（植物营养学专业论文）玉米营养光谱诊断技术研究.pdf

摘要 高效的植物营养诊断方法是植物营养工作者一直研究的热点课题之一高光谱技术的发展为 从遥感数据中提取生物物理参数和生物化学参数成为可能，利用反射光谱数据可以估计叶片内生 化成分的浓度或含量。本研究将高光谱技术与植物营养诊断相结合，目的为寻求一种高效的植物 营养诊断方法。其意义在于：是传统植物营养诊断方法的技术创新；实现作物养分的快速精准管 理；促进高光谱技术在植物营养领域的应用，符合现代农业发展的要求。本研究以玉米为试验材 料，通过盆栽试验和池栽试验，利用高光谱技术获取了玉米不同生育时期的第6 片完全展开叶和 第1 2 片完全展开叶( 果穗叶) 的光谱反射率，通过对不同处理的叶片光谱反射率的波段间差异 性分析，对原始光谱反射率与营养元素的相关性分析，得出氮磷钾营养的光谱敏感时期和敏感波 段；通过波段宽度变化试验，分析不同波段宽度的光谱参量对营养诊断精度的影响，得出营养诊 断的适宜波段宽度；通过对不同变换形式的光谱数据与营养元素的相关性分析，得出不同形式的 光谱数据能显著改变同营养元素豹相关关系：通过筛选不同的光谱特征参量，建立了玉米氮素营 养诊断的光谱模型。其主要结论如下： 1 玉米氮素营养在各个生育时期的光谱响应较为强烈。拔节期和大喇叭口期由氮引起的第6 片完全展开叶光谱反射率的敏感波段主要在可见光波段，且在该波段叶片光谱反射率与氮含量呈 现负的相关关系；开花吐丝期和灌浆期由氮引起的果穗叶光谱反射率的敏感波段主要在近红外波 段，且在该波段叶片光谱反射率与氮含量呈现正的相关关系。玉米磷素营养在大喇叭口期的光谱 响应较为强烈。大喇叭口期由磷处理引起的第6 片完全展开叶光谱反射率的敏感波段在可见光区 域的3 5 0 7 3 1 n m 波段和近红外区域的1 4 1 5 1 8 0 0 h m 波段，在这两个波段均呈现负的相关关系。 玉米钾素营养在大喇叭口期的光谱响应较为强烈。大喇叭口期由钾处理引起的第6 片完全展开叶 光谱反射率的敏感波段在近红外波段的7 3 0 9 3 2 n m 、9 6 1 1 1 1 7 n m 、1 1 5 6 1 3 2 6 n m 和1 6 1 1 1 7 3 9 n m ，在这些波段均表现正的相关关系。 2 在时片光谱反射率与营养元素的显著相关波段范围内，选择1 0 0 n m 波段宽度的光谱参量 不会降低估测营养元素含量的精度。 3 同原始光谱反射率r 与营养元素含量的相关性相比，光谱数据的微分变换( d ( r ) 、d ( l o g ( r ) ) 和d ( n ( r ) ) ) 使得光谱值与营养元素的相关关系沿波长方向呈现戏剧性变化，相关性在波段间不 连续、不稳定。归一化变换( n 艰) 与k 惶( n ( r ) ) ) 在某些光谱波段上能显著增强或减弱光谱值与 营养元素之间的相关性，这种改变在不同生育期和不同叶片上也不一致。对数变换对光谱值与营 养元素的相关性与变换前相比几乎无影响( r 与l o g ( r ) ，n ( r ) 与l o g ( n ( r ) ) ) 。 4 红边斜率( d r ) 在拔节期、大喇叭口期和开花吐丝期与叶片氮含量的相关关系均达到了极 显著水平。绿峰最大反射率( r g ) 在拔节期、大喇叭口期、开花吐丝期和灌浆期与叶片氮含量的 相关关系均达到显著水平。r n l 瓜e d 和r 僻h 州n m + r 岫与第6 片展开叶和果穗叶的氮含量在拔节期 和大喇叭口期表现为正相关关系，在开花吐丝期和灌浆期表现为负相关关系，除灌浆期第6 片展 开叶外均达到显著或极显著水平，且在生育前期第6 片展开叶上相关性强于果穗叶，在生育后期 果穗叶上的相关性强于第6 片展开叶。基于连续统去除法所得参数中，波段深度( d e p t h ) 与叶 片氮含量住拔节期、大喇叭口期、开花吐丝期和灌浆期均达到显著或极显著相关水平；吸收峰左 半端面积( a i ) 和吸收峰整体面积( a ) 与叶片氮含量在第6 片完全展开叶上表现出显著的相关 关系，但在生育前期为正相关，在生育后期为负相关，在果穗叶上的相关性与第6 片完全展开叶 相似，但未达到显著水平。光谱吸收指数( s a d 与叶片氮含量的相关关系变化同光谱参量a l 、 a 极为相似。基于光谱特征参量与叶片氮含量的相关关系随生育期发生有规律的变化，说明采用 这些变量对叶片氮含黄进行估算是可行的。 5 确立了在玉米生育前期以第6 片完全展开叶为氮素营养诊断对象，在生育后期以第1 2 片 完全展开叶为氮素营养诊断对象。根据光谱参量r s w m e , f 在玉米生育前期和后期与不同叶片营养 元素的相关性，建立了以r m a a 目为光谱特征参量，随玉米生育期变化的二次多项式为氮素营养 诊断模型。 本研究使高光谱技术和理论在植物营养学领域得到进一步的发展，为更有效的利用高光谱技 术进行植物营养诊断提供了新思路，为开发低成本、高精度的便携式植物营养光谱诊断仪提供了 理论支持。 