陳美辰，于海業(yè)，李曉凱，王洪健，劉 爽，孔麗娟，張 蕾，黨敬民，隋媛媛

吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022

引 言

玉米是世界上重要的糧食、飼料和工業(yè)原料作物，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局顯示，2020年?yáng)|北三省玉米種植面積共為1 246.75萬(wàn)公頃，其中吉林省玉米種植面積為428.72萬(wàn)公頃，總產(chǎn)量高達(dá)2 973.44萬(wàn)噸，占本省糧食作物總種植面積的75.45%。環(huán)境因素一直是影響糧食生產(chǎn)的首要因素，環(huán)境因素的變化與糧食的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)等息息相關(guān)，其中光照和溫度對(duì)糧食生產(chǎn)的影響尤為顯著。光是植物生長(zhǎng)過(guò)程中不可或缺的環(huán)境因子之一，是進(jìn)行光合作用的能量來(lái)源[1]。玉米是喜光作物，具有較高的光飽和點(diǎn)，因此光對(duì)玉米的不利影響主要是弱光脅迫。溫度同樣也是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的重要環(huán)境因子，植物的呼吸作用、光合過(guò)程、蒸騰作用以及葉綠素?zé)晒獾淖兓?、干物質(zhì)積累和營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸?shù)榷夹枰谝欢ǖ臏囟认逻M(jìn)行[2-3]，溫度影響著植物內(nèi)部的基因表達(dá)和酶活性等生理生化過(guò)程，因此植物的生長(zhǎng)發(fā)育需要適宜的環(huán)境溫度[4]。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告顯示，到21世紀(jì)末全球溫度可能將增加2～5 ℃。與20世紀(jì)末相比，氣溫升高2 ℃，熱帶、溫帶地區(qū)的小麥、水稻、玉米等農(nóng)作物的生產(chǎn)就會(huì)受到一定程度的不利影響，如果氣溫升高超過(guò)4 ℃，則有可能影響到全球糧食生產(chǎn)的安全問(wèn)題。因此，探明玉米植株對(duì)光溫環(huán)境因子的響應(yīng)規(guī)律，具有重要意義。

玉米苗期是指從播種出苗到拔節(jié)這一階段，最適溫度為18～20 ℃，是莖葉分化的關(guān)鍵時(shí)期，同時(shí)也是受非生物脅迫影響最嚴(yán)重的時(shí)期，且光溫逆境對(duì)葉片的損傷，會(huì)影響其整個(gè)生育期。苗期弱光會(huì)影響植株品質(zhì)、株高等光合生理特性[5]；高溫脅迫會(huì)導(dǎo)致田間出苗率和整齊度下降，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量[6]。目前，隨著全球變暖現(xiàn)象的日益嚴(yán)重，光、溫環(huán)境已經(jīng)成為制約玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的主要環(huán)境因子[7-8]，研究表明，玉米生育期間太陽(yáng)總輻射減少1 kJ·cm-2，相當(dāng)于玉米生物產(chǎn)量減少337.5 kg·hm-2，苗期遮蔭會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低16.9%，因此探究光溫環(huán)境因子對(duì)玉米苗期生長(zhǎng)發(fā)育的影響尤為重要。

