高光譜遙感技術(shù)憑借其可以快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、無(wú)損地獲取水稻生長(zhǎng)信息的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為監(jiān)測(cè)水稻生長(zhǎng)狀況的重要手段。為了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確、無(wú)損地獲取作物長(zhǎng)勢(shì)信息的需求，高光譜遙感作為一種新技術(shù)，憑借其光譜信息量大、光譜分辨率高、波段連續(xù)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域獲得了快速的發(fā)展，高光譜遙感技術(shù)在“精細(xì)農(nóng)業(yè)”中正發(fā)揮著重要的作用。

水稻養(yǎng)分高光譜診斷

1.1水稻氮素高光譜研究

氮是水稻體內(nèi)多種重要有機(jī)化合物的組分，例如氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素和酶等都含有氮素。缺氮直接影響水稻氨基酸、蛋白質(zhì)、葉綠素等的生物合成，使其光合作用能力降低，從而導(dǎo)致產(chǎn)量與品質(zhì)的降低。而由于氨的揮發(fā)及硝酸鹽的淋洗、徑流作用，施氮過(guò)多不僅造成氮肥利用率過(guò)低，而且容易加劇酸雨的形成、溫室氣體的排放以及地下水、地表水污染，因此，對(duì)氮肥的精準(zhǔn)管理是提高產(chǎn)量及減少環(huán)境污染的重要措施。受氮肥脅迫后生長(zhǎng)狀態(tài)受到影響，作物葉片和群體的反射光譜會(huì)發(fā)生變化，所以利用遙感技術(shù)無(wú)損檢測(cè)作物氮素含量一直是作物生長(zhǎng)遙感監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。

在水稻氮素營(yíng)養(yǎng)光譜研究中，王人潮等人研究表明，診斷水稻葉片氮素營(yíng)養(yǎng)的冠層敏感光譜波段為530～560 nm、630～660 nm和760～900 nm。作物因含氮量不同而引起光譜特征的差異，不同氮肥用量水平的水稻冠層光譜反射曲線(xiàn)特征不同。

圖1 不同氮素水平冠層的光譜反射特性(1989,晚稻大田栽培,分蘗盛期,平均值)

圖2不同氮素水平冠層的光譜反射特性(1989,晚稻盆栽,分蘗盛期,平均值)

1.2水稻磷素高光譜研究

與氮素一樣，磷素是水稻生長(zhǎng)發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)元素之一，是許多重要化合物的組分。我國(guó)南方水稻土缺磷情況十分嚴(yán)重，在很大程度上影響了水稻的產(chǎn)量，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水稻磷素營(yíng)養(yǎng)，合理施用磷肥是提高產(chǎn)量的關(guān)鍵。當(dāng)前，水稻磷素含量測(cè)定主要是在實(shí)驗(yàn)室采用釩鉬黃比色法進(jìn)行化學(xué)測(cè)定，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難以進(jìn)行大面積的監(jiān)測(cè)。水稻磷素的豐缺會(huì)影響葉片葉色、結(jié)構(gòu)和水分狀況，從而影響水稻的光譜信息，因此高光譜技術(shù)有望發(fā)展成為水稻磷素診斷的新方法和新技術(shù)。

目前，作物磷素營(yíng)養(yǎng)的光譜特性研究較少，針對(duì)水稻的就更少。主要原因是植物缺磷時(shí)，體內(nèi)碳水化合物代謝受阻，有糖分積累易產(chǎn)生花青素，另外植物缺磷時(shí)，體內(nèi)葉綠素濃度有可能提高，因?yàn)橹参镌诹姿貭I(yíng)養(yǎng)脅迫的狀態(tài)下葉片細(xì)胞伸長(zhǎng)受到抑制，且受影響程度超過(guò)其葉綠素，因此植物單位面積的葉綠素含量較高，葉片顏色較正常植物深。缺磷的植物光譜反射率受花青素和葉綠素含量的雙重影響，因此，影響缺磷植物光譜反射率曲線(xiàn)的變化因素較為復(fù)雜，并且光譜分析只有在作物嚴(yán)重缺磷時(shí)才能用于磷營(yíng)養(yǎng)診斷。

程一松等研究了磷素養(yǎng)分脅迫條件下玉米的光譜特征，提出在可見(jiàn)光波段，玉米葉片光譜反射率隨磷肥施用量的增加而增加，而在近紅外波段葉片光譜反射率隨施磷量的增加而提高，即在全波段范圍內(nèi)，葉片光譜反射率隨施磷量的增加而提高，其紅邊位置相對(duì)于氮素光譜特征更靠近可見(jiàn)光波段，而在近紅外區(qū)域光譜特征曲線(xiàn)的差異不如氮素脅迫明顯，這是主要是因?yàn)樽魑镙p度缺磷時(shí)葉綠素濃度較高。

圖3 夏玉米不同磷素水平下 反射率光譜曲線(xiàn)

1.3水稻鉀素高光譜研究

同氮素和磷素一樣，鉀是水稻的三大必需營(yíng)養(yǎng)元素之一，在水稻體內(nèi)的含量?jī)H次于氮，對(duì)水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)起著十分重要的作用。鉀的豐缺與植物生長(zhǎng)狀況密切相關(guān)，其結(jié)果必然會(huì)影響其水稻葉片與群體的可見(jiàn)一近紅外波段的光譜信息。

王珂等分別研究了不同鉀素營(yíng)養(yǎng)水平的水稻冠層和葉片反射光譜特征，發(fā)現(xiàn)缺鉀水稻的冠層光 譜反射特征與缺氮冠層反射光譜特征十分相似，敏感波段也大致相同，所以給利用冠層光譜分析水稻缺 鉀診斷帶來(lái)困難，而葉片尺度下缺鉀和缺氮時(shí)的反射光譜特征有所差異，在可見(jiàn)光波段基本相似，但在近紅外波段卻不同，缺鉀時(shí)水稻葉片的反射率比正常葉片高，而缺氮時(shí)反射率比正常葉片低，說(shuō)明可以 利用近紅外波段的葉片光譜區(qū)別水稻缺鉀與缺氮。

2、結(jié)論

農(nóng)業(yè)定量遙感正在向著無(wú)損傷、高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的作物長(zhǎng)勢(shì)、養(yǎng)分精確診斷等方向發(fā)展。

近年來(lái)，高光譜遙感技術(shù)發(fā)展很快，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了一些重要的成果，但是走向成熟還存在一些問(wèn)題和不足，需進(jìn)一步的探索。

審核編輯 黃昊宇