摘要：为促进高光谱遥感技术在草坪营养状况监测中的应用，以马蹄金（Dichondra repens）草坪为材料，研究了不同施氮水平马蹄金草坪反射光谱特征和叶绿素含量的变化，分析了马蹄金草坪高光谱反射率与叶绿素含量的相关性。结果表明，施氮可以显著增加马蹄金草坪草的光合色素含量(P<0.05)，降低其可见光区光谱反射率；马蹄金草坪草绿波段（520~570 nm）光谱反射率与叶绿素含量呈显著负相关关系，以绿波段反射率R570nm与叶绿素b间相关性最高，利用R570nm的变化来反演其叶绿素含量的变化可以达到较好的拟合效果（R2达0.85，P<0.01)。试验为利用高光谱遥感技术快速、无损伤探测马蹄金草坪草的色泽和营养状况提供了理论支持。
关键词：马蹄金；营养状况；反射光谱特征；光合色素含量
中图分类号：S 688.4文献标识码：A文章编号：10095500(2014)03006205
基金项目：云南省自然科学基金面上项目（2010CD061），云南省教育厅科学研究基金重点项目（2011Z033）和云南省教育厅科学研究基金项目（2011Y0477）资助
高光谱遥感监测是快速、准确、无损伤探测植物色泽和叶绿素含量的新方法\[1\]。近年高光谱遥感技术被广泛应用于植物氮素营养的定量分析、产量估测以及色素监测等方面。目前，已有研究利用高光谱技术监测植物的叶绿素含量、密度、浓度等信息，进而通过估测叶绿素含量等信息来评价植物的长势、产量和确定最佳施肥量\[2-6\]。也有研究报道利用统计分析的方法分析了植物的氮素营养和叶绿素含量与光谱特征的相关关系，并进一步建立了植物氮素营养和叶绿素含量的高光谱反演模型\[7-12\]。诸多研究表明，应用高光谱遥感技术来监测植物的营养状况确实可行。利用高光谱遥感技术获取植被光合色素信息对于光合能力估测、产量动态观测和精确施肥等有着重要意义。
在草坪色泽、外观质量、水分及营养状况评价方面，张文等\[13,14\]开展了利用高光谱遥感技术评价单播草坪色泽的研究，结果表明，利用高光谱参数评价草坪色泽，操作简单，快捷方便，经过相关参数的计算即可评价草坪色泽，克服了分光光度法等评价草坪色泽手续繁琐，取样不均匀，或因个人喜好而评价精度不高的缺点，适用于大面积的草坪色泽评价，以及草坪草种的外观质量评价。龙光强等\[15\]对干旱胁迫下马蹄金草坪光谱反射特征和叶绿素含量的相关性的研究表明，当马蹄金草坪土壤含水量高于23%，草坪盖度大于30%时，可用可见光某些波段光谱反射率对草坪叶片相对含水量和叶绿素含量进行回归预测。杨峰等\[6\]、钱育荣等\[16\]利用高光谱数据快速估算高羊茅营养状况及光合色素含量的研究，结果表明，利用高光谱特征变量与光合色素含量的相关关系建立的回归模型，为有效、快速、无损伤的探测草坪的营养状况及草坪质量提供了理论支持。许岳飞等\[17\]研究报道，反射光谱技术在园林绿化工程中为快速评价草坪质量提供了新的途径。综上所述，应用高光谱遥感技术来监测黑麦草、高羊茅、草地早熟禾等禾草单播草坪的色泽、外观质量及营养状况确实可行，但高光谱遥感是否能用于马蹄金草坪草等双子叶草本植物营养状况的监测，目前报道较少。以马蹄金为供试材料，研究不同施氮水平马蹄金草坪草光合色素含量和反射光谱特征的变化，分析马蹄金草坪高光谱反射率与光合色素含量的相关性，构建马蹄金草坪草光合色素含量的高光谱监测模型，指导马蹄金草坪的肥料管理，以期促进高光谱遥感技术在草坪营养状况监测中的应用。
1材料和方法
1.1试验设计
试验在云南农业大学草坪基地的温室大棚进行，试验材料为普通马蹄金，土壤为基地采集的酸性红壤，pH 6.7，有机质1.74%，有效氮116.67 mg/kg，速效磷33.11 mg/kg，速效钾65.2 mg/kg。2011年8月将马蹄金播种于口径为22 cm，高20 cm的花盆中，播种量为20 g/m2(折合每盆播量为0.242 g)。正常培养成坪后，于2012年4月8日进行施肥处理，肥料种类为尿素，含N 46.4%，施氮量设计4个水平，即N1 0、N2 4、N3 8、N4 12 g/m2（折合每盆中施氮量为0、0.152、0.304、0.456 g），施肥方法为将肥料溶于100 mL水中进行叶面喷施，每处理10次重复。4月18日施肥10 d后，天气晴朗、无风进行光谱反射率的测定，同步取样测定叶绿素含量。
1.2指标测定
1.2.1光谱反射率（R）的测定
采用美国Ocean公司的HR2000光谱仪（波长200~1 100 nm，分辨率约为1 nm）进行测定，时间为10∶00~13∶00。测定时固定光谱仪探头垂直向下，探头距离草坪10 cm，每处理测量值为10次，平均值作为该处理的光谱反射值。测量时及时进行标准白板校正。
1.2.2光合色素含量的测定
对应观测马蹄金冠层高光谱的叶片，随机剪切叶片0.1 g，按照丙酮∶无水乙醇∶蒸馏水=4.5∶4.5∶1.0的混合液提取叶片色素，测量D663 nm，D646 nm和D470 nm的值，然后计算叶绿素和类胡萝卜素含量\[17\]。
1.3数据分析
用SPSS 13.0进行数据统计分析，用Excel 2003作图。
2结果与分析
2.1施氮水平对马蹄金草坪光合色素含量的影响
