武威 陈雯 陈瑛瑛 刘涛 孙成明

（扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏扬州225009；*通讯作者：cmsun@yzu.edu.cn）

水稻是我国主要的粮食作物，种植面积大，分布范围广，收获指数高，在我国粮食生产和粮食安全中占有重要地位。由于水稻属于喜阳喜湿作物，对气候变化较为敏感，为了更好地稳定和提高水稻产量，需要全面认识和了解水稻生长发育规律。近年来，高光谱技术已在水稻营养元素诊断和监测[1]、逆境生理研究[2]、叶绿素含量监测[3]、株型识别[4]、叶面积指数估算[5]、生物量估测[6]等方面得到广泛应用，使用高光谱技术监测水稻长势已经成为主流。

植被叶片的光谱特征是由于其化学组成分子结构中的化学键在一定的辐照水平下吸收特定波长的辐射能，从而产生了不同光谱反射率的结果。绿色植被的光谱曲线与其他非绿色物体（如土壤、岩石、水体等）存在明显差异，这也是用来区分绿色植物的客观依据。植被的光谱特征是由其组织结构、生化成分以及形态学特征决定的，不同的组织结构和生化成分对植被叶片光谱的影响范围以及影响程度均不同[7]。不同作物类型、不同营养状态具有相似的光谱变化趋势，但冠层光谱反射率的大小受诸多因素影响，如作物种类、作物群体冠层结构、生长状况以及天气状况等。植被在350～2 500 nm波段范围内具有典型的光谱反射特征，且不同波段的光谱反应了植株不同的结构特征[8]。本文拟从品种和生育时期的角度对水稻冠层光谱特性展开研究，分析不同生育期品种间光谱反射率差异和同一品种不同生育期光谱反射率的变化趋势，为精确指导高光谱技术在水稻上的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验于2015-2016年在扬州大学农学院试验场进行。试验地前茬为小麦，土壤质地为砂壤土，0～20 cm土层有机质含量为20.74 g/kg，全氮为1.33 g/kg，碱解氮为91.10 mg/kg，速效钾为84.53 mg/kg，速效磷为43.52 mg/kg。

1.2 试验设计

试验选用不同株型的2个粳稻和2个籼稻品种为材料：连粳7号、淮稻5号、甬优2640和扬两优6号。于2015年5月12日播种，6月13日移栽，小区面积12 m2，移栽时株行距为15 cm×25 cm，粳稻每丛插2株，籼稻每丛插1株，3个重复。施氮总量为200 kg/hm2，基肥∶穗肥=6∶4；磷钾肥用量150 kg/hm2，全部作基肥。全生育期栽培措施按照高产栽培要求进行。

1.3 数据采集

冠层光谱数据采用美国ASD FieldSpec FR 2500野外便携式地物波谱仪测量，光谱仪的前视场角为25°，波段范围为350～2 500 nm，其中，350～1 000 nm光谱采样间隔为1.4 nm，光谱分辨率为3 nm，1 000～2 500 nm光谱采样间隔为2 nm，光谱分辨率为10 nm，使用前预热15～30 min。选择晴朗、无风或微风、无云天气，在各品种水稻的拔节期、孕穗期、抽穗期/开花期、灌浆期分别测定冠层光谱，测定时间为10∶00-14∶00，传感器探头垂直向下，距离冠层高度约1 m，每小区测3行，每行测3个不同点，每个点测10次，取平均值作为该小区的光谱反射率，每个小区测定前后立即进行白板校正。

图1 水稻主要生育期不同品种光谱曲线

1.4 数据分析

用ASD ViewSpec Pro软件读取源光谱数据，将原始光谱数据进行预处理，取其平均值作为该处理的光谱值。由于1 300～2 500 nm是水分主导波段，噪声较大，所以只选择350～1 300 nm波段进行相关处理。用MATLABR2016a对光谱数据进行去噪处理，平滑方法为移动平滑法。

