不同品种水稻受褐飞虱危害后的光谱特征

http://dx.doi.org/10.7685/j.issn.1000-2030.2015.05.014

文章信息

薛来震, 徐磊, 谭晔, 刘向东. 2015.

XUE Laizhen, XU Lei, TAN Ye, LIU Xiangdong. 2015.

不同品种水稻受褐飞虱危害后的光谱特征

Spectral characteristics of different rice cultivars damaged by the brown planthopper Nilaparvata lugens

南京农业大学学报, 38(5): 796-803

Journal of Nanjing Agricultural University, 38(5): 796-803.

http://dx.doi.org/10.7685/j.issn.1000-2030.2015.05.014

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收稿日期：2014-12-11

引用本文

薛来震, 徐磊, 谭晔, 刘向东. 2015. 不同品种水稻受褐飞虱危害后的光谱特征[J]. 南京农业大学学报, 38(5): 796-803. 复制到剪切板

XUE Laizhen, XU Lei, TAN Ye, LIU Xiangdong. Spectral characteristics of different rice cultivars damaged by the brown planthopper Nilaparvata lugens[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 38(5): 796-803. DOI: 10.7685/j.issn.1000-2030.2015.05.014 复制到剪切板

不同品种水稻受褐飞虱危害后的光谱特征

薛来震, 徐磊, 谭晔, 刘向东

南京农业大学植物保护学院/农作物生物灾害综合治理教育部重点实验室, 江苏南京 210095

收稿日期：2014-12-11

基金项目：国家973项目(2010CB126201)

作者简介：薛来震,硕士研究生.

通迅作者：刘向东,教授,主要从事昆虫生态及预测预报研究,E-mail:liuxd@njau.edu.cn。

摘要：[目的]本研究旨在明确不同品种水稻受褐飞虱危害后的光谱反射率与褐飞虱虫量间的关系,为光谱监测不同品种水稻上褐飞虱的危害提供指导.[方法]利用手持式光谱仪测定了4个水稻品种(‘武运粳29号’‘苏香粳3号’‘天丰优084号’和‘内二优6号’)在3个生育期(拔节期、孕穗期和扬花期)受不同虫量褐飞虱危害不同时间后稻株的光谱反射率.[结果]4个水稻品种受褐飞虱危害后,稻株的光谱反射率明显受褐飞虱虫量和危害持续时间的影响.随着褐飞虱危害的加重,稻株在近红外波段的反射率显著降低.稻株光谱反射率与褐飞虱虫量间的相关性随光谱波段变化而波动的趋势在4个水稻品种间均较为一致,不同品种水稻的光谱反射率均具备表征稻株受褐飞虱危害的能力.稻株受不同虫量褐飞虱危害后,拔节期在750 nm、孕穗期在485和675 nm、扬花期在675和750 nm处的光谱反射率能较好地区分各水稻品种受褐飞虱危害的虫量高低.[结论]不同品种水稻的光谱反射率均可表征褐飞虱的危害程度,并且在485、675和750 nm波段处的光谱反射率可用于建立适合不同品种水稻的褐飞虱光谱监测模型.

关键词：褐飞虱水稻品种生育期光谱反射率

Spectral characteristics of different rice cultivars damaged by the brown planthopper Nilaparvata lugens

XUE Laizhen, XU Lei, TAN Ye, LIU Xiangdong

College of Plant Protection/Key Laboratory of Integrated Management of Crop Diseases and Pests, Ministry of Education, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China

Abstract: [Objectives] This study aimed at the relationship between spectral reflectance from different cultivars of rice and the number of brown planthopper(BPH)Nilaparvata lugens infested rice,in order to supply guidance for monitoring BPH damage in different rice fields using spectral method. [Methods] A hand-held spectrometer was used to measure spectral reflectance from four rice cultivars(‘Wuyunjing 29’‘Suxiangjing 3’‘Tianfengyou 084’and‘Neieryou 6’)infested with different number of BPH. [Results] Reflectance from four rice cultivars was strongly dependent on the number of BPH infested and infestation duration,and the reflectance value in the near-infrared region decreased significantly as BPH damage became serious. The correlation between reflectance and the number of BPH infested rice fluctuated according to spectral wavelength,but the change trends of correlation coefficient varying with wavelength were similar in these four rice cultivars. The results suggest that reflectance from rice has the potential to identify the number of BPH infested different cultivars of rice plant. Spectral reflectance at 750 nm from jointing rice,485 and 675 nm from booting rice,and 675 and 750 nm from flowering rice,were more sensitive to BPH damage regardless of rice cultivar. [Conclusions] Reflectance from different cultivars of rice could indicate the BPH damage,and reflectance at 485,675 and 750 nm could be used for establishing spectral models to monitor the number of BPH in different cultivars of rice.

