楊伊欣++潘存德++胡珍珠
摘 要:利用光譜技術(shù)為‘新新2號(hào)(Juglans regia 'Xinxin2')核桃堅(jiān)果種仁脂肪含量的早期快速預(yù)測(cè)提供技術(shù)途徑。基于“3414”肥料效應(yīng)田間試驗(yàn),通過(guò)Person相關(guān)分析篩選出與葉片N、P、K含量呈極顯著相關(guān)的光譜敏感波段,并采用回歸分析建立‘新新2號(hào)核桃種仁脂肪含量光譜反演模型。結(jié)果顯示,‘新新2號(hào)核桃果實(shí)坐果期、速生生長(zhǎng)期、硬核期、脂化期和近成熟期葉片N素敏感波段分別為422和722 nm,713和990 nm,417和576 nm,630和638 nm,536和713 nm;P素敏感波段分別為468和470 nm,418和504 nm,615和650 nm,329和1 114 nm,424和429 nm;K素敏感波段分別為649和657 nm,708和709 nm,662和722 nm,524 和694 nm,944和981 nm。以上述光譜敏感指示波段為自變量,采用冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)可以構(gòu)建‘新新2號(hào)核桃種仁脂肪含量光譜反演模型?!滦?號(hào)核桃種仁脂肪含量光譜反演模型可通過(guò)果實(shí)不同生育時(shí)期光譜反射率與堅(jiān)果種仁脂肪含量構(gòu)建。
關(guān)鍵詞: ‘新新2號(hào)核桃;葉片;脂肪含量;相關(guān)分析;回歸分析
中圖分類(lèi)號(hào):S664.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI 編碼:10.3969/j.issn.1006-6500.2016.02.003
Spectral Inversion Models for Nut Kernel Fat Content of Juglans regia 'Xinxin2'
YANG Yixin, PAN Cunde, HU Zhenzhu
(Key Laboratory of Ecology and Industry Technology in Aird Region, Education Department of Xinjiang, College of Forestry and Horticulture, Xinjiang Agricultural University, Urumqi, Xinjiang 830052, China)
Abstract: As the J. regia 'Xinxin2'walnut kernel fat content of early rapid prediction provides a technical approach using spectrum technology. Based on "3414" fertilizer effect field experiments, select the spectral sensitive bands were significantly correlated with the NPK content of the leaves through the person correlation analysis, by regression analysis, established the spectral inversion models for nut kernel fat content. The spectral sensitive bands of foliar N, P, K element were different in fruit enlargement stage, fruit-set period, fast-growing period, hardcore period, fat changes period and Near mature period of J. regia 'Xinxin2'. The spectral sensitive bands of foliar N element at four phenological stages of fruit development were 422,722,713,990,417,576,630,638,536,713 nm respectively. The spectral sensitive bands of foliar P element were 468 ,470,418,504,615,650,329,1 114,424,429 nm respectively. The spectral sensitive bands of foliar K element were 649,657,708,709,662,722,524,694,944,981 nm respectively. Sensitive indicator in the spectral bands as variable by power function and exponential function to construct the model for nut kernel fat content of J. regia 'Xinxin2'. The spectral inversion model for nut kernel fat content of J. regia 'Xinxin2' can be constructed by walnut fruit in different growth period of spectral reflectance and the nut kernel fat content.
