基于傾斜遙感觀測(cè)的小麥白粉病脅迫下葉綠素含量監(jiān)測(cè)

齊雙麗，賀 利，段劍釗，謝迎新，馮 偉，李 曉，張振永，王 君

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家小麥工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450046；2.漯河市農(nóng)科院，河南漯河 462000；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南鄭州 450002)

小麥白粉病由寄生子囊菌Blumeriagraminisf. sp.tritici引起，屬于典型的氣傳性病害，是麥田主要病害之一，在整個(gè)小麥生育期均可發(fā)病。白粉菌侵染后，小麥葉片內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)被破壞，葉綠素受損，導(dǎo)致植株生理代謝及途徑發(fā)生較大變化，阻礙植株內(nèi)部水分運(yùn)輸及光合作用[1]。葉綠素是植物主要光合色素之一，其含量是衡量作物光合、營(yíng)養(yǎng)脅迫、環(huán)境脅迫、生長(zhǎng)發(fā)育、衰老等狀況的一個(gè)重要生理指標(biāo)[2-3]。綠色植物有典型的光譜特征，可見(jiàn)光波段(400～680 nm)光譜主要受色素影響，色素含量越高，光吸收能力就越強(qiáng)，光譜的反射率就越低；近紅外波段(780～1 350 nm)的光譜反射特征主要受葉面積、冠層結(jié)構(gòu)等多種因素的影響，其中葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)、生物量和含水量等對(duì)近紅外區(qū)域反射光譜產(chǎn)生的影響較大，色素信息對(duì)其影響較小[4-5]。而葉綠素含量在紅光波段的強(qiáng)吸收區(qū)域以及在近紅外波段多次散射形成的高反射平臺(tái)過(guò)渡區(qū)域，形成了高斜率的“紅邊”(680～780 nm)，是光譜特征研究的重點(diǎn)。當(dāng)植被的生物量增大、色素含量增高、生長(zhǎng)旺盛時(shí)，反射光譜的紅邊向長(zhǎng)波方向移動(dòng)；反之，向短波方向移動(dòng)[6]。這為利用冠層光譜信息分析白粉病脅迫下小麥葉綠素狀況提供了理論基礎(chǔ)。

具有無(wú)損、快速和高效特點(diǎn)的高光譜遙感、葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)等物理診斷方法，可用于監(jiān)測(cè)作物葉綠素含量的動(dòng)態(tài)變化、了解作物的光合性能以及作物不同發(fā)育階段的生長(zhǎng)狀況，成為實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)作物健康狀況、及時(shí)診斷調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要手段[7-8]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用高光譜遙感和葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)在作物光合性能[9-10]及病蟲(chóng)害脅迫[11-13]等方面開(kāi)展了很多研究工作，尤其是在非生物脅迫條件下對(duì)色素密度或色素含量的估測(cè)進(jìn)行了大量探討，且根據(jù)敏感波段藍(lán)光(450 nm)、紅光(680 nm)及紅邊波段(680～780 nm)構(gòu)建了許多光譜指數(shù)，如LIC[2]、mND705[14]、REP[15]、RES[16]等。對(duì)生物脅迫后作物生理指標(biāo)的高光譜遙感監(jiān)測(cè)研究也取得了一定的進(jìn)展。馮偉等[17]對(duì)白粉病脅迫下小麥冠層的葉綠素密度進(jìn)行高光譜遙感監(jiān)測(cè)；何汝艷等[18]對(duì)銹病脅迫下氮素含量進(jìn)行高光譜遙感監(jiān)測(cè)；蔣金豹等對(duì)銹病脅迫下冬小麥的葉片氮含量[19]和含水量[20]進(jìn)行高光譜遙感監(jiān)測(cè)。