关键词：玉米，氮磷钾营养，光谱响应，光谱参量，诊断模型 a b s t r a c t g r e a te f f i c i tm e t h o do fp l a n tn u t r i t i o nd i a g n o s i si so n eo ff o c a lt a s k so fp l a n tn u t r i t i o n r e s e a r c h e r sa l la l o n g t h ed e v e l o p m e n to fh y p e r s p e c t r a lt e c h n o l o g ym a k ei tp o s s i b l et h a te x t r a c t i n g p a r a m e t e r so fb i o p h y s i c sa n db i o c h e m i s t r yf r o mr e m o t es e n s i n gd a t a a n du t i l i z i n gh y p e r s p e c t r a l m f l e c t a n c od a t ac a l le s t i m a t ec o n c e n t r a t i o no rc o n t e n to fb i o c h e m i c a lc o m p o n e n t si nl e a v e s t h e r e s e a r c hw o u l dc o m b i n eh y p e r s p e c t r a lt e c h n o l o g yw i t hp l a n tn u t r i t i o nd i a g n o s i sa n di t sa i mw a gt o e x p l o r eag r e a te f f i c i e n tm e t h o do fp l a n tn u t r i t i o nd i a g n o s i s a n di t ss i g n i f i c a n c ew a st h a tt h ef m s tw a s t e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o no fc o n v e n t i o n a lp l a n t 仃i n o nd i a g n o s i sm e t h o d ；t h es e c o n dw a sb o o s t i n gt h e h y p e r s p e c t r a lt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fp l a n tn u t r i t i o na n di na c c o r dw i t hd e v e l o p i n gn e e d o fm o d e ma g r u i c u l t u r e ；a n dt h et h i r dw a sh e l p i n gt oe n h a n c et h el e v e lo fo u fd 血o i a g r i e n l t u r e m o d e r n i z a t i o n i nt h i ss t u d y , c o r n ( z e a 删l ) w a sa c t e d 鹬r e s e a r c ho b j e c t , t h r o u g hp o t t e da n dp o o l e d e x p e r i m e n t , u s i n gh y p e r s p e c t r a lt e c h n o l o g yg o ts p e c t r a lr e f l e c t a n c eo ft h e6 曲f i l e x p a n d e dl e a fa n dt l l e 1 2 血f u e x p a n d e dl e a f ( f r u i tl e a f ) a td i f f e r e n td e v e l o p m e n ts t a g e s d i f f e r e n c eo fd i f f e r e n tw a v e b a n d s l e a f 叩c c 删r e f l e c t a n c ea m o n gt r c a t n l c l l t sa n dc o r r e l a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e no n g 旺q a ls p c c 【r a l r e f l e c t a n c ea n dn u t r i t i o n a le l e m e n t sc o n t e n t ，e a n a l y z e da n di tw a so b t a i n e dt h a ts p e c t r a ls e n s i t i v e s t a g ea n ds e n s i t i v ew a v e b a n d so fc o r nn i t r o g ，p h o s p h o m sa n dp o t a s s i u mn u t r i t i o n b yc h a n g i n g w a v e b a n d sw i d t h 。