基于高光谱的冬油菜植株种子脂肪酸成分研究

程 潜，肖 钢，张振乾，陈 浩，王 悦，官春云

（湖南农业大学农学院/南方粮油作物协同创新中心，长沙410128）

基于高光谱的冬油菜植株种子脂肪酸成分研究

程 潜，肖 钢，张振乾*，陈 浩，王 悦，官春云

（湖南农业大学农学院/南方粮油作物协同创新中心，长沙410128）

以3个甘蓝型油菜品系为研究对象，采用地物波谱仪测定盛花期冠层光谱，气相色谱法测定成熟种子脂肪酸成分，研究两者之间的关系。通过将3个品系油菜分别与一阶光谱参数做相关性分析，发现在5种脂肪酸成分当中，其特征敏感波段和差值植被指数均达到显著水平以上，说明它们之间具一定预测精度。将3个油菜品系结合到一起分析，发现其特征光谱参数和差值植被指数仍达到显著水平以上。在利用特征波段拟合的两自变量模型和差值植被指数建立的数学模型中，多数脂肪酸达到了显著水平，因此可利用油菜冠层光谱为油菜品质育种研究提供参考，为区域尺度油菜生长的快速、无损遥感监测菜籽脂肪酸成分提供参考。

油菜；脂肪酸；高光谱遥感技术；监测模型

油菜是世界重要的油料作物，是仅次于大豆的第二大植物油脂来源，其种植面积和总产量在主要油料作物中占有相当大的比例［1］。脂肪酸品质改良是油菜品质改良的最主要内容，有关油菜脂肪酸品质改良的研究受到广泛的关注［2］。传统育种方法需要对成熟种子进行分析，工作繁琐，需要时间长，而且需要对作物破坏性采样［3］。精细农业［4］能对田间作物进行科学管理，特别是高光谱遥感技术［5］能在作物生长监测上发挥重要作用，通过遥感监测作物生长过程和作物品质［6］，可以减少实验室及田间工作，加快育种进程。近年来，基于高光谱遥感的叶绿素方面的研究在国内外得到了广泛的开展，但尚无利用高光谱进行油菜品质监控的研究。本试验通过研究不同品系油菜脂肪酸成分与油菜冠层光谱和成熟种子脂肪酸成分间的关系，找出其中敏感波段，为油菜品质育种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

3个甘蓝型油菜品系（编号A，B，C），由国家油料改良中心湖南分中心提供。

1.2 试验方法

试验于2015年9月在湖南农业大学耘园油菜基地进行。采取随机区组设计，重复3次，小区面积3.5 m×6 m。油菜采用穴直播，密度25 cm×30 cm，田间成苗后，每穴留单株。其他管理同当地丰产田。每个品系随机选20株编号，并进行光谱测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 冠层光谱测定

采用美国ASD FieldSpec Pro FR2500型背挂式野外地物波谱仪于油菜盛花期进行冠层高光谱，测试波段为350～2500 nm。由于光谱曲线在首端和末端有较大噪音，所以只取400～l300 nm波段的光谱用于分析。测定时尽量选择晴朗、无云、无风的天气，时间为10：00～14：00。选择有代表性的，长势均匀一致的冠层区域重复测量3次，取其平均值。参照文献［7］的方法进行测量。

1.3.2 油菜籽脂肪酸成分测定

对已编号的60株油菜采用SP-6890型气相色谱仪、FID检测器、N3000色谱工作站、毛细管色谱柱DB-23进行脂肪酸成分测定［8］。

1.4 数据分析

“就丁主任长这样，他老婆能好看到哪儿去？就赖你，玩什么不好，玩结婚？你要不结，我还有词拒他们，我哥都没结呢，我着什么急呵？”

为消除地面土壤对反射光谱的影响，对原始光谱进行一阶微分处理，并从中提取比值植被指数（RVI）、差值植被指数（DVI）和归一化植被指数（NDVI）［3］，用Excel2010处理上述植被指数，并采用SPSS 22.0软件对找出的最佳敏感波段做多自变量的回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同品系油菜菜籽中脂肪酸成分

