利用高光谱数据估测不同温度胁迫下的水稻籽粒中粗蛋白和直链 .docVIP

利用高光谱数据估测不同温度胁迫下的水稻籽粒中粗蛋白和直链淀粉含量 谢晓金1,2，李秉柏1，朱红霞1 （1.江苏省农业科学院研究所，江苏 南京210014； 2.南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室，江苏 南京 210044）摘 要：水稻籽粒粗蛋白和直链淀粉含量是评价稻米品质的两个主要指标。本文以不同温度胁迫下的水稻田间试验为基础，分析水稻成熟籽粒粗蛋白和直链淀粉含量与不同生育期冠层反射光谱的相关性。结果显示，水稻籽粒的粗蛋白和直链淀粉含量与不同生育期冠层原始光谱和一阶导数在某些波段达到极显著或显著相关水平。进一步分析比值植被指数、差值植被指数、归一化植被指数和红边参数等光谱参数与成熟籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的相关性，用回归分析方法对相关拟合较好的参数进行筛选，建立了水稻成熟籽粒粗蛋白含量( GCPC)和直链淀粉含量( GAC)监测模型，观测数据对模型进行检验，其预测值与实值的精确度为0.393~0.683，准确度为0.~0.923，RMSE值为8.706%~11.296%。表明模型预测值与实值之间具有较高的符合度，对水稻籽粒粗蛋白质和直链淀粉含量具有较好的预测性。关键词: 水稻籽粒粗蛋白质含量直链淀粉含量反射光谱光谱参数Hansen等报道了利用冠层光谱反射率和偏最小二乘法预测小麦籽粒蛋白质含量[3]。李映雪等指出， 灌浆中期冠层光谱指数 RVI (1 220, 710)能预测不同小麦品种成熟期籽粒蛋白质含量的变化[4]。刘芸等利用原始光谱反射率和一阶导数光谱来构建植被指数来预测籽粒粗蛋白、粗淀粉和直链淀粉含量，其决定系数达0.7以上[5]。但以上研究主要偏重于氮素胁迫下的谷类籽粒品质的光谱反演，而定量反演高温胁迫条件下水稻籽粒品质的研究未见报道。目前，随着全球气候变化的日益加剧，夏季极端高温和持续高温频繁出现，我国长江流域水稻发生热害的频率与受害程度随之加大，对水稻品质损害的程度也越来越严重，而利用高光谱遥感技术进行高温热害长势和品质监测的研究必是未来农业遥感重心之一[6,7]。本研究以不同年份、不同品种类型在不同温度胁迫下的水稻试验为基础，测定不同生育期水稻冠层高光谱反射率以及成熟籽粒的粗蛋白和直链淀粉含量，讨论水稻籽粒的粗蛋白和直链淀粉含量与冠层反射光谱参数的定量关系，为快速、低成本地检测稻米品质提供依据，同时也为用高光谱遥感方法在水稻高温热害中的品质监测应用提供重要的理论依据。 1材料与方法 1.1试验设计 试验1：试验于2007、2008年在江苏省农业科学院试验站进行，供试水稻品种为扬稻6号（常规籼稻，全生育期约138d）和南粳43（常规粳稻，全生育期约160d）。5月15日育秧，6月18日移栽，扬稻6号于8月18日开始抽穗，南粳43于9月1日开始抽穗。采用浙江余姚生产的远红外加热灯管（长1.5m，额定功率1000W）和自动控温系统，自行设计高1.7m，长、宽各1.5m的柱型钢管支架，安置在水稻试验田中，远红外加热管离地1.5m高。在温控和通风系统的调控下，使加热区（离地面0.8~1.2m高的空间）的温度变幅控制在±0.2℃左右。在两个水稻品种处于孕穗期时，随机选取10箱水稻进行高温处理，另外10箱为常温对照（CK），加热设施提前30min通电预热，以确保09:00-14:00时段内穗层温度为35℃、38℃与41℃，处理时间为3d，每天高温处理5h后停止增温。在处理时段内，常温对照的气温为30~31℃，相对湿度为65%，高温处理的相对湿度为68%。 试验2：在以上两个水稻品种处于孕穗期时，随机选取5箱水稻移入RXZ型人工气候光照培养箱中，进行35℃、38℃与41℃ 3个温度梯度处理，处理时间为3d，每天处理5h（09:00-14:00），每天高温处理结束之后放置于网室内。以自然环境条件下温度为对照。试验资料用于检验预测模型。 美国Analytical Spectral Device(ASD)公司生产的FieldSpec Pro FR2500型背挂式野外高光谱辐射仪测定冠层光谱反射率，光谱仪的波段范围为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3nm； 1 000~2 500 nm光谱采样间隔为2 nm，光谱分辨率为10 nm。冠层光谱测定选择在天气晴朗、无风或风速很小时进行，时间范围为10: 00~14: 00，传感器探头垂直向下，距冠层顶垂直高度约1. 0m，光谱仪视场角为25°，地面视场范围直径为0.44m。每个小区记录10个采样光谱，取平均值作为该处理的高光谱反射值。测量过程中及时进行标准白板校正。用ASD ViewSpec Programs 软件读取反射光谱原始数据。 图1展示出不同温度胁迫条件下扬稻6号和南粳43的粗蛋白和直链淀粉含量的变化特点。可以看