基于叶片光谱透过特性的植物氮素测定.pdf

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1、第27卷第4期2142011年4月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．27No．4Apr．2011基于叶片光谱透过特性的植物氮素测定贺冬仙，胡娟秀(中国农业大学农业部设施农业工程重点开放实验室，北京100083)摘要：该文通过不同施氮水平下营养液栽培的水稻和黄瓜叶片在300～1100nm的分光光谱透过率，与其叶绿素含量和含氮量的相关性分析，确定了560、650和720nlTl作为特征波长，940眦作为参比波长可用于植物营养的快速无损诊断。以上述波长的光谱透过率构建的2l组光谱特征参数中，(T940-T560)／(z．舛o+T5如、log(T940／T560)和

2、log(马√死50)与水稻和黄瓜叶片的叶绿素含量和含氮量的相关性较好，且经回归估测检验的相对误差均小于8％。因此，上述光谱特征参数可作为植物氮素营养指标用于植物叶片的叶绿素含量和含氮量的快速无损估测，从而为植物营养无损诊断提供技术支持。关键词：叶绿素含量，含氮量，光谱特征参数，分光光谱透过率，无损检测doi：10．39698．issn．1002—6819．2011．04．037中图分类号：$127文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-04-0214—05贺冬仙，胡娟秀．基于叶片光谱透过特性的植物氮素测定[J]．农业工程学报，2011，27(4)：214—218．HeDo

3、ngxian，HuJuanxiu．Plantnitrogendetectionbasedonleafspectraltransmittance[J]．TransactionsoftheCSAE，2011，27(4)：214--218．(inChinesewithEnglishabstract)0引言氮肥的当季利用率低和不合理施氮引起的环境污染已经成为制约农业可持续发展的突出问题【I。21。施氮量与植物体的氮素营养水平密切相关131，通过检测植物体的氮素营养水平从而进行科学施肥是解决上述问题的有效手段之一。植物的叶绿素含量和含氮量是体现其氮素营养水平的重要指标。利用传统的化学分析方法进行植

4、物叶绿素含量和含氮量测量，结果虽然较为可靠，但测量过程繁琐费时，难以满足及时指导施肥的生产需求【4】。光谱分析技术在农业中的应用为植物氮素营养快速无损诊断提供了新手段。迄今为止，国内外利用植物的反射光谱特性开展了许多氮素营养诊断研究，其中大多数是关于冠层或叶片反射光谱的变化规律与氮素敏感波段选择的探讨【5‘7】，并通过统计分析反射光谱与氮素营养状况指标间的相关关系，建立回归公式对植物氮素含量进行估测【8．旧】。对于植物光谱透过特性与氮素营养的研究方面，Watanabe等利用叶片对660"--690nna和760～1100hill的光谱透过特性差异研制了一个植物叶绿素活体检测装置，该装置采

5、用光谱特征参数log(16ISO．．-690／176¨1100)估测叶片叶绿素含量，其中如60690和b虮1loo分别为对应波段的光透过叶片后的光照强度[111。之后日本美能达公司在此基础上作了算法改进并开发了便携式叶绿素计，该仪器采用的光谱特征参数为log(／'940／T650)OPSPAD(soilandplantanalysisdevelopmen0值，其中T940和死50分别为对应波长的透过率。该便携式叶绿素计已被广泛用于水稻、收稿日期：2010—02-24修订日期：20114)4．27基金项目：国家科技部863面上项目(2006AAIOZ206)作者简介：贺冬仙(1970一)，

6、女，山西太谷人，副教授，博士生导师，主要从事植物工厂、环境监控、环境生理学等方面的研究。北京海淀区清华东路17号中国农业大学67信箱，100083。Email：he__dongxian@homlail．com玉米、小麦和棉花等大田作物，油菜和甘薯等园艺植物及一些木本植物的氮素营养快速无损诊断，均取得良好的应用效果[12-16】。国内外关于利用植物反射光谱进行氮素营养诊断已开展了大量研究，而对植物光谱透过特性方面多是基于上述便携式叶绿素计的应用研究。本文基于不同施氮水平下营养液栽培的水稻和黄瓜叶片的分光光谱透过率，确定其与植物氮素营养直接相关的特征波段，并构建光谱特征参数与叶片叶绿素含量和

7、含氮量进行相关性分析及回归估测误差分析，从而确定植物氮素营养指标用于植物叶片叶绿素含量和含氮量的估测。1材料与方法1．1植物样本的培育本研究采用大田作物和园艺作物的代表型植物水稻(OryzasativaL．，CV．武育粳3号)和黄瓜(CucumissativusL．，CV．中农8号和北京203)作为指示植物进行栽培试验，通过控制各栽培试验区的营养液氮素含量，从而培育出不同氮素营养水平的植物叶片作为样本。栽培试验于2008--2009