冬小麥生長(zhǎng)期冠層光譜變化相關(guān)環(huán)境因子分析

摘要：研究以許昌市東郊小麥田為試驗(yàn)區(qū)，實(shí)測(cè)小麥冠層光譜數(shù)據(jù)，并采集相應(yīng)樣地的土壤樣本，測(cè)定樣本中氮、磷、鉀的含量以及pH，對(duì)比分析它們之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，樣地冬小麥生長(zhǎng)正常，開花期、灌漿期光譜反射率變化較大；土壤pH較為穩(wěn)定，有利于冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育；銨態(tài)氮含量與冬小麥冠層光譜在起身期到拔節(jié)期變化方向相反，在拔節(jié)期到抽穗期變化方向相同，在抽穗期到灌漿期相關(guān)關(guān)系比較復(fù)雜；當(dāng)有效磷含量較為穩(wěn)定時(shí)，對(duì)小麥冠層光譜無明顯影響，當(dāng)其含量較低時(shí)，與小麥冠層光譜變化方向相反；速效鉀含量不穩(wěn)定，與小麥冠層光譜相關(guān)性比較復(fù)雜。

關(guān)鍵詞：冬小麥；冠層；光譜；環(huán)境因子；相關(guān)分析

中圖分類號(hào)：S512.1+1；O657.3；S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）23-5714-04

小麥的光譜特征研究一直是植物光譜研究的重點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)小麥光譜的研究主要集中在不同施肥水平下小麥冠層光譜特征的分析、不同水分狀況與小麥冠層光譜特征的關(guān)系、葉片營(yíng)養(yǎng)診斷、葉面積指數(shù)等與光譜特性的相關(guān)性、病蟲害或倒伏及葉片灰塵對(duì)光譜特征的影響等方面，所有這些研究都是以植被光譜特征為基礎(chǔ)進(jìn)行的[1-10]。但植被在生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段，光譜特征也不斷變化。影響植物光譜的因素有植物本身的結(jié)構(gòu)特征，也有外界的影響，如空氣、土壤等環(huán)境因子的影響[11-13]。因此對(duì)植被光譜特征及相關(guān)因子的研究非常必要。本研究主要分析小麥冠層光譜變化特征與土壤中氮、磷、鉀含量等相關(guān)環(huán)境因子的關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)大面積小麥長(zhǎng)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于河南省許昌市東郊。許昌市（E113°03′-114°190′、N33°16′-34°24′）位于河南省中部，為中原腹地，平均海拔72.8 m，屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，光照充足，雨量充沛，無霜期長(zhǎng)，四季分明。春季干旱多風(fēng)沙，夏季炎熱雨集中，秋季晴和氣爽日照長(zhǎng)，冬季寒冷少雨雪。年平均氣溫14.7 ℃，年日照時(shí)間2 280 h，年降水量579 mm，年無霜期217 d。境內(nèi)75%的面積為平原，25%的面積為山崗?，F(xiàn)有農(nóng)作物種植面積33.2萬hm2，其中小麥種植面積21.7萬hm2，試驗(yàn)區(qū)比較肥沃，非常適宜農(nóng)業(yè)耕種[6]。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要包括野外實(shí)測(cè)小麥光譜數(shù)據(jù)和試驗(yàn)區(qū)土壤數(shù)據(jù)。小麥光譜數(shù)據(jù)利用美國(guó)ASD野外光譜輻射儀（波長(zhǎng)范圍為325～1 075 nm，光譜分辨率為1 nm）選擇晴朗、無云、無風(fēng)天氣進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)采樣點(diǎn)每次記錄5～6個(gè)采樣光譜，刪除不合格數(shù)據(jù)后取平均值，即為每個(gè)采樣點(diǎn)最后的光譜輻射值。采樣在小麥起身期、返青期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期7個(gè)階段進(jìn)行，測(cè)定的時(shí)間段為10：00～14：00，即在光照條件良好，太陽幾乎直射的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行測(cè)定（太陽高度角大于45°）。光譜數(shù)據(jù)的處理是基于ViewSpecPro軟件平臺(tái)，采用98%的白板反射率計(jì)算小麥光譜反射率。

土壤樣本采用五點(diǎn)采樣法采集，采樣時(shí)將表層腐殖質(zhì)刮去，大田采樣深度為10～20 cm。每個(gè)采樣點(diǎn)的取土深度及取土量應(yīng)均勻一致。鏟去表層腐殖質(zhì)，然后用取土鏟取樣，先鏟出一個(gè)耕層斷面，再平行于斷面取土。土壤樣本經(jīng)過風(fēng)干、碾碎、過篩，然后測(cè)定pH和氮、磷、鉀的含量，此次試驗(yàn)主要測(cè)定了土壤樣本中銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀的含量。