以上的研究均是基于垂直冠層觀測(cè)角度監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)狀況，上層的冠層信息占據(jù)重要分量，中下層的冠層信息被遮擋而無(wú)法充分利用。多角度觀測(cè)方式可以從不同的方位采集作物三維冠層信息，從而獲得更加詳實(shí)、精確的作物生長(zhǎng)信息。目前，該技術(shù)在非生物脅迫下小麥葉面積測(cè)量[21]、小麥氮素監(jiān)測(cè)[22-23]、大豆株形識(shí)別[24]、冬小麥葉綠素垂直分布[25]、大豆葉綠素密度反演[26]等方面已經(jīng)得到良好的應(yīng)用，而有關(guān)生物脅迫下利用多角度遙感對(duì)病蟲(chóng)危害后植被理化參數(shù)的監(jiān)測(cè)研究報(bào)道較少。

本研究根據(jù)小麥白粉病自下而上的發(fā)病特征，借助多角度遙感立體觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，以兩種不同感白粉病類型的小麥品種(易感白粉病品種偃展4110，中感白粉病品種國(guó)麥301)為試驗(yàn)材料，綜合分析三種不同生長(zhǎng)環(huán)境(病圃田、接種田和自然感病田)下抽穗至灌漿期小麥冠層多角度反射光譜和葉綠素含量的變化特征，明確觀測(cè)角度對(duì)冠層反射光譜的影響，探討基于非生物脅迫條件下構(gòu)建的植被指數(shù)是否仍然適用于白粉病脅迫下小麥葉綠素含量的監(jiān)測(cè)，確立白粉病脅迫下適宜監(jiān)測(cè)葉綠素含量的多角度遙感模型，以期為小麥病害監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

感病品種以及不良的生長(zhǎng)環(huán)境(密閉通風(fēng)差、高濕)等因素都會(huì)造成白粉病在麥田發(fā)生和流行。根據(jù)3種不同的生長(zhǎng)環(huán)境和2種不同的感病品種共設(shè)置4個(gè)試驗(yàn)，其中試驗(yàn)1～3于2016-2017年小麥生長(zhǎng)季進(jìn)行，試驗(yàn)4于2017-2018年小麥生長(zhǎng)季進(jìn)行。測(cè)試土壤均為壤土，0～30 cm土層土壤中含全氮0.97～1.20 g·kg-1、速效磷 28.44～34.52 mg·kg-1、速效鉀114.68～ 120.12 mg·kg-1和有機(jī)質(zhì)10.2～15.7 g·kg-1。研究區(qū)基施純氮135 kg·hm-2(比當(dāng)?shù)佧溙锔?2.5%)、P2O5120 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2，灌漿期結(jié)合灌水追施純氮135 kg·hm-2，其他田間管理同當(dāng)?shù)匦←溕a(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。播期為10月18-20日，設(shè)3次重復(fù)。抽穗期、開(kāi)花期和灌漿期進(jìn)行冠層光譜采集、病害指數(shù)調(diào)查和生理數(shù)據(jù)的測(cè)定。

試驗(yàn)1：病圃田試驗(yàn)，供試材料為偃展4110，試驗(yàn)設(shè)置在國(guó)家小麥工程技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)基地，每個(gè)小區(qū)面積為8.4 m2(4 m×2.1 m)。試驗(yàn)2：接種田試驗(yàn)，設(shè)置在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)試驗(yàn)田，供試材料為偃展4110，小區(qū)面積為20.3 m2(7 m×2.9 m)。試驗(yàn)3：自然感病田試驗(yàn)，供試材料為偃展4110和國(guó)麥301，試驗(yàn)設(shè)置在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)畜牧場(chǎng)附近，小區(qū)面積為43.5 m2(2.9 m×15 m)。試驗(yàn)4設(shè)計(jì)與試驗(yàn)2相同。

盆栽接種材料培養(yǎng)：供試材料為偃展4110，10月22日播種，將苗盆(直徑約33 cm，高約27 cm，每盆裝大田過(guò)篩壤土19 kg)埋于河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)大田地頭，盆面與大田地表持平，次年3月中旬將苗盆移至溫室病圃田，通過(guò)高濕、高肥促進(jìn)白粉病發(fā)生和傳播。在小麥拔節(jié)期，對(duì)溫室培養(yǎng)的盆栽小麥和病圃田小麥接種，根據(jù)接種量大小和頻次，設(shè)定輕、中、重3個(gè)等級(jí)，并設(shè)對(duì)照(不接種)。為了創(chuàng)造適宜的接種環(huán)境，接種小區(qū)覆蓋透明塑料棚(8:00-17:00開(kāi)口通風(fēng))，接種10 d后植株上出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)白色病孢，小麥拔節(jié)后期一旦感染明顯，則立即拆除溫棚。圖1為供試小麥不同生育時(shí)期的田間感病狀況。

