馬鈴薯受馬鈴薯甲蟲危害后冠層光譜特征的初步研究*

齊 靜, 程登發(fā)**, 喬紅波, 張?jiān)苹?陳 林, 孫京瑞, 洪 波

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,植物病蟲害生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與管理科學(xué)學(xué)院,鄭州 450002; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)信息工程學(xué)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(dāng)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(shí),人們意識(shí)到這種甲蟲對(duì)馬鈴薯的毀滅性威力。馬鈴薯甲蟲以每年185 km的速度擴(kuò)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(kuò)散范圍正在加大,對(duì)我國馬鈴薯等茄屬作物的生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。由于馬鈴薯甲蟲擴(kuò)散速度快,對(duì)作物危害嚴(yán)重,使人擔(dān)憂未來幾年它有可能擴(kuò)散到我國其他地區(qū)[2]。近些年,國內(nèi)外專家學(xué)者大多在馬鈴薯甲蟲生物學(xué)、寄主、防治、適生性等方面進(jìn)行研究[1,3-5],但對(duì)馬鈴薯甲蟲的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)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(yīng)的波譜范圍顯示不同的光譜特征,通過對(duì)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(yīng)用于植物病蟲害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[7-9]。本研究是用ASD野外便攜式光譜儀對(duì)受害馬鈴薯作物的光譜進(jìn)行地面測(cè)量,為以后利用高空遙感監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)和危害程度調(diào)查

試驗(yàn)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(jìn)行(87°28′E,43°56′N)。試驗(yàn)地土質(zhì)為白板土,設(shè)有保護(hù)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(gè)重復(fù);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(jí)采用新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院標(biāo)準(zhǔn):0級(jí)為葉片無受害或有少數(shù)缺刻;1級(jí)為馬鈴薯被食葉片1%～25%;2級(jí)為馬鈴薯被食葉片26%～75%;3級(jí)為馬鈴薯被食葉片76%～100%;4級(jí)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(fēng)少云天氣,在12:00～16:00之間測(cè)量馬鈴薯冠層反射光譜,測(cè)定時(shí)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(yàn)前測(cè)量暗電流,過程中同步測(cè)量BaSO4漫反射參考板進(jìn)行校正。5點(diǎn)取樣,每樣點(diǎn)重復(fù)測(cè)定20次,計(jì)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(jìn)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(guān)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(gè)小的反射峰,兩側(cè)450 nm(藍(lán)波段)和670 nm(紅波段)則有兩個(gè)吸收帶。680～760 nm反射率急劇上升,有一個(gè)反射的“陡坡”。760～930 nm是“紅外高臺(tái)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(diǎn),在近紅外波段,反射率的最大值在915 nm處,1級(jí)為52.27%,2級(jí)為43.95%,3級(jí)為38.57%;近紅外波段,反射率的最小值在973 nm處,1級(jí)為46.37%,2級(jí)為39.32%,3級(jí)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(jí)受害比1級(jí)受害下降0.019,3級(jí)受害比2級(jí)受害略有增加,增加了0.008 6。在680 nm波段,2級(jí)受害比1級(jí)受害下降了0.012 4,3級(jí)受害與2級(jí)受害相比基本沒有變化。在760 nm波段,2級(jí)受害較1級(jí)受害下降了0.046 1,3級(jí)受害較2級(jí)受害下降了0.051 9。將不同危害級(jí)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(jí)別之間存在極顯著差異;在680 nm處,2級(jí)與3級(jí)不存在極顯著差異,而1級(jí)與2、3級(jí)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(dǎo)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(dǎo)數(shù)值的范圍在-0.005～0.02。利用光譜微分技術(shù)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(gè)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)數(shù)最大值(即紅邊斜率)下降,1級(jí)時(shí)紅邊位置在715.6 nm,紅邊斜率為0.013 3;2級(jí)的紅邊位置在717.1 nm,紅邊斜率為0.012 8;3級(jí)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(dòng)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(gè)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(dǎo)數(shù)最大值的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差1)

