冬小麥倒伏后，會嚴重影響到機械化收割，且對人力的需求量增大，造成很大的人力和物力浪費。

對于作物倒伏，許多專家學者對其進行了一系列研究。測定倒伏的傳統(tǒng)方法[1]雖然能綜合判斷植株的抗倒伏性，但是拉力方向和角度的不同、拉力與角度也不能實時匹配，都會造成測量結(jié)果的不準確。另外，測定過程需要大量人力和物力，且對植株進行破壞，難以滿足未來農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展需求。

光譜遙感技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于作物長勢監(jiān)測，如葉面積指數(shù)（LAI）、作物含水量、葉綠素含量等方面[2]。王紀華等[3]運用高光譜遙感技術(shù)完成對冬小麥氮含量的監(jiān)測。THENKABAIL等[4]研究表明，可運用植被指數(shù)反演植物的農(nóng)學參數(shù)。高光譜遙感技術(shù)已廣泛的應用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[5-7]。目前，國內(nèi)外許多學者已經(jīng)采用高光譜遙感技術(shù)對小麥倒伏進行研究[8-12]，并取得了重要的監(jiān)測效果。但是，在對作物的大面積遙感監(jiān)測研究方面，利用遙感技術(shù)對冬小麥監(jiān)測研究的估測精度不是很高[10，13]。冠層高光譜與冬小麥倒伏的響應機理不明確是限制光譜遙感技術(shù)大面積監(jiān)測冬小麥倒伏的重要原因之一。

本研究利用地面光譜技術(shù)，通過測定自然條件下正常冬小麥和倒伏冬小麥的冠層光譜，結(jié)合光譜特征分析技術(shù)，揭示冬小麥倒伏與冠層光譜的響應機理。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種為晉農(nóng)190。

1.2 試驗設(shè)計

2013年6月3日，正值冬小麥灌漿后期，晉農(nóng)190試驗麥區(qū)發(fā)生大面積倒伏，并于6月4日對不同倒伏冬小麥進行了調(diào)查，測定了不同倒伏水平下的冬小麥冠層光譜和倒伏角度。倒伏角度為植株傾斜角度，倒伏程度根據(jù)植株傾斜角度而定，根據(jù)田間實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，冬小麥倒伏角度大于60°的群體較少，而處于10°～50°的冬小麥居多，為了更好地明確冠層光譜與倒伏冬小麥的響應規(guī)律，特設(shè)置以下倒伏梯度：正常（倒伏角度＝0°），I級倒伏（倒伏角度≤20°），Ⅱ級倒伏（20°＜倒伏角度≤40°），Ⅲ級倒伏（40°＜倒伏角度≤60°之間）和Ⅳ級倒伏（倒伏角度＞60°）。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 冠層光譜的測定 采用美國ASDFieldSpec 3.0型便攜式高光譜儀進行冠層光譜的測定，儀器視場角為25°，波段范圍為350～2 500 nm。小麥冠層反射光譜測量從灌漿期倒伏開始，獲取灌漿期和成熟期光譜，所有光譜的測量均在天氣晴朗、無風或者風速較小時進行，測量時間為10：00—14：00，每次測量時需用白色標準版校準1次，探頭垂直向下，探頭距冠層的垂直高度約1 m。每個小區(qū)測定3點，每點重復10次，取平均值作為該小區(qū)倒伏小麥的冠層光譜。

1.3.2 “紅邊”特征獲取 “紅邊”是植物內(nèi)部對可見光的強烈吸收和近紅外波段的多次散射形成的[14]，紅邊位置、紅邊面積與紅邊幅值是描述紅邊特征的重要參數(shù)[15]。

紅邊位置指在紅邊區(qū)域內(nèi)，光譜反射率一階微分的最大值所對應的光譜波段；紅邊面積指紅邊區(qū)域內(nèi)，光譜反射率一階微分值的總和[16]；紅邊幅值指小麥光譜波段在紅邊位置時的一階微分值[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

利用Viewspec軟件，對光譜數(shù)據(jù)進行平均化、平滑和數(shù)據(jù)導出預處理，并利用Unscrambler 10.0軟件進行光譜的一階微分處理，提取“紅邊”特征參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 正常冬小麥和倒伏冬小麥的光譜差異

由圖1可知，倒伏冬小麥的反射率比正常冬小麥的反射率高。正常冬小麥已接近成熟，葉片發(fā)黃，不具備綠色植被的光譜特征，而倒伏冬小麥由于發(fā)育進程受阻，葉片發(fā)綠，因此，倒伏冬小麥具有典型的綠色植被的光譜特征。

2.2 不同冬小麥倒伏水平下的原始光譜分析

從圖2可以看出，隨著冬小麥倒伏程度的增加，冬小麥的綠光區(qū)域和近紅外區(qū)域的光譜反射率也增大，說明光譜的反射率與冬小麥的倒伏程度呈正相關(guān)。在可見光范圍內(nèi)，隨著波段的增加，正常冬小麥反射率是均勻增加的，而在紅邊區(qū)域內(nèi)（680～760 nm）光譜反射率隨著倒伏程度的增加呈突然陡增的規(guī)律，說明冬小麥的“紅邊”與倒伏有關(guān)。倒伏發(fā)生時，冬小麥尚未成熟，倒伏冬小麥冠層光譜具有綠色植物的光譜特征，且隨著其倒伏程度增加，冬小麥成熟度減小，其冠層光譜表現(xiàn)出綠色植物的光譜特征也更加明顯。