Key words: Juglans regia 'Xinxin2'; leaf; fat content; correlation analysis; regression analysis
核桃(Juglans regia L.)堅(jiān)果種仁脂肪含量是核桃堅(jiān)果品質(zhì)的重要指標(biāo)[1]。而堅(jiān)果品質(zhì)的好壞直接影響到核桃的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,進(jìn)而影響農(nóng)戶(hù)收入?!滦?號(hào)核桃作為新疆當(dāng)?shù)刂髟云贩N之一,快速無(wú)損地早期預(yù)報(bào)其堅(jiān)果種仁脂肪含量對(duì)指導(dǎo)其優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)具有重要意義。近年來(lái),隨著光譜技術(shù)的快速發(fā)展,植物光譜分析方法被廣泛運(yùn)用于作物生理生化特征及果實(shí)品質(zhì)的測(cè)定[2]。國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者利用光譜來(lái)反演作物的營(yíng)養(yǎng)狀況。這在經(jīng)濟(jì)作物小麥[2-4]、玉米[5-6]、黃豆[7]、水稻[8-9]和果樹(shù)[10-11]等方面均已有相關(guān)研究。在光譜反演作物品質(zhì)方面,王紀(jì)華等[12]研究發(fā)現(xiàn),小麥葉片全氮含量的敏感波段為820~1 100 nm和1 150~1 300 nm,通過(guò)監(jiān)測(cè)開(kāi)花期葉片氮含量可有效預(yù)測(cè)小麥籽粒品質(zhì)。薛利紅等[13]發(fā)現(xiàn),水稻的淀粉含量可以通過(guò)灌漿盛期的冠層光譜敏感波段660 nm和710 nm的比值和歸一化組合來(lái)預(yù)測(cè)。果樹(shù)方面利用光譜反演作物品質(zhì)的研究甚少。本研究首先篩選出果實(shí)不同生育時(shí)期葉片N、P、K光譜敏感波段,然后選擇適宜的光譜數(shù)據(jù)處理方法,最終建立‘新新2號(hào)核桃堅(jiān)果種仁脂肪含量光譜反演模型。
1 材料和方法
1.1 材 料
試驗(yàn)于2014年在新疆阿克蘇地區(qū)烏什縣阿克托海鄉(xiāng)吉格代力克村的核桃生產(chǎn)園(N 41°12′54.36′′~41°13′03′′,E 79°15′41.28′′~79°15′52.02′′)進(jìn)行。供試地區(qū)屬暖溫帶大陸性干旱氣候,年平均氣溫9.4 ℃,多年平均降水量91.5 mm,年均蒸發(fā)量2 003.8 mm,年日照時(shí)數(shù)2 750~2 850 h,無(wú)霜期250~286 d。供試地面積1 hm2,供試核桃品種‘新新2號(hào),試驗(yàn)地土壤為灌淤土,土層深厚。
1.2 方 法
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 供試品種為12 a健康無(wú)病蟲(chóng)害的‘新新2號(hào)核桃,參試樣株樹(shù)勢(shì)基本一致,株行距5 m×6 m,東西行向栽植與冬小麥間作。試驗(yàn)采用“3414”肥效方案(表1),即N、P、K 3個(gè)因素,4個(gè)水平(0水平指不施肥、1水平指常規(guī)施肥量的0.5倍、2水平指常規(guī)施肥量、3水平指常規(guī)施肥量的1.5倍),共14個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù),共42個(gè)試驗(yàn)小區(qū)(記為T(mén)ij,i=1,2,3,…,14;j=1,2,3)隨機(jī)排列,每一小區(qū)10株樹(shù),共420株。
施肥處理:每一樣株N、P、K的常規(guī)施肥量(純量)分別為1.5,0.7,0.3 kg。氮肥用尿素(46%N),磷肥用過(guò)磷酸鈣(46%P2O5),鉀肥用硫酸鉀(51%K2O)。肥料在核桃萌芽前一次性施入。在樹(shù)冠2/3處進(jìn)行環(huán)狀溝施,施肥深度50 cm。田間施肥于2014年3月下旬進(jìn)行。
1.2.2 光譜數(shù)據(jù)采集 采用美國(guó)PP Systems公司生產(chǎn)的UniSpec-SC便攜式單通道光譜分析儀進(jìn)行測(cè)定。光譜范圍310~1 130 nm,光譜分辨率<10 nm,在光譜范圍內(nèi)可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量且重采樣間隔為1 nm。采集方法:在‘新新2號(hào)核桃果實(shí)的5個(gè)生育時(shí)期內(nèi)測(cè)定,依次為坐果期(5月4日)、速生生長(zhǎng)期(5月29日)、硬核期(7月12日)、脂化期(8月5日)、近成熟期(8月30日)。測(cè)定時(shí)選擇晴朗無(wú)云、無(wú)風(fēng)天氣在北京時(shí)間12:00—15:00時(shí)間段進(jìn)行測(cè)定,選取參試樣株樹(shù)冠中上部外圍枝條健康活體葉片5~6片,每一葉片6次重復(fù)測(cè)定,取平均值作為被測(cè)定樣株的葉片光譜反射率。每次數(shù)據(jù)采集前均進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)置和標(biāo)準(zhǔn)白板校正。