e f f e c to fs p e c t r a lv a r i a b l e so fd i f f e r e n tw a v e b a n d sw i d t ho na c c u r a c yo fn u t r i t i o n d i a g n o s i sw a sa n a l y z e da n dr i g a tw a v e b a n d sw i d t hf o r n u t r i t i o nd i a g n o s i sw a sa c h i e v e d a n o t h e r c o r r e l a t i o na n a l y s i sb e t w e e nd i f f e r e n tt r a n s f o r m e ds p e c t r a ld a t aa n dn u t r i t i o n a le l e m e n t sc o n t e n tw i t s m a d ea n di tw a sg o tt h a td i f f e r e mt r a n s f o r m e ds p e c t r a ld a t ac a nc h a n g es i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t i o nw i t h n u t r i t i o n a le l e m e n t s a tl a s t , d i f f e r e n ts d e d 目a lc h a r a c t e r i s t i cv a r i a b l e sw e r es e l e c t e da n ds p e c t r a lm o d e l s f o rc o l nm t r o g c nn u t r i t i o nd i a g n o s i sw c i ec o n s t n m t e d i t sp r i m a r yc o n c l u s i o nw o r ea sf o l l o w s ： 1 s p e c t r a lr e s p o n s eo fc o r nn i t r o g a an u t r i t i o nw a sc o n s u m i n ga te v e r yd e v e l o p m e n ts t a g e ， s e n s i t i v ew a v e b a n d so ft h c6 0f u l l - e x p a n d e dl e a fm f l c c t a n c oc a u s e db yne x i s t e dp r i m a r i l yi nv i s i b l e r e g i o na tj o i n t i n ga n db o o t i n gs t a g ea n dc o r r e l a t i o nb e t w e e nl e a fs p e c t r a lr e f l e c t a n c ea n dnc o n t e n t s h o w e dn e g a t i v ec o r r e l a t i v i t yi nt h es e n s i t i v ew a v e b a n d s s e n s i t i v ew a v e b a n d so ft h ef r u i tl e a f m f l e c t a n c ec a u s e db yne x i s t e dp i i m a r i l yi nn e a r - i n f r a r e dr e g i o na ta n t h e s i s - s i l k i n ga n df i l l i n gs t a g e c o r r e l a t i o nb e 哪嘲l e a fs p o g 船a lm f l e c t a n c oa n dnc o n t e n ts h o w e dp o s i t i v ec o r r e l a t i v i t yi nt h e s e n s i d v ew a v e b a n d s s p e c t r a lr e s p o n s eo fc o r np h o s p h o r u sn u 砸f i e nw a sc o n s u m i n ga tb o o t i n gs t a g e s e n s i t i v ew a v e b a n d so ft h c6 ”f u l l - e x p a n d e dl e a fr e f l e c t a n c ec a u s e db ype x i s t e dp r i m a r i l yi nv i s i b l e r e g i o n 3 5 0 - - 7 3 1 n ma n dn e a r - i n f r a r e d r e g i o n 1 4 1 5 1 8 0 0 n m c o r r e l a t i o nb e t w e e nl e a f s p c c u m f l e