基于葉片光譜透過(guò)特性的植物氮素測(cè)定.pdf

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1、第27卷第4期2142011年4月農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)TransactionsoftheCSAE、，01．27No．4Apr．2011基于葉片光譜透過(guò)特性的植物氮素測(cè)定賀冬仙，胡娟秀(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京100083)摘要：該文通過(guò)不同施氮水平下?tīng)I(yíng)養(yǎng)液栽培的水稻和黃瓜葉片在300～1100nm的分光光譜透過(guò)率，與其葉綠素含量和含氮量的相關(guān)性分析，確定了560、650和720nlTl作為特征波長(zhǎng)，940眥作為參比波長(zhǎng)可用于植物營(yíng)養(yǎng)的快速無(wú)損診斷。以上述波長(zhǎng)的光譜透過(guò)率構(gòu)建的2l組光譜特征參數(shù)中，(T940-T560)／(z．舛o+T5如、log(T940／T560)和

2、log(馬√死50)與水稻和黃瓜葉片的葉綠素含量和含氮量的相關(guān)性較好，且經(jīng)回歸估測(cè)檢驗(yàn)的相對(duì)誤差均小于8％。因此，上述光譜特征參數(shù)可作為植物氮素營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)用于植物葉片的葉綠素含量和含氮量的快速無(wú)損估測(cè)，從而為植物營(yíng)養(yǎng)無(wú)損診斷提供技術(shù)支持。關(guān)鍵詞：葉綠素含量，含氮量，光譜特征參數(shù)，分光光譜透過(guò)率，無(wú)損檢測(cè)doi：10．39698．issn．1002—6819．2011．04．037中圖分類號(hào)：$127文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002-6819(2011)-04-0214—05賀冬仙，胡娟秀．基于葉片光譜透過(guò)特性的植物氮素測(cè)定[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(4)：214—218．HeDo

3、ngxian，HuJuanxiu．Plantnitrogendetectionbasedonleafspectraltransmittance[J]．TransactionsoftheCSAE，2011，27(4)：214--218．(inChinesewithEnglishabstract)0引言氮肥的當(dāng)季利用率低和不合理施氮引起的環(huán)境污染已經(jīng)成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的突出問(wèn)題【I。21。施氮量與植物體的氮素營(yíng)養(yǎng)水平密切相關(guān)131，通過(guò)檢測(cè)植物體的氮素營(yíng)養(yǎng)水平從而進(jìn)行科學(xué)施肥是解決上述問(wèn)題的有效手段之一。植物的葉綠素含量和含氮量是體現(xiàn)其氮素營(yíng)養(yǎng)水平的重要指標(biāo)。利用傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法進(jìn)行植

4、物葉綠素含量和含氮量測(cè)量，結(jié)果雖然較為可靠，但測(cè)量過(guò)程繁瑣費(fèi)時(shí)，難以滿足及時(shí)指導(dǎo)施肥的生產(chǎn)需求【4】。光譜分析技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用為植物氮素營(yíng)養(yǎng)快速無(wú)損診斷提供了新手段。迄今為止，國(guó)內(nèi)外利用植物的反射光譜特性開(kāi)展了許多氮素營(yíng)養(yǎng)診斷研究，其中大多數(shù)是關(guān)于冠層或葉片反射光譜的變化規(guī)律與氮素敏感波段選擇的探討【5‘7】，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析反射光譜與氮素營(yíng)養(yǎng)狀況指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，建立回歸公式對(duì)植物氮素含量進(jìn)行估測(cè)【8．舊】。對(duì)于植物光譜透過(guò)特性與氮素營(yíng)養(yǎng)的研究方面，Watanabe等利用葉片對(duì)660"--690nna和760～1100hill的光譜透過(guò)特性差異研制了一個(gè)植物葉綠素活體檢測(cè)裝置，該裝置采

5、用光譜特征參數(shù)log(16ISO．．-690／176¨1100)估測(cè)葉片葉綠素含量，其中如60690和b蟣1loo分別為對(duì)應(yīng)波段的光透過(guò)葉片后的光照強(qiáng)度[111。之后日本美能達(dá)公司在此基礎(chǔ)上作了算法改進(jìn)并開(kāi)發(fā)了便攜式葉綠素計(jì)，該儀器采用的光譜特征參數(shù)為log(／'940／T650)OPSPAD(soilandplantanalysisdevelopmen0值，其中T940和死50分別為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的透過(guò)率。該便攜式葉綠素計(jì)已被廣泛用于水稻、收稿日期：2010—02-24修訂日期：20114)4．27基金項(xiàng)目：國(guó)家科技部863面上項(xiàng)目(2006AAIOZ206)作者簡(jiǎn)介：賀冬仙(1970一)，

6、女，山西太谷人，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事植物工廠、環(huán)境監(jiān)控、環(huán)境生理學(xué)等方面的研究。北京海淀區(qū)清華東路17號(hào)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)67信箱，100083。Email：he__dongxian@homlail．com玉米、小麥和棉花等大田作物，油菜和甘薯等園藝植物及一些木本植物的氮素營(yíng)養(yǎng)快速無(wú)損診斷，均取得良好的應(yīng)用效果[12-16】。國(guó)內(nèi)外關(guān)于利用植物反射光譜進(jìn)行氮素營(yíng)養(yǎng)診斷已開(kāi)展了大量研究，而對(duì)植物光譜透過(guò)特性方面多是基于上述便攜式葉綠素計(jì)的應(yīng)用研究。本文基于不同施氮水平下?tīng)I(yíng)養(yǎng)液栽培的水稻和黃瓜葉片的分光光譜透過(guò)率，確定其與植物氮素營(yíng)養(yǎng)直接相關(guān)的特征波段，并構(gòu)建光譜特征參數(shù)與葉片葉綠素含量和

7、含氮量進(jìn)行相關(guān)性分析及回歸估測(cè)誤差分析，從而確定植物氮素營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)用于植物葉片葉綠素含量和含氮量的估測(cè)。1材料與方法1．1植物樣本的培育本研究采用大田作物和園藝作物的代表型植物水稻(OryzasativaL．，CV．武育粳3號(hào))和黃瓜(CucumissativusL．，CV．中農(nóng)8號(hào)和北京203)作為指示植物進(jìn)行栽培試驗(yàn)，通過(guò)控制各栽培試驗(yàn)區(qū)的營(yíng)養(yǎng)液氮素含量，從而培育出不同氮素營(yíng)養(yǎng)水平的植物葉片作為樣本。栽培試驗(yàn)于2008--2009