基于光譜變化特征的小麥葉片不同功能期監(jiān)測(cè)研究＊

何麗香，傅兆麟* ，宮 晶，孫常玉

(1.淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽淮北 235000;2.安徽省資源植物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮北 235000)

葉片是小麥重要的光合器官，而葉綠素的含量與質(zhì)量是決定葉片光合能力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期葉片葉綠素含量和光合功能不同，葉綠素含量與葉片的發(fā)育階段和光合能力有較好的相關(guān)性，是葉片發(fā)育階段和功能差異的重要指標(biāo)［1，2］。因此，人們通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)作物葉片葉綠素含量的變化了解葉片的生長(zhǎng)和功能情況，這不僅需要破壞植株和葉片的生長(zhǎng)，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能滿足現(xiàn)代小麥科研和生產(chǎn)高效生產(chǎn)管理的需要。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的光譜技術(shù)可應(yīng)用于植物葉綠素、水分、含氮量等信息的檢測(cè)［3］。

光譜技術(shù)在植物檢測(cè)方面的應(yīng)用已有許多研究報(bào)道，1972年Thomas等就發(fā)現(xiàn)甜椒葉片含氮量與550-675 nm波長(zhǎng)間葉片的反射系數(shù)高度相關(guān)，認(rèn)為植物光譜分析有可能快速、簡(jiǎn)便、較精確、非破壞性地監(jiān)測(cè)植物氮素營(yíng)養(yǎng)［4］。隨后 Al-Abbas［5］，Bell［6］，Campbell［7］等進(jìn)一步證明了利用冠層反射光譜檢測(cè)作物的氮素水平及葉綠素含量的可行性。我國(guó)學(xué)者唐延林［8，9］、金震宇［10］、等研究了作物冠層反射光譜“紅邊”參數(shù)與作物生長(zhǎng)信息的相關(guān)關(guān)系。代輝等［11］2007年研究不同N素營(yíng)養(yǎng)水平冬小麥冠層光譜特性，發(fā)現(xiàn)紅邊位移現(xiàn)象，紅邊位置、紅邊斜率、紅邊面積與葉面積指數(shù)有著密切關(guān)系，可作為小麥農(nóng)學(xué)參數(shù)估測(cè)的簡(jiǎn)便方法。趙春江等［12］以不同品種研究了不同肥水條件下冬小麥光譜紅邊參數(shù)，認(rèn)為用近紅外平臺(tái)振幅推算葉片全氮含量，用紅邊振幅推算葉綠素總量，紅邊振幅或近紅外平臺(tái)振幅推算葉面積指數(shù)分別在部分生育時(shí)期有較高的可靠性。孫紅等［13］在分析冬小麥生長(zhǎng)期冠層反射光譜和葉綠素含量變化特征的基礎(chǔ)上，對(duì)二者之間的相關(guān)性進(jìn)行了研究。用于冬小麥葉綠素含量的無(wú)損檢測(cè)是可行的。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)［14-19］利用光譜技術(shù)對(duì)冬小麥和水稻不同的品種、生育期和施氮水平展開(kāi)了深人的研究。

