1.1.1 水浇地春小麦

2012年4— 8月, 在新疆维吾尔自治区昌吉州奇台县设置了3块主要依靠井水灌溉的水浇地春小麦样地, 即: 水浇地1(E 89° 37'08″, N 44° 00'15″)、水浇地2(E 89° 35'57″, N 44° 02'32″)和水浇地3(E 89° 34'22″, N 44° 05'52″)。样地播种时间为2012年4月1日, 小麦品种为新春26号。各试验地面积为28 m× 24 m=672 m², 共设置10个小区, 其中每个小区的面积为8.4 m× 8 m=67.2 m²; 小麦实行垄和行并存种植, 垄间沟宽度20 cm, 行间距10 cm, 株距约5 cm。

1.1.2 旱地春小麦

在设置水浇地春小麦样地的同时, 在奇台县天山山前丘陵区选择了3块不同坡向的旱地春小麦样地, 这些样地因阳光照射方向不同又可分为阴坡地(E 89° 55'03″, N43° 41'54″)、阳坡地(E 89° 53'17″, N 43° 41'55″)和双面坡地(E 89° 51'38″, N43° 43'13″)。阴坡地始终背向阳光, 阳坡地始终朝向阳光, 双面坡地一面朝向阳光、另一面背向阳光。各类旱地因坡度大、地面凹凸不平, 无法设置垄引渠道水进行人工灌溉, 主要依靠天然降水。阴坡地处于北坡, 接受新疆主要的西北向水汽; 同时避免了阳光直射, 土壤水分高。阳坡和双面坡地处于南坡和东、西坡, 环境条件与阴坡地相反, 蒸发强烈, 土壤水分少。小麦播种时间为3月28日, 主要种植新春26号。各试验地实行均行种植, 行距约15 cm, 株距6 cm。试验地施肥情况: ①播种前大约一周, 各样地均施一定量的农家肥, 磷酸二铵25 kg/亩^①(①1亩=0.066 7 hm²。), 复合肥10 kg/亩

作为基肥; ②小麦起身期, 各样地均施尿素15 kg/亩, 磷肥15 kg/亩; ③抽穗期, 各样地施硫酸钾25 kg/亩。水浇地春小麦从起身期到乳熟期共灌溉7次(大约每13 d灌水一次), 旱地春小麦在整个发育过程中只降过一次水。

1.2.1 光谱测量仪器

采用美国ASD公司生产的ASD FieldSpec FR 地物光谱仪测量春小麦冠层光谱。该光谱仪的波段范围为350~2 500 nm, 其中在350~1 000 nm谱段光谱分辨率为3 nm, 采样间隔为1.4 nm; 在1 000~2 500 nm谱段光谱分辨率为10 nm, 采样间隔为2 nm。视场角为25° ^[13]。

1.2.2 不同地类春小麦冠层光谱测定

在春小麦起身、拔节、抽穗、扬花和乳熟期, 选择晴朗、无云、无风天气, 在北京时间12: 00— 16: 00之间, 用地物光谱仪分别测量水浇地和旱地春小麦群体光谱反射率。测量结果显示, 光谱曲线在350~900 nm谱段比较平滑, 之后随着波长的增大, 噪声也增大。这一谱段包括了遥感常用的可见光和近红外波段, 可满足本文分析的需要。

进行春小麦群体光谱反射率测量时, 传感器探头垂直向下, 视场角25° , 探头距离冠层顶部垂直高度约15 cm。每块样地选择5个固定位置, 每次测量5个光谱数据, 取其平均值作为该小区的光谱反射率值。测量前、后都立即进行标准白板校正(标准白板反射率视为 1, 所测目标物光谱是无量纲的相对反射率)。采用移动平均法对实测光谱进行去噪处理^[14], 选取测定样本某一点前、后光谱曲线上一定范围, 取其平均值作为该点的光谱反射率值, 即

R'_i= 12k+1(R_i+1+R_i-k+1+…+R_i+…+R_i+k) , (1)

式中: R'_i为样本第i点的反射率值(均值), i=1, 2, …, n; k为实测光谱反射率值的个数。

春小麦SPAD值测量选用美能达SPAD-502 叶绿素测量仪, 该仪器是一种外形小巧、对植物无破坏性的叶绿素含量相对值测定仪。测量时由叶片从上而下, 分叶尖、中部和叶基部3个部位各测量3次, 最后取其均值作为该叶片叶绿素含量的相对值。

