桂南紅壤區尾葉桉葉片高光譜特征研究

銀彬吾，朱 兵，黃林勝，楊桂嬋，陸星任，岑祖明

（1.廣西壯族自治區國有派陽山林場，廣西壯族自治區 崇左 532500；2.廣西壯族自治區國有雅長林場，廣西壯族自治區 百色 533200；3.廣西華沃特生態肥業股份有限公司，廣西壯族自治區 南寧 530022）

植物葉片是植物的重要營養器官之一，其主要功能是通過光合作用合成有機物，并借助蒸騰作用為植物運輸水和無機鹽提供動力[1]。當植物受到病蟲害、鹽分缺失、環境缺水等脅迫時，其葉部容易先表現出相應的變化和癥狀。因此把握植物葉部形貌變化成為判斷植物病害種類及其嚴重程度的重要依據。然而，目前主要通過人工觀察的途徑判斷植物長勢和病害情況，往往具有較大的主觀性，并且效率較低，因而需要探求更為高效、客觀、準確的檢測方法[2]。

高光譜（Hyperspectra）檢測技術作為一種新型的樣品檢測技術，其具有快速、高效、成本低、樣品無損且適用范圍廣等特點[3]，其原理是利用樣品所含的化學成分中C-C、C-O、C-H、N-H等官能團對高光譜波段的基頻和倍頻吸收獲取光譜數據，無需對樣品進行研磨等前處理，目前已廣泛應用于植物營養診斷[4]、土壤環境等研究領域中。傳統的實驗室化學分析手段雖然精度較高，但測定成本高、耗時長，測定結果往往時效性較差，廢液處理不當有造成環境污染的風險，因此，研究高光譜技術在植物光譜特征識別、營養診斷方面的應用具有重要的現實意義[5]。

植物葉片的光譜特征與葉片厚度、葉片表面特性、水分含量和葉綠素等色素含量有關,同時也與植物營養狀況密切相關[6]。如葉綠素在可見光波段（690 nm）處的強烈吸收、在（740 nm）附近的散射輻射，木質素在近紅外波段（1 696 nm）的諧波振動和蛋白質在近紅外波段（1 510 nm）的諧波振動等。這些諧波及其疊合在可見-紅外光譜區所導致的具有診斷特性的光譜特征，這些特征為高效、快速的監測植物生理特征以及生長狀況提供了理論依據[7-8]。

廣西桉樹種植歷史悠久、規模較大[9]。自1980年始開始大規模推廣桉樹人工林，截至2015年廣西桉樹人工林面積達到256.05×104hm2，占廣西喬木樹種面積的24.41%[10]，栽植品種以尾葉桉（Eucalyptus urophylla）為主。隨著長期、大規模的桉樹人工林種植，諸如土壤退化、林地病蟲害增加、林分生產力下降等一系列經濟、生態問題逐漸暴露[11-12]，利用光譜技術實現林木營養實時診斷、病蟲害監測等，可為林權業主田間施肥管理提供數據支持，但目前針對尾葉桉葉片光譜的研究鮮有報道。因此，本研究以桂南紅壤區尾葉桉人工林為研究對象，采用ASD F4高光譜儀獲取尾葉桉葉片光譜數據，分析其典型光譜特征，以填補尾葉桉葉片光譜研究的空白，為建立尾葉桉高光譜營養診斷模型提供理論基礎與前期數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

本次研究區域位于廣西壯族自治區國有高峰林場六里分場(北緯22°86′、東經108°19′，海拔80 m)。屬于典型南亞熱帶季風氣候區域，光照、水熱條件優越，年平均氣溫21.3℃～24.4℃，年平均降雨量815～1 686 mm，年平均日照時數1 275～1 579 h，平均相對濕度為79%，氣候主要以炎熱潮濕為主。試驗地土壤成土母質為第四紀紅土，偏酸性紅壤，土層較厚，坡度23°。土壤質地為黏壤土，pH值范圍在4.3～4.8，土層厚度適中，腐殖層小于5 cm，土壤肥力適中。栽植樹種為尾葉桉新造林，林齡1年，植苗時施基肥，年中追肥1次（500g），養分比例為N（15）∶P（6）∶K（9），總養分30%，有機質含量≥15%。

