水分胁迫对小麦光谱红边参数和产量变化的影响

水分胁迫对小麦光谱红边参数和产量变化的影响
贺可勋;赵书河;来建斌;罗云霄;覃志豪
【摘要】The objective of the present paper is to study the influence of water stress on wheat spectrum red edge parameters by using field wheat spectrum data obtained from water stress experiment.Firstly,the authors analyzed the influence of water stress on wheat spectrum reflectance.Then the authors got the wheat red edge position and red edge peak through calculating wheat spectrum first-order differential and analyzed the influence of water stress on wheat red edge parameters.Finally the authors discussed the relationship between red peak and wheat yield.The results showed that the wheat red edge position shows "red shift" at the beginning of the wheat growth period and "blue shift" at the later period of the wheat growth period under the water stress experiment.Also,the red edge peak of the wheat showed that red edge peak increased with the water stress sharpening at the beginning of the wheat growth period,and then the red edge peak reduced with the water stress sharpening.The wheat red edge peak presented positive correlation with the wheat yield before the elongation period,and exhibited negative correlation after that period.%在不同的水分胁迫梯度下,利用实验区小麦不同生长期光谱反射率观测数据,研究水分胁迫对小麦光谱反射率、红边参数及小麦产量的影响.首先分析水分胁迫对小麦光谱反射率的影响,然后利用小麦光谱反射率的一阶微分得到小麦光谱反射率的红边位置和红边幅度参数,分析了水分胁迫对小麦光谱红边参数的影响,最后利用水分胁迫下的红边幅度和小麦产量的关系,阐述了小麦水分胁迫下的光谱反射
率特征与小麦产量的关系.研究结果表明,水分胁迫下小麦的红边位置在生长期前期出现红边位置红移现象,生长期后期出现红边位置蓝移现象.水分胁迫下的小麦的红边幅度在不同的生长期表现出不同的变化特征:生长期初期随着水分胁迫的增加而红边幅度增大,生长期后期随着水分胁迫的增加而红边幅度减小.小麦的红边幅度在拔节生长期前与小麦产量呈负相关而拔节生长期之后呈正相关,且不同生长期小麦的红边幅度与小麦的产量的相关系数不同.
【期刊名称】《光谱学与光谱分析》
【年(卷),期】2013(033)008
【总页数】5页(P2143-2147)
【关键词】光谱反射率;水分胁迫;红边参数;小麦产量
【作者】贺可勋;赵书河;来建斌;罗云霄;覃志豪
【作者单位】南京大学地理与海洋科学学院,江苏南京210093 ;南京大学江苏省地理信息技术重点实验室,江苏南京210093;南京大学地理与海洋科学学院,江苏南京210093 ;南京大学江苏省地理信息技术重点实验室,江苏南京210093;中国科学院地理与资源科学研究所,北京100101;南京大学地理与海洋科学学院,江苏南京210093 ;南京大学江苏省地理信息技术重点实验室,江苏南京210093;南京大学江苏省地理信息技术重点实验室,江苏南京210093;南京大学国际地球系统科学研究所,江苏南京210093
【正文语种】中文
【中图分类】S512.1
引言
高光谱遥感凭借其充分利用地物光谱特征的特点为农作物研究提供了新的平台。

