不同產(chǎn)量水平棉花蕾期葉片的光譜特征分析

王式琴 張冬冬 溫云夢 蔡海輝 李福慶 李建成 多 晶 柳維揚

（塔里木大學植物科學學院，新疆阿拉爾 843300）

植物生長發(fā)育與體內(nèi)葉綠素含量的高低密切相關，植物中大部分干物質(zhì)的形成是由其光合作用所提供，而對光合作用影響最大的一個因素就是葉綠素含量的高低，葉綠素含量與光合作用、光能利用率成正比［1］，而且葉綠素能利用陽光的照射將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為植物生長發(fā)育必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)，為作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)奠定物質(zhì)基礎。未來，精準農(nóng)業(yè)技術(shù)體系將成為農(nóng)業(yè)發(fā)展必不可少的一部分，而高光譜分辨率遙感技術(shù)是獲取農(nóng)田數(shù)據(jù)的重要途徑，利用高光譜遙感快速準確提取與植物光合生產(chǎn)能力和作物長勢狀況有關的葉綠素特征波段信息，繼而尋找一些敏感波段以及相關參數(shù)，以更好地對作物生長發(fā)育進行實時快速無損遙感監(jiān)測，對提高農(nóng)作物生長發(fā)育的預見性具有重要意義［2，3］。Liu等［4］研究表明葉綠素含量與紅邊參數(shù)具有很好的相關性。HAN?SEN等［5］研究了小麥高光譜原始反射率及處理后的反射率與葉綠素密度等變量的相關波段，認為大多數(shù)的敏感波段集中在紅邊光譜范圍內(nèi)。黃山等［6］研究表明對凈、套作下大豆葉綠素密度進行估測較好的模型是用比值植被指數(shù)RVl（507∕697）構(gòu)建的葉綠素密度二次估測模型。楊峰等［7］研究高光譜數(shù)據(jù)預處理對大豆葉綠素密度反演的作用，結(jié)果顯示微分處理可以很大程度上提高模型預測的精度，其中二階微分處理效果最理想，決定系數(shù)達0.998，均方根誤差達0.012。依爾夏提·阿不來提等［8］研究表明在560～740nm波段范圍內(nèi)包絡線去除后的光譜反射率與葉綠素含量的相關性優(yōu)于原始光譜以及光譜變換后反射率與葉綠素含量的相關性。龍耀威等［9］通過對玉米植株進行冠層圖像分割和葉綠素含量指標光譜特征變量篩選方法的研究，建立冠層葉綠素含量指標診斷模型，繪制作物冠層葉綠素含量分布圖，為田間玉米葉綠素分布與生長動態(tài)可視化觀測提供技術(shù)支持?；诖耍狙芯糠治隽瞬煌a(chǎn)量水平棉花蕾期葉片葉綠素與光譜特征變化規(guī)律，以期為高光譜遙感監(jiān)測棉田生長發(fā)育狀況提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗概況試驗于2020年在新疆生產(chǎn)建設兵團第一師九團進行，本區(qū)域?qū)倥瘻貛O端大陸性干旱荒漠氣候，墾區(qū)以灌溉為主。在研究區(qū)內(nèi)選取5個地塊采樣，分別編號為N0、N1、N2、N3、N4，每個地塊的產(chǎn)量不同，分別為7500（N0）、6000（N1）、4500（N2）、3000（N3）、1500kg∕hm2左右（N4）。在棉花蕾期，在每個地塊選取30個點，每個點選取10株棉花，測定每株棉花功能葉片的光譜反射率，并將每個點10株棉花的功能葉片作為1個混合樣，放入0～4℃的保溫箱內(nèi)帶回實驗室測定葉綠素。

1.2 光譜反射率的獲取使用ASD FieldSpec Hand?Held2便攜式地物光譜儀測定在325～1075nm內(nèi)棉花葉片的光譜反射率，光譜分辨率為1nm。每個點測定10株棉花葉片的光譜反射率，取平均值作為1個點的平均反射率，每塊地可獲取30條光譜反射率曲線數(shù)據(jù)。

1.3 葉綠素密度的測定比葉重的測定：測定棉花葉片鮮重及葉面積，烘干后測其干重，并計算其比葉重。葉綠素測定：采用95%乙醇緩沖液提取—可見分光光度法測定。

式中：A663、A537、A647為波長663、537、647nm處的吸光度值；V為浸提體積；Ma、Mb分別為葉綠素a、葉綠素b的分子量；S為比葉重；m為葉片鮮重。