在小麥光譜技術(shù)應(yīng)用研究方面，多集中在宏觀的冠層測(cè)定分析上，對(duì)小麥單葉不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的光譜特征研究不多，對(duì)葉片不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期光譜特征與葉片葉綠素含量之間的關(guān)系還沒(méi)有系統(tǒng)的研究。本文采用光譜技術(shù)系統(tǒng)了解不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期葉片的光譜特征，建立葉片整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的葉綠素含量監(jiān)測(cè)模型，為小麥種質(zhì)鑒定、品種選育提供快速有效的測(cè)定方法，同時(shí)也為建立普適的遙感監(jiān)測(cè)模型提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選取 935031(♀)x濰麥 8號(hào)(♂)、935031(♀)x濟(jì)麥22號(hào)(♂)、濰麥8號(hào)(♀)x淮師0806(♂)和濰麥8號(hào)(♀)x濟(jì)麥22號(hào)(♂)等4個(gè)小麥雜交種組合。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2012～2013年在淮北師范大學(xué)小麥育種試驗(yàn)基地進(jìn)行，田間為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，每個(gè)材料種植3行，行長(zhǎng)2.00 m，行距0.25 m。2012年12月20日播種。播種前整地時(shí)施用優(yōu)質(zhì)磷酸二銨600 kg/hm2、硫酸鋅 75 kg/hm2、氯化鉀150 kg/hm2、尿素150 kg/hm2和有機(jī)肥75 t/hm2作基肥，田間按常規(guī)高產(chǎn)田管理。于小麥抽穗期隨機(jī)選取5株長(zhǎng)勢(shì)均勻的小麥進(jìn)行標(biāo)記供試驗(yàn)所需。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 小麥旗葉高光譜的測(cè)定 小麥旗葉光譜的測(cè)定采用的是美國(guó)生產(chǎn)的Unispec-SC單通道便攜式光譜分析儀。波長(zhǎng)范圍是300 nm～1100 nm，光譜分辨率為0.3 nm，采樣間隔為3.3 nm。在對(duì)小麥旗葉進(jìn)行光譜測(cè)量時(shí)，選取晴朗無(wú)云無(wú)風(fēng)的天氣，測(cè)定時(shí)間為上午9∶00～11∶00。測(cè)量采取對(duì)旗葉葉尖、葉中和葉基三個(gè)不同部位分別測(cè)量三次，最后取其總值的平均值作為該葉片光譜反射率。測(cè)量后數(shù)據(jù)采用 Multispec5.1.5 軟件和 origin8.1.3 進(jìn)行處理。

1.3.2 小麥旗葉葉綠素含量的測(cè)定 在測(cè)量光譜后，立即采用SPDA-502葉綠素儀測(cè)定標(biāo)記過(guò)的小麥旗葉葉綠素含量。測(cè)量采取對(duì)旗葉葉尖、葉中和葉基三個(gè)不同部位分別測(cè)量三次，最后取其總值的平均值作為該葉片的葉綠素含量值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 小麥旗葉不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期光譜的變化特征

圖1 4個(gè)基因型不同時(shí)期光譜反射率Fig.1 The hyperspectral reflectance curves of 4 genotypes at the different growth stages

圖2 不同時(shí)期小麥高光譜曲線Fig.2 The hyperspetral reflectance curvers of wheat at different growth stages

不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期小麥旗葉光譜反射曲線見(jiàn)圖1和圖2。圖1為4個(gè)不同基因型小麥旗葉在4月25日、5月1日、5月6日和5月11日的反射光譜曲線。左邊圖是小麥旗葉在400 nm到850 nm波段的反射圖譜，右邊圖是小麥旗葉在500到600 nm反射圖譜放大的圖譜。從圖中可以看出不同時(shí)間測(cè)定的4個(gè)基因型小麥旗葉光譜圖在近紅外(750 nm-850 nm)和可見(jiàn)光區(qū)(500 nm～600 nm)均差異明顯。可見(jiàn)光區(qū)反射率主要和葉片葉綠素(葉綠素a和葉綠素b)與類胡蘿卜素(胡蘿卜素和葉黃素)密切相關(guān)，而近紅外區(qū)反射率則不僅與葉片色素含量有關(guān)，還與葉片內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、外觀形態(tài)等因素有關(guān)。圖1中4個(gè)不同基因型小麥光譜反射率在可見(jiàn)光區(qū)和近紅外都表現(xiàn)為:在4月25日所測(cè)光譜反射率最低，而5月1日達(dá)到最大值，然后開(kāi)始下降，而在5月11日，稍有小幅上升，但仍低于5月1日所測(cè)光譜反射率。且不同時(shí)間測(cè)定的小麥旗葉光譜圖差異明顯。

圖2是4個(gè)小麥基因型不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期平均光譜反射率曲線。圖2可以看出不同時(shí)期測(cè)定小麥旗葉光譜曲線差異明顯，但是與圖1結(jié)果變化趨勢(shì)是相同:在4月25日光譜反射率最低，5月1日測(cè)定的光譜發(fā)射率最高。然后光譜反射率開(kāi)始下降，在5月11日有小幅度的回升，但低于5月1日的光譜反射率。