高光譜檢測(cè)具有檢測(cè)分辨率高、波段寬、時(shí)效性強(qiáng)、無(wú)污染、非破壞性等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，已成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注和研究的熱點(diǎn)[9]。馮偉[10]等利用光譜技術(shù)，對(duì)白粉病脅迫下的小麥冠層進(jìn)行監(jiān)測(cè)，構(gòu)建了病害小麥冠層葉綠素密度估算模型；劉爽[11]等利用高光譜技術(shù)進(jìn)行水氮脅迫下大豆葉片生理信息的預(yù)測(cè)，結(jié)合不同的光譜預(yù)處理與建模方法，建立了單葉葉綠素含量和凈光合速率反演模型，模型SNV+SD+S-G+PLS的校正集相關(guān)系數(shù)為0.993；Liu[12]等提出基于紅邊區(qū)域/綠邊區(qū)域(SDRed/SDBlue)和紅邊區(qū)域/黃邊區(qū)域(SDRed/SDYellow)的反演模型，能夠精準(zhǔn)預(yù)測(cè)冬小麥生育期不同CO2濃度條件下的LAI和SPAD值；徐琳煜[13]等進(jìn)行了干旱脅迫下白術(shù)葉片的光譜特征監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析原始光譜、一階導(dǎo)數(shù)光譜、光譜參數(shù)和水分敏感植被指數(shù)，探索了干旱脅迫下光譜特征的響應(yīng)規(guī)律；賀佳[14]等獲取了不同氮磷水平下冬小麥的光譜數(shù)據(jù)，建立了冬小麥不同生育期生物量的分段監(jiān)測(cè)模型，其模型相關(guān)系數(shù)R2最高可達(dá)0.987。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在作物脅迫、生理信息監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行了大量研究，但多以作物生育后期為主，且多集中于水分脅迫、重金屬脅迫、營(yíng)養(yǎng)脅迫等方面，針對(duì)光溫環(huán)境脅迫對(duì)玉米苗期生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究較少。

本工作在光溫環(huán)境脅迫下，無(wú)損獲取玉米苗期葉片的生理參數(shù)與高光譜數(shù)據(jù)，探究玉米葉片生理參數(shù)以及光譜特性對(duì)光溫脅迫的響應(yīng)規(guī)律，并提取敏感波段，建立葉片生理參數(shù)的高光譜反演模型。旨為更有效的監(jiān)測(cè)作物環(huán)境脅迫，為玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)于吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院玻璃日光溫室內(nèi)進(jìn)行(海拔高度150 m，44°50′N，125°18′E)，樣品選用玉米“鄭單958”，采用盆栽方式種植。于二葉一心時(shí)進(jìn)行移栽，移入裝有顆粒復(fù)合肥及營(yíng)養(yǎng)土均勻混合的塑料花盆內(nèi)(尺寸為49 cm×20 cm×14 cm)，每4株均勻移入一個(gè)花盆內(nèi)，時(shí)刻保持盆內(nèi)土壤的透氣性和濕潤(rùn)度。待移栽后長(zhǎng)至五葉一心時(shí)放入人工智能氣候箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)處理，所有植株均進(jìn)行正常水肥管理。

實(shí)驗(yàn)的光溫處理組如表1所示，總共設(shè)置8組光溫環(huán)境，可分為單因素實(shí)驗(yàn)和雙因素實(shí)驗(yàn)。所有處理組的濕度均設(shè)為60%，脅迫時(shí)間均為12/12 h(晝/夜)，以溫室內(nèi)正常生長(zhǎng)的玉米植株為對(duì)照(CK)，測(cè)得溫室內(nèi)日最大光強(qiáng)為50 000 Lux，日均氣溫為20 ℃。每個(gè)處理組設(shè)樣本12株，即12次重復(fù)，測(cè)定地點(diǎn)在溫室內(nèi)進(jìn)行，測(cè)定部位選取玉米樣株完全展開(kāi)的第四葉與第五葉，進(jìn)行信息的采集及測(cè)定。