植被光谱反射率红边参数由叶片冠层反射率在680～750nm之间的急剧变化形成，是由植物内部对近红外波段的多次散射和叶绿素对可见光的吸收而形成的［1，2］。

大量研究对植被红边给予关注，如：Horler［3］研究发现红边参数能够很
好地表示植被的叶绿素含量、叶面积指数，而且能够适合早期的胁迫指示。

Boochst［4］发现利用从光谱获得的小麦的红边参数可以察觉植被生长过程中的
细小差异。

Filella［5］等利用小麦的红边位置和形状指示出了小麦的叶绿素含量
和生物量，而且红边位置和形状可以作为水分胁迫严重时候的指示指数。

Knipling ［6］发现水分胁迫是另一个影响植被红边峰值的因素。

代辉［7］等认为小麦的
红边位置和红边峰值与小麦的叶面积指数、叶绿素含量有密切关系，认为红边参数可以作为小麦农学参数估测的重要方法。

利用植被红边进行农作物病害监测、叶面积反演、以及胁迫监测等方面的研究［8－10］。

水分是小麦组成的重要组成部分。

水分的盈缺将影响小麦的生长状态和最后的产量。

研究发现，土壤水分含量与小麦的生长状态、产量有十分密切的关系［11，12］。

从建瓯［13］等发现不同生育期冬小麦干物质积累速度随水分胁迫程度的增大而
减小；叶绿素含量表现为中等水平条件下水分含量最大，严重水分胁迫叶绿素降低。

通过设置不同水分胁迫程度的小麦生长实验，研究水分胁迫下小麦的光谱特征以及水分胁迫对最终产量的影响。

研究不同水分胁迫梯度下小麦光谱红边参数的变化特征以及水分胁迫与产量的关系。

1 实验部分
1.1 样方
实验样方设立在中国科学院禹城综合试验站。

实验日期是2011年10月—2012
年6月。

样方分为32个5m×10m实验小样方，分别记为A1－A8，B1－B8，
C1－C8，D1－D8。

32个样方分别设置八种不同水分控制，每种水分控制设置至少4个重复。

实验中分别对A5，A6，A7，A8设置40%田间持水量；B1，B2，B3，B4设置60%田间持水量；B5，B6，B7，B8设置80%田间持水量，采用土壤中子水分仪
每周测定一次土壤含水量，测定深度范围0～50cm，然后根据水分亏缺程度，确
定每个样方当次灌水量。

对于C5－D8分别在返青（C5，C6，C7）、拔节（C8，D7，D8）、抽穗（D4，D5，D6）、灌浆（D1，D2，D3）四个生长期进行水分胁迫实验，在非水分胁迫生长期内，与正常小麦一起灌溉。

A1－A4和C1－C4为雨养水分控制。

雨养处理在冬小麦整个生育期均不灌溉，设置有8个样方重复。

实验样方除水分控制外其他各农业条件一致。

小麦的品种统一为“科农199”。

我们将不同水分控制用不同的编号代替，如表1示。

1.2 地面观测数据
光谱反射率采用ASD FieldSpec 3光谱仪。

观测时间为当日的10：30－14：30。

探头置于离冠层高度约120cm处，垂直向下探测，每个点取5条光谱。

每个样方取三个点，三个点的光谱反射率取平均作为整个样方的光谱反射率。

从小麦的返青生长期开始观测，按照小麦的生长期每个生长期观测一次。

观测时间与对应的生长期如表2所示。

在小麦成熟之后每个样方随机采集10㎡的小麦进行产量测量，最后计算得到每个样方的单位产量和千粒重。

Table 1Wheat water stress水分胁迫雨养1 40%田间持水量 60%田间持水量80%田间持水量雨养2返青受旱拔节受旱抽穗受旱灌浆受旱编号R1 K1 K2 K3
R2 D1 D2 D3 D4样方 A1－A4 A5－A8 B1－B4 B5－B8 C1－C4 C5－C7C8，
D7，D8D4－D6 D1－D3
Table 2Data acquisition and wheat growing period观测时间 3月28日 4月
4日 4月14日 4月28日 5月5日 5月13日 5月18日 5月26日 6月2日小
麦生长期返青返青拔节抽穗开花灌浆乳熟蜡熟完熟
Fig.1 Wheat spectra of different data acquisition date（a）：Seedling establishment period；（b）：Seedling establishment period；（c）：Elongation period；（d）：Jointing period；（e）：Flowering period；（f）：Filling period；（g）：Milk－ripe period；（h）：Dough period；（i）：Ripening period
1.3 红边提取
小麦光谱的一阶微分在600～750nm波段范围内出现一个峰值，把这个峰值所对应的反射率波段叫做红边位置（本文中，第i样方的红边位置用REDi表示），红边位置表现了光谱曲线持续的坡度变化。

