楊 健，史 碩，2，3*，龔 威，2，杜 霖，4，祝 波，馬盈盈，2，孫 嘉

1. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079 2. 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079 3. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079 3. 武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430072

氮脅迫下水稻的激光誘導(dǎo)熒光光譜特性

楊 健1，史 碩1，2，3*，龔 威1，2，杜 霖1，4，祝 波1，馬盈盈1，2，孫 嘉1

1. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079 2. 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079 3. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079 3. 武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430072

為了指導(dǎo)水稻的田間施肥，解決因過(guò)量施肥造成資源的大量浪費(fèi)以及環(huán)境污染，特別是水體富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題，搭建了基于紫外激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)的熒光光譜探測(cè)系統(tǒng)，以研究水稻葉片的氮水平與熒光強(qiáng)度的相關(guān)性。文中先用植物營(yíng)養(yǎng)測(cè)定儀(TYS-3N)測(cè)定水稻葉片氮含量和葉綠素含量(樣本為水稻分蘗期的倒二葉，采集于中國(guó)江漢平原地區(qū))，再用搭建的測(cè)量系統(tǒng)采集了不同氮水平的熒光光譜。獲得了不同氮水平下水稻葉片的熒光光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，分析了熒光光譜參數(shù)F740/F685(為峰值740，685 nm處的熒光強(qiáng)度比)與氮水平的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)氮含量的變化對(duì)水稻葉片熒光光譜特性影響明顯。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熒光參數(shù)的峰值比F740/F685與氮含量呈明顯的線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)(r)為0.871 8，均方根誤差(RMSE)為0.076 82。實(shí)驗(yàn)表明采用激光誘導(dǎo)熒光光譜探測(cè)技術(shù)具有快速無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)，且有一定潛力用于定量測(cè)量植被營(yíng)養(yǎng)元素的含量，為采用熒光技術(shù)對(duì)農(nóng)作物施氮管理提供了支持。

關(guān)鍵字水稻； 氮含量； 激光誘導(dǎo)熒光； 相關(guān)性分析

引 言

水稻在我國(guó)作為主要的農(nóng)作物之一，如何提高糧食產(chǎn)量，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)糧食不僅是全民關(guān)心的問(wèn)題，而且也是當(dāng)今科研者研究的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。目前，為了提高糧食產(chǎn)量，主要通過(guò)不斷提高施肥來(lái)滿足需求。國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的高等植物所必需的營(yíng)養(yǎng)元素卻有16種，它們分別是碳、氫、氧、氮、磷、鉀等，而國(guó)內(nèi)農(nóng)田大多偏施氮肥，并不能完全滿足所有營(yíng)養(yǎng)元素的需求，因此施肥要有限度、有針對(duì)性，不是施肥越多越增產(chǎn)，超過(guò)合理施肥量的上限就會(huì)造成“盲目施肥”等情況。它不僅造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)、增加生產(chǎn)成本，同時(shí)出現(xiàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化以及其他相關(guān)環(huán)境污染問(wèn)題； 而且使土壤養(yǎng)份失調(diào)，有損于農(nóng)作物產(chǎn)量并殃及產(chǎn)品質(zhì)量[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國(guó)每年因過(guò)度施肥而導(dǎo)致的氮肥浪費(fèi)金額超過(guò)百億元，因水體富營(yíng)養(yǎng)化造成的直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失也過(guò)億。因此，如何合理科學(xué)施肥，提高肥料利用率，減輕對(duì)環(huán)境的壓力，是農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展中最為關(guān)心的重要問(wèn)題之一。為此，最初科研工作者通過(guò)研究植被的反射光譜，結(jié)合相應(yīng)的植被參數(shù)如： 歸一化植被指數(shù)(NDVI)[2, 3]、葉綠素含量(SPAD)[4, 5]等相關(guān)參數(shù)對(duì)植被的葉綠素含量和施氮水平進(jìn)行相關(guān)研究，但是精度不高，得到結(jié)果不佳。后來(lái)，美國(guó)學(xué)者Choppelle等[6-8]對(duì)一些植被的激光誘導(dǎo)熒光光譜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究分析，研究了施氮水平對(duì)熒光光譜的影響，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制和設(shè)置方案問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想。國(guó)內(nèi)的潘崎等對(duì)激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒庥糜诰G色植被診斷的可行性進(jìn)行了研究[9-10]，認(rèn)為植被葉片的熒光光譜能反應(yīng)其相應(yīng)的施氮水平，但是大部分結(jié)果都缺少相關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析[11-12]。