Keywords: brown planthopper rice cultivar developmental stage spectral reflectance

作物叶片或冠层的光谱反射率与作物受害虫危害程度的高低有着直接的关系,高光谱遥感具有监测作物害虫危害程度的潜力。与健康棉株相比,受到叶蝉危害后棉株的反射率在蓝光(450~520nm)和红光(630~690nm)区显著升高,而在近红外波段(760~900nm)显著下降,并且在376、496、691、715、761和1 124nm处的反射率对叶蝉危害程度的变化最敏感^[1];冬小麦灌浆期受蚜虫危害后,随着蚜虫危害程度的加重,小麦冠层反射率在可见光、近红外和红外波段逐渐减小,并且基于高光谱指数的模型可反演小麦受蚜害的等级^[2];随着叶片受稻纵卷叶螟危害等级的增加,叶片在绿光区(530~570nm)和近红外光区(700~1 050nm)的光谱反射率降低,随着叶片卷叶率的增高,叶片光谱反射率在450~500nm和610~700nm范围内增大,而在530~570nm和700~1 050nm范围内显著降低^[3];水稻分蘖期受稻纵卷叶螟危害后,其冠层光谱反射率在757nm处与受害级别间存在最大的负相关性,但在抽穗期受害,反射率在445nm处与受害级别呈最大的负相关^[4];水稻受白背飞虱危害后,随着受害程度加重,冠层光谱反射率在整体上呈下降趋势,尤其在近红外波段下降最明显^[5];苗期水稻受褐飞虱危害后,其在400~1 050nm波段内的反射率均随虫量的增加而降低,并且在520~570nm和700~1 000nm波长范围内降低最显著^[6];移栽后70~80 d的水稻受褐飞虱危害后,在可见光区反射率比不受害的高,而在近红外光区(740~925nm)比不受害的低,并且764、961、1 201和1 664nm可作为反应褐飞虱危害程度的敏感波段^[7]。

不过,作物的不同品种或同一品种的不同生育期,其光谱反射率有一定差异。不同甘蔗品种的叶片反射率在540~1 200nm处差异显著^[8];利用一些特定光谱波段的反射率,如550和760nm来区分2种棉花(Gossypium hirsutum和G.barbadense)的准确率分别达90.4%和100%^[9];Darvishsefat等^[10]对7个水稻品种的冠层光谱进行了测定,发现各波段处的反射率在7个品种间存在明显差异,并且2个光谱指数(Datt和PRI1)在水稻品种之间差异极显著。作物品种和生育期对光谱反射率的影响在一定程度上会降低利用光谱反射率指标来监测病虫害的准确性。目前,虽有关于水稻受褐飞虱危害后的光谱特征方面的研究,但是仍不清楚褐飞虱危害的光谱特征在不同水稻品种间的差异;同时,也没有组建出能适宜于不同品种和不同生育期水稻的褐飞虱光谱监测模型。因此,明确不同品种及不同生育期水稻受不同数量褐飞虱危害后的光谱特征,弄清稻株光谱反射率与稻飞虱虫量间的关系在水稻各品种和生育期中的表现,这将为高光谱遥感监测稻飞虱的危害提供重要基础参数和方法。本文以江苏主栽的4个水稻品种为对象,研究了从拔节期、孕穗期和扬花期开始受褐飞虱危害3~18 d后的光谱反射率,以期明确4个水稻品种在不同生育期的光谱反射率特征,以及各生育期的光谱反射率区分褐飞虱不同虫量的能力。研究结果将为下一步建立适合于不同水稻品种和不同生育期的褐飞虱光谱监测模型提供指导。

