不同含油量油菜叶片不同生育期的光谱特性研究

熊 思，刘雨丝，张振乾，陈 浩，方希林，邬贤梦

（湖南农业大学农学院，南方粮油作物协同创新中心，湖南 长沙 410128）

不同含油量油菜叶片不同生育期的光谱特性研究

熊 思，刘雨丝，张振乾，陈 浩，方希林，邬贤梦

（湖南农业大学农学院，南方粮油作物协同创新中心，湖南 长沙 410128）

高光谱技术广泛应用于无损检测、品质预测及生长情况监控等方面。为找出不同含油量油菜叶片光谱特性及其差异规律，以含油量不同的甘蓝型油菜近等基因系为材料，采用FieldSpec3地物波谱仪对不同生育期油菜叶片光谱进行研究。结果表明：含油量高低会影响叶片叶绿素含量，含油量较高的油菜叶片叶绿素含量较高。各生育期的三种油菜叶片具有相同的反射光谱曲线变化趋势。不同生育期不同材料间反射率数值也有一定差异，该研究结果可用于早期筛选高油油菜。

甘蓝型油菜；地物波谱仪，光谱；叶绿素

近年来，高光谱技术在农作物信息获取的应用日益广泛［1］，如无损检测［2-4］、生长状况监控［5-6］、品质分析［7］等。叶片是作物重要的生理器官，其光谱特征能很好地反映植株的生长状况。就油菜而言，其叶片光谱特性可采用便携式可见-近红外光谱仪在室外研究，也可采用高光谱和高辐射分辨率来准确描述油菜光谱特征［8-9］。近几年光谱技术飞速发展，已应用于油菜叶片及冠层的氮含量、乙酰乳酸合成酶含量、氨基酸含量等生理生化、指标的快速检测［10-12］，但利用高光谱成像技术对油菜不同生长时期的叶片光谱特性研究还较少。

研究利用高光谱技术对不同含油量油菜叶片的不同生育期的光谱特性进行研究，以探究不同生育期叶片间光谱差异规律，为油菜育种研究提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为3种不同含油量的一组甘蓝型近等基因系油菜，分别是309品系（含油量38%）、310品系（含油量42%）、311品系（含油量46%），由国家油料改良中心湖南分中心提供。于2014年9月29日播种，试验在湖南农业大学耘园油菜基地进行，行距33 cm，株距15 cm，共6行，前作为水稻，土壤肥力中等。做好常规田间管理工作。

1.2 试验方法

1.2.1 主要叶绿素测定

叶绿素测定采用SPAD 402叶绿素测定仪（日本美能达公司），在油菜苗期，蕾苔期，花期利用叶绿素测定仪测定叶片叶绿素，每个品系测20株，计算平均值。

1.2.2 主要光谱测定

光谱测定采用便携式地物波谱仪（FieldSpec3，美国ASD公司），利用自带光源在室内对取回的叶片进行测定，测试波段为350～2 500 nm。每个品系选择油菜植株中等长势的倒数第三片叶，每片叶测3次，取平均值。

2 结果与分析

2.1 甘蓝型油菜各个时期叶绿素的测定

叶绿素含量是油菜重要的生理指标，与光合作用密切相关。在油菜苗期、蕾苔期、花期3个生长发育期间，利用叶绿素仪对3种不同含油量的油菜叶片进行了叶绿素含量测定，结果如图1。

图1 3个品系油菜各个时期SPAD值测定

由图1可知：3个品系蕾苔期与花期叶片叶绿素均比苗期小，这可能是油菜蕾苔期与花期生育期间光照较少而导致。也有研究显示，单一的干旱及磷素的缺乏均能降低植物叶片的叶绿素含量［13-14］。