圖2 不同受害程度馬鈴薯冠層光譜一階導(dǎo)數(shù)

利用光譜微分技術(shù)求取馬鈴薯冠層光譜的一階導(dǎo)數(shù)最大值平均數(shù)(表1)表明,隨著受害程度加重,一階導(dǎo)數(shù)最大值的平均數(shù)有所降低。2級(jí)受害比1級(jí)受害數(shù)值下降0.056,3級(jí)比2級(jí)下降了0.016 5。1級(jí)受害與2級(jí)和3級(jí)受害間存在極顯著差異,而2級(jí)與3級(jí)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(jìn)行相關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)性

3 結(jié)論與討論

影響植物光譜測(cè)量的因素很多,其中植被冠層形狀及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、測(cè)量點(diǎn)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(cè)量時(shí)選擇晴朗無風(fēng)無云的天氣,測(cè)量人員穿深色服裝,周圍人避免走動(dòng),測(cè)量后避免踩踏植被,以保證下次測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

本研究利用ASD野外便攜式光譜儀對(duì)新疆地區(qū)馬鈴薯進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)健康馬鈴薯在555 nm有反射峰,450 nm和670 nm有兩個(gè)吸收帶,這是由于葉綠素對(duì)綠波段反射強(qiáng),對(duì)藍(lán)波段和紅波段吸收強(qiáng)的緣故。760～930 nm是“紅外高臺(tái)階”,主要原因是葉內(nèi)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和葉冠結(jié)構(gòu)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(dāng)植物受到病蟲害侵染時(shí),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(xì)胞的結(jié)構(gòu)、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(jìn)一步做相關(guān)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(guān)關(guān)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(shí),就可以從325～1 050 nm波段中直接提取出敏感波段736～920 nm進(jìn)行監(jiān)測(cè),從而大大提高了利用高光譜監(jiān)測(cè)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(diǎn)[12],也是一階導(dǎo)數(shù)光譜在該區(qū)間內(nèi)的拐點(diǎn)。研究證實(shí),紅邊位置與葉綠素a和b濃度、植物葉細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化有關(guān),也與植物冠層結(jié)構(gòu)密切相關(guān),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(guān),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(duì)目標(biāo)光譜的影響,本研究通過光譜微分技術(shù),對(duì)不同受害程度的馬鈴薯冠層光譜分別求一階導(dǎo)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(shí)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(dǎo)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(duì)葉綠素a和b濃度、植物葉細(xì)胞結(jié)構(gòu)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(cè)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(chǔ)。對(duì)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(jìn)一步研究。

[1] 梁憶冰,林偉,王躍進(jìn),等.生態(tài)因子在馬鈴薯甲蟲地理分布中的作用[J].植物檢疫,1999,13(5):3-8.

[2] 錢天榮,曲能治,陳宏,等.馬鈴薯甲蟲在我國及周邊地區(qū)適生地的初步預(yù)測(cè)[J].植物檢疫,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] 王正軍,張愛兵,李典謨.遙感技術(shù)在昆蟲生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用途徑與進(jìn)展[J].昆蟲知識(shí),2003,40(2):97-100.

[7] 何國金,胡德永,金小華,等.北京麥蚜蟲害的光譜測(cè)量與分析[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2002,17(3):119-124.

[8] 喬紅波,程登發(fā),孫京瑞,等.麥蚜對(duì)小麥冠層光譜特性的影響研究[J].植物保護(hù),2005,31(2):21-26.

[9] 張永強(qiáng),文麗萍,石潔,等.亞洲玉米螟為害后玉米冠層光譜變化和產(chǎn)量損失研究[J].植物保護(hù),2007,33(5):54-57.

[10]吐爾遜.馬鈴薯甲蟲發(fā)生規(guī)律檢疫和防治技術(shù)研究[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),1995.

[11]浦瑞良,宮鵬.高光譜遙感及其應(yīng)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.