基于热红外成像技术的小麦病害早期检测

小麦条锈病显症前，若能对处于病害潜育期的叶片做出及时、准确的检测，及早预测预报、制定防治方案和采取适当的防治措施，将会在很大程度上抑制和减缓小麦条锈病的发生，降低防治成本和病害损失。

一、引言

小麦在生长过程中可受到多种病原的侵染，呈现多种不正常的症状表现，给小麦生产造成不同程度影响。条锈病在一般流行年份可致小麦减产10%～20%，特大流行年份减产可达60%以上，甚至使小麦绝产。小麦条锈病菌的整个侵染过程分为接触期、侵入期、潜育期和发病期。在小麦条锈病显症前，若能对处于病害潜育期的叶片做出及时、准确的检测，及早预测预报、制定防治方案和采取适当的防治措施，将会在很大程度上抑制和减缓小麦条锈病的发生，降低防治成本和病害损失。

小麦植株在健康条件下，主要通过控制叶片气孔开闭进行蒸腾作用的调节，维持自身温度的稳定。然而，小麦叶片在受到病害菌如条锈病菌侵染后，会发生一系列病理变化过程，新陈代谢发生明显变化，光合作用下降，气孔导度增大，蒸腾作用加剧。本研究以小麦条锈病为例，以健康小麦苗、条锈病潜育期小麦苗（受到条锈病菌侵染但是尚未显示病害症状）、小麦条锈病发病苗（已经显示明显病害症状）作为研究对象，基于热红外成像技术检测受到小麦条锈病菌侵染不同天数后小麦植株的热红外图像和温度的变化，旨在探求一种实现小麦病害快速早期检测的新方法。

二、材料与方法

2.1实验材料

试验于2013年在中国农业大学植物病害流行学实验室人工气候室内进行。人工气候室内环境参数为12h 光照、光照强度10000 lx、温度11～13℃、相对湿度60%～70%。选用小麦高度感病品种铭贤169种植于直径为10cm、深度为8cm 的小盆中，种植40盆，每盆20株。所用土壤为营养土与普通土按照1:10的比例混合，混合均匀后装入盆中，装土高度为7cm，采用从盆底渗透方式浇水，待最上层土壤吸足水后将麦粒种植其中，然后覆土，并适当压实，此后每隔4d 浇一次水。当小麦幼苗第1片叶完全展开后，用0.02%吐温-80溶液将事先繁殖的新鲜小麦条锈病菌夏孢子配制成浓度为0.2mg/mL 的孢子悬浮液，利用喷雾接种法接种20盆小麦苗，利用等量蒸馏水对剩余20盆小麦苗进行喷雾处理，作为健康植株。潜育期植株为从接种后第1天至第11天发病前共计11d的小麦植株。接种后第12天，所有接种小麦植株均发病，表明植株全部接种成功。利用之前接种成功出现较多病斑的小麦条锈病病苗作为发病植株。

小麦条锈病

2.2图像和温度数据采集

采用热像测温与故障定位巡视系统对接种后的小麦植株进行可见光图像和热红外图像的采集。因接种前期，植株的热红外图像与背景存在差异不明显，为保证采集的温度数据均为植株叶片的温度，在温度数据采集时，需对照可见光图像进行采集；接种后期小麦植株的热红外图像与背景存在颜色上的差异（植株区域为淡黄色），容易确保采集的温度数据均为植株叶片的温度。随机记录每盆植株叶片上30个点的温度。图像和温度数据的采集从小麦植株接种后第1天开始，至第12天植株发病后结束，连续进行12d。接种后第1天，随机取3盆接种的小麦植株，此后11d 每次取5盆接种小麦植株进行图像和温度数据的采集。每次进行图像和温度数据采集时，均将健康小麦植株与完全发病的小麦植株进行对比，以更直观地观察潜育期植株图像和温度数据的变化趋势。每次图像和温度数据采集前，将试验材料从人工气候室取出后置于中国农业大学电子与自动化技术研究所实验室（环境温度为20℃）条件下1h，以平衡小麦植株温度，减少外界因素造成的试验误差，图像和温度数据的采集统一在上午10:00～12:00进行，采集环境温度为20℃。

