冬小麦氮素积累量的高光谱遥感监测研究

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　　传统的测量田间氮素营养指标是通过破坏作物取样，需要消耗大量的人力物力，准确性偏低，时效性差，并存在一定的主观影响，不适合推广和使用。现代监测技术包括叶绿素仪、叶绿素突光技术、作物数码图像识别技术和光谱遥感监测技术，在不破坏作物的基础上，利用多种现代技术手段来对作物含氮量进行大面积快速准确高效的获取氮素含量是科学氮肥运筹的关键。
　　一、供试材料和方法
　　1、试验设计
　　实验地点是大学当中的农作站，土壤是褐土，为碱性，氮、磷、钾含量分别是53.82mg、18.44mg、236.91mg，使用的肥料主要是尿素，含氮量大约46%，还有12%的是过磷酸钙。
　　试验时间：2018年9月～2019年6月，该实验为氮肥运筹试验，釆用随机区组设计。氮肥施入量分别为NO：0 kg/hm2;Nl：75kg/hm2;N2：150kg/hm2;N3：225kg/hm2;N4：300kg/hm2。供试品种为：京9549。小区面积4*7=28m2，行距20cm，重复3次，田间在管理上相同。
　　2、测量指标和方法
　　（1）冠层光谱测定
　　高光谱分辨率遥感是利用应用探测器，遥远地感知一个客观物体的存在，将电磁波信号记录下来，通过后期分析揭示物体的特性和变化的一门综合性探测技术。其原理是对光谱学的应用。
　　对小麦的冠层光谱测定使用的仪器是美国生产的，型号是FieldSpec3，波段是2500m～350nm，视场角度约25度。其中波段不一样，光谱间隔也不一样，当光谱采样的波段带在350～1000nm时，光波采样间隔度是1.4纳米。当光谱采样的波段带超过1000nm，不足2500m时，光谱采样间隔大约在2nm。仪器每三个月进行一次光度校准。测量时选择天气比较晴朗少云，没有风时。分别在冬小麦不同的季节检测。并对光谱测定率进行记录，不管是哪一个时期，时间都在上午十点到下午两点之间检测。测量时探头和冠层间的垂直距离约1.2m左右。在不同的区域点选取三个点进行测量，每次测量的次数不低于五次，平均值为该区域内光谱的测量值。
　　（2）叶绿素（Chi）含量测定
　　测定叶绿素含量时和特定光谱亮度一样，在冬小麦不同的生长期采集。让叶子进行密封每个不同的区域最少重复三次，将选取的样本进行测定。先将叶脉部分去掉，裁剪成不同的小块，宽度不超过2mm，放到容量瓶中，比例为4：1。用1ml的丙酮和15ml的80%的丙酮选取的样品浸泡，密封保存中不能見光，约24小时后进行测定。
　　（3）叶面积指数测定
　　叶面积指数测定和光谱测定同时进行，叶面积指数测定使用的是干重法。在不同的地方选取小麦进行测定，每个地区随机选5个叶片，用尺子量取宽度，再精确地剪下叶片中段4cm，求得这部分叶片的总面积（Si），烘干称重（Wi），并将S’的冬小麦叶片的其余部分烘干称重（W2），求得叶片总面积。
　　（4）植株生物量的测定
　　本次使用的方法是烘干称重法，在不同的小区选一些比较有代表性的植物来测量，每个小区大约选10株，先对生物量进行测定和计算，再对重量测量，最后将生物放入烤箱内烘烤30分钟后，继续烘干，温度和之前相比有所降低，直到烘干为止。每两小时测一次重量之间的差值，根据记录的数值，计算植株的含水量。
　　（5）植株氮素测定
　　确定植株氮素含量时，使用的是微量凯氏定氮法。先将选取的植株样品粉碎，再加入一些化学制剂一起加热的过程中蛋白质进行充分分解，分解之后的物质发生化学反应生成的硫酸氨，最后用盐酸的标准溶液进行滴定后，根据氮素含量的计算公式得到植株氮素的含量。公式如下：
　　式中V为盐酸体积变量，M为样品质量。氮素积累量（kg/hm2）=全氮含量*干物重
　　二、冬小麦光谱变化特征分析
　　1、冬小麦冠层光谱变化规律
　　（1）不同生育时期冬小麦冠层光谱变化规律
　　本次将氮素进行处理，最后发现冬小麦观光层光谱的变化曲线基本上没有发生变化，以氧化氮为例，红光波段和蓝光波短分别出现了两个反射率比较低的吸收谷。但中间有一个比较强的反射峰是绿光波段约为550nm。光谱曲线在波段680nm时开始上升，1000nm时到达顶峰，这时近红外高台区反射的波形变化比较明显。
　　（2）不同氮梯度下冬小麦冠层光谱的变化规律
　　冬小麦在生产过程中，虽然氮素不一致，但观测光谱变化基本一样。氮元素对冬小麦的生长帮助非常大，生长情况和氮素含量成正比。同时，植被的覆盖率也比较高，叶绿素比较强，导致可见光区的反射率比较低。
　　2、冬小麦冠层光谱一阶导数变化规律
　　（1）不同生育时期冬小麦冠层光谱一阶导数变化规律
　　原始光谱反射力度虽然会受到背景因素的干扰，但经过一阶微处理影响可忽略不计。除成熟期外，冬小麦在其他生长期，光谱线路基本保持不变。其中反射率变化有一部分比较大，就是红边的位置。这个特征比较明显，也是和其他绿色植被区别最明显的地方。一些小的波峰在930～1130nm处会有一个小的波谷。拔节期光谱反射率最高，可能是因为小麦生长时，植株含水量比较低。冬小麦的冠层光谱的红边特征比较明显，其实这种现象在生长前期就出现了，但因受到土壤信息和冬小麦叶面积的影响并没有表现出来，随着冬小麦不断的生长，覆盖度和之前相比都有明显的增加。在生产的过程中，土壤对小麦的影响也比之前有所降低，所以生长后期这种双峰现象会慢慢表现出来。但随着叶片继续生长和脱落，最后会逐渐消失。
　　（2）不同氮梯度下冬小麦冠层光谱一阶导数变化规律
　　冬小麦在生长的过程中，虽然氮元素的含量不一样，但光谱曲线一致。在近红外区反射率和施氮量成正比，可见光区域反射率和施氮水平成反比。冬小麦在红边区生产时，如果施氮的含量过多，可能会出现红移现象。另外，冬小麦成熟期时反射率最小，随着冬小麦不断生长，反射率变化也越来越小，可能是因为小麦在生长时营养成分有所转移，导致小麦籽儿的营养比较高，叶片的营养素比较低。
　　（作者单位：651215 云南省禄丰县一平浪镇农业农村服务中心）
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