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1、 不同供氮水平烤烟冠层高光谱参数和多种生理生化指标关系研究土地资源管理摘要：为了快速、准确检测烤烟生理生化指标，获取烟田施肥和生长信息。采用 ASD Field spec FR 2 500 光谱仪，通过分析不同供氮水平烤烟冠层光谱特性，利用DPS数据处理软件和采用不同建模方法建立了烤烟多种生理生化指标的高光谱参数预测模型。结果表明，不同供氮处理的烤烟叶片光谱曲线差异明显，尤其是在绿光波段和近红外范围内，光谱曲线的相对高低可初步反映施氮量的不同。不同生育时期的烤烟叶片光谱特性与多种生理生化指标有着密切的关系，通过逐步回归建立的回归方程，回归系数的相伴概率达到了显著水平。因此，可利用这些变量建立的
2、估测模型对烟草的多种生理生化指标进行快速测定，并可根据烟草冠层高光谱特性初步指导烟田氮肥的施用和检测烟草生长状况关键词：烤烟,叶片,高光谱参数,生理生化指标,位置变量，面积变量Relationship Between Hyperspectra Parameters and Physiological and Biochemical Indexes of Flue-cured Tobacco Leaves of Different Nitrogen ConcentrotionsZHENG Qiu-xian land resource management major, Grade 2008Dir
3、ected by WANG Yong-dong (Associate Prof. Ph. D) 引言氮是作物需求量最大的矿质元素，同时是植物个体乃至自然生态系统和人工生态系统（包括农业系统）生长最常见的限制因子1-2。据报道，世界上大部分土壤都缺氮3，氮肥的生产和应用，有力地保证了作物的高产和稳产。氮素供应量是影响植物生长及养分吸收分配的重要因素，它影响植物的生长速率和形态建成4-5，以及养分在体内的运输和分配等6。在植物生长过程中，氮不能满足植物生长潜在的需求时，会延缓植物的生长；提供充足适量的氮素，植物的生率随养分的增加直到达最大值，而继续增加氮素浓度，植物的生长速率增加不明显甚至现下降7
4、。作物在其生长发育过程中吸收的氮素主要来自于土壤中可利用的氮和人们所施氮素肥料，这两种可利用的氮素来源倍受人们关注8。Paul 和 Yang 等指出绿色植物的一般光谱特征主要由其化学和形态学特征决定的，而这些特征与植被的生长发育阶段、健康状况和物候现象密切相关9-11。因此利用高光谱技术监测施肥量意义重大。用高光谱遥感的光谱信息可以探测到农田作物的生长状况，指出不同的氮素供应状况下，烟草的生长情况，及时采取适当的农艺措施。利用高光谱技术获取烤烟叶片光谱信息，将这些光谱特征参数与烤烟叶片进行相关分析，找出叶片各种生理生化指标的敏感波段或最佳敏感光谱特征参量，建立基于烤烟烟叶反射光谱和叶片反射光谱
5、的烤烟叶片各种生理生化指标的预测模型。氮素对烤烟产值以及氮素种类、配比对烤烟氮代谢研究都有很多报道12-14。植物叶片中的氮主要由两大部分组成，即可溶性蛋白氮和类囊体蛋白氮。可溶性蛋白氮以Rubiseo为主，类囊体蛋白氮则以叶绿素为主15-16，叶绿素的75存在于叶绿体中，而绝大多数叶绿体中的氮都存在于光合器中17。叶片氮含量、叶绿素含量以及RuBP羧化酶含量之间存在密切关系，可通过调节类囊体蛋白和叶片叶绿索含量而直接影响叶片的光合能力18。因此，叶片中氮的含量与光合作用有密切关系，而叶绿体又与光合作用密切相关，叶绿体中的淀粉粒与光合作用产物及香气的形成有关19-22。通过烟叶的光谱，分析其所