c t a n c oa n dpc o n t e n ts h o w e dn e g a t i v ec o r r e l a t i v i t yi nt h es e n s i t i v ew a v e b a n d s s p e c t r a lr e s p o n s eo f c , 0 1 1 1p o t 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i t i o n a l e l e m e n t s c o n l a l t s , c o r r e l a t i o nr e l a t i o n s h i ps h o w e dd r a m a t i cv a r i e t ya l o n gw a v e l e n g t hd i r e c t i o nb e t w e e n n u t r i t i o n a le l e m e n t sa n ds p e c t r u mv a l u ea f t e rc a l c u l a t e db yd i f f e n t i a lc o e f f i c i e n ta r i t h m e t i c ( d ( r ) 、 d ( l o g ( r ) ) a n dd ( n ( r ) ) ) a n dt h i sc o r r e l a t i o nw a sd i s c o n t i n u e sa n du n s t a b l ea m o n gw a v e b a n d s c o r r e l a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w o g nb o t ht h e mt o n e du po rw g a k l f li ns o n i cw a v e b a n d sa f t e rc a l c u l a t e db y u n i t a r ya r i t h m e t i c ( n ( r ) a n dl 0 9 叫( r ) ) ) a n dt h i sc h a n g ew a sd i s a c c o r da m o n gd i f f e r e n ts t a g e sa n d l e a v e s c o r r e l a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nb 0 山t h e mw a su n a l t e l e da f t e rc a l c u l a t e db yl o g a r i t h m 限a n d l o g ( r ) ，n 限) a n dl o g ( n ( r ) ) ) 4 c o r r e l a t i o nh e t w e c nr e d - e d g es l o p ea n dl e a fnc o n t e n tw a su pt om o s ts i g n i f i c a n tl e v e la t j o i n t i n g ，b o o t i n ga n da n t h e s i s - s i l k i n gs t a g e c o r r e l a t i o nb e t 3 v e e l lg r e e ns u m m i tm a x i m u mr e f l e c t a n c e a n dl e a fnc o n t e n tw a su pt os i g n i f i c a n tl e v e la tj o i n t i n g ，b o o t i n g ，a n t h e s i s - s i l k i n g ，a n df i l l i n gs t a g e c o r r e l a t i o nb e t w e e nr h 琢，r 曲r ( n m 黜啦m n m + 呦a n dt h e6 t ba n d1 2 t bf u l l - e x p a n d e dl e a fs h o w e dp o s i t i v e c o r r e l a f i v i t ya t j o i n t i n ga n db o o t i n gs t a g e a n dn e g a t i v ec o r r e l a t i v i t ya ta n t b e s i s s i l k i n ga n df i l l i n gs t a g e t h ec o r r e l a t i o na c h i e v e ds i g n i f i c a n to rm o s ts i g n i f i c a n tl e v e le x c e p tf o ra tf i l l i n gs t a g e a n dt h i s c o r r e l a t i o nw a sh i g h e ri nt h e6 血l e a ft h a ni nt