全 文 ：第21卷 第5期
Vol.21 No.5
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2013年 9月
Sep. 2013
doi:10.11733/j.issn.1007-0435.2013.05.010
紫花苜蓿植株含氮量的高光谱估测技术研究
付彦博,范燕敏,盛建东*,武红旗,李 宁,朱高飞,刘焕鲜,龚双凤
(新疆农业大学草业与环境科学学院,新疆 乌鲁木齐 830052)
摘要:通过研究不同施氮水平下各生育期紫花苜蓿(MedicagosativaL.)冠层光谱反射率,对不同施氮水平下苜蓿
地上部器官氮含量与可见光波段(510,560,610,680,710,760nm)和近红外波段(810,870,950nm)的植被指
数(RVI,DVI,NDVI和RDVI)进行相关性分析,确立了苜蓿现蕾期叶、蕾、植株的光谱预测模型。结果表明:760,
810和870nm构建的植被指数与苜蓿地上部器官氮含量的相关性较好;通过筛选建立的植株氮含量与差值植被指
数DVI(760,810)光谱预测模型最优,调整R2 和相对平均误差分别为0.919和9.1%。所建立的紫花苜蓿氮含量
光谱预测模型可为新疆苜蓿营养诊断与施肥提供决策依据。
关键词:紫花苜蓿;氮肥;冠层光谱反射率;植被指数;模型
中图分类号:S143.1;O657.3 文献标识码:A 文章编号:1007-0435(2013)05-0902-05
HyperspectralEstimationTechniqueofPlantNitrogenContentofAlfalfa
FUYan-bo,FANYan-min,SHENGJian-dong*,WUHong-qi,LINing,
ZHUGao-fei,LIUHuan-xian,GONGShuang-feng
(XinjiangAgriculturalUniversity,ColegeofGrasslandandEnvironmentalSciences,Urumqi,Xinjiang830052,China)
Abstract:Spectralreflectancecharacteristicsofalfalfa(MedicagosativaL.)canopyunderdifferentnitro-
genlevelswerestudiedinthisresearch.Relationshipsbetweenthenitrogencontentsofabovegroundor-
gansandthevegetationindices(RVI,DVI,NDVIandRDVI)ofvisiblewavelengths(510nm,560nm,
610nm,680nm,710nm,and760nm),andnearinfraredwavelengths(810nm,870nm,950nm)were
analyzed.Thespectralpredictionmodelofnitrogencontentsofalfalfaleaves,budsandplantswereestab-
lishedrespectivelyinbuddingperiod.Resultsshowedthatvegetationindexestablishedby760nm,810nm
and870nmhadbettercorrelationwiththenitrogencontentsofabovegroundorgans.Theoptimalspectral
predictionmodelwasdeterminedbycomparison,whichwasvegetationindexDVI(760,810)prediction
model,andadjustingR2was0.919,averagerelativeerrorwas9.1%.Therefore,spectralpredictionmod-
elsestablishedforevaluatingthenitrogencontentsofalfalfainthisresearchmightprovideabasisofdeci-
sionmakingforthenutritionaldiagnosisandfertilizationofalfalfainXinjiang.
Keywords:Alfalfa;Nitrogen;Canopyspectralreflectance;Vegetationindex;Model
随着国家西部大开发战略的实施,结合退耕还
林还草工程和大面积人工草地的建植,国内苜蓿
(Medicagosativa L.)种子短缺的状况进一步突
显,严重影响新疆支柱产业之一畜牧业的发展[1]。
氮肥调控是影响制种苜蓿产量和品质的关键因素之
一[2-4]。传统诊断苜蓿氮素状况的方法大多为室内
常规方法,且对植物进行破坏性损伤,此方法虽然较
为准确,但费时、费工、分析成本高,难以快速和简单
应用,因此,迫切需要一种能随时进行大面积快速无
损检测植物营养元素的新方法。高光谱遥感具有简
单、快速无损监测植物生长状态的特点[5],朱艳等[6]
利用植被指数方法,确立了棉花(Gossypiumspp.)