1.4 光譜數(shù)據(jù)預處理

1.4.1 平滑處理 采用Savitzky-Golay卷積平滑，光譜在波長i處經(jīng)Savitzky-Golay平滑后的值為：

式中：Xim Savitzky-Golay，為波長i處平滑后的值，x為平滑處理前的值；m為波長一側(cè)平滑窗口數(shù)，n為歸一化指數(shù)，為平滑系數(shù)，可用多項式擬合求得。

1.4.2 包絡線去除

其中，CRi為波段i處的包絡線去除值；Ri為波段i處的反射率；RHi波段i處的Hull值；Rstart、Rsnd分別為起始和終止吸收波段的反射率；Rstart、Rsnd分別為起始和終止點處的波長。

1.5 光譜變換

式中：R′λ(i)是波長i處的一階微分值；Rλ(i-1)和Rλ(i+1)分別是平滑后波長i-1和i+1處的反射率值；R″λ(i)是波長i處的二階微分值；R′λ(i-1)和R′λ(i+1)分別是波長i-1和i+1處的一階微分值。

式中：ρλ是波長λ處的對數(shù)值；Sλ是波長λ處的倒數(shù)值；i是平滑后波長λ處的反射率。

1.6 數(shù)據(jù)處理光譜數(shù)據(jù)處理采用Unscramber、ENVI、Excel軟件，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花蕾期反射光譜特征圖1（a、b）是不同產(chǎn)量原始光譜與包絡線去除光譜曲線。由圖中可見，包絡線去除后光譜反射率曲線（b）比原始光譜反射率曲線（a）的變化更加明顯，易于區(qū)分波峰、波谷，較好識別棉花蕾期反射光譜特征變化。棉花蕾期葉片的光譜反射率在綠光區(qū)域（535～570nm）內(nèi)，由于植物對葉綠素吸收少，形成1個明顯的葉綠素綠色強反射峰區(qū)，稱之為“綠峰”，而且原始光譜處理N0的峰最高，包絡線去除后處理N2的峰最高。在紅光區(qū)域（675～710nm）內(nèi)，出現(xiàn)1個低谷區(qū)，這是由于在這一波段內(nèi)葉綠素的強吸收和水的強吸收帶所導致的，稱之為“紅谷”，而且原始光譜處理N1的谷最低，包絡線去除后處理N4的谷最低［10-12］。在452、554nm附近出現(xiàn)明顯的反射峰，在502、687、770nm附近出現(xiàn)明顯的吸收谷。在研究的整個波段（350～1050nm）內(nèi)，5個處理具有相似的光譜曲線形狀，其中處理N4在波長700～800nm處的光譜反射率與其他4個處理稍有不同，而且曲線的變化幅度較大。在可見光區(qū)域（410～700nm）內(nèi)，棉花蕾期葉片光譜反射率隨產(chǎn)量的增加而呈現(xiàn)降低趨勢，這與田間作物施肥量息息相關，尤其是作物的施氮量，與楚萬林等［13，14］的研究成果一致。形成這一現(xiàn)象的原因主要是隨著施氮量的增加，植被葉綠素含量也增加，而且在可見光范圍內(nèi)的光譜反射率受植被體內(nèi)葉綠素和其他色素含量的影響最大［15］。在近紅外區(qū)域（780～1050nm）內(nèi)，棉花蕾期葉片光譜反射率隨產(chǎn)量的增加而呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，主要是因為在這一波段，葉片細胞的排列方式與植被整體結(jié)構(gòu)是影響光譜反射率的主導因子［16］。

圖1（c、d）是不同產(chǎn)量對數(shù)與倒數(shù)光譜變化曲線，對平滑后的光譜進行對數(shù)與倒數(shù)變換，可以更加明顯地看出不同產(chǎn)量光譜曲線的變化特征，有利于分析多譜線間的谷峰差異［17］。圖1（c）顯示5個處理的對數(shù)光譜曲線與圖1（a）原始光譜曲線變化趨勢大致相似，在475、580nm附近出現(xiàn)波峰，而且各處理的峰值高低順序為N0＞N3＞N2＞N1＞N4；在510、700nm附近出現(xiàn)波谷，在510nm處各處理的谷值高低順序為N0＞N3＞N2＞N1＞N4，在700nm處各處理的谷值高低順序為N0＞N3＞N2＞N4＞N1。圖1（d）顯示5個處理的倒數(shù)光譜曲線都呈現(xiàn)相似的變化趨勢，其中在410、510、700nm附近出現(xiàn)波峰，達到最高峰的分別是處理N2、N3、N1；在475、575nm附近出現(xiàn)波谷，最低谷都是處理N4。