圖1 小麥品種4110和國(guó)麥301不同生育時(shí)期的田間感病狀況

1.2 小麥冠層主平面多角度反射光譜測(cè)定

小麥冠層反射光譜的采集使用美國(guó)Analytical Spectral Device(ASD)公司生產(chǎn)的便攜式地物光譜輻射儀FieldSpec Handheld Spectrometer，波段范圍325～1 075 nm，高光譜采樣間隔和光譜分辨率分別為1.5 nm和3.5 nm(Analytical Spectral Devices. Inc. FieldSpec Pro User’s guide.2002)。多角度冠層光譜信息的采集需要在晴朗少云無(wú)風(fēng)或微風(fēng)天氣條件下于當(dāng)?shù)貢r(shí)間10:00-14:00進(jìn)行測(cè)定，采用25°光譜儀視場(chǎng)角在太陽(yáng)主平面內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，垂直于小麥冠層的監(jiān)測(cè)角度定義為0°，觀測(cè)方向與太陽(yáng)照射方向同側(cè)時(shí)定義為后向(-)，觀測(cè)方向在太陽(yáng)照射方向異側(cè)時(shí)定義為前向(+)，監(jiān)測(cè)方向從后向到前向，包含13個(gè)觀測(cè)角度(±60°、±50°、±40°、±30°、±20°、±10°、0°)。多角度數(shù)據(jù)的采集采用參考Field Goniometer(FIGOS)[27]設(shè)計(jì)的一個(gè)近地多角度高光譜輔助監(jiān)測(cè)平臺(tái)架裝置(圖2)進(jìn)行，光譜儀探頭離目標(biāo)距離為50～100 cm，在每個(gè)樣點(diǎn)冠層重復(fù)測(cè)量5次，取其平均值作為該點(diǎn)的光譜反射值。在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)采集之前，用 1 600 cm2(40 m×40 m)的BaSO4材質(zhì)的參考板對(duì)反射光譜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化優(yōu)化。

圖2 用自制多角度觀測(cè)架進(jìn)行冠層高光譜采集

1.3 病情指數(shù)的調(diào)查

在每個(gè)光譜采集點(diǎn)，隨機(jī)選取20株小麥，記錄小麥白粉病的發(fā)病情況。為了減少人為誤差，所有的病情調(diào)查由同一人在植物保護(hù)專業(yè)人員的指導(dǎo)和監(jiān)督下進(jìn)行。用全展開(kāi)葉片的嚴(yán)重程度來(lái)表示采樣點(diǎn)的發(fā)病情況，并利用網(wǎng)格法(菌斑面積占完全展開(kāi)葉面積百分比)來(lái)計(jì)算白粉病的嚴(yán)重程度。常規(guī)的白粉病嚴(yán)重程度分為9個(gè)等級(jí)[28]，分別為0、1%、10%、20%、30%、45%、60%、80%和100%。利用以下公式計(jì)算病情指數(shù)(DI)[29]。

式中x為各梯度的級(jí)值，n為最高梯度值 (n=9)，f是各梯度的總?cè)~片數(shù)。

表1 光譜指數(shù)的計(jì)算公式及參考文獻(xiàn)Table 1 Calculation method and source of selected spectrum indices

R是給出特定波段的反射率，例如R440是440 nm波段的光譜反射率。RS是紅近外區(qū)域反射率最大值；R0是紅光區(qū)域反射率最小值；λ0是指在紅邊區(qū)域最小反射率對(duì)應(yīng)R0的波段；δ是指高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)。

Ris the reflectance at a given wavelength. For example,R440is the spectral reflectance value at 440 nm.RSis the maximum reflectivity in the near infrared region.R0is the minimum reflectivity of the red region.λ0is the corresponding minimum reflectance wavelength in the red-edge region.δis the Gaussian function deviation parameter.