6、含的化学成分来判断烟叶的质量，具体有：测定烟叶的各类光谱，并比较光谱之间的差异；建立烟叶主要化学成分的光谱预测模型，并对其模型的精度进行评析；分析烟叶等级与光谱之间的相关性，探讨烟叶等级的光谱分级方法。希望通过研究和实验，提高烟草生长中氮肥的利用率，充分发挥氮肥在烟草生产中的作用，并借此降低烟草的生产成本和保护环境，促进农业可持续发展.而且可以及时、准确地获取烤烟生长状况信息为烟田施肥和烤烟长势监测提供便捷有效的方法；在科学的方法和技术领导下，获得最优质的烟草。1 材料与方法 1.1 田间试验设计1.1.1 试验材料供试土壤：近代河流冲积物发育而成的潮土。其基本理化性质：土壤pH 7.32，有
7、机质32.0g/kg、全氮0.41g/kg、碱解氮36 mg/kg、有效磷9.8mg/kg、速效钾24 mg/kg。供试品种：云烟85、红花大金元。供试肥料：氮肥为硝酸铵、过磷酸钙、硫酸钾。1.1.2 试验处理每桶装风干后的潮土15Kg，将长势一致的幼苗移栽至盆中，每盆种1株。土培盆栽试验设置4个供氮水平（N）：0(CK)、30 mg/Kg(N1)、90mg/Kg(N2)和150mg/Kg(N3)，并且每处理均施P肥（90mg /kg P2O5）和K肥（180mg /kg K2O）每处理重复15次。肥料施用方法为：磷肥全部基施，氮肥、钾肥基追比为7:3，移栽后15d和30d各等量追施一次。均按
8、行株距100cm50cm种植，盆栽也按此摆放。移栽后栽培管理按大田常规进行。分别在烟株的伸根期(移栽后45天）、旺长期(移栽后75天）、成熟期(移栽后100天)测定光谱和采样。1.2 测试项目 1.2.1 冠层光谱数据测定在室内严格控制光源和室内环境条件下进行叶片离体光谱测试，光谱仪光源为50 w卤化灯，距样品表面45 cm，方位角（与样品表面的夹角）70，测量前均同步测量参考板反射的辐射光谱用于标定，并定时进行系统优化，以10个光谱为一采样光谱，每次记录10个采样光谱然后求平均，即得该点的光谱反射率数据。测定时将待测叶片平放在反射率近似零的黑色橡胶上，用三角架固定光谱仪探头垂直向下，光谱仪视
9、场角选用8，探头距叶面垂直高度l0 cm（视场直径约1.4 cm）。每一片叶上叶尖、叶中、叶基各测2次，共6个数据，分析时取平均值。1.2.2 生物参数测定(1)叶面积指数(Leaf Area Index,简称LA I)：LAI=长宽0.6345(刘国顺等,2003)。(2)地上鲜生物重(Aboveground Fresh Weight简称AFW)：取回后立刻称重。 (3)叶绿素含量：叶片新鲜样品，去离子水洗净用滤纸吸干后，迅速剪成细条状，称取0.5g左右，共3份，立即装入容量试管中，加入80%丙酮溶液，密封，浸泡至叶片完全发白。在470 nm、649 nm、665 nm波长，用分光光度计比色
10、，计算叶绿素含量。24(4)叶片氮含量：样品去离子水洗净后用滤纸吸干，在105下杀青30 min后，在75烘干72 h，粉碎过筛。H2SO4-H2O2消煮后用凯氏定氮法测定氮含量。1.3 分析方法1.3.1 光谱分析1.3.1.1 光谱数据的预处理在野外测量时，受大气吸收的强烈影响，400nm以前和1000nm后光谱数据需要删除。1.3.1.2 光谱分析采用光谱归一化微分分析技术,对反射光谱进行一阶微分(差分),其近似计算方法如下(Tsai et al,1988):R(i)=dR(i)/d=R(i+1)-R(i-1)/2 (1)式中,i为波段i波长值,R(i)为波长i的光谱值,是相邻波长的间隔
11、。 (1)位置变量：红边幅值Dr、蓝边幅值Db、黄边幅值Dy。分别为红边(680 760nm)，蓝边(490530 nm)、黄边(560 640 nm)内最大的一阶微分值；红边位置r、蓝边位置b、黄边位置y分别为最大一阶微分值对应的波长；绿峰幅值Rg是绿光范围内(510 560nm )最大的波段反射率；绿峰位置g是绿峰对应的波长；红光吸收谷幅值Rr是（640 680 nm）范围内最小的波段反射率，红光吸收谷位置v是红谷对应的波长。(2)面积变量：红边面积SDr、蓝边面积SDb和黄边面积SDy分别为红边、蓝边、黄边和红谷内一阶微分值的总和。(3)植被变量：绿峰与红谷比值Rg/Rr、绿峰与红谷归一
