夜间增温对冬小麦冠层高光谱特征及物候期的影响

夜间增温对冬小麦冠层高光谱特征及物候期的影响

周晓

南通市通州区气象局  226300

摘要：为探讨夜间增温背景下小麦生长发育的变化，试验采用夜间覆盖铝铂玻纤布的方式提高环境温度，分析小麦冠层高光谱数据对温度的响应规律。基于该高光谱数据，计算了归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）与增强型植被指数（Enhanced Vegetation Index，EVI），构建了它们的时间序列曲线，并依据该曲线确定了小麦主要物候期的起始时间，分析了不同处理对其物候的影响。

关键词：夜间增温；冠层光谱；植被指数；时间序列

引言

温度是影响作物生长发育及产量的重要因素之一，温度的变化将会对已有的生态平衡造成严重的影响。据IPCC第五次报告（2014年）指出，气候系统的变暖是一个明确的事实。从1880年-2012年全球海陆表面平均温度上升了0.85℃。在气温快速增长的同时，昼夜温度的增幅存在明显的不对称性，夜间最低气温的增幅显著大于日间最高气温[1]。探讨昼夜不对称增温下作物生长的响应规律，将有助于保障粮食生产安全，维持生物多样性和生态系统平衡。小麦作为我国重要的粮食作物，对我国未来粮食安全战略决策至关重要。目前大部分研究表明，温度升高将会减少冬小麦叶片叶绿素的生成量[2]，降低穗粒数、千粒重、籽粒蛋白质含量等[3]，从而导致冬小麦减产[4]。但也有研究表明，增温会使冬小麦无效分蘖减少，有效分蘖增加，千粒重提高，单位面积产量增加[5]。

1.试验区概况

试验于2011年10月-2013年5月在江苏省南京市南京信息工程大学农业气象站（32°12′N，118°43′E）的生态实验田内进行。该地区年平均气温15.4℃，无霜期约237天，属于亚热带季风气候，是我国南方冬小麦的主产区，作物一年两熟。

2.结果与分析

2.1夜间增温处理下冬小麦冠层光谱的变化特征

图1列出了各主要生育期内不同处理下小麦的冠层光谱曲线。可以看出，无论增温处理还是对照，冠层光谱曲线总体特征相似，均表现出绿色植被所特有的“绿峰红谷”特征。在营养生长阶段，随着小麦的生长，冠层光谱表现为近红外波段反射率逐渐升高，可见光波段反射率逐渐下降。进入生殖阶段后，随着小麦植株的衰老，冠层光谱表现为近红外波段反射率逐渐下降，可见光波段反射率逐渐升高。图1也显示出在不同处理下，小麦冠层光谱的差异大多达到了显著性水平（P<0.05）。以下将分别就营养生长阶段和生殖生长阶段，说明不同处理间小冠层光谱特征的差异。

图1 不同处理下冬小麦各生育期光谱反射率曲线（灰色部分代表达到显著性水平（P<0.05））

(a)三叶期；(b)分蘖期；(c)越冬期；(d)返青期；(e)拔节期；(f)孕穗期；(g)抽穗期；(h)灌浆期；(i)黄熟期

2.2夜间增温处理下小麦植被指数的变化

图2列出了不同处理下NDVI与EVI的实测值、模拟曲线及其变化速率曲线。首先，在营养生长阶段，增温处理的NDVI和EVI数值均高于对照，在生殖生长阶段则低于对照。类似地，在营养生长阶段，增温处理下的植被指数上升速率要高于对照，在生殖生长阶段，其下降速率高于对照。

其次，不同处理下NDVI与EVI曲线均随时间呈现“双峰”特征。在生长初期，冬小麦生物量小，植被指数的数值接近于0。随着冬小麦生物量的增加，植被指数不断升高，在分蘖期达到第一个峰值。进入越冬期后，由于受到低温的影响，指数基本不变甚至略有降低。返青期后，冬小麦植株恢复生长，指数再次升高，在孕穗期前后数值达到第二个峰值，这也是整个冬小麦生育期中植被指数的最大值。进入黄熟期，冬小麦叶片和茎杆迅速变黄，指数逐渐降低，并再次接近零值。

