基于光谱红边参数的棉花黄萎病叶片氮素含量诊断研究

棉花学报Cotton Science2013,25(3):254~261基于光谱红边参数的棉花黄萎病叶片氮素含量诊断研究陈兵1,王方永1,韩焕勇1,刘政1,邓福军1,林海1,余渝1,李少昆2,3,王克如2,3,肖春华3(1.新疆农垦科学院棉花研究所/农业部西北内陆区棉花生物学与遗传育种重点实验室/国家棉花改良中心新疆生产建设兵团分中心,新疆石河子832003;2.中国农业科学院作物科学研究所/国家农作物基因资源与基因改良重大科学工程,北京100081;3.新疆兵团绿洲生态农业重点开放实验室/石河子大学,新疆石河子832000)摘要:以黄萎病胁迫下棉花叶片为供试材料,分析了黄萎病棉叶氮素含量(LNC)与光谱红边参数间的关系,建立了黄萎病棉叶LNC(Leaf nitrogen content)的光谱红边参数诊断模型。

结果表明:(1)随着黄萎病严重程度的增加,棉叶LNC逐渐减小,且差异显著;(2)黄萎病棉叶红边参数红边位置(REP)、红边振幅(Dr)、红谷位置(Lo)、红边深度(Depth672)和红边面积(Area672)均减小,红边宽度(Lwidth)增加,且Area672的值减小的幅度最大, Dr减小的幅度最小,Lwidth的值增加的幅度较大;(3)黄萎病棉叶LNC含量均与红边参数REP、Lo、Depth672和Area672呈极显著正相关,与Lwidth呈极显著负相关,与Dr未达显著相关;(4)基于红边参数建立的黄萎病棉叶LNC含量的诊断模型均达到极显著水平(<0.01),其中以Area672为自变量建立的黄萎病棉叶LNC的诊断模型的精度最高,2超过0.7,小于0.6,小于0.007,能很好地诊断黄萎病棉叶LNC。

关键词:棉花;黄萎病;胁迫;高光谱;红边参数;氮素含量;诊断模型中图分类号:S562文献标志码:A文章编号:1002-7807(2013)03-0254-08CHEN Bing1,WANG Fang-yong1,HAN Huan-yong1,LIU Zheng1,DENG Fu-jun1,LIN Hai1,YU Yu1,LI Shao-kun2,3,WANG Ke-ru2,3,XIAO Chun-hua3(1.832000,;2.100081,;3.832003,) Using data from red-edge parameters of haperspectra,we endeavored to provide an expedient way to extract leaf nitro-gen contents(LNC)of cotton infected with Verticillium wilt,and to lay the groundwork for estimating cotton yield infected by Verticillium wilt using remote sensing technology.The relationship between LNC and red edge parameters were analyzed,and diagnose models of spectra red edge parameters were established for cotton leaves infected by Verticillium wilt.The main results are as follows:(1)With the increase of leaf severity level,LNC little by little decreased,difference is significant.(2)In all red edge parameters,REP,Dr,Lo,Depth672and Area672all decreased,and the degree of decrease was maximum to Area672value,the degree of decrease was minimum to Dr value;but Lwidth largely increased.(3)LNC had best significant positive correlations with REP,Lo,Depth672and Area672,had best significant negative correlations with Lwidth,and no best significant correlations with Dr.(4)Diagnose models of LNC to disease cotton leaves on the basis of spectra red edge parameters all attached best sig-nificant correlations(<0.01).The diagnose models based on Area672had best estimated precision for LNC,and2were over 0.7,less than0.6,less than0.007.So using red edge parameters of haperspectra monitor LNC of cotton infected by 收稿日期:2012-07-09作者简介:陈兵(1979-),男,博士,副研究员,zyrcb@基金项目:国家自然基金(41161068);兵团科技攻关项目(2011BA001,2011BA008)和新疆农垦科学院科技引导计划(YYD201102)3期陈兵等:基于光谱红边参数的棉花黄萎病叶片氮素含量诊断研究Verticillium wilt is accurate and convenient,and those models can better diagnose LNC.cotton;Verticillium wilt;disease stress;hyper spectra;red edge parameters;nitrogen contents;diagnose models植被叶片氮素是表征植被健康状况的主要生理指标,氮素是影响植被生长最重要的营养元素,因此,氮素含量的变化能直接和间接地反映作物生长好坏,最终影响作物的产量与品质[1-2]。