1.2.3 葉樣采集與N、P、K含量測(cè)定 同一生育時(shí)期內(nèi)葉片采集與光譜測(cè)定同步,將采集后的葉片迅速帶回室內(nèi)依次用蒸餾水和去離子水洗滌,然后除去葉片多余水分,于105 ℃鼓風(fēng)烘箱中恒溫殺青20 min,80 ℃下烘干,粉碎,裝入密封袋中供N、P、K濃度測(cè)定。
1.2.4 ‘新新2號(hào)核桃堅(jiān)果種仁脂肪含量測(cè)定 采用 GB/T 5009.6—2003 食品中脂肪的測(cè)定、索氏提取法[18]。
1.3 數(shù)據(jù)分析處理
使用Pearson相關(guān)分析篩選出果實(shí)不同生育時(shí)期葉片N、P、K含量與光譜反射率相關(guān)性高的波段,采用算術(shù)相加、算術(shù)相加后取常用對(duì)數(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)數(shù),下同)、各自取對(duì)數(shù)后相加等3種數(shù)學(xué)處理所得的光譜反射率或其衍生變量作為自變量,以堅(jiān)果種仁脂肪含量為因變量,建立冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)回歸關(guān)系。數(shù)據(jù)分析采用SPSS 18.0、DPS V6.5、Microsoft Office Excel 2003軟件,繪圖采用Origin 7.5軟件。
2 結(jié)果與分析
2.1 果實(shí)不同生育時(shí)期葉片N、P、K含量與光譜反射率的相關(guān)性
2.1.1 光譜反射率與葉片N含量的相關(guān)性 如圖1所示,在果實(shí)坐果期、脂化期、近成熟期,‘新新2號(hào)核桃葉片光譜反射率與其N(xiāo)含量在310~1 130 nm波段均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。
果實(shí)坐果期,在紫光(310~440 nm)、綠光(530~570 nm)和紅光(704~803 nm)波段的相關(guān)性均較強(qiáng),在422,546,722 nm波段左右的相關(guān)性均較高,相關(guān)系數(shù)為-0.967 3,-0.976 8,-0.999 3。脂化期,700~1 130 nm波段的相關(guān)程度不如可見(jiàn)光波段。黃光(602~660 nm)波段的相關(guān)性最強(qiáng)。近成熟期,522~569 nm和702~740 nm波段相關(guān)性較強(qiáng),相關(guān)系數(shù)分別為-0.972 4和-0.957 1,其余波段的相關(guān)系數(shù)均不高。因此,坐果期、脂化期和近成熟期葉片N含量的敏感波段分別為310~570 nm和704~803 nm、602~660 nm、522~569 nm和702~740 nm。
速生生長(zhǎng)期,葉片光譜反射率與其N(xiāo)含量在310~1 130 nm波段均呈正相關(guān)關(guān)系。在綠光(533~570 nm)和(705~1 062 nm)波段的相關(guān)性均較強(qiáng),705~1 062 nm波段的相關(guān)性高于可見(jiàn)光波段,相關(guān)系數(shù)最高達(dá)到-0.958 7。但在1 062 nm之后相關(guān)性逐漸減弱。因此,705~1 062 nm波段可作為速生生長(zhǎng)期葉片N含量的敏感波段。
硬核期,葉片N含量與其光譜反射率的相關(guān)性不同于其它4個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育階段,在310~465 nm和1 096~1 130 nm波段呈負(fù)相關(guān),但在466~1 095 nm波段呈正相關(guān)。其中,407~441 nm和533~645 nm波段的相關(guān)性較好,最大相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.988 5。因此,該波段可作為該時(shí)期葉片N含量的指示波段。
