不同含油量油菜葉片不同生育期的光譜特性研究

熊 思，劉雨絲，張振乾，陳 浩，方希林，鄔賢夢(mèng)

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

不同含油量油菜葉片不同生育期的光譜特性研究

熊 思，劉雨絲，張振乾，陳 浩，方希林，鄔賢夢(mèng)

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

高光譜技術(shù)廣泛應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)、品質(zhì)預(yù)測(cè)及生長(zhǎng)情況監(jiān)控等方面。為找出不同含油量油菜葉片光譜特性及其差異規(guī)律，以含油量不同的甘藍(lán)型油菜近等基因系為材料，采用FieldSpec3地物波譜儀對(duì)不同生育期油菜葉片光譜進(jìn)行研究。結(jié)果表明：含油量高低會(huì)影響葉片葉綠素含量，含油量較高的油菜葉片葉綠素含量較高。各生育期的三種油菜葉片具有相同的反射光譜曲線變化趨勢(shì)。不同生育期不同材料間反射率數(shù)值也有一定差異，該研究結(jié)果可用于早期篩選高油油菜。

甘藍(lán)型油菜；地物波譜儀，光譜；葉綠素

近年來(lái)，高光譜技術(shù)在農(nóng)作物信息獲取的應(yīng)用日益廣泛［1］，如無(wú)損檢測(cè)［2-4］、生長(zhǎng)狀況監(jiān)控［5-6］、品質(zhì)分析［7］等。葉片是作物重要的生理器官，其光譜特征能很好地反映植株的生長(zhǎng)狀況。就油菜而言，其葉片光譜特性可采用便攜式可見(jiàn)-近紅外光譜儀在室外研究，也可采用高光譜和高輻射分辨率來(lái)準(zhǔn)確描述油菜光譜特征［8-9］。近幾年光譜技術(shù)飛速發(fā)展，已應(yīng)用于油菜葉片及冠層的氮含量、乙酰乳酸合成酶含量、氨基酸含量等生理生化、指標(biāo)的快速檢測(cè)［10-12］，但利用高光譜成像技術(shù)對(duì)油菜不同生長(zhǎng)時(shí)期的葉片光譜特性研究還較少。

研究利用高光譜技術(shù)對(duì)不同含油量油菜葉片的不同生育期的光譜特性進(jìn)行研究，以探究不同生育期葉片間光譜差異規(guī)律，為油菜育種研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為3種不同含油量的一組甘藍(lán)型近等基因系油菜，分別是309品系（含油量38%）、310品系（含油量42%）、311品系（含油量46%），由國(guó)家油料改良中心湖南分中心提供。于2014年9月29日播種，試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園油菜基地進(jìn)行，行距33 cm，株距15 cm，共6行，前作為水稻，土壤肥力中等。做好常規(guī)田間管理工作。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 主要葉綠素測(cè)定

葉綠素測(cè)定采用SPAD 402葉綠素測(cè)定儀（日本美能達(dá)公司），在油菜苗期，蕾苔期，花期利用葉綠素測(cè)定儀測(cè)定葉片葉綠素，每個(gè)品系測(cè)20株，計(jì)算平均值。

1.2.2 主要光譜測(cè)定

光譜測(cè)定采用便攜式地物波譜儀（FieldSpec3，美國(guó)ASD公司），利用自帶光源在室內(nèi)對(duì)取回的葉片進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試波段為350～2 500 nm。每個(gè)品系選擇油菜植株中等長(zhǎng)勢(shì)的倒數(shù)第三片葉，每片葉測(cè)3次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘藍(lán)型油菜各個(gè)時(shí)期葉綠素的測(cè)定

葉綠素含量是油菜重要的生理指標(biāo)，與光合作用密切相關(guān)。在油菜苗期、蕾苔期、花期3個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育期間，利用葉綠素儀對(duì)3種不同含油量的油菜葉片進(jìn)行了葉綠素含量測(cè)定，結(jié)果如圖1。

圖1 3個(gè)品系油菜各個(gè)時(shí)期SPAD值測(cè)定

由圖1可知：3個(gè)品系蕾苔期與花期葉片葉綠素均比苗期小，這可能是油菜蕾苔期與花期生育期間光照較少而導(dǎo)致。也有研究顯示，單一的干旱及磷素的缺乏均能降低植物葉片的葉綠素含量［13-14］。

2.2 甘藍(lán)型油菜各個(gè)時(shí)期葉片的光譜特征

2.2.1 苗期油菜葉片的光譜特征分析 按照ASD光譜儀葉片光譜測(cè)定法，在2014年11月21日對(duì)苗期油菜葉片光譜進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同含油量油菜苗期葉片光譜反射率

