不同氮素水平下甜菜的光譜響應

張亮，馬黛，韓寶翠，安海波，李斐，史樹德*

不同氮素水平下甜菜的光譜響應

張亮1，馬黛1，韓寶翠1，安海波2，李斐2，史樹德1*

（1.內蒙古農業大學農學院，內蒙古呼和浩特010019；2.內蒙古農業大學生態環境學院，內蒙古呼和浩特010019）

為研究甜菜葉片冠層光譜反射率與甜菜植株生理參數之間的關系，測定不同施氮條件下甜菜冠層光譜反射率及對應植株各部位干重、含氮量，對數據進行相關分析，以期揭示甜菜光譜與植株生物量之間相關關系，為甜菜氮肥精確施用奠定基礎。研究表明，生產中可以利用高光譜遙感技術對甜菜植株的氮含量及其他生理參數進行監測。1000nm、1020nm、1040nm三個波段的光譜反射率分別與甜菜葉叢干物質積累量、塊根干物質積累量、植株干物質積累量的擬合程度最高，這3個波段可用于建立光譜反射率與甜菜吸氮量的擬合方程。采用分時期分析方法建立擬合方程擬合程度較高。

甜菜；氮素；高光譜遙感技術；干物質積累量

甜菜是我國除甘蔗以外的另一重要糖料作物，主要分布于新疆、內蒙古和黑龍江冷涼、干旱與半干旱地區[1-2]，發展甜菜生產對于這些地區貧困人口的脫貧致富具有重要意義。當前制約我國甜菜生產可持續發展主要問題是單產和含糖率低[3-4]。施肥尤其是氮素肥料對甜菜單產及其含糖率的影響很大[5]。已有的研究表明，在一定施肥水平范圍內，可提高甜菜塊根產量和產糖量，但過量施用氮肥，則會導致減產，降低甜菜的產糖量[6]，不僅如此，過量施肥帶來的水體和土壤的污染問題也日益凸顯。因此，在現代農業生產條件下，亟需對甜菜群體進行精確氮素營養診斷，以達到精準施肥、減少化肥污染的目的。傳統的植株全氮診斷，結果準確可靠，但全氮分析操作繁瑣、工作量較大、在推廣應用中有一定困難[7-8]。無損診斷方法中的SPAD快速診斷操作簡單，SPAD值與含氮量相關性較好，但工作量較大[9]。而高光譜遙感無損監測，能獲取更大量的信息且更為快速和省時，且與植株氮素營養相關性較好[10]。近年來眾多學者利用高光譜遙感技術對小麥[11-12]、水稻[13-15]等作物氮素營養診斷的研究已取得較好的成果，這些研究成果為甜菜氮素營養研究中高光譜遙感技術的應用奠定了理論基礎。

本研究以不同施氮條件下甜菜葉片冠層光譜變化為出發點，探討不同施氮條件下甜菜葉片冠層光譜反射率與甜菜植株生理參數之間的關系，建立符合甜菜需肥規律的擬合方程，為甜菜的氮營養實時診斷探索一種新的、快速有效的診斷方法。

1　材料與方法

1.1試驗概況

本試驗于2014年4月至2014年10月在內蒙古農業大學教學農場進行，農場無霜期130～140d。試驗地土壤基本理化性質：全氮1.48g/kg、硝態氮64.4mg/kg、速效磷48mg/kg、速效鉀162mg/kg、有機質24.6g/kg、pH6.8。

本試驗選用的甜菜品種為KWS6167。采用穴播播種，株距25cm，行距45cm。小區隨機排列，每小區6行，每行留20株苗，每小區120株，小區面積13.5m2，甜菜田間管理同大田管理。

1.2施肥設計

施用氮肥為尿素，5個處理，4次重復。施氮量分別為：105 kg/hm2，120 kg/hm2，160 kg/hm2，220kg/hm2，0 kg/hm2（為對照處理）。

1.3測定方法

共取樣5次，葉叢形成期取樣2次，塊根增長期取樣2次，糖分積累期取樣1次，取樣時間分別為：6月27日、7月16日、8月5日、8月23日、9月10日。取樣時，在每小區隨機選取3株大小一致的植株，裝袋帶回實驗室待測。

1.3.1植株冠層光譜的測定甜菜植株冠層光譜值測定與田間取樣在同一天進行。測定日期均為晴朗、無風（微風）天氣，測定時間為上午10：00—12：00。采用Handy-Spec田間光譜儀測定。光譜檢測范圍300nm～1150nm，帶寬2nm。測量時，傳感器探頭垂直向下，在距甜菜冠層高度0.8～1m處測定其光譜值，每小區測定兩個點，每個點記錄3個采樣光譜數據，計算平均值，即為該觀測點的光譜反射率，每個施氮處理最終得到6個測量點的光譜值。測量過程中，在每組目標觀測前后都需及時進行標準白板校正。

