拔节期弱光涝渍胁迫下夏玉米生理特性及高光谱响应研究

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本研究以江玉877品种的夏玉米作为研究对象,分析拔节期弱光涝渍3、5、7、9天后夏玉米各生理指标及高光谱反射率的特征和差异,并且基于高光谱技术结合机器学习算法构建玉米叶片SPAD、相对电导率及可溶性糖含量估算模型,实现对安徽省夏玉米阴雨寡照灾情的精准化监控,提高安徽地区夏玉米防灾减灾能力。主要结果如下:(1)实验组的夏玉米株高相对于对照分别减少4.11%、3.47%、15.53%及1.56%,表明复合胁迫7天对株高的影响最为严重;弱光涝渍3天时,实验组鲜重比对照偏高5.47%,弱光涝渍5、7、9天的玉米植株的鲜重相对于对照降低了13.36%、11.69%及28.33%,表明短时间的弱光涝渍胁迫会加强植物对水分的吸收。实验组的玉米植株的干重相对于对照降低了23.06%、26.21%、28.77%及33.87%,表明胁迫持续时间越久,对夏玉米干物质形成与积累影响越深。(2)受胁迫的夏玉米叶片SPAD值较于对照显著减少,平均降低16.60%。表明夏玉米拔节期弱光涝渍耦合胁迫逆境减少了叶片叶绿素含量。夏玉米拔节期弱光涝渍耦合胁迫使得叶片相对电导率相对于对照明显上升,实验组分别比对照偏大16.82%、13.29%、57.34%及94.37%,而且随着胁迫时间的延长总体上呈现增大的趋势,说明胁迫时间越长,对叶片细胞造成伤害的程度越深。夏玉米拔节期实验组叶片中可溶性糖的含量相比于对照偏多,平均偏高8.71%。而且随着胁迫时间的增长可溶性糖含量呈现出微弱的增加趋势。对于POD活性来说,实验组相较于对照分别提升了15.15%、3.98%、60.73%及79.91%,总体上呈现出显著的上升趋势。说明随着胁迫时间的增长,夏玉米叶片抗逆性越强。(3)弱光涝渍逆境下夏玉米花粉活力相对于对照,不健康的花粉总占比提高41.04%、67.48%、118.99%及145.29%,占比呈现翻倍上升的趋势。而且,实验组的夏玉米花粉颗粒长轴相较于CK分别下降了3.62%、10.6%、14.15%及14.92%;短轴相较于CK分别下降了4.10%、11.73%、11.63%及14.60%,即胁迫也导致椭圆形花粉颗粒变小。表明拔节期弱光涝渍胁迫对花粉活力和形状的影响显著。拔节期受到弱光涝渍胁迫的夏玉米籽粒品质下降。实验组的夏玉米籽粒蛋白质含量相对于CK组分别下降了1.26%、6.35%、9.69%及12.15%;淀粉含量相对于CK组分别下降了1.30%、3.09%、4.23%及4.81%;脂肪含量相对于CK分别下降了2.99%、10.69%、12.74%及13.77%;粗纤维含量相对于CK分别下降了4.94%、7.34%、7.51%及7.89%。表明胁迫持续时间越长,夏玉米籽粒品质越低。(4)随着胁迫时间的持续,对照叶片的高光谱反射率曲线的“绿峰”峰值一直要高于实验组,表明胁迫降低了夏玉米叶片叶绿素含量。“红谷”特征曲线由重合转变为对照高于实验组,表明复合胁迫降低了叶片对红橙光的反射能力。而对于“近红外强反射平台”特征表现先增强再减弱的趋势,与对照相比,表现为从实验组从高于对照,到弱光涝渍7天后转变为实验组低于对照。表明叶绿素对弱光涝渍复合胁迫的响应最为敏感。(5)基于高光谱结合机器学习算法构建受弱光涝渍胁迫的夏玉米叶片SPAD、相对电导率及可溶性糖含量估算模型,其中SPAD与高光谱反射率的相关性最显著,估算模型的精度最高。一阶导数光谱的负相关特征波段结合RF算法构建的弱光涝渍胁迫下夏玉米叶片的SPAD值估算模型效果最好,训练集R~2达到了0.945,RMSE为1.567;测试集R~2为0.913,RMSE为1.010。一阶导数光谱的正相关特征波段通过BPNN算法构建的阴雨寡照胁迫下夏玉米叶片的相对电导率估算模型精度最高,训练集R~2达到了0.875,RMSE为2.179;测试集R~2为0.854,RMSE为1.698。弱光涝渍胁迫下夏玉米叶片的可溶性糖含量估算模型构建以一阶导数光谱的负相关特征波段结合GRNN算法方式为最佳,训练集R~2为0.759,RMSE为1.911;测试集R~2为0.759,RMSE为2.375。
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