基于此，我們搭建了激光誘導(dǎo)熒光光譜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了不同施氮水平對(duì)水稻熒光光譜特性的影響。利用355 nm的Nd∶YAG固體激光器作為光源，實(shí)驗(yàn)樣品采用華中農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)栽培田的水稻(位于湖北省隨州市均川鎮(zhèn))，獲得了水稻葉片在不同氮含量下的激光誘導(dǎo)熒光光譜，并用植物營(yíng)養(yǎng)測(cè)定儀測(cè)量所選樣本的SPAD值和氮含量。分析了在不同氮含量下熒光光譜的差異，討論了熒光光譜參數(shù)和氮含量的相關(guān)性，并在此基礎(chǔ)上建立了熒光光譜參數(shù)與氮含量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。從而從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了激光誘導(dǎo)熒光光譜技術(shù)可以用于檢測(cè)水稻葉片氮含量，監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況，為農(nóng)作物的施氮方案提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 測(cè)量原理

當(dāng)高能量短波光線射入到某些物質(zhì)上時(shí)，由于物質(zhì)中的熒光團(tuán)會(huì)吸收能量，使電子從基態(tài)躍遷至高能級(jí)； 但處在高能級(jí)的電子極不穩(wěn)定，就會(huì)從高能級(jí)躍遷至低能級(jí)，從而釋放出能量發(fā)出熒光，即為熒光效應(yīng)，整個(gè)過(guò)程一般會(huì)在幾個(gè)納秒時(shí)間內(nèi)完成。在外界條件和激發(fā)光強(qiáng)度一定的情況下，熒光團(tuán)的數(shù)量越多，被激發(fā)到激發(fā)態(tài)的分子越多，產(chǎn)生的熒光就越強(qiáng)。激發(fā)的熒光強(qiáng)度一般表示為[10]

F=Kf0I0(1-e-A)

(1)

式中:F為激發(fā)的熒光強(qiáng)度；K是儀器常數(shù)；f0是被激發(fā)物質(zhì)的量子效率；I0是激發(fā)光強(qiáng)度；A是被激發(fā)物質(zhì)的吸收系數(shù)，還與物質(zhì)的濃度有關(guān)。當(dāng)熒光團(tuán)的濃度比較低時(shí)，上式可以簡(jiǎn)化為

F=Kf0I0A

(2)

從式(2)可以看出，在其他參量不變的情況下，熒光強(qiáng)度與熒光團(tuán)濃度成正比。由于氮是葉綠素重要的組成元素，因此不同施氮水平表現(xiàn)為水稻葉片里葉綠素?zé)晒鈭F(tuán)的含量差異性，從而水稻葉片在受激發(fā)時(shí)熒光光譜的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化[12]。這些特性決定了熒光光譜相關(guān)參數(shù)可以用于水稻氮脅迫的監(jiān)測(cè)。

1.2 系統(tǒng)和參數(shù)

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，主要由三部分構(gòu)成： 激發(fā)裝置、接收部分、數(shù)據(jù)接收和處理部分。其中紫外激發(fā)裝置主要由355nm激光器和擴(kuò)束鏡組成； 接收部分由望遠(yuǎn)系統(tǒng)、355nm截止濾光片、光纖接收器、光譜儀和ICCD陣列組成； 數(shù)據(jù)接收和處理部分主要通過(guò)PC機(jī)軟件控制完成?；l為1 064nm的激光，經(jīng)過(guò)三倍頻模塊獲得355nm的紫外激光(Surelite，脈沖頻率為20Hz，脈沖寬度為5ns，激光單脈沖能量為1.5mJ)，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)后，均勻的入射到水稻葉片表面(距離頂端3cm處)，水稻葉片在激光的照射下產(chǎn)生熒光，熒光信號(hào)經(jīng)由望遠(yuǎn)鏡接收再通過(guò)置于望遠(yuǎn)鏡出口處的355nm截止濾光片，通過(guò)光纖接收進(jìn)入光譜儀分光系統(tǒng)，最后ICCD把探測(cè)得到的熒光光譜信息傳入計(jì)算機(jī)分析。

