基于NIRG的冬小麦叶绿素含量的监测

1 引言小麦是我国主要的粮食作物之一，其产量是各级政府进行决策、生产部门指导生产、流通领域安排粮食收购和销售、交通部门安排运输计划的重要经济信息。

因而小麦产量的准确预测对我国农业和经济的发展具有重要意义。

遥感技术和地理信息系统的引入为解决这一问题提供了有效手段[1]。

遥感估产小麦种植是通过卫星可见光和近红外波段进行组合，形成各种植被指数，根据植被的光谱特性，来研究植被演化信息[2]。

近20年来利用遥感进行作物实时监测和营养快速诊断一直是遥感在农业中应用的研究热点。

高光谱遥感技术能通过监测作物生育时期的光谱变化研究作物反射光谱和叶绿素含量、叶面积指数等农学参数之间的关系，为作物遥感长势监测和遥感估产提供依据[3]。

利用卫星遥感信息进行农作物的长势监测和产量估计，主要依据农田作物光谱的反射特征，即同一作物在同一时间的不同波段以及在不同时间内具有不同的反射辐射状况。

然而，农田作物光谱实际上是多种光谱混合的结果，但微分光谱、植被指数等技术在水稻农学参数测定研究应用中有着很好的表现[4]，除作物本身状况外，农田作物光谱受土壤背景状况的影响由于栽培措施不同，作物本身又出现各种生长状况，因而可表现出各种各样的光谱状况。

卫星遥感信息反映的是野外条件下地物的反射辐射状况，因而可表现出各种各样的光谱状况。

卫星遥感信息反映的是野外条件下地物的反射辐射状况，田间野外测定的地面光谱与其具有很好的可比性。

从高光谱数据中提取植被指数进行长势监测和氮营养诊断也是其中重要的内容，研究表明红光和近红外波段的不同组合进行植被研究非常好，这些波段包含90%以上的植被信息。

研究发现不同氮水平下的水稻冠层、叶片和稻株的反射光谱具有差异，其叶面积指数和叶绿素含量与高光谱数据有相关性[5]。

高光谱技术在作物监测上的潜力也很大，它是有光谱范围广（400～2500nm）、波段多（512～1024个）、光谱分辨率高（3nm）、数据量大等优点，可以用来监测作物叶片和冠层的生化组分的状况和变化。

但它作为成熟的技术应用到作物遥感监测上之前，首先要进行地面模拟和测试，确定传感器测量光谱范围、波段设置（波段数、宽度、位置）和评价遥感数据的应用潜力[6]。

由于地面遥感技术的发展，应用冠层反射光谱估测植物冠层化学组成的前景正引起越来越多的关注。

国外学者早在20世纪80年代开始了大量研究[7,8]，我国起步相对较晚。

近年来，已有一些有关作物冠层反射光谱的变化规律及氮素敏感波段选择的研究[9,10]，并对地面高光谱数据的红边特性与作物生化参数的关系作了有意义的探讨[11]。

随着高分辨率遥感技术研究的深入，利用弱光谱差异对地物特征进行定量分析的研究得以广泛开。

许多学者利用宽波段光谱和高光谱技术对玉米的生物物理和化学参数作了大量研究。

在玉米上研究表明，近红外光谱反射率（760～900nm）与红光光谱反射率（630～690nm）的比值比单一波段的光谱反射率能更好地区分氮的不同处理[12]。

吴长山等提出利用玉米群体的反射光谱数据能很好地反映叶片叶绿素密度的信息[13]。

周学秋和朱雨杰依据不同生育阶段和不同灌溉条件下小麦冠层反射光谱特征，找出最能有效区分生育阶段和灌溉条件的波段，并利用模糊聚类的方法加以区分[14,15]。

薛利红等通过光谱分析可以识别不同栽培措施和生长状况下的水稻群体[16]。

谭昌伟等[17]探讨了夏玉米叶片全氮、叶绿素及叶面积指数的光谱响应，并建立了相关估测模型。

但就利用某单一叶片光谱反射率对玉米整个生育期进行监测，找出诊断氮素营养状况的敏感时期并没有做一揭示；而且对叶片全氮和叶绿素含量与整个生育期某单一叶片光谱反射率的相关性未做系统的研究。

叶绿素含量和植被的发育阶段以及氮素状况有较好的相关性，它通常是氮素胁迫和植被发育阶段的指示器。

由于叶片含氮量和叶绿素之间的变化趋势相似，所以可以通过测定叶绿素来监测植株氮素营养[18]。

近年来，遥感无损监测技术的发展为作物生理生化参数的监测提供了新的方法和手段，对于作物长势监测、营养诊断和产量估测等均呈现出良好的应用前景。

叶片氮素营养对于作物长势、产量和品质的形成都具有重要意义。

在利用冠层反射光谱监测叶片氮素积累量的基础上，结合小麦氮素营养诊断的理论知识与实践经验，构建小麦氮素营养光谱诊断模型，可以推动精确农业的发展及应用，这也是今后进一步研究的内容[19]。

不同氮素营养水平冬小麦的冠层光谱存在差异，表明冬小麦光谱反射率曲线变化的规律性和提取的植被指数变化规律性与其生长发育的群体变化规律是对应的。

对冬小麦冠层的光谱测定，从中提取有用的植被信息可以估算冬小麦的农学参数，包括物理指数和叶片生化成分，进行不同氮素营养水平下的冬小麦长势监测和氮素营养亏盈诊断。

本文研究了不同氮素营养水平冬小麦生育期间叶片叶绿素含量的变化，并利用多光谱技术对其叶片冠层的光谱反射率进行了监测，而且将这两个光谱参数和农学参数作了对应分析。

通过分析叶绿素含量CHLC与近红外与绿光比值NIR/G在生育期内各个阶段的相关性，得出灌浆期间CHLC与近红外与绿光比值存在极显著的正相关，表明运用光谱指数NIR/G来反演叶绿素含量，进而用来预测预报籽粒品质是切实可行的，为采用光谱方法监测作物长势和诊断作物氮素营养状况提供新的技术措施。

