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苹果叶片高光谱特性与叶绿素含量和SPAD 值的关系

来源: 本站  类别:技术文章  更新时间:2013-11-13 13:17:17  阅读

叶绿素浓度是植物营养胁迫、光合作用能力和生长状况的良好指示剂。通过遥感技术来探测叶绿素浓度在农业和自然植物群落研究方面都受到很大的关注。由于叶绿素与叶片氮含量间存在较好的相关,可表征植物的营养状况。由此可见,快速、准确地测量植物叶片的叶绿素含量在生态学、农学及林学等领域均具有重要的应用价值。传统上一般采用破坏性采样来测定叶绿素的含量,方法比较耗时,一般在野外条件下样本的保存及运输都存在困难。出于快速、无损、大面积测定植被色素及其他生化组份含量的目的,目前已有一些仪器和方法用于迅速测定植被叶片的叶绿素相对含量值。如SPAD502叶绿素仪便携式叶绿素仪但是,这些光谱反射率的测定范围比较宽,针对性不太强,导致光谱反射率估算叶绿素的误差还比较大。利用高光谱遥感的方法,揭示光谱反射率上特征光谱与叶绿素间的关系将有助于理解叶绿素光谱反射特征的规律,提高测定精度。所以在遥感领域广泛应用野外便携式光谱仪,利用其精细的光谱分辨率,依据叶片在某些特征波段处的光谱反射率与叶绿素含量间建立回归方程,以此作为预测的依据。随着遥感技术的发展和应用,植物生物物理和生物化学特征及参数提取的研究已经成为高光谱遥感技术最精华和核心的部分,但是这方面的研究大多都集中在水稻、玉米、小麦、棉花、大豆等粮食作物上,对于果树等高效益木本经济作物,特别是有关苹果光谱反射的研究甚少。因此,在苹果主产区开展大田高光谱农学参数估算研究,其结果对果树精准化管理具有十分重要的实际指导意义。为此,本试验在陕西渭北地区自然光照条件下,探求利用光谱分析技术检测苹果叶片叶绿素状况的可行性。
1  材料与方法
1. 1  田间试验设计
试验于2007 年4 月至2008 年11 月,主要在陕西省宝鸡市苹果专家大院凤翔试验园内进行,果园地理位置是107°23. 969′E、34°33. 273′N ,海拔高度为829 m。定期测定供试苹果树叶片为10 a 生的礼富一号和嘎拉2 个品种,基砧为新疆野苹果( Malussieversii) ,中间矮化砧为M26 ,树形为高纺锤形,株行距为2. 0 m ×3. 5 m ,栽植密度1 425 株·hm- 2 。土壤质地为砂壤,有机质15. 85 g ·kg- 1 ,碱解氮46123mg ·kg- 1 ,速效磷5. 79 mg ·kg- 1 ,速效钾143. 67 mg·kg- 1 。选择树势均匀一致的植株,单株小区,设4个重复,随机排列,田间管理与常规管理一致。对不同绿色程度的富士和嘎拉叶片,主要从在本果园进行的6 个不同灌溉施氮量处理树[4 ] 和凤翔县30 个不同叶片绿色程度果园的苹果树中采集。
1. 2  测定方法
1. 2. 1  苹果叶片光谱反射率 分别于5 月中旬、7 月中下旬、9 月中旬,采用美国ASD(Analytical SpectralDevice) 公司生产的Field2Spec Pro 便携式光谱仪,波段范围为325~1 100 nm ,光谱采样间隔为1. 5 nm ,光谱分辨率为3. 5 nm。光谱的测定选择在天气晴朗、无云无风或风速很小时进行,测量时间为10 :00~14 :00。测量时传感器探头垂直向下,离叶片的距离视叶片大小而定,保证探头的视野范围落在叶片上。选择树冠外围四周50 个叶片进行测量,每个叶片测量5 次,取其平均值作为该叶片的光谱反射值。测量过程中,及时对观测前后的每组目标进行标准白板校正(标准白板的反射率为1) ,这样所测得的目标物光谱是无量纲的相对反射率。为了检测在该试验条件下,土壤背景信息是否会对苹果叶片的光谱特征造成影响,在具体测试过程中,对不同背景条件下(黑布、白纸、土壤) 苹果叶片的光谱特性进行了测量和分析。苹果叶片的反射率在不同的背景条件下只是简单的平移, 而这些通过光谱预处理技术便可消除。可以认为在该测试条件下,背景信息对苹果叶片的光谱特性没有任何影响。
