高光谱研究不同施肥条件对冬小麦冠层光谱的影响

张 玥, 田园盛, 孙文义, 2*, 穆兴民, 2, 高 鹏, 2, 赵广举, 2

1. 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 陕西 杨凌 712100 2. 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 陕西 杨凌 712100

引 言

高光谱定量监测植被生长过程和反演生物理化参量已成为研究地表植被地学过程强有力的技术手段。 由于高光谱数据具有丰富的光谱信息， 被测地物的光谱特征可以得到充分体现， 许多学者已经开展了大量应用高光谱精细光谱信息进行植被类型识别和生物物理化学特征参量的反演研究， 并且建立了不少能够反映植被生长状况的高光谱植被指数进行植被动态监测。

冬小麦作为黄土高原的主要农作物， 对其进行长势监测， 科学施肥管理， 有助于提高小麦产量， 改善小麦品质， 以及防止过量施肥引起水土污染[1]。 利用高光谱进行冬小麦养分含量、 叶面积指数、 叶绿素含量等各种植被生物物理化学参数的研究已有不少报道[2]。 贺佳[3]等对黄土高原旱地冬小麦不同生育时期进行研究， 构建了叶面积指数统一监测模型。 王凡[4]等利用冬小麦冠层高光谱和田间同步实测生物量含量， 建立了基于提取的生物量敏感波段的冬小麦监测模型。 Femandez[5]等利用红光(670 nm)和绿光(550 nm)两波段的线性组合预估小麦的氮含量， 具有显著的相关性。 姚付启[6]等通过对不同水氮胁迫下冬小麦高光谱特征差异进行研究， 得出在不同水分条件下冬小麦在可见光波段反射率随氮素含量减少而升高。 不少学者已经进行了对冬小麦碳、 氮、 磷等单一元素生物化学参量的探索， 但缺乏不同元素不同组合施肥下小麦高光谱特征的研究。 本文基于35年长期定位试验， 研究了不同土壤施肥水平和不同施肥组合对冬小麦光谱特征的影响， 探索土壤养分含量—植被生物理化参量—冬小麦冠层光谱特征之间的定量关系， 为不同生育期冬小麦养分丰缺监测和科学合理指导施肥方案提供理论依据和技术支持。

1 实验部分

1.1 研究区概况

长期定位试验区位于陕西省咸阳市长武县十里铺村(34°59′09″—35°18′37″N, 107°38′49″—107°58′02″E)， 属于典型的暖温带半湿润大陆性季风气候， 地处黄土高原沟壑区， 是典型的旱作农业区。 试验地海拔1 200 m， 年均降水量578.5 mm， 年均气温9.2 ℃， >10 ℃积温3 019 ℃， 无霜期172 d， 土壤为粘化黑垆土， 母质是深厚的中壤质马兰黄土， 全剖面土质均匀疏松， 通透性良好， 肥力中等。

试验于1984年开始， 布设长期定位试验(图1)， 试验开始时， 施入耕层土壤(0～20 cm)的养分含量为： 有机质10.5 g·kg-1， 土壤速效钾129.3 mg·kg-1， 土壤有效磷3.0 mg·kg-1， 土壤全磷含量0.659 g·kg-1， 土壤碱解氮含量37.0 mg·kg-1， 土壤全氮含量为0.57 g·kg-1， pH为8.3。 试验地土壤养分含量和地貌特征在黄土高原区域具有一定的代表性。

对长期定位试验中不同施肥处理条件下不同生育期的冬小麦连作种植系统冠层进行了光谱测定。 长期定位试验按照区组设计布设， 方案如表1： NPM(氮、 磷、 有机肥配施)、 NP(氮、 磷肥配施)、 NM(氮、 有机肥配施)、 PM(磷、 有机肥配施)、 P(单施磷肥)、 N(单施氮肥)、 M(单施有机肥)、 CK(对照， 不施肥)8种施肥方式， 共3次重复。 试验单个小区的面积是66.7 m2， 小区的间距为0.5 m， 区组的间距为1.0 m。 试验时所用的氮肥是尿素CO(NH2)2， 磷肥是过磷酸钙Ca(H2PO4)2.H2O， 有机肥是牛粪。 种植作物为冬小麦“长武134”， 在作物播种前定量将肥料一次性全部撒入小区内， 翻入土中， 田间管理同大田。

