不同水分處理下冬小麥葉片光譜特征及氮素垂直分布情況分析*

翟麗婷 ，魏峰遠 ，馮海寬 ，李長春 ，楊貴軍 ，吳智超 ，劉明星 ，苗夢珂

（1. 河南理工大學測繪與國土信息工程學院，焦作454000；2. 農業部農業遙感機理與定量遙感重點實驗室，北京農業信息技術研究中心，北京100097；3. 國家農業信息技術工程研究中心，北京100097；4. 北京農業物聯網工程技術研究中心，北京100097）

0 引言

氮素對作物的生長具有重要作用［1-3］。水分和氮素之間存在明顯的交互作用，土壤水分狀況影響小麥的氮素吸收、轉運和利用，但是過量的灌水量對氮素的吸收利用并不一定具有更好的促進作用［4-7］。不同的水分處理對冬小麥冠層氮素的分布具有一定影響，其氮素分布存在垂直異質性［8-11］。前人對冠層氮素的分布一般都習慣于將整個冠層看做一個整體去對氮素進行分配，而實驗中氮素在冠層的分布情況隨著葉位的不同也存在很大差異性，目前在這方面的研究相對較少。李賀麗［12］等提出了不同葉層的光譜反射率與冠層整體的光譜反射率存在一定差異性。劉曉靜［13］等分析了不同生育期不同水分處理下冬小麥冠層光譜反射率變化特征。張軍［14］等在拔節期水分脅迫下對冬小麥生理特性的影響中研究了干旱脅迫下小麥葉片中相關酶含量變化。王紀華［15］等研究表明運用偏最小二乘算法可利用垂向觀測的冬小麥冠層光譜來反演不同層次的液氮濃度。肖春華［16］等從不同觀測角度測定逐層去除葉片或麥穗后的小麥冠層光譜，確定不同觀測角度下不同冠層結構的光譜貢獻。但是葉片含水量對于氮素以及冠層的一些營養物質積累也具有一定作用。水分處理對于冬小麥長勢影響也非常大，其技術已相對成熟，但是很少有對小麥冠層葉片進行細致劃分來對小麥進行更加精細的研究。由于水分在冬小麥的生長過程中具有重要意義，水分處理對冬小麥冠層氮素的垂直分布存在一定影響，但是在目前的相關研究中都只是單一研究水分處理對冬小麥生長的影響或者研究冠層氮素的垂直異質性，很少考慮兩者共同的影響。文章主要是根據不同水分處理分析冠層葉片氮素的垂直異質性。

水分脅迫反應是植物在細胞與分子水平上生理和生化反應相互交替作用的結果［17-18］。水分的虧缺和盈余對小麥的生長具有很大影響，一定程度影響著根部養分向冠層的運輸，隨著水分脅迫程度加劇，各生育期單株小麥地上干物質量逐漸減少，拔節至抽穗、抽穗至成熟兩個生長階段生物量的增加量也隨灌水量減少而減少，而且生長后期生物量的累積量要遠遠大于前期［19-22］。該文在前人研究的基礎上主要對水分處理下冬小麥冠層氮素分布的垂直異質性進行分析。從不同的水分處理下不同葉位氮素的分布差異性進行分析，分析不同水分處理不同葉位的冬小麥冠層氮素與光譜的相關性。將不同的水分處理，不同的葉層進行分離，分別對各自對應的冠層光譜反射率進行相關性分析，分析其中存在的不同，研究灌水量影響下冠層葉片氮素與光譜指數之間的相關性。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

實驗田位于北京市海淀區，地處北緯40°11′，東經116°27′，海拔高度為36 m，土地肥沃、地勢平坦，土壤類型為潮土，氣候類型為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，實驗的農作物是在9月末至10月初所種植的冬小麥。

1.2 研究設計

選擇京9843（大水大肥），農大211（耐旱）作為供試品種，試驗在北京市農林科學院內72個材料區中進行，每個材料區長乘寬為1.5 m×1.2 m。播種密度為600萬株/hm2，播種時間為2013年9月29日；施肥處理為尿素15 kg，二胺20 kg；水分處理：兩個品種、5個處理、4個重復試驗，小區大小為1.8 m2，水脅迫試驗共安排了從不灌水到水分充分飽和（級差225 m3，0～900 m3/hm2）5個不同處理，4個重復，各處理的灌水量為：0 m3/hm2（W1）、225 m3/hm2（W2）、450 m3/hm2（W3）、675 m3/hm2（W4）、900 m3/hm2（W5）。其中A1和B1灌水量是W1，A2和B2灌水量是W5，A3和B3灌水量是W4，A4和B4灌水量是W3，A5和B5灌水量是W2。試驗區概況如圖1所示。