2 材料与方法2.1实验材料供试土壤：山西农业大学校内试验田，土壤质地为黄土母质上发育的石灰性褐土，土壤肥力水平中等，土壤有机质含量22.01g/kg；碱解氮53.8mg/kg；有效磷18.43mg/kg；速效钾236.9mg/kg。

供试品种：京9428（直立叶多穗型）P1组，超优66（披散叶大穗型）P2组。

供试肥料：N肥（尿素含氮46.4%），P肥（过磷酸钙含P2O516%）。

2.2实验设计肥料单因素试验，采用随机区组设计，氮肥为尿素，用做基肥一次性施入；磷肥不设处理作为基肥在播种前一次施入，施入量为9Kg/亩。

此试验为常规灌溉。

小区面积2×3m2，行距为20cm，重复3次，田间管理各处理相同。

进行5个不同N素水平处理，分别为：N0（不施氮）、N1（缺氮10kg/hm2）、N2（氮适中20kg/hm2）、N3（氮过量25kg/hm2）、N4（氮严重过量30kg/hm2）。

播种时间2009年10月11日，播量为225kg/hm2。

2.3测定项目与方法2.3.1叶绿素含量（CHLC）测定分别于试管中加入5mL提取液，取当时已全展的最顶部及其邻位下叶，取中部去叶脉剪碎后混匀供试。

把叶片剪成宽度小于2mm的细丝或小块，混匀，分别准确称取100mg放入盛有提取液的容量瓶中，封口，置于黑暗条件下直接浸提。

丙酮与乙醇（2∶1）效果最佳，且最优的浸提效果出现在16h左右。

试剂：80%丙酮叶绿素含量（mg·g-1）=（C×V）/（W×1000）式中，C：叶绿素浓度（mg·L-1）；V：提取液总体积（ml）；W：叶片鲜重（g）2.3.2光谱测定和取样时期田间光谱测试日期分别为：3月25日（返青期），4月15日（拔节期），5月6日（孕穗期），5月16日（抽穗期），5月22日（开花期），6月9日（灌浆期），6月19日（成熟期）。

对小麦进行光谱采集，同时进行破坏性采样。

2.3.3小麦冠层光谱的测定实验区小麦各小区的群体光谱数据测量采用美国Cropscan公司生产的MSR-16R型多光谱野外便携式辐射计，仪器视场角为31度，波段特征见表1。

表1.Cropscan波段的中心波长和带宽波段Band460510560610660680710760中心波长（nm）Center wavelength带宽（nm）Band width 461.38.3510.68.1561.68.5609.910.0659.110.8680.911.3711.89.2759.59.8波段Band81087095011001220148015001650中心波长（nm）Center wavelength带宽（nm）Band width 810.110.7871.612.5951.011.01101.916.31222.811.51481.113.51500.913.21669.0195.0该仪器的光谱分辨率已经达到高光谱的光谱分辨率范围，且覆盖了小麦的敏感波段区（500nm-900nm）。

其中可见光为460nm、500nm、550nm、600nm、650nm、670nm、730nm；近红外为780nm、800nm、850nm、950nm、1050nm、1100nm、1200nm、1260nm、1460nm。

小麦冠层反射光谱测量从拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期各测量一次，每个小区各重复测量三次后取平均值。

测量选择在晴朗无云的日子进行，时段在10：00－14：00之间。

测量时探头垂直向下，距冠层垂直高度保持在1.5m左右。

仪器每季度用白色标准版校准一次。

2.4数据分析通过实验测定计算并记录叶绿素含量数据以及R800与R550光谱反射率，并通过近红外与绿光比值（NIR/G）NIR/G=R800/R550公式得出数值(R为反射率；NIR为近红外光反射率；G为绿光反射率)。

分析冬小麦在不同氮素水平下CHLC与NIR/G随不同生育时期的变化，分析冬小麦叶绿素含量和高光谱植被指数近红外与绿光比值的相关性，然后利用线性回归分析建立相应的模型。

3 结果与分析3.1不同氮素水平下叶绿素含量（CHLC）随生育期的变化图1 不同氮素水平京9428（a）和超优66（b）叶绿素含量CHLC随生育期的变化由图1可知，冬小麦京9428叶绿素含量从孕穗期开始增加，到开花期达到最大值，开花期后，其CHLC随生育期推进迅速降低。

这主要是由于孕穗期到开花期，冬小麦叶面积持续增加，叶绿素含量不断增加；而开花期后冬小麦慢慢成熟，叶片衰老，叶绿体解体，叶绿素含量明显下降。

超优66N3和N4处理叶绿素含量在灌浆期达到最大值，灌浆期之后迅速降低，这是由于施肥量的过量造成植株的徒长。

冬小麦京9428在开花期前叶绿素含量(CHLC)增加较为突出，而超优66在开花期之前叶绿素含量(CHLC)上升则较为缓慢。

3.2不同氮素水平下冬小麦（NIR/G）随生育期的变化图2 京9428（a）和超优66（b）不同氮素水平下冬小麦NIR/G随生育期的变化上图为京9428和超优66在不同氮素水平下NIR/G值随生育时期的变化图。

从中可以看出，京9428从返青期开始NIR/G值不断增加，到抽穗期达到最大值；抽穗期以后到灌浆期有减少，回升过程。

其后随生育时期的推进，NIR/G值值逐渐下降。

在不同施氮水平下冬小麦NIR/G存在差异，总体上随施氮量的增加呈上升趋势。