齊 靜, 程登發(fā)**, 喬紅波, 張云慧,陳 林, 孫京瑞, 洪 波

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所,植物病蟲害生物學國家重點實驗室,北京 100193;2.河南農(nóng)業(yè)大學信息與管理科學學院,鄭州 450002; 3.西北農(nóng)林科技大學信息工程學院,楊凌 712100)

馬鈴薯甲蟲[Leptinotarsa decemlineata(Say)]是一種檢疫害蟲,為害馬鈴薯和其他茄屬植物。1857年,當馬鈴薯甲蟲在內(nèi)布拉斯加州的奧馬哈西部猖獗地破壞馬鈴薯作物時,人們意識到這種甲蟲對馬鈴薯的毀滅性威力。馬鈴薯甲蟲以每年185 km的速度擴散,到1999年,主要分布在美國、加拿大南部、墨西哥、危地馬拉北部、歐亞大陸大部分地區(qū)[1]。我國1993年在新疆伊犁等地區(qū)發(fā)現(xiàn)馬鈴薯甲蟲,目前擴散范圍正在加大,對我國馬鈴薯等茄屬作物的生產(chǎn)構成了嚴重威脅。由于馬鈴薯甲蟲擴散速度快,對作物危害嚴重,使人擔憂未來幾年它有可能擴散到我國其他地區(qū)[2]。近些年,國內(nèi)外專家學者大多在馬鈴薯甲蟲生物學、寄主、防治、適生性等方面進行研究[1,3-5],但對馬鈴薯甲蟲的監(jiān)測預報研究甚少。由于與健康植被光譜曲線相比,受到危害的寄主植物在相應的波譜范圍顯示不同的光譜特征,通過對這些波譜特征的分析就能夠了解病蟲害的危害情況[6],這種方法已應用于植物病蟲害監(jiān)測領域[7-9]。本研究是用ASD野外便攜式光譜儀對受害馬鈴薯作物的光譜進行地面測量,為以后利用高空遙感監(jiān)測奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 田間試驗設計和危害程度調(diào)查

試驗于2008年8初至9月上旬在新疆農(nóng)科院植保所糧農(nóng)廠基地天敵繁育中心進行(87°28′E,43°56′N)。試驗地土質(zhì)為白板土,設有保護行 ,水分和施肥等耕作條件一致,樣區(qū)長7 m,寬8 m;每小區(qū)有3個重復;種植的馬鈴薯除被馬鈴薯甲蟲破壞外,未發(fā)現(xiàn)有其他馬鈴薯病害發(fā)生,馬鈴薯品種為晚熟紫花白。

馬鈴薯受害程度分級采用新疆農(nóng)業(yè)科學院標準:0級為葉片無受害或有少數(shù)缺刻;1級為馬鈴薯被食葉片1%～25%;2級為馬鈴薯被食葉片26%～75%;3級為馬鈴薯被食葉片76%～100%;4級為葉片全部被食盡或全部枯死[10]。

1.2 研究方法

于晴朗無風少云天氣,在12:00～16:00之間測量馬鈴薯冠層反射光譜,測定時探頭距離冠層約1.3 m的位置,視場內(nèi)盡量避免陰影干擾,試驗前測量暗電流,過程中同步測量BaSO4漫反射參考板進行校正。5點取樣,每樣點重復測定20次,計算平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用光譜反射曲線分析軟件ViewSpec Pro 5.6、Excel、SAS9.13進行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯甲蟲危害程度與馬鈴薯冠層光譜反射曲線的關系

健康馬鈴薯的反射光譜曲線為:在可見光波段(380～760 nm)反射率較低,在 555 nm(綠波段)處有一個小的反射峰,兩側(cè)450 nm(藍波段)和670 nm(紅波段)則有兩個吸收帶。680～760 nm反射率急劇上升,有一個反射的“陡坡”。760～930 nm是“紅外高臺階”(圖1)。