圖1 實驗區分布情況Fig.1 Experimental area distribution

1.3 數據獲取

（1）葉片氮含量測定

將每個小區選取的植株樣品測定光譜后，帶回實驗室，將植株器官分離為葉片、莖和根后分別置于紙袋，然后在105℃下殺青，在80℃下烘干72 h至恒重，最后稱各個器官的質量。將各個器官粉碎，采用凱氏定氮法對植株氮含量進行測定。

（2）地面冠層光譜數據獲取

冬小麥葉片光譜采用美國ASD FiedSpec FR2500高光譜儀（光譜范圍350～2 500 nm，間隔1 nm）和葉片夾（ASD Leaf Clip）進行測定。在350～1 000 nm、1 000～2 500 nm內光譜儀分辨率間隔分別為3 nm、10 nm，采樣間隔分別為1.4 nm、2 nm，光譜重采樣間隔為1 nm。葉片夾探測器里面安裝有石英鹵化燈，燈的光源穩定，冬小麥葉片測量時為了獲得相同的探測面積，消除背景反射、葉片彎曲引起的光譜波動的影響，需要保證葉片是平整放置。冬小麥葉片光譜測量前，用布把葉片表面的浮塵擦去，以減少誤差。冬小麥葉片光譜測量需要用葉片夾自帶的標準白板進行校正。

1.4 研究方法

1.4.1 光譜植被指數的構建

實驗中通過測定不同水分處理下不同葉層葉片的光譜反射率與葉片氮素的相關性進行分析，挑選出敏感波段與葉片氮素進行相關性分析。實驗所構建的光譜指數如表1所示。

表1 光譜植被指數Table 1 Spectral vegetation index

RNIR為波長在850～880 nm范圍內反射率的均值，RRED為波長在620～670 nm范圍內反射率的均值，RREDEDGE為波長在720～740 nm范圍內反射率的均值，RGREEN為波長在540～570 nm范圍內反射率的均值，RBLUE為波長在460～480 nm范圍內反射率的均值。

1.4.2 統計分析

文中根據R2（相關系數）評價光譜反射率與葉片氮素的相關性，具體公式為：

式（1）中，X為光譜反射率，Y為葉片氮素含量，N為樣本個數。其中R2越大表示相關性越高。

2 結果與分析

2.1 水分脅迫下冬小麥冠層葉片氮素分布的差異性

冬小麥拔節期正處于生長階段葉片較少，只測定了上2葉；挑旗期小麥生長旺盛測量上5葉；抽穗期由于部分小麥的上5葉已經枯萎很難測量，只測量上4葉；灌漿期小麥已經處于生長后期，一些葉片已經枯萎凋落，無法進行完整的實驗，只分析上1葉和上2葉。冬小麥不同生育期不同水分處理的氮含量如圖2。其中橫坐標表示所測的葉位，縱坐標表示所測葉位在不同水分脅迫下的氮素含量。

圖2 水分脅迫下各生育期冬小麥氮素冠層分布Fig.2 Nitrogen canopy distribution of winter wheat under different water stress stages

實驗中不同葉層不同水分處理下共有8個實驗小區，根據同一葉層同一水分處理下所測的所有樣本的葉片氮素取平均值作為葉片氮素的含量。圖2（a）拔節期沒有進行后期的灌水，水分含量為原始冬小麥葉片水分含量，因此不同水分處理下氮素分布的差異性不大，在同一水分處理下上2葉的氮素含量高于上1葉。其中在W2水分處理下，葉片氮素含量相對較低，其他水分處理的葉片氮素含量沒有明顯的差異。圖2（b）挑旗期，實驗前期進行了不同的灌水處理，不同水分處理下冠層氮素含量存在明顯的差異性，其中W2水分處理下氮素含量較高，其余W1、W3、W4、W5水分處理下的葉片氮素含量隨灌水量降低葉片氮素含量降低，但同一水分處理下，不同葉位葉片氮素含量沒有明顯差異性。這一時期水分處理下冠層氮素含量存在明顯差異性與這一時期小麥的生長速度快水分充足以及后期灌水有一定關系。圖2（c）抽穗期W2和W3水分處理下冠層葉片氮素含量較高，其他水分脅迫下氮素含量基本持平。但是在這一時期氮素分布在冠層的垂直方向上存在較大差異性，隨著葉位的上升氮素含量升高，這是由于小麥處于抽穗期上部需要大量的養分積累去完成抽穗，因此在水分推動下氮素會快速向上部運轉，最終導致上部的氮素含量明顯高于下部，并且逐級的遞減。圖2（d）灌漿期氮素含量冠層上部高于下部，此時小麥穗部成長需要大量的養分積累去促使籽粒生長飽滿，因此會有大量的氮素在冠層上部積累，為籽粒的生長提供必要的營養物質。這一時期小麥生長后期水分與原始拔節期基本相同，冠層葉片氮素含量已經不受水分的影響，其W2水分下冠層葉片氮素含量最低，W1、W3、W4、W5葉片氮素含量越來越高，隨葉位升高葉片氮素含量升高。

