齐 静, 程登发**, 乔红波, 张云慧,陈 林, 孙京瑞, 洪 波

(1.中国农业科学院植物保护研究所,植物病虫害生物学国家重点实验室,北京 100193;2.河南农业大学信息与管理科学学院,郑州 450002; 3.西北农林科技大学信息工程学院,杨凌 712100)

马铃薯甲虫[Leptinotarsa decemlineata(Say)]是一种检疫害虫,为害马铃薯和其他茄属植物。1857年,当马铃薯甲虫在内布拉斯加州的奥马哈西部猖獗地破坏马铃薯作物时,人们意识到这种甲虫对马铃薯的毁灭性威力。马铃薯甲虫以每年185 km的速度扩散,到1999年,主要分布在美国、加拿大南部、墨西哥、危地马拉北部、欧亚大陆大部分地区[1]。我国1993年在新疆伊犁等地区发现马铃薯甲虫,目前扩散范围正在加大,对我国马铃薯等茄属作物的生产构成了严重威胁。由于马铃薯甲虫扩散速度快,对作物危害严重,使人担忧未来几年它有可能扩散到我国其他地区[2]。近些年,国内外专家学者大多在马铃薯甲虫生物学、寄主、防治、适生性等方面进行研究[1,3-5],但对马铃薯甲虫的监测预报研究甚少。由于与健康植被光谱曲线相比,受到危害的寄主植物在相应的波谱范围显示不同的光谱特征,通过对这些波谱特征的分析就能够了解病虫害的危害情况[6],这种方法已应用于植物病虫害监测领域[7-9]。本研究是用ASD野外便携式光谱仪对受害马铃薯作物的光谱进行地面测量,为以后利用高空遥感监测奠定基础。

1 材料和方法

1.1 田间试验设计和危害程度调查

试验于2008年8初至9月上旬在新疆农科院植保所粮农厂基地天敌繁育中心进行(87°28′E,43°56′N)。试验地土质为白板土,设有保护行 ,水分和施肥等耕作条件一致,样区长7 m,宽8 m;每小区有3个重复;种植的马铃薯除被马铃薯甲虫破坏外,未发现有其他马铃薯病害发生,马铃薯品种为晚熟紫花白。

马铃薯受害程度分级采用新疆农业科学院标准:0级为叶片无受害或有少数缺刻;1级为马铃薯被食叶片1%～25%;2级为马铃薯被食叶片26%～75%;3级为马铃薯被食叶片76%～100%;4级为叶片全部被食尽或全部枯死[10]。

1.2 研究方法

于晴朗无风少云天气,在12:00～16:00之间测量马铃薯冠层反射光谱,测定时探头距离冠层约1.3 m的位置,视场内尽量避免阴影干扰,试验前测量暗电流,过程中同步测量BaSO4漫反射参考板进行校正。5点取样,每样点重复测定20次,计算平均值。

1.3 数据处理

利用光谱反射曲线分析软件ViewSpec Pro 5.6、Excel、SAS9.13进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 马铃薯甲虫危害程度与马铃薯冠层光谱反射曲线的关系

健康马铃薯的反射光谱曲线为:在可见光波段(380～760 nm)反射率较低,在 555 nm(绿波段)处有一个小的反射峰,两侧450 nm(蓝波段)和670 nm(红波段)则有两个吸收带。680～760 nm反射率急剧上升,有一个反射的“陡坡”。760～930 nm是“红外高台阶”(图1)。

受害马铃薯与健康马铃薯的光谱反射率相比,在750～975 nm波段,明显下降。随着受害程度加重,反射率明显下降,下降程度基本一致。波长在720 nm处是这3种不同受害程度的马铃薯反射率变化最快的点,在近红外波段,反射率的最大值在915 nm处,1级为52.27%,2级为43.95%,3级为38.57%;近红外波段,反射率的最小值在973 nm处,1级为46.37%,2级为39.32%,3级为33.43%(图1)。

图1 不同受害程度的马铃薯冠层光谱曲线

从表1看出,马铃薯冠层光谱反射率在555 nm波段2级受害比1级受害下降0.019,3级受害比2级受害略有增加,增加了0.008 6。在680 nm波段,2级受害比1级受害下降了0.012 4,3级受害与2级受害相比基本没有变化。在760 nm波段,2级受害较1级受害下降了0.046 1,3级受害较2级受害下降了0.051 9。将不同危害级别的各组数据做多重比较(p=0.01),在555 nm和760 nm波段处3种危害级别之间存在极显著差异;在680 nm处,2级与3级不存在极显著差异,而1级与2、3级存在极显著差异。