2.2 研究方法

2.2.1 光譜分析方法 對(duì)經(jīng)過預(yù)處理后的光譜特征數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜分析，總結(jié)出冬小麥光譜曲線隨生長(zhǎng)期不同所發(fā)生的變化，并比較同一生長(zhǎng)期同一因素的不同情況下冬小麥光譜曲線，找出單一因素對(duì)冬小麥光譜曲線影響的相應(yīng)波段。定期定點(diǎn)采集生長(zhǎng)期冬小麥冠層光譜數(shù)據(jù)并繪制出光譜曲線圖及曲線對(duì)照?qǐng)D，通過多次采集得出冬小麥在生長(zhǎng)期各個(gè)階段冠層光譜曲線。對(duì)冬小麥生長(zhǎng)期冠層光譜曲線進(jìn)行綜合和對(duì)照，得出小麥生長(zhǎng)期總體光譜特征，并分析小麥冠層光譜特征變化與土壤pH、氮、磷、鉀含量的相關(guān)關(guān)系。

2.2.2 測(cè)定方法 利用土壤實(shí)驗(yàn)室中雷茲酸度計(jì)測(cè)定土壤樣本pH，利用豫農(nóng)2000微電腦土肥速測(cè)儀測(cè)定28個(gè)土壤樣本中銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量，這些數(shù)據(jù)反映不同生長(zhǎng)階段土壤pH和銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)境因子的測(cè)定結(jié)果及光譜曲線圖的繪制

氮、磷、鉀是土壤肥力三要素。氮是植物生長(zhǎng)的必需養(yǎng)分，氮素營(yíng)養(yǎng)狀況直接影響植物葉綠素的組成和含量，進(jìn)而導(dǎo)致葉片光譜特性發(fā)生變化[1-8]。磷對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)有重要的作用，磷在植物體內(nèi)參與光合作用、呼吸作用，有助于增強(qiáng)一些植物的抗病性和抗旱能力，且磷有促熟作用，對(duì)適時(shí)收獲和作物品質(zhì)是重要的[9]。鉀是植物的主要營(yíng)養(yǎng)元素，能夠促進(jìn)光合作用，缺鉀使光合作用減弱，鉀能明顯提高植物對(duì)氮的吸收和利用，并很快轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。

試驗(yàn)主要選擇土壤作為環(huán)境因子，主要分析土壤pH、銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀的含量（表1）與冬小麥生長(zhǎng)期光譜特征的相關(guān)性。繪制的光譜曲線圖見圖1。

3.2 光譜變化與各環(huán)境因子的相關(guān)分析

3.2.1 光譜變化與pH的相關(guān)性 土壤pH對(duì)土壤肥力的發(fā)展有巨大影響，不適宜的土壤pH或土壤pH變化頻繁會(huì)導(dǎo)致土壤微生物的活性降低，土壤肥力的發(fā)展受到嚴(yán)重阻礙[10]。經(jīng)過對(duì)土壤樣本進(jìn)行測(cè)定可知生長(zhǎng)期內(nèi)4塊樣地的pH較為穩(wěn)定，為6.5～7.5，屬于中性，這符合河南省土壤pH弱酸性的大致趨勢(shì)，且整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)，土壤pH比較穩(wěn)定，有利于土壤中有機(jī)質(zhì)的形成，能夠促進(jìn)冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育。在這種情況下土壤pH對(duì)4塊樣地整個(gè)生長(zhǎng)階段有機(jī)質(zhì)形成的影響是一致的，對(duì)光譜特征的影響也較穩(wěn)定，無明顯變化。

3.2.2 光譜變化與氮元素的相關(guān)性 銨態(tài)氮是土壤氮元素的組成部分，是測(cè)定土壤氮元素含量的常規(guī)指標(biāo)，對(duì)植物光譜特征與土壤氮元素之間的相關(guān)關(guān)系有一定的代表性。由表1和圖1可知，4塊樣地的土壤銨態(tài)氮含量變化較大，最大值出現(xiàn)在2號(hào)樣地起身期，含量高達(dá)43.13 mg/kg，最小值出現(xiàn)在3號(hào)樣地開花期，含量只有14.36 mg/kg。4塊樣地銨態(tài)氮含量的平均值為23.02 mg/kg。

綜合分析可知，1號(hào)樣地從起身期到返青期的光譜反射率隨銨態(tài)氮含量的升高而升高，二者變化的方向相同；從拔節(jié)期到灌漿期，土壤銨態(tài)氮含量比較接近，處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，小麥冠層光譜反射率也比較穩(wěn)定。2號(hào)樣地從起身期到返青期，土壤銨態(tài)氮含量呈下降狀態(tài)，而小麥光譜反射率則是上升變化的，二者變化的方向相反；從拔節(jié)期到抽穗期土壤銨態(tài)氮含量比較穩(wěn)定，小麥光譜反射率也比較穩(wěn)定；從抽穗期到灌漿期二者之間又呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。3號(hào)樣地從起身期到拔節(jié)期，二者變化的方向相反，從拔節(jié)期到抽穗期銨態(tài)氮含量比較穩(wěn)定，小麥光譜反射率也比較穩(wěn)定；從抽穗期到開花期銨態(tài)氮含量有明顯的下降，但光譜反射率無明顯變化；從開花期到灌漿期二者變化的方向相同。4號(hào)樣地從起身期到拔節(jié)期二者變化的方向相反，從拔節(jié)期到抽穗期銨態(tài)氮含量比較穩(wěn)定，小麥光譜反射率也比較穩(wěn)定；從抽穗期到灌漿期二者變化方向相反。