2.2 甘蓝型油菜各个时期叶片的光谱特征

2.2.1 苗期油菜叶片的光谱特征分析 按照ASD光谱仪叶片光谱测定法，在2014年11月21日对苗期油菜叶片光谱进行了测定，结果如图2所示。

图2 不同含油量油菜苗期叶片光谱反射率

由图2可知，不同含油量品种油菜叶片反射率变化趋势基本一致，而且反射率也具有明显规律。在350～680 nm范围内，3种不同含油量油菜反射率都相对较低，在550 nm处出现反射峰。方慧等［15］研究表明，在400～500 nm与600～700 nm之间会形成两个低反射区，这是植物典型的光谱特征，本研究与其基本一致。在680～760 nm波段之间，油菜叶片反射率急剧上升，不同含油量品种出现差异，反射率最高的是中含油量油菜（310品系）叶面反射率，达到0.4左右，而低含油量油菜（309品系）叶面反射率最低，只在0.15左右。在760～1 350 nm，即红外区域，油菜叶面反射率出现一个高台阶。最高的是中含油量油菜叶片反射率，达到0.87左右，第二是高含油量油菜（311品系），达到0.70左右，最低的是低含油量油菜叶片光谱反射率。

2.2.2 蕾苔期油菜叶片的光谱特征分析 按照ASD光谱仪叶片光谱测定法，在2015年1月26日对蕾苔期油菜叶片光谱进行了测定，结果如图3所示。

图3 不同含油量油菜蕾苔期叶片光谱反射率

由图3可知，油菜蕾苔期与苗期的反射规律一致。最高的是低含油量油菜（309品系），达到将近0.40，最低的是中含油量油菜（310品系），只在0.25左右。在950～1 350 nm的红外区域，低含油量油菜和中含油量油菜叶片光谱反射率都达到0.90左右，低含油量油菜比中含油量油菜略低，而高含油量油菜（311品系）叶片光谱反射率在波段950 nm处为0.35左右，在1 350 nm处达到0.79左右，比309品系和310品系略低。2.2.3 花期油菜叶片的光谱特征分析 按照ASD光谱仪叶片光谱测定法，在2015年3月11日对花期油菜叶片光谱进行了测定，结果如图4所示。

图4 不同含油量油菜花期叶片光谱反射率

由图4可知，在油菜花期反射规律和油菜苗期与蕾苔期一样，在350～680 nm范围内，不同含油量油菜叶面反射率都较低，在550 nm处出现反射峰。在680～760 nm，油菜叶片反射率急剧上升，最高的是低含油量油菜（309品系），达到0.38，第二是中含油量油菜（310品系），达到0.29，最低的是高含油量油菜（311品系），达到0.18。与油菜苗期和蕾苔期不同的是，在950 nm处，油菜花期3种不同含油量油菜叶片反射率都达到了0.90以上，而在950～1 350 nm之间，3种不同含油量油菜叶片反射率都在0.20以下，比前两个时期都要低很多。在1 350～1 450 nm处的红外区域，高含油量油菜叶面反射率出现一个较小的高台阶。张雪红等［16］研究表明，油菜进入开花期后，在可见光波段内尤其是绿光至红光波段反射率值显著增加，这和本研究结果相似。

综合来看，苗期中含油量油菜反射率最大，高含油量油菜次之，低含油量油菜最小。在蕾苔期高含油量油菜反射率最大，中含油量油菜次之，低含油量油菜最小。花期在可见光波段内，低含油量油菜反射率最大，中含油量油菜次之，高含油量油菜最小。本研究表明，在不同含油量油菜叶片的反射率随着生育期发生变化，在育种研究中可考虑根据其某个生育期反射率的大小初步判断其是否为育种需要的材料。

3 结 论

（1）不同材料间叶片叶绿素含量不同，含油量较高的油菜叶片叶绿素含量较高。

（2）对油菜苗期、蕾苔期、花期叶片光谱进行测定，发现各个生育期的3种不同含油量油菜叶片具有相同的反射光谱曲线变化趋势，但在不同时期的光谱特征点不同，在近红外波段950～1 350 nm处，油菜苗期3组油菜光谱反射率高台阶几乎都在1 350 nm处，而蕾苔期和花期在波段950 nm处就出现显著增长。

（3）不同含油量油菜在不同时期反射率数值变化也有一定差异，苗期中含油量油菜反射率最大，在蕾苔期高含油量油菜反射率最大，花期在可见光波段内，低含油量油菜反射率最大。

［1］ 李 伟，肖爱平，冷 鹃. 近红外光谱技术及其在农作物中的应用［J］.中国农学通报，2009，（3）：56-59.

［2］ 姚建松，杨海清，何 勇. 基于可见-近红外光谱技术的油菜叶片叶绿素含量无损检研究［J］. 浙江大学学报（农业与生命科学版） ，2009，（4）：433-438.