1 材料与方法 1.1 供试水稻品种及种植方法

供试水稻有籼稻和粳稻各2个品种:籼稻为‘天丰优084号’和‘内二优6号’,粳稻为‘武运粳29号’和‘苏香粳3号’,这4个品种均为江苏省主栽品种。各品种于2013年6月1日浸种催芽,用周转箱(长50 cm,宽30 cm,高20 cm)在温室内育秧,并于6月20日5叶1心期移栽至盛满黄土的直径10 cm、高 12 cm的塑料杯中,每杯1株。苗杯放于防虫纱网内在自然条件下培育稻株。在稻株的分蘖期按75 kg · hm^-2 用量施尿素1次,每天浇水1次并拔除杂草。当4个品种水稻均培养至拔节期(8月2日)、孕穗期(8月25日)和扬花期(9月17日)时,将稻株转移至室内光周期光/暗=12 h/12 h、温度23℃条件下培养,并进行接虫与光谱反射率测定。

1.2 稻株上褐飞虱的接虫处理

分别在水稻的拔节期、孕穗期和扬花期,对4个品种水稻分别挑选长势一致的稻株50株,剪除分蘖仅留唯一主茎后,按照每株0、5、10、15和20头的虫量梯度将褐飞虱3龄若虫接于稻茎上取食和生长发育。接虫后的稻株用高10 cm、直径9 cm的透明塑料围笼围住下部稻茎,褐飞虱在围笼内的稻茎上生活,避免其逃逸以及其他害虫的侵入,围笼上部用2 cm厚海绵封住,稻茎穿过海绵,使得稻叶均在围笼外正常生长。各水稻品种的每虫量梯度处理均重复10次。接虫3 d后测定稻株光谱反射率,同时对褐飞虱虫量进行观察计数,如发现有虫量减少,则补充与存活个体同龄的褐飞虱,以维持接虫梯度的不变。以后每3 d测定1次稻株光谱反射率,拔节期接虫的处理共测定3次,孕穗期和扬花期接虫的处理分别测定7次。

1.3 稻株光谱反射率的测定

采用美国ASD Field Spec Handheld便携式光谱仪及其室内测定卤素光源,在暗室内对稻株进行光谱测定。ASD光谱仪波段值为325~1 075nm,光谱分辨率为3nm,采样间隔(波段宽)为1.41nm,视场角为25°。稻株光谱测定时,苗杯内没有水,且将整个稻株小心地斜倒在桌面上,以免损伤稻株上的飞虱,然后将全部叶片和稻茎小心平铺于黑布上(尽量不损伤叶片和茎秆),平铺叶片间不留间隙,保证采集的光谱反射率均来自于水稻茎秆和叶片。用三角架将光谱仪探头固定,并使探头垂直向下正对待测叶片区域。探头距被测叶片表面的垂直距离为0.10 m,光源与叶片呈45°夹角。由于光谱仪视野不能包括整个茎秆和叶片长度,因此每株叶片平铺后分别将近端部、中部和基部3部分依次置于光谱仪下,测定其光谱反射率,每部分的光谱反射率测定时仪器自动重复测量5次,并以5次的平均值作为该部分的反射率值,每稻株的反射率以该3部分共15次测量的平均值计入。光谱反射率测定前利用标准白板进行仪器反射率校正,以后每隔20 min重新校正1次。稻株每次测定后,马上调查其上存活的褐飞虱数量,如发现有减少则补足相应虫龄的个体,稻株继续在室内生长,供下一次光谱测定。

1.4 数据分析方法

光谱数据由光谱仪传入计算机后,用光谱仪自带的分析软件View SpecPro(Version 5.0)将光谱数据转换为反射率值R_λ(λnm波段处的反射率)。对每波段处的反射率值与接虫数量间的相关性采用Pearson相关分析法。光谱反射率区分褐飞虱虫量能力的判断标准为:反射率随虫量的升高呈有规律的变化(升高或降低)时,判断该反射率具有区分虫量的能力,并且反射率在不同虫量间经Duncan′s多重比较存在显著差异时,才认为该波段反射率具有区分褐飞虱虫量的能力。各统计分析均在SAS 9.0中进行。