總體來看不同水分處理對冠層葉片氮素含量在挑旗期影響最大，在其他生育期的影響相對較弱。并且在挑旗期各葉位氮素含量差異不大。在拔節期上2葉的氮素含量高于上1葉，而到了抽穗期和灌漿期隨著葉位的升高氮素含量逐漸升高。實驗證明在充足灌水的情況下葉片氮素含量隨灌水量的增加而升高。

2.2 不同水分處理下冠層葉片光譜響應

不同水分處理不僅使冠層葉片氮素分布出現垂直異質性，其光譜反射率也存在一定差異性。根據對冠層分層測定的葉片光譜反射率，分析不同水分處理下光譜反射率之間存在的差異性。拔節期上1葉和上2葉不同水分處理下冠層葉片的光譜特征如圖3所示。小麥拔節期葉片光譜特征在750～1 300 nm之間出現差異性，其他波段范圍內，不同葉層的光譜反射率分布基本相同。上1葉和上2葉在750～1 300 nm范圍內不同水分處理下光譜反射率出現差異性，W1水分處理下光譜反射率最小，W5水分脅迫下光譜反射率次之，W4光譜反射率大于W5。對于上1葉W2、W3水分處理下光譜反射率最大。上2葉在W2水分處理下光譜反射率最大。此生育期未對小麥進行水分處理，光譜反射率反應小麥自身的生長情況。在小麥的這一生育期未進行灌水處理，所以光譜反射率表現出來的差異性為小麥自然生長狀態下的光譜反射率的差異性。

圖4為挑旗期不同葉層光譜反射率的響應曲線，此時小麥已經進行不同的水分處理。其在750～1 300 nm和1 500～1 900 nm范圍內受不同水分處理光譜反射率的響應曲線出現差異性。對于上1葉在750～1 300 nm范圍內受W1水分影響下的光譜反射率最大，W2水分影響下光譜反射率最小，W3、W4水分影響下的光譜反射率基本相同并沒有明顯的差異。上2葉的光譜反射率在750～1 300 nm范圍內，在W1水分影響下的光譜反射率最大，W2水分影響下光譜反射率最小，W3、W4、W5水分影響下光譜反射率依次升高。上3葉光譜反射率在W1水分處理下最大，在W2水分處理下最小，W3、W4、W5水分處理下光譜反射率基本相同。上4葉和上5葉光譜反射率在750～1 300 nm范圍內，W1水分處理下光譜反射率最大。對于上4葉W2、W3、W4水分處理下光譜反射率基本相同且最大，W5水分處理下光譜反射率小于W1水分處理下。而上5葉W2光譜反射率最大且大于W3大于W4。

圖3 拔節期冠層葉片光譜反射率的垂直異質性Fig.3 Vertical heterogeneity of spectral reflectance of canopy leaves during jointing stage

圖4 挑旗期冠層葉片光譜反射率的垂直異質性Fig.4 Vertical heterogeneity of spectral reflectance of canopy leaves during flag-raising stage

圖5為抽穗期冠層葉片光譜反射率的差異性。光譜在750～1 300 nm和1 500～1 800 nm區域內受不同水分處理光譜反射率有明顯的差異性。但上2葉和上3葉在1 500～1 800 nm波段內光譜反射率的差異性不太明顯。在350～700 nm波段范圍內冠層上葉片的光譜反射率都有明顯波動。上1葉在750～1 300 nm和1 500～1 800 nm范圍內W2、W3水分處理下的光譜反射率基本相同且最小，W4、W5水分處理下光譜反射率基本相同且低于W1、水分處理。上2葉在750～1 300 nm范圍內不同水分處理下光譜反射率，W2、W3水分處理下光譜反射率基本相同且最小，W1水分處理下光譜反射率最大。上3葉的光譜反射率在750～1 300 nm區域內W1、W4、W5水分處理下的光譜反射率相同且相對較大，而W2、W3水分處理下的光譜反射率基本相同且較小。上4葉在750～1 300 nm范圍內W1、W5水分處理下的光譜反射率較大，而W2水分處理下的葉片光譜反射率最小，在W3、W4水分處理下葉片的光譜反射率處于二者之間沒有差異。