与未施氮相比，施氮4，8和12 g/m2后马蹄金草坪的叶绿素及类胡萝卜素含量均显著增加(P<0.05)。且随着施氮量增加，马蹄金草坪的叶绿素和类胡萝卜素含量不断增加。施氮量由4 g/m2增加到8 g/m2，马蹄金草坪的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜色素、总叶绿素含量无显著增加；施氮量由8 g/m2增加到12 g/m2，马蹄金草坪的叶绿素b和类胡萝卜色素含量显著增加（P<0.05），叶绿素a和总叶绿素含量无显著增加。
表1不同施氮水平下马蹄金光合色素含量
Table 1Effects of nitrogen levels on photosynthetic pigments contents of Dichondra repens
处理 光合色素含量/mg·g-1
叶绿素a叶绿素b 类胡萝卜素 总叶绿素
N1 1.26±0.04b 0.36±0.02c 0.27±0.002c 1.62±0.06b
N2 1.63±0.02a 0.40±0.03b 0.36±0.03b 2.04±0.02a
N3 1.64±0.11a 0.41±0.04b 0.37±0.03b 2.18±0.14a
N4 1.81±0.02a 0.46±0.27a 0.42±0.004a 2.28±0.05a
注：同列中不同小写字母表示差异显著（P<0.05）
2.2施氮水平对马蹄金草坪冠层光谱反射率的影响
在绿光510~570 nm时，不同施氮水平马蹄金草坪的冠层光谱反射率差异较大，尤其在绿峰550 nm处反射率差异尤其明显，绿峰处不施氮时马蹄金草坪的冠层反射率最大，达10.74，随着施氮量的增加，绿峰处马蹄金草坪的冠层光谱反射率逐渐降低，当施氮量增加到12 g/m2时，马蹄金草坪的冠层光谱反射率下降为7.59%。
2.3马蹄金草坪光合色素含量与冠层光谱反射率的相关关系
将不同施氮水平下马蹄金草坪光和色素含量与绿波段510~570 nm光谱反射率分别进行相关分析（表2）。结果表明，马蹄金草坪光合色素含量与绿波段草坪冠层光谱反射率呈负相关关系，以570 nm处相关
表2马蹄金草坪光合色素含量与光谱反射率的相关性分析
Table 2Correlation analysis between reflectance and photosynthetic pigments of Dichondra repens
光合色素 光谱反射率/%
510 nm 520 nm 530 nm 540 nm 550 nm 560 nm 570 nm
叶绿素a -0.941 -0.927 -0.888 -0.947 -0.906 -0.961* -0.978*
叶绿素b -0.994** -0.990** -0.962* -0.995** -0.971* -0.994** -0.994**
类胡萝卜素 -0.935 -0.925 -0.895 -0.947 -0.912 -0.963* -0.980*
总叶绿素 -0.871 -0.873 -0.869 -0.903 -0.885 -0.931 -0.952*
注：*为0.05 水平显著相关；**为 0.01 水平极显著相关
图1不同施氮水平马蹄金草坪冠层光谱反射率
Fig.1Effects of nitrogen levels on spectral reflection
rate of canopy
性最高，达显著水平（P<0.05）。比较马蹄金草坪各光合色素含量与绿波段510~570 nm时，冠层光谱反射率的相关系数大小可以发现，叶绿素b与光谱反射率之间的相关性达显著相关水平(P<0.05)，高于叶绿素a、类胡箩卜素及总叶绿素含量与光谱反射率之间的相关性。
2.4马蹄金草坪光合色素含量的高光谱反演模型
在570 nm处马蹄金草坪光合色素含量与光谱反射率具有较好的线性回归关系，利用光谱反射率的变化来反演光合色素含量的变化可以达到较好的拟合效
图2马蹄金草坪叶绿素a含量与R570 nm之间的相关性
Fig.2Relationship between Chla and R570 nm
of Dichondra repens
图3马蹄金草坪叶绿素b含量与R570 nm之间的相关性
Fig.3Relationship between Chlb and R570 nm
of Dichondra repens
图4马蹄金草坪类胡萝卜素含量与R570 nm之间的相关性
Fig.4Relationship between Cars and R570 nm
of Dichondra repens
图5马蹄金草坪总叶绿素含量与R570 nm之间的相关性
Fig.5Relationship between Chls and R570 nm
of Dichondra repens
果（R2达0.85以上，P<0.01)。并且以叶绿素b和光谱反射率的拟合效果最好，拟合系数达0.923 5。
3讨论与结论