对每个品系的20株成熟油菜菜籽脂肪酸成分进行测定取其平均值，结果如表1。

表1 3品系油菜菜籽脂肪酸成分（%）Table 1 Fatty acid com position of three rape strains

2.2 油菜冠层高光谱的反射特征

于2016年3月25日油菜盛花期对3品系油菜的冠层进行光谱测定，并利用View Spec Pro.6.0.11和Excel 2010处理，结果如图1。

图1 不同品系油菜的光谱特征Fig.1 Spectral characteristics of d ifferent rape strains

由图1可以看出，植物冠层的反射光谱随叶片中叶肉细胞、叶绿素含量、水分含量、氮素含量以及其他生物化学成分的不同而不同，即在不同的波段会呈现出不同形态和特征的反射光谱曲线［9］。这3个油菜品系的反射光谱特征都具有相同的变化趋势，400～700 nm的可见光区域是植物叶片的强吸收波段，由于叶绿素a、b的强吸收，在可见光波段450 nm蓝光和660 nm红光附近形成两个吸收谷和550 nm的绿光处形成一个吸收峰；700～780 nm波段是叶绿素在红波段的强吸收，也是在近红外波段多次散射形成的高反射平台的过渡区域，在970 nm和1200 nm附近由于水分的强吸收特征，形成吸收谷，这与张雪红等［10］的研究结果一致。

2.3 基于相关性系数较大波段的脂肪酸成分模型

2.3.1 各品系油菜与一阶微分光谱的相关性分析

（1）棕榈酸与一阶微分光谱的相关性分析。分别利用Excel2010对原始光谱的一阶微分参数与3品系油菜的棕榈酸进行相关性分析，结果如表2。

表2 一阶光谱参数与棕榈酸之间的相关性分析Table2 Correlation analysis between the first order spectral parameters and palm itic acid

（2）硬脂酸与一阶微分光谱的相关性分析。用硬脂酸和原始光谱的一阶微分参数进行相关性分析，结果如表3。

表3 一阶光谱参数与硬脂酸之间的相关性分析Table 3 Correlation analysis between the first order spectral param eters and stearic acid

由表3可以看出，在3品系油菜中，硬脂酸与一阶微分之间的最佳敏感波段都达到了显著水平以上，甚至达到了极显著水平。与棕榈酸一样，3种植被指数只在DVI中表现出了极显著关系，其他两种有的只达到显著水平，有的甚至未达到显著水平。

（3）油酸与一阶微分光谱的相关性分析。分别对原始光谱的一阶微分参数与3品系油菜的油酸进行相关性分析，结果如表4。

表4 一阶光谱参数与油酸之间的相关性分析Table 4 Correlation analysis between the first order spectral param eters and oleic acid

油酸与一阶微分之间的最佳敏感波段经过检验都达到了显著水平以上，3种植被指数只在DVI中表现出了极显著关系，其他两种有的只达到显著水平，有的未达到显著水平。

（4）亚油酸与一阶微分光谱的相关性分析。将3品系的油菜菜籽中的亚油酸与一阶微分进行相关性分析，结果如表5。

表5 一阶光谱参数与亚油酸之间的相关性分析Table5 Correlation analysis between the first order spectral parameters and linoleic acid

亚油酸与一阶微分之间的相关关系与前面的几种脂肪酸成分一致，在DVI上表示出极显著的相关性。

（5）亚麻酸与一阶微分光谱的相关性分析。将3品系菜籽中的亚麻酸与一阶微分进行相关性分析，结果如表6。

表6 一阶光谱参数与亚麻酸之间的相关性分析Table 6 Cor relation analysis betw een the first order spectral parameters and linolenic acid

通过分析发现，亚麻酸与一阶微分之间的相关关系与前面的几种脂肪酸关系一样，两敏感波段均达到显著水平以上，而植被指数在DVI上表示出极显著的相关性。

2.3.2 用3品系油菜总体的脂肪酸成分与一阶微分光谱进行相关性分析

利用Excel2010将3品系油菜与一阶光谱参数做相关性分析（n＝60），结果如表7。

表7 各脂肪酸成分与一阶微分的相关性分析Table 7 Correlation analysis of fatty acid com position and first order differential

（续表7）

发现总体的脂肪酸成分与前面单独分析的脂肪酸成分结果一致，两最佳敏感波段通过检验，均达到显著水平以上，具有一定的精确性，而且，基于两敏感波段的3种植被指数经过检验，只有差值植被指数（DVI）都达到显著水平以上。利用SPSS 22.0和Excel2010对两敏感波段和差值植被指数进行函数模拟检验，结果如表8。

表8 各脂肪酸成分与优选光谱参数的定量关系Table 8 Quantitative relationship between fatty acid composition and op timum spectral parameters