圖5 抽穗期冠層葉片光譜反射率的垂直異質性Fig.5 Vertical heterogeneity of spectral reflectance of canopy leaves during heading stage

圖6為灌漿期冬小麥冠層葉片光譜反射率曲線。上1葉在350～700 nm波段范圍內，在500 nm左右出現一個峰值。在710 nm反射率急劇上升，在750～1 300 nm范圍內受不同水分處理光譜反射率出現差異性，其中W1水分處理下光譜反射率最高，W4、W5的光譜反射率略高于W3水分處理下的光譜反射率，W2水分處理下的光譜反射率最低。對于上2葉在整個波段范圍受不同水分處理出現不同的差異性，在750～1 300 nm范圍內W1水分處理下光譜反射率最大，W5水分處理下光譜反射率略小于W1水分處理下的光譜反射率，W4水分處理下光譜反射率小于W1、W5，W2、W3水分處理下光譜反射率基本相同且最低。在1 430 nm和1 970 nm左右上2葉光譜反射率出現兩個峰谷W2光譜反射率大于W1水分處理下的光譜反射率大于W3、W4水分處理下的光譜反射率，大于W5水分處理下的光譜反射率。在1 970 nm之后光譜反射率差異較大W2水分處理的光譜反射率大于W1水分處理的光譜反射率，大于W3、W4水分處理的光譜反射率，大于W5水分處理下的光譜反射率。

圖6 灌漿期冠層葉片光譜反射率的垂直異質性Fig.6 Vertical heterogeneity of spectral reflectance of canopy leaves during grain filling stage

根據實驗結果可以看出來在小麥生長的任何一個時期，其在750～1 300 nm的近紅外區域受不同水分處理的影響其反射率都會出現一定的差異。對于不同的生育時期，不同的葉層其受不同水分處理光譜反射率差異性基本相同，呈現一定的規律性。拔節期未做水分處理時，冬小麥光譜反射率的差異性表現為W2＞W3＞W4＞W5＞W1。除拔節期外其他生育期灌水量越大其光譜反射率越小。

2.3 水分脅迫下冠層葉片氮素與光譜參數之間相關性分析

冠層葉片中氮素含量與光譜存在一定相關性。該文主要分析冬小麥不同生育時期，不同水分處理下，冠層不同葉層處光譜指數與葉片氮素含量之間的相關性。

表2為拔節期冬小麥在不同水分處理下的不同葉層光譜指數與氮素的相關系數。可以看出上1葉與各光譜指數的相關性較大，其中在W1水分處理下氮素與TCARI、CIrededge、TGI等光譜指數的相關性分別達到0.74、0.70、0.85達到顯著性水平。在W2水分處理下上1葉葉片氮素與NDVI、RVI、NDGI等光譜指數相關性為0.86、0.87、0.67達到顯著性水平。在W3水分處理下葉片氮素與PRI相關性為0.82達到顯著性水平。在W4和W5水分處理下氮素與所測光譜指數均不能達到顯著性水平。對于上2葉其在不同的水分處理下氮素與光譜指數的相關性都比較低，最高也只能達到0.5，相關性較弱，無法準確的對冠層葉片的氮素含量進行估測。

表2 拔節期水分處理下氮素與光譜指數的相關性Table 2 Correlation between nitrogen and spectral index under water treatment during jointing stage

表3為挑旗期不同葉層在不同水分處理下冠層葉片氮素含量與光譜指數的相關系數。對于挑旗期冠層上1葉葉片氮素含量與光譜指數的相關性在W1水分處理下與TGI相關性為0.7達到顯著相關性，其在W3水分處理下與EVI、TCARI、CIrededg、TGI、NDII相關性分別為0.81，0.81，0.76，0.73，0.79，W4水分處理下與NDVI、RVI、CIrededg相關性為0.77，0.77，0.83，W5水分處理下與CIrededg、TGI相關性為0.77，0.90，達到了顯著性水平，在對上1葉不同水分處理下的葉片氮素含量可通過CIrededg或TGI進行反演，其相關性均能實現顯著性水平。上3葉在W5水分處理下與NDVI、NDII相關性分別為0.67，0.83，達到顯著性相關水平，其它水分處理下氮素與光譜指數相關性均未能達到顯著性水平。上4葉氮素與光譜指數的相關性都比較低但是在W3水分處理下葉片氮素含量與NDVI、RVI、NDGI、SIPI相關性分別為0.69，0.67，0.69，0.70。對于上5葉在W1和W2水分處理下氮素與TGI的相關性均為0.68。