2 结果与分析 2.1 不同水稻品种受褐飞虱危害后的光谱反射率与虫量的关系 2.1.1 拔节期接虫

褐飞虱若虫5~20头危害拔节期稻株3 d后,稻株反射率与虫量的相关性在不同水稻品种间差异较大,‘武运粳29号’和‘苏香粳3号’的反射率与虫量的相关性较为一致,均在450~500nm绿光和650~700nm红光处与虫量呈显著的正相关,但‘天丰优084号’的反射率却在400~450nm蓝光、500~600nm绿光和700~730nm红光处与虫量呈显著正相关,‘内二优6号’的反射率在各波段处与虫量均无显著相关性(图 1-A)。褐飞虱危害6 d后,‘武运粳29号’‘苏香粳3号’和‘内二优6号’的光谱反射率与虫量的关系在各波段处的变化趋势较为一致,相关系数在485nm左右急剧降低,540nm处达极小值,然后又升高,且在675nm处达极大值,接着相关系数又急剧降低,且在750nm左右达极小值(图 1-B);但是‘天丰优084号’的反射率与虫量间的关系无此规律(图 1-B)。褐飞虱危害9 d后,4种水稻的反射率与虫量的相关性随波长变化的趋势较为一致,表现为在485和675nm左右的相关系数极大,而在540和750nm左右极小(图 1-C)。

	图 1 拔节期稻株光谱反射率与褐飞虱虫量间的相关系数 Fig. 1 Correlation coefficient of reflectance from four rice cultivars at jointing stage to the number of brown planthopper(BPH) 水平虚线代表相关系数在α=0.05上的显著水平。Dash lines mean the significance of correlation coefficient at α=0.05 level. The same as follows.
图选项

2.1.2 孕穗期接虫

孕穗期水稻受褐飞虱危害3 d,稻株光谱反射率与褐飞虱虫量间的相关程度在4个水稻品种间差异很大,且相关系数随光谱波段的变化在4个品种间很不一致(图 2-A);但当继续危害6~18 d后,稻株反射率与虫量间的相关系数随波段变化的规律在4个品种间趋于一致,且相关系数在485和675nm左右处于极大值,而在540和750nm左右处于极小值(图 2-B~F)。

	图 2 孕穗期稻株光谱反射率与褐飞虱虫量间的相关系数 Fig. 2 Correlation coefficient of reflectance from four rice cultivars at booting stage to the number of BPH
图选项

2.1.3 扬花期接虫

水稻扬花期接虫后受不同虫量的褐飞虱危害3~18 d,稻株光谱反射率与虫量的相关性随光谱波段的变化在4个品种间的变化规律较为一致(图 3)。4个品种水稻在不同危害时间下反射率与虫量间的相关系数均在485和675nm左右处于极大值,而在540和750nm左右处于极小值,并且危害时间越长,这种变化趋势愈加明显(图 3)。

	图 3 扬花期稻株光谱反射率与褐飞虱虫量间的相关系数 Fig. 3 Correlation coefficient of reflectance from four rice cultivars at flowering stage to the number of BPH
图选项

综合3个生育期的结果表明:稻株受褐飞虱危害后,其光谱反射率与褐飞虱危害虫量间的相关性随光谱波段变化而变化,其趋势在4个水稻品种间较为一致,且随褐飞虱危害时间延长更为明显,这说明稻株光谱反射率具有表征各品种水稻受褐飞虱危害程度的能力,各波段处的光谱反射率对褐飞虱危害虫量的敏感性在各品种水稻上表现一致。

2.2 不同品种水稻光谱反射率区分褐飞虱危害虫量的能力 2.2.1 拔节期接虫

拔节期水稻受褐飞虱危害9 d后的光谱反射率在不同虫量间的差异受水稻品种影响。‘武运粳29号’水稻在485和675nm处的反射率表现为接0~15头褐飞虱的稻株显著低于接20头的稻株(485nm:F_4,45=5.29,P=0.001 4;675nm:F_4,45=4.85,P=0.002 4),这两波段处的反射率具有区分20头以上褐飞虱危害的能力;750nm处的反射率健康稻株显著高于受10~20头褐飞虱危害后的稻株(F_4,45=10.64,P<0.000 1);540nm处的反射率虽表现为受0~5头褐飞虱危害的稻株显著高于受15头虫量危害的稻株(F_4,45=4.73,P=0.002 8),但均与20头虫量危害后的稻株无显著差异(表 1)。‘苏香粳3号’‘天丰优084号’和‘内二优6号’水稻受0~20头虫量褐飞虱危害9 d后,其在485、540和675nm处的反射率在各虫量间均无显著差异,无区分虫量的能力;750nm处的反射率虽不能区分‘苏香粳3号’和‘内二优6号’水稻的健康与受害稻株,但能区分‘天丰优084号’的健康和受褐飞虱危害的稻株(表 1)。总之,不同品种水稻在拔节期受褐飞虱危害后,稻株在近红外光750nm处的反射率区分褐飞虱虫量的能力相对较强。

