宁夏引黄灌区水稻冠层高光谱特征研究

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1、宁夏引黄灌区水稻冠层高光谱特征研究　　摘要：以不同施氮量试验小区为依托，对各生育期水稻冠层光谱反射率及一阶微分光谱进行分析。结果表明，水稻冠层光谱随生育期的变化规律与其生长发育变化特征相对应；不同施氮条件下水稻冠层光谱反射率随施氮量增加在可见光波段降低、近红外波段升高，其中550～600nm和800～900nm处差异明显，是诊断氮素的特征波段：红边位置（A。）和红边斜率（DT）在孕穗期前均随着氮素水平的提高而增加，齐穗期后出现蓝移现象，DT减小；将特征波长的比值指数和DT与叶片氮积累量进行相关性分析，结果显示，800nm和550nm的反射率之比与

2、叶片氮积累量的相关性较好，其相关系数为0，864，λ，和D，与叶片氮积累量的相关系数分别为0.814、0.908。说明合适的光谱变量可以诊断水稻氮素状况，进而为合理施肥提供参考。　　关键词：水稻；冠层；高光谱特征；宁夏引黄灌区　　宁夏大米以上乘品质著称，得益于优越的生态环境。孟亚利等对全国气候生态条件评价的结果显示，宁夏引黄灌区的综合评价结果几乎全为1级。同时光热资源分析表明，宁夏水稻的潜在生产力和现实生产力均位居全国第二位。随着“三农”6政策的推进，宁夏引黄灌区正在建设高产优质万亩水稻种植基地，水稻生产向着规模化产业化方向发展。然而，在水稻栽培

3、中仍存在氮肥施用过多等问题，不仅影响水稻产量及品质，也给环境带来严重污染。如何合理施用氮肥，成为宁夏优质水稻栽培生产中需要研究的重要问题。　　近几年，高光谱遥感技术作为诊断作物氮素的新手段备受关注，是变量施肥的基础技术，在现代农业中有极高的应用价值及前景。宁夏北部引黄灌区太阳辐射总量为5873×106-6101×106J/m2，年日照时间为2868～3060h，利于应用遥感技术对水稻营养进行诊断与监测，目前宁夏还未见有相关研究报道。本研究结合宁夏水稻生长发育规律，以不同施氮水平的试验小田为依托，探讨水稻冠层反射光谱变化规律，分析水稻高光谱反射率及

4、其变量与水稻氮素含量的关系，为宁夏水稻氮素的遥感监测提供基础，为合理施肥提供依据，对促进宁夏水稻产业向高档绿色食品发展具有现实意义。　　1.材料与方法　　1.1试验方法　　试验地点为灵武市梧桐树乡杨洪桥村，供试品种为宁优2号，种子播种量为300kg/hm2，行间距为23cm。旱直播种植方式。设3个氮素处理，纯施氮量分别为240、270、300kg/hm2，用N0、N1、N2表示。每小区为4.8m×12.5m，小区间筑埂隔离，重复3次，随机排列。所有氮肥分别在播种期、分蘖期和孕穗期按50%、30%和20%施入。磷（P2O5）和钾（K2O）施用量为9

5、0kg/hm2和45kg/hm2，全部基施。田间管理栽培措施和大田生产相同。　　1.2高光谱反射率测定　　利用美国SVCGERl500野外便携式光谱仪，光谱波段512个，光谱范围350～1096nm，其中350～1050nm内性能稳定，采样间隔为1.56nm，视场角是25°。光谱测定从分蘖盛期至乳熟期几乎覆盖水稻整个生育期。为了保证光谱数据的质量，测定选择在有适当太阳高度及光照强度的条件下进行，选择晴朗、无风或风速极小的天气，时间在10：30-14：30最佳。每次测定要用白板校准仪器。测定时，传感器探头垂直向下，距离冠层顶为70cm，每小区选取3

6、个点分别测定5次，取均值作为小区的高光谱数据。　　1.3氦素测定　　在冠层光谱测定的范围内取样，用烘箱在105℃杀青约10min，在80℃烘72h至恒重，采用凯氏定氮仪测定其氮素含量。　　2.结果与分析　　2.1冠层光谱随生育期的变化规律　　随着水稻不断生长，其叶面积指数、覆盖度和生物量等均发生变化，光谱反射率也会随之发生改变。图1为不同生育期水稻冠层光谱反射率的变化情况，由图1可以看出，各生育期的水稻冠层光谱反射率都具有绿色植物典型的光谱特征。在可见光波段，从分蘖盛期（7月3日）至孕穗期（8月13日），水稻冠层光谱反射率呈现降低趋势，这是由于随

7、着植株持续生长、水稻叶面积指数及覆盖度不断增长，水稻群体的光合能力不断提升，从而使可见光波段的吸收增强，其反射率逐步降低，抽穗期（8月24日）降至最低。从抽穗6期至乳熟期（9月3日），可见光波段水稻冠层光谱反射率呈现增长趋势，是由于从抽穗期起养分开始由叶片向穗部转移，使水稻冠层的叶绿素减少，使得可见光波段的红光和蓝光反射率逐步升高；进入成熟期（9月24日）后，绿色叶片养分继续向穗部转移，叶绿素不断分解，底部叶片逐步转黄、枯萎、脱落，叶面积指数也不断降低，使水稻光合作用减弱，可见光波段的反射率迅速上升。红波段、蓝波段的反射率上升加快。　　近红外区，

8、从分蘖盛期，随着水稻叶面积指数增加，近红外的反射率不断增大，当叶面积指数在抽穗期达到一定值时，近红外反射率也随之趋于稳定。灌浆和乳熟期，