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基于地物光谱反射率诊断小麦水分状况的应用

发表时间:2022-05-11 10:26
植物水分状况的指标只能从作物本身的测定中得到。植物的生长发育直接受叶片水分状况的影响,间接地受土壤水分等因素的影响。植物水分亏缺诊断方法有多种,比较好的是以作物活体为测定对象的气孔导度、叶水势、冠层温度和蒸腾速率等指标,但仍存在一些尚待解决的问题如指标受土壤水分、大气条件和内部生理条件等多种因素的影响。
自1963年Tanner提出以冠层温度指示植物水分亏缺以来,冠层温度法成为诊断作物水分状况的一个重要手段,30多年来,相继提出冠层温度变异法、参考温度法、冠层气温差(SDD)和作物缺水指标法(CWSI)等。但这类诊断方法受环境的强烈影响,温度差不足以说明作物水分状况在时间和空间上随环境的巨大变化。本研究从地物光谱反射率着手,探索分析诊断作物缺水状况的可行性。
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此前一些学者虽提出植被在970,1450和1900nm附近的光谱反射率吸收峰反映着植物的水分状况,并进行了初步的实验研究,如Jackson研究了棉花水分胁迫的光谱响应,指出作物的水分胁迫状况能够在光谱反射率数据中有体现;Penuelas等人指出可用R970nm/R900nm作为水分指数监测小麦的水分状况;Michio等人研究表明960nm处的导数光谱可用来监测水稻的水分亏缺状况。
但是,应用作物光谱反射特征吸收峰定量测定作物水分含量,进而诊断作物水分状况的方法至今未见报道,地物光谱反射率吸收峰的归一化定量描述技术使本研究成功地建立了小麦叶片水分含量与1450nm附近水的反射率特征吸收峰深度和面积的定量线性回归模型,并利用地物光谱反射率来诊断作物缺水状况成为可能。

1 材料和方法

(i)样品采集:冬小麦挑旗后,从小麦底部到上部随机采集小麦叶片样品110个(包括绿色功能叶、衰老叶和半衰老叶),迅速保湿,送实验室进行光谱反射率测量和水分含量测定。
(ii)光谱测量:在两台500w溴钨灯光照射下,用地物光谱仪ATP9110-25H,对小麦叶片进行光谱测量。实验设定5°视场,探测器头部垂直对准样品,距离约10cm,保证探测面积直径约1cm,叶片充满探测视场。对一条光谱曲线的扫描时间设定为5s,每个叶片光谱测量重复4次,进行平均。每个叶片光谱测量后,迅速用电子天平称重。样品采集到光谱测量间隔约20min,光谱测量到重量测定间隔不超过30s,保证光谱测量值能真实地反映叶片活体时的状态,及光谱反射率与其水分含量间的准确对应关系。
(ⅲ)相对水分含量的计算。叶片的相对水分含量(RWC)根据以下公式计算:

RWC=(FW-DW)/FW               (1)

其中FW为鲜重,DW为干重

2 数据处理、分析及结果

2.1 光谱吸收特征峰的选择

小麦叶片水分含量占其重量的40%~80%,它对叶片光谱反射率的影响比其他生理参数大得多。在植被叶子反射光谱区,1450nm附近的光谱反射率吸收峰仅反映叶片水分的吸收作用,而970,1200,1900nm等处的光谱反射率吸收峰,还受其他因素影响,如淀粉、蛋白质、氮等;同时1900nm处的光谱反射量测值也容易带有噪音。本研究选择了1450nm附近小麦叶片水分的吸收特征峰。

2.2 光谱吸收特征峰的归一化定量分析

对光谱反射率曲线进行平均、噪声去除等预处理。用归一化技术(也称作外壳系数法)对1450nm附近的小麦叶片水分的光谱特征吸收峰进行计算并定量表达其光谱特征峰参量吸收峰的位置、深度、面积、对称性,如图1。其求解过程如下:

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图1 小麦叶片光谱特征吸收峰归一化定量分析示意图

(a)包络线(虚线),(b)比值反射率(箭头线为深度,阴影为面积)

根据反射率值的大小和整个谱线的斜率,找出光谱曲线的各极大值点,用包络线(外壳系数)将它们依次连接起来,定义为100%;线对原光谱曲线进行归一化处理,即:计算每个光谱通道上实际反射率与包络线反射率(100%)的比值,求得比值反射率。波长位置(WAV)是比值反射率的特征吸收峰对应的波长,深度(DEPTH)是特征吸收峰的极小值点相对100%线的距离,面积(AREA)是指特征吸收峰深度--半处吸收峰宽度与深度的乘积,对称性(ASYM)是特征吸收峰左边的一半面积与右边的一半面积的比值。

2.3 小麦叶片水分含与1450nm处光谱吸收特征峰的网归关系

用小麦叶片的110个相对水分含量与相应的1450nm处光谱吸收特征峰深度和面积分别

建立线性回归方程(如图2,3):