2.2 受害马铃薯冠层光谱反射率的一阶导数光谱曲线比较

由图2得健康马铃薯光谱反射率一阶导数值的范围在-0.005～0.02。利用光谱微分技术去除噪声后,红边斜率为0.02。红边位置在715.6 nm处。在红边左侧525 nm处有一个小的峰值,为0.005。在红边左右两侧570.3 nm和953.2 nm处分别出现一阶导数“低谷”值,为-0.003 9和-0.003。不同受害程度的马铃薯冠层叶片反射率的一阶导数在可见光波段(700～720 nm)发生剧烈变化,随着受害程度加重其一阶导数最大值(即红边斜率)下降,1级时红边位置在715.6 nm,红边斜率为0.013 3;2级的红边位置在717.1 nm,红边斜率为0.012 8;3级的红边位置在721.9 nm,红边斜率为0.010 7,随着受害程度加重其红边斜率下降,而红边位置虽略微右移,但移动不明显。此外,在红边左右两侧,三者均有“低谷”,“低谷”位置基本一致,分别是波长在570.3 nm处的-0.002 5和953.2 nm处的-0.003 2。在红边左侧仍然有一个小的峰值,是在524.6 nm波长处的0.004 0(图2)。

表1 不同受害程度马铃薯冠层光谱反射率、一阶导数最大值的平均值及标准差1)

图2 不同受害程度马铃薯冠层光谱一阶导数

利用光谱微分技术求取马铃薯冠层光谱的一阶导数最大值平均数(表1)表明,随着受害程度加重,一阶导数最大值的平均数有所降低。2级受害比1级受害数值下降0.056,3级比2级下降了0.016 5。1级受害与2级和3级受害间存在极显著差异,而2级与3级之间没有极显著差异。

2.3 受害马铃薯冠层光谱敏感波段的选择

从图1可以看出在一定波段范围内,随着马铃薯甲虫危害程度的加重,马铃薯冠层光谱反射率有明显的变化。将马铃薯甲虫的危害程度与冠层光谱反射率进行相关分析,得到在325～577 nm和920～1 050 nm光谱范围内的数据信噪比较低,因此本研究选取在577～920 nm光谱范围内,得到不同危害程度与光谱反射率的相关性(如图3)。发现在736～920 nm波段范围内,危害程度和反射率有很高的相关性(p＜0.000 1),可选取作为敏感波段。

图3 不同危害程度与光谱反射率的相关性

3 结论与讨论

影响植物光谱测量的因素很多,其中植被冠层形状及其内部结构、测量点周围的环境有无干扰是最主要的因素。由于研究区耕作、灌溉方式相同,未发现有其他马铃薯病害发生,未破坏马铃薯冠层形状,因此马铃薯甲虫危害成为唯一影响马铃薯光谱曲线的限制因素。测量时选择晴朗无风无云的天气,测量人员穿深色服装,周围人避免走动,测量后避免踩踏植被,以保证下次测量数据的准确性。

本研究利用ASD野外便携式光谱仪对新疆地区马铃薯进行检测,发现健康马铃薯在555 nm有反射峰,450 nm和670 nm有两个吸收带,这是由于叶绿素对绿波段反射强,对蓝波段和红波段吸收强的缘故。760～930 nm是“红外高台阶”,主要原因是叶内细胞结构和叶冠结构使得光在叶内散射,光谱反射率非常高。此外,健康与受害马铃薯光谱曲线存在明显的差异,不同受害程度的马铃薯冠层光谱变化也呈现出一定的规律:当植物受到病虫害侵染时,红光波段和近红外波段的光谱反射率变化明显;随着危害程度加重,马铃薯冠层光谱反射率在不同波段有所下降,尤其是在750～975 nm之间随危害程度的加重,光谱反射率明显下降,这可能是由于马铃薯甲虫的危害,破坏了马铃薯叶片细胞的结构、活性、含水量、叶绿素含量等造成的[11]。另外,将马铃薯甲虫的危害程度与冠层光谱反射率进一步做相关分析,得出在736～920 nm波段范围内,危害程度与马铃薯冠层光谱反射率有显著的相关关系,可作为敏感波段来优先选取。这样在确定和比较马铃薯甲虫危害程度时,就可以从325～1 050 nm波段中直接提取出敏感波段736～920 nm进行监测,从而大大提高了利用高光谱监测马铃薯甲虫危害情况的效率。

