不同施氮處理下滴灌甜菜冠層的高光譜響應

李宗飛，陳 兵，蘇繼霞，費 聰，李陽陽，劉寧寧，唐利華，周紅亮，耿青云，樊 華

(1.石河子大學農(nóng)學院，新疆 石河子 832003；2.新疆農(nóng)墾科學院棉花研究所，新疆 石河子 832003；3.塔城地區(qū)農(nóng)業(yè)技術推廣中心，新疆 塔城 834700)

氮素是影響作物生長發(fā)育以及產(chǎn)量形成的重要營養(yǎng)物質(zhì)。施氮量不足，難以保證作物產(chǎn)量品質(zhì)，施氮量過多，可能造成農(nóng)田污染。因此，如何根據(jù)作物生長發(fā)育狀況及時判斷適宜施氮量，是實現(xiàn)作物精準施肥的必要環(huán)節(jié)。遙感作為一種無損監(jiān)測技術，通過建立冠層反射光譜與地上生物量、葉面積指數(shù)、葉綠素含量之間的關系，為實時快速獲取農(nóng)學參數(shù)及營養(yǎng)診斷提供支持[1-3]?！凹t邊”是由于紅光波段強烈吸收和近紅外波段強烈反射造成的，是描述植物色素狀態(tài)和健康狀況的重要指示波段[4-5]，與作物葉綠素含量、生物量以及氮素營養(yǎng)密切相關[6-7]。

有關高光譜遙感監(jiān)測作物長勢的研究表明，可以用植被指數(shù)RVI(810，510)、DVI(810,560)作為反演小麥LAI的光譜參數(shù)[8]。利用高光譜RVI可以定量反演棉花地上各組分的干物質(zhì)積累量[9]。由760、810、870、950等構(gòu)成的各類植被指數(shù)以及紅邊面積、紅邊幅值與玉米干物質(zhì)積累有較好相關性，并且可以利用紅邊位置來估測葉綠素含量[10]。植被指數(shù)NDVI(R573，R440)建立的估測方程可以監(jiān)測小麥氮素營養(yǎng)狀況[11],植被指數(shù)SR(R553，R537)可以較好地對水稻葉片氮素含量進行估測[12]。楊榮超等[13]篩選了NDVI、SDr /SDy、CCI 和SDb四種光譜指數(shù)分別用來估測甜菜不同生育時期SPAD值。盡管前人利用光譜變量估測作物農(nóng)學參數(shù)方面已經(jīng)開展了大量的研究，但在甜菜上涉及不多。甜菜是我國北方主要糖料作物，新疆是我國重要的糖料基地，近年新疆滴灌甜菜生產(chǎn)中出現(xiàn)了單產(chǎn)87 t·hm-2的全國高產(chǎn)紀錄[14]，但相關氮素光譜監(jiān)測特征尚不明確。為此，本文以滴灌甜菜為研究對象，明確不同施氮水平和氮素運籌模式下甜菜冠層的高光譜特征及其與甜菜農(nóng)學參數(shù)的關系，以期為滴灌甜菜長勢監(jiān)測和氮肥精準管理提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2016年4月至2016年11月在新疆石河子大學農(nóng)學院試驗站(44°31′N, 88°06′E))進行。試驗區(qū)域耕層土壤為灌溉灰漠土，有機質(zhì)含量13.27 g·kg-1，pH值7.3，全氮含量0.76 mg·kg-1，速效磷22.56 mg·kg-1，速效鉀157.97 mg·kg-1。試驗共設置4個施氮水平：N0(0 kg·hm-2)、N75(75 kg·hm-2)、N150(150 kg·hm-2)、N225(225 kg·hm-2)。施氮比例按照運籌模式(M1，10∶0)、運籌模式(M2，7∶3)兩種模式，即分別在甜菜葉叢快速生長期和塊根膨大期按M1、M2所示比例施入氮肥。試驗采用隨機區(qū)組設計，重復3次，供試甜菜品種為Beta356，播種日期為4月15日，試驗田內(nèi)設置24個小區(qū)，小區(qū)面積24 m2，甜菜播種行距50 cm，株距20 cm?；蕿槟蛩?15 kg·hm-2，重過磷酸鈣319.5 kg·hm-2，硫酸鉀206 kg·hm-2。其它按照大田統(tǒng)一管理。

