基于光谱变化特征的小麦叶片不同功能期监测研究＊

何丽香，傅兆麟* ，宫 晶，孙常玉

(1.淮北师范大学生命科学学院，安徽淮北 235000;2.安徽省资源植物重点实验室，安徽淮北 235000)

叶片是小麦重要的光合器官，而叶绿素的含量与质量是决定叶片光合能力的重要物质基础，不同生长发育时期叶片叶绿素含量和光合功能不同，叶绿素含量与叶片的发育阶段和光合能力有较好的相关性，是叶片发育阶段和功能差异的重要指标［1，2］。因此，人们通常通过实验室检测作物叶片叶绿素含量的变化了解叶片的生长和功能情况，这不仅需要破坏植株和叶片的生长，且费时费力，不能满足现代小麦科研和生产高效生产管理的需要。近年来发展起来的光谱技术可应用于植物叶绿素、水分、含氮量等信息的检测［3］。

光谱技术在植物检测方面的应用已有许多研究报道，1972年Thomas等就发现甜椒叶片含氮量与550-675 nm波长间叶片的反射系数高度相关，认为植物光谱分析有可能快速、简便、较精确、非破坏性地监测植物氮素营养［4］。随后 Al-Abbas［5］，Bell［6］，Campbell［7］等进一步证明了利用冠层反射光谱检测作物的氮素水平及叶绿素含量的可行性。我国学者唐延林［8，9］、金震宇［10］、等研究了作物冠层反射光谱“红边”参数与作物生长信息的相关关系。代辉等［11］2007年研究不同N素营养水平冬小麦冠层光谱特性，发现红边位移现象，红边位置、红边斜率、红边面积与叶面积指数有着密切关系，可作为小麦农学参数估测的简便方法。赵春江等［12］以不同品种研究了不同肥水条件下冬小麦光谱红边参数，认为用近红外平台振幅推算叶片全氮含量，用红边振幅推算叶绿素总量，红边振幅或近红外平台振幅推算叶面积指数分别在部分生育时期有较高的可靠性。孙红等［13］在分析冬小麦生长期冠层反射光谱和叶绿素含量变化特征的基础上，对二者之间的相关性进行了研究。用于冬小麦叶绿素含量的无损检测是可行的。南京农业大学［14-19］利用光谱技术对冬小麦和水稻不同的品种、生育期和施氮水平展开了深人的研究。

在小麦光谱技术应用研究方面，多集中在宏观的冠层测定分析上，对小麦单叶不同生长发育阶段的光谱特征研究不多，对叶片不同生长发育时期光谱特征与叶片叶绿素含量之间的关系还没有系统的研究。本文采用光谱技术系统了解不同生长发育时期叶片的光谱特征，建立叶片整个生长发育过程中的叶绿素含量监测模型，为小麦种质鉴定、品种选育提供快速有效的测定方法，同时也为建立普适的遥感监测模型提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验选取 935031(♀)x潍麦 8号(♂)、935031(♀)x济麦22号(♂)、潍麦8号(♀)x淮师0806(♂)和潍麦8号(♀)x济麦22号(♂)等4个小麦杂交种组合。

1.2 田间试验设计

试验于2012～2013年在淮北师范大学小麦育种试验基地进行，田间为随机区组设计，重复3次，每个材料种植3行，行长2.00 m，行距0.25 m。2012年12月20日播种。播种前整地时施用优质磷酸二铵600 kg/hm2、硫酸锌 75 kg/hm2、氯化钾150 kg/hm2、尿素150 kg/hm2和有机肥75 t/hm2作基肥，田间按常规高产田管理。于小麦抽穗期随机选取5株长势均匀的小麦进行标记供试验所需。

1.3 测定方法

1.3.1 小麦旗叶高光谱的测定 小麦旗叶光谱的测定采用的是美国生产的Unispec-SC单通道便携式光谱分析仪。波长范围是300 nm～1100 nm，光谱分辨率为0.3 nm，采样间隔为3.3 nm。在对小麦旗叶进行光谱测量时，选取晴朗无云无风的天气，测定时间为上午9∶00～11∶00。测量采取对旗叶叶尖、叶中和叶基三个不同部位分别测量三次，最后取其总值的平均值作为该叶片光谱反射率。测量后数据采用 Multispec5.1.5 软件和 origin8.1.3 进行处理。

1.3.2 小麦旗叶叶绿素含量的测定 在测量光谱后，立即采用SPDA-502叶绿素仪测定标记过的小麦旗叶叶绿素含量。测量采取对旗叶叶尖、叶中和叶基三个不同部位分别测量三次，最后取其总值的平均值作为该叶片的叶绿素含量值。

2 试验结果与讨论

2.1 小麦旗叶不同生长发育时期光谱的变化特征

图1 4个基因型不同时期光谱反射率Fig.1 The hyperspectral reflectance curves of 4 genotypes at the different growth stages

图2 不同时期小麦高光谱曲线Fig.2 The hyperspetral reflectance curvers of wheat at different growth stages