红边位置对应600～750nm波谱范围内的一阶微分的峰值为红边幅度。

光谱的一阶微分可表示如下
式中：λ为每个波段波长；ρ（λi）为波长λi的一阶微分值；Δλ是λi－1 到λi 的
间隔。

2 结果与讨论
2.1 光谱分析
图1为在不同水分胁迫梯度下的小麦各个生长期的光谱特征曲线。

由图可以看出，在小麦的返青期，其光谱反射率在400～700nm波谱范围内，光谱曲线没有出现叶绿素吸收谷，并且光谱的形状与土壤的形状相似。

拔节期，小麦光谱的670nm 处有一个明显的吸收谷，在400～800nm波谱区间内各水分控制下的光谱曲线趋近于相似。

乳熟期，叶绿素在400～600nm波谱区间内对光的吸收减少，导致这一段的波段比拔节期要高，在800～1 000nm波谱区间内小麦光谱的反射率趋于
减小。

完熟期在400～600nm波谱区间内，小麦光谱的吸收谷消失，而是出现类似于土壤光谱的波段特征。

不同的水分胁迫梯度对于小麦的光谱发射率影响很大。

在近红外波谱区间内，不同水分胁迫梯度下的小麦的光谱反射率值表现不同。

在小麦的返青期，水分胁迫使小麦在600～700nm处的光谱反射率产生很大差异。

在小麦拔节期到乳熟期，不同水分控制下的小麦的600～700nm处的反射率差别小，但是在近红外波段的反射率受水分胁迫影响产生很大差异。

这一波谱区间内不同水分胁迫下的反射率差异很大。

2.2 产量分析
小麦的单位面积产量和千粒重如表3所示。

田间持水量为40%（K1），60%
（K2），80%（K3）样方的单位产量依次递增。

K1样方的单位产量明显的少于
K2和K3样方单位产量，K2与K3样方的单位产量差别不大。

由此可知田间持水
量大于60%以后小麦的产量受水分胁迫影响不大。

而当田间持水量持续在40%，小麦的生长发育受水分影响严重。

在4个水分胁迫梯度中返青期水分胁迫（D1）、拔节期水分胁迫（D2）样方下小麦的千粒重明显的高于抽穗期水分胁迫（D3）、灌浆期水分胁迫（D4）样方。

小麦单位产量D3和D4样方下明显高于D1和D2样方产量。

这说明D3、D4样方的小麦的单位面积内的籽粒数要多于D1和D2样方。

由此可知，小麦的生长前期受水分胁迫主要影响小麦的籽粒数，而生长后期受水分胁迫则影响小麦的千粒重。

返青和拔节期受水分胁迫的D1、D2的单位产量明显少于D3和D4样方。

据此得知小麦在返青和拔节期受水分胁迫对小麦的影响较大。

通过以上结果我们可以看出，小麦在返青和拔节受水分胁迫之后，小麦的产量受到明显的影响，当小麦进入抽穗和灌浆生长期以后，水分胁迫对小麦的影响程度减小。

Table 3 Wheat yieldK1 K2 K3 R1 R2 D1 D2 D3 D4单位产量（g·m－2） 538.0
660.4 665.0 559.3 536.9 559.2 583.3 639.水分控制0 655.1千粒重／g 38.5 40.6 36.3 37.3 37.9 42.4 40.1 35.7 36.0
Fig.2 Red edge position under the different water keeping situation
2.3 红边位置分析
水分控制下的小麦生长期的红边位置如图2所示。

不同水分控制下的样方，其红边位置分别为：REDR1（指雨养R1样方的红边位置）、REDK1（指40%田间持水量样方红边位置）、REDK2（指60%田间持水量样方红边位置）、REDK3（指80%田间持水量样方红边位置）。

在小麦开花生长期（5月5日）之前小麦的红边位置：REDR1＞REDK1＞REDK2＞REDK3，即随着田间持水量的增加小麦的红边位置波长越大，即出现了红移现象。

当开花期过后，不同水分控制下的小麦红边位置发生变化。

REDK3与REDK2逐渐高于REDK1和REDR1。

在随后的生长期里小麦的红边位置REDK3＞REDK2＞REDK1＞REDR1。

即随着田间持水量的增加小麦的红边位置有变小的趋势，也就是说出现了蓝移现象。

图3为小麦不同水分胁迫下的红边位置。

水分胁迫下的红边位置分别用REDR2（雨养R2样方红边位置）REDD1（返青期水分胁迫D1样方红边位置）、REDD2（拔节期水分胁迫D2样方红边位置）、REDD3（抽穗期水分胁迫D3样方红边位置）、REDD4（灌浆期水分胁迫D4样方红边位置）。