1.2 測試項目及方法

1.2.1高光譜數(shù)據(jù)采集 在甜菜葉叢快速生長期、塊根膨大期、糖分積累期，選擇晴朗無云天氣，于當?shù)乇本r間12∶00-15∶00，采用美國Analytical Spectral Device(ASD)公司生產(chǎn)的FileSpecPro FR2500型背掛式野外高光譜輻射儀測定甜菜植株冠層高光譜反射率。該光譜儀波段范圍為350～2 500 nm，采樣間隔為1 nm，光譜儀視場角25°，測量時探頭垂直向下，距離冠層垂直高度約0.5 m，各小區(qū)在測量前均進行白板校正。每小區(qū)測量4次，取平均值作為該小區(qū)的光譜反射率值。

1.2.2 農(nóng)學參數(shù)采集 農(nóng)學參數(shù)取樣時間與冠層高光譜反射率測量同步。每個小區(qū)在光譜測定區(qū)域取代表性植株3株，破壞性取樣。葉面積指數(shù)測定(LAI)：采用LI-3100進行葉面積的測定，通過單位面積群體數(shù)據(jù)，換算成LAI。葉綠素含量的測定：選取植株對應光譜葉片，用無水乙醇、丙酮混合液(1∶1)浸提葉片24 h，在分光光度計下進行比色測定。葉片全氮含量測定：采用凱氏定氮法，經(jīng)消煮定容的試樣堿化蒸餾，經(jīng)H3BO3吸收后，利用硫酸標準溶液滴定并計算。產(chǎn)量測定：在收獲期對各處理未取樣小區(qū)實收，拔出塊根后去除青頭，及時稱量各小區(qū)鮮重。

1.2.3 光譜分析 采用光譜歸一化微分分析技術，對反射光譜進行一階微分(差分)，從一階微分光譜數(shù)值中提取紅邊位置λred(紅光范圍680～760 nm內(nèi)反射光譜一階導數(shù)最大值所對應的波長)、紅邊幅值(即紅邊斜率Dλred，紅光范圍680～760 nm內(nèi)一階導數(shù)光譜的最大值)與紅邊峰值面積(即紅邊面積Sred，680～760 nm之間的一階導數(shù)光譜所包圍的面積)來描述光譜紅邊特征。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析 采用EXCEL 2013進行基礎農(nóng)學數(shù)據(jù)的輸入，用ViewSpecPro進行基礎光譜數(shù)據(jù)的處理，采用MATLAB軟件提取甜菜冠層光譜數(shù)據(jù)的特征參數(shù)，采用SPSS 12.0分析軟件進行農(nóng)學參數(shù)與光譜特征參數(shù)之間的相關分析和差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮處理甜菜農(nóng)學參數(shù)特征

各施氮處理甜菜冠層LAI和冠層葉片葉綠素含量均隨著生育時期的推進呈現(xiàn)單峰曲線，葉片全氮含量則表現(xiàn)先下降后穩(wěn)定的趨勢(圖1)。不同施氮量之間甜菜冠層LAI、冠層葉片葉綠素含量和葉片全氮含量在葉叢快速生長期均基本表現(xiàn)為N225處理最高。氮素運籌模式對甜菜生育后期葉片農(nóng)學參數(shù)影響顯著，與M1相比，M2氮素運籌模式顯著提高了糖分積累期N150處理的LAI、葉片葉綠素含量和葉片全氮含量。表明塊根膨大期少量施氮能夠提高糖分積累期甜菜葉片農(nóng)學參數(shù)，維持甜菜生育后期對光合產(chǎn)物的需求，有利于塊根糖分的累積。隨著施氮量的增加，塊根產(chǎn)量呈現(xiàn)上升趨勢(圖2)，兩種運籌模式均在N225達到最高值，但在氮素運籌模式M1與M2之間差異較小。