1. 2. 2  苹果叶片SPAD 值和叶绿素含量 叶片SPAD 值的测量与光谱测定同步,测量仪器采用日本美能达公司生产的SPAD2502 叶绿素计。为了减少测量误差,每片叶子至少测量10 个点(测定时避开叶脉) ,然后取其平均值作为该叶片的SPAD 值。另外根据所采样本叶片面积的不同,适当增加了某些叶子的SPAD 采集点。测定过SPAD 值的叶片采回,用丙酮2乙醇法测定叶绿素a 和叶绿素b 含量,二者之和为叶绿素总含量。
2  结果与分析
2. 1  不同生育时期不同品种苹果叶片SPAD 值的变化特征
  从图1 可知,不同品种苹果叶片SPAD 值的变化趋势基本一致。5 月中旬开始逐渐增加,7 月中旬达最高峰。到9 月中旬,礼富一号叶片的SPAD 值变化不大,而嘎拉苹果随着叶龄的增加、叶面积停止扩大、果实接近采收,合成生理活性物质能力下降,导致叶片氮素开始向贮藏器官转移,叶片中的叶绿素含量降低,从而影响到叶片的颜色,导致SPAD值的下降。在苹果的生育期中礼富一号的SPAD值均高于嘎啦,说明礼富一号在品种特性上叶片叶色较深,叶绿素含量较高。因此,当不同品种的叶片叶色差异较大时,应制定针对不同品种的SPAD 值标准来诊断苹果的氮素状况。
2. 2  苹果叶片SPAD 值与叶绿素含量的关系从不同品种苹果叶片SPAD 值与叶绿素含量(叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量) 的关系看,苹果叶片SPAD 值与其叶绿素含量间均存在正相关关系,随着SPAD 值的增加叶绿素含量也呈增加趋势。说明苹果叶片的SPAD 值基本能反映出叶绿素含量的水平,可根据SPAD 值判定叶绿素含量的高低。但不同品种相关系数存在差别。嘎啦苹果叶片的SPAD 值与叶绿素总量之间存在极显著线性正相关关系,其SPAD 值与叶绿素a、叶绿素b 和叶绿素总量之间的相关系数分别达到0. 512、0. 376 和0. 845 ;礼富一号苹果叶片的SPAD 值与叶绿素含量相关系数相对较小,SPAD 值与叶绿素总量之间呈显著线性正相关关系,与叶绿素a、叶绿素b 和叶绿素总量之间的相关系数只有0. 476、0. 216 和0. 758 ,其中与叶绿素总量之间存在显著线性正相关关系。吴良欢认为,高SPAD 值区(SPAD > 40) SPAD 值与叶绿素含量的相关性有所下降。2 品种叶绿素总量与SPAD 的相关性最好,叶绿素a 与SPAD 值的相关性优于叶绿素b。在苹果叶片中叶绿素a 的含量远高于叶绿素b 的含量。由于SPAD 的测定原理是以660 nm 左右固定波长测定叶绿素的含量,而叶绿素a 的吸收峰在663 nm处,与之比较接近;而叶绿素b 的吸收峰在645 nm ,与660 nm 相差较远,因此叶绿素b 与SPAD 值的相关性要差一些。
2. 3  苹果叶片的光谱特性
苹果叶片是制造光合产物的重要源,它的光谱反射曲线能形象地反映叶片的生长状况。研究表明,不同品种类型的苹果叶片反射光谱波形是相似的,主要区别在反射率的大小上(图2) ,嘎啦苹果叶片的光谱反射率明显高于礼富苹果叶片。从5 月中旬到7 月中旬,随着苹果叶片的生长发育,其光谱反射率升高,到9 月中旬,由于苹果处于果实生长期,很多物质及能量主要用于果实成熟,从而减少了叶绿素的合成,光谱反射率下降。叶片在可见光区(400~700 nm) 的反射率主要是由叶绿素等色素的吸收引起的,其中400~500 nm、630~680 nm 和700~765 nm 为叶绿素吸收带。不同生育阶段不同品种的苹果叶片反射波谱曲线的变化趋势表现出相同的规律性:在400~500 nm 与600~700 nm 之间,蓝、红光波段的光辐射被叶片中的叶绿素全部吸收进行光合作用而形成2 个低反射区,具有较低的反射比,一般低于20 %;从500 nm 起叶片的吸收减少,绿波段(550 nm 左右) 具有明显的反射率峰,这是植物叶片呈绿色的原因;在此峰的左侧是蓝紫波段吸收峰(402 nm) ,右侧向长波方向移动,先经历了1 个红波段吸收谷(670 nm) 后,反射率迅速增加,至670 ~ 760 nm 之后, 在近红外波段( > 780nm) 形成1 个较高的反射平台,这里反射率从叶绿素的红色波段吸收区的低点变化到近红外由于叶片散射而反射率比较高的过渡地区即“红边区”。
