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1、 干旱区棉花冠层高光谱反射特征研究 王 进1 2 1 2 李新建1 杜 红2 向导2 白书军2 (1 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所 2 乌兰乌苏农业气象试验站 新疆 石河子 832003) 摘 要：摘 要：本文基于对新疆棉花各生育期冠层进行高光谱反射率测定，研究不同棉花品种、灌水量及氮素营养对棉花冠层光谱反射特性的影响。研究结果表明：在可见光区，适度缺氮(N1)条件下的冠层光谱反射率相对较高，而氮过量(N3)条件下的冠层光谱反射率相对较低；随着灌水量的增加，在近红外波段，其冠层光谱反射率呈上升趋势，在盛蕾期和盛花期不同灌水量处理的光谱反射率差异较明显；不同棉花品种冠层光谱反射率存在一定差异
2、，在近红外波段新陆早 13 与新陆早 10 只在吐絮后期光谱反射率差异不明显，在前三个生育期差异较明显。在可见光波段，光谱反射率与产量从盛蕾期到盛花期达极显著负相关，在盛铃初期到吐絮后期相关性减小；在近红外波段，光谱反射率与产量在所有生育期都呈显著正相关；在短波红外波段，光谱反射率与产量在吐絮后期达显著负相关。 关键词：关键词：棉花；冠层；高光谱；反射率； Characteristics of Reflection Spectrum of Cotton Canopy in North Xin Jiang WANG Jin1 2 LI Xin-jian1 DU Hong2 XIANG Dao1
3、BAI Shu-jun2 (1Institute of Desert Meteorology, China Meteorological Administration ； 2 College of Biology, Shihezi University: Xinjiang 832003, China,) Abstract：The effects of different cotton varieties, irrigation level and nitrogen levels on characteristics of reflection spectrum of cotton canopy
4、 were studied. The results of the studying showed that there was a marked difference in the reflection spectrum of the canopy at different growth stages of cotton.The reflection spectrum of the canopy increased before flower and boll stage， decreased after flower,and boll stage with the growth of co
5、tton. The reflection spectrum of the canopy decreased in the near infrared region and increased in the visible region with increasing the irrigation level.There were some difference in the reflection spectrum of the canopy for different cotton varieties. The reflection spectrum of the canopy for the
6、 treatments of N0 and N3 had a marked difference in the near infrared wave lands. The statistical results show that yield is negatively correlative with spectral reflectance in visible light bands, positively correlative in NIR bands , negatively correlative in shortwave-infrared bands for all growt
7、h stages. Key words：cotton；canopy；hyper spectrum；reflection rate； 0 引 言 新疆具有独特的自然生态条件并且作物种植管理模式是我国最适宜实施农业遥感技术和精准农业的地区之一。棉花种植是新疆的支柱产业，且连片种植，统一栽培管理，机械化程度高，加上晴天多，阴雨天少，棉田宜于控制。伴随着航天遥感技术的发展，特别是高光谱技术的发展和应用，棉花高光谱遥感长势监测与估产已经成为重要的研究和应用方向。潘学标、张立桢等，通过对不同遗传型棉花品种光谱反射特性研究发现，不同叶色棉花在可见光区反射率有较大差异，而不同叶型棉花的光谱反射率无明显差异1。
8、Thenkabail,Smith and Pauw 研究了棉花高光谱指数与叶面积指数(leaf area index)、株高和产量的关系2,3。唐延林利用高光谱及红边特征，进行了棉花的叶面积指数、地上生物量、色素含量等的研究4,5。刘占宇等研究了棉花品种、氮素用量及种植密度对棉花冠层光谱反射特性的影响6、7、8。但是针对新疆棉花冠层光谱系统的研究还鲜见报道。为此，我们利用高光谱遥感技术研究新疆棉花在不同灌水量、品种及氮素用量对棉花冠层高光谱反射特性，促进高光谱技术在棉花长势监测和估产中的应用。 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所沙漠基金项目，基金项目号：sqj2009009；公益性行业（气象）科