2 结果与分析

2.1 不同品种水稻冠层光谱差异

由图1可知，4个品种在拔节期的光谱反射率差异较大，扬两优6号光谱反射率在350～1 300 nm波段均高于其他品种，甬优2640光谱反射率在750～1 300 nm波段高于2个粳稻品种，且与扬两优6号持平，淮稻5号光谱反射率在750～1 300 nm波段略高于连粳7号。孕穗期不同品种光谱反射率在350～750 nm波段范围内差异明显减小，在750～1 300 nm波段差异较明显，扬两优6号在该波段反射率大幅高于其他品种。抽穗/开花期不同品种光谱反射率在350～750 nm波段范围内趋于一致，在750～1 300 nm波段差异明显减小，甬优2640在该波段反射率略高于其他品种。灌浆期不同品种光谱反射率在350～750 nm波段范围内趋于一致，在750～1300 nm波段扬两优6号光谱反射率明显高于其他品种，但甬优2640、连粳7号和淮稻5号在该波段反射率趋于一致。

2.2 同一水稻品种不同生育期冠层光谱差异

由图2可知，甬优2640在350～750 nm波段的不同生育期光谱反射率差异很小，但在750～1 300 nm波段拔节期的光谱反射率明显高于其他时期。连粳7号在350～750 nm波段的不同生育期光谱反射率差异也很小，但在750～1 300 nm波段拔节期的光谱反射率明显低于其他时期。淮稻5号在350～750 nm波段拔节期的光谱反射率略高于其他时期，在750～1 300 nm波段拔节期的光谱反射率明显低于其他时期。扬两优6号在350～1 300 nm波段拔节期的光谱反射率明显高于其他时期，在750～1 300 nm波段抽穗/开花期的光谱反射率明显低于其他时期。

3 结论与讨论

总体上看，不同品种在350～750 nm波段光谱反射率差异很小，且随着生育期的推进，品种间在750～1 300 nm波段的光谱反射率差异也逐渐减小。在拔节期品种间光谱反射率差异最大，且籼稻品种（甬优2640和扬两优6号）在750～1 300 nm波段光谱反射率明显高于粳稻品种（连粳7号和淮稻5号）。拔节期扬两优6号在350～750 nm波段光谱反射率明显高于其他品种，孕穗期扬两优6号在750～1 300 nm波段光谱反射率明显高于其他品种，灌浆期扬两优6号在750～1 300 nm波段光谱反射率明显高于其他品种，说明扬两优6号光谱反射率与其他品种存在很大差异。从同一品种不同生育期水稻光谱反射率变化来看，每个品种随着生育进程的推进光谱反射率有着明显的变化，尤其是拔节期的光谱反射率，在750～1 300 nm波段表现为籼稻品种拔节期的光谱反射率明显高于其他时期，粳稻品种拔节期的光谱反射率明显低于其他时期。在350～1 300 nm波段，仍是扬两优6号在不同生育期的光谱反射率波动最大。

图2 同一品种不同生育期水稻光谱曲线

前人对不同品种水稻的生长进行了光谱监测试验研究，但所选品种均为粳稻，同时在光谱差异上也没有具体的分析[9]。也有人利用光谱反演了水稻叶片的氮素含量，但品种少（1个品种）、时期少（1个时期），结果不具备代表性。本研究选择2个籼稻品种和2个粳稻品种作为研究对象，分别测定拔节期、孕穗期、抽穗/开花期和灌浆期的水稻冠层光谱反射率。结果表明，同一时期不同品种间水稻冠层光谱反射率存在一定差异，同一品种不同时期水稻冠层光谱反射率也存在一定差异，结果反映了不同品种、不同时期的水稻冠层光谱特征。因此，在今后水稻高光谱的研究中，应考虑不同品种和不同生育期的影响。由于受到试验材料及人力等因素的影响，本研究所选的品种仍相对偏少，籼稻与粳稻品种的差异还需进一步研究确定，扬两优6号与其他品种的特殊差异也需作进一步验证。

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