叶片氮含量的敏感波段及预测方程。Stone等[7]利
用光谱去包络线、吸收深度(或吸收面积)和多元回归
方法对植物氮含量进行估算,取得了良好的验证效
果。在牧草监测方面,Abrams等[8]利用近红外指纹
收稿日期:2013-03-18;修回日期:2013-04-28
基金项目:新疆维吾尔自治区科技支疆项目(201291142);国家自然科学基金(31160113)资助
作者简介:付彦博 (1986-),男,河南驻马店人,硕士研究生,主要从事土壤与植物营养研究,E-mail:fyb6915028@163.com;*通信作者
Authorforcorrespondence,E-mail:sjd-2004@126.com
第5期 付彦博等:紫花苜蓿植株含氮量的高光谱估测技术研究
光谱技术分析了牧草品质;聂志东等[9]采用滤波法准
确测定了苜蓿干草纤维素含量;奇晓等[10]通过最小
二乘法建立了预测紫花苜蓿茎组分营养价值的模型。
但是在制种紫花苜蓿的氮素营养诊断方面研究报道
较少。因此,本文通过研究不同施氮水平下苜蓿生育
期地上部各器官的氮素含量与其冠层光谱反射率之
间的关系,建立苜蓿氮素营养无损光谱诊断模型,为
新疆制种苜蓿的优质高产提供重要的理论指导。
1 材料与方法
1.1 试验设计
试验于2011年在新疆呼图壁县种牛场新疆农
业大学草地生态实验站进行,前茬作物苜蓿,供试品
种为新疆农业大学培育的新牧1号杂花苜蓿(M.
varia‘XinmuNo.1’),条播,密度为6kg·hm-2,
试验地土壤基本性状如表1所示。
表1 试验区土壤主要理化性质
Table1 Basicpropertiesofsoilinexperimentalsite
采样深度
Samplingdepth
/cm
有机质
Organicmatter
/g·kg-1
碱解氮
Availablenitrogen
/mg·kg-1
有效磷
Availablephosphorus
/mg·kg-1
速效钾
Availablepotassium
/mg·kg-1
总盐
Totalsalt
/g·kg-1
pH
0~20 13.36 14.2 27 289 10.2 7.9
20~40 10.98 10.8 18 262 9.1 7.9
试验采用完全随机区组试验设计,共设4个氮素
(含 N46%的尿素)水平,分别为0,100,150,200
kg·hm-2,分别记为N0,N1,N2和N3,于现蕾期灌水
时1次性施入,磷肥(含P2O546%的重过磷酸钙)300
kg·hm-2、钾肥(含K2O40%的硫酸钾)75kg·hm-2
作为基肥一次性施入;每个处理设置5次重复,共20
个小区,每小区20m2,其他管理同田间实际生产。
1.2 测定方法与内容
采用美国SVC公司生产便携式地物光谱仪
(SVCHR-768)测量苜蓿冠层的光谱反射率;该仪
器的波长范围:350~2500nm;光谱分辨率:3nm
(350~1000nm)、10nm(1000~2500nm);视场角:
4°,探头离苜蓿冠层的距离为40cm,面向太阳垂直
角度进行光谱采集。光谱测定时选择晴朗无云、无
风的天气,在12:00-16:00进行,每10min做1次
白板校正,尽可能消除大气辐射的影响。
在紫花苜蓿现蕾期(2011年5月25日)、花期
(2011年6月20日)、结荚期(2011年7月10日)进
行采样,每个处理小区选取代表性苜蓿5株测定其
冠层光谱和全氮含量,每1株采集10条光谱,取其
均值作为该植株的平均光谱反射率,测定完光谱后
齐地面剪下地上部植株,迅速带回实验室,按茎、叶、
生殖器官分别采样,立即在105℃下杀青20min,然
后在80℃烘干并粉碎。采用浓 H2SO4-H2O2 消煮,
用奈氏比色法测定地上部器官全氮含量。
1.3 光谱数据处理与分析
利用光谱仪配套软件对原始光谱数据进行预处
理;采用移动平均法平滑去噪,使数据具有更好的连
续性。由于2481~2500nm光谱曲线波动性较大,
故将其剔除。为了获取苜蓿地上器官氮含量的光谱
估测模型,通过苜蓿冠层光谱衍生的植被指数与各
生育期的苜蓿各器官氮含量进行拟合,然后确定最
佳估测模型。
植被指数的计算公式[11]:归一化植被指数ND-
VI(NDVI=(N-R)/(N+R));差值植被指数
DVI(DVI=N-R)和再归一植被指数RDVI(RD-
VI=(NDVI×DVI)1/2);比值植被指数RVI(RVI
=N/R),其中N 表示近红外波段的反射率;R表示
红波段的反射率。
2 结果与分析
2.1 不同生育期紫花苜蓿冠层光谱反射率变化
以N2水平下冠层高光谱反射率为例,通过分
析不同生育期紫花苜蓿冠层反射率的变化可知(图
1):紫花苜蓿冠层反射光谱的形状随生育期推进的
变化趋势相同。在可见光波段(400~680nm)范围
内,随着生育期的推进高光谱反射率先升高后下降,
结荚期反射率最低,可能是由于苜蓿在结荚期叶面
积较大,光合能力强,对红光和蓝光的吸收较强,其
反射率逐渐降低,促使绿色波段形成的反射峰较低。