不同生长发育时期小麦旗叶光谱反射曲线见图1和图2。图1为4个不同基因型小麦旗叶在4月25日、5月1日、5月6日和5月11日的反射光谱曲线。左边图是小麦旗叶在400 nm到850 nm波段的反射图谱，右边图是小麦旗叶在500到600 nm反射图谱放大的图谱。从图中可以看出不同时间测定的4个基因型小麦旗叶光谱图在近红外(750 nm-850 nm)和可见光区(500 nm～600 nm)均差异明显。可见光区反射率主要和叶片叶绿素(叶绿素a和叶绿素b)与类胡萝卜素(胡萝卜素和叶黄素)密切相关，而近红外区反射率则不仅与叶片色素含量有关，还与叶片内部组织结构、外观形态等因素有关。图1中4个不同基因型小麦光谱反射率在可见光区和近红外都表现为:在4月25日所测光谱反射率最低，而5月1日达到最大值，然后开始下降，而在5月11日，稍有小幅上升，但仍低于5月1日所测光谱反射率。且不同时间测定的小麦旗叶光谱图差异明显。

图2是4个小麦基因型不同生长发育时期平均光谱反射率曲线。图2可以看出不同时期测定小麦旗叶光谱曲线差异明显，但是与图1结果变化趋势是相同:在4月25日光谱反射率最低，5月1日测定的光谱发射率最高。然后光谱反射率开始下降，在5月11日有小幅度的回升，但低于5月1日的光谱反射率。

2.2 小麦旗叶不同生长发育时期叶绿素含量(SPDA)变化特征

图3为4个基因型旗叶不同生长发育时期用SPDA-502叶绿素仪测得的叶绿素含量变化图。从图中可以看出不同时期旗叶叶绿素含量变化趋势基本一致:先上升，到最高值后开始下降。

2.3 小麦旗叶不同生长发育时期叶绿素含量(SPDA)和红边位置关系

图3 不同时期叶绿素含量测定结果Fig.3 The results of chlorophyll content at different growth stages

图1、图2和图3从表观上对不同时期小麦旗叶光谱反射率和测得的叶绿素含量变化规律进行分析，由于叶片内部结构和组成成分比较复杂，需进一步研究叶片含量与光谱反射率之间关系。

“红边”是用来描述植物叶片色素含量的一个重要指标，本文采用线性外推法［20］计算红边位置，4个参试基因型小麦旗叶的叶绿素含量及红边位置见表1。从表1中可以看出不同时期红边位置也不同，其基本规律是:叶绿素含量增加时，红边位置往长波方向移动，到5月6日叶绿素含量达到最大值时红边位置也达最大值，然后随着叶绿素含量降低，红边位置开始向短波方向移动。

对4个基因型各个时期叶绿素含量和红边位置进行线性回归分析，结果见图4。在4月25日、5月1日、5月6日和5月11日4个时间红边位置与测得的叶绿素含量回归模型分别为Y=1.9319x-1320.2、Y=1.756x-1197.2、Y=-1.4797x+1003.9 和 Y=1.2041x-805.48。R2分别为 0.5893、0.8842、0.9379和0.7258。分析结果表明这4个时期测得的叶绿素含量与红边位置均呈正相关，并且都达到极显著水平。

表1 叶绿素含量(SPDA)与红边拐点波长(nm)Tab.1 Chlorophyll content(SPDA)and red edge(nm)

3 结论与讨论

3.1 小麦不功能时期旗叶光谱特征与叶绿素含量特征分析讨论

叶片光谱反射率与叶片所含色素的质与量密切相关。孙红［13］等研究结果表明小麦冠层光谱在近红外区(750 nm～850 nm)孕穗期最低，扬花期最高，与所测得的叶绿素含量变化一致。本研究通过对4个小麦基因型旗叶光谱分析结果表明近红外(750 nm～850 nm)从小麦抽穗期开始旗叶光谱反射率先升后降，在开花后期灌浆前期有小幅度的上升，但仍低于扬花期的反射率。这与实际测得叶片叶绿素含量趋势是一致的。说明在扬花期，小麦旗叶的内部组织结构、形态性状已基本达到光合作用的最佳状态，叶绿素含量达最高值。随着小麦进入灌浆期，旗叶开始衰老，内部组织结构及色素含量也发生一定的变化，但其总体水平低于扬花期，所以此时近红外区光谱反射率呈降低趋势，但有小幅的波动。在可见光区(500 nm～600 nm)其光谱反射率变化趋势和近红外变化趋势一致，这说明小麦旗叶在扬花期叶绿素和类胡萝卜素含量达最大值。由此说明通过单片叶片光谱反射率来监测小麦不同功能期是可行的。

3.2 小麦不同功能期旗叶红边位置与叶绿素含量关系

关于光谱反射红边位置与叶片叶绿素含量的研究，前人已有不少报道。靳彦华［21］等研究表明旱地和水浇地小麦反射光谱红边位置与叶绿素含量均成线性相关。本文对小麦不同功能期旗叶光谱发射红边位置研究，表明红边位置最大值出现在5月6日(扬花后期)，这与测定的叶绿素含量变化趋势是一致的。进一步对不同功能时期叶绿素含量与其光谱反射红边位置建立线性回归模型，在4月25日(抽穗期)、5月1日(扬花期)、5月6日和5月11日(灌浆中期)的线性模型 R2分别为 0.5893、0.8842、0.9379和0.7258，均达到极显著水平。因此所建立的模型可以用于对旗叶叶片叶绿素含量无损监测。

图4 叶绿素含量与红边位置的相关性分析Fig.4 Correlation between red edge wavelength and chlorophy content

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