圖1（e、f）是不同產(chǎn)量水平的一階微分與二階微分光譜變化曲線，其中一階微分代表光譜曲線的斜率變化，二階微分反映光譜曲線的曲率變化，2個圖都出現(xiàn)“雙峰”和“多峰”現(xiàn)象。圖1（e）顯示5個處理在520、720nm附近分別達到反射率增速最快的極點，而且這2處曲線上升分別是葉綠素的反射和“紅邊”效應所導致的［18，19］，且處理3的光譜曲線變化幅度比較大，說明它的光譜曲線斜率變化大，反射率的變化較大。其他處理的一階微分光譜值在-0.01～0.01，而且5個處理的一階微分光譜值在近紅外（780～1050nm）區(qū)域內(nèi)接近于0，表示在此波段5個處理的光譜反射率達到極值。圖1（f）顯示5個處理在700～760nm波段間，二階微分曲線有明顯的波動，尤其是處理N3，說明在此波段內(nèi)反射率光譜處于吸收區(qū)。在430～730nm間除了處理N4，其他處理的曲線波動比較大；在910～1050nm間處理N4的曲線波動較大，其余處理波動較小，這可能是由于在野外采樣過程中受到外界因素（如天氣，光照等）的干擾所致。

棉花蕾期葉片的光譜反射率在可見光波段差異比較明顯，而這些差別可以反映植物的光譜特性，從而間接體現(xiàn)蕾期棉花的生長狀況，因此從中選擇了4個差異性比較顯著的波段作對比。在487nm附近有個不明顯的吸收谷，這主要是棉花蕾期葉片較小且密度低，葉綠素含量少所致。在450nm處有1個明顯的反射峰，在438～515nm內(nèi)，反射率大小順序為N0＞N3＞N2＞N1＞N4。在554nm附近有1個明顯的綠峰，峰值高低順序為N0＞N3＞N2＞N1＞N4，處理N3與N2的峰值相近，隨產(chǎn)量的增加有“綠峰藍移”現(xiàn)象發(fā)生，預示著在合理的施氮范圍內(nèi)棉花蕾期葉片生長發(fā)育良好。圖1（c）顯示，在690nm附近有1個“紅谷”比較明顯，此處反射率大小順序為N0＞N1＞N2＞N4＞N3，隨產(chǎn)量的提高，紅谷反射率依次降低，其中處理N2、N4、N3的反射率相差很小，反射率均小于其他2個處理，說明此處3個處理吸收率較大，棉花葉片長勢較好，所含葉綠素較多［20］。處理N0、N2、N3在755nm處光譜反射率開始下降至758～767nm處平穩(wěn)變化，之后突然上升至770nm處又下降至790nm處趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)“凹”型變化，這可能是在野外測定光譜時，受外界不穩(wěn)定因素影響所致。在690～809nm間，處理N1、N4先上升至一個峰值后趨于穩(wěn)定，而且處理N4的峰值最高，處理N1的最低。綜上所述，處理N4在688nm處，反射率開始增大至峰值后趨于穩(wěn)定。

由不同產(chǎn)量的棉花葉片一階微分曲線可以看出，各處理的藍邊特征與紅邊特征突出。處理N1、N4的藍邊斜率、藍邊面積均明顯小于其他3個處理，說明此處這2個處理下的棉花營養(yǎng)元素含量充足，葉綠素對藍光的吸收較強。處理N4的黃邊斜率、黃邊面積均明顯小于其他4個處理，且黃邊斜率沒有超過0，說明此處處理N4棉花葉片葉綠素對黃光的吸收較強。處理N1、N4的紅邊斜率、紅邊面積均明顯小于其他3個處理，其中處理N1最小，隨產(chǎn)量的增加紅邊位置有向長波方向移動的趨勢，呈現(xiàn)“紅移”現(xiàn)象，說明棉花在此處生長發(fā)育旺盛，葉綠素含量較多，光合作用較強，這與陳書琳等［21］描述的結(jié)論一致。由不同產(chǎn)量典型波段間二階微分曲線可以看出，在720、760nm附近5個處理的光譜曲線變化幅度較大，而且在760nm處二階微分值最大，5個處理的二階微分光譜值大小順序為N3＞N0＞N2＞N4＞N1，說明處理N3的曲線波動較明顯，在此波長處反射率光譜處于吸收區(qū)。