表1 實(shí)驗(yàn)光溫處理組

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

實(shí)驗(yàn)于晴朗無(wú)云上午9：00—14：00進(jìn)行，同步采集玉米葉片的生理參數(shù)和高光譜數(shù)據(jù)，生理參數(shù)包括相對(duì)葉綠素含量(SPAD)和光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)量子效率(Fv/Fm)。高光譜數(shù)據(jù)的采集選用美國(guó)公司生產(chǎn)的HH2地物光譜儀，該儀器測(cè)量波段范圍為325～1 075 nm，采樣間隔1.4 nm，分辨率3 nm@700 nm，每片葉獲取9條數(shù)據(jù)；SPAD選用日本公司生產(chǎn)的SPAD502測(cè)定，每片葉獲取3條數(shù)據(jù)；Fv/Fm采用美國(guó)公司生產(chǎn)的便攜式脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒夥治鰞x(OS1P)，于葉片充分暗適應(yīng)20 min后進(jìn)行測(cè)定，每片葉獲取3條數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)均取其平均值，利用ViewSpec Pro、Origin 19.0和Spss 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米葉片生理參數(shù)對(duì)不同光溫環(huán)境的響應(yīng)

葉片的葉綠素含量是評(píng)價(jià)植株光合效率和環(huán)境脅迫的重要指標(biāo)，也是解析光譜變化的敏感因子，因此實(shí)時(shí)無(wú)損監(jiān)測(cè)葉綠素狀況對(duì)作物的農(nóng)情監(jiān)測(cè)、產(chǎn)量估算具有重要意義。艾天成等將玉米、水稻、大豆等農(nóng)作物的葉綠素含量與其SPAD值，進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，篩選出最佳相關(guān)函數(shù)，均達(dá)顯著水平，表明了SPAD值能夠精確反映作物體內(nèi)的葉綠素含量。在本實(shí)驗(yàn)不同光溫環(huán)境下，觀察玉米葉片SPAD值的變化，如圖1所示，結(jié)果表明：?jiǎn)我蛩貙?shí)驗(yàn)中，葉片的SPAD值在各處理組間變化幅度較小，但仍存在差異；雙因素實(shí)驗(yàn)中，光溫處理組6和組8有較低的SPAD值，分別為39.394和36.652，這是由于在高溫的環(huán)境下，植株生長(zhǎng)會(huì)受到限制，導(dǎo)致葉綠素結(jié)構(gòu)遭到破壞，抑制了葉綠體吸收光能，從而使葉片光合作用減弱。

圖1 不同光溫環(huán)境下葉片SPAD的變化

Fv/Fm代表了光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的原初化能轉(zhuǎn)化率，對(duì)于大多數(shù)未受脅迫的植物，合適的Fv/Fm在0.79到0.84之間，F(xiàn)v/Fm廣泛應(yīng)用于各種逆境脅迫對(duì)植物光合作用影響的研究，其降低的幅度可以被用來(lái)衡量逆境脅迫對(duì)PSⅡ復(fù)合體損傷的程度，反映逆境對(duì)植物光合作用的傷害程度[15]。實(shí)驗(yàn)測(cè)得Fv/Fm的變化如圖2所示，結(jié)果表明：溫度脅迫下Fv/Fm顯著降低(p<0.05)，在光溫處理組3中，F(xiàn)v/Fm的下降幅度為43.04%，在光溫處理組4中Fv/Fm的下降幅度為24.05%，光溫雙因素脅迫下的Fv/Fm下降幅度較小，說(shuō)明低溫或高溫會(huì)導(dǎo)致植株的PSⅡ復(fù)合體受損，使其光能轉(zhuǎn)化過(guò)程受到破壞?？梢钥闯?，在短期低溫或短期高溫下，葉片的SPAD值與Fv/Fm均顯著下降，表明玉米植株對(duì)溫度變化敏感，溫度脅迫會(huì)導(dǎo)致植株的光合系統(tǒng)受損，光合能力下降。

圖2 不同光溫環(huán)境下葉片F(xiàn)v/Fm的變化

2.2 玉米葉片高光譜在不同光溫環(huán)境下的差異性分析

植物葉片的高光譜特征反映了植物本身的生理信息，與其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)、生化成分以及形態(tài)學(xué)特征有關(guān)，因此作物受到脅迫后，其光譜特性也會(huì)隨之發(fā)生變化。圖3是光溫脅迫下葉片高光譜的特征變化，可以看出，光譜的變化特征基本一致，在波段520～600 nm的可見(jiàn)光550 nm處，出現(xiàn)反射峰即“綠峰”，在波段630～690 nm的可見(jiàn)光680 nm處，出現(xiàn)反射谷即“紅谷”，進(jìn)入波段700～900 nm近紅外光區(qū)，光譜反射率快速升高，最后形成穩(wěn)定的反射平臺(tái)。