红边是绿色植物在680～740 nm之间反射率增高最快的点[12],也是一阶导数光谱在该区间内的拐点。研究证实,红边位置与叶绿素a和b浓度、植物叶细胞结构变化有关,也与植物冠层结构密切相关,它是鉴定胁迫和衰老状况的重要参数。而红边斜率主要与植被覆盖度或叶面积指数有关,覆盖度越高,叶绿素含量越高,红边斜率越大[13-14]。为消除部分线性或接近线性的背景、噪声对目标光谱的影响,本研究通过光谱微分技术,对不同受害程度的马铃薯冠层光谱分别求一阶导数,得到红边斜率的结论与前人研究结果基本一致[8-9]。同时发现受害程度不同的马铃薯冠层叶片反射率其一阶导数在可见光波段(700～720 nm)发生剧烈变化,而随着受害程度加重其红边位移虽略有变化,但变化不明显,而红边斜率下降。这可能是由于马铃薯甲虫聚集在马铃薯叶片上大量取食,对叶绿素a和b浓度、植物叶细胞结构影响不大,从而使得红边位移变化不明显。红边斜率下降的原因可能是随着受害程度加重,马铃薯的叶面积指数与覆盖度均降低,从而叶绿素含量降低,红边斜率下降。

本研究所得结论可以为利用光谱仪监测马铃薯受害光谱提供数据参考,并为下一步航空和航天遥感奠定基础。对种植在不同环境的马铃薯,以及其他病虫害危害后的马铃薯光谱特征的分析还有待进一步研究。

[1] 梁忆冰,林伟,王跃进,等.生态因子在马铃薯甲虫地理分布中的作用[J].植物检疫,1999,13(5):3-8.

[2] 钱天荣,曲能治,陈宏,等.马铃薯甲虫在我国及周边地区适生地的初步预测[J].植物检疫,1995,9(2):95-97.

[3] Habutová O,Weismann L,HarangozóM,et al.Influence of copper from the Kup rikol 50 fungicide on Colorado potato beetle adults studied by radionuclide X-Ray fluorescence analysis[J].Journal of Radioanaly tical and Nuclear Chemistry,2000,243(3):825-826.

[4] Duchesne RM,Parent JG.Theflowering tobacco as a new alternative host for the Colorado potato beetle[J].American Journal of Potato Research,1991,68(11):743-750.

[5] Ashouri A,Michaud D,Cloutier C,Recombinant and classically selected factors of potato plant resistance to the Colorado potato beetle,Lep tinotarsa decemlineata,variously affect the potato aphid parasitoid Ap hidius nigr ip es[J].BioControl,2001,46(4):401-418.

[6] 王正军,张爱兵,李典谟.遥感技术在昆虫生态学中的应用途径与进展[J].昆虫知识,2003,40(2):97-100.

[7] 何国金,胡德永,金小华,等.北京麦蚜虫害的光谱测量与分析[J].遥感技术与应用,2002,17(3):119-124.

[8] 乔红波,程登发,孙京瑞,等.麦蚜对小麦冠层光谱特性的影响研究[J].植物保护,2005,31(2):21-26.

[9] 张永强,文丽萍,石洁,等.亚洲玉米螟为害后玉米冠层光谱变化和产量损失研究[J].植物保护,2007,33(5):54-57.

[10]吐尔逊.马铃薯甲虫发生规律检疫和防治技术研究[D].乌鲁木齐:新疆农业大学,1995.

[11]浦瑞良,宫鹏.高光谱遥感及其应用[M].北京:高等教育出版社,2000:3-5,89-93.

[12]Ustin S L,Roberts D A,Green RO.Remote sensing methods monitor natural resources[J].Photonics Spectra,1999,33(10):108-113.

[13] Tucker C J.Red and photographic infrared linear combinations for monitoring vegetation[J].Remote Sensing of Environment,1979,8:127-150.

[14]Jordan C F.Derivation of leaf area index from quality of light on the forest floor[J].Ecology,1969,50(4):663-666.