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摘 要 以苦荞黑丰1号为试验材料，在田间试验中喷施不同浓度硒，测定苦荞不同生育进程的冠层反射光谱和chl a+b含量，并分析其与光谱反射率间的关系。同时测定苦荞籽粒蛋白质含量，分析农学参数与籽粒蛋白质含量之间的关系，以农学参数为链接，建立苦荞籽粒蛋白质含量与冠层光谱反射率的预测模型。
关键词 苦荞；硒；高光谱遥感技术；籽粒蛋白质
中图分类号：S517 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.27.068
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验于2017年6月至2017年10月在山西省晋中市太谷县申奉试验站进行。试验采用随机区组的设计，小区面积为10 m2（2 m×5 m），硒由亚硒酸钠（Na2SeO3）提供，用Na2SeO3喷施，设5个处理，分别为Se0
（0 mg·L-1）、Se1（2.5 mg·L-1）、 Se2（5 mg·L-1）、Se3（10mg·L-1）、Se4（20 mg·L-1），每个处理3次重复，共15个小区；在开花期进行叶面喷施，其他同一般大田管理。供试土壤为灰褐土，土壤pH为8.3，有机质22.97 g·kg-1，全氮、全磷、全钾含量分别为13.65 g·kg-1、11.26 g·kg-1、187.64 g·kg-1，全硒0.132 mg·kg-1。
1.2 农学参数测定
1.2.1 冠层光谱测定
采用美国ASD Fieldspec3.0型便捷式高光谱仪来测定冠层光谱的反射率，仪器的视场角为25°，波段范围在350～2 500 nm处。测量时需要在天气晴朗、无风时进行，测量的时间最好为10：00至14：00，为了提高测量的精确度，在测量过程中，要及时、多次进行白板校正，探头必须垂直向下，距离冠层垂直高度约1 m。每个小区测量两个点，每个点重复10次，取其平均值作为该小区的光谱测量值。
1.2.2 叶绿素含量测定
采集光谱数据的同时进行采样，测定其叶绿素含量，每个小区选取具有代表性的1个单茎，擦净其叶片表面存在的污物，并在去除主叶脉后将其剪碎，称取剪碎的鲜样品0.05 g左右于试管中，加入6 mL 98%的无水乙醇，再加入4 mL蒸馏水，放置在暗光的地方储藏24 h，在测定时，对提取液用分光光度计进行比色，分别测定665 nm和649 nm处的吸光度，按公式计算其叶片色素含量：
Ca（mg·L-1）=13.95A665-6.88A649 （1）
Cb（mg·L-1）=24.96A649-7.32A665 （2）
叶片色素含量（mg·g-1）=C×V/W （3）
式（3）中，C为叶绿素浓度，mg·L-1；V为提取液总体积，L；W为叶片鲜重量，g。
Chl a+b含量（mg·g-1）=Chl a+Chl b （4）
1.2.3 籽粒蛋白質含量（GPC）测定
苦荞籽粒蛋白质含量的测定用半微量凯氏定氮法。将收获后的苦荞籽粒晒干，并将其粉碎，再进行消煮，用SmartChem 2000全自动间断化学分析仪测量其氮含量，然后根据公式求出苦荞的籽粒蛋白质含量：
蛋白质含量=（5）
式（5）中，m为粉碎后样品重量，g；c为消煮液中的氮含量，mg·L-1；0.05为定容后的体积，L；6.25为氮含量换算成蛋白质含量的平均系数。
2 结果与分析
2.1 苦荞冠层反射光谱特征对不同施硒水平的响应
在整个生育进程，不同硒水平下苦荞冠层光谱反射率在可见光波段的变化不明显，但在近红外波段存在一定的差异，不同硒水平下苦荞冠层光谱反射特征如图1所示，从图中可以看出，以花后10 d为例，在近红外波段，Se1的反射率比较高，Se4反射率最小；在花后15 d，整体的变化趋势趋于平缓。
2.2 不同施硒水平下苦荞chl a+b含量的变化