2.2 小麥旗葉不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期葉綠素含量(SPDA)變化特征

圖3為4個(gè)基因型旗葉不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期用SPDA-502葉綠素儀測(cè)得的葉綠素含量變化圖。從圖中可以看出不同時(shí)期旗葉葉綠素含量變化趨勢(shì)基本一致:先上升，到最高值后開(kāi)始下降。

2.3 小麥旗葉不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期葉綠素含量(SPDA)和紅邊位置關(guān)系

圖3 不同時(shí)期葉綠素含量測(cè)定結(jié)果Fig.3 The results of chlorophyll content at different growth stages

圖1、圖2和圖3從表觀上對(duì)不同時(shí)期小麥旗葉光譜反射率和測(cè)得的葉綠素含量變化規(guī)律進(jìn)行分析，由于葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成成分比較復(fù)雜，需進(jìn)一步研究葉片含量與光譜反射率之間關(guān)系。

“紅邊”是用來(lái)描述植物葉片色素含量的一個(gè)重要指標(biāo)，本文采用線性外推法［20］計(jì)算紅邊位置，4個(gè)參試基因型小麥旗葉的葉綠素含量及紅邊位置見(jiàn)表1。從表1中可以看出不同時(shí)期紅邊位置也不同，其基本規(guī)律是:葉綠素含量增加時(shí)，紅邊位置往長(zhǎng)波方向移動(dòng)，到5月6日葉綠素含量達(dá)到最大值時(shí)紅邊位置也達(dá)最大值，然后隨著葉綠素含量降低，紅邊位置開(kāi)始向短波方向移動(dòng)。

對(duì)4個(gè)基因型各個(gè)時(shí)期葉綠素含量和紅邊位置進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。在4月25日、5月1日、5月6日和5月11日4個(gè)時(shí)間紅邊位置與測(cè)得的葉綠素含量回歸模型分別為Y=1.9319x-1320.2、Y=1.756x-1197.2、Y=-1.4797x+1003.9 和 Y=1.2041x-805.48。R2分別為 0.5893、0.8842、0.9379和0.7258。分析結(jié)果表明這4個(gè)時(shí)期測(cè)得的葉綠素含量與紅邊位置均呈正相關(guān)，并且都達(dá)到極顯著水平。

表1 葉綠素含量(SPDA)與紅邊拐點(diǎn)波長(zhǎng)(nm)Tab.1 Chlorophyll content(SPDA)and red edge(nm)

3 結(jié)論與討論

3.1 小麥不功能時(shí)期旗葉光譜特征與葉綠素含量特征分析討論

葉片光譜反射率與葉片所含色素的質(zhì)與量密切相關(guān)。孫紅［13］等研究結(jié)果表明小麥冠層光譜在近紅外區(qū)(750 nm～850 nm)孕穗期最低，揚(yáng)花期最高，與所測(cè)得的葉綠素含量變化一致。本研究通過(guò)對(duì)4個(gè)小麥基因型旗葉光譜分析結(jié)果表明近紅外(750 nm～850 nm)從小麥抽穗期開(kāi)始旗葉光譜反射率先升后降，在開(kāi)花后期灌漿前期有小幅度的上升，但仍低于揚(yáng)花期的反射率。這與實(shí)際測(cè)得葉片葉綠素含量趨勢(shì)是一致的。說(shuō)明在揚(yáng)花期，小麥旗葉的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、形態(tài)性狀已基本達(dá)到光合作用的最佳狀態(tài)，葉綠素含量達(dá)最高值。隨著小麥進(jìn)入灌漿期，旗葉開(kāi)始衰老，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及色素含量也發(fā)生一定的變化，但其總體水平低于揚(yáng)花期，所以此時(shí)近紅外區(qū)光譜反射率呈降低趨勢(shì)，但有小幅的波動(dòng)。在可見(jiàn)光區(qū)(500 nm～600 nm)其光譜反射率變化趨勢(shì)和近紅外變化趨勢(shì)一致，這說(shuō)明小麥旗葉在揚(yáng)花期葉綠素和類胡蘿卜素含量達(dá)最大值。由此說(shuō)明通過(guò)單片葉片光譜反射率來(lái)監(jiān)測(cè)小麥不同功能期是可行的。