2.1.2 光譜反射率與葉片P含量的相關(guān)性 如圖2所示,‘新新2號(hào)核桃葉片含P量與其光譜反射率在坐果期,可見(jiàn)光波段310~722 nm的相關(guān)性明顯高于紅外波段723~1 130 nm的相關(guān)性,其中紫光(310~384 nm)和(724~924 nm)波段與葉片P含量呈負(fù)相關(guān),385~723 nm波段呈正相關(guān)性,在450~510 nm波段相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.980 2。紅外波段的相關(guān)性均較低,相關(guān)系數(shù)低于0.110 9。因此,450~510 nm波段可作為坐果期葉片P含量的敏感波段。
速生生長(zhǎng)期,葉片P含量與其光譜反射率的相關(guān)性在可見(jiàn)光波段310~590 nm和紅外波段698~1 130 nm處呈正相關(guān)關(guān)系,其中310~530 nm波段上相關(guān)性相對(duì)較高,591~697 nm波段呈負(fù)相關(guān),但相關(guān)性程度不高。因此,310~530 nm波段可作為該時(shí)期葉片P含量的敏感波段。
硬核期,葉片P含量與其光譜反射率在310~476 nm、679~685 nm和1 104~1 139 nm波段呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)性不強(qiáng)。其余波段呈正相關(guān)關(guān)系,在565~665 nm和692~716 nm波段相關(guān)性最強(qiáng)。因此,565~665 nm和692~716 nm波段可作為硬核期葉片P含量的敏感波段。
葉片P含量與其光譜反射率在脂化期和近成熟期的整個(gè)波段里均成負(fù)相關(guān)關(guān)系。脂化期,在310~377 nm和1 087~1 120 nm波段,相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)最高為-0.975 3。近成熟期,在398~457 nm波段,相關(guān)性最強(qiáng),457 nm波段之后,相關(guān)性逐漸降低。因此,310~377 nm和1 087~1 120 nm波段、398~457 nm波段可分別作為脂化期和成熟期葉片P含量的敏感波段。
2.1.3 光譜反射率與葉片K含量的相關(guān)性 如圖3所示,果實(shí)坐果期,‘新新2號(hào)核桃葉片K含量與其葉片光譜反射率在310~400 nm波段呈正相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性逐漸降低,但721~1 130 nm波段,K含量與葉片光譜反射率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,628~668 nm波段相關(guān)性最高,在654 nm左右相關(guān)性的相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.995 5。因此,628~668 nm可作為坐果期葉片K含量的敏感波段。
速生生長(zhǎng)期,葉片K含量與其光譜反射率在437~513 nm和593~694 nm波段表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性較低,其余波段呈正相關(guān)關(guān)系,703~1 100 nm波段的相關(guān)性高于310~436 nm和514~592 nm波段。其中709 nm處的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.948 5。因此,703~1 100 nm波段可作為速生生長(zhǎng)期葉片K含量的敏感波段。
果實(shí)硬核期、脂化期和近成熟期,葉片K含量與其光譜反射率在整個(gè)波段上均成正相關(guān)關(guān)系。硬核期,整個(gè)波段的相關(guān)性系數(shù)均較高,在0.754 2~0.988 1之間,脂化期,515~538 nm和687~700 nm波段的相關(guān)性較高,相關(guān)性系數(shù)最高達(dá)到0.962 2,近成熟期,紅外波段(694~1 130 nm)相關(guān)性最強(qiáng)。因此,310~1 130 nm、675~702 nm和775~802 nm、694~1 130 nm可作為‘新新2號(hào)核桃硬核期、脂化期、近成熟期葉片K含量的敏感波段。
2.2 堅(jiān)果果仁脂肪含量光譜反演模型
將‘新新2號(hào)核桃果實(shí)不同生育時(shí)期葉片N、P、K含量與不同波段光譜反射率的相關(guān)性分析結(jié)果作為依據(jù),從所得的光譜敏感波段中選取果實(shí)的5個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期敏感指示波段的光譜反射率,進(jìn)行算數(shù)相加、算數(shù)相加后取對(duì)數(shù)、各自取對(duì)數(shù)后相加3種數(shù)學(xué)處理,將所得的光譜反射率或其衍生變量作為自變量(x),以堅(jiān)果種仁脂肪含量作為因變量(y),建立冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)回歸關(guān)系。