h e1 2 血l e a fa te a r l yd e v e l o p m e n ts t a g e a n dh i g h e ri nt h e 1 2 6l e a ft h a ni nt h e6 血l e a fa tl a t ed e v e l o p m e n ts t a g e ，a m o n gp a r a m e t e r sb a s e do nc o n t i n u u mr e m o v a l a n a l y s i s ，c o r r e l m i o nb e t w e e nw a v e b a n dd e p t h ( d e p t h ) v a r i a b l ea n dl e a fnc o n t e n ta c h i e v e ds i g n i f i c a n t o rm o s ts i g n i f i c a n tl e v e la tj o i n t i n g ，b o o t i n g ，a n t h e s i s s i l k i n g ，a n df i l l i n gs t a g e c o r r e l a t i o nb e t w e e n a b s o r p t i o ns u m m i tl e f t - h a f ta r e a ( a 1 ) ，a b s o r p t i o ns u m m i tf u l la r e a ( a ) a n dl e a fnc o n t e n ta c h i e v e d s i g n i f i c a n tl e v e l t h e6 mf u l le x p a n d e dl e a f , b ep o s i t i v ea te a r l yd e v e l o p m e n ts t a g na n dn e g a t i v ea tl a t e d e v e l o p m e n ts t a g e n i sc o r r e l a t i o nr e l a t i o n s 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l o p m e n ts t a g e i tw a sab a s i st h a tc o r m l a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p e c t r a lv a r i a b l e r n m a k da n dd i f f e r e n tl e a fnc o n t e n ta te a r l ya n dl a t ed e v e l o p m e n ts t a g e s p e c t r u mm o d e l sf o rc o r nn n u t r i t i o nd i a g n o s i sw e r ec o n s t r u c t e d ，w h i c hr l w a sa c t e d 酗s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i cv a r i a b l ea n d c h a n g e dw i t hd i f f e r e n td e v e l o p i n gs t a g e s t h i s 咖d ym a d eh y p e r s p e c t r a lt e c h n o l o g ya n dt h e o r yf u r t h e rd e v e l o p e di nt h ef i e l do fp l a n t n u t r i t i o na n ds u p p l i e dn e wi d e ao fp l a n tn u t r i t i o nd i a g s i sb yu s i n gh y p e r s p e c t r a lt e c h n o l o g ya n d o f f e r e dt h e o r e t i cs u p p o r tf o rd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gp l a n tn u t r i t i o nd i a g n o s i si n s t r u m e n to fl o w c o s ta n dh i g hp r e c i s i o n k e yw o r d s ：c m ，n p kn u t r i t i o n , s p e c t r a lr e s p o n s e s p e c t r a lv a r i a b l e s ，d i a g n o s i sm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业科学院或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：时间：炒7 