1.2 葉片采集與光譜測定

在試驗地內隨機選取30個單株，測定其樹高、胸徑數據后取平均值，以此為標準選取5株標準木，從上中下部各摘取5片葉子，放入保溫盒中帶回實驗室進行光譜測定。葉片光譜測定采用美國ASD公司的FieldSpec 4測定葉片的光譜反射率，利用儀器內置光源及自帶的葉片夾與光譜探頭進行測定，每組數據測量前進行標準白板校正，并扣除空氣背景值，單個葉片測定10次，取算術平均值。光譜測量波段為可見-近紅外波段（350～2 500 nm），分辨率為1nm。

1.3 光譜數據預處理

儀器采集葉片光譜為原始光譜反射率（Raw spectral reflectance，R），由于儀器噪聲、葉片有機物、礦質營養元素的影響，混合疊加峰較多，因此對原始光譜反射率進行預處理，計算反射率的一階導數（First derivative of reflectivity，FDR）分解重疊峰，提高光譜分辨率。

2 結果與分析

2.1 葉片形態特征

根據尾葉桉生長情況，分上中下3個部位采集葉片樣品，同時采集出現黃化病葉片，其形態特征如圖1所示。尾葉桉葉片均呈現披針形，葉柄呈楔形，長度在1.5～2 cm。如圖1a、b所示，上部葉（嫩葉）與中部葉（成熟葉）葉脈較為清晰，側脈稀疏平行，邊脈不明顯。下部葉（老葉）葉脈模糊且呈現明顯缺素癥狀。黃化葉呈黃綠色，其葉脈、側脈模糊，邊緣卷曲。

2.2 葉片光譜特征

圖2展示了桂南紅壤區一年生尾葉桉葉片光譜反射率（R）與反射率一階導數變換（FDR）光譜曲線。如圖2a所示，上、中、下部葉片、黃化葉片光譜原始反射率整體峰形（350～2 500 nm）較為一致，黃化葉片反射率明顯低于上、中、下葉片，具有顯著光譜特征，說明可以利用高光譜技術快速篩查尾葉桉黃化狀況。在可見光波段350～780 nm不同葉片間并未表現出一致規律性；780～1 350 nm近紅外平臺波段變化規律一致，光譜反射率高低排序為上部葉>中部葉>下部葉>黃化葉，不同葉片波段間差異較大；1 350～2 500 nm短波紅外波段，光譜反射率表現為由上至下逐漸增大；黃化葉片在780～2 500 nm反射率均處于最低水平。如圖2b所示，經一階導數變換后，不同葉片光譜曲線差異性有所減小，特征吸收峰數量顯著增加且更加尖銳，500 nm、680 nm、730 nm處存在3個尖銳吸收、反射峰，但在2 000～2 500 nm波段范圍內，光譜曲線較為緊實，不同葉片光譜曲線無明顯規律性。

在可見光波段，由于葉片的透過率很低，吸收很強，主要反映葉片表面部分的生化組分（如葉脈）和結構特點[13]；在近紅外波段，葉片反射率對含水量的敏感性最大，由于新葉含水量較高，因此反射率呈現由上至下逐漸減小的趨勢[14]；短波紅外波段，由于葉片生化組分的光譜吸收相對較弱，反射率光譜能夠更多地反映整個葉片內部的結構特點和生化組分含量。在養分充足的情況下，諸如氮素、鉀素是易于轉運的營養元素，中下部分葉片養分易于向新葉轉移，因此上部葉與下部葉光譜反射曲線存在顯著差異性[15-16]。

3 結論

采用ASDF4高光譜儀對桂南紅壤區尾葉桉不同部位葉片進行測試分析，同時對光譜原始反射率采取一階導數變換，結果表明尾葉桉葉片光譜反射率差異性主要表現在3個特征波段：（1）可見光波段（350～780 nm），由于葉片形態特征差異較大，原始光譜反射率相互疊加現象嚴重，經一階導數變換后，在500 nm、680 nm、730 nm三個波段差異較為明顯，可用于診斷如病蟲害等具有較為明顯形態特征的生理特性；（2）近紅外平臺波段（780～1350 nm），由于該波段對葉片含水量較為敏感，葉片原始光譜反射率在950 nm、1 230 nm有兩處明顯吸收谷，可用于植物葉片含水率的快速診斷；（3）短波紅外波段（1 350～2 500 nm），主要反映葉片生化組分的差異，可用于植物營養快速診斷。鑒于以上研究結果，本課題組認為可以利用近高光譜技術，結合遙感等大尺度、空間定位的方式對植被進行大范圍的監測，利用高光譜對植物葉片生理特征、含水率、養分特征的識別能力，及時掌握植物的生長情況并采取相應的經營措施。