由表8可知，基于优选光谱参数的棕榈酸监测模型拟合决定系数经过检验，DVI（1101，750）的线性、指数、多项式和一阶微分的R（1101，750）两自变量函数均达到极显著水平。油酸DVI（792，492）的指数函数模型达到极显著水平，线性函数达到显著水平，基于R（792，492）波段的两自变量函数模型达到显著水平。亚麻酸DVI（1119，792）的多项式函数模型拟合决定系数为0.3562，达到极显著水平，线性和指数函数达到显著水平并且基于R（1119，792）的两自变量函数模型达到极显著水平，R2为0.3562。在所测的脂肪酸成分中，硬脂酸和亚油酸的监测模型拟合决定系数都未达到显著水平。

3 结果

通过将3个品系油菜分别与一阶光谱参数做相关性分析发现（n＝20），在5种脂肪酸成分当中，它们的特征敏感波段均到达显著水平以上，并且在所分析的3种植被指数当中，都只有差值植被指数（DVI）达到显著水平，且都达到极显著水平。

通过将3个油菜品系结合到一起分析发现（n＝60），他们的特征光谱参数和差值植被指数（DVI）仍具有很高的相关性，达到显著水平以上。在通过利用特征波段拟合的两自变量模型和差值植被指数建立的数学模型中，除了硬脂酸和亚油酸没有达到显著水平外，其它均有较高的相关性。

4 讨论

本文研究了油菜冠层反射光谱与甘蓝型不同品系油菜菜籽脂肪酸成分的定量关系，从3种油菜的冠层水平监测菜籽脂肪酸成分，利用高光谱遥感技术获得油菜冠层的精细光谱信息，建立了有一定预测精度的监测模型，可用于监控油菜籽品质，有一定的实际应用价值，目前国内尚无此类研究。本研究仍存在一些不足之处，如样本量较小，不同品系间差异较小等。在后续研究中将进一步扩大样本量，采用差异较大的材料进行研究，增加模型的普适性，为油菜品质育种提供参考。

［1］ 肖能遑.世界油料及制品产销动态［J］.中国油料，1997（3）：77-81.

［2］ 瞿礼嘉，顾红雅，胡 苹，等.现代生物技术导论［M］.北京：高等教育出版社；德国：施普林格出版社，1999.

［3］ 何友铸.油菜生理生化参数、油菜籽含油量与冠层反射光谱的定量关系［D］.长沙：湖南农业大学硕士学位论文，2015.

［4］ 汪懋华.“精细农业”发展与工程技术创新［J］.农业工程学报，1999（1）：7-14.

［5］ 胡著智，王慧麟，陈钦峦.遥感技术与地学应用［M］.南京：南京大学出社，1999.1-5.

［6］ 王纪华，李存军，刘良云.作物品质遥感监测预报研究进展［J］.中国农业科学，2008（9）：2633-2640.

［7］ 王 强，易秋香，包安明，等.基于高光谱反射率的棉花冠层叶绿素密度估算［J］.农业工程学报，2012（15）：125-132.

［8］ 张振乾，肖 钢，官春云，等.气相色谱内标法测定生物柴油产率［J］.中国粮油学报，2009，24（5）：139-142.

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Study on the Fatty Acid Com position of Plant Seeds ofW inter Rapeseed Based on Hyperspectral

CHENG Qian，XIAO Gang，ZHANG Zhenqian*，CHEN Hao，WANG Yue，GUAN Chunyun
（College of Agronomy，Hunan Agricultural University/Southem Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China，Changsha，Hunan 410128，China）

Three Brassica napus lines were used as the research object in this study.The rapeseed canopy spectra were measured by using surface wave spectrometer，and the fatty acid composition ofmature seedswas determined by gas chromatography.The correlation analysis of three rape strains and one order spectral parameter respectively found that the five kinds of fatty acids and their characteristics ofsensitive bands and difference vegetation index has reached a significant levelwith certain accuracy.When the three rape lineswere analyzed together，the results showed that their characteristic spectral parameters and difference vegetation indexwere still above the significant level.Most fatty acidswere significant in the mathematicalmodel based on two variablemodel and difference vegetation index，so this study could provide a reference for the utilization of rapeseed quality breeding by rapeseed canopy spectrum，and provide reference for fastand lossless remote sensingmonitoring of regional scale rapeseed growth and fatty acid composition.

rape；fatty acid；hyperspectral remote sensing technology；monitoringmodel

S565.04

A

1001-5280（2017）03-0265-07

10.16848/j.cnki.issn.1001-5280.2017.03.11

2017- 02- 18

程 潜（1996-），男，从事油菜育种研究，Email：694496571＠qq.com。*通信作者：张振乾，副教授，博士，从事油菜育种研究，Email：zzq770204＠163.com。

国家自然科学基金（31201240）；湖南省科技重大专项（2014FJ1006）；湖南省科技厅项目（13FJ4025）。