苦荞叶绿素含量既能够表明苦荞的生长状况，又能够表征苦荞的生产能力，且直接影响着苦荞的经济产量。如图2可知，在花后10 d达最大值，且Se1水平处理下的苦荞chl a+b含量趋势最高。
2.3 苦荞chl a+b含量与植被指数的关系
为了更好地监测苦荞chl a+b含量，选择与其相关性较高的7种植被指数作为自变量，chl a+b含量作为因变量，分别建立其指数、线性、多项式的模型，见表1。根据R2最大优选模型的原则可知，在chl a+b含量的拟合中，植被指数NDCI、NVI、RVI（729，755）、DVI（980，733）和NDVI（955，729）的效果较好。
2.4 基于植被指数的苦荞chl a+b含量监测模型
对表1中较优的chla+b含量估测模型分别进行验证，用决定系数R2作为检验的指标，见表2，综合考虑不同的植被指数在建模中的表现，以DVI （980，733）为变量的苦荞chl a+b含量的监测模型较优。
2.5 农学参数与苦荞籽粒蛋白质含量的关系
对收获后的苦荞籽粒蛋白质含量与其各生育进程的chl a+b含量进行相关分析，结果见表3。结果表明，在不同的生育进程中，农学参数与籽粒蛋白质含量之间的相关性，存在着一定的差异。chl a+b含量在花后10 d，其相关系数达到最大值。
由表3可知，chl a+b含量与苦荞籽粒蛋白质含量间的关系较为密切，通过分析其相关性，建立相应的定量关系，其回归方程为Y=-6.7481x2+27.597x-14.686，决定系数R2为0.733 2。
2.6 苦荞籽粒蛋白质含量的光谱监测及检验 通过对不同生育进程的chl a+b含量与其不同的植被指数，以及对应其农学参数与苦荞籽粒蛋白质含量进行综合分析可知，chl a+b含量能够更好地作为特征光谱参数与苦荞籽粒蛋白质含量之间的链接。
不同硒水平处理下的chl a+b含量与NDVI（955，729）的相关性达到显著的水平。则所有苦荞籽粒蛋白质含量组合的回归方程为：
Chl a+b=-307.44x2+35.387x+1.0366，R2=0.683 9，n=45
将所有硒水平组合的chl a+b含量在花后10 d与苦荞籽粒蛋白质含量的回归方程，及其所有硒水平组合的chl a+b含量与其对应光谱的回归方程联系起来，建立苦荞籽粒蛋白质含量的高光谱监测模型，可知，其模型的方程为Y=7.0936e0.692 9（-0.307.44x2+35.387x+1.036 6），R2、RMSE和RE分别为0.7263、0.236和2.185。
为了更加直观的展示其测试效果，对其实测值和预测值作出了线性拟合图，如图3所示。
3 讨论
高光谱遥感技术在研究精准农业方面是最重要的工具，它不仅能够处理作物的冠层光谱信息，还可以结合实际测量到的农学参数，进行分析，并建立其相应的估测模型，从而能够更加精确地监测作物的生长状况等。
在苦荞的品质与其高光谱监测方面研究，逐渐受广泛的重视。运用高光谱遥感技术在苦荞籽粒蛋白质含量方面进行监测研究，能实现无损、快速的监测。
蛋白质在人体和动植物中起着非常重要的作用，已成为生命的物质基础。以农学参数为链接，构建GPC与光谱的监测模型，试验发现，以chl a+b为链接，构建籽粒蛋白质含量与光谱间的模型较好。
虽然本试验考虑到了苦荞施硒水平等因素对冠层反射光谱的影响，但对于不同的地区、品种、年份等苦荞的农学参数，及其与籽粒蛋白质含量的监测是否适用还需要进一步的研究验证。
4 结论
1）不同硒水平下，苦荞chl a+b含量会随着生育进程的推进而有规律性的变化。在分析chl a+b含量和7种植被指数间的定量关系时，发现植被指数DVI（980，733）对chl a+b含量的估测效果较好。
2）通过对苦荞植被指数与农学参数，以及苦荞对应各生育进程的农学参数与籽粒蛋白质含量进行相关分析可知，苦荞chl a+b含量与籽粒蛋白质含量所构建模型的方程为Y=-6.7481x2+27.597x-14.686。
