何麗香，傅兆麟* ，宮 晶，孫常玉

(1.淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽淮北 235000;2.安徽省資源植物重點實驗室，安徽淮北 235000)

葉片是小麥重要的光合器官，而葉綠素的含量與質(zhì)量是決定葉片光合能力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，不同生長發(fā)育時期葉片葉綠素含量和光合功能不同，葉綠素含量與葉片的發(fā)育階段和光合能力有較好的相關(guān)性，是葉片發(fā)育階段和功能差異的重要指標(biāo)［1，2］。因此，人們通常通過實驗室檢測作物葉片葉綠素含量的變化了解葉片的生長和功能情況，這不僅需要破壞植株和葉片的生長，且費時費力，不能滿足現(xiàn)代小麥科研和生產(chǎn)高效生產(chǎn)管理的需要。近年來發(fā)展起來的光譜技術(shù)可應(yīng)用于植物葉綠素、水分、含氮量等信息的檢測［3］。

光譜技術(shù)在植物檢測方面的應(yīng)用已有許多研究報道，1972年Thomas等就發(fā)現(xiàn)甜椒葉片含氮量與550-675 nm波長間葉片的反射系數(shù)高度相關(guān)，認為植物光譜分析有可能快速、簡便、較精確、非破壞性地監(jiān)測植物氮素營養(yǎng)［4］。隨后 Al-Abbas［5］，Bell［6］，Campbell［7］等進一步證明了利用冠層反射光譜檢測作物的氮素水平及葉綠素含量的可行性。我國學(xué)者唐延林［8，9］、金震宇［10］、等研究了作物冠層反射光譜“紅邊”參數(shù)與作物生長信息的相關(guān)關(guān)系。代輝等［11］2007年研究不同N素營養(yǎng)水平冬小麥冠層光譜特性，發(fā)現(xiàn)紅邊位移現(xiàn)象，紅邊位置、紅邊斜率、紅邊面積與葉面積指數(shù)有著密切關(guān)系，可作為小麥農(nóng)學(xué)參數(shù)估測的簡便方法。趙春江等［12］以不同品種研究了不同肥水條件下冬小麥光譜紅邊參數(shù)，認為用近紅外平臺振幅推算葉片全氮含量，用紅邊振幅推算葉綠素總量，紅邊振幅或近紅外平臺振幅推算葉面積指數(shù)分別在部分生育時期有較高的可靠性。孫紅等［13］在分析冬小麥生長期冠層反射光譜和葉綠素含量變化特征的基礎(chǔ)上，對二者之間的相關(guān)性進行了研究。用于冬小麥葉綠素含量的無損檢測是可行的。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)［14-19］利用光譜技術(shù)對冬小麥和水稻不同的品種、生育期和施氮水平展開了深人的研究。

在小麥光譜技術(shù)應(yīng)用研究方面，多集中在宏觀的冠層測定分析上，對小麥單葉不同生長發(fā)育階段的光譜特征研究不多，對葉片不同生長發(fā)育時期光譜特征與葉片葉綠素含量之間的關(guān)系還沒有系統(tǒng)的研究。本文采用光譜技術(shù)系統(tǒng)了解不同生長發(fā)育時期葉片的光譜特征，建立葉片整個生長發(fā)育過程中的葉綠素含量監(jiān)測模型，為小麥種質(zhì)鑒定、品種選育提供快速有效的測定方法，同時也為建立普適的遙感監(jiān)測模型提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選取 935031(♀)x濰麥 8號(♂)、935031(♀)x濟麥22號(♂)、濰麥8號(♀)x淮師0806(♂)和濰麥8號(♀)x濟麥22號(♂)等4個小麥雜交種組合。

1.2 田間試驗設(shè)計

試驗于2012～2013年在淮北師范大學(xué)小麥育種試驗基地進行，田間為隨機區(qū)組設(shè)計，重復(fù)3次，每個材料種植3行，行長2.00 m，行距0.25 m。2012年12月20日播種。播種前整地時施用優(yōu)質(zhì)磷酸二銨600 kg/hm2、硫酸鋅 75 kg/hm2、氯化鉀150 kg/hm2、尿素150 kg/hm2和有機肥75 t/hm2作基肥，田間按常規(guī)高產(chǎn)田管理。于小麥抽穗期隨機選取5株長勢均勻的小麥進行標(biāo)記供試驗所需。