（1）植物光合色素含量是植物生长和营养状况的指标器，同时与氮素之间具有较高的相关性\[18\]。试验结果表明，马蹄金草坪光合色素含量和光谱反射率对施氮反映敏感，随着施氮量的增加，马蹄金草坪叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量增加，叶片颜色变深，进而导致可见光区光谱反射率降低。马蹄金草坪在绿波段510~570 nm的光谱反射率与光和色素含量呈显著负相关关系，以绿波段570 nm处的反射率（R570 nm）与光合色素含量相关性最高，利用R570 nm的变化来反演其光合色素含量的变化可以达到较好的拟合效果（R2达0.85以上，P<0.01)，表明高光谱遥感技术可以用来监测马蹄金草坪的生长和营养状况。
（2）草坪是覆盖度较高，低矮、致密、整齐、均一的人工植被，土壤背景、枯叶等因素对其影响较小，研究高光谱遥感技术在草坪上的应用比天然植被、农作物具有更高的精确度\[14\]。但试验所用材料马蹄金为暖季型C3 植物，无论从形态、生长习性上都与其他广泛使用的禾本科草坪草建植的草坪有较大的差别\[19,20\]，所以，对于以禾本科草坪草建植的草坪，其营养状况的高光谱监测模型有待进一步研究。另外，在红外长波范围，马蹄金草坪光谱反射率与光合色素含量间的相关性还待进一步研究。
（3）高光谱技术操作简单、结果可靠，与NTEP法和实测法(分光光度法)等评价草坪颜色的方法相比，可节省人力、物力，避免人为因素的影响，并且可以用在大面积草坪营养状况和外观质量的评价上\[17\]。此次试验结果为利用高光谱遥感技术快速的、有效的、无损伤的探测马蹄金草坪的营养状况提供了理论支持和数据储备。
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Effects of nitrogen levels on reflection spectrum
and photosynthetic pigment content
of Dichondra repens
CHU Xiaohui1,CHEN Gong1,ZHANG Yin2,REN Jian1,JIANG Hua1,
CHEN Xingtao1,SHAN Guilian1
（1.Department Pratacultural Science,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China； 2.Yunnan
Lvsheng Landscape Limited Company,Kunming 650501,China）
Abstract：Turf color is the direct reflection for turf nutrition and health status.Hyperspectral remote sensing is a rapid method for plant nutritional assessment.In order to promoting the application of hyperspectral remote sensing in turf nutritional status monitoring,and guiding the fertilization management of Dichondra repens turf,the variation of photosynthetic pigment content and spectral reflectance characteristics of D.repens were studied,and the correlation between photosynthetic pigment content and spectral reflectance characteristics were analyzed.The results showed that the nitrogen application increased the photosynthetic pigments content and decreased the spectral reflectance in visible wavelength.There was a significant negative correlation between photosynthetic pigments and green band (520~570 nm) reflectance value,and the correlation coefficient between R570 and chlorophyll b was the highest.It suggested that the spectral reflectance at 570nm could be used to estimate the changes of photosynthetic pigment.
Key words:Dichondra repens；nitrogen level；reflection spectrum characteristics；photosynthetic pigment content