由此可知，在小麥的生長(zhǎng)階段中，從起身期到拔節(jié)期這一階段除1號(hào)樣地外其余樣地土壤銨態(tài)氮含量與小麥光譜反射率變化的方向相反，即這一階段以負(fù)相關(guān)為主。從拔節(jié)期到抽穗期銨態(tài)氮的含量比較穩(wěn)定，小麥光譜反射率也比較穩(wěn)定。從抽穗期到灌漿期各樣地的銨態(tài)氮含量變化較大，光譜反射率變化也較大，二者之間相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)不確定性。

3.2.3 光譜變化與磷元素的相關(guān)性 土壤有效磷是土壤中可被植物吸收的磷組分，是土壤磷素養(yǎng)分供應(yīng)水平高低的指標(biāo)，其含量高低在一定程度上反映了土壤中磷素的儲(chǔ)量和供應(yīng)能力。從表1和圖1可以看出，4塊樣地中土壤有效磷的含量大致在同一水平上，且在生長(zhǎng)期內(nèi)含量比較穩(wěn)定，無太大變化。最大值為56.70 mg/kg，出現(xiàn)在1號(hào)樣地拔節(jié)期，最小值是50.55 mg/kg，出現(xiàn)在2號(hào)樣地抽穗期，4塊樣地平均值是54.90 mg/kg。綜合分析可知，在4塊樣地的7個(gè)生長(zhǎng)階段中，2號(hào)樣地從孕穗期到開花期土壤有效磷的含量與小麥光譜反射率呈負(fù)相關(guān)，4號(hào)樣地從抽穗期到灌漿期二者也為負(fù)相關(guān)。其他階段則未表現(xiàn)出明顯相關(guān)關(guān)系。由此可知，冬小麥生長(zhǎng)期內(nèi)土壤有效磷的含量一直比較穩(wěn)定，對(duì)小麥光譜反射率的變化無明顯影響。

3.2.4 光譜變化與鉀元素的相關(guān)性 土壤速效鉀含量的豐缺程度及其分布狀況除與土壤本身含鉀礦物類型及數(shù)量有關(guān)外，與土壤所處的地理位置、土壤母質(zhì)、土壤發(fā)育程度、土壤質(zhì)地及利用方式、培肥程度等因素有密切關(guān)系。由表1和圖1可知，4塊樣地的速效鉀含量平均水平是132.0 mg/kg，屬于中上水平，但分布不是很均勻，最大值可以達(dá)到201.7 mg/kg，而最小值只有86.1 mg/kg。含量的不均勻可能會(huì)對(duì)小麥的生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的影響。

綜合分析可知，1號(hào)樣地起身期到孕穗期光譜反射率與土壤中速效鉀含量變化的方向相反，從孕穗期到灌漿期土壤速效鉀含量和光譜反射率都比較穩(wěn)定，二者變化的方向相反。2號(hào)樣地從起身期到返青期小麥冠層光譜反射率與土壤中速效鉀含量變化的方向相同，從返青期到灌漿期變化的方向相反。3號(hào)樣地二者的相關(guān)關(guān)系比較復(fù)雜，從起身期到返青期二者變化的方向相同，從返青期到拔節(jié)期二者變化的方向相反，從拔節(jié)期到孕穗期二者變化的方向相同，從孕穗期到灌漿期二者變化的方向相反。4號(hào)樣地速效鉀含量比較穩(wěn)定，從起身期到拔節(jié)期二者變化的方向相反，從拔節(jié)期到抽穗期二者變化的方向相同，從抽穗期到開花期是二者變化的方向相反，從開花期到灌漿期二者變化的方向相同。

4 小結(jié)與討論

以許昌市實(shí)測(cè)冬小麥光譜數(shù)據(jù)和相應(yīng)土壤樣本數(shù)據(jù)為依據(jù)，研究冬小麥生長(zhǎng)期冠層光譜特征與土壤氮、磷、鉀含量以及土壤pH的相關(guān)關(guān)系，研究結(jié)果表明：

1）在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)，4塊樣地的土壤pH一直比較穩(wěn)定，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的形成和促進(jìn)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育，但與冬小麥生長(zhǎng)期冠層光譜特征無明顯相關(guān)關(guān)系。

2）在生長(zhǎng)期內(nèi)土壤中銨態(tài)氮的含量與冬小麥冠層光譜特征在起身期到拔節(jié)期以負(fù)相關(guān)為主，拔節(jié)期到抽穗期二者的相關(guān)關(guān)系比較穩(wěn)定，抽穗期到灌漿期二者的相關(guān)關(guān)系比較復(fù)雜。

3）土壤中有效磷的含量較為穩(wěn)定，對(duì)冬小麥生長(zhǎng)期冠層光譜特征無明顯影響。

4）研究區(qū)土壤中速效鉀的含量變化較大，與冬小麥生長(zhǎng)期冠層光譜特征的相關(guān)性比較復(fù)雜，主要表現(xiàn)為3號(hào)樣地光譜反射率變化比較異常。

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