2.3 不同冬小麥倒伏水平下的一階微分光譜分析

從圖3可以看出，冬小麥的紅邊位置在紅邊區(qū)域內(nèi)（680～760 nm），倒伏冬小麥的紅邊面積和紅邊幅值比正常冬小麥大。隨著冬小麥倒伏程度的增加，紅邊幅值和紅邊面積差異明顯。說明光譜的紅邊特征與冬小麥的倒伏程度有關(guān)。

2.4 不同冬小麥倒伏水平下的“紅邊”特征分析

由表1可知，冬小麥在受到倒伏脅迫后，其紅邊位置會隨著冬小麥倒伏程度增加從691 nm處移動到699 nm處，冬小麥的紅邊幅值和紅邊面積會隨著冬小麥倒伏程度的增加而增加。表明冬小麥倒伏越嚴重，紅邊位置會發(fā)生明顯紅移，冬小麥倒伏紅邊幅值和紅邊面積與倒伏嚴重程度呈正相關(guān)。

表1 不同冬小麥倒伏水平下的“紅邊”特征

3 討論

作物冠層光譜是作物生理及長勢信息的綜合體現(xiàn)，利用冠層光譜技術(shù)來評估小麥的倒伏程度存在理論的可行性。本研究對倒伏冬小麥冠層光譜進行監(jiān)測，結(jié)果表明，倒伏冬小麥的反射率比正常冬小麥的反射率高。冬小麥倒伏引起可見光波段的反射率明顯增加。冠層光譜反射率與葉片的光學性質(zhì)有關(guān)，還與冬小麥的冠層形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)。劉良云等[12]研究了冬小麥的葉片和莖稈的組分光譜試驗，結(jié)果表明，直立冬小麥的冠層光譜受葉片影響最大，而倒伏冬小麥則主要受到莖稈的影響，冬小麥莖稈的反射率與葉片相比，近紅外波段的反射率比可見光波段高。因此，冬小麥冠層光譜反射率與倒伏角度呈正相關(guān)，表明倒伏程度與光譜有著敏感的響應關(guān)系，這與崔懷洋等[18-20]的研究一致。

冬小麥在發(fā)生倒伏脅迫后，分析其冠層光譜的紅邊特征參數(shù)可知，冬小麥的紅邊面積和紅邊幅值與冬小麥倒伏程度呈正相關(guān)，倒伏冬小麥的紅邊位置會發(fā)生紅移。正常冬小麥成熟時，倒伏冬小麥尚未成熟，還具有綠色植物的光譜特征。隨著冬小麥倒伏程度的增加，倒伏冬小麥的成熟度也會減小，紅邊位置紅移。姚付啟[21]研究了冬小麥冠層的光譜反射率與葉綠素含量間的關(guān)系，結(jié)果表明，葉綠素含量越高，冬小麥冠層光譜的紅邊幅值和紅邊面積增大，反之，紅邊幅值和紅邊面積減小。趙佳佳等[22]通過人工模擬倒伏對倒伏冬小麥的紅邊進行監(jiān)測分析，結(jié)果表明，隨著倒伏程度的增加，紅邊面積和紅邊幅值呈增大趨勢，這與本試驗研究結(jié)果相同。

4 結(jié)論

本研究表明，光譜的反射率與冬小麥的倒伏程度呈正相關(guān)，不同倒伏程度下冬小麥紅邊特征差異性顯著，紅邊位置隨著倒伏程度的加大而出現(xiàn)“紅移”，紅邊幅值和紅邊面積也呈現(xiàn)增加的趨勢。本研究證實，冬小麥倒伏與光譜存在顯著的響應關(guān)系，利用高光譜分析技術(shù)來監(jiān)測冬小麥倒伏及倒伏程度存在理論可行性。

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Response of Canopy Spectra on the Winter Wheat Lodging

CAOLiping，WANGJunjie，LEIMenglin，ZHANGJin
（Instituteof Crop Germplasm Resources，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of Crop Gene Resourcesand Germplasm Enhancement on Loess Plateau，Ministry of Agriculture，Shanxi Key Laboratory of Genetic Resources and Genetic Improvement of Minor Crops，Taiyuan 030031，China）

To study the relationship between the winter wheat lodging and its canopy spectra,the relationship between thedegreeof lodging and the primitive spectrum of winter wheat canopy was studied by measuring the lodging angle and its canopy spectrum on the winter wheat lodging in June 2013,and analyzed the response of winter wheat and red edge parameters.The results showed that the reflectance of winter wheat was higher than normal winter wheat in the range of visible light（400-760 nm）,and the degree of winter wheat lodging was positively correlated with spectral reflectance.In the range of 20°-60°,the rate of increase of spectral reflectance was approximately the same.According to the analysis of red edge parameters,the red edge of winter wheat lodging would shift with the increase of lodging degree,and the red edge amplitude and red edge area increased with the increase of lodging degree.The results showed that the canopy hyperspectral of winter wheat could respond to the degree of winter wheat lodging,which laid a theoretical foundation for real-time,fast and non-destructivemonitoringof winter wheat lodgingby spectral remote sensing.

winter wheat;lodging;canopy spectra

S512.1＋1

A

1002-2481（2017）12-1930-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.12.08

2017-10-28

雜糧種質(zhì)資源發(fā)掘與遺傳改良山西省重點實驗室（201705d111008-32）

曹利萍（1974-），女，山西汾陽人，助理研究員，主要從事會計和資源收集工作。王君杰為通信作者。