表 1 4个品种水稻在拔节期受不同虫量褐飞虱危害9 d后的反射率 Table 1 Reflectance from four cultivars of rice plant damaged by different number of BPH at jointing stage for 9 days

品种 Cultivars	虫量Number of BPH	R₄₈₅	R₅₄₀	R₆₇₅	R₇₅₀
武运粳29号	0	0.064 8±0.002 6^b	0.147 8±0.007 6^a	0.082 5±0.007 8^b	0.381 4±0.018 5^a
Wuyunjing 29	5	0.070 2±0.001 5^b	0.139 1±0.006 4^a	0.089 1±0.003 7^b	0.338 8±0.021 3^ab
	10	0.068 2±0.001 7^b	0.123 6±0.005 7^ab	0.093 0±0.004 5^b	0.293 9±0.015 2^bc
	15	0.071 4±0.003 5^b	0.112 5±0.006 8^b	0.095 9±0.007 6^b	0.236 3±0.017 0^c
	20	0.086 6±0.006 5^a	0.134 1±0.004 8^ab	0.132 1±0.015 4^a	0.285 6±0.010 6^bc
苏香粳3号	0	0.061 5±0.002 7^a	0.135 8±0.005 6^a	0.071 8±0.005 6^a	0.364 9±0.023 8^ab
Suxiangjing 3	5	0.069 4±0.004 1^a	0.147 2±0.004 0^a	0.093 8±0.011 9^a	0.394 9±0.018 8^a
	10	0.064 6±0.002 3^a	0.137 0±0.005 2^a	0.077 8±0.005 6^a	0.368 1±0.018 5^ab
	15	0.064 6±0.002 1^a	0.130 1±0.004 9^a	0.083 2±0.005 8^a	0.336 2±0.014 7^ab
	20	0.065 5±0.003 4^a	0.129 5±0.006 1^a	0.094 5±0.008 9^a	0.322 5±0.009 8^b
天丰优084号	0	0.075 6±0.003 1^a	0.166 8±0.004 6^a	0.081 8±0.006 0^a	0.499 0±0.013 2^a
Tianfengyou 084	5	0.068 7±0.002 2^a	0.134 1±0.004 0^a	0.076 5±0.003 8^a	0.364 4±0.011 3^c
	10	0.071 6±0.001 1^a	0.149 9±0.003 0^a	0.078 0±0.002 2^a	0.426 2±0.016 8^b
	15	0.076 7±0.002 1^a	0.138 1±0.004 0^a	0.093 4±0.006 3^a	0.370 3±0.014 4^c
	20	0.071 0±0.001 2^a	0.131 4±0.003 6^a	0.083 4±0.002 7^a	0.344 2±0.011 7^c
内二优6号	0	0.063 1±0.001 7^a	0.137 5±0.004 3^a	0.067 7±0.002 7^a	0.415 2±0.013 5^ab
Neieryou 6	5	0.068 6±0.002 8^a	0.140 5±0.003 1^a	0.076 2±0.005 1^a	0.430 2±0.013 9^a
	10	0.066 9±0.001 9^a	0.139 4±0.003 7^a	0.071 5±0.003 5^a	0.427 9±0.011 5^a
	15	0.067 7±0.001 9^a	0.141 7±0.003 7^a	0.078 1±0.004 6^a	0.411 5±0.016 5^ab
	20	0.071 7±0.003 9^a	0.131 8±0.004 9^a	0.087 7±0.009 1^a	0.370 5±0.014 7^b
注: 不同小写字母表示该光谱反射率在相同水稻品种内的不同接虫数量间在0.05水平差异显著。Data with different lower case means significant difference of reflectance among different number of BPH in the same rice cultivar at 0.05 level.The same as follows.