2.3数据处理

为了提高基准数据（健康叶片温度指标）的稳定性和代表性，本研究以每天的健康叶片温度数据作为一次重复（12d，共计12次重复）。在软件中，对健康、潜育期和发病植株叶片上随机记录的30个点的温度值求平均和极差，分别作为各植株叶片的平均温度和不同部位最大温差，之后利用统计产品与服务解决方案软件对平均温度和最大温差进行方差齐性检验，经检验健康植株叶片的温度数据和潜育期植株叶片的温度数据方差为齐性。本研究将每次采集到的健康叶片和潜育期叶片的温度数据进行方差分析，然后利用单因素方差分析中的最小显著性差异法（LSD）进行多重比较。

三、结果与分析

3.1小麦条锈病菌侵染对叶片热红外图像的影响

健康小麦植株和发病小麦植株的可见光图像与热红外图像如图1所示。虽然从所拍摄的可见光图像看起来健康和发病植株没有明显不同（图1a、b），但热红外图像显示（图1c、d），发病小麦植株的病斑部位形成明显的低温区域，其热红外图像与健康小麦植株有明显的差异。同时，育苗盆的热红外图像颜色出现了不一致的情况，这是由于盆内土壤含水率不同导致的，鉴于植株的自身调节功能，此种情况并不会影响叶片的温度变化。小麦植株接种后第12天开始出现病斑。

图1健康植株与发病植株的可见光图像和热红外图像

因篇幅所限，只列出了热红外图像变化比较明显的接种后第 1、5、8、10、12天接种小麦植株的可见光和热红外图像，如图2所示。由图2可见，在整个潜育期内，接种植株的热红外图像逐渐出现差异，接种后第5天（图2f），叶片热红外图像中植株部位出现淡黄色，第8天（图2g）出现黄色斑点，逐渐呈绿色，随接种后天数增加，斑点数目增加，颜色加深，第12天时（图2j），黄色斑点变为绿色。对接种小麦植株进行连续病害调查，在接种后第1天至第9天内，除植株形态大小有所变化外，通过肉眼觉察不到小麦条锈病菌侵染植株的任何迹象，在接种后第10天时出现微弱的潜育斑（图2d），第12天时潜育斑发展为病斑，出现小的孢子堆。对应于热红外图像，黄色斑点位置即为出现潜育斑的部位，绿色斑点位置即为病斑部位。由此可见，通过热红外图像，在接种后第5天肉眼观察即可将受到侵染但未显症的小麦植株同健康小麦植株区分开来，也即肉眼观察热红外图像可提前7d 检测到病菌侵染。

图2接种后第1、5、8、10、12天小麦植株的可见光图像和热红外图像

3.2小麦条锈病菌侵染对叶片温度的影响

小麦植株受到条锈病菌侵染后连续12d 内叶片的平均温度变化如图3a 所示。由图3a 可见，健康小麦和发病小麦植株的叶片平均温度在整个检测期内出现略微的波动：健康和发病小麦植株叶片平均温度在12d 内最大差异分别为0.13和0.35℃，变化幅度均不大，总体呈现比较平稳的趋势；12d 发病小麦植株叶片温度的平均值为18.25℃，较健康植株的低1.59℃。此外，接菌小麦植株叶片平均温度在12d 内总体呈较明显下降趋势：随着接种后天数的增加，接种小麦植株较健康植株叶片平均温度差异逐渐增大，趋向于发病植株叶片平均温度。在接种后第12天出现病斑时，接种小麦植株较健康小麦植株叶片平均温度低1.22℃，比发病植株高0.27℃。