1.4 葉綠素含量測(cè)定

與光譜采集同日，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)取有代表性的小麥植株，根部帶土置于保鮮袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室。取葉片，去葉脈并剪碎，稱0.200 g置于50 mL的棕色容量瓶中避光一周，使用日立U-2800型紫外分光光度計(jì)測(cè)出葉綠素a和葉綠素b在665 nm和649 nm波段的吸光度值(OD),再根據(jù)Lichtenthaler法[30]公式算出葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b的色素濃度及其含量。

Ca=13.95×OD665-6.88×OD649

(1)

Cb=24.96×OD649-7.32×OD665

(2)

葉綠素含量=C×V×0.001/A

(3)

式中Ca、Cb分別為葉綠素a、葉綠素b的濃度 (C、V和A分別為葉綠素濃度、樣液體積、樣葉鮮重)。

1.5 數(shù)據(jù)分析與利用

對(duì)白粉病侵染后小麥的葉綠素含量與多角度測(cè)定的冠層反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。根據(jù)前人的研究成果自主編程基于MATLAB 7.0軟件的計(jì)算機(jī)程序?qū)庾V參數(shù)和農(nóng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行綜合分析，篩選出14個(gè)與葉綠素含量相關(guān)性較好的光譜參數(shù)(表1)，并對(duì)回歸方程r2進(jìn)行優(yōu)化，提取適宜的觀測(cè)角度。試驗(yàn)1～3的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于建模分析，試驗(yàn)4的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于模型測(cè)試與精度檢驗(yàn)。模型精度用預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)性(r2)和均方誤差(RMSE)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 病情指數(shù)對(duì)小麥葉綠素含量的影響

白粉病菌侵染小麥后會(huì)破壞葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加速葉綠素降解，對(duì)小麥植株生長(zhǎng)及生理代謝造成嚴(yán)重影響。隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，病菌數(shù)量增多，田間侵染周期和脅迫程度增加，小麥抽穗期、開(kāi)花期、灌漿前期和灌漿中期的平均病情指數(shù)分別達(dá)到57.13、60.76、64.93和74.35，葉片葉綠素含量持續(xù)降低。對(duì)試驗(yàn)1～3綜合數(shù)據(jù)(n=114)相關(guān)分析表明，抽穗期至灌漿中期，小麥病情指數(shù)與葉綠素含量均呈顯著負(fù)相關(guān)(圖3)，且隨生育時(shí)期的推進(jìn)，相關(guān)性逐漸增強(qiáng)。抽穗期、開(kāi)花期、灌漿前期和灌漿中期的病情指數(shù)與葉綠素含量間的決定系數(shù)分別為0.511、0.765、0.795和0.871。

圖3 白粉病病情指數(shù)與小麥葉片葉綠素含量(Chl a+b)的關(guān)系(n=114)

2.2 小麥冠層反射光譜隨生育進(jìn)程的動(dòng)態(tài)變化

從試驗(yàn)3的測(cè)定結(jié)果(圖4)看，從抽穗期至灌漿中期，在400～900 nm波段范圍，偃展4110的冠層光譜反射率稍高于國(guó)麥301，兩個(gè)品種的光譜曲線變化特征基本一致。隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，冠層光譜反射率在400～680 nm波段逐漸增大，680～780 nm的紅邊拐點(diǎn)發(fā)生左移，在近紅外波段的高反射平臺(tái)(780～900 nm)區(qū)趨穩(wěn)。光譜反射曲線在不同的生育時(shí)期均在可見(jiàn)光波段 500～720 nm區(qū)域呈現(xiàn)出敏感且一致的變化規(guī)律。

