萊森光學：基于熱紅外成像技術(shù)的小麥病害早期檢測

一、引言

小麥在生長過程中可受到多種病原的侵染，呈現(xiàn)多種不正常的癥狀表現(xiàn)，給小麥生產(chǎn)造成不同程度影響。條銹病在一般流行年份可致小麥減產(chǎn) 10%～20%，特大流行年份減產(chǎn)可達 60%以上，甚至使小麥絕產(chǎn)。小麥條銹病菌的整個侵染過程分為接觸期、侵入期、潛育期和發(fā)病期。在小麥條銹病顯癥前，若能對處于病害潛育期的葉片做出及時、準確的檢測，及早預測預報、制定防治方案和采取適當?shù)姆乐未胧?，將會在很大程度上抑制和減緩小麥條銹病的發(fā)生，降低防治成本和病害損失。

小麥植株在健康條件下，主要通過控制葉片氣孔開閉進行蒸騰作用的調(diào)節(jié)，維持自身溫度的穩(wěn)定。然而，小麥葉片在受到病害菌如條銹病菌侵染后，會發(fā)生一系列病理變化過程，新陳代謝發(fā)生明顯變化，光合作用下降，氣孔導度增大，蒸騰作用加劇。本研究以小麥條銹病為例，以健康小麥苗、條銹病潛育期小麥苗（受到條銹病菌侵染但是尚未顯示病害癥狀）、小麥條銹病發(fā)病苗（已經(jīng)顯示明顯病害癥狀）作為研究對象，基于熱紅外成像技術(shù)檢測受到小麥條銹病菌侵染不同天數(shù)后小麥植株的熱紅外圖像和溫度的變化，旨在探求一種實現(xiàn)小麥病害快速早期檢測的新方法。

二、材料與方法

2.1 實驗材料

試驗于2013 年在中國農(nóng)業(yè)大學植物病害流行學實驗室人工氣候室內(nèi)進行。人工氣候室內(nèi)環(huán)境參數(shù)為 12 h 光照、光照強度 10 000 lx、溫度 11～13℃、相對濕度 60%～70%。選用小麥高度感病品種銘賢169 種植于直徑為 10 cm、深度為 8 cm 的小盆中，種植 40 盆，每盆 20 株。所用土壤為營養(yǎng)土與普通土按照 1:10 的比例混合，混合均勻后裝入盆中，裝土高度為 7 cm，采用從盆底滲透方式澆水，待**上層土壤吸足水后將麥粒種植其中，然后覆土，并適當壓實，此后每隔 4 d 澆一次水。當小麥幼苗第 1 片葉完全展開后，用 0.02%吐溫-80 溶液將事先繁殖的新鮮小麥條銹病菌夏孢子配制成濃度為 0.2 mg/mL 的孢子懸浮液，利用噴霧接種法接種 20 盆小麥苗，利用等量蒸餾水對剩余20 盆小麥苗進行噴霧處理，作為健康植株。潛育期植株為從接種后第 1 天至第 11 天發(fā)病前共計 11 d的小麥植株。接種后第 12 天，所有接種小麥植株均發(fā)病，表明植株全部接種成功。利用之前接種成功出現(xiàn)較多病斑的小麥條銹病病苗作為發(fā)病植株。

小麥條銹病

2.2 圖像和溫度數(shù)據(jù)采集

采用熱像測溫與故障定位巡視系統(tǒng)對接種后的小麥植株進行可見光圖像和熱紅外圖像的采集。因接種前期，植株的熱紅外圖像與背景存在差異不明顯，為保證采集的溫度數(shù)據(jù)均為植株葉片的溫度，在溫度數(shù)據(jù)采集時，需對照可見光圖像進行采集；接種后期小麥植株的熱紅外圖像與背景存在顏色上的差異（植株區(qū)域為淡黃色），容易確保采集的溫度數(shù)據(jù)均為植株葉片的溫度。隨機記錄每盆植株葉片上 30 個點的溫度。圖像和溫度數(shù)據(jù)的采集從小麥植株接種后第 1 天開始，至第 12 天植株發(fā)病后結(jié)束，連續(xù)進行 12 d。接種后第 1 天，隨機取3 盆接種的小麥植株，此后 11 d 每次取 5 盆接種小麥植株進行圖像和溫度數(shù)據(jù)的采集。每次進行圖像和溫度數(shù)據(jù)采集時，均將健康小麥植株與完全發(fā)病的小麥植株進行對比，以更直觀地觀察潛育期植株圖像和溫度數(shù)據(jù)的變化趨勢。每次圖像和溫度數(shù)據(jù)采集前，將試驗材料從人工氣候室取出后置于中國農(nóng)業(yè)大學電子與自動化技術(shù)研究所實驗室（環(huán)境溫度為 20℃）條件下 1 h，以平衡小麥植株溫度，減少外界因素造成的試驗誤差，圖像和溫度數(shù)據(jù)的采集統(tǒng)一在上午10:00～12:00 進行，采集環(huán)境溫度為 20℃。