图1 渭北旱塬农田生态系统长期定位试验

表1 施肥方案

1.2 数据与处理

1.2.1 光谱测定

利用美国ASD公司研发的Field Spec4仪器进行光谱测定， 其波长范围： 350～2 500 nm； 波长重复性： 0.1 nm； 波长精度： 0.5 nm。 分别在2017年4月22日(冬小麦拔节期)、 5月11日(冬小麦抽穗期)、 6月1日(冬小麦灌浆期)和6月18日(冬小麦成熟期)晴天中午前后10:00—14:00之间进行了4次光谱测定， 风力不超过3级。 测量时探头保持与水平面的法线夹角在±10°之内， 避免了阴影干扰。 光谱测定时选用标准视场角进行测定， 得到纯度较高的光谱。 光谱测量前， 需对标准参考板进行定标校准， 然后对目标地物进行测量。 每隔10 min校准一次。 同时详细记录了测点的位置、 小麦长势并配以照相记录。 分别对冬小麦24个小区(8种施肥处理3个区组)不同生育期(拔节期、 抽穗期、 灌浆期、 成熟期)进行了光谱测量， 每个小区不同位置测定5次， 以其平均值作为该小区小麦的光谱反射值。

1.2.2 数据处理

利用ASD光谱仪配套的光谱数据处理软件ViewSpecPro对光谱曲线进行了去噪、 平滑处理。 光谱分析过程中去除了1 350～1 420， 1 790～1 930和2 400 nm处大气水汽吸收形成的噪声干扰。

对反射光谱进行连续统去除运算， 获取了冬小麦光谱的“峰、 谷”变化特征。 计算方程见式(1)

Rc(λ)=aλ+b

(1)

其中，Rc为连续统线反射率；λ为波长位置；a为连续统线截距；b为连续统线斜率。

连续统去除反射率R′(λ)为每个波段光谱吸收处的反射率值与相对应波段位置处连续统线比值

(2)

包络线去除后可以提取波段深度(BD)、 吸收峰面积(A)、 吸收峰左侧面积(AL)和吸收峰对称度(S)等特征值， 其计算方法如下

BD=1-R′

(3)

(4)

S=AL/A

(5)

式中:R′为光谱反射率连续统去除值；CR为原始光谱相应波段对应的连续统去除值；AL是红谷左半端的面积,A为红谷面积是宽度和深度的综合参数[7]。

2 结果与讨论

2.1 单一施肥条件下不同施肥处理对冬小麦冠层光谱特征的影响

不同生育期冬小麦冠层光谱特征的变化因施肥处理的不同表现出明显差异(图2)。

冬小麦拔节期， 在可见光波段(380～760 nm)形成以500 nm为中心的蓝光吸收谷和以670 nm为中心的红光吸收谷， 以及以550 nm为中心的绿光反射峰， 但不同施肥处理其吸收反射特征差异显著。 单施P的光谱反射率高于CK， 单施N和M的光谱反射率低于CK。 CK的去包络值CR500， CR670和CR550值分别为0.467， 0.422和0.601； 单施P， N和M的CR500值分别为CK的1.2倍、 74.9%和70.5%； CR670值分别为CK的1.2倍、 66.8%和62.6%； CR550值分别为CK的1.2倍、 76.2%和76.9%。 在近红外波段(760～1 300 nm)形成了一个高反射峰， 其中单施P光谱反射率略低于CK， 但单施N和M的光谱反射率显著高于CK。 在短波红外波段(1 300～2 500 nm)， 1 450及1 940 nm附近受到水分的强吸收作用形成两个吸收谷， 不同施肥处理的反射特征规律与可见光区相似。

冬小麦抽穗期， 可见光区不同施肥处理条件下形成蓝光(500 nm)和红光(670 nm)的吸收谷以及绿光(550 nm)的反射峰特征差异比拔节期明显增强。 单施P， N和M的CR500值分别为CK(0.572)的1.2倍、 81.0%和53.5%； CR670值分别为CK(0.534)的1.3倍、 76.8%和40.6%； CR550值分别为CK(0.734)的1.2倍、 78.5%和63.4%。 近红外区， 冬小麦冠层光谱在980和1 200 nm处的吸收特征增强， 形成了两个水分吸收谷。 单施M的光谱反射率显著高于CK， 单施P的反射光谱略高于CK， 单施N与CK处理冠层光谱反射率差异不大。 在短波红外区， 单施P显著高于CK， 单施N与CK相似， 单施M处理显著低于CK。