Fig.1 Schematic of LIF system

1.3 樣品和測(cè)量

樣本采自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)栽培田的水稻，采集時(shí)間為2014年7月15日，水稻品種為甬優(yōu)4949(V1)，采樣時(shí)期為分蘗期，采樣位置為每株水稻的倒二葉，總共采集了138個(gè)樣本。將采集到的樣本存于零下-20°的冰箱中，并且經(jīng)過(guò)暗室處理，從而保證葉片不再發(fā)生光合作用[13]。我們先用植物養(yǎng)分測(cè)定儀(TYS-3N，測(cè)氮精度： ±5%； 葉綠素范圍0.0～99.9 SPAD，葉綠素精度±2 SPAD； 存儲(chǔ)量為： 999組數(shù)據(jù))對(duì)樣本的氮含量和SPAD值進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量位置與激光照射產(chǎn)生熒光位置一致，將測(cè)量結(jié)果中氮含量值分別為2.5，2.7，3.1，3.3，3.5，3.7，3.9 mg·g-1列于表1中并分別用a，b，c，d，e，f，g，h進(jìn)行標(biāo)號(hào)； 再用實(shí)驗(yàn)室搭建的激光誘導(dǎo)熒光光譜探測(cè)系統(tǒng)對(duì)各個(gè)樣本進(jìn)行熒光光譜探測(cè)，熒光光譜范圍為360～800 nm，采樣間隔為0.5 nm。為了便于對(duì)熒光強(qiáng)度進(jìn)行比較分析，對(duì)采集到的光譜進(jìn)行強(qiáng)度矯正、去噪平滑，并對(duì)熒光光譜在460 nm處歸一化為1，得到如圖2所示的熒光光譜圖，它們的相關(guān)熒光參數(shù)列于表2中。

Table 1 Leaf nitrogen content of paddy and SPAD

Fig.2 Relationship between the wavelength and the relative fluorescence intensity in different N-content

2 結(jié)果和討論

表1是不同氮含量對(duì)應(yīng)的葉綠素SPAD值?？梢钥闯?，隨著氮含量的增加，SPAD是逐漸遞大，呈現(xiàn)一定的線性相關(guān)性。從而說(shuō)明SPAD變化可以反映氮含量的變化。圖2是水稻葉片在不同氮含量下的熒光光譜曲線，熒光峰值都出現(xiàn)在460，525，685和740 nm(分別對(duì)應(yīng)不同的熒光團(tuán)，其中葉綠素等色素?zé)晒鈭F(tuán)為后面兩個(gè)峰)，由葉綠素?zé)晒鈭F(tuán)產(chǎn)生的相對(duì)熒光強(qiáng)度差別較大。從結(jié)果可以看出隨著氮含量的增加熒光強(qiáng)度增大，并沒(méi)有出現(xiàn)新的峰值，這說(shuō)明了隨著氮含量的變化并不影響葉片內(nèi)部物質(zhì)的成份變化，只是葉片中的熒光團(tuán)含量存在差異，從而驗(yàn)證了葉綠素濃度與熒光強(qiáng)度成正比[10]。因此，可以從熒光的光譜特性變化對(duì)水稻氮水平進(jìn)行評(píng)估，為水稻是否需要施氮以及施氮是否過(guò)量等情況提供定性的分析。

Table 2 Peak wavelength and relative intensity

Fig.3 Relationship between the leaf N-content of paddy and the ratio of fluorescence intensity

