水稻叶片色素含量近红外光谱估测模型研究.pdf

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1、第40卷分析化学(FENXIHUAXUE)研究报告第4期2012年4月ChineseJournalofAnalyticalChemistry589～595水稻叶片色素含量近红外光谱估测模型研究姚霞田永超倪军张玉森曹卫星朱艳(南京农业大学／国家信息农业工程技术中心／江苏省信息农业高技术研究重点实验室，南京210095)摘要以不同品种类型和不同施氮水平的水稻(Oryzasativa)叶片近红外光谱信息为基础，运用逐步多元回归法(Stepwisemultiplelinearregression,SMLR)、主成分回归法(Principalc

2、omponentregression,i?CR)、偏最小二乘法(Par—tialleastsquare,PLS)和BP神经网络法(Back-propagationneuralnetwork,BPNN)，建立了水稻叶片中叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、叶绿素a+b(Chla+b)和类胡萝b素(Car)的近红外预测模型。结果显示，利用8O00~4000cm-波段范围的一阶导数(Firstderivative,FD)建模效果最佳。其中，基于PLS的预测模型效果最好；4类近红外色素模型的内部交叉验证误差分别为0．251，0．063

3、，O．305和O．073；外部交叉验证的误差RMSEP分别为O．335，O．123，O．302和0．072，表明的预测效果较好。因此，可以基于近红外模型对水稻叶片色素含量进行快速测定。关键词水稻；叶片色素；近红外光谱；最佳因子数；偏最小二乘法引言叶片色素是植物与外界进行物质交换和能量转化的物质基础，：直接决定作物的光合作用潜力和物质生产能力]。近些年，随着传感器技术的发展，利用高光谱反演叶片色素含量已成为作物长势监测和营养调控的重要手段。前人对色素的研究多致力于基于高光谱或者多光谱寻找有限核心波段，构建敏感参数建立线性模型[8~12]

4、，而没有充分利用高光谱海量信息，发挥化学计量学的信息提取优势，所建模型的精度不高，普适性不强。近红外光谱(NIRS)技术是20世纪80年代后期迅速发展起来的绿色测试技术，具有快速、高效、无损的特点，已经在许多领域广泛应用卜”]。NIRS在水稻领域的应用主要集中在稻米蛋白质、直链淀粉和脂肪等品质指标的估测，而对水稻色素等指标的快速测定鲜有报道。因此，如何最大程度地挖掘NIR谱区的丰富信息，并克服外界环境对光谱的影响，同时结合化学计量学定量分析的优势，实现水稻叶片色素含量的精确快速测定，有待于进一步深入研究。本研究利用2年内4个不同水稻品

5、种、不同施氮水平的大田试验资料，应用近红外光谱技术，运用逐步多元回归法(Stepwisemultiplelinearregression，SMLR)、主成分回归法(Principalcomponentregres—sion，PCR)、偏最小二乘法(Partialleastsquare，PLS)和BP神经网络：(Back—propagationneuralnetwork，BPNN)4种方法，建立了基于近红外光谱的水稻叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a十b和类胡萝卜素含量的估算模型。预期结果将为水稻叶片色素含量的近红外光谱监测提供理论基础和

6、技术支持。2实验部分2．1田间试验和样品采集2．1．1田间试验共进行了4个田间试验，涉及到不同年份和不同品种。试验地点在南京市江宁试验区(118。59E，31。56N)，根据土壤基础肥力差异施氮量有所不同，4个试验设计了不同的氮素处理(表1)。试验1(EXE1)和试验3(EXP．3)采用随机区组排列，3次重复；小区面积为5．0m×5．0m，株行距为0，15mXO，25m。小区之间以埂相隔，埂上覆膜，独立排灌。氮肥按基肥35％、分蘖肥15％、促花肥25％、保花肥25％施入；另外配施PO5135kg／hm，K2O190kg／hm，做基肥施

7、人，其它管理同水稻高产栽培。试验2(ExP．2)和试验4(Ex]4)分别采用随机区组和裂区设计，裂区设计以2个品种为主区，以201卜04-04收稿；201卜lo-l9接受本文系教育部新世纪优秀人才支持计划(No．NCET一08—0797)、国家自然科学基金(Nos．30901)868，30871448)、国家863计划(No．2011AA100703)、江苏省创新学者攀登计划(No．BK2008037)，江苏省科技支撑计划项目(No．BE2010395)和江苏省自然科学基金(Nos．BK2008330，BK2010453)资助E-ma

8、il：yanzhu@njau．edu．cn分析化学第40卷3个氮素供应水平为副区，重复3次；小区面积为5．0mX5．0m，株行距为0．20m×0．28m。氮肥按基肥、分蘖肥、促花肥、保花肥5：1：2：2施入，磷钾肥的施用