表选项

2.2.2 孕穗期接虫

稻株在孕穗期受到不同虫量褐飞虱危害15 d后,‘武运粳29号’稻株的光谱反射率在485和675nm处均能较好地区分0~5头和20头虫量危害的稻株,但540和750nm处的反射率均无法区分健康和受害的稻株(表 2)。‘苏香粳3号’稻株在485和675nm处的反射率能区分健康和受20头虫量危害的稻株,但不能区分5~20头危害后的稻株;同时540和750nm处的反射率不能区分健康和受害的稻株(表 2)。‘天丰优084号’水稻在485和675nm处的反射率能区分健康和受20头危害的稻株,但540和750nm处的反射率难以区分健康和受害的稻株(表 2)。‘内二优6号’稻株在485和675nm处的反射率能区分健康与受10~20或15~20头虫量危害的稻株,但540和750nm处反射率不能区分健康和受害的稻株(表 2)。总之,不同品种稻株孕穗期受褐飞虱危害后,稻株在蓝光485nm和红光675nm处的反射率表征褐飞虱虫量的能力较强。

表 2 4个品种水稻在孕穗期受不同虫量褐飞虱危害15 d后的反射率 Table 2 Reflectance from four cultivars of rice plant damaged by different number of BPH at booting stage for 15 days

品种 Cultivars	虫量Number of BPH	R₄₈₅	R₅₄₀	R₆₇₅	R₇₅₀
武运粳29号	0	0.063 5±0.001 2^b	0.148 0±0.004 2^a	0.067 1±0.002 5^b	0.401 3±0.016 6^a
Wuyunjing 29	5	0.065 1±0.001 2^b	0.148 4±0.003 8^a	0.068 9±0.001 8^b	0.395 6±0.009 6^a
	10	0.073 9±0.003 1^ab	0.143 4±0.005 4^a	0.088 6±0.007 2^ab	0.354 7±0.028 9^a
	15	0.073 5±0.003 6^ab	0.142 0±0.005 7^a	0.087 0±0.006 7^ab	0.338 7±0.026 8^a
	20	0.077 0±0.005 7^a	0.147 5±0.003 9^a	0.096 8±0.011 4^a	0.351 5±0.019 4^a
苏香粳3号	0	0.056 6±0.001 2^b	0.124 6±0.003 7^a	0.061 5±0.002 0^b	0.339 0±0.014 8^a
Suxiangjing 3	5	0.065 4±0.004 6^ab	0.127 5±0.003 9^a	0.082 9±0.011 0^ab	0.331 3±0.021 1^a
	10	0.068 2±0.004 7^ab	0.120 1±0.003 5^a	0.090 2±0.010 8^ab	0.288 4±0.016 0^a
	15	0.068 3±0.002 0^ab	0.132 2±0.006 0^a	0.088 8±0.004 4^ab	0.292 8±0.018 3^a
	20	0.075 0±0.003 5^a	0.125 3±0.003 9^a	0.102 0±0.007 7^a	0.270 9±0.021 9^a
天丰优084号	0	0.067 9±0.002 9^b	0.148 1±0.004 9^a	0.071 1±0.003 6^b	0.437 5±0.021 0^ab
Tianfengyou 084	5	0.082 8±0.004 2^ab	0.155 7±0.004 3^a	0.100 6±0.011 7^ab	0.461 5±0.022 7^a
	10	0.085 1±0.004 6^a	0.149 6±0.005 6^a	0.103 2±0.009 7^ab	0.388 7±0.025 2^ab
	15	0.079 3±0.004 1^ab	0.142 1±0.005 4^a	0.094 4±0.009 5^ab	0.368 2±0.025 4^b
	20	0.085 3±0.004 3^a	0.144 2±0.005 8^a	0.112 3±0.010 6^a	0.371 1±0.028 6^b
内二优6号	0	0.062 5±0.000 7^c	0.146 5±0.004 9^a	0.062 5±0.000 8^c	0.466 2±0.009 3^a
Neieryou 6	5	0.063 3±0.001 0^bc	0.139 5±0.002 1^a	0.065 9±0.001 5^bc	0.456 8±0.011 0^a
	10	0.067 0±0.001 0^ab	0.148 0±0.002 6^a	0.073 2±0.002 3^abc	0.453 6±0.014 9^a
	15	0.070 3±0.002 8^a	0.148 3±0.011 1^a	0.082 1±0.005 0^a	0.413 4±0.016 2^a
	20	0.068 8±0.001 3^ab	0.148 3±0.002 8^a	0.076 5±0.002 4^ab	0.454 1±0.013 4^a

