地物光谱仪：水稻高光谱与叶绿素含量研究

叶绿素是植物光合作用中捕获和传递能量最重要的色素，能够反映植物光合速率的强弱､氮利用效率､生理胁迫状况和生长发育等。植物叶绿素含量测定通常采用传统的化学方法，虽然测定结果稳定可靠，但提取速度较慢，操作步骤繁琐，并且易损伤植株，影响生长。高光谱数据具有波段多､光谱分辨率高，波段间连续性和相关性强､相关系数大等特点，能获取高精细的光谱信息。利用高光谱技术快速监测叶绿素含量，对评估作物光合作用强弱､生长发育状况和动态特征具有重要意义。

01数据处理与分析

1.1光谱数据采集

采用地物光谱仪，其测试波段为350-2500nm。每品种采集具有代表性､无病虫危害的植株，每株重复测量3次，取测量值的平均值为该株的冠层光谱反射率测量值。测量时，传感器的探头是垂直向下，视场角为25°，距冠层顶的垂直高度约为1m。

1.2 SPAD值测定

采用叶绿素仪，在水稻苗期和抽穗期各选取10株，分别选取倒二叶和剑叶测定叶片SPAD值，每片叶测量叶基､叶中､叶尖等三个部位，每个部位重复测定3次，测量时避开叶脉，各时期取平均值作为叶片SPAD值。SPAD值测定与冠层光谱测定同步进行。

1.3 S数据分析

采用叶绿对水稻冠层光谱反射率与叶绿素含量进行相关分析，选择与叶绿素含量具有显著性相关的光谱参数，且通过分析回归方程的方法，确定水稻最佳的光谱参数，建立监测模型。

(1)一阶微分光谱对冠层反射光谱数据进行一阶微分处理，公式如下:

（2）不同叶色下水稻叶绿素含量(SAPD值)的比较

从图1可知，分别在苗期和抽穗期对黄1S和P88S进行叶绿素含量的SAPD值测定，结果表明:黄1S苗期和抽穗期的叶绿素含量比P88S分别降低60.33%和28.24%，均达极显著水平，表明黄1S叶绿素含量的降低是造成与P88S叶色差异的主要原因。从不同生育时期比较发现，黄1S抽穗期比苗期的叶绿素含量增加59.94%，而P88S抽穗期比苗期的叶绿素含量增加27.53%，这可能与抽穗期营养物质转移有关。

图1不同叶色的水稻叶片叶绿素相对含量(SAPD值)

02水稻冠层

2.1水稻冠层反射光谱特性

由图2可知，品种间苗期和抽穗期的冠层反射率变化曲线基本一致，且反射曲线具有明显的变化规律。在350-650nm范围内，反射率平稳上升，达到一个峰值后随即下降，数值相对于其它波段较低，该波段吸收的紫外光和蓝紫光较多，则反射和透射较少，但叶绿素出现绿色强反射，产生峰值，是由“蓝边”和“黄边”组成;而750950nm范围是“红边”区域，反射率随波长增加而迅速上升，曲线较陡相当于直线，反射率在800nm处达到顶峰值，出现急剧下降，可能是受叶肉组织细胞结构多次反射和植株冠层结构控制，因此该波段相对较高。苗期由于叶色差异较大，则两者的冠层反射率相差甚远;抽穗期随着叶片物质的积累，叶色变化差异逐渐减小，所以冠层反射率基本相符。

图2不同叶色下水稻苗期冠层光谱反射率

2.2水稻冠层导数光谱特征分析

水稻冠层反射光谱受到叶片内部细胞结构､土壤背景､调落物和气象条件等因素的影响，通过微分处理，可得到导数光谱，消除或减少土壤等背景信号，有利于更好地反映内在特性。从图3可看出，在650-750nm之间有个小波峰，此波段范围内属于“红边”，说明水稻内部组织结构细胞发生明显的变化。

图3水稻抽穗期冠层一阶微分光谱

03水稻叶绿素含量与冠层光谱反射率的相关分析

由图4可知，P88S和黄1S的叶绿素含量与冠层光谱反射率的相关系数基本走势一致，相关系数都呈先降低后增加的趋势，呈正相关关系。在740-1425nm范围内两个品种的相关系数相差较大，两者的相关系数都不显著。在小于740nm的可见光波长范围内，P88S和黄1S的叶绿素含量与冠层光谱反射率呈极显著性，相关系数大于0.6。在波长为1425-1750nm之间，P88S的叶绿素含量与冠层光谱反射率呈极显著性，相关系数大于0.5，黄1S的叶绿素含量与冠层光谱反射率呈显著性，相关系数在0.40.5之间。由此可知，P88S的敏感波长为363nm和675nm，黄1S的敏感波长为374nm和625nm，均为可见光波段，说明可见光波段属于水稻叶绿素光谱反应的敏感波段。以P88S和黄1S敏感波段建立相关参数，得到冠层反射率的相关系数(表1)。

表1 水稻光谱参数与叶片叶绿素含量之间的相关性分析

图4 水稻抽穗期冠层光谱与叶绿素的相关关系

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审核编辑 黄宇