不同水稻品種主要生育期冠層光譜特征分析

武威 陳雯 陳瑛瑛 劉濤 孫成明

（揚州大學江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/糧食作物現代產業技術協同創新中心，江蘇揚州225009；*通訊作者：cmsun@yzu.edu.cn）

水稻是我國主要的糧食作物，種植面積大，分布范圍廣，收獲指數高，在我國糧食生產和糧食安全中占有重要地位。由于水稻屬于喜陽喜濕作物，對氣候變化較為敏感，為了更好地穩定和提高水稻產量，需要全面認識和了解水稻生長發育規律。近年來，高光譜技術已在水稻營養元素診斷和監測[1]、逆境生理研究[2]、葉綠素含量監測[3]、株型識別[4]、葉面積指數估算[5]、生物量估測[6]等方面得到廣泛應用，使用高光譜技術監測水稻長勢已經成為主流。

植被葉片的光譜特征是由于其化學組成分子結構中的化學鍵在一定的輻照水平下吸收特定波長的輻射能，從而產生了不同光譜反射率的結果。綠色植被的光譜曲線與其他非綠色物體（如土壤、巖石、水體等）存在明顯差異，這也是用來區分綠色植物的客觀依據。植被的光譜特征是由其組織結構、生化成分以及形態學特征決定的，不同的組織結構和生化成分對植被葉片光譜的影響范圍以及影響程度均不同[7]。不同作物類型、不同營養狀態具有相似的光譜變化趨勢，但冠層光譜反射率的大小受諸多因素影響，如作物種類、作物群體冠層結構、生長狀況以及天氣狀況等。植被在350～2 500 nm波段范圍內具有典型的光譜反射特征，且不同波段的光譜反應了植株不同的結構特征[8]。本文擬從品種和生育時期的角度對水稻冠層光譜特性展開研究，分析不同生育期品種間光譜反射率差異和同一品種不同生育期光譜反射率的變化趨勢，為精確指導高光譜技術在水稻上的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本試驗于2015-2016年在揚州大學農學院試驗場進行。試驗地前茬為小麥，土壤質地為砂壤土，0～20 cm土層有機質含量為20.74 g/kg，全氮為1.33 g/kg，堿解氮為91.10 mg/kg，速效鉀為84.53 mg/kg，速效磷為43.52 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗選用不同株型的2個粳稻和2個秈稻品種為材料：連粳7號、淮稻5號、甬優2640和揚兩優6號。于2015年5月12日播種，6月13日移栽，小區面積12 m2，移栽時株行距為15 cm×25 cm，粳稻每叢插2株，秈稻每叢插1株，3個重復。施氮總量為200 kg/hm2，基肥∶穗肥=6∶4；磷鉀肥用量150 kg/hm2，全部作基肥。全生育期栽培措施按照高產栽培要求進行。

1.3 數據采集

冠層光譜數據采用美國ASD FieldSpec FR 2500野外便攜式地物波譜儀測量，光譜儀的前視場角為25°，波段范圍為350～2 500 nm，其中，350～1 000 nm光譜采樣間隔為1.4 nm，光譜分辨率為3 nm，1 000～2 500 nm光譜采樣間隔為2 nm，光譜分辨率為10 nm，使用前預熱15～30 min。選擇晴朗、無風或微風、無云天氣，在各品種水稻的拔節期、孕穗期、抽穗期/開花期、灌漿期分別測定冠層光譜，測定時間為10∶00-14∶00，傳感器探頭垂直向下，距離冠層高度約1 m，每小區測3行，每行測3個不同點，每個點測10次，取平均值作為該小區的光譜反射率，每個小區測定前后立即進行白板校正。

圖1 水稻主要生育期不同品種光譜曲線

1.4 數據分析

用ASD ViewSpec Pro軟件讀取源光譜數據，將原始光譜數據進行預處理，取其平均值作為該處理的光譜值。由于1 300～2 500 nm是水分主導波段，噪聲較大，所以只選擇350～1 300 nm波段進行相關處理。用MATLABR2016a對光譜數據進行去噪處理，平滑方法為移動平滑法。

