全 文 ：Vol. 30 , No. 11
pp. 1169 - 1172 Nov. , 2004
作 物 学 报
ACTA AGRONOMICA SINICA
第 30 卷 第 11 期
2004 年 11 月 1169～1172 页
研究
简报 不同施氮水平下棉花群体反射光谱的差异性分析
赵德华1 李建龙1 , 3 宋子健1 齐家国2 Ξ
(1 南京大学生命科学院生物系 ,江苏南京 210093 ;2 美国密歇根州立大学地理系 ,密歇根州东兰辛市 48823)
Difference of Canopy Spectral Reflectance to Nitrogen Nutrient in Cotton with Dif2
ferent Nitrogen Applications
ZHAO De2Hua1 , LI Jian2Long1 , 3 , SONG Zi2Jian1 , QI Jia2Guo2
(1 Department of Biological Science and Technology , Nanjing University , Nanjing 210093 , Jiangsu , China ;2 Department of Geography , Michigan State University ,
East Lansing , MI 48823 , USA)
如何确定合适的氮肥施用量及其施用时期一直是精确
农业中的重要问题。有关作物氮营养状态的遥感估测 ,已有
大量的研究报道 ,主要是通过估测叶片中氮素的含量或积累
量来诊断作物的氮营养状况。根据使用波段的不同 ,叶片氮
素估测的方法可以分为两种 ,一是利用中红外波段氮元素的
光谱吸收特性 ,但这种方法只证明在叶片水平是可行的 [1 ] ;
二是根据叶绿素与氮素间的相关性 ,通过估测叶绿素状态来
估测作物的氮营养状况 ,并由此发展了大量的光谱指
数 [2～6 ] 。这类方法有很大的局限性 ,其一因为有时不同氮营
养下的植株间主要表现为其他生物物理或生物化学参数的
差异 ,所以有时氮素或叶绿素积累水平并不一定能够反映作
物氮营养状况 ;其二由于氮营养水平同时影响作物多种生长
参数 ,氮素 (或叶绿素)与光谱间的相关性会受到其他植被参
数的影响 ,因而氮素 (或叶绿素)状态难以被精确估测。
本研究通过分析棉花在不同施氮水平下重要农学参数
和反射光谱的差异性 ,研究直接利用反射光谱识别植株氮营
养水平的可行性 ,为利用高光谱遥感技术识别棉花不同生育
期氮素营养水平 ,及其在精确农业中的应用提供科学指导和
理论依据。
1 材料与方法
111 田间试验概况
试验于 2002 年在江苏省张家港市一块大田试验地进行
(31°50′N , 120°49′E) 。试验地土壤为砂壤土 ,试验前 0～20
cm土壤养分含有机质 1312 gΠkg ,水解氮 4116 mgΠkg ,速效磷
4712 mgΠkg ,速效钾 6319 mgΠkg ,前茬作物为小麦。供试品种
为苏棉 3 号。采用大、小行种植 ,大行 80 cm ,小行 40 cm ,移
栽密度为 45 000 株Πhm2 。4 月 12 日播种 ,5 月 28 日移栽。设
置每公顷施纯氮 90 kg、180 kg 和 360 kg 3 个水平 (代号分别
为 N90、N180、N360) ,采用完全随机区组设计 ,各 4 次重复。
各处理配施 P2O5 180 kgΠhm2和 K2O 240 kgΠhm2 。氮肥运筹为
安家肥 35 % ,花铃肥 55 % ,长桃肥 10 %。磷、钾肥运筹为安
家肥和花铃肥各 50 %。全生育期化控及其他措施按高产要
求进行。
112 光谱测定
分别于棉花生育前期、中期和后期 ,选择晴朗、微风天气
(具体日期分别为 7 月 15 日、8 月 14 日和 10 月 1 日) ,在
11 :00～13 :00之间 ,用地物光谱仪 (ASD , FieldSpec ○R FR ,
333105～1 056106 nm)测定群体光谱反射率。观测视场角为
15°,观测高度为 213 m(视场直径为 016 m) ,大行和小行正上
方各测定 1 次 ,2 次测定的平均值作为 1 个重复 ,每个试验小
区重复测定 10 次 ,每次测定前测定 1 次白板作为参照。在
10 月 1 日 ,由于有较多的棉铃吐絮 ,为降低白色棉絮对反射
光谱的影响 ,光谱测定在摘絮后进行。
113 农学参数测定
在光谱测定结束后 ,每小区选取代表性植株 10 株 ,用干
叶称重法测定叶面积 ,并换算出叶面积指数 ( LAI) ;叶绿素含
量采用浸提法 [7 ] 。
114 数据分析
由于叶绿素的吸收作用 ,绿色植被反射光谱在 660～680
nm附近有一个谷值 ,谷值附近的光谱反射率可直接用于植
被生长状态的估测 [8 ] ,或作为植被指数的一个波段。我们利
用包络线技术对这一光谱区 (约 550～750 nm) 的光谱反射率
进行归一化处理 ,具体步骤参见 Kokaly 等 (2001) 对叶片氮素
吸收峰的处理方法 [1 ] 。
2 结果与分析
211 处理间农学参数的差异性分析
由表 1 可见 ,在生育前期 ,对于不同的氮肥处理 ,冠层结Ξ基金项目 : 国家自然科学基金 (30070432)资助项目。