12、化值(Rg- Rr)/(Rg+ Rr)、红边面积与蓝边面积比值SDr/SDb、红边面积与黄边面积比值SDr/SDy、红边面积与蓝边面积归一化值(SDr-SDb)/( SDr +SDb)、红边面积与黄边面积归一化值(sDr-sDy)/(SDr+SDy)。2 结果分析2.1 不同供氮水平下烤烟叶片光谱反射特性和烤烟叶片微分光谱特性从图1可知，不同供氮水平烤烟冠层反射光谱曲线变化规律均很明显，处理间亦有较大差别。伸根期、旺长期和成熟期光谱反射率变化趋于一致，均是在可见光部分反射率较低,，在可见光范围内，叶片光谱反射率在绿光区（510560 nm）有明显的高峰，这是由于叶绿素对绿光的反射形成“绿峰”；
13、 叶绿素是冠层光谱的主导因素，叶绿素对蓝光和红光强烈吸收,在红光区（620760nm）有明显的吸收谷；在近红外高原区（7601300 nm）范围内，由于叶片内部组织结构形成光的多次反射散射形成高反射率平台，导致反射率高于其它波段23。光谱反射率随施氮量的增加而降低，尤其在绿光波段最为明显，这主要是由于随施氮量增加，叶片色素含量增加造成的，而冠层光谱曲线正是叶片色素含量水平和植株冠层结构等信息的综合反映。红花大金元和云烟85在伸根期、旺长期和成熟期的光谱反射规律大致相似，在伸根期和旺长期，随着供氮水平的增加，叶片的光谱反射率呈上升趋势，因为供氮水平的提高，导致烤烟叶片中的叶绿素含量增加，充足的氮
14、素供给使得烤烟新陈代谢能力加强，烤烟地上部分迅速生长，增大了烤烟的叶面积，也增大了植株群体生物量；成熟期充足的氮素供给推进了烤烟的生育进程，导致烤烟的成熟和衰老提前，烟叶变黄加速，这是由于烤烟叶片内部的组织结构开始发生变化，烤烟叶片中的叶绿素在充足的氮素供给下大量分解，烟叶中的类胡萝卜素比例增加，所以在可见光和近红外区域，烤烟叶片的光谱反射率比旺长期的烤烟叶片光谱反射率低。图1 移栽后不同氮素处理叶片光谱反射率之间的反射率增高最快的点,也是一阶导数在该区间的拐点, 是由于植被在红光波段强烈的吸收与近红外波段强烈的反射造成, “红边峰值”表示冠层反射率一阶微分的最大值。图2为不同供氮水平处理下的
15、烤烟冠层一阶微分光谱，“红边”是绿色植被在 680- 740nm，研究证实，红边位置对于叶绿素 a和叶绿素 b浓度、 植物叶细胞结构变化灵敏,，也与植物冠层结构密切相关,但对噪音不敏感。红边斜率主要与植被覆盖度和叶面积指数( LAI )有关，覆盖度越高，叶绿素含量越高，红边斜率越大25-26，因此可以利用红边、借助光谱遥感调查烤烟的状态，进一步分析不同供氮水平下烤烟的长势情况。从图2可以看出，在伸根期至旺长期，不同氮素条件下的红边位置均呈现增加的趋势，这是由于伸根期和旺长期的烤烟正处在营养生长阶段，新陈代谢和生命力旺盛，导致烤烟叶面积指数增加，烤烟叶片内部的叶绿素含量升高。在旺长期至成熟期，N3氮素水平处理的红边位置显著升高，发生明显的“红移”现象，这是因为充足的氮素供应使得烤烟叶片保持旺盛的生长力，叶绿素含量仍旧保持较高水平。但是其余三个的氮素水平处理的烤烟红边位置则明显降低，发生明显的“蓝移”现象。N0和N1氮素水平下的烤烟叶片因为氮素供应缺乏，叶片枯萎，导致红边位置发生“红移”。而N2氮素水平处理下的烤烟则是由于在适量的氮素供给条件下随着烤烟植株的生长，烟叶逐渐变黄，体内叶绿素含量降低造成的。 图2 不同供氮水平烤烟冠层一阶微分光谱2.2 烤烟生理生化指标与高光谱位置变量的相关性表1 生理生化指标与高光谱位置变量之间的相关分析伸根期Dr Db
