葉綠素是植物光合作用中捕獲和傳遞能量最重要的色素，能夠反映植物光合速率的強弱?氮利用效率?生理脅迫狀況和生長發(fā)育等。植物葉綠素含量測定通常采用傳統(tǒng)的化學方法，雖然測定結(jié)果穩(wěn)定可靠，但提取速度較慢，操作步驟繁瑣，并且易損傷植株，影響生長。高光譜數(shù)據(jù)具有波段多?光譜分辨率高，波段間連續(xù)性和相關性強?相關系數(shù)大等特點，能獲取高精細的光譜信息。利用高光譜技術(shù)快速監(jiān)測葉綠素含量，對評估作物光合作用強弱?生長發(fā)育狀況和動態(tài)特征具有重要意義。

01數(shù)據(jù)處理與分析

1.1光譜數(shù)據(jù)采集

采用地物光譜儀，其測試波段為350-2500nm。每品種采集具有代表性?無病蟲危害的植株，每株重復測量3次，取測量值的平均值為該株的冠層光譜反射率測量值。測量時，傳感器的探頭是垂直向下，視場角為25°，距冠層頂?shù)拇怪备叨燃s為1m。

1.2 SPAD值測定

采用葉綠素儀，在水稻苗期和抽穗期各選取10株，分別選取倒二葉和劍葉測定葉片SPAD值，每片葉測量葉基?葉中?葉尖等三個部位，每個部位重復測定3次，測量時避開葉脈，各時期取平均值作為葉片SPAD值。SPAD值測定與冠層光譜測定同步進行。

1.3 S數(shù)據(jù)分析

采用葉綠對水稻冠層光譜反射率與葉綠素含量進行相關分析，選擇與葉綠素含量具有顯著性相關的光譜參數(shù)，且通過分析回歸方程的方法，確定水稻最佳的光譜參數(shù)，建立監(jiān)測模型。

(1)一階微分光譜對冠層反射光譜數(shù)據(jù)進行一階微分處理，公式如下:

（2）不同葉色下水稻葉綠素含量(SAPD值)的比較

從圖1可知，分別在苗期和抽穗期對黃1S和P88S進行葉綠素含量的SAPD值測定，結(jié)果表明:黃1S苗期和抽穗期的葉綠素含量比P88S分別降低60.33%和28.24%，均達極顯著水平，表明黃1S葉綠素含量的降低是造成與P88S葉色差異的主要原因。從不同生育時期比較發(fā)現(xiàn)，黃1S抽穗期比苗期的葉綠素含量增加59.94%，而P88S抽穗期比苗期的葉綠素含量增加27.53%，這可能與抽穗期營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移有關。

圖1不同葉色的水稻葉片葉綠素相對含量(SAPD值)

02水稻冠層

2.1水稻冠層反射光譜特性

由圖2可知，品種間苗期和抽穗期的冠層反射率變化曲線基本一致，且反射曲線具有明顯的變化規(guī)律。在350-650nm范圍內(nèi)，反射率平穩(wěn)上升，達到一個峰值后隨即下降，數(shù)值相對于其它波段較低，該波段吸收的紫外光和藍紫光較多，則反射和透射較少，但葉綠素出現(xiàn)綠色強反射，產(chǎn)生峰值，是由“藍邊”和“黃邊”組成;而750950nm范圍是“紅邊”區(qū)域，反射率隨波長增加而迅速上升，曲線較陡相當于直線，反射率在800nm處達到頂峰值，出現(xiàn)急劇下降，可能是受葉肉組織細胞結(jié)構(gòu)多次反射和植株冠層結(jié)構(gòu)控制，因此該波段相對較高。苗期由于葉色差異較大，則兩者的冠層反射率相差甚遠;抽穗期隨著葉片物質(zhì)的積累，葉色變化差異逐漸減小，所以冠層反射率基本相符。

圖2不同葉色下水稻苗期冠層光譜反射率

2.2水稻冠層導數(shù)光譜特征分析

水稻冠層反射光譜受到葉片內(nèi)部細胞結(jié)構(gòu)?土壤背景?調(diào)落物和氣象條件等因素的影響，通過微分處理，可得到導數(shù)光譜，消除或減少土壤等背景信號，有利于更好地反映內(nèi)在特性。從圖3可看出，在650-750nm之間有個小波峰，此波段范圍內(nèi)屬于“紅邊”，說明水稻內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)細胞發(fā)生明顯的變化。

圖3水稻抽穗期冠層一階微分光譜

03水稻葉綠素含量與冠層光譜反射率的相關分析

由圖4可知，P88S和黃1S的葉綠素含量與冠層光譜反射率的相關系數(shù)基本走勢一致，相關系數(shù)都呈先降低后增加的趨勢，呈正相關關系。在740-1425nm范圍內(nèi)兩個品種的相關系數(shù)相差較大，兩者的相關系數(shù)都不顯著。在小于740nm的可見光波長范圍內(nèi)，P88S和黃1S的葉綠素含量與冠層光譜反射率呈極顯著性，相關系數(shù)大于0.6。在波長為1425-1750nm之間，P88S的葉綠素含量與冠層光譜反射率呈極顯著性，相關系數(shù)大于0.5，黃1S的葉綠素含量與冠層光譜反射率呈顯著性，相關系數(shù)在0.40.5之間。由此可知，P88S的敏感波長為363nm和675nm，黃1S的敏感波長為374nm和625nm，均為可見光波段，說明可見光波段屬于水稻葉綠素光譜反應的敏感波段。以P88S和黃1S敏感波段建立相關參數(shù)，得到冠層反射率的相關系數(shù)(表1)。

表1 水稻光譜參數(shù)與葉片葉綠素含量之間的相關性分析

圖4 水稻抽穗期冠層光譜與葉綠素的相關關系

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審核編輯 黃宇