圖4 小麥冠層原始反射光譜隨生育進(jìn)程的變化

2.3 葉綠素含量和觀測(cè)角度對(duì)小麥冠層反射率的影響

病菌侵染后小麥葉片乃至整個(gè)植株的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化代謝發(fā)生了變化，進(jìn)而引起冠層光譜反射率的改變。同時(shí)，各葉綠素含量水平的光譜響應(yīng)曲線也因觀測(cè)角度存在差異。從灌漿前期發(fā)病較重的病圃田偃展4110和自然感病田國(guó)麥301的測(cè)定結(jié)果(圖5)看，在0°、-20°和+20°觀測(cè)度下，隨著葉綠素含量的降低，兩個(gè)品種在可見(jiàn)光波段的光譜反射率均呈升高趨勢(shì)，且在可見(jiàn)光波段的500～720 nm區(qū)域均呈現(xiàn)出較為明顯的變化，紅邊位置左移，而近紅外區(qū)域的光譜反射率則沒(méi)有呈現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。不同觀測(cè)角度間，-20°的光譜反射率最高(圖5A和圖5D)，而+20°光譜反射率最低(圖5C和圖5F)，從-20°到+20°，光譜反射率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。經(jīng)進(jìn)一步分析，在+20°觀測(cè)角度下，兩個(gè)品種的光譜反射率變化范圍在可見(jiàn)光和紅邊區(qū)域均最大(圖5c和圖5f)。

2.4 不同觀測(cè)角度下小麥植被指數(shù)與葉綠素含量間相關(guān)性

為進(jìn)一步分析觀測(cè)角度對(duì)葉綠素含量高光譜監(jiān)測(cè)的影響，對(duì)利用試驗(yàn)1～3的13個(gè)角度觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的14個(gè)常規(guī)植被指數(shù)值與小麥葉綠素含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果(表2)表明，葉綠素含量與植被指數(shù)的相關(guān)性因觀測(cè)角度的變化而變化。整體而言，前向觀測(cè)的相關(guān)性均高于后向觀測(cè)；在-60°至+20°觀測(cè)角度范圍內(nèi)，隨角度的增大，相關(guān)性逐漸增強(qiáng)；不同光譜參數(shù)的最強(qiáng)相關(guān)性出現(xiàn)的角度不同，LIC-2為+30°(r=0.657)，REPig為+10°(r=0.770)，而其他植被指數(shù)與葉素素含量間最佳相關(guān)性的角度均為+20°(0.728

2.5 植被指數(shù)與葉綠素含量間模型建立

利用試驗(yàn)1～3所有數(shù)據(jù)(n=114)，選取表2中與葉綠素含量相關(guān)性較好的三個(gè)光譜參數(shù)(mND705、NDDA、RES)在0°和+20°觀測(cè)角度下作散點(diǎn)圖比較分析，以篩選最佳的植被指數(shù)和適宜角度。由圖6可見(jiàn)，光譜參數(shù)mND705、NDDA和RES在0°觀測(cè)角度下與葉綠素含量的決定系數(shù)r2分別為0.524、0.507和0.554，在+20°觀測(cè)角度下r2分別為0.685、0.646和0.725，+20°觀測(cè)角度的r2較0°分別提高了30.73%、27.42%和30.87%，進(jìn)一步說(shuō)明以+20°觀測(cè)角度下的RES為參數(shù)建立的白粉病脅迫下小麥葉綠素含量監(jiān)測(cè)模型的擬合性最佳。

A～C：偃展4110；D～F：國(guó)麥301；a～f分別是A～F的局部放大圖。

A-C:Yanzhan 4110;D-F:Guomai 301; a-f are the partial magnification of A-F,respectively.

圖5 三個(gè)觀測(cè)角度下不同葉綠素含量水平的原始光譜變化規(guī)律

Fig.5 Change of the original spectra with different chlorophyll content(Chl a+b) from three observation angles

表2 不同觀測(cè)角度下常規(guī)光譜指數(shù)與葉綠素含量的相關(guān)性Table 2 Correlation of spectral and leaf chlorophyll content of wheat at different observation angles

圖6 0°和20°觀測(cè)角度下葉綠素含量(Chl a+b)與光譜指數(shù)(mND705、NDDA、RES)之間的定量關(guān)系

2.6 模型精度檢驗(yàn)