用卷尺测定各样地春小麦的行距、苗高和叶宽, 每一项选5个点、测5次, 取其平均值作为该项指标的数据。测量叶宽时, 每个叶片均测量其中部。

2.1.1 水浇地与旱地春小麦反射光谱共同点

在可见光波段, 各地类春小麦反射光谱在拔节、抽穗、扬花期均表现为“ 两谷一峰” (蓝紫谷、 红谷和绿峰) , 即冠层反射率由低到高, 而后再降低, 在550 nm附近叶绿素吸收较少, 形成相对较强的反射峰; 在起身期和乳熟期光谱反射率均高于拔节、抽穗、扬花期, 且起身期> 乳熟期, 主要是因为春小麦在起身期受土壤背景影响较大, 在乳熟期随着叶片逐渐变黄, 反射率增大, 并且在绿光波段(520~560 nm)的反射峰也逐渐消失, 致使可见光谱段内小麦冠层反射光谱曲线的形状发生了明显的变化(图1)。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 各地类春小麦冠层反射光谱特征Fig.1 Spectral reflectance characteristics of spring wheat canopy in different kinds of land

在近红外波段, 各地类春小麦反射光谱均表现出扬花期> 抽穗期> 拔节期> 起身期> 乳熟期的特点。在这一波段, 作物反射光谱主要受叶子内部结构、生物量和覆盖度的影响, 扬花期春小麦长势(叶宽、苗高)最好, 覆盖度最大, 抽穗期和拔节期次之(图2), 起身期和乳熟期最差。其原因是春小麦在起身期刚开始生长, 叶片较小, 苗高较低, 覆盖度也小; 而在乳熟期叶片变黄, 内部结构发生变化。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 春小麦叶宽和苗高随不同发育期的变化Fig.2 Changes of spring wheat seedling height and leaf width at different growth stages

2.1.2 水浇地与旱地春小麦反射光谱差异

因受叶绿素含量的相对值影响(图3), 阳坡地和双面坡地春小麦在中间3期冠层光谱反射率的“ 峰谷” 没有水浇地和阴坡地的明显。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 各地类春小麦叶绿素含量相对值对比Fig.3 Chlorophyll content of spring wheat at different growth stages in different kind of land

在可见光波段, 各地类春小麦在各发育期冠层光谱反射率呈现的总特点是: 阳坡地> 双面坡地> 阴坡地> 水浇地, 说明后2种地类的春小麦长势好, 叶绿素含量的相对值较高, 可见光部分吸收强; 而阳坡地和双面坡地的春小麦因叶绿素含量的相对值较低, 覆盖度较小, 反射率高于阴坡地和水浇地的春小麦冠层反射率。

在近红外波段, 各地类春小麦冠层光谱反射率表现出的总特点是: 水浇地> 阴坡地> 双面坡地> 阳坡地, 与在可见光波段的特点完全相反。

无论在可见光波段, 还是在近红外波段, 各地类春小麦光谱曲线在拔节、抽穗、扬花期与在起身期和乳熟期的光谱曲线相差较大, 较易区分。阳坡地和双面坡地春小麦的光谱曲线几乎一致, 阴坡地春小麦的光谱曲线在起身期和乳熟期与阳坡地和双面坡地春小麦的光谱曲线相似, 在拔节、抽穗、扬花期则与水浇地相似。

在可见光波段, 起身期春小麦的光谱受土壤背景的影响较大, 且因小麦长势不一, 受土壤背景的影响不同, 阳坡和双面坡地受影响较大, 其春小麦的光谱曲线基本重合成1条曲线。水浇地和阴坡地的光谱则形成2条不同的曲线。随着小麦生长, 覆盖度逐步增大; 进入拔节期后, 水浇地和阴坡地春小麦叶绿素含量的相对值逐渐增大, 二者的光谱曲线重合成1条曲线, 这种状态持续到扬花期。到了乳熟期, 各地类春小麦叶片变黄, 且变黄的程度不同, 水浇地与旱地春小麦光谱曲线各自成1条曲线。