冬小麦灌浆期， 在可见光波段不同施肥处理条件下蓝光和红光的吸收以及绿光的反射特征规律与拔节期相似， 但反射吸收特征明显减弱。 单施M光谱反射率显著低于CK， 单施N与CK相似， 单施P的反射光谱略高于CK。 CK的CR500， CR670和CR550值分别为0.290， 0.269和0.346， 单施P， N和M的CR500值分别为CK的66.6%， 82.4%和57.9%； CR670值分别为CK的59.1%， 77.7%和46.1%； CR550值分别为CK的62.1%， 78.3%和76.9%。 在近红外波段， 单施P的光谱反射率与CK相似， 单施N光谱反射率略高于CK， 单施M显著高于CK。 短波红外波段不同施肥处理的反射特征规律与可见光区相似。

随着冬小麦成熟变黄， 不同施肥处理条件下冬小麦光谱的“峰谷”变化特征差异不再明显。 在可见光范围内红光的吸收特征和近红外高反射特征显著减弱。 总体上单施P反射光谱特征和CK相似且差异不大， 单施N和M的光谱反射率在各个波段均低于CK。

利用连续统去除法提取红谷特征参数值(表2)表明， 单施M的红谷深度(BD)在各生长期均最大， 变化范围在0.736～0.876； 其次为单施N处理； 单施P处理的BD均最小； CK红谷吸收深度小于单施M和N， 但大于P处理。 冬小麦拔节期、 抽穗期和成熟期的红谷面积(A)、 红谷左面积(AL)和吸收峰对称度(S)均为单施P高于CK， 单施N和M低于CK； 冬小麦灌浆期红谷面积和左面积表现为CK最高， 单施N、 M次之， 单施P最小。

表2 连续统去除后红谷光谱特征参数

2.2 组合施肥条件下不同施肥处理对冬小麦冠层光谱特征的影响

不同生育期冬小麦冠层光谱特征因N， P和M组合处理的不同表现出明显的差异(图3)。

冬小麦拔节期， 在可见光波段CK的蓝光吸收谷(500 nm)和红光吸收谷(670 nm)以及绿光反射峰(550 nm)特征值最大； PM组合处理光谱反射率特征值略低于CK； NM， NPM和NP处理光谱反射特征值之间差异较小但显著低于CK。 CK处理的CR500， CR670和CR550值分别为0.468， 0.422和0.602， NM， NPM和NP处理的CR500值分别为CK的25.85%， 27.99%和26.07%； CR670值分别为CK的12.56%， 13.27%和13.98%； CR550值分别为CK的33.39%， 35.38%和37.04%。 而PM处理CR500， CR670和CR550值分别为CK的67.52%， 55.69%和79.40%。 在近红外波段， CK光谱反射率最低， PM处理的光谱反射率略高于CK， 但NPM， NM和NP显著高于CK， 其中NPM最高。 在短波红外波段， 不同施肥处理的反射特征规律与可见光区相似。

图2 单一施肥处理的冬小麦冠层高光谱特征

冬小麦抽穗期， 在可见光波段不同施肥处理条件下形成蓝光(500 nm)和红光(670 nm)的吸收谷， 以及绿光(550 nm)的反射峰与拔节期相似， 但特征值差异比拔节期更大。 CK的光谱反射和吸收特征值最大， CR500， CR670和CR550值分别为0.573， 0.534和0.734。 NM， NPM和NP处理的CR500值分别为CK的25.65%， 27.40%和35.25%； CR670值分别为CK的12.36%， 13.67%和22.85%； CR550值分别为CK的31.47%， 34.33%和31.61%。 PM处理CR500， CR670和CR550值分别为CK的81.85%， 73.41%和88.69%。 在近红外波段， PM处理光谱反射率略高于CK， NPM， NM和NP的光谱反射率显著高于CK， 其中NM最高。 短波红外波段PM光谱反射率略低于CK， 但NM， NPM和NP处理光谱反射率显著低于CK。

图3 组合施肥处理的冬小麦冠层高光谱特征

冬小麦灌浆期光谱反射有较大变化， 不同施肥处理条件下蓝光和红光的吸收以及绿光的反射特征较抽穗期明显减弱。 在可见光波段CK的CR500值、 CR670值和CR550值分别为0.291， 0.268和0.346； NPM， NP和NM的CR500值分别为CK的32.30%， 23.37%和18.56%； CR670值分别为CK的16.76%， 13.58%和9.25%； CR550值分别为CK的47.01%， 38.01%和29.85%。 PM处理CR500， CR670和CR550值分别为CK处理的27.49%， 17.34%和45.15%。 在可见光波段和近红外波段， CK的光谱反射率显著高于NM， NPM， NP， 其次为PM处理， NPM和NM处理光谱反射率特征值最低且差异较小， NP略高于NPM和NM处理。 短波红外区， 各施肥处理反射吸收特征开始减弱， 反射峰较抽穗期较低， 其中NM光谱反射率低于NPM， NP和PM处理。