為了考察RES模型對(duì)白粉病脅迫下葉綠素含量監(jiān)測(cè)的可靠性，利用獨(dú)立的試驗(yàn)資料(試驗(yàn)4，n=31)對(duì)建立的回歸方程進(jìn)行測(cè)試，采用r2和RMSE進(jìn)行檢驗(yàn)，并作預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值1∶1關(guān)系圖直觀展示模型的預(yù)測(cè)效果。結(jié)果(圖7)顯示，RES估算模型在前向20°對(duì)葉綠素含量變化監(jiān)測(cè)效果較為理想，r2和RMSE分別為0.695和0.027，總體上預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合度較高，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)光譜指數(shù)對(duì)白粉病脅迫下小麥冠層葉綠素含量的實(shí)時(shí)定量監(jiān)測(cè)。

圖7 小麥葉綠素含量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的比較

3 討 論

3.1 病害條件下葉綠素敏感波段的選取

葉綠素在光譜上的強(qiáng)吸收峰值出現(xiàn)在藍(lán)光和紅光區(qū)域，但類胡蘿卜素的強(qiáng)吸收峰值在藍(lán)光區(qū)域，與葉綠素出現(xiàn)的峰值重疊，因而估算葉綠素含量一般不用藍(lán)光波段[14]。葉綠素最大吸收峰值一般位于紅邊的660～680 nm波段，較低的葉綠素含量在此波段能夠被充分吸收光能，因而對(duì)高含量葉綠素的檢測(cè)敏感性降低。葉綠素含量估算的中心波段多位于550 nm或700 nm區(qū)域[2,36,39]，由于花青素的吸收峰值在550 nm左右，依據(jù)不同條件也可選用700 nm附近的區(qū)域作為估算葉綠素含量的中心波段。Sims等[14]研究表明，在葉片結(jié)構(gòu)相對(duì)恒定條件下，705 nm波段對(duì)應(yīng)的反射率與葉綠素含量呈強(qiáng)相關(guān)，并構(gòu)建用于反演葉綠素信息的光譜指數(shù)mND705；Gitelson等[33]利用720 nm和790 nm波段的信息構(gòu)建紅邊葉綠素指數(shù)Cire-edge3；JU等[16]利用675 nm、718 nm和755 nm波段的信息構(gòu)建紅邊對(duì)稱度RES。以上對(duì)植被葉綠素敏感波段的提取均在非生物脅迫條件下進(jìn)行，雖然干旱和缺氮等非生物脅迫與病蟲(chóng)害脅迫都會(huì)造成作物葉綠素含量降低，但病蟲(chóng)害的危害主要是抑制作物葉綠素的合成，加速了植株內(nèi)部色素的減少，導(dǎo)致植株早衰、黃葉增加、冠層結(jié)構(gòu)破壞，使得病蟲(chóng)害獨(dú)特的病征信息也會(huì)反映在植被冠層光譜上，這些因素綜合影響冠層光譜曲線，導(dǎo)致生理參數(shù)的敏感波段很有可能發(fā)生一定的漂移。馮偉等[17]研究發(fā)現(xiàn)，680～760 nm波段是白粉病脅迫下小麥冠層葉綠素密度的敏感區(qū)域。伍楠等[41]認(rèn)為，614～698 nm和724 ～772 nm是病害脅迫下葉綠素含量的敏感波段。本研究中，500～720 nm波段對(duì)白粉病脅迫下葉綠素含量變化反應(yīng)較為敏感，隨白粉病脅迫程度的加重，紅邊向左偏移。