通過(guò)相關(guān)性分析可知(表2),‘新新2號(hào)核桃果實(shí)坐果期、速生生長(zhǎng)期、硬核期、脂化期和近成熟期葉片N素光譜敏感指示波段分別為422 nm、722 nm,713 nm、990 nm,417 nm、576 nm,630 nm、638 nm,536 nm、713 nm;P素光譜敏感指示波段分別為468 nm、470 nm,418 nm、504 nm,615 nm、650 nm,329 nm、1 114 nm,424 nm、429 nm;K素光譜敏感指示波段分別為649 nm、657 nm,708 nm、709 nm,662 nm、722 nm,524 nm、694 nm,944 nm、981 nm。
由表3可知,所建立的回歸方程擬合度均較高,且采用果實(shí)5個(gè)生育時(shí)期葉片N、P、K含量敏感指示波段的光譜反射率算數(shù)相加或相加后取對(duì)數(shù)后的衍生變量作為自變量,與堅(jiān)果種仁脂肪含量所建立的回歸方程擬合度有所提高,據(jù)此分析,‘新新2號(hào)核桃堅(jiān)果種仁脂肪含量光譜反演模型可采用果實(shí)不同生育時(shí)期光譜反射率(x)與堅(jiān)果種仁脂肪含量(y)來(lái)構(gòu)建。
3 討 論
核桃堅(jiān)果種仁脂肪含量一般在60%以上,是反映核桃品質(zhì)的重要指標(biāo),直接影響其經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1,14]?!滦?號(hào)核桃作為重要的經(jīng)濟(jì)樹(shù)種,了解其品質(zhì)狀況至關(guān)重要,通過(guò)光譜數(shù)據(jù)早期獲悉其堅(jiān)果種仁脂肪含量對(duì)后期的生產(chǎn)管理有一定的幫助。
近年來(lái),已有多個(gè)研究探索了作物品質(zhì)的無(wú)損檢測(cè)原理和技術(shù)途徑,本試驗(yàn)以葉片中N、P、K含量為連接點(diǎn),通過(guò)篩選出果實(shí)不同生育時(shí)期葉片敏感指示波段來(lái)構(gòu)建核桃堅(jiān)果種仁脂肪含量反演模型。馮偉等[15]研究表明,根據(jù)特征光譜參數(shù)—葉片氮素營(yíng)養(yǎng)—籽粒蛋白產(chǎn)量這一技術(shù)路徑,將氮素營(yíng)養(yǎng)作為連接點(diǎn),發(fā)現(xiàn)開(kāi)花期關(guān)鍵特征光譜指數(shù)可以有效地評(píng)價(jià)成熟期籽粒蛋白質(zhì)產(chǎn)量狀況。本文研究與之相似。但與王紀(jì)華等[12]通過(guò)光譜監(jiān)測(cè)開(kāi)花期葉片氮含量可間接有效地估測(cè)小麥品質(zhì)的研究有所不同。
有研究表明,獲取作物光譜數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)受光照條件、溫度、風(fēng)速、噪聲等外界因素影響[16]。有學(xué)者利用近紅外光譜分析了尖椒葉片葉綠素含量,發(fā)現(xiàn)不同的光譜波段選擇和光譜處理方法對(duì)構(gòu)建的模型有較大影響[17]。通過(guò)回歸分析表明,采用果實(shí)的5個(gè)生育時(shí)期葉片敏感波段的光譜反射率相加取對(duì)數(shù)后的衍生變量作為自變量(x),堅(jiān)果種仁脂肪含量作為因變量(y)建立的回歸方程擬合度有所提高。這可能是因?yàn)楣庾V反射率經(jīng)對(duì)數(shù)變換后,增強(qiáng)了光譜差異,而且可以減少因光照條件變化引起的乘性因素的影響[18]。
4 結(jié) 論
本研究通過(guò)對(duì)不同施肥水平下‘新新2號(hào)核桃果實(shí)不同生育時(shí)期葉片中N、P、K含量與光譜反射率的相關(guān)性分析獲知,N、P、K元素在果實(shí)的5個(gè)生育時(shí)期存在光譜敏感指示波段,可根據(jù)光譜敏感指示波段的光譜反射率或其衍生變量利用冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)建立堅(jiān)果種仁脂肪含量的光譜反演模型。
由于這些光譜反射率常因試驗(yàn)條件的不同,在反演堅(jiān)果種仁脂肪含量時(shí)有所差異,因此這些模型能否精確反演‘新新2號(hào)核桃堅(jiān)果種仁脂肪含量,還需要作進(jìn)一步的驗(yàn)證。
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