2003 遥感学报 第24卷第7期 不同氮素水平下水稻叶片和穗光谱反射率对比研究外文翻译资料

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2003 遥感学报 第24卷第7期

不同氮素水平下水稻叶片和穗光谱反射率对比研究

摘要：在水稻灌浆时期测量了三种不同的氮素水平下水稻叶片和稻穗的光谱反射率（350-1060nm）。作物稻穗具有典型的反射光谱特征，与叶片相比它能反射出更多的辐射在可见光区域具有更长的最大/最小反射波长。与叶片相比稻穗具有负的光化学反射指数（PRI），近红外波段（NIR）与红光波段反射率比值较小，归一化总色素与叶绿素比指数（NPCI）更高。NPCI随着氮含量的增加而下降，PCI随着氮含量的升高而增大，且近红外波段与红光波段的反射率比也随着氮含量的增加而增大。在不同的氮素水平下，峰值的比值接近恒定。 结果表明，稻穗光谱具有水稻产量和品质预测的潜在价值。

1. 引言

农艺研究相关研究已经集中研究了水稻冠层或单株叶片的反射性，例如，植物量，叶面积指数，土地覆盖（卡萨诺瓦等1998）和叶绿素和氮浓度（塔克贝尔等.990，彭等1993，Ladha等1998，周等2001）。当水稻成熟结穗位于顶端的穗稻对冠层反射有重大影响，其光谱特征也可能表明水稻的产量和品质因子。众所周知，穗稻中的氮浓度与其蛋白质含量有较强的相关性。稻穗氮素含量与稻穗密度相关，稻穗密度与水稻的谷物产量密切相关被定义为单位面积作物的最小穗数（长谷川等1994）。因此，评估稻穗的氮素状态的对预测水稻的产量和质量是有价值的。目前为止，有关作物穗反射的数据报道较少。本文研究了不同氮水平处理的水稻植株的叶片与稻穗光谱反射率的差异，分析了使用光谱数据评估穗中氮营养状况的可行性。

1. 材料和方法

1999年7月至10月在杭州浙江大学实验农场进行实地试验（），(Oryza sativa L)。选择lsquo;Wangeng 9363rsquo;进行试验，沙壤土壤的pH为5.66，16.6g*kg-1有机物质和1.02g*kg-1氮素。使用由4mx5m组成的完全随机设计的地块，分别在实验条件下将20个地块代表划分成五个氮水平进行四组重复试验。 本研究选择三种氮素水平处理（N0：0kgNa -1，N1：45kgNa -1和N2：105kgNa -1），它们分别代表氮缺乏水平，氮轻度有效水平和氮饱和水平，该水稻于1999年7月25日移植，间距为13.3cmx16.7cm。9月24日，第二个最上面的叶子和稻穗被采样用于反射测量（谷物化）。 在实验室条件下随机抽取每个地块的8个叶和12个稻穗进行测量。 在每个叶片的中点附近以350-1060nm的波长范围（采样间隔为1.4nm）测量每个叶或稻穗，并使用配备有3个视场光学器件的

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FieldSpec模型光谱辐射计 分析光谱仪器的产品，Boulder，CO，USA），每次测量是10次扫描的平均值。传感器保存在样品上方5cm处，光源为40W（南京灯泡厂）的DDF 400反射阳极镝灯，具有与阳光相似的光谱，将数据与白色BaSO 4参比进行比较。对于每个测量记录了红光波段中反射最大值的波长和红波段中的反射最小值，三种反射指数，归一化总色素对叶绿素a比指数（NPCI，Pen uelas等1993，1997），

NPCI=（R₆₈₀-R₄₃₀）/（R₆₈₀ R₄₃₀）

光化学反射指数（PRI，Penuelas等，1997），

PRI=（R₅₃₁-R₅₇₀）/（R₅₃₁ R₅₇₀）

并计算了近红外波段光反射率与红波段反射率的比值R₉₂₈/ R₆₈₀（周等2001）。 通过F-test在Microsoft Excel 3.0中检查具有相同氮水平的稻穗和叶之间的光谱差异，在Microsoft Excel 3.0中通过t检验来检查不同氮素水平下的光谱指数的差异。

1. 结果

叶子是绿色的，稻穗的颜色为浅黄绿色，所测量的稻穗反射光谱与叶片非常相似（图1（a））（图1（b））。 所有的稻穗和叶片在绿光波段中具有反射峰值，红光波段的反射最小值和近红外区域近似恒定。 F检验结果表明，具有任何氮水平的稻穗在可见光区域（400-700nm）或近红外区域（750-1050nm）中的光谱数据阵列与叶片的光谱数据阵列明显不同（a=0.01） 相同氮素水平。在144个峰值反射光谱的每个光谱曲线中，稻穗的反射最大值和最小值的波长分别为约559和676nm，而在叶片的每个反射光谱曲线中，叶片的波长分别为约554和674nm。结果表明，与叶片相比，稻穗的反射最大值和最小值向较长波长方向移动。