從表2可以看出，熒光光譜參數(shù)隨著氮含量的增加基本都呈增加的趨勢(shì)。這就說(shuō)明了水稻葉片氮含量的變化可以通過(guò)熒光光譜參數(shù)與其建立相應(yīng)的變化關(guān)系。圖3為熒光光譜比值參數(shù)(F740/F685)與氮含量線性擬合的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)兩者具有較高的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)(r)為： 0.871 8，均方根(RMSE)為： 0.076 82。從而從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可以通過(guò)熒光光譜分析對(duì)水稻氮水平進(jìn)行檢測(cè)，指導(dǎo)農(nóng)作物施肥，減少因盲目施肥導(dǎo)致的資源浪費(fèi)以及因過(guò)量施肥而造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化和其他環(huán)境污染問(wèn)題。

3 結(jié) 論

基于實(shí)驗(yàn)室搭建的激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)系統(tǒng)，使用1 064 nm的激光經(jīng)過(guò)三倍頻后得到355 nm激發(fā)光，通過(guò)激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)獲得了水稻在不同氮水平下的熒光光譜特性曲線。結(jié)果表明氮含量變化對(duì)水稻葉片的熒光光譜特性影響較為明顯，且隨著氮含量的增加熒光光譜參數(shù)呈增大的變化趨勢(shì)，根據(jù)這些差異性有利于利用熒光光譜特性對(duì)水稻氮水平的檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上，我們對(duì)獲得的熒光光譜進(jìn)行校正、去噪、歸一化后，發(fā)現(xiàn)熒光光譜比值參數(shù)與氮含量具有較高的線性相關(guān)性(r=0.871 8，RMSE=0.076 82)。從而，從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了采用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對(duì)植被的氮水平進(jìn)行檢測(cè)的可行性。因此，利用激光誘導(dǎo)熒光光譜技術(shù)掌握植物生長(zhǎng)狀況與施肥量之間的相互關(guān)系，為施肥定量化研究提供參考，為提高土壤肥力以獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供保障，同時(shí)可以有效降低因過(guò)度施肥造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化以及其他相關(guān)問(wèn)題。

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*Corresponding author

Laser Induced Fluorescence Spectrum Characteristics of Paddy under Nitrogen Stress

YANG Jian1, SHI Shuo1, 2, 3*, GONG Wei1, 2, DU Lin1, 4, ZHU Bo1, MA Ying-ying1, 2, SUN Jia1

1. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079，China 2. Collaborative Innovation Center of Geospatial Technology, Wuhan 430079, China 3. School of Resource and Environmental Sciences, Wuhan University, Wuhan 430079, China 4. School of Physics and Technology, Wuhan University, Wuhan 430072, China

Order toguide fertilizing andreduce waste of resources as well as enviro nmental pollution, especially eutrophication, which are caused by excessive fertilization, a system of laser-induced fluorescence(LIF) was built. The system aimed to investigate the correlation between nitrogen(N) content of paddy leaf and the fluorescence intensity. We measuredNcontent and SPAD of paddy leaf (the samples came from the second upper leaves of paddy in tillering stage and the study area was located in Jianghan plain of China) by utilizing the Plant Nutrient (Tester TYS-3N). The fluorescence spectrum was also obtained by using the systembuilt based on theLIFtechnology. Fluorescence spectra of leaf with different N-content were collected and then a fluorescence spectra database wasestablished.It is analyzed that the relationship between the parameters of fluorescence (F740/F685is the ratio of fluorescence intensity of 740 nm dividing that of 685 nm) and the N level of paddy. It is found that the effect of different N-content on the fluorescence spectrum characteristics is significant. The experiment demonstrated the positive correlation between fluorescence parameters and paddy leaf N-content. Results showed a positive linear correlation between the ratio of peak fluorescence (F740/F685) and N-content. The correlation coefficient (r) reached 0.871 8 and the root mean square error (RMSE) was 0.076 82. The experiment demonstrated that LIF spectroscopy detection technology has the advantages of rapidand non-destructive measurement, and it also has the potential to measure plant content of nutrient elements. It will provide a more accurate remote sensing method to rapidly detect the crop nitrogen levels.

Paddy; N-content; Laser-induced fluorescence; Correlation analysis

Dec. 19, 2014; accepted Apr. 14, 2015)

2014-12-19，

2015-04-14

國(guó)家(973)項(xiàng)目(2011CB707106)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401498)資助

楊 健，1988年生，武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生 e-mail: wind_yang@whu.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail： shishuo@whu.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0537-04