3）以光谱-农学参数-籽粒蛋白质含量为研究路線，通过对其进行相关分析，发现，以苦荞chl a+b含量值为链接，其植被指数与苦荞籽粒蛋白质含量所构建模型的方程为Y=7.0936e0.692 9（-0.307.44x2+35.387x+1.036 6）的精确度为0.726 3，有较好的相关性，能够比较准确地监测苦荞籽粒蛋白质含量。
（责任编辑：刘昀）
关键词 苦荞；硒；高光谱遥感技术；籽粒蛋白质
中图分类号：S517 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.27.068
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验于2017年6月至2017年10月在山西省晋中市太谷县申奉试验站进行。试验采用随机区组的设计，小区面积为10 m2（2 m×5 m），硒由亚硒酸钠（Na2SeO3）提供，用Na2SeO3喷施，设5个处理，分别为Se0
（0 mg·L-1）、Se1（2.5 mg·L-1）、 Se2（5 mg·L-1）、Se3（10mg·L-1）、Se4（20 mg·L-1），每个处理3次重复，共15个小区；在开花期进行叶面喷施，其他同一般大田管理。供试土壤为灰褐土，土壤pH为8.3，有机质22.97 g·kg-1，全氮、全磷、全钾含量分别为13.65 g·kg-1、11.26 g·kg-1、187.64 g·kg-1，全硒0.132 mg·kg-1。
1.2 农学参数测定
1.2.1 冠层光谱测定
采用美国ASD Fieldspec3.0型便捷式高光谱仪来测定冠层光谱的反射率，仪器的视场角为25°，波段范围在350～2 500 nm处。测量时需要在天气晴朗、无风时进行，测量的时间最好为10：00至14：00，为了提高测量的精确度，在测量过程中，要及时、多次进行白板校正，探头必须垂直向下，距离冠层垂直高度约1 m。每个小区测量两个点，每个点重复10次，取其平均值作为该小区的光谱测量值。
1.2.2 叶绿素含量测定
采集光谱数据的同时进行采样，测定其叶绿素含量，每个小区选取具有代表性的1个单茎，擦净其叶片表面存在的污物，并在去除主叶脉后将其剪碎，称取剪碎的鲜样品0.05 g左右于试管中，加入6 mL 98%的无水乙醇，再加入4 mL蒸馏水，放置在暗光的地方储藏24 h，在测定时，对提取液用分光光度计进行比色，分别测定665 nm和649 nm处的吸光度，按公式计算其叶片色素含量：
Ca（mg·L-1）=13.95A665-6.88A649 （1）
Cb（mg·L-1）=24.96A649-7.32A665 （2）
叶片色素含量（mg·g-1）=C×V/W （3）
式（3）中，C为叶绿素浓度，mg·L-1；V为提取液总体积，L；W为叶片鲜重量，g。
Chl a+b含量（mg·g-1）=Chl a+Chl b （4）
1.2.3 籽粒蛋白質含量（GPC）测定
苦荞籽粒蛋白质含量的测定用半微量凯氏定氮法。将收获后的苦荞籽粒晒干，并将其粉碎，再进行消煮，用SmartChem 2000全自动间断化学分析仪测量其氮含量，然后根据公式求出苦荞的籽粒蛋白质含量：
蛋白质含量=（5）
式（5）中，m为粉碎后样品重量，g；c为消煮液中的氮含量，mg·L-1；0.05为定容后的体积，L；6.25为氮含量换算成蛋白质含量的平均系数。
2 结果与分析
2.1 苦荞冠层反射光谱特征对不同施硒水平的响应
在整个生育进程，不同硒水平下苦荞冠层光谱反射率在可见光波段的变化不明显，但在近红外波段存在一定的差异，不同硒水平下苦荞冠层光谱反射特征如图1所示，从图中可以看出，以花后10 d为例，在近红外波段，Se1的反射率比较高，Se4反射率最小；在花后15 d，整体的变化趋势趋于平缓。
2.2 不同施硒水平下苦荞chl a+b含量的变化
苦荞叶绿素含量既能够表明苦荞的生长状况，又能够表征苦荞的生产能力，且直接影响着苦荞的经济产量。如图2可知，在花后10 d达最大值，且Se1水平处理下的苦荞chl a+b含量趋势最高。
2.3 苦荞chl a+b含量与植被指数的关系