而在近红外波段(700~1300 nm)紫花苜蓿的光谱
反射率随生育进程的变化幅度远远超过其他波段,
并且开花期冠层反射率达到最大,其次是现蕾期,最
小的是结荚期。
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草 地 学 报 第21卷
图1 不同生育期紫花苜蓿冠层高光谱反射率特征
Fig.1 Hyperspectrareflectanceofalfalfaatdifferentgrowthstages
2.2 不同生育时期紫花苜蓿地上部器官氮含量
由不同施氮量紫花苜蓿地上部器官含氮量可
知,不同氮素水平地上部器官氮含量变化趋势相同,
即含氮量随施氮量增大而增大;与N0水平地上部器
官氮含量相比,茎和蕾的氮含量仅N3水平下表现出
差异显著;N2和N3水平下叶、花、荚和植株的氮含量
在现蕾期与花期差异显著,结荚期仅N3水平下差异
显著(P<0.05),可能是因为花期过后叶片凋落所致,
N1水平下地上部器官氮含量均差异不显著。
从不同生育期地上部器官氮含量可知(表2),
随着生育期的推进,地上部器官氮含量均呈先降后
增的趋势,至花期地上部器官氮含量最低;以N2水
平为例,至花期苜蓿茎秆和叶片的氮素含量降低,含
氮量分别为9g·kg-1和26g·kg-1,花是这一时
期氮素吸收中心,平均含氮量为29g·kg-1,氮素
含量为花>叶>茎,与现蕾期相比分别下降2%,
22%和43%;花期至结荚期苜蓿各器官氮含量呈增
加趋势,荚的增长幅度较大,达33%,是因为植株体内
吸收的氮素由茎、叶逐渐转移到荚中,说明氮素是易
于转运的营养元素,大部分氮素从营养器官转运到了
生殖器官,生殖器官是氮素的吸收中心,不同生育期
下苜蓿生殖器官的氮含量差异显著(P<0.05)。
2.3 不同生育时期苜蓿主要器官氮含量诊断模型建立
已有研究表明[14],可见光波段(510,560,610,
680,710和760nm)与近红外波段(810,870和950
表2 不同生育期苜蓿地上部器官氮含量
Table2 Thenitrogencontentsofaerialpartorgansofalfalfaatdifferentgrowthperiods g·kg-1
处理
Treatments
现蕾期Squaringstage 花期Floweringstage 结荚期Podingstage
茎
Stem
叶
Leaf
蕾
Bud
植株
Plant
茎
Stem
叶
Leaf
花
Flower
植株
Plant
茎
Stem
叶
Leaf
荚
Pod
植株
Plant
N0 8.29bB 30.87bA 46.46bA 16.91bB 8.48bB 22.68bC 26.67bC 17.25bA 9.50bA 28.20bB 38.03bB 18.05bA
N1 9.02abB 31.00bA 48.09abA 17.29bB 8.78bB 23.57bC 27.65bC 17.30bB 10.42abA 28.75bB 37.84bB 18.95bA
N2 9.50abAB 33.39aA 50.61abA 18.26aB 8.98abB 26.65aC 29.28aC 18.32aB 10.87abA 28.86bB 39.63abB 20.41abA
N3 9.76aA 33.85aA 53.30aA 18.41aB 9.56aB 28.00aB 31.02aC 18.84aB 11.31aA 30.59aB 40.15aB 21.18aA
注:不同小写字母表示不同氮水平间差异显著,不同大写字母表示不同生育期间差异显著(P<0.05)
Note:Differentlowercaselettersshowsignificantdifferenceamongdifferentnitrogenlevels;differentcapitallettersrepresentsignificantdifferenceduringdif-
ferentgrowthperiods(P<0.05)
409
第5期 付彦博等:紫花苜蓿植株含氮量的高光谱估测技术研究
nm)构建的各类植被指数与植物氮含量具有很好的
相关性。通过对地上部器官氮含量与可见光波段和
近红外波段构建的各类植被指数进行相关性分析可
知,现蕾期各器官与植被指数相关性较好,选取相关
性较好的植被指数建立氮素线性回归模型如表3所
示:760,810和870nm构建的植被指数苜蓿现蕾期
叶、蕾和植株氮含量具有良好的相关性(P<0.01);
现蕾期蕾和植株的氮含量建立的模型精度为DVI
>NDVI>RDVI>RVI;各器官氮含量的最佳预测
模型为:叶的预测模型Y=-5.80xDVI(760,810)+45.45,
蕾的预测模型为Y=-12.24xDVI(760,810)+77.40,植株
预测模型为Y=-2.65xDVI(760,810)+23.58。
表3 不同植被指数与苜蓿地上部器官氮含量的回归模型