2.2 不同施氮處理下甜菜冠層高光譜反射率

以甜菜葉叢快速生長期為例，不同施氮處理下甜菜冠層高光譜反射率變化較大(圖3a，b)，甜菜冠層光譜反射率隨著施氮量的增加在可見光波段(400～700 nm)基本無變化，在近紅外波段(700～1 300 nm)逐漸增加，其中N75、N150與N225處理的冠層高光譜反射率分別比N0處理提高了0.9%～9%、0.5%～24%與0.3%～37%。

兩種氮素運籌模式下甜菜冠層反射光譜的形狀隨生育期的推進變化趨勢相同，但各生育時期冠層高光譜反射率略有差異(圖3 c,d),其中可見光波段(400～700 nm)和近紅外波段(700～1 300 nm),M2在糖分積累期的冠層高光譜反射率均低于M1運籌模式。此外，與M1相比，M2氮素運籌模式下N75、N150、N225冠層高光譜反射率分別提高了0.1%～4%、1%～14%、12%～18%。M2氮素運籌模式下甜菜冠層高光譜反射率在塊根膨大期和糖分積累期之間的差異較小，可能與M2氮素運籌模式下甜菜生育后期葉片衰老速度減慢有關。

圖1 不同氮素處理甜菜LAI、葉綠素含量與葉片全氮含量變化Fig.1 The changes of LAI and chlorophyll content under different nitrogen management

2.3 不同施氮處理下甜菜紅邊參數(shù)

以甜菜葉叢快速生長期為例，不同施氮處理下甜菜冠層光譜紅邊均具有“雙峰”現(xiàn)象，但處理間的紅邊特征各異(圖4a，b)。隨著施氮量的增加，甜菜冠層光譜紅邊“雙峰”現(xiàn)象越加明顯，且峰值相對更高。與N0相比，N75、N150、N225處理在主峰718 nm處的峰值分別提高了30%、39%與53%(圖4b)，且隨著施氮量的增加，Dλred呈現(xiàn)上升趨勢。兩種氮素運籌模式的紅邊隨著生育進程的推進“雙峰”現(xiàn)象逐漸減弱(圖4c,d)。

圖2 不同氮素處理甜菜塊根產(chǎn)量變化Fig.2 The change of root yield under differentnitrogen managements

2.4 甜菜葉片農(nóng)學參數(shù)與冠層光譜的相關性

從高光譜波段中選擇部分波段，進一步對其組合構(gòu)成的植被指數(shù)(R680/R550，R980/R680，R980/R550，R1090/R550，R1200/R550，R1285/R550)、紅邊特征參數(shù)與甜菜葉片農(nóng)學參數(shù)進行相關分析(表1)，其中全氮含量與光譜變量之間顯著相關，R980/R680與全氮含量之間相關性要優(yōu)于其他光譜變量。LAI和葉片葉綠素含量與紅邊特征參數(shù)之間均達到了極顯著相關，但與光譜變量之間的相關性較差，其中LAI與λred之間的相關性要優(yōu)于Dλred與Sred，葉片葉綠素含量與Dλred的相關性要優(yōu)于λred與Sred。塊根產(chǎn)量在葉叢快速生長期的相關性均大于其他時期，其中與紅邊參數(shù)之間的相關性要優(yōu)于與光譜變量之間的相關性，但仍未達到顯著水平。

3 討 論

作物冠層光譜特征是其自身隨生育時期變化生理參數(shù)與農(nóng)學參數(shù)的反映，并且從整個生育期來看，甜菜冠層光譜特征與農(nóng)學參數(shù)有密切的關系。隨著施氮水平的提高，甜菜葉面積指數(shù)LAI與葉綠素含量均呈現(xiàn)上升趨勢，同時在近紅外區(qū)域的冠層光譜反射率增大。不同氮素運籌模式下的甜菜冠層光譜反射率表明，在可見光波段(400～700 nm)，尤其是550 nm波長附近存在葉綠素強反射峰區(qū)，并且在此波段內(nèi)，M2氮素運籌模式下糖分積累期的冠層高光譜反射率均低于M1運籌模式，可能與糖分積累期甜菜綠葉面積較大，光合能力較強，對紅光和藍光的吸收較強，其反射率逐漸降低，促使綠色波段形成的反射峰較低有關。在近紅外波段(700～1 300 nm)，在不同施氮處理下差異較為明顯，各時期之間也形成較大差異。