表选项

2.2.3 扬花期接虫

4个水稻品种在扬花期受0~20头褐飞虱危害15 d后,‘武运粳29号’稻株在675和750nm处的反射率基本能区分健康与受害的稻株,并且750nm处反射率还能区分5头和10~15头危害的稻株;而485和540nm处的反射率较难区分健康和受害稻株(表 3)。‘苏香粳3号’稻株受10~20头褐飞虱危害后的反射率虽然在540和750nm处显著低于5头危害的稻株,但其与健康稻株无显著差异;在485和750nm处也无法区分健康和受害稻株。‘天丰优084号’稻株在485和675nm处的反射率能区分0~10和15~20头褐飞虱危害后的稻株,但540nm的反射率在健康与受害稻株间无显著差异;750nm处反射率能区分0~5和20头的危害,且在5头、10头和20头虫量危害稻株间差异显著。‘内二优6号’稻株在750nm处反射率能区分健康与受褐飞虱危害的稻株,且受5头危害的稻株反射率显著高于15和20头的稻株;675nm处的反射率能区分健康与受10~15头危害的稻株,但无法区分20头危害的稻株;而485和540nm处的反射率无法区分健康与受害的稻株(表 3)。不同品种水稻在扬花期受褐飞虱危害15 d后,稻株在红光675nm和近红外光750nm处的反射率表征褐飞虱虫量的能力相对要强。

表 3 4个品种水稻在扬花期受不同虫量褐飞虱危害15 d后的反射率 Table 3 Reflectance from four cultivars of rice plant damaged by different number of BPH at flowering stage for 15 days

品种 Cultivars	虫量Number of BPH	R₄₈₅	R₅₄₀	R₆₇₅	R₇₅₀
武运粳29号	0	0.050 5±0.001 0^b	0.112 8±0.007 5^a	0.052 2±0.000 8^c	0.308 6±0.020 5^a
Wuyunjing 29	5	0.057 7±0.002 2^b	0.113 3±0.006 9^a	0.070 0±0.006 1^b	0.257 9±0.019 8^ab
	10	0.065 1±0.003 8^a	0.090 3±0.004 1^ab	0.079 0±0.007 0^ab	0.186 4±0.024 9^c
	15	0.057 4±0.002 3^b	0.082 9±0.003 5^b	0.067 9±0.003 8^bc	0.169 7±0.017 4^c
	20	0.067 0±0.002 4^a	0.114 3±0.013 1^a	0.092 4±0.007 8^a	0.219 7±0.032 5^bc
苏香粳3号	0	0.053 1±0.001 1^a	0.104 8±0.003 9^b	0.059 7±0.002 1^ab	0.290 7±0.019 2^b
Suxiangjing 3	5	0.055 5±0.001 3^a	0.127 0±0.005 0^a	0.058 1±0.002 2^b	0.442 3±0.016 3^a
	10	0.055 4±0.002 1^a	0.107 4±0.004 7^b	0.065 0±0.004 6^ab	0.261 3±0.017 7^b
	15	0.056 9±0.002 4^a	0.107 0±0.006 2^b	0.067 0±0.004 9^ab	0.252 8±0.016 0^b
	20	0.058 2±0.002 4^a	0.100 9±0.007 1^b	0.070 1±0.003 2^a	0.234 4±0.024 6^b
天丰优084号	0	0.052 2±0.001 1^b	0.119 5±0.003 6^a	0.056 1±0.003 0^b	0.412 8±0.014 2^ab
Tianfengyou 084	5	0.056 8±0.002 2^b	0.127 9±0.007 9^a	0.063 0±0.005 0^b	0.422 7±0.032 5^a
	10	0.057 9±0.002 4^b	0.117 9±0.005 0^a	0.073 0±0.005 9^b	0.347 6±0.016 4^bc
	15	0.065 9±0.002 4^a	0.122 8±0.003 5^a	0.094 4±0.007 7^a	0.357 8±0.022 6^abc
	20	0.067 3±0.003 6^a	0.117 1±0.006 4^a	0.100 9±0.010 5^a	0.327 3±0.025 7^c
内二优6号	0	0.056 1±0.001 5^a	0.135 3±0.004 2^a	0.055 0±0.001 7^c	0.505 0±0.008 7^a
Neieryou 6	5	0.055 5±0.001 3^a	0.127 0±0.005 0^a	0.058 1±0.002 2^bc	0.442 3±0.016 3^b
	10	0.060 7±0.002 3^a	0.125 4±0.003 6^a	0.074 1±0.006 1^a	0.426 9±0.027 0^bc
	15	0.060 4±0.004 2^a	0.123 2±0.006 5^a	0.070 5±0.007 5^ab	0.382 8±0.021 5^c
	20	0.054 6±0.001 1^a	0.115 6±0.003 2^a	0.058 9±0.001 9^bc	0.393 1±0.011 4^bc