作者简介 : 赵德华 (1975 - ) ,男 ,江苏连云港人 ,博士研究生 ,主要从事农业遥感研究。 3 通讯作者 :李建龙 , E2mail : Jianlongli @si2
na1com1cn。
Received (收稿日期) :200426223 ,Accepted(接受日期) :20042052131
构参数 LAI 和地上总干重表现出较好的差异性 ,而叶绿素含
量的差异性不显著。在生育中期 ,LAI、地上总干重和群体绿
度参数叶绿素含量在不同施氮量处理间表现出相似的差异
性 ,N90 和 N360 间皆达到 5 %差异水平。而在生育后期 ,情
况较为复杂 ,随着施氮水平的提高 ,叶绿素含量和地上总干
重增加 ;但 LAI 在施氮水平较低时 ,随施氮量的增加而增加 ,
而在施氮水平较高时 ,施氮量过高可加速群体衰老 , LAI 反
而下降。叶绿素密度由于同时包含了植被冠层结构及其绿
度信息 ,不同施氮处理间差异性表现较好。
表 1 不同生育期棉花重要农学参数及不同氮处理间多重比较( 5 %显著水平)
Table 1 The means of agricultural variables of three cotton canopy with the multiple comparisons
between N treatments at 5 %confidence level for 14 July , 15 August and 1 October
参数
Variable
处理
Treatment
平均值 Mean
July 14 Aug1 15 Oct1 1
LAI (m2Πm2) N90 0197 a 2175 a 1192 aN180 1106 ab 3112 b 2137 b
N360 1112 b 3125 b 2123 b
叶绿素含量 ( %)
Chl1 content N90 1131 a 1123 a 1107 aN180 1137 a 1137 ab 1126 bN360 1141 a 1152 b 1137 b
地上总干重 (kgΠm2)
Aboveground dry biomass
N90 8618 a 32518 a 54416 a
N180 9219 ab 36517 ab 60718 b
N360 10212 b 41618 b 68812 c
叶绿素密度 (gΠm2)
Canopy chl1 density N90 01275 a 01863 a 01464 aN180 01303 b 11099 b 01593 bN360 01332 c 11259 c 01633 b
注 :表中结果为纵向多重比较。Note : Lengthwise multi2comparisons1
212 处理间群体光谱反射率的差异性分析
图 1 所示为不同施氮量间光谱反射率方差分析结果 ,可
以看出 ,在可见光区不同生育期的表现有一定差异。生育前
期 ,群体盖度较低而有较多的土壤裸露时 ,在 660～680 nm 附
近 (叶绿素吸收光区) ,不同氮处理间差异可达 10 %显著水
平 ;生育中期 ,群体盖度接近 100 % ,处理间光谱反射率差异
皆达不到 10 %显著水平 ;生育中后期 ,部分叶片枯黄 ,有黄叶
裸露 ,绿色植株盖度有所下降 ,处理间光谱差异性与生育前
期表现较为相似。而在各生育期 ,近红外波段的表现一直较
为稳定 ,处理间差异均可达 5 %显著水平。
213 处理间包络线归一化吸收深度的差异性分析
如图 2 (A1、A2、A3) 所示 ,在各生育期 ,近红外光区光谱
反射率均表现为随施氮量的增加而升高 ;而在可见光区 ,不
同处理间差异较小 ,特别是在生育中期 ,群体光谱反射率基
本相等。通过包络线归一化 ,可以显著改善不同氮处理间在
550～750 nm 光谱反射率的差异性 (图 22B1、B2、B3) ,各生育
期包络线规一化吸收深度均随施氮量的增加而增大。另外 ,
不同处理间光谱吸收深度的差异性表现最好的部位并不位
于吸收深度最大值处 ,而是在最大值的两侧。与光谱反射率
绝对值相比 (图 1) ,各生育期包络线归一吸收深度可以更好
地识别不同施氮水平的棉花群体 (图 22C1、C2、C3) ,表现较好
的波段位于 620 nm和 710 nm附近 ,而在 660～680 nm附近的
表现相对较差 ,对于不同生育期 ,前期和后期表现较好 ,而中
期表现较差。
3 讨论
增加施氮量 ,提高了作物叶片叶绿素含量和群体的生物
量 ,可以降低可见光区的光谱反射率 [9 ] 。但本研究表明 ,不
同施氮量处理间 ,可见光区群体光谱反射率的差异性不稳
定 ,在生育前期植被群体较小和生育后期部分叶片枯黄时 ,
可达 10 %差异水平 ;而在生育中期植株群体较大、盖度接近
100 %时 ,其效果较差。这可能与生育中期不同施氮量处理
间植被的盖度差异不大有关。在近红外波段 ,由于细胞的散
射作用 ,增加施氮量可增大光谱反射率 [9 ] ,本研究表明 ,这一
波段的光谱反射率在不同施氮量间差异性可达 5 %显著水
平。此外 ,利用包络线归一化 550～750 nm光谱反射率 ,可以
改善不同氮处理间反射光谱的差异性 ,这主要是由于包络线
归一化技术可以降低环境条件对光谱反射率的影响 [10 ] 。
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