9、研专项经费项目，基金项目号：GYHY201106043；国家重大基础研究发展计划项目（973）资助，项目号：2009CB825101 作者简介：王 进（1980-） ，男，宁夏人，工程师，主要从事农业气象方面研究，Email：。 1 材料与方法 1.1 试验地点 本试验于 2009-2010 年在新疆乌兰乌苏农业气象试验站进行,该站位于北纬 4418,东经 8548， 海拔高度 462 米。试验地土壤类型为灰漠土，土壤质地为中壤土，土壤肥力中等，土壤基本肥力情况为：有机质 1.90%、全氮 0.125%、全磷 0.204%、碱解氮 78.0 mgkg-1、速效磷 91.5 mgkg-1、速效钾
10、 315 mgkg-1。室内分析在兵团绿洲生态实验室进行。 1.1 试验材料 供试棉花品种为新陆早 10 号、新陆早 13 号，由农八师石河子市棉花所提供。 1.2 试验方法 试验采用随机区组设计，包括水分、肥料、品种 3 因素，其中水分为主处理，肥料、品种为副处理， 总计 32 个处理， 水分处理的 4 个水平分别为： 不浇水 W0 （0 m3hm-2） ， 常规灌溉量的一半 W1 （2250 m3hm-2） ，常规灌溉量 W2（4500 m3hm-2） ，常规灌溉量的 2 倍 W3（9000 m3hm-2） ，采用膜下滴灌，滴灌量由水表控制，在浇完出苗水（180 m3hm-2）后，按设计进
11、行水分处理。肥料处理的 4 个水平分别为： 不施氮肥 N0 （0 kghm-2纯氮） ， 常规施氮量一半 N1 （135 kghm-2纯氮） ， 常规施氮量 N2 （270 kghm-2纯氮） ，常规施氮量的 2 倍 N3（540 kghm-2纯氮） ，氮肥以尿素施入，按处理中设计的水平，50%作为基肥，50%作为追肥，磷钾肥不设处理作为基肥在播种前一次施入，施入量分别为三料（重过磷酸钙）235.5 kghm-2、硫酸钾 kghm-2。品种为新陆早 10 号(C1)、新陆早 13 号(C2)。根据棉花各生育期需水需肥特性，将水分和氮肥按比例分次滴入、开沟施入，具体比例见表 1。 表 1 不同生
12、育期滴水量和施肥量占总滴水量和施肥量的比例(%)（1） Table 1 Irrigation and fertilization application rates in different growth stages (1) BPS=Budding peak stage; EFS=Early Flowering stage; FPS=Flowering peak stage; EBFS=Early boll forming stage; LBFS=Last boll forming stage; BBOS= Beginning of boll opening stage; BOPS=Ball
13、 opening peak stage 采用 1.4m 宽膜覆盖，宽窄行配置（30+60cm）,平均行距 45cm，平均株距 10cm，平均留苗株数约每公顷 22.5 万株。每个小区为一个水、肥、品种耦合处理，小区面积 30m2，铺 3 膜，总计 32 个小区。4 月中旬播种，膜上点播，膜下滴灌，病虫害管理按大田常规管理。 1.3 测定项目 棉花冠层光谱数据采集：采用美国分析光谱仪器公司生产的背挂式 ASD 野外光谱辐射仪(ASD Field Spec F R)，光谱测定范围 3502500nm，光谱分辨率在 3501000nm 之间为 3nm，在 10002500nm 之间为 10nm。测试
14、试场角为 25。每个样点测定两条光谱曲线，每条光谱曲线设定扫描记录时间为 0.2。所有光谱测量是在天气晴朗、无风时测量，时间为北京时间 11:3014:00，距冠层顶部50cm 处测定，每个处理选取 20 个样点取平均值，各处理测定前后，进行参考板校正。在棉花盛蕾期至吐絮后期，共有 7 次采样数据，对应的光谱测定时间和生育期如表 2 所示。 产量测定：在棉花收获时，准确测定用于测产的重复小区实际产量，从而获得准确的籽棉产量数据。 盛蕾期 BPS 开花期 EFS 盛花期 FPS 盛铃始期 EBFS 盛铃末期 LBFS 吐絮初期 BBOS 吐絮盛期 BOPS W0 0 0 0 0 0 0 0 0
15、0 0 W1 5.94 8.75 9.83 9.83 9.83 9.83 9.83 9.83 11.94 11.94 W2 5.47 8.05 9.04 9.04 9.04 9.04 9.04 9.04 10.99 10.99 W3 5.47 8.05 9.04 9.04 9.04 9.04 9.04 9.04 10.99 10.99 N0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 N1 0 0 0 25.00 25.00 0 0 0 0 0 N2 0 0 0 25.00 25.00 0 0 0 0 0 N3 0 0 0 25.00 25.00 0 0 0 0 0 表 2 光谱测定的日期及生育期
16、(2) Table 2 Growth stages and spectral measurement dates (2) BPS=Budding peak stage; EFS=Early Flowering stage; FPS=Flowering peak stage; EBFS=Early boll forming stage; LBFS=Last boll forming stage; BBOS= Beginning of boll opening stage; BOPS=Ball opening peak stage 2 结果与分析 2.1 不同氮素营养的棉花冠层光谱特征 图1是棉花从盛蕾期到吐絮后期，四种氮素水平在不同生育期的光谱曲线变化。从图1可以得出，（1）随着生育进程的推进，在盛蕾期到盛花期，不同氮素营养水平处理的棉花冠层光谱曲线都有这样