1.3.2植株生物量測定將甜菜植株整體清理干凈，稱鮮重，即為植株全株鮮重。再取其塊根稱鮮重，全株鮮重與塊根鮮重的差值即為植株葉叢的鮮重。鮮重稱量結束后，每一植株葉片、塊根各留100g，105℃殺青30min，75℃烘干至恒重，測其干重，按比例計算植株各部分干物質的積累量，取其平均值。

1.3.3植株全氮測定甜菜植株全氮含量測定采用凱氏定氮法。將稱完干重的甜菜樣品磨粉，過篩，消煮，用凱氏定氮儀測定植株全氮含量。

2　結果與分析

2.1甜菜冠層反射光譜曲線特點

從圖1a、圖1b中可知，甜菜冠層光譜響應曲線波形變化基本一致，在302nm～356nm，光譜反射率逐漸下降，而后在356nm～680nm，其反射率先緩慢上升后緩慢下降，在550nm附近出現峰值，為葉綠素的綠色強反射峰（綠峰）；在680nm附近有一個吸收谷，稱為紅谷[16-17]；680nm～750nm光譜反射率迅速增加，即甜菜的“紅邊”[16，18]；750～920nm波段光譜反射率的上升速率又緩慢增加，在920nm處出現了一個反射峰；隨后緩慢下降，直到965nm處出現吸收谷，965～1040nm波段光譜反射率又逐漸增加，至1040nm處出現第二個反射峰。超過1040nm以后又迅速下降。兩圖中，在550nm的“綠峰”左右略有差異；在600～740nm各施氮處理對其冠層光譜反射率影響的差異很??；在750～1040nm有明顯差異。

圖1　不同施氮量（a）及各取樣時期（b）甜菜冠層光譜響應曲線

圖2　甜菜生理指標與其冠層原始光譜反射率決定系數變化曲線

由圖1a不同施氮量甜菜冠層光譜反射曲線可知，105kg/hm2處理光譜反射率最高，120 kg/hm2處理次之，160 kg/hm2和220 kg/hm2兩處理差別不大，對照0 kg/hm2處理反射率最低。

對圖1b甜菜生長各時期光譜反射曲線比較可知，8月5日光譜反射率最高，9月10日光譜反射率最低。

2.2甜菜生物量與其冠層光譜反射率的相關性分析

以302nm～1080nm波段光譜反射率為自變量，以整個取樣時期的甜菜葉叢干物質積累量、塊根干物質積累量、植株生物量為因變量，通過多項式擬合建立三者與該波段的光譜反射率關系模型。圖2a、圖2b、圖2c即為不同施氮水平甜菜葉叢干物質積累量、塊根干物質積累量、植株生物量與甜菜冠層原始光譜反射率的決定系數變化曲線。由圖可知，在一定波長范圍內，隨著波長的增大，各生理參數與光譜反射率的決定系數均逐漸增加；隨后超出波長范圍時，各生理參數與光譜反射率的決定系數又逐漸降低。但不同的生理參數對應的波長范圍不同，其中甜菜葉叢干物質積累量與其冠層光譜反射率在1000nm波段處擬合程度最高，決定系數為R2=0.5489；塊根干物質積累量與其冠層光譜反射率在1020nm波段擬合程度最高，決定系數為R2=0.3930；植株生物量與其冠層光譜反射率在1040nm波段擬合程度最高，決定系數為R2=0.5726。因此選取1000nm、1020nm、1040nm三個波段，與甜菜葉叢吸氮量、塊根吸氮量、植株吸氮量對應作相關性分析。

圖3　1 0 0 0 nm波段光譜反射率與甜菜葉叢吸氮量相關性

圖4　1 0 2 0 n m波段光譜反射率與甜菜塊根吸氮量相關性

圖5　1 0 4 0 nm波段光譜反射率與甜菜植株吸氮量相關性

2.3甜菜吸氮量與光譜反射率相關性分析

由圖3、4、5可知，利用1000nm波長處的關系模型對甜菜葉叢吸氮量進行估測、利用1020nm波長處的關系模型對甜菜塊根吸氮量進行估測、利用1040nm波長處的關系模型對植株吸氮量進行估測是可行的。

2.4光譜反射率與甜菜吸氮量的擬合方程

2.4.1按整個取樣時期建立擬合方程表1為按整個取樣時期計算光譜反射率與吸氮量擬合方程，由表中可知，各波段對應的整個取樣時期吸氮量與其光譜反射率建立的多項式擬合方程的決定系數均較低，故采用按甜菜生育時期分段分析方法，提高精度。

