地物光譜儀：水稻高光譜與葉綠素含量研究

葉綠素是植物光合作用中捕獲和傳遞能量最重要的色素，能夠反映植物光合速率的強(qiáng)弱?氮利用效率?生理脅迫狀況和生長(zhǎng)發(fā)育等。植物葉綠素含量測(cè)定通常采用傳統(tǒng)的化學(xué)方法，雖然測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定可靠，但提取速度較慢，操作步驟繁瑣，并且易損傷植株，影響生長(zhǎng)。高光譜數(shù)據(jù)具有波段多?光譜分辨率高，波段間連續(xù)性和相關(guān)性強(qiáng)?相關(guān)系數(shù)大等特點(diǎn)，能獲取高精細(xì)的光譜信息。利用高光譜技術(shù)快速監(jiān)測(cè)葉綠素含量，對(duì)評(píng)估作物光合作用強(qiáng)弱?生長(zhǎng)發(fā)育狀況和動(dòng)態(tài)特征具有重要意義。

01數(shù)據(jù)處理與分析

1.1光譜數(shù)據(jù)采集

采用地物光譜儀，其測(cè)試波段為350-2500nm。每品種采集具有代表性?無病蟲危害的植株，每株重復(fù)測(cè)量3次，取測(cè)量值的平均值為該株的冠層光譜反射率測(cè)量值。測(cè)量時(shí)，傳感器的探頭是垂直向下，視場(chǎng)角為25°，距冠層頂?shù)拇怪备叨燃s為1m。

1.2 SPAD值測(cè)定

采用葉綠素儀，在水稻苗期和抽穗期各選取10株，分別選取倒二葉和劍葉測(cè)定葉片SPAD值，每片葉測(cè)量葉基?葉中?葉尖等三個(gè)部位，每個(gè)部位重復(fù)測(cè)定3次，測(cè)量時(shí)避開葉脈，各時(shí)期取平均值作為葉片SPAD值。SPAD值測(cè)定與冠層光譜測(cè)定同步進(jìn)行。

1.3 S數(shù)據(jù)分析

采用葉綠對(duì)水稻冠層光譜反射率與葉綠素含量進(jìn)行相關(guān)分析，選擇與葉綠素含量具有顯著性相關(guān)的光譜參數(shù)，且通過分析回歸方程的方法，確定水稻最佳的光譜參數(shù)，建立監(jiān)測(cè)模型。

(1)一階微分光譜對(duì)冠層反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分處理，公式如下:

（2）不同葉色下水稻葉綠素含量(SAPD值)的比較

從圖1可知，分別在苗期和抽穗期對(duì)黃1S和P88S進(jìn)行葉綠素含量的SAPD值測(cè)定，結(jié)果表明:黃1S苗期和抽穗期的葉綠素含量比P88S分別降低60.33%和28.24%，均達(dá)極顯著水平，表明黃1S葉綠素含量的降低是造成與P88S葉色差異的主要原因。從不同生育時(shí)期比較發(fā)現(xiàn)，黃1S抽穗期比苗期的葉綠素含量增加59.94%，而P88S抽穗期比苗期的葉綠素含量增加27.53%，這可能與抽穗期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移有關(guān)。

圖1不同葉色的水稻葉片葉綠素相對(duì)含量(SAPD值)

02水稻冠層

2.1水稻冠層反射光譜特性

由圖2可知，品種間苗期和抽穗期的冠層反射率變化曲線基本一致，且反射曲線具有明顯的變化規(guī)律。在350-650nm范圍內(nèi)，反射率平穩(wěn)上升，達(dá)到一個(gè)峰值后隨即下降，數(shù)值相對(duì)于其它波段較低，該波段吸收的紫外光和藍(lán)紫光較多，則反射和透射較少，但葉綠素出現(xiàn)綠色強(qiáng)反射，產(chǎn)生峰值，是由“藍(lán)邊”和“黃邊”組成;而750950nm范圍是“紅邊”區(qū)域，反射率隨波長(zhǎng)增加而迅速上升，曲線較陡相當(dāng)于直線，反射率在800nm處達(dá)到頂峰值，出現(xiàn)急劇下降，可能是受葉肉組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)多次反射和植株冠層結(jié)構(gòu)控制，因此該波段相對(duì)較高。苗期由于葉色差異較大，則兩者的冠層反射率相差甚遠(yuǎn);抽穗期隨著葉片物質(zhì)的積累，葉色變化差異逐漸減小，所以冠層反射率基本相符。

圖2不同葉色下水稻苗期冠層光譜反射率

2.2水稻冠層導(dǎo)數(shù)光譜特征分析

水稻冠層反射光譜受到葉片內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)?土壤背景?調(diào)落物和氣象條件等因素的影響，通過微分處理，可得到導(dǎo)數(shù)光譜，消除或減少土壤等背景信號(hào)，有利于更好地反映內(nèi)在特性。從圖3可看出，在650-750nm之間有個(gè)小波峰，此波段范圍內(nèi)屬于“紅邊”，說明水稻內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)細(xì)胞發(fā)生明顯的變化。

圖3水稻抽穗期冠層一階微分光譜

03水稻葉綠素含量與冠層光譜反射率的相關(guān)分析

由圖4可知，P88S和黃1S的葉綠素含量與冠層光譜反射率的相關(guān)系數(shù)基本走勢(shì)一致，相關(guān)系數(shù)都呈先降低后增加的趨勢(shì)，呈正相關(guān)關(guān)系。在740-1425nm范圍內(nèi)兩個(gè)品種的相關(guān)系數(shù)相差較大，兩者的相關(guān)系數(shù)都不顯著。在小于740nm的可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，P88S和黃1S的葉綠素含量與冠層光譜反射率呈極顯著性，相關(guān)系數(shù)大于0.6。在波長(zhǎng)為1425-1750nm之間，P88S的葉綠素含量與冠層光譜反射率呈極顯著性，相關(guān)系數(shù)大于0.5，黃1S的葉綠素含量與冠層光譜反射率呈顯著性，相關(guān)系數(shù)在0.40.5之間。由此可知，P88S的敏感波長(zhǎng)為363nm和675nm，黃1S的敏感波長(zhǎng)為374nm和625nm，均為可見光波段，說明可見光波段屬于水稻葉綠素光譜反應(yīng)的敏感波段。以P88S和黃1S敏感波段建立相關(guān)參數(shù)，得到冠層反射率的相關(guān)系數(shù)(表1)。

表1 水稻光譜參數(shù)與葉片葉綠素含量之間的相關(guān)性分析

圖4 水稻抽穗期冠層光譜與葉綠素的相關(guān)關(guān)系

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審核編輯 黃宇