受害馬鈴薯與健康馬鈴薯的光譜反射率相比,在750～975 nm波段,明顯下降。隨著受害程度加重,反射率明顯下降,下降程度基本一致。波長在720 nm處是這3種不同受害程度的馬鈴薯反射率變化最快的點,在近紅外波段,反射率的最大值在915 nm處,1級為52.27%,2級為43.95%,3級為38.57%;近紅外波段,反射率的最小值在973 nm處,1級為46.37%,2級為39.32%,3級為33.43%(圖1)。

圖1 不同受害程度的馬鈴薯冠層光譜曲線

從表1看出,馬鈴薯冠層光譜反射率在555 nm波段2級受害比1級受害下降0.019,3級受害比2級受害略有增加,增加了0.008 6。在680 nm波段,2級受害比1級受害下降了0.012 4,3級受害與2級受害相比基本沒有變化。在760 nm波段,2級受害較1級受害下降了0.046 1,3級受害較2級受害下降了0.051 9。將不同危害級別的各組數(shù)據(jù)做多重比較(p=0.01),在555 nm和760 nm波段處3種危害級別之間存在極顯著差異;在680 nm處,2級與3級不存在極顯著差異,而1級與2、3級存在極顯著差異。

2.2 受害馬鈴薯冠層光譜反射率的一階導數(shù)光譜曲線比較

由圖2得健康馬鈴薯光譜反射率一階導數(shù)值的范圍在-0.005～0.02。利用光譜微分技術去除噪聲后,紅邊斜率為0.02。紅邊位置在715.6 nm處。在紅邊左側(cè)525 nm處有一個小的峰值,為0.005。在紅邊左右兩側(cè)570.3 nm和953.2 nm處分別出現(xiàn)一階導數(shù)“低谷”值,為-0.003 9和-0.003。不同受害程度的馬鈴薯冠層葉片反射率的一階導數(shù)在可見光波段(700～720 nm)發(fā)生劇烈變化,隨著受害程度加重其一階導數(shù)最大值(即紅邊斜率)下降,1級時紅邊位置在715.6 nm,紅邊斜率為0.013 3;2級的紅邊位置在717.1 nm,紅邊斜率為0.012 8;3級的紅邊位置在721.9 nm,紅邊斜率為0.010 7,隨著受害程度加重其紅邊斜率下降,而紅邊位置雖略微右移,但移動不明顯。此外,在紅邊左右兩側(cè),三者均有“低谷”,“低谷”位置基本一致,分別是波長在570.3 nm處的-0.002 5和953.2 nm處的-0.003 2。在紅邊左側(cè)仍然有一個小的峰值,是在524.6 nm波長處的0.004 0(圖2)。

表1 不同受害程度馬鈴薯冠層光譜反射率、一階導數(shù)最大值的平均值及標準差1)

圖2 不同受害程度馬鈴薯冠層光譜一階導數(shù)

利用光譜微分技術求取馬鈴薯冠層光譜的一階導數(shù)最大值平均數(shù)(表1)表明,隨著受害程度加重,一階導數(shù)最大值的平均數(shù)有所降低。2級受害比1級受害數(shù)值下降0.056,3級比2級下降了0.016 5。1級受害與2級和3級受害間存在極顯著差異,而2級與3級之間沒有極顯著差異。

2.3 受害馬鈴薯冠層光譜敏感波段的選擇

從圖1可以看出在一定波段范圍內(nèi),隨著馬鈴薯甲蟲危害程度的加重,馬鈴薯冠層光譜反射率有明顯的變化。將馬鈴薯甲蟲的危害程度與冠層光譜反射率進行相關分析,得到在325～577 nm和920～1 050 nm光譜范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信噪比較低,因此本研究選取在577～920 nm光譜范圍內(nèi),得到不同危害程度與光譜反射率的相關性(如圖3)。發(fā)現(xiàn)在736～920 nm波段范圍內(nèi),危害程度和反射率有很高的相關性(p＜0.000 1),可選取作為敏感波段。