表1　光譜反射率與整個取樣時期吸氮量多項式擬合方程

表2　1 0 4 0 n m光譜反射率與甜菜植株吸氮量擬合方程

表3　1000nm光譜反射率與甜菜葉叢吸氮量擬合方程

表4　1 0 2 0 nm光譜反射率與甜菜塊根吸氮量擬合方程

2.4.2按甜菜生育時期分段建立擬合方程運用多項式回歸分析法，得出1040nm波段光譜反射率與各取樣時期甜菜植株吸氮量（表2）、1000nm波段光譜反射率與各取樣時期甜菜葉叢吸氮量（表3）、1020nm波段光譜反射率與各取樣時期甜菜塊根吸氮量（表4）具有較好的擬合度。

從表2可看出，1040nm波段的光譜反射率與甜菜植株吸氮量的擬合方程決定系數R2均高于0.6，擬合效果較好。在表3中，1000nm波段的光譜反射率與甜菜葉叢吸氮量的擬合方程的決定系數R2在葉叢形成期和塊根增長期均高于0.6，但到了糖分積累期，其決定系數R2值較低。同樣，在表4中，可以看出1020nm波段的光譜值與甜菜塊根吸氮量的擬合方程在糖分積累期時決定系數R2也較低。與表1中擬合方程的決定系數相比，按甜菜不同生育時期分段建立吸氮量與光譜反射率的擬合方程，其精度高于按整個取樣時期建立吸氮量與光譜反射率的擬合方程。

3　結論

3.1不同氮素水平甜菜冠層光譜反射率存在差異，而且其光譜反射率隨生育時期發生變化。

3.2通過對光譜反射率對甜菜各部位生物量的擬合方程的決定系數比較分析，可以得出，1000nm、1020nm、1040nm三個波段的光譜反射率分別與甜菜各生育時期的葉叢干物質積累量、塊根干物質積累量、植株生物量擬合程度最高，這3個波段可用于甜菜各部位吸氮量與光譜反射率擬合方程的建立。

3.3甜菜冠層光譜反射率與吸氮量具有相關性。通過對整個取樣時期分析和生育時期分段分析兩種方法比較可知，按生育時期分段分析的甜菜冠層光譜反射率與吸氮量的擬合程度較高，因此，本試驗中適宜采用按甜菜生育時期分段分析的方法。

目前，高光譜遙感技術在甜菜生產中的應用多集中在對甜菜病害診斷方面的研究[19]，對甜菜氮素營養診斷方面的研究較少。本試驗只是對光譜反射率與甜菜吸氮量相關性做初步研究，為高光譜遙感技術在甜菜氮素營養診斷方面提供數據參考。由于糖分積累期的甜菜葉叢、塊根吸氮量與相應波段的擬合方程決定系數較低，需進一步進行試驗提高其精度，且本試驗只有1年的統計數據，供試甜菜品種只有1個，因此，需要進一步的試驗收集數據，優化計算來提高預測精度，使高光譜遙感技術在甜菜氮素營養診斷中精確度更高，在甜菜氮素營養診斷中應用更加廣泛。

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Spectral Response of Beet under Different Nitrogen Levels

ZHANG Liang1,MA Dai1,HAN Bao-cui1,AN Hai-bo2,LIFei2,SHIShu-de1*
(1.College of Agriculture,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010019; 2.College of Ecology and Environmental Sciences,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010019)

In order to study the relationships between canopy's spectral reflectance and physiological parameters of sugar beet,we measured the canopy's spectral reflectance,the dry weight and nitrogen content of sugar beet (leaves,rootand petiole,separately)under different N-application conditions,andmade an integrated analysis of these data.The results showed that the nitrogen content and other physiological parameters of sugar beet plant could be monitored by using hyperspectral remote sensing technology in field condition.Three wave bands' spectral reflectance 1000 nm,1020 nm and 1040 nm related to drymatter accumulation of leaf,root and plant, respectively,in which relationship of them reach to the highest fitting degree.Hence,these three bands could be used to establish the fitting equation between spectral reflectance and beet nitrogen uptake,furthermore,in each growth period of sugar beet using abovementioned methods,we can establish a higher regression fitting equation of canopy's spectral reflectance of sugar beet.

sugar beet;nitrogen;hyperspectral remote sensing technology;drymatter accumulation

S566.3

A

1007－2624（2016）03－0014－04

10.13570/j.cnki.scc.2016.03.004

2016-01-14

國家現代農業產業技術體系建設專項資金（CARS-210402）。

張亮（1987-），男，碩士研究生，從事甜菜栽培生理學研究，E-mail：948007182@qq.com

史樹德（1973-），男，副教授，從事植物（作物）發育生理研究，E-mail：lycoris@imau.edu.cn