圖3 不同光溫環(huán)境下葉片的高光譜特征

但隨著光溫環(huán)境的不同，光譜特性也存在差異。在520～600 nm綠光區(qū)內(nèi)，光溫處理組8有較高的反射率，這是因?yàn)?00～700 nm波段內(nèi)玉米葉片的反射率與其葉綠素含量緊密相關(guān)，光溫脅迫會(huì)使葉綠體膜破損，改變了基粒原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致葉綠素合成受到影響，因此葉片的葉綠素含量較低，從而導(dǎo)致光譜反射率較高，在光溫耦合環(huán)境下高光譜對(duì)光強(qiáng)的變化響應(yīng)敏感；在700～900 nm范圍內(nèi)，光溫處理組6有較高的反射率，此時(shí)高光譜對(duì)溫度的變化響應(yīng)敏感，這是因?yàn)?60～900 nm波段內(nèi)玉米葉片的反射率主要受玉米內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，高溫會(huì)使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，導(dǎo)致對(duì)光的吸收減少，從而反射率增加。綜合比較分析表明：波段500～700 nm內(nèi)光譜反射率隨光強(qiáng)的增加而增高；波段760～900 nm內(nèi)光譜反射率隨溫度的增加而增高；760～900 nm波段內(nèi)光譜的反射率特征表現(xiàn)為，對(duì)照環(huán)境下光譜的反射率值高于弱光脅迫處理，低于高溫脅迫處理。

2.3 玉米葉片SPAD、Fv/Fm反演模型的建立

2.3.1 敏感波段的提取

將葉片的SPAD和Fv/Fm分別與對(duì)應(yīng)的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖4和圖5所示，結(jié)果表明：高光譜數(shù)據(jù)與葉片的SPAD呈負(fù)相關(guān)，與葉片的Fv/Fm呈正相關(guān)。在全波段中，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.40(p<0.05)的波長(zhǎng)范圍集中在519～583 nm波段和703～730 nm波段(SPAD)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.60(p<0.05)的波長(zhǎng)范圍集中在729～978 nm波段(Fv/Fm)，因此選取波段519～583，703～730和729～978 nm作為模型建立的敏感波段。

圖4 玉米葉片高光譜與SPAD的相關(guān)性

圖5 玉米葉片高光譜與Fv/Fm的相關(guān)性

2.3.2 反演模型的建立

實(shí)驗(yàn)共采集玉米葉片樣本181個(gè)，剔除21個(gè)異常樣本后按1：3合理劃分，分別為訓(xùn)練集樣本120個(gè)，驗(yàn)證集樣本40個(gè)。以光譜敏感波段作為模型輸入量，采用多元散射校正(MSC)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換(SNV)、Savitzky-Golaay(S-G)平滑相結(jié)合的預(yù)處理方法，分別與偏最小二乘回歸法(PLS)、主成分回歸法(PCR)和逐步多元線性回歸法(SMLR)三種建模方法組合[16-17]，建立葉片SPAD和Fv/Fm的高光譜反演模型，同時(shí)在反演模型的訓(xùn)練集和驗(yàn)證集樣本中，對(duì)其實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)程度進(jìn)行分析，如圖6和圖7所示。結(jié)果表明：無(wú)論是訓(xùn)練集還是驗(yàn)證集，均是建模方法PLS-MSC-SG的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值相關(guān)性較高，基于PCR方法下的兩種建模組合，其模型的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值相關(guān)性較差。