年 日日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解中国农业科学院有关保留、使用学位论文的规定，即：中国农业科 学院有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业科学院可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 论文作者签名： 导师签 2 磊 帆叩年 帆召一 7， 6 , e l2 - 厶日 gr 积f j 中国农业科学院博l 学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 作物的高产、优质、低耗都是建立在优化的农业综合管理措施之上的。而其中，作物的施肥， 如何提高养分的当季利用率是其中的关键内容之一如何有效、便捷、快速地对作物的营养状况 有一及时充分的了解，为作物的追肥提供参考依据，最关键的是掌握一种高效实时的植物营养诊 断方法。高效实时的植物营养诊断方法一直是植物营养工作者孜孜以求的目标之一。纵观植物营 养学科发展至今，作物营养诊断方法主要是两大方面，即化学诊断和物理诊断。化学诊断主要包 括植株分析、土壤分析、酶学诊断等方法，物理诊断主要包括外观诊断和光谱诊断。 常规的化学分析是测试植物体内营养元素的含量，但存在费时繁琐和破坏植株等缺点。特别 是在田问实施营养诊断时，化学分析难以及时用于指导施肥。田间速测的速度虽快，但精度不高。 外观诊断存在一定的主观性，往往不能达到精准施肥的目的。而植物光谱分析能克服上述缺点， 它具有分析时间短，不需要化学药品，操作简单，自动化程度高等优点。因此，近年来，随着遥 感技术特别是高光谱技术的发展，利用作物的光谱特性对养分的实时监测和快速诊断一直是精准 农业中的研究热点。 本章主要介绍植物营养的诊断方法，重点介绍基于光谱理论的植物营养诊断的研究进展及存 在的问题。 1 2 植物营养的常规诊断方法 1 2 1 外观诊断 外观诊断包括叶色诊断、症状诊断和长势长裙诊断。作物缺乏某种元素时，一般都在外观形 态上表现某些特有的症状，如失绿、现斑、畸形等。由于元素的不同、生理功能不同、症状出现 的部位和形态常有它的特点和规律。如作物缺氮的显著特征是植株下部叶片首先褪绿黄化。然后 逐渐向上部叶片扩展( 陆景陵，1 9 9 4 ) 。玉米对缺氮反应敏感，首先表现为下位叶黄化，叶尖枯 萎，常呈“v ”字形向下延展；缺磷玉米叶片呈现紫红色 ( h t t p ：c c l a b c a a s a c c n n e w m a i n z s k _ y c z d j s p ) 。植物外观诊断法的优点是直观、简单、方便，不 需要专门的测试知识和样品的处理分析可以在田间立即做出较明确的诊断，给出施肥指导，所以 在生产中普遍应用。但是这种方法只能等植物表现出明显症状后才能进行诊断，因而不能进行预 防性诊断，起不到主动预防的作用；且由于此种诊断只靠经验判断，处于定性或半定量阶段；这 种外观症状义易与机械及物理损伤相混淆，特别是当几种元素盈缺造成相似症状的情况下，更难 做出正确的判断，所以在实际应用中有很大的局限性和延后性( 姜远茂，2 0 0 1 ；李港丽，1 9 8 8 ) 中国农业科学院博十学位论文 第一章绪论 1 2 2 化学诊断 化学诊断包括植株茎叶分析，组织液分析，酶学诊断以及土壤养分测定等方法。分析植物、 土壤的元素含量，与预先拟订的含量标准比较，或就正常与异常标本进行直接的比较而作出丰缺 判断。最为常见的植株分析方法是开氏法，即用h 2 s 0 4 - 混合加速剂( k 2 s 0 4 - c u s 0 4 - s c 粉) 或氧 化剂如h 2 s 0 4 - h c l 0 4 、h n 0 3 - h c l 0 4 、h 2 s 0 4 - h 2 0 2 消煮分解样品中有机物和有机含氮化合物，使 其转化为无机盐，然后再分别测定。而以h 2 s 0 4 - h 2 0 2 方法最为普遍，因为该方法最大特点是植 物样品一次消煮液，可供氮、磷、钾测定。植株分析结果最能直接反映作物营养状况，所以是判 断营养丰缺最可靠的依据。植物组织液分析是利用新鲜组织液的养分含量快速诊断养分缺乏或过 量。以提供信息调整施肥项目( y i q i n gh e 等，1 9 9 8 ) 。酶学诊断方法原理是：许多元素是酶的组 成或活化剂，如铁一过氧化物酶，钼硝酸还原酶，铜- g 坏血酸氧化酶，氮硝酸还原酶等( 董任瑞， 1 9 8 2 ：m a r s h n e r ，1 9 8 1 ) ，所以当缺乏某种元素时，与该元素有关的酶的含量或活性就会发生变化， 或由该种酶参与的酶促反应的代谢产物过渡积累或减少。从而通过铡定酶数量或活性，或者测定 代谢产物浓度的变化，可以判断某种元素丰缺状况。该方法有利于早期诊断或潜在性缺乏的诊断。 但是该方法目前尚未建立十分成熟的生产上可应用的生理生化检验指标。因此不能普遍推广( 唐 菁。2 0 0 5 ) 。通过分析耕层土壤的有效养分进行作物营养诊断是日前最为普遍的作物营养诊断方 法。土壤有效养分分析方法有常规方法( 鲁如坤。2 0 0 0 ) ，土壤养分状况系统研究法( a s i ) ( 金 继运等，2 0 0 6 ) ，m e h l i c h 一3 方法( m e h l i c h ，1 9 8 4 ) 等。