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冬小麦条锈病的光谱曲线特征

小麦条锈病属于低温、高湿、强光型真菌性病害,且属于跨区域气传性病害,发病广、流行性强、发病几率高,是我国乃至世界上发生最广、为害最大的重要病害之一。一旦暴发,若不及时测报与防治,将会造成灾难性后果,所以长期以来预防、监测条锈病的发生、发展是栽培学家、育种学家、病理学家们研究的重点与难点。

传统的条锈病的监测主要基于田间取样、调查,综合其它信息进行预测预报,但对大面积病害的发生,传统的方法不但耗时、费力,而且预报滞后增加了损失程度,从而在一定程度上影响了预报的精确度。高光谱遥感属于一种无损测试技术,它能以足够的光谱分辨率区分出那些具有诊断性光谱特征的地表物质,而这是传统宽波段及多波段遥感数据所不能达到的,因而在遥感地物定量分析上具有广阔的应用前景,国内外学者利用高光谱技术在对作物氮素、叶绿素、水分、生物量、叶面积指数等方面的估算、反演上做了大量细致而深入的工作,同时对作物在胁迫条件下的冠层光谱特征也进行了相应的研究。

但利用高光谱技术对冬小麦条锈病特征方面的研究报道鲜有所闻,本文中的试验是利用地面遥感平台,试图通过对冬小麦条锈病的光谱特征与条锈病情指数调查分析,进行定性与定量的研究,为用高光谱遥感大面积监测冬小麦条锈病提供理论依据。

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一、拔节期的发病与对照区光谱特征

条锈病最明显的特征是植株叶片褪绿、变黄、从光谱曲线来看,病害初期,特征也比较明显,如下图1所示特别在550~660 nm黄光区,发病处理的光谱曲线明显要比对照区小麦叶片高。在600 nm处,发病区的反射率5.184%比对照区反射率3.543%高出3个百分点,这也是我们看到条锈病发病时植株叶片褪绿、变黄的原因。由于初期病害对小麦体内的生理生化及叶面积影响轻微,在近红外波段两者差别不大。通过田间调查,此时的病叶率(发病叶片占总调查叶片数的比)5%左右,处于病害防治点时期,在理论上可以通过黄光区的异常对条锈病进行相关的诊断,从而达到及时发现、及时治理,减少产量损失。

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图 1 拔节期发病区与对照区光谱曲线比较

 

二、灌浆期、成熟区的发病与对照区光谱特征

随着生育期的推进,图2、图3所示,条锈病病害光谱有着较大的差别,综合上图,条锈病害光谱有如下的特征:

1任何时项下,550~660 nm黄光区,病害冬小麦冠层光谱反射率都高于正常生长冬小麦冠层光谱反射率都高于正常生长冬小麦。并且在1350 nm后,发病区冠层光谱反射率均位于对照区光谱上方。

2任何时项下,近红外波段760 nm处,拔节期后的病害冬小麦冠层光谱反射率都要大大低于对照区冬小麦。

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图 2 灌浆期发病区与对照区光谱曲线比较

3整个生育期,于760~1300 nm反映叶片细胞结构变化的波段范围内,条锈病病害叶面积指数等特征谷处变得平坦,整体上冠层反射率位于对照区冬小麦冠层光谱反射率下方。

4在1450/1950 nm水分敏感波段处,条锈病病害由于水分损失严重,从而吸收谷不如正常生长条件下的冬小麦。

综上,条锈病光谱特征是叶绿素、水分、叶面积指数等多种冠层光谱特征主导因子共同作用的结果,对这些因子间相互关系及它们对光谱特征贡献问题,将进一步研究阐明。

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图 3 成熟期发病区与对照区光谱曲线比较

三、总结

冬小麦受到条锈病侵染时,其冠层光谱反射率在绿光区、黄光区和近红外区有着明显的特征差异,绿光区、近红外平台处及黄光区的反射率随着病情的加重分别呈明显的上升、下降与上升趋势,这与植物叶片的光合色素含量及细胞结构改变有着紧密联系。并且,条锈病的红遍发生蓝移。

条锈病菌孢子落在冬小麦叶片后形成侵染菌丝并长出吸胞,伸入附近细胞内,从麦叶中吸取养料和水分,使小麦体内养分被吸收,叶绿素被破坏,大量鲜黄色孢子堆突破麦叶,使水分蒸腾量大大增加,细胞叶绿素与水分含量的下降使得叶片的光合作用能力随之下降#细胞结构发生变化,在光谱曲线上表现为绿峰反射率上升,黄光区的反射率上升及近红外反射率下降的趋势。

本试验研究表明在条锈病害田间病叶率为5%时的最佳防治时期内,高光谱可以对冬小麦条锈病害做出早期诊断。并在此基础上建立了遥感监测条锈病DI的单波段红边位置模型与多波段-长.下的组合诊断模式的定量模型。这对于利用高光谱遥感对冬小麦条锈病进行早期诊断及生育中后期的危害程度监测提供了理论依据及反演模型。




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