2. 4  苹果叶片光谱反射率与SPAD 值及叶绿素含量的相关性分析
  为了能够定量分析苹果叶片的SPAD 值与其光谱反射率之间的关系,考虑到一阶微分光谱可以消除或减弱在测量过程中由于土壤背景和测量高度等对光谱特性的影响,同时又能从重叠混合光谱中提取大量有用信息,在定量分析时对一阶微分光谱进行了分析。
该光谱仪采集的是离散型的数据, 可以通过公式(1) 近似计算一阶微分光谱数据:
式中R′为反射率光谱的一阶导数光谱, R 为反射率,λ为波长, i 为光谱通道。
由于随机噪音一般都是高频信号,如果对原光谱直接进行微分,则可会进一步放大噪声使得谱
图的信噪比变大。因此,在微分光谱前先对原光谱进行间隔为3 的平滑处理。通过近红外光谱对样品组分含量进行定量分析是近红外光谱分析的一个重要应用。多元线性回归分析法因其操作简单方便,在处理一些不太复杂的体系中应用较多。但多元线性回归的变量数不能超过校正集的样本数。
为了解决这一问题,在具体处理过程中将采集的叶片光谱的微分光谱数据以间隔20 nm 求1 次平均,这样可以得到22 个光谱波段,然后采用SPSS 软件中的相关分析,对苹果叶片的一阶微分光谱数据与SPAD 值和叶绿素含量进行分析(图3 、图4) 。礼富苹果叶片的微分光谱数据与SPAD 值和叶绿素含量的相关性类似于嘎拉苹果叶片,以嘎拉苹果为例,苹果叶片一阶微分光谱数据与SPAD 值的相关性高于与叶绿素含量的相关性。相关性达到1 %极显著的波段范围在可见光波段653~694 nm ,最大相关系数( RSPAD = 0. 87 和R叶绿素= 0. 81 ) ,敏感波段均发生在694 nm 处。因此,694 nm 可以作为测定苹果生育期SPAD 值和叶绿素含量的光谱特征波段, 是遥感监测叶绿素变化差异的敏感波段。
2. 5  一阶微分光谱值与苹果叶片SPAD 值和叶绿素含量的回归模型
  选取光谱反射率上653~694 nm 波长范围内的平均一阶微分光谱值分别与SPAD 值和叶绿素总量进行线性回归分析。苹果叶片的一阶微分光谱数据与SPAD 值和叶绿素总量间的确定系数分别达到0. 781 8 和0. 589 9 ,苹果叶片一阶微分光谱数据与SPAD 值的确定系数高于与叶绿素含量的确定系数均显著相关( P < 0. 01) ,可以反映光谱特征与SPAD 值和叶绿素含量的关系。
3  结论与讨论
不同品种苹果叶片的SPAD 值存在差异;苹果叶片SPAD 值与其叶绿素含量间均存在正相关关系,随着SPAD 值的增加叶绿素含量也呈增加趋势,不同品种相关系数存在差别。叶绿素总量与SPAD 的相关性最好,叶绿素a 与SPAD 值的相关性优于叶绿素b ;不同生育阶段不同品种的苹果叶片反射波谱曲线的变化趋势表现出相同的规律性。苹果叶片光谱反射率的大小存在品种差异;可见光波段653~694 nm 之间一阶微分光谱与SPAD 值之间的相关系数绝对值最大,呈极显著关系。694nm 是遥感监测叶绿素变化差异的敏感波段;基于敏感波段的微分数值,建立了一阶微分光谱值与苹果叶片SPAD 值和叶绿素含量的回归模型,确定系数分别达到0. 781 8 和0. 589 9 ,且苹果叶片一阶微分光谱数据与SPAD 值的确定系数高于与叶绿素含量的确定系数,可以评价苹果叶片的叶绿素生长状况。总体而言,本试验对苹果叶片光谱特征的初步研究,得到了较好的结果,体现了一定的规律性,为进一步利用高光谱遥感数据研究苹果的营养状况提供了依据和数据,对农业生产有重要的实践意义,尤其在精准农业的研究和实践方面有重要的参考价值。

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