在当前全国的测土配方施肥技术推广中， 以土壤养分状况系统研究法( a s i ) 为代表的通用浸提荆法被普遍应用。该方法综合了其他方法 的优点以及现代信息和网络技术的集成物化，形成了软硬件配套的测士配方施肥技术体系( 金继 运等，2 0 0 6 ) 。 如前所述，作物营养诊断的外观诊断方法在应用中有它的局限性和延后性；而不论是植株分 析诊断还是土壤分析诊断的化学诊断方法，都存在它们的弊端。这些分析方法普遍要求破坏植株， 从采集大量的样本、烘干、称重、研磨直到使用有潜在危害性药品进行测试，需要耗费大量的时 间、人力、物力和财力。由于花费时间过长，以至于结果不具有适时性。而且实验室化学分析需 要有经验的专业分析人员和大量的分析试荆与设备，在很多情况下不具备这些条件，特别是发展 中国家( 张金恒，2 0 0 3 ；d u me te 1 ，2 0 0 2 ；c a r l o sc e 1 ，2 0 0 1 ；c a m 鹏3e ta l ，2 0 0 0 ：j a g d i s he ta l , 1 9 9 8 ：p e n ge t e l ，1 9 9 6 ) t i l i n e re t a l ，1 9 9 4 1 、t r n e r e t e l ，1 9 9 1 1 c a r d e t a l ，1 9 8 8 ) - 1 2 3 基于叶绿素计的氮素营养诊断 研究表明，由于叶片颜色与叶绿素含量正相关( 张文安，1 9 9 1 ) ，并且叶片含氮量和叶绿素 变化趋势相似( e v a n s e te 1 ，1 9 8 4 ；王磊等，2 0 0 5 ) ，所以有科技工作者利用叶绿素计测量值间接 预测叶绿索含量，进而诊断氮索营养。叶绿素计是既简单又方便的诊断工具，它是光谱诊断作物 氦素营养方法的一种。叶绿索计有很多型号，美能达s p a d - 5 0 2 叶绿素测量仪是其中一种，由美 国光谱技术公司生产。时绿素计的读数是基于特定光谱波段叶绿素对光的吸收测定获得的( p e n g e ta l ，1 9 9 3 ) ，肿绿素有两个明显的吸收峰，一个位于蓝光区( 4 0 0 - 5 0 0 r i m ) 另一个位于红光区 ( 6 0 0 - 7 0 0 h m ) 。叶绿素计就是利用时绿素这种光谱特性，测量时子在红光和近红外区的吸收率， 2 中国农业科学院博十学位论文第一章绪论 然后再计算叶子内叶绿素的相对含量。其工作原理是( 张金恒，2 0 0 3 ) ：由发光二极管发射红光 ( 峰值波长大约6 5 0 n m ) 和近红外光( 峰值波长大约9 4 0 n m ) ，透过样本叶的发射光到达接收器， 将透射光转换成相似的电信号，经过放大器的放大，然后通过a d 转换器转换为数字信号，微处 理器利用这些数字信号计算叶绿素值，显示并自动存储。计算叶绿素值的步骤：标准状态下( 无 样本) ，两个光源依次发光。并转变成电信号，计算强度比；插入样本叶片之后，两个光源再次 发光，叶片的透射光转换成为电信号，计算透射光强度比值；运用以上两个步骤的结果计算叶绿 素值。 由于植物叶内叶绿素含量的多少与植物氮营养状况紧密相关，因此可根据叶绿素含量随叶内 n 含量的增加而成比例增加。因此，对于一种特殊的植物，s p a d 值愈高，则说明该植物愈健康。 1 3 植物营养的光谱诊断方法 1 3 1 高光谱遥感技术 高光谱分辨率遥感( h y p e r s p e c t r a lr e l a t es e n s i n g ，简称高光谱遥感) 是指利用很多很窄的 电磁波波段从感兴趣的物体获取有关光谱数据，其基础是光谱学。光谱学起源于2 0 世纪2 0 年 代，在分子、原子结构理论和量子力学基础上发展起来的，是用于识别分子、原子类型及其结构 的实验科学( s k o o ge ta l ，1 9 9 8 ) 。2 0 世纪8 0 年代建立起来的成像光谱学( i m a g i n gs p e c t r o s c o p y ) ， 是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域获得许多非常窄且光谱连续的图像数据的技 术( l i u e s a n de ta 1 ，1 9 9 4 ) ，这种记录的光谱数据能用于多学科的研究和应用之中，它奠定了高 光谱遥感的技术基础，也是高光谱遥感建立的标志( v a n ee ta 1 ，1 9 8 8 ，1 9 9 3 ；g r e e n e ta i ，1 9 9 8 ) 。 高光谱遥感具有光谱分辨率高( 波段宽度 1 0 n m ) 、波段连续性强( 在4 0 0 2 5 0 0 n m 范围内 有几百个波段) 、光谱信息量大等特点。它在特定光谱域内以高的光谱分辨率同时获取连续的地 物光谱图像，其光谱图像上每一个像元点在各通道的灰度值都可形成一条精细的光谱线。从而可 以构成独特的超多维光谱空间，使得遥感应用着重于在光谱维上进行空问信息展开，获得更多的 精细光谱信息，为定量分析她表物质物理化学变化过程提供参数和依据。研究表明：许多地表物 质的吸收特征在吸收峰深度一半处的宽度为2 0 4 0 n m ( h u n t ，1 9 8 0 ) ，而高光谱遥感所获得数据 的波段宽度一般在1 0 r i m 以内，因此这种数据能以较高的光谱分辨率区分那些具有诊断性光谱特 征的地表