挑旗期不同水分處理下上1葉氮素含量與光譜指數相關性均能達到顯著性水平，上2葉在不同水分處理下葉片氮素含量與光譜指數無顯著相關性，上3葉、上4葉葉片氮素含量與光譜指數相關性較低。

表3 挑旗期水分脅迫下氮素與光譜指數的相關系數Table 3 Correlation coefficient between nitrogen and spectral index under water stress during flag-raising stage

表4所示為抽穗期不同水分處理下冠層葉片氮素與光譜指數的相關性。上1葉在W1、W5水分處理下相關性較高。其在W5水分處理下與CIrededge相關性為0.92，與NDGI相關性為0.77，達到顯著相關性。對于上2葉其在W1水分處理下與NDVI、RVI、PRI、EVI、NDII相關性分別為0.84，0.86，0.84，0.87，0.92，達到顯著性水平，而其他水分處理下氮素與光譜指數無顯著相關性。上3葉在W1水分處理下與EVI、NDII相關性分別為0.75，0.84，在W2水分處理下與NDVI、RVI相關性分別為0.72，0.71，W5水分處理下與NDII的相關性為0.73，均達到顯著性水平。上4葉在W1水分處理下與PRI、EVI、NDII相關性為0.73，0.86，0.81，W4水分處理下與CIrededge、NDII相關性分別為0.73，0.68，W5水分處理下與EVI相關性最高為0.87，與TCARI、TGI、NDII的相關性也可以達到0.68，0.71，0.81，達到了顯著相關性。對于上3葉和上4葉其實現顯著性水平的水分處理下氮素與NDII相關性達到顯著性水平。對于抽穗期冬小麥來說，不同的葉層其受W1、W5水分處理下葉片氮素與光譜指數的相關性相對較高。

表4 抽穗期水分脅迫下氮素與光譜指數的相關系數Table 4 Correlation coefficient between nitrogen and spectral index under water stress during heading stage

由表5可以看出來灌漿期上2葉在W1、W2、W3水分處理下與光譜指數的相關性均較高，只有少部分其相關性不能達到顯著性水平，W4、W5水分處理下氮素與光譜指數的相關性較低，W4水分處理下與RVI、EVI、CIrededge、NDII均能達到顯著性水平，其相關性分別為0.67，0.78，0.84，0.77，W5水分處理下與CIrededge相關性達顯著性水平，相關系數為0.69。對于上1葉W1、W3水分處理下相關性較高，與一些光譜指數的相關性可以達到0.9，W2、W5水分處理下相關性較低不能實現顯著性水平，W4水分處理下與TCARI、CIrededge、TGI相關性達顯著性水平，其相關性分別為0.76，0.79，0.79。

表5 灌漿期水分脅迫下氮素與光譜指數的相關系數Table 5 Correlation coefficient between nitrogen and spectral index under water stress during grain filling stage

以上是冬小麥全生育期，不同水分處理下冠層葉片氮素含量與光譜指數的相關性分析，根據實驗結果可以看出來在不同生育期所測試的冠層葉片中一般最上層葉片和最下層葉片氮素含量與光譜指數的相關性較高。并且對于不同的生育時期其受水分處理的影響并不相同。

3 結論

（1）對于冬小麥其冠層葉片的氮素含量受不同的水分處理存在一定的差異性，除挑旗期和抽穗期外其他生育期不同水分處理下冠層葉片氮素含量雖然存在差異性，但是其差異并不大。只有在挑旗期和抽穗期受不同水分處理氮素在葉片中的含量有明顯的差異性，隨灌水量升高葉片氮素含量升高。

（2）不同的水分處理對冠層葉片的光譜反射率也有一定影響，但是無論處于哪一生育期，哪一葉層，不同水分處理下的光譜反射率都會在750～1 300 nm區域內出現明顯差異性。對于拔節期未做水分處理時光譜反射率差異性表現為W2＞W3＞W4＞W5＞W1。除拔節期外其他生育期隨灌水量增加冠層葉片氮素含量降低。

（3）由于不同水分處理下冠層光譜的反射率受到一定影響，所以對于不同水分處理下冠層葉片的氮素含量與光譜指數的相關性也存在很大差異，因此在對冠層葉片氮素含量進行建模反演時應從不同葉層、不同水分處理等種種因素綜合考慮選擇合適的光譜指數對冠層不同葉位氮素的含量進行估測。