在近红外波段, 春小麦光谱曲线主要受叶片结构及内部组织的影响。在起身期, 因水浇地与旱地春小麦长势差异较大, 光谱反射率差异也较大; 在拔节期, 因水浇地和旱地所含水分不同, 其小麦长势也不同, 光谱曲线也存在差异; 在抽穗期和扬花期, 小麦群体结构基本稳定, 光谱曲线差异较小; 在乳熟期, 由于小麦叶片变黄, 内部结构发生变化, 其光谱曲线差异不明显。

处于各发育期的不同地类春小麦光谱反射率在可见光波段和近红外波段表现出截然相反的变化规律, 即由起身期> 乳熟期> 拔节期> 抽穗期> 扬花期转变为扬花期> 抽穗期> 拔节期> 起身期> 乳熟期(图4)。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 不同发育期春小麦冠层反射光谱特征Fig.4 Spectral reflectance characteristics of spring wheat at different growth stages

对各发育期水浇地与旱地春小麦光谱反射率取平均值, 作为其在不同发育期的反射光谱特征曲线(图5)。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 各发育期水浇地与旱地春小麦反射光谱曲线对比Fig.5 Comparison among spectral reflectance curves of spring wheat at different growth stages

为了利用遥感图像更精准地区分水浇地与旱地春小麦, 实时反馈各地类小麦的生长、营养及病虫情况, 参照常用的TM图像的波段设置, 对实测春小麦光谱进行波段划分, 从而为遥感反演模拟和估算提供光谱依据。TM1— 4波段分别为可见光波段TM1(450~520 nm)、TM2(520~600 nm)和TM3(630~690 nm), 近红外波段TM4(760~900 nm)。

在可见光波段, 水浇地与旱地春小麦光谱存在一定差异, 但差异较小; 在近红外波段, 各发育期的水浇地春小麦的光谱反射率明显高于旱地春小麦的光谱反射率, 尤其是在740 nm以后, 水浇地春小麦光谱曲线的上升速率明显高于同期的旱地春小麦(图5)。

水浇地与旱地春小麦的各波段反射率均存在差异, 在可见光波段, 旱地春小麦在各发育期的反射率均大于水浇地的反射率, 而在近红外波段则相反(表1)。4个波段中, TM4的不同发育期水浇地与旱地冬小麦反射率差值最大(表2); 因此, 可利用TM4的数据对各发育期水浇地与旱地春小麦进行监测。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 各发育期水浇地与旱地春小麦实测光谱反射率 Tab.1 Measured spectral reflectance of spring wheat in irrigated and dry land at different growth stages 波段 水浇地 旱地 S②起身期 S拔节期 S抽穗期 S扬花期 S乳熟期 H③起身期 H拔节期 H抽穗期 H扬花期 H乳熟期 TM1① 0.058 0.021 0.025 0.027 0.037 0.081 0.048 0.058 0.060 0.070 TM2 0.092 0.040 0.043 0.042 0.067 0.123 0.079 0.087 0.090 0.107 TM3 0.082 0.021 0.025 0.025 0.052 0.142 0.076 0.082 0.087 0.121 TM4 0.378 0.420 0.457 0.508 0.356 0.269 0.300 0.364 0.415 0.266 ①TM1, TM2, TM3 和TM4分别为450~520 nm, 520~600 nm, 630~690 nm和760~900 nm 波长范围, 表中数据为在该波长范围内春小麦实测光谱反射率均值; ② S代表水浇地; ③H代表旱地。

表1 各发育期水浇地与旱地春小麦实测光谱反射率 Tab.1 Measured spectral reflectance of spring wheat in irrigated and dry land at different growth stages

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 不同发育期水浇地与旱地春小麦反射率差值 Tab.2 Reflectance differences between spring wheat in irrigated and dry land at different growth stages 波段 发育期 起身期 拔节期 抽穗期 扬花期 乳熟期 TM1 0.023 0.027 0.033 0.033 0.033 TM2 0.031 0.039 0.044 0.048 0.040 TM3 0.060 0.055 0.057 0.062 0.069 TM4 0.109 0.120 0.093 0.093 0.090

表2 不同发育期水浇地与旱地春小麦反射率差值 Tab.2 Reflectance differences between spring wheat in irrigated and dry land at different growth stages