由圖2可知，不同含油量品種油菜葉片反射率變化趨勢(shì)基本一致，而且反射率也具有明顯規(guī)律。在350～680 nm范圍內(nèi)，3種不同含油量油菜反射率都相對(duì)較低，在550 nm處出現(xiàn)反射峰。方慧等［15］研究表明，在400～500 nm與600～700 nm之間會(huì)形成兩個(gè)低反射區(qū)，這是植物典型的光譜特征，本研究與其基本一致。在680～760 nm波段之間，油菜葉片反射率急劇上升，不同含油量品種出現(xiàn)差異，反射率最高的是中含油量油菜（310品系）葉面反射率，達(dá)到0.4左右，而低含油量油菜（309品系）葉面反射率最低，只在0.15左右。在760～1 350 nm，即紅外區(qū)域，油菜葉面反射率出現(xiàn)一個(gè)高臺(tái)階。最高的是中含油量油菜葉片反射率，達(dá)到0.87左右，第二是高含油量油菜（311品系），達(dá)到0.70左右，最低的是低含油量油菜葉片光譜反射率。

2.2.2 蕾苔期油菜葉片的光譜特征分析 按照ASD光譜儀葉片光譜測(cè)定法，在2015年1月26日對(duì)蕾苔期油菜葉片光譜進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同含油量油菜蕾苔期葉片光譜反射率

由圖3可知，油菜蕾苔期與苗期的反射規(guī)律一致。最高的是低含油量油菜（309品系），達(dá)到將近0.40，最低的是中含油量油菜（310品系），只在0.25左右。在950～1 350 nm的紅外區(qū)域，低含油量油菜和中含油量油菜葉片光譜反射率都達(dá)到0.90左右，低含油量油菜比中含油量油菜略低，而高含油量油菜（311品系）葉片光譜反射率在波段950 nm處為0.35左右，在1 350 nm處達(dá)到0.79左右，比309品系和310品系略低。2.2.3 花期油菜葉片的光譜特征分析 按照ASD光譜儀葉片光譜測(cè)定法，在2015年3月11日對(duì)花期油菜葉片光譜進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同含油量油菜花期葉片光譜反射率

由圖4可知，在油菜花期反射規(guī)律和油菜苗期與蕾苔期一樣，在350～680 nm范圍內(nèi)，不同含油量油菜葉面反射率都較低，在550 nm處出現(xiàn)反射峰。在680～760 nm，油菜葉片反射率急劇上升，最高的是低含油量油菜（309品系），達(dá)到0.38，第二是中含油量油菜（310品系），達(dá)到0.29，最低的是高含油量油菜（311品系），達(dá)到0.18。與油菜苗期和蕾苔期不同的是，在950 nm處，油菜花期3種不同含油量油菜葉片反射率都達(dá)到了0.90以上，而在950～1 350 nm之間，3種不同含油量油菜葉片反射率都在0.20以下，比前兩個(gè)時(shí)期都要低很多。在1 350～1 450 nm處的紅外區(qū)域，高含油量油菜葉面反射率出現(xiàn)一個(gè)較小的高臺(tái)階。張雪紅等［16］研究表明，油菜進(jìn)入開(kāi)花期后，在可見(jiàn)光波段內(nèi)尤其是綠光至紅光波段反射率值顯著增加，這和本研究結(jié)果相似。

綜合來(lái)看，苗期中含油量油菜反射率最大，高含油量油菜次之，低含油量油菜最小。在蕾苔期高含油量油菜反射率最大，中含油量油菜次之，低含油量油菜最小?；ㄆ谠诳梢?jiàn)光波段內(nèi)，低含油量油菜反射率最大，中含油量油菜次之，高含油量油菜最小。本研究表明，在不同含油量油菜葉片的反射率隨著生育期發(fā)生變化，在育種研究中可考慮根據(jù)其某個(gè)生育期反射率的大小初步判斷其是否為育種需要的材料。

3 結(jié) 論

（1）不同材料間葉片葉綠素含量不同，含油量較高的油菜葉片葉綠素含量較高。

（2）對(duì)油菜苗期、蕾苔期、花期葉片光譜進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)各個(gè)生育期的3種不同含油量油菜葉片具有相同的反射光譜曲線變化趨勢(shì)，但在不同時(shí)期的光譜特征點(diǎn)不同，在近紅外波段950～1 350 nm處，油菜苗期3組油菜光譜反射率高臺(tái)階幾乎都在1 350 nm處，而蕾苔期和花期在波段950 nm處就出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。

（3）不同含油量油菜在不同時(shí)期反射率數(shù)值變化也有一定差異，苗期中含油量油菜反射率最大，在蕾苔期高含油量油菜反射率最大，花期在可見(jiàn)光波段內(nèi)，低含油量油菜反射率最大。

［1］ 李 偉，肖愛(ài)平，冷 鵑. 近紅外光譜技術(shù)及其在農(nóng)作物中的應(yīng)用［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，（3）：56-59.