再次，冬小麦植被指数变化率曲线也随时间有类似的变化规律。在冬小麦越冬期之前，指数变化率逐渐下降，下降速率逐渐降低。进入越冬期后，变化率在“0”值附近波动。春后冬小麦植株恢复生长，指数变化率再次增大。进入生殖生长阶段，指数变化率再次降低且由正值下降为负值，并且下降速率逐渐增加。到了黄熟期时，指数下降率达到最大。

图2 植被指数及其变化率时序曲线（a）NDVI；（b）EVI

2.3夜间增温处理下小麦物候期的变化

由夜间增温处理下小麦植被指数的分析结果可以得知，小麦主要物候期的起始时间能够通过植被指数曲线或这些植被指数变化率曲线上的重要“拐点”（如图4a中NDVI曲线的峰值）加以确定。在植被指数曲线上升阶段，距离最小值达到最大值与最小值之差（极差）20%大小时对应的时间点定义为冬小麦三叶期的起始时间，第一个峰值的时间点定义为分蘖期的起始时间，第二个峰值左侧1/3处的时间点定义为返青期的起始时间，最大值的时间点则定义为孕穗期的起始时间。在植被指数下降阶段，距离最小值达到极差20%大小时对应的时间点定义为黄熟期的起始时间。植被指数变化率曲线极小值的时间点定义为越冬期的起始时间，极大值的时间点则定义为冬小麦拔节期的起始时间。

由以上判断标准得出小麦物候模拟结果，并与物候实际观测数据进行比较(表1)。其中由NDVI曲线模拟得出的物候期结果可知，增温处理的冬小麦物候期大多比对照提前，如分蘖期提前2d，越冬期延后1d，返青期提前1d，拔节期提前2d，孕穗期提前4d，黄熟期提前2d。由EVI曲线模拟得到的物候期结果与NDVI类似。从实测记录（表1）可以看出，增温处理比对照大多提前1-5d，其中三叶期提前1d，分蘖期提前1d，越冬期延后2d，返青期提前2d，拔节期提前2d，孕穗期提前3d，抽穗期提前5d，灌浆期提前5d，黄熟期提前3d。

由此说明通过反射率数据计算得出的植被指数（NDVI和EVI）可有效反演冬小麦物候期的起始时间，并且推断出夜间增温对冬小麦物候期具有提前和缩短的作用。

表1冬小麦各物候期起始时间的模拟与实测值

3结论

本试验通过夜间增温，研究其对冬小麦冠层光谱反射率与物候期的影响，得到的主要结论如下：

（1）夜间增温处理下，小麦冠层光谱显著改变，而且不同生长阶段，变化规律不同。

（2）小麦冠层光谱与温度显著相关，这种相关性与小麦生长阶段紧密相连。除个别生育期外，几乎整个可见光与近红外波段都可作为温度的敏感波段。

（3）依据NDVI和EVI数值，可以判别出增温处理对小麦生长的影响。

（4）依据NDVI和EVI时间序列曲线可以判断小麦主要物候期的起始时间，而且夜间增温处理下冬小麦物候期具有提前和缩短的趋势（越冬期除外）。

参考文献

[1]PengShushi, PiaoShilong, Ciais P, et al.Asymmetric effects of daytime and night-time warming on Northern Hemisphere vegetation[J].Nature, 2013, 501(7465):88-92.

[2]TewariA K, TripathyB C. Temperature-Stress-Induced impairment of chlorophyll biosynthetic reactions in cucumber and wheat[J].Plant Physiology, 1998, 117(3):851-858.

[3]姚仪敏,王小燕,陈建珍,等.灌浆期增温对小麦籽粒结实及品质的双向效应及与施氮量的关系[J].麦类作物学报,2015,35(06):860-866.

[4]Asseng S, Ewert F, Martre P,et al.Rising temperatures reduce global wheat production[J].Nature Climate Change, 2015, 5:143-147.

[5]田云录,陈金,邓艾兴,等.开放式增温下非对称性增温对冬小麦生长特征及产量构成的影响[J].应用生态学报, 2011, 22(03):681-686.

作者姓名：周晓（1994.10），女，汉族，江苏省太仓人，硕士研究生，助理工程师，从事农业气象工作。