植物營養(yǎng)脅迫與光譜特性

1、植物營養(yǎng)脅迫與光譜特性植物營養(yǎng)脅迫與光譜特性王珂沈掌泉王人潮摘要主要介紹了植物營養(yǎng)脅迫與光譜特性的關(guān)系，列舉了多個用植物光譜分析方法診斷植物營養(yǎng)水平的實例，提出了提高診斷精度的幾種途徑。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞植物營養(yǎng)光譜特性遙感技術(shù)分類號分類號TP79:Q948.1VEGETATIONNUTRIENTCONDITIONSPECTRALFEATUREWangKeShenZhangquanWangRenchao(InstituteofRemoteSe

2、nsingInfmationSystemApplicationofZhejiangAgriculturalUniversity310029)AbstractThepaperintroducesmainlyabouttherelationsbetweenthevegetationnutrientitsspectralfeaturegivessomeexamplesonhowusingthemethodofvegetationspectra

3、lanalysistodiagnosethevegetationnutrientlevels.Atlastitputsfwdseveralmethodsonimprovingthediagnosticprecision.KeywdsVegetationnutrientSpectrolfeatureRemotesensingtechnique0引言引言植物因缺乏營養(yǎng)元素會嚴(yán)重影響其生長速度和產(chǎn)量。植物缺營養(yǎng)元素能引起葉片葉色、形態(tài)、結(jié)構(gòu)以

4、及各種外觀不同的缺素癥狀。葉片吸收太陽輻射能的多少與葉片內(nèi)外部結(jié)構(gòu)對入射的反射特性有關(guān)，而葉片吸收太陽輻射能的多少在很大程度上決定了光合速率(Maasetal1989)。植物葉片的光譜特性與葉片厚度(Gausmanetal1973)、葉片表面特性(Nielsenetal1984)、水分含量(Gausmanetal1971Guyotetal1985)和葉綠素等色素含量有關(guān)(Gausman1982Ercolietal1993)。植物營養(yǎng)元素

5、狀況與光譜特性也密切相關(guān)(Al_Abbasetal1974Walburgetal1982Miltonetal1991周啟發(fā)等，1993；王人潮，1993；王珂等，1997)。植物光譜特性的研究已成為地球資源光譜信息研究的重要組成部分。不同營養(yǎng)狀況下植物光譜特性的差異引起了農(nóng)學(xué)、植物生理學(xué)和遙感等許多學(xué)科的研究者的重視。這不僅使田間非破壞性、快速、簡易地診斷營養(yǎng)狀況有了可能，而且由于傳感器等遙感技術(shù)的發(fā)展，使得大面積監(jiān)測植物的營養(yǎng)狀況也取

6、得了很大進(jìn)展。但在實際應(yīng)用上仍存在一些困難，這與影響植物光譜特性的因素眾多，以及營養(yǎng)脅迫引起光譜特性變異的機理不明確有關(guān)。不同植物的反射光譜波形是相同的，主要區(qū)別在反射率的大小上(Guyotetal1989)。葉片在可見光波段(400～700nm)的反射率較低，透射率也很低，這是因為大部分入射光被葉綠素、葉黃素、胡蘿卜素、花青素等色素吸收，其中65%的入射光被葉綠素a、b所吸收，吸收的波段主要集中于藍(lán)、紅光波段，速、簡便等特點，日本首先

7、研制了葉綠素計用于田間的作物氮素營養(yǎng)水平診斷及指導(dǎo)施肥(Chubachietal1986)，隨后葉綠素計被應(yīng)用于水稻、小麥、玉米、果樹等許多作物氮素的診斷中，取得了較好的效果(Takebeetal1990Turneretal1991Dwyeretal1991Pengetal1993Blackmeretal，1995)。在實際應(yīng)用葉綠素計中也遇到不少困難，主要是作物的品種、生育期、生長環(huán)境等的不同對葉綠素計的讀數(shù)造成的影響(Campbel

8、letal1990)，為了精確地估測氮素營養(yǎng)水平，還需建立校正曲線，或者是改進(jìn)計算方法，來提高葉綠素計的診斷精度，但這種計算也需要實驗室分析配合，因此，這種方法不再是一個快速、非破性的方法(Pengetal1993)。隨著測試儀器性能的不斷提高，光譜分辨率與測試光譜范圍都大大提高。高氮和低氮處理過的槭樹葉片在大于1500nm的中紅外波段的光譜反射率都顯著低于中氮處理過的槭樹葉片反射率(Yoderetal1995)。葉片的氮素含量可以通過

9、光譜分析方法來估測，但不同估測模型的精度不一，以反射率一階導(dǎo)數(shù)建模精度最高(Yoderetal1995)。Johnson(1996)發(fā)現(xiàn)在2160nm波段處葉片反射率的一階導(dǎo)數(shù)與葉片全氮量間的相關(guān)性在整個可見光至紅外波段范圍內(nèi)最好，用光譜分析方法估測鮮葉含氮量其精度大于85%。與氮相比，植物中磷鉀營養(yǎng)與光譜特性的關(guān)系研究較少。據(jù)Al_Blasetal(1974)、Miltonetal(1991)、吉川年彥等(1991)、楊希等(1996

10、)研究，植物磷營養(yǎng)素的多少對光譜特性有較大影響，但其影響不象氮營養(yǎng)水平那樣一致。這是因為植物輕度缺磷時，葉綠素濃度有可能提高(楊希等，1996)，但在嚴(yán)重缺磷時，葉片光譜分析才能用于水稻磷營養(yǎng)診斷；鉀營養(yǎng)素對植物光譜特性的影響介于氮營養(yǎng)與磷營養(yǎng)之間。隨著鉀營養(yǎng)水平的提高，葉片在可見光波段光譜反射率降低，而在近紅外波段光譜反射卻有所提高(奧塞瑪?shù)龋?996；王珂等，1997)。在現(xiàn)有儀器設(shè)備條件下，一般只能區(qū)分3～4級鉀營養(yǎng)水平(奧塞瑪?shù)?/p>

11、，1996)。在近紅外波段區(qū)間(780～1300nm)鉀營養(yǎng)水平越低，反射率越高，這與氮營養(yǎng)的影響正好相反，這可能是缺鉀時葉片表皮細(xì)胞發(fā)生變化，葉面厚度增加，葉片柵欄、海綿組織的細(xì)胞收縮和局部破裂的結(jié)果。在1450nm波段處，隨著鉀營養(yǎng)水平的降低，吸收谷明顯變淺，這可能是因為水稻缺鉀后葉片含水量降低所致。在中紅外波段(1650～1800nm)，鉀營養(yǎng)水平越低，光譜反射率越高，其內(nèi)在生理機理方面仍有待研究(王珂等，1997)，至今還未見到

12、有利用光譜分析的方法成功估測磷、鉀含量的報導(dǎo)。植物Fe、S、Mg和Mn的缺乏降低了葉綠素含量，降低了葉片對太陽輻射能的吸收，增加了葉片入射光的反射率與透射率(Masonietal1996)。不同營養(yǎng)元素缺乏后盡管反射率的高低不一，但可見光至近紅外波段的反射特征曲線的波形是相似的(Masonietal1996)。營養(yǎng)元素的缺乏都會導(dǎo)致短波段的“紅邊位移”現(xiàn)象，但不同作物缺素時的“紅邊位移”程度不一。玉米缺Fe、Mg、Mn，大麥，小麥缺Fe