不同生育期棉花葉片對干旱脅迫的光譜響應研究

羅霄玉 王家強

摘要 試驗設置2個灌水量梯度，分別測量蕾期、花期、鈴期的棉花葉片在325～1 075 nm處的光譜數據進行光譜響應研究。結果表明，不同生育期干旱脅迫下的棉花葉片光譜特征與常規灌溉有較大差異。蕾期和鈴期，常規灌溉棉花葉片的近紅外的反射率大于水分脅迫處理，花期常規灌溉小于水分脅迫處理；而在綠峰位置處，蕾期和花期常規灌溉棉花葉片的反射率大于水分脅迫處理。因此，干旱脅迫與常規灌溉棉花葉片在不同生育期部分光譜參數和植被指數有顯著差異，可以通過不同的光譜參數與植被指數區分不同生育期發生干旱脅迫的棉花植株，為棉田水分管理提高科學參考。

關鍵詞 棉花；干旱脅迫；光譜特征

中圖分類號 S532 ? 文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）11-0040-04

Spectral response of cotton leaves at different growth stages to drought stress

LUO Xiaoyu ? WANG Jiaqiang*

（College of Agriculture， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract Two irrigation gradients were set up to measure the spectral data of cotton leaves at 325-1 075 nm at bud stage， flowering stage and boll stage respectively. The results indicated that the spectral characteristics of cotton leaves under drought stress at different growth stages were different from those under conventional irrigation. At bud and boll stages， the near-infrared reflectance of cotton leaves under conventional irrigation was higher than that under water stress， while that under conventional irrigation was lower than that under water stress. In the green peak position， the reflectance of cotton leaves under conventional irrigation at bud and flowering stage was higher than that under water stress. Therefore， some spectral parameters and vegetation indices of cotton leaves under drought stress and conventional irrigation are significantly different at different growth stages. The cotton plants under drought stress at different growth stages can be distinguished by different spectral parameters and vegetation indices， which can provide scientific reference for improving water management in cotton fields.

Keywords cotton; drought stress; spectral features

棉花是中國乃至全世界重要的經濟作物之一，然而干旱災害天氣的頻繁出現，給我國棉花生產帶來了極大的影響，因此確定合理的灌溉量具有重要的研究意義[1]。目前，基于植物光譜特性的監測技術使作物水分診斷得到愈來愈廣泛的應用[2]。干旱脅迫下棉花葉片不同生育期的生理學指標會發生變化，因此棉花葉片各生育期的光譜特征也會發生改變。本研究通過水分試驗，獲取棉花葉片的光譜反射率，分析光譜變換、光譜位置參數及植被指數的變化特征，從而為棉花水分及養分的大面積遙感監測提供理論基礎。

1 試驗設計與預處理

1.1 試驗設計

試驗地點為中國科學院新疆生態與地理研究所水平衡試驗站（新疆阿拉爾市），本研究設置2個灌水量梯度，分別為20、33 m3/hm2，每個處理2個重復，一共設置4個小區。對于樣本數據的采集和處理，本試驗對選擇棉花的3個生育期進行測定，分別為蕾期、花期、鈴期。苗期過后，從蕾期開始，分別對5個處理采用上述不同的2個含水量進行灌溉并采集樣本以及數據測定。

1.2 光譜數據預處理

使用ASD FieldSpec Hand Held 2便攜式地物光譜儀測定在325～1 075 nm內棉花葉片的光譜反射率，光譜分辨率為1 nm。每個點測定10株棉花葉片的光譜反射率，取平均值作為1個點的平均反射率，每塊地可獲取30條光譜反射率曲線數據。對原始數據降噪后，根據Origin制圖得出其變換值（一階導數、二階導數、倒數、對數），參考光譜位置參數，分析光譜位置參數的變化特征。

1.3 植被指數

植被指數是依據植被的特性，選擇恰當的波段進行組合運算，能對植被進行簡單有效的度量[3]。本研究需要涉及9種植被指數類型，分別是歸一化光譜反射指數、光譜反射指數、植株氮素光譜指數、生理反射指數、熒光比值指數、比值指數、雙倍差異指數、修正的比值指數、標準葉綠素指數。

2 結果與分析

2.1 不同水分處理棉花葉片的光譜曲線特征

為了研究不同干旱脅迫下棉花葉片反射光譜的特征，測定蕾期、花期、鈴期的棉花葉片光譜反射率，獲得的光譜反射率范圍在325～1 075 nm，但由于外界因素的影響，光譜曲線在波段325～350 nm以及900～1 075 nm處的波動性較大，不利于光譜特征的分析，故將該波段予以剔除。將350～900 nm的光譜數據使用The Unscrambler軟件進行平滑降噪，分析棉花葉片反射率的變化特征。

由圖1可知，在不同時期，不同含水量下棉花葉片的光譜曲線特征在其他波段存在著很大的差異。波長360～440 nm及680～1 075 nm下，同一時期不同含水量的棉花葉片反射率差異大，蕾期，常規水分的反射率大于水分脅迫。在花期，常規水分棉花的光譜反射率大于水分脅迫，在紅谷處，不同時期不同處理的棉花葉片反射率存在著較大的差異，水分脅迫下棉花在蕾期和鈴期的葉片反射率大于常規水分。