圖3 不同危害程度與光譜反射率的相關性

3 結(jié)論與討論

影響植物光譜測量的因素很多,其中植被冠層形狀及其內(nèi)部結(jié)構、測量點周圍的環(huán)境有無干擾是最主要的因素。由于研究區(qū)耕作、灌溉方式相同,未發(fā)現(xiàn)有其他馬鈴薯病害發(fā)生,未破壞馬鈴薯冠層形狀,因此馬鈴薯甲蟲危害成為唯一影響馬鈴薯光譜曲線的限制因素。測量時選擇晴朗無風無云的天氣,測量人員穿深色服裝,周圍人避免走動,測量后避免踩踏植被,以保證下次測量數(shù)據(jù)的準確性。

本研究利用ASD野外便攜式光譜儀對新疆地區(qū)馬鈴薯進行檢測,發(fā)現(xiàn)健康馬鈴薯在555 nm有反射峰,450 nm和670 nm有兩個吸收帶,這是由于葉綠素對綠波段反射強,對藍波段和紅波段吸收強的緣故。760～930 nm是“紅外高臺階”,主要原因是葉內(nèi)細胞結(jié)構和葉冠結(jié)構使得光在葉內(nèi)散射,光譜反射率非常高。此外,健康與受害馬鈴薯光譜曲線存在明顯的差異,不同受害程度的馬鈴薯冠層光譜變化也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律:當植物受到病蟲害侵染時,紅光波段和近紅外波段的光譜反射率變化明顯;隨著危害程度加重,馬鈴薯冠層光譜反射率在不同波段有所下降,尤其是在750～975 nm之間隨危害程度的加重,光譜反射率明顯下降,這可能是由于馬鈴薯甲蟲的危害,破壞了馬鈴薯葉片細胞的結(jié)構、活性、含水量、葉綠素含量等造成的[11]。另外,將馬鈴薯甲蟲的危害程度與冠層光譜反射率進一步做相關分析,得出在736～920 nm波段范圍內(nèi),危害程度與馬鈴薯冠層光譜反射率有顯著的相關關系,可作為敏感波段來優(yōu)先選取。這樣在確定和比較馬鈴薯甲蟲危害程度時,就可以從325～1 050 nm波段中直接提取出敏感波段736～920 nm進行監(jiān)測,從而大大提高了利用高光譜監(jiān)測馬鈴薯甲蟲危害情況的效率。

紅邊是綠色植物在680～740 nm之間反射率增高最快的點[12],也是一階導數(shù)光譜在該區(qū)間內(nèi)的拐點。研究證實,紅邊位置與葉綠素a和b濃度、植物葉細胞結(jié)構變化有關,也與植物冠層結(jié)構密切相關,它是鑒定脅迫和衰老狀況的重要參數(shù)。而紅邊斜率主要與植被覆蓋度或葉面積指數(shù)有關,覆蓋度越高,葉綠素含量越高,紅邊斜率越大[13-14]。為消除部分線性或接近線性的背景、噪聲對目標光譜的影響,本研究通過光譜微分技術,對不同受害程度的馬鈴薯冠層光譜分別求一階導數(shù),得到紅邊斜率的結(jié)論與前人研究結(jié)果基本一致[8-9]。同時發(fā)現(xiàn)受害程度不同的馬鈴薯冠層葉片反射率其一階導數(shù)在可見光波段(700～720 nm)發(fā)生劇烈變化,而隨著受害程度加重其紅邊位移雖略有變化,但變化不明顯,而紅邊斜率下降。這可能是由于馬鈴薯甲蟲聚集在馬鈴薯葉片上大量取食,對葉綠素a和b濃度、植物葉細胞結(jié)構影響不大,從而使得紅邊位移變化不明顯。紅邊斜率下降的原因可能是隨著受害程度加重,馬鈴薯的葉面積指數(shù)與覆蓋度均降低,從而葉綠素含量降低,紅邊斜率下降。

本研究所得結(jié)論可以為利用光譜儀監(jiān)測馬鈴薯受害光譜提供數(shù)據(jù)參考,并為下一步航空和航天遙感奠定基礎。對種植在不同環(huán)境的馬鈴薯,以及其他病蟲害危害后的馬鈴薯光譜特征的分析還有待進一步研究。

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