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图2 相对水分含量与吸收峰深度相关关系

●示均值,工示均值±标准差

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图3 相对水分含量与吸收峰面积相关关系

●示均值,工示均值±标准差

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其中y1,y2为相对水分含量,x1,x2分别为吸收峰的深度和面积。
对(2)和(3)式的回归关系进行F检验和相应的回归参数的置信区间估计:
对(2)式测算,F=239.56>F0。01=6.90,可靠度为95%的截距置信区间为[9.908,18.492],回归系数的置信区间[1.589,2.071],复相关系数为0.845。
对(3)式测算,F=256.593>F0.01=6.90,可靠度为95%的械距置信区问为[20.707,28.291],回归系数的置信区问为[5.309,8.951],复相关系数为0.858。

由此表明,小麦叶片相对水分含量与该吸收特征峰的深度和面积都呈显著线性回归关系。

2.4 结果验证

从小麦大田中取6片结构完整的旗叶,放人清水浸泡约1h,直至叶片吸水基本达到饱和,从水中取出叶片,去掉叶片表面游离水。用500W溴钨灯垂直照射,对小麦叶片进行水分胁迫。灯与样品的距离为30cm,光照时间依次为0,2,4,6,8,10,12,20,25min,共9个处理。叶片经水分胁迫后,用方法(ii)对叶片进行光谱测量,用方法(i)实测其相对水分含量(RWC)。依照2.2小节中方法,对叶片在1450nm处的光谱吸收特征峰进行光谱归一化定量分析,按照2.3小节中(2)和(3)式回归方程分别计算相应1450nm处光谱吸收峰深度和面积的相对水分含量y1,y2,由此,可得到54组叶片的相对水含量实测值和相应的计算值(见表1)。

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表1小麦叶片相对水含量的实测值与计算值的比较

表1中的Δ1和Δ2表示计算值与实测值间的相对误差值,即:

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表1中RWC与y1(或y2)是在同一供试叶片上进行叶片水分含量测定而获得的成对比较数据,为测验两个样本所属平均数有无显著差异,采用了成对数据比较,并对其进行两尾测验。假定两种叶片水分含量测定方法测得的含水量没有显著性差异,即:H0:μd=0;对HA:μd≠0。显著水平α=0.05。经测验计算得:t1=1.1335(t2=0.4516),查t值表,自由度v=54-1=53时,t检验表明这几组正态分布的数组间无显著差异,可见用1450nm处的光谱反射率诊断小麦水分状况是可行的。

3 结论

(1)图表分析表明,小麦叶片含水量与1450nm处的光谱吸收特征峰深度和面积具有良好的线性回归关系,说明利用地物光谱仪直接测量小麦叶片光谱,从而对小麦水分含量进行活体测定是可能的,且方便快捷,节时省力。本研究不涉及小麦冠层光谱及相应的小麦叶片与土壤的光谱的混合问题。
(2)光谱归一化定量分析技术是建立小麦叶片含水量与光谱特征峰深度和面积线性回归关系的关键。该技术方法适用于其他地物(如岩石、土壤等)光谱,也可用于其他谱线特征峰的定量描述研究。

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(3)地物光谱仪测量一定时问后,随光电技术元件温度的提高,光谱响应函数有所改变,因此,连续测量时,隔半小时需对光谱仪进行初始化,而初始化前后的同一样品的光谱数据有微小变化;叶片水分含量的测定与其光谱测量只能做到准同步,即用电子天平称重后再进行光谱测量时,叶片水分有所丢失,且叶片的水分含量测定也会带来一定的误差,由此可能造成回归关系式的截距偏大;对应图2和3的数据分析,由于本研究缺少同一水平样品的多次重复数据,以相对水分含量相差4%的邻近样品进行统计分析,将造成计算的标准差偏大。另外,本研究所选样品的水分含量介于40%~80%之间,如要在小于40%或大于40%的区间外延,最好再进行佐证。
(4)研究方法基于小麦叶片的反射率进而推算其水分含量。叶片的反射率主要随叶片的生化组分而变化,受环境影响小,而且测试操作简便,实时性和实用性强。
(5)在实验室内溴钨灯下测量小麦叶片光谱反射率,主要是为了光谮测量后能迅速地用电子天平测定小麦叶片的水分含量,以保证叶片含水量与光谱反射率间准确的对应关系。如果天气晴朗,能见度比较高,大气比较干燥,有些信噪比较高的新型地物光谱仪可在野外太阳光下很好地测量1450nm处的小麦叶片水分的光谱吸收特征峰,并进一步计算小麦含水量,诊断小麦水分状况。也可考虑利用内置光源地物光谱仪,如澳大利亚的PIMA,从而解决天气状况不好、又要求在野外阳光下实时、实地测量的问题。

综合以上研究结果、分析和讨论,可考虑将地物光谱仪进行改造,建立一种新型小麦含水量活体测定技术,有望达到野外实时、实地、全天候、大面积快速测量的目的。如仅考虑用1450nm小麦水的吸收特征峰,可考虑仅用一个宽波段,将地物光谱仪改进为内光源设置,并将光谱吸收特征参量的归一化定量分析技术和本研究结果编程为一个处理程序,或采用软件固化技术,更便于及时处理和分析。



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