3.2 小麥不同功能期旗葉紅邊位置與葉綠素含量關(guān)系

關(guān)于光譜反射紅邊位置與葉片葉綠素含量的研究，前人已有不少報(bào)道。靳彥華［21］等研究表明旱地和水澆地小麥反射光譜紅邊位置與葉綠素含量均成線性相關(guān)。本文對(duì)小麥不同功能期旗葉光譜發(fā)射紅邊位置研究，表明紅邊位置最大值出現(xiàn)在5月6日(揚(yáng)花后期)，這與測(cè)定的葉綠素含量變化趨勢(shì)是一致的。進(jìn)一步對(duì)不同功能時(shí)期葉綠素含量與其光譜反射紅邊位置建立線性回歸模型，在4月25日(抽穗期)、5月1日(揚(yáng)花期)、5月6日和5月11日(灌漿中期)的線性模型 R2分別為 0.5893、0.8842、0.9379和0.7258，均達(dá)到極顯著水平。因此所建立的模型可以用于對(duì)旗葉葉片葉綠素含量無(wú)損監(jiān)測(cè)。

圖4 葉綠素含量與紅邊位置的相關(guān)性分析Fig.4 Correlation between red edge wavelength and chlorophy content

［1］周云龍.植物生物學(xué)［M］.高等教育出版社，2004.ZHOU Yunlong. Plantbiology［M］. HigherEducation Press，2004.

［2］王韶唐.小麥產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)［J］.麥類作物學(xué)報(bào)，1984，(1):21-23.WANG Shaotang.The physiological basis of yield in wheat［J］.Journal of Triticeae Crops(麥類作物學(xué)報(bào))，1984，(1):21-23.

［3］宋文沖，胡春勝，程一松，等.作物氮素營(yíng)養(yǎng)診斷方法研究進(jìn)展［J］.土壤通報(bào)，2006，4:369-372.SONG Wenchong，HU Chunsheng，CHENG Yisong，et al.Research advancement on crop nitrogen nutrition diagnosis［J］.Chinese Journal of Soil Science，2006，4:369-372.

［4］THOMAS J R，OERTHER G F.Estimating nitrogen content of sweetpepper leaves by reflectance measurements［J］.Agronomy Journal，1972，64:11-13.

［5］AL-ABBAS A H，BARR R，HALL S D.Spectra of normal and nutrient deficient Maize leaves［J］.Agron J，1974，66:16-22.

［6］BELL G E，HOWELL B M，JOHNSON G V，et al.Optical sensing of turfgrass chlorophyll content and tissue nitrogen［J］.American Society for Horticultural Science，2004，39(5):1130-1132.

［7］CAMPBELL P K E，MIDDLETON E M，MCMURTREY J E，et al.Assessment of vegetation stress using reflectance or fluorescence measurements［J］.Journal of Environmental Quality，2007，36(3):832.

［8］唐延林，王秀珍，黃敬峰，等.水稻微分光譜和植被指數(shù)的作用探討［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19(1):145-150.TANG Yanlin，WANG Xiuzhen，HUANG Jingfeng，et al.Action of derivative spectra and vegetation indices for rice［J］.Trans CSAE，2003，19(1):145-150.

［9］唐延林，黃敬峰，王秀珍，等.玉米葉片高光譜特征及與葉綠素、類胡蘿卜素相關(guān)性的研究［J］.玉米科學(xué)，2008，16(2):71-76.TANG Yanlin，HUANG Jingfeng，WANG Xiuzhen，et al.Study on hyper spectralcharacteristics of corn leaves and their correlation to chrolophylland carotenoid［J］.Journal of Maize Sciences，2008，16(2):71-76.

［10］金震宇，田慶久，惠鳳鳴，等.水稻葉綠素濃度與光譜反射率關(guān)系研究［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2003，180:134-137.JIN Zhenyu，TIAN Qingjiu，HUI Fengming ，et al.Study of the relationship between rice chlorophyll concentration and rice reflectance［J］.Remote Sensing Technology and Application，2003，180:134-137.