Table3 Regressionmodelbetweendifferentvegetationindicesandthenitrogencontentsofaerialpartorgansofalfalfa
生育期
Growthperiod
波段
Band
线性回归方程
Linearregressionmodel
相关系数
Correlationcoefficient
调整R2
AdjustedR2
平均相对误差
Averagerelativeerror
现蕾期(叶)
Squaringstage(leaf)
DVI(760,810) Y=-5.80x+45.45 -0.796** 0.716 18.7%
DVI(760,810) Y=-12.24x+77.40 -0.938** 0.926 7.5%
现蕾期(蕾)
Squaringstage(bud)
NDVI(760,810) Y=-1288.59x-88.99 0.872** 0.893 9.6%
RVI(760,810) Y=683.36x-593.22 0.868** 0.892 11.8%
RVI(760,870) Y=523.43x-434.15 0.816** 0.803 15.3%
RDVI(760,810) Y=-478.00x+66.37 -0.908** 0.915 10.7%
现蕾期(植株)
Squaringstage(plant)
RDVI(760,810) Y=-103.50x+21.36 -0.887** 0.857 14.1%
RVI(760,810) Y=143.33x-117.06 0.902** 0.792 17.2%
NDVI(760,810) Y=-270.38x+26.00 0.902** 0.872 13.3%
DVI(760,810) Y=-2.65x+23.58 -0.910** 0.919 9.1%
注:Y 为紫花苜蓿氮含量g·kg-1;X为植被指数;**表示相关性极显著(P<0.01)
Note:Y-alfalfanitrogencontent,X-vegetationindex.**-significantcorrelation(P<0.01)
3 讨论与结论
通过对不同施氮水平下苜蓿地上部器官全氮含
量变化的研究表明,苜蓿地上部器官含氮量随施氮
量的增大而增大,含氮量为生殖器官>叶>茎,说明
生殖器官是氮素的吸收中心,在试验区条件下综合
分析苜蓿长势和植株氮含量,制种紫花苜蓿施用氮
肥应以150kg·hm-2为适宜水平。通过苜蓿不同
生育期冠层光谱变化可知,随着生育期推进,苜蓿冠
层光谱反射率先增大后减小,在开花期达到最大,这
是因为作物的光谱反射或发射特性是由其化学和形
态学特征决定的,而作物的形态特征和体内生化组
分是随着生长不断变化的,这就导致不同生育时期
冠层或叶片对光谱的响应存在差异。
植物冠层光谱分析能够快速获取植物的生长信
息[13-15],陈国庆等[16]通过植被指数与植株氮含量间
的相关性进行了分析,结果表明可见光波段(510,
560,710nm)与近红外波段(810,870,950nm)构建
的类植被指数与植株氮含量的相关性较高。姚霞
等[17]利用一阶导数光谱指数与小麦(Triticumaes-
tivum)冠层叶片氮含量进行定量关系的研究表明,
小麦叶片氮含量的最佳组合波段为位于红边的
690,691,700和711nm 以及近红外波段的1350
nm。上述结论与本试验结果基本一致,红边附近和
近红外波段是氮素的敏感波段。本研究结果也表
明,760,810和870nm衍生的植被指数DVI,ND-
VI,RVI,RDVI与叶片、蕾和植株氮含量之间存在
显著的相关关系,植被指数DVI(760,810)建立的
线性回归模型最佳。
前人研究主要集中在作物叶片或植株氮含量与
植被指数模型构建[13,18],本研究则通过不同器官氮含
量与植被指数进行相关性分析并确定了不同器官氮
素的 诊 断 模 型,现 蕾 期 蕾 和 植 株 的 氮 含 量 与
DVI(760,810)的光谱诊断模型预测性优于叶氮含量
的诊断模型,这是因为大部分氮素从叶和茎转移到蕾
中,蕾是氮素吸收的中心,对苜蓿氮素缺失状况较敏
感;植株氮素是一个群体指标,也能够反映苜蓿氮素
状况,就植株和蕾的采集而言,植株采集优于蕾,蕾太
小不易于采集。所以植株氮含量与DVI(760,810)的
光谱诊断模型最佳。
综上所述,通过田间试验对不同施氮水平下各
生育期紫花苜蓿冠层光谱植被指数与苜蓿地上器官
氮含量的研究结果表明:现蕾期植株氮素营养预测
模型可以准确诊断苜蓿氮素状况,表明高光谱营养
诊断方法可用于苜蓿氮素营养的监测和诊断,科学
指导新疆制种苜蓿施肥。 (下转920页)
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(责任编辑 刘云霞
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(责任编辑 李美娟)
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