如图1所示，氮缺乏植水稻（N0和N1水平）的叶片在可见区域具有更大的反射性，并且近红外区域中的反射率低于水稻（N2水平）的叶片，这与太阳辐射的结果一致 由Penuelas等人（1994），氮缺乏稻穗在可见区和近红外区都具有较高的反射率。

稻穗的NPCI值比叶片大10倍。 当叶片和稻穗的氮含量增加时，NPCI均降低（图2）。 t检验结果表明，NPCI值在N0和N1（a=0.05水平）之间以及N1和N2（0.01水平）之间的差异显著，N0和N1（a=0.01）之间，N1和N2（a=0.01水平）也有显著差异。

稻穗的PRI值为负，叶片为正值（图3），PRI值随着叶片氮素含量的增加而增加， 氮素处理（N0和N1，N1和N2，N0和N2）之间的这个指标的差异在t检验的稻穗和叶片的0.05水平上都显著。

叶片的近红外反射率明显高于红光波段，叶片比例似乎随着氮含量的增加而增加，但是对于具有三种不同氮水平处理的植物来说，稻穗的比例接近相同（图4）。仅在叶片（t检验）中观察到氮处理（N0和N1，N1和N2）指数之间的显著差异（0.05水平）。

1. 讨论

稻穗具有与叶片相同的典型光谱反射特性，因此穗的反射光谱也应主要受到可见光区域中的叶绿素和类胡萝卜素以及近红外波段内部结构的影响（Gausman 等1970 ）。与叶片相比，稻穗在可见区域反映出更多的能量，这可能是由于其叶绿素浓度较低和特定的表面光学性质。稻穗的可见区域的反射峰值和吸收峰值（反射峰值）的波长比叶片长，这可能表明稻穗比叶片先衰老（Guyot 1990）。稻穗的形态和内部结构与叶片明显不同，稻穗光谱形态和结构之间的关系需要进一步研究。一个重要的方面应该是谷物的枝条和谷壳之间的巨大空间，高细胞间隙/细胞比率是植物在近红外波段高度反射辐射的一个原因（Riedell and Blackmer等1999），在近红外波段氮素（N0和N1）之间的峰值差异与氮肥水平（N2）之间的差异可能与穗密度的差异有关，因为观察到补充的氮增加了水稻中最小的穗数 （Hasegawa等1994），以及由颗粒和轴分支的尺寸和阵列确定的稻穗的结构。

氮缺乏致使水稻衰老，这可以解释为什么叶片和稻穗的NPCI随着氮水平的增加而降低，因为一些结果（Pen uelas等1993，Riedell和Blackmer 1999）倾向于支持NPCI 增加衰老植物。光谱读数是在衰老生长阶段（谷粒化）进行的，这可能是在本研究中观察到氮水平对植物NPCI的引发作用的一个原因。 结果表明，稻穗NPCI可能被用作水稻成熟度的指标。

PRI在峰值中的负值可能表示极低的光合辐射使用效率（PRUE），以及PRI随着叶片和稻穗氮含量增加的理解都符合以下理解：较高的氮水平可以在PRI和PRUE之间存在，叶片和冠层水平的水稻PRUE作为功能关系（Penuelas等人，1997）。我们的结果与Filella等人的结果一致（1996），发现PRUE和PRI在低氮大麦冠层中较低。

近红外波段反射率与红光波段反射率的叶比值表明水稻的氮状态，证实了周等人的结果（2001）。 在不同氮含量条件下，峰值比值保持接近恒定，需要进一步研究确定和解释。

结果表明，由于NPCI值降低，且峰值和叶片的氮含量均随着氮磷含量的升高而增加，因此，通过评估稻穗氮水平可以预测穗粒的光谱，并且在预测籽粒产量和品质方面存在潜在价值。

1. 结论

稻穗具有与水稻叶片相似的反射光谱特征，但它在可见光区域具有较高的反射率和较长的最大/最小反射波长。穗与叶片的负PRI不同，近红外波段反射率与红光波段反射率的比例明显降低，NPCI更高。 已经观察到NPCI随着氮含量的降低而降低，PRI随氮素含量的升高而增加，而近红外波段反射率与红光波段反射率的氮比均随着氮含量的增加而增加，而不同氮含量下峰值比值接近不变 。 结果表明，稻穗的光谱可以指示水稻的氮状态。

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