1.3 測定方法

1.3.1 小麥旗葉高光譜的測定 小麥旗葉光譜的測定采用的是美國生產(chǎn)的Unispec-SC單通道便攜式光譜分析儀。波長范圍是300 nm～1100 nm，光譜分辨率為0.3 nm，采樣間隔為3.3 nm。在對小麥旗葉進行光譜測量時，選取晴朗無云無風(fēng)的天氣，測定時間為上午9∶00～11∶00。測量采取對旗葉葉尖、葉中和葉基三個不同部位分別測量三次，最后取其總值的平均值作為該葉片光譜反射率。測量后數(shù)據(jù)采用 Multispec5.1.5 軟件和 origin8.1.3 進行處理。

1.3.2 小麥旗葉葉綠素含量的測定 在測量光譜后，立即采用SPDA-502葉綠素儀測定標(biāo)記過的小麥旗葉葉綠素含量。測量采取對旗葉葉尖、葉中和葉基三個不同部位分別測量三次，最后取其總值的平均值作為該葉片的葉綠素含量值。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 小麥旗葉不同生長發(fā)育時期光譜的變化特征

圖1 4個基因型不同時期光譜反射率Fig.1 The hyperspectral reflectance curves of 4 genotypes at the different growth stages

圖2 不同時期小麥高光譜曲線Fig.2 The hyperspetral reflectance curvers of wheat at different growth stages

不同生長發(fā)育時期小麥旗葉光譜反射曲線見圖1和圖2。圖1為4個不同基因型小麥旗葉在4月25日、5月1日、5月6日和5月11日的反射光譜曲線。左邊圖是小麥旗葉在400 nm到850 nm波段的反射圖譜，右邊圖是小麥旗葉在500到600 nm反射圖譜放大的圖譜。從圖中可以看出不同時間測定的4個基因型小麥旗葉光譜圖在近紅外(750 nm-850 nm)和可見光區(qū)(500 nm～600 nm)均差異明顯?？梢姽鈪^(qū)反射率主要和葉片葉綠素(葉綠素a和葉綠素b)與類胡蘿卜素(胡蘿卜素和葉黃素)密切相關(guān)，而近紅外區(qū)反射率則不僅與葉片色素含量有關(guān)，還與葉片內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、外觀形態(tài)等因素有關(guān)。圖1中4個不同基因型小麥光譜反射率在可見光區(qū)和近紅外都表現(xiàn)為:在4月25日所測光譜反射率最低，而5月1日達到最大值，然后開始下降，而在5月11日，稍有小幅上升，但仍低于5月1日所測光譜反射率。且不同時間測定的小麥旗葉光譜圖差異明顯。

圖2是4個小麥基因型不同生長發(fā)育時期平均光譜反射率曲線。圖2可以看出不同時期測定小麥旗葉光譜曲線差異明顯，但是與圖1結(jié)果變化趨勢是相同:在4月25日光譜反射率最低，5月1日測定的光譜發(fā)射率最高。然后光譜反射率開始下降，在5月11日有小幅度的回升，但低于5月1日的光譜反射率。

2.2 小麥旗葉不同生長發(fā)育時期葉綠素含量(SPDA)變化特征

圖3為4個基因型旗葉不同生長發(fā)育時期用SPDA-502葉綠素儀測得的葉綠素含量變化圖。從圖中可以看出不同時期旗葉葉綠素含量變化趨勢基本一致:先上升，到最高值后開始下降。

2.3 小麥旗葉不同生長發(fā)育時期葉綠素含量(SPDA)和紅邊位置關(guān)系

圖3 不同時期葉綠素含量測定結(jié)果Fig.3 The results of chlorophyll content at different growth stages