为了更好地监测苦荞chl a+b含量，选择与其相关性较高的7种植被指数作为自变量，chl a+b含量作为因变量，分别建立其指数、线性、多项式的模型，见表1。根据R2最大优选模型的原则可知，在chl a+b含量的拟合中，植被指数NDCI、NVI、RVI（729，755）、DVI（980，733）和NDVI（955，729）的效果较好。
2.4 基于植被指数的苦荞chl a+b含量监测模型
对表1中较优的chla+b含量估测模型分别进行验证，用决定系数R2作为检验的指标，见表2，综合考虑不同的植被指数在建模中的表现，以DVI （980，733）为变量的苦荞chl a+b含量的监测模型较优。
2.5 农学参数与苦荞籽粒蛋白质含量的关系
对收获后的苦荞籽粒蛋白质含量与其各生育进程的chl a+b含量进行相关分析，结果见表3。结果表明，在不同的生育进程中，农学参数与籽粒蛋白质含量之间的相关性，存在着一定的差异。chl a+b含量在花后10 d，其相关系数达到最大值。
由表3可知，chl a+b含量与苦荞籽粒蛋白质含量间的关系较为密切，通过分析其相关性，建立相应的定量关系，其回归方程为Y=-6.7481x2+27.597x-14.686，决定系数R2为0.733 2。
2.6 苦荞籽粒蛋白质含量的光谱监测及检验 通过对不同生育进程的chl a+b含量与其不同的植被指数，以及对应其农学参数与苦荞籽粒蛋白质含量进行综合分析可知，chl a+b含量能够更好地作为特征光谱参数与苦荞籽粒蛋白质含量之间的链接。
不同硒水平处理下的chl a+b含量与NDVI（955，729）的相关性达到显著的水平。则所有苦荞籽粒蛋白质含量组合的回归方程为：
Chl a+b=-307.44x2+35.387x+1.0366，R2=0.683 9，n=45
将所有硒水平组合的chl a+b含量在花后10 d与苦荞籽粒蛋白质含量的回归方程，及其所有硒水平组合的chl a+b含量与其对应光谱的回归方程联系起来，建立苦荞籽粒蛋白质含量的高光谱监测模型，可知，其模型的方程为Y=7.0936e0.692 9（-0.307.44x2+35.387x+1.036 6），R2、RMSE和RE分别为0.7263、0.236和2.185。
为了更加直观的展示其测试效果，对其实测值和预测值作出了线性拟合图，如图3所示。
3 讨论
高光谱遥感技术在研究精准农业方面是最重要的工具，它不仅能够处理作物的冠层光谱信息，还可以结合实际测量到的农学参数，进行分析，并建立其相应的估测模型，从而能够更加精确地监测作物的生长状况等。
在苦荞的品质与其高光谱监测方面研究，逐渐受广泛的重视。运用高光谱遥感技术在苦荞籽粒蛋白质含量方面进行监测研究，能实现无损、快速的监测。
蛋白质在人体和动植物中起着非常重要的作用，已成为生命的物质基础。以农学参数为链接，构建GPC与光谱的监测模型，试验发现，以chl a+b为链接，构建籽粒蛋白质含量与光谱间的模型较好。
虽然本试验考虑到了苦荞施硒水平等因素对冠层反射光谱的影响，但对于不同的地区、品种、年份等苦荞的农学参数，及其与籽粒蛋白质含量的监测是否适用还需要进一步的研究验证。
4 结论
1）不同硒水平下，苦荞chl a+b含量会随着生育进程的推进而有规律性的变化。在分析chl a+b含量和7种植被指数间的定量关系时，发现植被指数DVI（980，733）对chl a+b含量的估测效果较好。
2）通过对苦荞植被指数与农学参数，以及苦荞对应各生育进程的农学参数与籽粒蛋白质含量进行相关分析可知，苦荞chl a+b含量与籽粒蛋白质含量所构建模型的方程为Y=-6.7481x2+27.597x-14.686。
3）以光谱-农学参数-籽粒蛋白质含量为研究路線，通过对其进行相关分析，发现，以苦荞chl a+b含量值为链接，其植被指数与苦荞籽粒蛋白质含量所构建模型的方程为Y=7.0936e0.692 9（-0.307.44x2+35.387x+1.036 6）的精确度为0.726 3，有较好的相关性，能够比较准确地监测苦荞籽粒蛋白质含量。
（责任编辑：刘昀）