2 結果與分析

2.1 不同品種水稻冠層光譜差異

由圖1可知，4個品種在拔節期的光譜反射率差異較大，揚兩優6號光譜反射率在350～1 300 nm波段均高于其他品種，甬優2640光譜反射率在750～1 300 nm波段高于2個粳稻品種，且與揚兩優6號持平，淮稻5號光譜反射率在750～1 300 nm波段略高于連粳7號。孕穗期不同品種光譜反射率在350～750 nm波段范圍內差異明顯減小，在750～1 300 nm波段差異較明顯，揚兩優6號在該波段反射率大幅高于其他品種。抽穗/開花期不同品種光譜反射率在350～750 nm波段范圍內趨于一致，在750～1 300 nm波段差異明顯減小，甬優2640在該波段反射率略高于其他品種。灌漿期不同品種光譜反射率在350～750 nm波段范圍內趨于一致，在750～1300 nm波段揚兩優6號光譜反射率明顯高于其他品種，但甬優2640、連粳7號和淮稻5號在該波段反射率趨于一致。

2.2 同一水稻品種不同生育期冠層光譜差異

由圖2可知，甬優2640在350～750 nm波段的不同生育期光譜反射率差異很小，但在750～1 300 nm波段拔節期的光譜反射率明顯高于其他時期。連粳7號在350～750 nm波段的不同生育期光譜反射率差異也很小，但在750～1 300 nm波段拔節期的光譜反射率明顯低于其他時期。淮稻5號在350～750 nm波段拔節期的光譜反射率略高于其他時期，在750～1 300 nm波段拔節期的光譜反射率明顯低于其他時期。揚兩優6號在350～1 300 nm波段拔節期的光譜反射率明顯高于其他時期，在750～1 300 nm波段抽穗/開花期的光譜反射率明顯低于其他時期。

3 結論與討論

總體上看，不同品種在350～750 nm波段光譜反射率差異很小，且隨著生育期的推進，品種間在750～1 300 nm波段的光譜反射率差異也逐漸減小。在拔節期品種間光譜反射率差異最大，且秈稻品種（甬優2640和揚兩優6號）在750～1 300 nm波段光譜反射率明顯高于粳稻品種（連粳7號和淮稻5號）。拔節期揚兩優6號在350～750 nm波段光譜反射率明顯高于其他品種，孕穗期揚兩優6號在750～1 300 nm波段光譜反射率明顯高于其他品種，灌漿期揚兩優6號在750～1 300 nm波段光譜反射率明顯高于其他品種，說明揚兩優6號光譜反射率與其他品種存在很大差異。從同一品種不同生育期水稻光譜反射率變化來看，每個品種隨著生育進程的推進光譜反射率有著明顯的變化，尤其是拔節期的光譜反射率，在750～1 300 nm波段表現為秈稻品種拔節期的光譜反射率明顯高于其他時期，粳稻品種拔節期的光譜反射率明顯低于其他時期。在350～1 300 nm波段，仍是揚兩優6號在不同生育期的光譜反射率波動最大。

圖2 同一品種不同生育期水稻光譜曲線

前人對不同品種水稻的生長進行了光譜監測試驗研究，但所選品種均為粳稻，同時在光譜差異上也沒有具體的分析[9]。也有人利用光譜反演了水稻葉片的氮素含量，但品種少（1個品種）、時期少（1個時期），結果不具備代表性。本研究選擇2個秈稻品種和2個粳稻品種作為研究對象，分別測定拔節期、孕穗期、抽穗/開花期和灌漿期的水稻冠層光譜反射率。結果表明，同一時期不同品種間水稻冠層光譜反射率存在一定差異，同一品種不同時期水稻冠層光譜反射率也存在一定差異，結果反映了不同品種、不同時期的水稻冠層光譜特征。因此，在今后水稻高光譜的研究中，應考慮不同品種和不同生育期的影響。由于受到試驗材料及人力等因素的影響，本研究所選的品種仍相對偏少，秈稻與粳稻品種的差異還需進一步研究確定，揚兩優6號與其他品種的特殊差異也需作進一步驗證。

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