圖1、圖2和圖3從表觀上對不同時期小麥旗葉光譜反射率和測得的葉綠素含量變化規(guī)律進行分析，由于葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成成分比較復(fù)雜，需進一步研究葉片含量與光譜反射率之間關(guān)系。

“紅邊”是用來描述植物葉片色素含量的一個重要指標(biāo)，本文采用線性外推法［20］計算紅邊位置，4個參試基因型小麥旗葉的葉綠素含量及紅邊位置見表1。從表1中可以看出不同時期紅邊位置也不同，其基本規(guī)律是:葉綠素含量增加時，紅邊位置往長波方向移動，到5月6日葉綠素含量達到最大值時紅邊位置也達最大值，然后隨著葉綠素含量降低，紅邊位置開始向短波方向移動。

對4個基因型各個時期葉綠素含量和紅邊位置進行線性回歸分析，結(jié)果見圖4。在4月25日、5月1日、5月6日和5月11日4個時間紅邊位置與測得的葉綠素含量回歸模型分別為Y=1.9319x-1320.2、Y=1.756x-1197.2、Y=-1.4797x+1003.9 和 Y=1.2041x-805.48。R2分別為 0.5893、0.8842、0.9379和0.7258。分析結(jié)果表明這4個時期測得的葉綠素含量與紅邊位置均呈正相關(guān)，并且都達到極顯著水平。

表1 葉綠素含量(SPDA)與紅邊拐點波長(nm)Tab.1 Chlorophyll content(SPDA)and red edge(nm)

3 結(jié)論與討論

3.1 小麥不功能時期旗葉光譜特征與葉綠素含量特征分析討論

葉片光譜反射率與葉片所含色素的質(zhì)與量密切相關(guān)。孫紅［13］等研究結(jié)果表明小麥冠層光譜在近紅外區(qū)(750 nm～850 nm)孕穗期最低，揚花期最高，與所測得的葉綠素含量變化一致。本研究通過對4個小麥基因型旗葉光譜分析結(jié)果表明近紅外(750 nm～850 nm)從小麥抽穗期開始旗葉光譜反射率先升后降，在開花后期灌漿前期有小幅度的上升，但仍低于揚花期的反射率。這與實際測得葉片葉綠素含量趨勢是一致的。說明在揚花期，小麥旗葉的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、形態(tài)性狀已基本達到光合作用的最佳狀態(tài)，葉綠素含量達最高值。隨著小麥進入灌漿期，旗葉開始衰老，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及色素含量也發(fā)生一定的變化，但其總體水平低于揚花期，所以此時近紅外區(qū)光譜反射率呈降低趨勢，但有小幅的波動。在可見光區(qū)(500 nm～600 nm)其光譜反射率變化趨勢和近紅外變化趨勢一致，這說明小麥旗葉在揚花期葉綠素和類胡蘿卜素含量達最大值。由此說明通過單片葉片光譜反射率來監(jiān)測小麥不同功能期是可行的。

3.2 小麥不同功能期旗葉紅邊位置與葉綠素含量關(guān)系

關(guān)于光譜反射紅邊位置與葉片葉綠素含量的研究，前人已有不少報道。靳彥華［21］等研究表明旱地和水澆地小麥反射光譜紅邊位置與葉綠素含量均成線性相關(guān)。本文對小麥不同功能期旗葉光譜發(fā)射紅邊位置研究，表明紅邊位置最大值出現(xiàn)在5月6日(揚花后期)，這與測定的葉綠素含量變化趨勢是一致的。進一步對不同功能時期葉綠素含量與其光譜反射紅邊位置建立線性回歸模型，在4月25日(抽穗期)、5月1日(揚花期)、5月6日和5月11日(灌漿中期)的線性模型 R2分別為 0.5893、0.8842、0.9379和0.7258，均達到極顯著水平。因此所建立的模型可以用于對旗葉葉片葉綠素含量無損監(jiān)測。

圖4 葉綠素含量與紅邊位置的相關(guān)性分析Fig.4 Correlation between red edge wavelength and chlorophy content

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