在返青生长期，REDD1，REDR2高于REDD2，REDD3，REDD4。

当小麦拔节生长期（4月14日）后 REDR2高于 REDD1，REDD2，REDD3，REDD4。

在这期间REDD1，REDD2，REDD3，REDD4相等。

小麦灌浆生长期（5月13日）后，雨养样方R2的小麦的红边位置最低；D1和D2的红边位置大致相同且持续低于REDD3，REDD4。

灌浆生长期，受水分胁迫的D4样方由于受水分胁迫时间短，其红边位置保持最大。

前期受水分胁迫的样方的红边位置逐渐小于在后期受水分胁迫的小麦的红边位置。

小麦进入成熟生长期后，前期受水分胁迫的小麦和后期受水分胁迫小
麦的红边位置出现了相等的情况。

由此可见，小麦阶段性的受水分胁迫在小麦生长发育初期表现较明显。

Fig.3 Wheat red edge position under the water stress in different growing period
2.4 红边幅度分析
小麦红边位置对应的一阶微分值是小麦的红边幅度。

水分控制下的小麦红边幅度如图4所示。

小麦红边幅度从返青期开始到抽穗、开花期逐步增长。

开花期后红边
幅度逐渐减小。

在拔节期之前，雨养样方R1的红边幅度大于其他样方的红边幅度。

开花期后小麦R1样方的红边幅度明显小于K2和K3样方的红边幅度。

其中K3样方的红边幅度在拔节期前最小，开花期之后逐渐变为最大。

受到水分胁迫后小麦的红边幅度，在拔节之前随着水分胁迫的增加变大。

在开花期以后小麦的红边幅度随着水分胁迫的加剧而变小。

不同生长期、水分胁迫下的小麦的红边幅度如图5所示。

在小麦生长期前期受水
分胁迫的小麦样方在返青、拔节期的红边幅度要明显的大于后期受水分胁迫的样方的红边幅值。

在灌浆期之后，小麦前期受水分胁迫样方的红边幅度小于后期受水分胁迫的水分控制样方的红边幅度。

由此可知，小麦前期受到水分胁迫在拔节至灌浆期之间的表现并不明显，但在小麦生长期后期可以明显地看到，水分胁迫发生在小麦期越靠后，小麦的红边幅度越大。

Fig.4 Red edge peak under the different water stress situation
Fig.5 Wheat red edge peak under the water stress in different period
2.5 红边幅度对产量影响
对不同时期每个样方小麦的红边幅度与相应样方小麦产量做相关分析，其结果如表4所示。

Table 4 Relationship between red edge peak and yield观测时间 3月28日 4
月4日 4月14日 4月28日 5月5日 5月13日 5月18日 5月26日 6月2日相关性－0.76 －0.52 －0.15 0.22 0.53 0.48 0.60 0.50 0.68
水分胁迫下小麦的红边幅度与小麦产量之间的关系，随着生长期的变化而变化。

在小麦生长期的前期，小麦的红边幅度与小麦产量呈负相关，即小麦的红边幅度越高，小麦产量越低。

而在抽穗期之后，小麦的红边幅度与小麦产量呈正相关。

通过对小麦的红边幅度和小麦产量之间的相关性分析，我们可以通过对小麦生长期后期红边幅度的检测来估算小麦产量。

3 结论
通过设置不同水分胁迫梯度的田间实验，研究水分胁迫对小麦的光谱反射率和小麦产量的影响。

通过分析发现：（1）受水分胁迫小麦的光谱反射率在生长期初期和乳熟期之后，其值在600～700nm波谱区间内有很大差异；在拔节期到灌浆期，其在近红外波段处受水分胁迫影响大。

（2）小麦的红边位置受水分胁迫后，出现开花期之前的红移和开花期之后的蓝移现象。

而水分胁迫的红边幅度表现出：在拔节期之前，随着水分胁迫的增加而增大；在开花期之后，随着水分胁迫的增加而减小。

在拔节、开花期之间，红边幅度的变化并不明显。

（3）受水分胁迫越严重，小麦产量就越低。

同等水分胁迫条件下，在小麦生长期的拔节、返青期两个生长期，水分胁迫对小麦产量的影响大于在其他生长期受水分胁迫的影响。

小麦在生长期前期，受水分胁迫的主要影响是小麦的籽粒数，而生长期后期受水分胁迫则是主要影响小麦的千粒重。

（4）不同生长期的小麦红边幅度与小麦产量之间存在一定的线性关系，并且这种线性关系表现出在拔节期之前呈负相关，抽穗期之后呈正相关。

致谢：衷心感谢中国科学院禹城综合试验站在本文涉及的实验部分给予的支持，同时感谢南京大学地理与海洋科学学院周洪奎、雷步云、王安以及中国科学院禹城综合试验部马彤等在数据处理中给予的帮助。

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