圖3 不同施氮處理甜菜冠層高光譜反射率Fig.3 Hyperspectra reflectance of beet canopy under different nitrogen management modes

圖4 不同施氮處理下甜菜冠層光譜紅邊參數(shù)Fig.4 The red edge of spectra of beet canopy under different nitrogen managements

農(nóng)學參數(shù)Agronomic parameter紅邊斜率Dλred紅邊位置λred紅邊面積SredR680/R550R980/R680R980/R550R1090/R550R1200/R550R1285/R550全氮含量 Total N/%0.1610.1460.129-0.611**0.676**0.641**0.623**0.577*0.574*葉面積指數(shù)LAI0.727**0.757**0.704**-0.1770.1210.1630.1720.1430.157葉綠素含量 CHL0.690**0.614**0.653**-0.1530.1320.1500.1500.1180.126塊根產(chǎn)量 Yield0.5530.5890.681-0.5320.5460.5230.5140.4890.489

注：**極顯著水平(P<0.01)，*顯著水平(P<0.05)，N%、LAI、CHL分別表示植株葉片全氮含量、葉面積指數(shù)、植株葉綠素含量。

Note: ** indicates significant correlation atP<0.01; * indicates significant correlation atP< 0.05. N%, LAI, and CHL denote the total nitrogen content, leaf area index, and chlorophyll content of plant leaves, respectively.

甜菜冠層光譜的紅邊均具有“雙峰”現(xiàn)象，隨著生育時期推進，“雙峰”現(xiàn)象逐漸減弱，可能是由于甜菜葉叢快速生長期，葉面積指數(shù)增大，生物量增加，所受到的土壤背景影響較小，“雙峰”現(xiàn)象也更加明顯，但到塊根膨大期，光合同化產(chǎn)物開始向塊根運輸，LAI有所減少，尤其到糖分積累期之后，甜菜植株下部葉片開始變黃、脫落，土壤背景對冠層光譜影響較大。通過分析甜菜植株冠層的“紅邊”及其紅邊參數(shù)發(fā)現(xiàn)，兩種氮素運籌模式下甜菜冠層反射光譜的紅邊位置均處于712～728 nm之間，沒有出現(xiàn)“紅移”現(xiàn)象，可能因為甜菜葉叢快速生長期主要以生長葉片為主，此時LAI、葉綠素含量均已達到峰值。

甜菜葉片全氮含量與光譜變量(R680/R550、R980/R680、R980/R550、R1090/R550)之間均達到極顯著水平，LAI和葉片葉綠素含量與紅邊特征參數(shù)(Dλred、λred、Sred)之間均達到極顯著水平，這與王秀珍等在水稻上的研究結(jié)果一致[15]，塊根產(chǎn)量與紅邊參數(shù)之間有較好相關性，但仍未達到顯著水平。農(nóng)學參數(shù)與光譜之間相關關系表明可以通過提取冠層高光譜參數(shù)對甜菜葉片農(nóng)學參數(shù)進行估測，從而為甜菜氮素管理的快速無損監(jiān)測提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

不同施氮水平下甜菜冠層光譜反射率隨著施氮量的增加而升高，與M1相比，M2氮素運籌模式下的冠層光譜反射率和冠層光譜“紅邊”在葉叢快速生長期較低，在糖分積累期較高。光譜變量與葉片全氮含量，紅邊參數(shù)與LAI、葉綠素含量之間顯著相關，研究結(jié)果為進一步應用高光譜快速無損監(jiān)測技術進行甜菜氮素管理提供支持。