小麦植株受到条锈病菌侵染后连续12d 内叶片不同部位间最大温差变化如图3b所示。健康和发病小麦植株不同部位的最大温差在整个检测期内均变化不大，在12d 内最大温差的最大差异分别为0.14和0.26℃，呈现较平稳变化趋势；12d 发病小麦植株最大温差的平均值为2.30℃，较健康植株的高1.87℃。接种小麦植株叶片不同部位最大温差在12d 内随着接种后天数的增加，呈现逐渐上升趋势，与健康植株差异越来越大，但与发病植株差异越来越小。接种后第12天出现病斑时，接种小麦植株叶片最大温差较健康植株的高1.58℃，差异达到最大；比发病植株的最大温差低0.30℃。方差分析结果表明接种小麦植株的叶片平均温度和最大温差与健康植株的均在接种后第3天开始即出现显著差异（P＜0.05）：接种小麦植株的叶片平均温度较健康小麦植株的低0.08℃（图3a），最大温差较健康小麦植株的高0.04℃（图3b）。因此，通过温度数据分析，可在接种后第3天将接种小麦植株和健康小麦植株区分开，即可提前9d检测到小麦条锈病菌的侵染。

图3接种后连续12d小麦植株叶片平均温度和最大温差变化

四、讨论

本研究采集了健康小麦植株、潜育期（未显症）和发病期（显示明显病害症状）小麦植株的热红外图像和叶片温度进行分析。结果表明，随着时间推移，健康小麦植株和发病小麦植株的温度变化不大，发病植株叶片发病部位温度低于健康部位，12d发病植株叶片温度和最大温差的平均值分别比健康的低1.59℃和高1.87℃。小麦植株在受到条锈病菌侵染后，其叶片平均温度较健康小麦呈逐渐下降趋势，叶片不同部位间最大温差较健康小麦呈上升趋势，这可能是由于受侵叶片新陈代谢发生变化，蒸腾作用增强造成的。病原菌侵染部位温度的变化，表现在小麦植株侵染点部位的热红外图像与健康部位的存在颜色差异，通过肉眼观察小麦植株热红外图像，在小麦植株接种后第5天仍未显症状态下，可将其与健康小麦植株区分开来。

方差分析结果表明接种小麦植株的叶片平均温度和最大温差与健康植株的在接种后第3天就开始出现显著差异，因此在接种后第3天可将接种小麦植株与健康小麦植株区分开来。因此，利用热红外成像技术可实现小麦条锈病的早期检测，为实现小麦病害的早期检测提供了一种方法。本研究中，小麦植株是在人工气候室条件下培育的，所处环境稳定，热红外图像和温度数据的采集是在室温下进行的（环境温度为20℃），试验材料受外界因素干扰较小，试验结果较好。然而，田间小麦植株所处环境相对复杂多变，小麦条锈病菌侵染后的叶片温度受外界多种因素的影响。基于热红外成像技术如何对田间小麦条锈病潜育期叶片进行快速、准确的早期检测及大面积推广使用将是我们下一步的研究重点。此外，利用热红外图像不但可以对病害进行早期检测，而且还可进行病害定量估测，我们亦可进一步研究热红外成像技术用于小麦条锈病严重度评估的可能性。目前，热红外成像技术尚不能对病害种类进行鉴别，若需要对病害鉴别和诊断，可结合分子生物学技术、高光谱遥感和多光谱图像技术等其他技术进行。

五、结论

利用热红外成像技术在小麦条锈病潜育期内连续检测小麦热红外图像和叶片温度随接种天数的变化，结果表明：1）肉眼观察热红外图像可在接种后第5天将受到侵染但未显症的小麦植株与健康植株区分开来，即可提前7天检测到条锈病菌的侵染；2）健康小麦和发病小麦在整个检测期内叶片平均温度和最大温差没有明显变化，接种小麦随接种后天数的增加，其叶片平均温度呈逐渐下降趋势，最大温差呈逐渐增大趋势。接种后第3天处于条锈病潜育期的小麦植株叶片平均温度和最大温差均比健康植株叶片的差异显著（P＜0.05），可将处于条锈病潜育期的小麦植株与健康植株区分开来，即可提前9天检测到条锈病菌的侵染。接种后第12天，接种小麦植株的叶片平均温度比健康植株叶片低1.22℃，最大温差比健康植株叶片高1.58℃。该研究以小麦条锈病为例，表明利用热红外成像技术早期检测小麦条锈病是可行的，为小麦早期病害检测提供了一种可靠方法，对于该病的综合治理和小麦安全生产具有重要意义。

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审核编辑 黄宇