2.2 棉花蕾期葉綠素密度變化規(guī)律將5個處理30個重復，其中處理N4有18個重復，即138個樣點的葉綠素密度數(shù)據(jù)，按照不同產(chǎn)量水平分別計算葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素的密度并作統(tǒng)計描述，結(jié)果如表1所示。由表2可知，在處理N0、N1、N2、N3、N4處，棉花蕾期葉片葉綠素密度的最大值與最小值具有較大的分布區(qū)間，可滿足數(shù)據(jù)要求。

表1 棉花蕾期葉綠素密度統(tǒng)計描述

選取每個處理的18個樣點數(shù)據(jù)作方差分析，發(fā)現(xiàn)不同處理的棉花蕾期葉綠素密度存在極顯著差異，因此可進一步進行多重比較，所得結(jié)果如表1所示。由表1可知，處理N1的葉綠素a密度最大，與處理N0、N4沒有顯著差異，但與處理N2、N3存在極顯著差異；處理N2的葉綠素a密度最小，與處理N3沒有顯著差異，但與處理N0、N1、N4均存在極顯著差異。處理N1的葉綠素b密度最大，與處理N0、N2、N3、N4均存在極顯著差異；處理N2的葉綠素b密度最小，與處理N3沒有顯著差異，但與處理N0、N1、N4存在極顯著差異。處理N1的總?cè)~綠素密度最大，與處理N0沒有顯著差異，但與處理N4存在顯著差異，與處理N2、N3存在極顯著差異；處理N2的總?cè)~綠素密度最小，與處理N3沒有顯著差異，但與處理N0、N1、N4均存在極顯著差異。

3 結(jié)論與討論

通過對不同產(chǎn)量棉花蕾期葉片反射光譜和葉綠素的測定，基于5種光譜變換對棉花葉片反射光譜特征進行分析，結(jié)果表明：包絡線去除、對數(shù)、倒數(shù)、一階微分、二階微分的變換可以增強可見光波段的光譜特征，更容易區(qū)分和分析光譜的變化特征，其中包絡線去除變換后，明顯放大了可見光波段中葉綠素對綠光反射和紅光吸收的特征波段［22］。不同處理原始光譜和包絡線去除光譜曲線在450、487、554、690nm附近處差異較明顯。在350～520nm內(nèi)，隨產(chǎn)量的增加反射率增加，但處理N4的反射率最低，處理N0的反射率最高，但沒有超過0.2，這主要是由于存在于植物葉片內(nèi)的各種色素對入射光中藍光的強烈吸收所致。在554nm附近有1個明顯的綠峰，處理N0的峰值最高，處理N3與N2的峰值相近，隨產(chǎn)量的增加有“綠峰藍移”現(xiàn)象發(fā)生，預示著在合理的施氮范圍內(nèi)棉花蕾期葉片生長發(fā)育良好。在690nm附近有1個“紅谷”比較明顯，處理N3的谷最低，隨產(chǎn)量的增加，紅谷反射率依次降低，其中處理N2、N4、N3的反射率相差很小，說明此處3個處理吸收率較大，棉花葉片長勢較好，所含葉綠素較多。在可見光區(qū)域（410～700nm）內(nèi)，棉花蕾期葉片光譜反射率隨產(chǎn)量的增加而呈現(xiàn)降低趨勢，這主要是受葉片葉肉結(jié)構(gòu)參數(shù)和葉綠素、類胡蘿卜素、花青素的影響；在近紅外區(qū)域（780～1050nm）內(nèi)，棉花蕾期葉片光譜反射率隨產(chǎn)量的增加而呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，這主要是葉片光譜受到水分、葉肉結(jié)構(gòu)參數(shù)和干物質(zhì)含量的影響。不同處理的對數(shù)和倒數(shù)光譜曲線分別在475、510、580、700nm和410、475、510、575、700nm附近處差異較明顯。產(chǎn)量高的地塊，葉綠素a、b及總?cè)~綠素密度也高，這主要是因為植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、酶活性、光合作用隨著氮素的增加，呈現(xiàn)積極增長狀態(tài)，促進了植物生長，但氮素過量則會抑制植物生物量的積累，繼而影響植物生長。