2.3數(shù)據(jù)處理

為了提高基準數(shù)據(jù)（健康葉片溫度指標）的穩(wěn)定性和代表性，本研究以每天的健康葉片溫度數(shù)據(jù)作為一次重復（12 d，共計 12 次重復）。在 軟件中，對健康、潛育期和發(fā)病植株葉片上隨機記錄的 30 個點的溫度值求平均和極差，分別作為各植株葉片的平均溫度和不同部位比較大溫差，之后利用統(tǒng)計產(chǎn)品與服務解決方案軟件對平均溫度和比較大溫差進行方差齊性檢驗，經(jīng)檢驗健康植株葉片的溫度數(shù)據(jù)和潛育期植株葉片的溫度數(shù)據(jù)方差為齊性。本研究將每次采集到的健康葉片和潛育期葉片的溫度數(shù)據(jù)進行方差分析，然后利用單因素方差分析中的**小***性差異法（***）進行多重比較。

三、結(jié)果與分析

3.1小麥條銹病菌侵染對葉片熱紅外圖像的影響

健康小麥植株和發(fā)病小麥植株的可見光圖像與熱紅外圖像如圖 1 所示。雖然從所拍攝的可見光圖像看起來健康和發(fā)病植株沒有明顯不同（圖 1a、b），但熱紅外圖像顯示（圖 1c、d），發(fā)病小麥植株的病斑部位形成明顯的低溫區(qū)域，其熱紅外圖像與健康小麥植株有明顯的差異。同時，育苗盆的熱紅外圖像顏色出現(xiàn)了不一致的情況，這是由于盆內(nèi)土壤含水率不同導致的，鑒于植株的自身調(diào)節(jié)功能，此種情況并不會影響葉片的溫度變化。小麥植株接種后第 12 天開始出現(xiàn)病斑。

圖 1 健康植株與發(fā)病植株的可見光圖像和熱紅外圖像

因篇幅所限，只列出了熱紅外圖像變化比較明顯的接種后第 1、5、8、10、12 天接種小麥植株的可見光和熱紅外圖像，如圖 2 所示。由圖 2 可見，在整個潛育期內(nèi)，接種植株的熱紅外圖像逐漸出現(xiàn)差異，接種后第 5 天（圖 2f），葉片熱紅外圖像中植株部位出現(xiàn)淡黃色，第 8 天（圖 2g）出現(xiàn)黃色斑點，逐漸呈綠色，隨接種后天數(shù)增加，斑點數(shù)目增加，顏色加深，第 12 天時（圖 2j），黃色斑點變?yōu)榫G色。對接種小麥植株進行連續(xù)病害調(diào)查，在接種后第 1 天至第 9 天內(nèi)，除植株形態(tài)大小有所變化外，通過肉眼覺察不到小麥條銹病菌侵染植株的任何跡象，在接種后第 10 天時出現(xiàn)微弱的潛育斑（圖 2d），第 12 天時潛育斑發(fā)展為病斑，出現(xiàn)小的孢子堆。對應于熱紅外圖像，黃色斑點位置即為出現(xiàn)潛育斑的部位，綠色斑點位置即為病斑部位。由此可見，通過熱紅外圖像，在接種后第 5天肉眼觀察即可將受到侵染但未顯癥的小麥植株同健康小麥植株區(qū)分開來，也即肉眼觀察熱紅外圖像可提前 7 d 檢測到病菌侵染。

圖 2 接種后第 1、5、8、10、12 天小麥植株的可見光圖像和熱紅外圖像

3.2小麥條銹病菌侵染對葉片溫度的影響

小麥植株受到條銹病菌侵染后連續(xù) 12 d 內(nèi)葉片的平均溫度變化如圖 3 a 所示。由圖 3 a 可見，健康小麥和發(fā)病小麥植株的葉片平均溫度在整個檢測期內(nèi)出現(xiàn)略微的波動：健康和發(fā)病小麥植株葉片平均溫度在 12 d 內(nèi)比較大差異分別為 0.13 和 0.35℃，變化幅度均不大，總體呈現(xiàn)比較平穩(wěn)的趨勢；12 d 發(fā)病小麥植株葉片溫度的平均值為 18.25℃，較健康植株的低 1.59℃。此外，接菌小麥植株葉片平均溫度在12 d 內(nèi)總體呈較明顯下降趨勢：隨著接種后天數(shù)的增加，接種小麥植株較健康植株葉片平均溫度差異逐漸增大，趨向于發(fā)病植株葉片平均溫度。在接種后第 12 天出現(xiàn)病斑時，接種小麥植株較健康小麥植株葉片平均溫度低 1.22℃，比發(fā)病植株高 0.27℃。