［11］代輝，胡春勝，程一松.冬小麥冠層光譜紅邊特征分析［J］.中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，15(5):80-83.DAI Hui，HU Chunsheng，CHENG Yisong.Red-edge characteristics of winter wheat canopy spectra［J］.Chinese Journal of Eco-Agricultur，2007，15(5):80-83.

［12］趙春江，黃文江，王紀(jì)華，等.不同品種肥水條件下冬小麥光譜紅邊參數(shù)研究［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2002，35(8):980-987.ZHAO Chunjiang，HUANG Wenjiang，WANG Jianghua，et al.Studies on the red edge parameters of spectrum in winter wheat under differentvarieties，fertilizer and water treatments［J］.Sci Agric Sin，2002，35(8):980-987.

［13］孫紅，李民贊，趙勇，等.冬小麥生長(zhǎng)期光譜變化特征與葉綠素含量的監(jiān)測(cè)研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2010，30(1):192-196.SUN Hong，LI Minzan，ZHAO Yong，et al.The spectral characteristics and chlorophyll content at winter wheat growth stages［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2010，30(1):192-196.

［14］薛利紅，曹衛(wèi)星，羅衛(wèi)紅，等.小麥葉片氮素狀況與光譜特征的相關(guān)性研究［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，28(2):172-177.XUE Lihong，CAO Weixing，LUO Weihong，et al.Correlation between leaf nitrogen status and canopy spectral chareristics in wheat［J］. Acta Phytoecologica Sinica，2004，28(2):172-177.

［15］周冬琴，田永超，姚霞，等.水稻葉片全氮濃度與冠層反射光譜的定量關(guān)系［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，20(9):337-344.ZHOU Dongqin，TIAN Yongchao，YAO Xia，et al.Quantitative relationships between leaf total nitrogen concentration and canopy reflectance spectra of rice［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2008，20(9):337-344.

［16］李映雪，朱艷，田永超，等.小麥葉片氮含量與冠層反射光譜指數(shù)的定量關(guān)系［J］.作物學(xué)報(bào)，2006，32(3):358-362.LI Yingxue，ZHUYan，TIAN Yongchao，et al.Quantitative relationship between leaf nitrogen concentration and canopy reflectance spectra［J］.Acta Agronomica Sinica，2006，32(3):358-362.

［l7］李映雪，朱艷，田永超，等.小麥葉片氮積累量與冠層反射光譜指數(shù)的定量關(guān)系［J］.作物學(xué)報(bào)，2006，32(2):203-209.LI Yingxue，ZHU Yan，TIAN yongchao，et al.Quantitative relationship between leaf nitrogen accumulation and canopy reflectance spectra［J］.Acta Agron Sin，2006，32(2):203-209.

［18］田永超，朱艷，曹衛(wèi)星.水稻不同葉位層物理結(jié)構(gòu)與冠層反射光譜的定量研究［J］.中國(guó)水稻科學(xué)，2005，19(2):137-141.TIAN Yongchao，ZHU Yan，CAO Weixing.Quantitative study on canopy spectral reflectance and physical structure of leaf at different layers［J］.Chinese J Rice Sci，2005，19(2):137-141.

［19］田永超，曹衛(wèi)星，姜東，等.不同水氮條件下水稻冠層光譜與植株含水率的定量關(guān)系［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，29(2):318-323.TIAN Yongchao，CAO Weixing，JIANG Dong，et al.Relationship between canopy reflectance and plant water content in rice under different soil water and nitrogen conditions［J］.Acta Phytoecologica Sinica，2005，29(2):318-323.

［20］CHO M A，SKIDMORE A K.A new technique for extracting the red edge position from hyperspectral data:the linear extrapolation method［J］.Remote Sensing of Environment，2006，101:181-193.

［21］靳彥華，熊黑鋼，張芳，等.不同地類春小麥拔節(jié)期冠層光譜與葉綠素差異研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2013，33(4):1043-1047.JIN Yanhua，XIONG Heigang，ZHANG Fang，et al.Study on the difference in canopy spectral reflectance and chlorophyll content of spring wheat at jointing stage in different land［J］.Spectroscopy and SpectralAnalysis， 2013， 33(4):1043-1047.