植被的原始光譜曲線不能完全突出植被的光譜特征，對光譜數據進行數學變換，能在一定程度上放大植物光譜的細節信息[4]。

由圖2可知，經過一階、二階導數變換后的光譜曲線變化較為一致。蕾期水分脅迫的棉花葉片光譜在570 nm處出現最小值-0.045，在波長710 nm處常規水分處理出現最大值0.012。3個生育期不同水分下棉花葉片光譜在可見光波段525、715 nm處都有反射峰出現，但是蕾期水分脅迫下的光譜在可見光波段內，尤其蕾期常規水分處理在波長710 nm附近的紅邊位置的反射峰比其他生育期高。對數變換后能波長800 nm附近的峰谷與原始光譜相比有所減弱，而其他波段的特征與原始光譜近乎一致。倒數變換后，鈴期水分脅迫處理的棉花葉片光譜在紅谷的反射率值最大，其他生育期棉花葉片光譜紅谷的反射率值較小。

2.2 光譜位置參數變化特征

本研究分析了2種灌溉處理的棉花葉片光譜位置參數，分析常規水分與水分脅迫下棉花葉片的光譜特征。

由表1可知，蕾期水分脅迫棉花葉片的Db、Dy、Ho比常規水分處理的顯著增大（P<0.01），而λy、Dr、Rg顯著減小（P<0.01）；花期水分脅迫棉花葉片的Db、Dy比常規水分處理的顯著增大（P<0.01），而Ho顯著減小（P<0.01）；鈴期水分脅迫棉花葉片的Dy比常規水分處理的顯著增大（P<0.01），而Db、Dr 顯著減小（P<0.01）。因此，可以在不同生育期通過光譜位置參數來判斷棉花是否發生了水分脅迫。

2.3 植被指數變化特征

植被指數是2個或者多個波長范圍內反射率值的線性或者非線性組合[5-7]，其目的是增強植被某一特性或細節，在一定條件下可以定量說明植被的生長狀況[8-9]。

由表2可知，在蕾期常規水分和水分脅迫的棉花mND705差異極顯著（P<0.01），ND（483，503）、PRI、Carter2、NPCI差異顯著（P<0.05）；在花期常規水分和水分脅迫的棉花ND（770，713）、SR、FRI2、Carter1、Carter2、Carter4、Carter5、Datt、Maccioni、NPCI差異極顯著（P<0.01），ND（483，503）、PRI、Carter3、DD、mND705差異顯著（P<0.05）；在鈴期常規水分和水分脅迫的棉花ND（483，503）、PRI、Carter2、Carter3差異極顯著（P<0.01），ND（770，713）、SR（723，770）、FRI2、Carter4、DD、Gite/son、NPCI差異顯著（P<0.05）；因此，在不同生育期，也可以通過不同植被指數的差異來區分干旱脅迫的棉花。

3 小結

（1）在蕾期和鈴期，常規灌溉棉花葉片的近紅外的反射率大于水分脅迫處理，花期常規灌溉小于水分脅迫處理；在綠峰位置處，蕾期和花期常規灌溉棉花葉片的反射率大于水分脅迫處理，而在鈴期則是相反。

（2）一階導數處理后，蕾期常規水分處理在波長710 nm附近的紅邊位置的反射峰比其他生育期高，倒數變換后，鈴期水分脅迫處理的棉花葉片光譜在紅谷的反射率值最大。

（3）在不同生育期，常規灌溉的棉花葉片與水分脅迫相比光譜位置參數和植被指數都有不同程度的變化，可以用差異顯著的指標來判斷棉花是否發生了水分脅迫。

參考文獻

[1] 李東曉.干旱對棉花葉片的衰老生理及抗氧化酶同工酶譜特征的影響[D]. 保定：河北農業大學，2010.

[2] 張楠楠，張曉，姚娜，等.塔里木河流域上游胡楊葉面積指數高光譜遙感反演方法對比[J].江蘇農業科學，2018，46（8）：216-221.

[3] FRANK H A，COGDELL R J. Carotenoids in photosynthesis[J]. Photochemistry and Photobiology，1996，63（3）：257-264.

[4] ARVAYO-ENR?QUEZ H，MONDACA-FERN?NDEZ I，GORT?REZ-MOROYOQUI P，et al. Carotenoids extraction and quantification：a review[J]. Analytical Methods，2013，5（12）：2916-2924.

[5] 劉長付，陳媛梅，鄭彩霞.HPCE 法研究番茄中類胡蘿卜素的動態變化[J].中國農業大學學報，2013，18（4）：84-90.

[6] 童慶禧，張兵，鄭蘭芬. 高光譜遙感的多學科應用[M].北京：電子工業出版社，2006.

[7] 趙德華，李建龍.高光譜技術提取不同作物葉片類胡蘿卜素信息[J].遙感信息，2004，19（3）：13-17.

[8] 伍維模，牛建龍，溫善菊，等.植物色素高光譜遙感研究進展[J].塔里木大學學報，2009，21（4）：61-68.

[9] 宋玉，塔西甫拉提·特依拜，李崇博，等.荒漠胡楊葉片含水率的高光譜反演[J].西北農業學報，2016，25（2）：311-316.

（責編：王 菁）