［2］ 姚建松，楊海清，何 勇. 基于可見(jiàn)-近紅外光譜技術(shù)的油菜葉片葉綠素含量無(wú)損檢研究［J］. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版） ，2009，（4）：433-438.

［3］ 孔汶汶，劉 飛，鄒 強(qiáng)，等. 基于近紅外光譜技術(shù)的油菜葉片丙二醛含量快速檢測(cè)方法研究［J］. 光譜學(xué)與光譜分析，2011，（4）：988-991.

［4］ 孫光明，劉 飛，張 帆，等. 基于近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)除草劑脅迫下油菜葉片中脯氨酸含量的方法［J］. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（4）：1192-1196.

［5］ 張?bào)憷? 基于高光譜成像技術(shù)的油菜養(yǎng)分及產(chǎn)量信息快速獲取技術(shù)和方法研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2013.

［6］ 何 勇，彭繼宇，劉 飛，等. 基于光譜和成像技術(shù)的作物養(yǎng)分生理信息快速檢測(cè)研究進(jìn)展［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，（3）：174-189.

［7］ 張保華，李江波，樊書(shū)祥，等. 高光譜成像技術(shù)在果蔬品質(zhì)與安全無(wú)損檢測(cè)中的原理及應(yīng)用［J］. 光譜學(xué)與光譜分析，2014，（10）：2743-2751.

［8］ 方 慧，宋海燕，曹 芳，等. 油菜葉片的光譜特征與葉綠素含量之間的關(guān)系研究［J］. 光譜學(xué)與光譜分析，2007，（9）：1731-1734.

［9］ 王 淵，黃敬峰，王福民，等. 油菜葉片和冠層水平氮素含量的高光譜反射率估算模型［J］. 光譜學(xué)與光譜分析，2008，（2）：273-277.

［10］ 張?bào)憷?，?飛，聶鵬程，等. 高光譜成像技術(shù)的油菜葉片氮含量及分布快速檢測(cè)［J］. 光譜學(xué)與光譜分析，2014，（9）：2513-2518.

［11］ 劉 飛，張 帆，方 慧，等. 連續(xù)投影算法在油菜葉片氨基酸總量無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用［J］. 光譜學(xué)與光譜分析，2009，（11）：3079-3083.

［12］ 劉 飛，方 慧，張 帆，等. 應(yīng)用光譜技術(shù)無(wú)損檢測(cè)油菜葉片中乙酰乳酸合成酶［J］. 分析化學(xué)，2009，（1）：67-71.

［13］ 劉建福. 磷脅迫對(duì)澳洲堅(jiān)果幼苗葉片光合作用的影響［J］. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，（2）：45-48.

［14］ 余利平，張春雷，馬 霓，等. 甘藍(lán)型油菜對(duì)干旱和低磷雙重脅迫的生理反應(yīng)Ⅰ：葉片氣體交換參數(shù)及產(chǎn)量［J］. 中國(guó)油料作物學(xué)報(bào)，2010，（4）：506-511.

［15］ 方 慧，宋海燕，曹 芳，等. 油菜葉片的光譜特征與葉綠素含量之間的關(guān)系研究［J］. 光譜學(xué)與光譜分析，2007，（9）：1731-1734.

［16］ 張雪紅，劉紹民，何蓓蓓. 不同氮素水平下油菜高光譜特征分析［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，（3）：245-249.

（責(zé)任編輯：肖 亮）

Study on Spectral Characteristics of Different Growth Stages of Different Oil Conten t Rape Leaves

XIONG Si，LIU Yu-si，ZHANG Zhen-qian，CHENG Hao，F(xiàn)ANG Xi-lin，WU Xian-meng
（College of Agriculture， Hunan Agricultural University， Southem Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China，Changsha 410128， PRC）

Hyperspectral technology was widely used in non-destructive testing， quality forecasting and Growth monitoring， etc. In order to fnd the law of difference in different spectral characteristics of rape oil content leaf， this study used different oil content rape （Brassica napus） near-isogenic lines as materials to find out the law on the leaves spectral characteristics of different development stages by FieldSpec3 spectrometer. The results showed as follows： the level of chlorophyll content was effected by oil content， and high oil content of rapeseed leaf with a higher chlorophy ll content. There were three kinds of rape leaves had show the same ref ectance spectroscopy trends， while there have some differences between them on different development stages. This study could be used for screening high oil content rape on early stage.

Brassica napus； feature spectrometers； spectra； chlorophyll

S565.4

A

1006-060X（2016）09-0021-03

10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.09.007

2016-06-27

國(guó)家自然科學(xué)基金（31201240）；湖南省科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2014FJ1006）

熊 思（1994-），女，湖南婁底市人，本科生，農(nóng)學(xué)教育專(zhuān)業(yè)。

張振乾