圖6 SPAD反演模型實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)性

圖7 Fv/Fm反演模型實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)性

2.3.3 建模方法比較與結(jié)果分析

以模型訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的相關(guān)系數(shù)Rc和Rp，均方根誤差RMSEC和RMSEP，作為模型效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)系數(shù)越大，均方根誤差越小，說(shuō)明模型效果越好。對(duì)比分析利用不同種模型反演的玉米葉片生理參數(shù)的估算精度，以確定最優(yōu)建模方法。結(jié)果表明(表2)：在SPAD的反演模型中，PLS模型驗(yàn)證集相關(guān)系數(shù)最高可達(dá)0.95以上，SMLR模型驗(yàn)證集相關(guān)系數(shù)最高可達(dá)0.91以上，PCR模型驗(yàn)證集相關(guān)系數(shù)最高可達(dá)0.88以上。在Fv/Fm的反演模型中，六種建模方法均具有較好預(yù)測(cè)能力，訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的相關(guān)系數(shù)R均在0.93以上，均方根誤差均接近0.01。經(jīng)綜合對(duì)比分析，利用PLS-MSC-SG方法所構(gòu)建的葉片SPAD和Fv/Fm反演模型效果最優(yōu)，模型的預(yù)測(cè)性與穩(wěn)健性表現(xiàn)較好，其驗(yàn)證集的相關(guān)系數(shù)Rp分別為0.958和0.976，均方根誤差分別為0.731和0.017。

表2 不同建模方法的建模效果比較

可以看出，PLS模型的反演精度優(yōu)于SMLR優(yōu)于PCR，原因在于PLS是多元線性回歸、典型相關(guān)分析和主成分分析的集成和發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新整合和篩選，提取了對(duì)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)解釋性最強(qiáng)的綜合變量，減少了建模過(guò)程中嚴(yán)重相關(guān)性的問(wèn)題，因此PLS模型的預(yù)測(cè)效果最優(yōu)。

3 結(jié) 論

利用光譜分析技術(shù)為手段，將玉米的光譜數(shù)據(jù)與生理參數(shù)相結(jié)合，探究不同光溫環(huán)境下玉米苗期葉片生理參數(shù)和光譜特性的響應(yīng)規(guī)律，同時(shí)構(gòu)建了SPAD和Fv/Fm快速無(wú)損檢測(cè)模型。結(jié)果表明：

(1)不同光溫環(huán)境下玉米葉片的光譜特性存在差異，在波段500～700 nm內(nèi)，光譜反射率隨光強(qiáng)的增強(qiáng)而升高，在波段760～900 nm內(nèi)，光譜反射率隨溫度的增強(qiáng)而升高。

(2)可通過(guò)玉米高光譜特性的變化表征光溫脅迫環(huán)境的變化，在760～900 nm波段內(nèi)，較高反射率的光譜曲線表征處于高溫脅迫環(huán)境，較低反射率的光譜曲線表征處于弱光脅迫環(huán)境，低溫環(huán)境具有最低的光譜反射率。

(3)光溫環(huán)境脅迫下，玉米苗期葉片生理參數(shù)的最優(yōu)建模方法為PLS-MSC-SG，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)玉米苗期葉片SPAD和Fv/Fm的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，為作物脅迫狀態(tài)的生理信息監(jiān)測(cè)提供參考依據(jù)。

基于玉米苗期進(jìn)行了光溫脅迫下的高光譜響應(yīng)分析，但研究時(shí)期與作物品種具有局限性，且光譜技術(shù)對(duì)于脅迫監(jiān)測(cè)的專屬性還不夠成熟，后續(xù)應(yīng)充分考慮玉米種植地區(qū)品種差異的問(wèn)題，增多玉米品種，延長(zhǎng)生育期，進(jìn)一步研究光譜特征參數(shù)的選擇與建模方法，尋求更具專一性與特定性的檢測(cè)特征，提高反演模型精度。