小麥植株受到條銹病菌侵染后連續(xù) 12 d 內(nèi)葉片不同部位間比較大溫差變化如圖 3b 所示。健康和發(fā)病小麥植株不同部位的比較大溫差在整個檢測期內(nèi)均變化不大，在 12 d 內(nèi)比較大溫差的比較大差異分別為 0.14 和 0.26℃，呈現(xiàn)較平穩(wěn)變化趨勢；12 d 發(fā)病小麥植株比較大溫差的平均值為 2.30℃，較健康植株的高 1.87℃。接種小麥植株葉片不同部位比較大溫差在 12 d 內(nèi)隨著接種后天數(shù)的增加，呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，與健康植株差異越來越大，但與發(fā)病植株差異越來越小。接種后第 12 天出現(xiàn)病斑時，接種小麥植株葉片比較大溫差較健康植株的高 1.58℃，差異達到比較大；比發(fā)病植株的比較大溫差低 0.30℃。方差分析結(jié)果表明接種小麥植株的葉片平均溫度和比較大溫差與健康植株的均在接種后第 3 天開始即出現(xiàn)***差異（P＜0.05）：接種小麥植株的葉片平均溫度較健康小麥植株的低 0.08℃（圖 3 a），比較大溫差較健康小麥植株的高 0.04℃（圖 3 b）。因此，通過溫度數(shù)據(jù)分析，可在接種后第 3 天將接種小麥植株和健康小麥植株區(qū)分開，即可提前 9 d檢測到小麥條銹病菌的侵染。

圖3 接種后連續(xù)12 d小麥植株葉片平均溫度和比較大溫差變化

四、討論

本研究采集了健康小麥植株、潛育期（未顯癥）和發(fā)病期（顯示明顯病害癥狀）小麥植株的熱紅外圖像和葉片溫度進行分析。結(jié)果表明，隨著時間推移，健康小麥植株和發(fā)病小麥植株的溫度變化不大，發(fā)病植株葉片發(fā)病部位溫度低于健康部位，12 d發(fā)病植株葉片溫度和比較大溫差的平均值分別比健康的低 1.59℃和高 1.87℃。小麥植株在受到條銹病菌侵染后，其葉片平均溫度較健康小麥呈逐漸下降趨勢，葉片不同部位間比較大溫差較健康小麥呈上升趨勢，這可能是由于受侵葉片新陳代謝發(fā)生變化，蒸騰作用增強造成的。病原菌侵染部位溫度的變化，表現(xiàn)在小麥植株侵染點部位的熱紅外圖像與健康部位的存在顏色差異，通過肉眼觀察小麥植株熱紅外圖像，在小麥植株接種后第 5 天仍未顯癥狀態(tài)下，可將其與健康小麥植株區(qū)分開來。

方差分析結(jié)果表明接種小麥植株的葉片平均溫度和比較大溫差與健康植株的在接種后第 3 天就開始出現(xiàn)***差異，因此在接種后第 3 天可將接種小麥植株與健康小麥植株區(qū)分開來。因此，利用熱紅外成像技術(shù)可實現(xiàn)小麥條銹病的早期檢測，為實現(xiàn)小麥病害的早期檢測提供了一種方法。本研究中，小麥植株是在人工氣候室條件下培育的，所處環(huán)境穩(wěn)定，熱紅外圖像和溫度數(shù)據(jù)的采集是在室溫下進行的（環(huán)境溫度為 20℃），試驗材料受外界因素干擾較小，試驗結(jié)果較好。然而，田間小麥植株所處環(huán)境相對復雜多變，小麥條銹病菌侵染后的葉片溫度受外界多種因素的影響?；跓峒t外成像技術(shù)如何對田間小麥條銹病潛育期葉片進行快速、準確的早期檢測及大面積推廣使用將是我們下一步的研究重點。此外，利用熱紅外圖像不但可以對病害進行早期檢測，而且還可進行病害定量估測，我們亦可進一步研究熱紅外成像技術(shù)用于小麥條銹病嚴重度評估的可能性。目前，熱紅外成像技術(shù)尚不能對病害種類進行鑒別，若需要對病害鑒別和診斷，可結(jié)合分子生物學技術(shù)、高光譜遙感和多光譜圖像技術(shù)等其他技術(shù)進行。

五、結(jié)論

利用熱紅外成像技術(shù)在小麥條銹病潛育期內(nèi)連續(xù)檢測小麥熱紅外圖像和葉片溫度隨接種天數(shù)的變化，結(jié)果表明：1）肉眼觀察熱紅外圖像可在接種后第 5 天將受到侵染但未顯癥的小麥植株與健康植株區(qū)分開來，即可提前 7 天檢測到條銹病菌的侵染；2）健康小麥和發(fā)病小麥在整個檢測期內(nèi)葉片平均溫度和比較大溫差沒有明顯變化，接種小麥隨接種后天數(shù)的增加，其葉片平均溫度呈逐漸下降趨勢，比較大溫差呈逐漸增大趨勢。接種后第 3 天處于條銹病潛育期的小麥植株葉片平均溫度和比較大溫差均比健康植株葉片的差異***（P＜0.05），可將處于條銹病潛育期的小麥植株與健康植株區(qū)分開來，即可提前 9 天檢測到條銹病菌的侵染。接種后第 12 天，接種小麥植株的葉片平均溫度比健康植株葉片低 1.22℃，比較大溫差比健康植株葉片高1.58℃。該研究以小麥條銹病為例，表明利用熱紅外成像技術(shù)早期檢測小麥條銹病是可行的，為小麥早期病害檢測提供了一種可靠方法，對于該病的綜合治理和小麥安全生產(chǎn)具有重要意義。

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