由于氮素含量与植被营养、长势等指标密切相关,他们与植被光合能力、发育阶段又有较好的相关性,所以它通常被认为是植被胁迫、光合作用能力和植被发育阶段的指示器[3]。

光谱红边主要是由植被叶片叶绿素在红光波段对光的强烈吸收与叶片内部组织在近红外波段对光的多次散射形成的强反射造成的,波长范围一般在680～750nm。

由于光谱红边主要依据作物的营养状况、生物量和物候期而发生变化,作物的叶片组织发生变化时也会引起光谱红边的相应变化,尤其当植被受到各种胁迫时植被的红边特征常发生显著的变化[4-6]。

因此,可通过光谱红边特征对植被叶片氮素含量进行估测。

前人利用光谱特征对植被氮素含量监测进行了大量的研究。

例如,直接采用光谱反射率监测植株氮素含量[7],利用对数形式的植被指数监测植株氮素含量[8],利用不同敏感波段构建不同植被指数监测植株氮素含量[9]。

在利用光谱红边参数监测植被氮素含量方面,众多学者也提出了不同的监测方法:有直接采用单一方法计算某一红边参数对植株氮素含量进行监测的研究[10-11],有改进或创建新的红边参数对植株氮素含量进行监测的研究[12],有利用不同算法计算同一光谱红边参数对植株氮素含量进行监测的研究[13-14],也有采用2种或2种以上不同红边参数对植株氮素含量进行监测的研究[15-17]。

但多数研究并不深入和全面。

例如,有的仅分析了不同的氮素水平下作物光谱和红边参数特征,并未对他们之间的相互关系进行分析[10];有的虽然较深入分析了红边参数和叶片氮素的变化情况及两者的相关性,但未做进一步的定量诊断和反演分析[18];有的虽利用1个或2个红边参数对作物叶片氮素情况进行了诊断,但未考虑到其他不同红边参数的诊断情况[13];也有的虽利用不同红边参数对作物叶片进行了诊断,但未对结果进行比较和分析[15];利用红边参数对病害叶片氮素含量进行诊断的系统研究更是少见[12]。

本文考虑到以往研究的不足,全面开展黄萎病胁迫下棉叶氮素含量的多个红边参数的比较研究,筛选出相关性最好的红边参数,建立了黄萎病棉叶氮素含量的最佳红边参数诊断模型,以期为大面积航空航天遥感监测棉花病害及长势监测、估产提供理论依据。

材料与方法试验地及种植情况试验于2005－2011年在新疆石河子棉区进行。

分别进行2个不同的试验,实验点位置如图1。

第一个试验分别设在石河子大学新疆作物高产研究中心试验站和新疆农垦科学院棉花所黄萎病病圃田。

2个试验点相距约5km,前茬均为棉花,因此,土壤特性相近,均为壤质灰漠土,有机质含量19～22g·kg-1,碱解氮含量77～82mg·kg-1、速效磷含量93～97mg·kg-1、速效钾含量300～315mg·kg-1。

2005－2009年在石河子大学新疆作物高产研究中心试验站供试棉花品种8个(新陆早6号、新陆早7号、新陆早13号、新陆早24号、新陆早33号、中棉所36、新彩5号和新海21号)。

小区面积约为42.5m2,按随机区组设计,3个重复,种植密度为24万株·hm-2。

2005－2006年为60cm+30cm宽窄行设计,2007－2009年为15cm+50cm宽窄行设计。

分别在每年的4月中下旬播种,覆宽膜种植,膜上点播,膜下滴灌,灌水量为3300m3·hm-2,施肥量为纯氮300kg·hm-2,P2O5150kg·hm-2和K2O75kg·hm-2。

全生育期灌溉11次,时间从每年的6月12日开始到8月24日结束,每8d灌溉一次。

所有的磷、钾和1/3的氮肥被用作基肥,2/3的氮肥用作追肥,其中2005－2007年于每年的6月28日和7月26日分2次随水施入,2008－2009年按比例每次灌水时随水滴施。

其他按当地高产栽培模式管理。

2010－2011年在新疆农垦科学院棉花所黄萎病病圃田种植新陆早8号和新陆早33号2个品种。

小区设置和管理均与石河子大学新疆作物高产研究中心试验站基本相同,种植密度为26255棉花学报25卷样本材料获取及病情严重度分级在黄萎病发生高峰期进行病害严重度调查,不同严重度类型注意选用棉株相邻或相近叶位叶片作为样叶,每小区内取棉株3株(包括正常和黄萎病棉株),每株取发病不同程度棉叶5片(包括正常叶)作为样本叶片。