3.2 病害條件下葉綠素監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建

葉綠素含量會(huì)隨著作物葉片的生長(zhǎng)和衰老以及病蟲(chóng)害侵染周期與程度而變化[42]。隨著白粉病病菌的快速擴(kuò)散以及侵染周期增加，葉片中葉綠素含量下降(圖3)，阻礙植株正常代謝，破壞葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部形態(tài)，加速植株衰老進(jìn)程，影響冠層結(jié)構(gòu)，降低冠層的光合作用。Sims等[14]研究表明，由紅邊區(qū)域波段構(gòu)建的光譜參數(shù)mND705對(duì)作物品種類型和冠層結(jié)構(gòu)不敏感，在冠層尺度上對(duì)預(yù)測(cè)葉片葉綠素含量有較高精度。前人利用紅邊波段構(gòu)建大量的紅邊參數(shù)[36,16,39,43-44]或不同算法的紅邊位置[15,31,25]來(lái)估算葉綠素含量。在本研究中，在白粉病脅迫下，篩選出了14個(gè)對(duì)葉綠素變化較為敏感的植被指數(shù)，這些參數(shù)大多含有紅邊區(qū)域的光譜信息，其中RES、mND705和NDDA對(duì)白粉病脅迫下葉綠素含量表現(xiàn)出較好的監(jiān)測(cè)效果，研究結(jié)果可為白粉病脅迫下的小麥光合性能評(píng)估提供參考。

3.3 病害條件下光譜監(jiān)測(cè)的角度效應(yīng)

冠層二項(xiàng)反射特性表明，觀測(cè)角度和光入射方向的變化會(huì)影響植被的冠層反射率。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了遙感監(jiān)測(cè)中觀測(cè)角度對(duì)生理指標(biāo)與冠層光譜之間關(guān)系的影響。因此，包含豐富冠層結(jié)構(gòu)信息的多角度測(cè)定光譜成為遙感監(jiān)測(cè)研究的熱點(diǎn)。多角度觀測(cè)遙感技術(shù)提高了已有光譜參數(shù)在作物生產(chǎn)中的適用性[45]，適宜的觀測(cè)角度更有利于作物特征的提取，提高對(duì)生理指標(biāo)的監(jiān)測(cè)精度。Galv?o等[46]提出光照強(qiáng)度和陰影面積等因素會(huì)影響光譜參數(shù)的反演性能，后向觀測(cè)方向更有利于作物生理指標(biāo)的監(jiān)測(cè)。不同觀測(cè)視角的反射光譜數(shù)據(jù)能夠反映出視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)物構(gòu)成成分主要信息的差異。趙春江等[25]和黃文江等[47]研究表明，垂直觀測(cè)角度主要反映植被的覆蓋度以及較多的土壤背景信息，而20°和30°的觀測(cè)天頂角主要反映中下層植被信息，40°觀測(cè)天頂角主要反映中層植被信息，50°和60°觀測(cè)天頂角則主要反映上層植被光譜信息。He等[22]采用多角度遙感對(duì)小麥氮素含量監(jiān)測(cè)時(shí)，提出與光入射方向相同的觀測(cè)方向最佳。張東彥等[26]采用多角度遙感監(jiān)測(cè)大豆葉綠素密度，-40°是反演葉綠素密度的最佳角度。本研究為白粉病侵染試驗(yàn)，分析了觀測(cè)角度對(duì)冠層光譜與葉綠素含量之間關(guān)系的影響，結(jié)果表明，前向觀測(cè)比后向更好，最佳角度以+20°居多，這與水肥等非生物脅迫下葉綠素含量觀測(cè)的敏感角度有明顯差異，這可能是因?yàn)槿~片正面菌斑多，白色菌斑覆蓋在葉片正面改變了葉片對(duì)光的反射，進(jìn)而影響光在冠層的分布。

4 結(jié) 論

隨著生長(zhǎng)時(shí)期的推進(jìn)，病菌危害加重，小麥葉綠素含量降低。隨著葉綠素含量降低冠層光譜反射率在可見(jiàn)光波段呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，紅邊左移，而在近紅外波段則沒(méi)有表現(xiàn)一致規(guī)律。在不同的觀測(cè)角度下，可見(jiàn)光波區(qū)域的500～720 nm波段反射率均隨著葉綠素含量的變化呈現(xiàn)出敏感響應(yīng)，此波段可作為白粉病脅迫下葉綠素監(jiān)測(cè)的敏感區(qū)域。對(duì)常規(guī)植被指數(shù)與葉片葉綠素含量間關(guān)系進(jìn)行綜合分析，前向相關(guān)性優(yōu)于后向，最佳觀測(cè)角度為+20°；植被指數(shù)RES最適宜，可用于白粉病脅迫下小麥葉綠素含量監(jiān)測(cè)。