［3］ 孔汶汶，刘 飞，邹 强，等. 基于近红外光谱技术的油菜叶片丙二醛含量快速检测方法研究［J］. 光谱学与光谱分析，2011，（4）：988-991.

［4］ 孙光明，刘 飞，张 帆，等. 基于近红外光谱技术检测除草剂胁迫下油菜叶片中脯氨酸含量的方法［J］. 光学学报，2010，（4）：1192-1196.

［5］ 张筱蕾. 基于高光谱成像技术的油菜养分及产量信息快速获取技术和方法研究［D］.杭州：浙江大学，2013.

［6］ 何 勇，彭继宇，刘 飞，等. 基于光谱和成像技术的作物养分生理信息快速检测研究进展［J］. 农业工程学报，2015，（3）：174-189.

［7］ 张保华，李江波，樊书祥，等. 高光谱成像技术在果蔬品质与安全无损检测中的原理及应用［J］. 光谱学与光谱分析，2014，（10）：2743-2751.

［8］ 方 慧，宋海燕，曹 芳，等. 油菜叶片的光谱特征与叶绿素含量之间的关系研究［J］. 光谱学与光谱分析，2007，（9）：1731-1734.

［9］ 王 渊，黄敬峰，王福民，等. 油菜叶片和冠层水平氮素含量的高光谱反射率估算模型［J］. 光谱学与光谱分析，2008，（2）：273-277.

［10］ 张筱蕾，刘 飞，聂鹏程，等. 高光谱成像技术的油菜叶片氮含量及分布快速检测［J］. 光谱学与光谱分析，2014，（9）：2513-2518.

［11］ 刘 飞，张 帆，方 慧，等. 连续投影算法在油菜叶片氨基酸总量无损检测中的应用［J］. 光谱学与光谱分析，2009，（11）：3079-3083.

［12］ 刘 飞，方 慧，张 帆，等. 应用光谱技术无损检测油菜叶片中乙酰乳酸合成酶［J］. 分析化学，2009，（1）：67-71.

［13］ 刘建福. 磷胁迫对澳洲坚果幼苗叶片光合作用的影响［J］. 西南师范大学学报（自然科学版），2007，（2）：45-48.

［14］ 余利平，张春雷，马 霓，等. 甘蓝型油菜对干旱和低磷双重胁迫的生理反应Ⅰ：叶片气体交换参数及产量［J］. 中国油料作物学报，2010，（4）：506-511.

［15］ 方 慧，宋海燕，曹 芳，等. 油菜叶片的光谱特征与叶绿素含量之间的关系研究［J］. 光谱学与光谱分析，2007，（9）：1731-1734.

［16］ 张雪红，刘绍民，何蓓蓓. 不同氮素水平下油菜高光谱特征分析［J］.北京师范大学学报（自然科学版），2007，（3）：245-249.

（责任编辑：肖 亮）

Study on Spectral Characteristics of Different Growth Stages of Different Oil Conten t Rape Leaves

XIONG Si，LIU Yu-si，ZHANG Zhen-qian，CHENG Hao，FANG Xi-lin，WU Xian-meng
（College of Agriculture， Hunan Agricultural University， Southem Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China，Changsha 410128， PRC）

Hyperspectral technology was widely used in non-destructive testing， quality forecasting and Growth monitoring， etc. In order to fnd the law of difference in different spectral characteristics of rape oil content leaf， this study used different oil content rape （Brassica napus） near-isogenic lines as materials to find out the law on the leaves spectral characteristics of different development stages by FieldSpec3 spectrometer. The results showed as follows： the level of chlorophyll content was effected by oil content， and high oil content of rapeseed leaf with a higher chlorophy ll content. There were three kinds of rape leaves had show the same ref ectance spectroscopy trends， while there have some differences between them on different development stages. This study could be used for screening high oil content rape on early stage.

Brassica napus； feature spectrometers； spectra； chlorophyll

S565.4

A

1006-060X（2016）09-0021-03

10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.09.007

2016-06-27

国家自然科学基金（31201240）；湖南省科技重大专项（2014FJ1006）

熊 思（1994-），女，湖南娄底市人，本科生，农学教育专业。

张振乾