冬小麦成熟期， 不同施肥组合处理之间的光谱反射吸收特征差异不明显， 但均显著低于CK。

利用连续统去除方法提取红谷特征参数值(表3)表明， 各生育期各施肥处理的红谷位置比较稳定。 各生育期CK的红谷吸收深度值BD均最小， 分别为0.578， 0.466， 0.732和0.815； NM处理的红谷吸收深度最大， 分别为0.947， 0.934， 0.969， 0.906； 其次为NPM； PM处理的红谷吸收深度均小于NM， NPM和NP， 但大于CK。 冬小麦红谷面积(A)、 红谷左面积(AL)和对称度(S)均表现为CK最大， PM处理次之， NM处理最小。

3 讨 论

关于开展土壤养分含量—植被生物理化参量—冬小麦冠层光谱特征之间的定量关系已有不少报道。 赵君伟等[8]对冬小麦不同生育期耕层土壤养分及其冠层反射光谱进行测定， 结果表明在拔节期、 灌浆期和成熟期， 水浇地土壤耕层硝态氮和速效磷含量与植被指数的相关模拟效果达到显著水平。 高林[9]等通过不同植被指数探究不同土壤类型对冬小麦叶面积指数的影响， 通过回归模型分析了各土壤类型下各项植被指数与叶面积指数的相关性。 受土壤背景条件的干扰， 不同学者研究往往存在较大差异。 长期定位试验可以消除环境背景条件的干扰， 能够真实地反映特定气候条件下施肥处理对冬小麦特征光谱的影响。 长期定位试验在监测土壤肥力变化， 评价施肥效应， 长期评估增产效应， 探究生态环境质量演变规律等方面具有重要意义。

基于高光谱技术能快速无损地监测作物生长状况以及获取养分丰缺信息。 王慧芳等利用冠层光谱反射率对冬小麦冻害胁迫进行反演， 建立了基于冠层尺度上的冬小麦冻害严重度反演估测模型。 王乐辉等[10]对叶片含磷量与光谱反射率做相关分析， 得出抽穗期是小麦营养光谱诊断的最佳时期。 崔贝等[11]对比了施肥前后冬小麦冠层光谱变化量以及归一化植被指数的差异， 发现不同施肥处理之间冬小麦长势和光谱特征存在差异。 单一施肥条件下小麦光谱特征的研究较多， 缺乏两种及以上组合施肥条件下小麦光谱特征的深入研究。 本研究发现， 所有施氮组合NMP， NP和NM均表现出相似的规律， 可见光波段的红、 蓝光吸收谷吸收深度BD值以及近红外波段的光谱反射率均显著高于CK， 而PM组合光谱反射特征值略低于CK。 赵刚峰[12]研究认为， 氮在植物生长发育过程中是植物细胞原生质、 蛋白质、 叶绿素的重要组成部分， 叶片光合作用随施氮量增加而加强， 对可见光吸收强， 是造成可见光波段施氮组合光谱反射率低于CK的主要原因。 其次， 组合施肥处理的光谱反射率在可见光波段均低于单一施肥和CK， 近红外波段的光谱反射率都较单一施肥高。 表明组合施肥产生协同效应， 具有明显的耦合效应， 能提高小麦的光能和养分利用率。

4 结 论

基于长期定位试验， 研究了黄土高原渭北旱塬不同施肥处理对冬小麦冠层光谱特征的影响， 取得以下成果。

(1)冬小麦从拔节期到抽穗期， 不同施肥处理下蓝红光吸收谷和绿光反射峰特征差异比拔节期明显增强； 至灌浆期， 反射特征峰谷明显减弱； 至成熟期， 不同施肥处理条件下冬小麦光谱的“峰谷”变化特征差异不再明显。

(2)单一施肥条件下， 可见光区单施P的蓝、 红光吸收谷(CR500， CR670)和绿光反射峰(CR550)均高于CK， 单施N和M的光谱反射率显著低于CK。 近红外区， 单施P光谱反射率略低于CK， 但单施N和M显著高于CK。 短波红外区不同施肥处理的反射特征规律与可见光相似。

(3)组合施肥条件下所有施氮组合NMP， NP和NM均表现出相似的规律， 在可见光波段红、 蓝光吸收谷吸收深度和绿光反射峰的反射率峰值以及近红外波段的光谱反射率均显著低于CK； PM组合光谱反射特征值略低于CK。