表选项

3 讨论

前人研究表明:高光谱数据可区分棉花、辣椒、水稻和甘蔗的各3个品种,且平均准确率在86.5%左右,其中对3个水稻品种的识别准确率在81.8%~86.5%之间^[11]。基于光谱反射率的叶绿素指数和光合作用指数区分7个水稻品种的能力较强,且在21次检测中有19次表现出了品种间的显著差异^[10]。利用可见光和近红外光谱特征,采用主成分分析和人工神经网络方法,可区分3个茶叶品种,区分准确率在77.3%左右^[12]。作物的光谱特征具有区分作物品种的能力,这为利用高光谱监测不同品种作物上虫害发生程度提供了可能。不同类型水稻品种对稻飞虱的抵抗力和耐虫性有所不同^[13]。‘武粳’‘武运粳7号’和‘武运粳8号’较宜感灰飞虱,而‘汕优63’‘协优63’‘协优136’‘丰优香’4个杂交组合中抗或高抗灰飞虱^[14]。因此,相同数量的稻飞虱危害不同品种水稻后,其对水稻的危害程度会存在差异,因此,在利用高光谱监测稻飞虱虫量时,需考虑水稻类型和品种的差异。本研究发现:不同品种水稻受褐飞虱危害后,在可见光和近红外光区域的光谱反射率与飞虱虫量间的相关性随光谱波段变化的规律在不同品种间、以及相同品种不同生育期间均较为一致,并且当褐飞虱危害时间较长,危害程度加重时,一致性更明显。这一结果表明:稻株在不同波段的光谱反射率对褐飞虱虫量的敏感程度在不同品种间较为一致,该结果预示光谱反射率具有监测不同水稻品种受褐飞虱危害的潜能,这为进一步建立褐飞虱虫量的光谱监测模型奠定了基础。

前人对稻飞虱危害某个水稻品种的某一生育期后水稻的光谱特征已有一些研究,并且提出了稻飞虱危害后水稻光谱的敏感波段及表征飞虱危害程度的一些光谱指数^{[6, 15, 16]}。本研究将水稻品种和生育期,以及不同虫量褐飞虱危害不同时间后的光谱反射率同时进行研究,其结果更具有代表性和实用性。本研究发现:4个水稻品种的光谱反射率区分褐飞虱不同虫量的能力,在拔节期受害后以近红外光750nm波段处较强,在孕穗期受害后以蓝光485nm和红光675nm处较强,而在扬花期受害后以红光675nm和近红外光750nm处较强。这些光谱波段的反射率可用于组建适合于不同水稻品种和生育期的褐飞虱监测模型。不过,本研究所涉及的水稻品种还不全面,并且仅在室内采用人工接虫的方法研究了4个品种水稻的光谱反射率与褐飞虱危害虫量间的关系,并且大田中褐飞虱虫口密度会比本试验中的低、危害时间会更长,同时,稻田肥力和施肥量多种多样,且肥力水平也会直接影响褐飞虱的生长、存活和繁殖^[17]及水稻的光谱反射率^[16]。因此,我们还需综合多方面因素,对更多主栽品种进行褐飞虱危害虫量与光谱反射率间的关系研究,建立水稻品种、生育期、褐飞虱起始虫量、危害持续时间及稻田施肥量等的高光谱特征识别数据库,组建危害程度的光谱监测模型,从而为褐飞虱虫量和危害程度的高光谱监测提供指导。

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