馬 偉，李翠玲，王 秀（北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100083）

背景

近年來，設(shè)施農(nóng)業(yè)在我國得到快速發(fā)展，設(shè)施規(guī)?；a(chǎn)為高品質(zhì)蔬菜生產(chǎn)和農(nóng)民增收提供了新的發(fā)展模式。大規(guī)模的設(shè)施生產(chǎn)，對配套的育苗技術(shù)提出了更高的要求，促進(jìn)了穴盤育苗技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這些農(nóng)藝技術(shù)的進(jìn)步，從根本上改變了蔬菜傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和種植制度的不足，從而衍生出規(guī)?；⑸唐坊幕|(zhì)穴盤育苗新形勢，這種新的育苗方式逐步替代了傳統(tǒng)的農(nóng)田土床育苗法。傳統(tǒng)的方法需要占用一塊生產(chǎn)農(nóng)田，采用被上一茬生產(chǎn)污染過的土壤進(jìn)行混拌處理后建立小土床育苗，新的育苗方法集中生產(chǎn)，更加高效環(huán)保。同時，新的方法為進(jìn)一步的控制秧苗的品質(zhì)提供了很多便利條件。

秧苗的品質(zhì)受到很多條件的制約。傳統(tǒng)的育苗生產(chǎn)采用有土育苗方法，土壤被污染的程度和消毒處理的水平成為制約育苗品質(zhì)的主要問題。在新的蔬菜穴盤育苗過程中，土壤的問題得到解決之后，種子的品質(zhì)以及管理水平成為一個關(guān)鍵問題。實(shí)際上，由于秧苗受到種子遺傳因素或不良環(huán)境因子影響，在不同管理水平下，秧苗的生長受到自身病變、不良生長環(huán)境和外來侵害的影響，秧苗從生理到組織結(jié)構(gòu)、外部形態(tài)上都會發(fā)生一系列反常的表現(xiàn)[1]，長勢品相很差，商品率低甚至枯死，由此對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大損失。及時發(fā)現(xiàn)并獲取秧苗的生長信息是解決提高秧苗品質(zhì)問題的重要途徑。

采用什么手段能更好地獲取秧苗變化的細(xì)微信息呢？在番茄穴盤育苗中，秧苗在生理、組織結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)上發(fā)生一系列反常的表現(xiàn)是一個緩慢的過程，在這個緩慢過程中，秧苗呈現(xiàn)出不同的生長狀態(tài)的信號如何準(zhǔn)確解析，這是一個關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)。因此，研究基于穴盤育苗的蔬菜秧苗生長狀況檢測技術(shù)具有重要意義。相比傳統(tǒng)的經(jīng)驗法和化學(xué)化驗法，光學(xué)信息檢測技術(shù)具有檢測速度快、分析效率高和不破壞樣品、操作簡便、可實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)檢測等優(yōu)點(diǎn)[2]。該研究以番茄為研究對象，采用光學(xué)信息檢測技術(shù)檢測番茄穴盤育苗中的秧苗生長狀態(tài)。

研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外研究學(xué)者最早研究基于農(nóng)業(yè)光學(xué)對作物進(jìn)行診斷，發(fā)現(xiàn)了農(nóng)作物營養(yǎng)狀況與光譜特性關(guān)系密切的規(guī)律，利用光譜技術(shù)所獲得的光譜數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)農(nóng)作物本身的光譜特征以及作物之間的光譜差異，可以更加精準(zhǔn)地獲取作物的生物化學(xué)信息[3-4]，如作物含水量、葉綠素含量、葉面積指數(shù)、植株的氮磷鉀含量等，而這些參數(shù)和作物的營養(yǎng)狀況、產(chǎn)量密切相關(guān)[5]。土壤肥水供應(yīng)的量和濃度都對蔬菜有很大的影響。Leone等研究了作物對土壤含鹽量的光譜響應(yīng)，研究給土壤灌溉高含鹽量水、中度含鹽量水和無鹽水對土壤、茄子特征和光譜響應(yīng)的影響[6]。研究結(jié)果顯示，土壤含鹽量對植被指數(shù)和含水量具有顯著影響。Jaouhra Cherif 采用葉綠素?zé)晒夤庾V來監(jiān)測番茄苗在鋅脅迫下的生理狀態(tài)。孟加拉農(nóng)業(yè)大學(xué)Muhammad Ali ASHRAF 等采用機(jī)器視覺結(jié)合背光LED，進(jìn)行全自動嫁接機(jī)器人番茄接穗苗的分級和排序研究；浙江大學(xué)采用機(jī)器視覺技術(shù)，通過葉面積評價幼苗質(zhì)量[7-10]。

檢測技術(shù)

基于植被葉片光譜的營養(yǎng)狀況檢測

植物缺乏營養(yǎng)元素不僅會嚴(yán)重影響其生長速度和產(chǎn)量，而且還能引起葉片、葉色、形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及各種外觀不同的缺素癥狀。植物葉片的光譜特性一方面與葉片厚度、葉片表面特性、水分含量和葉綠素等色素含量等自身特性有關(guān)，另一方面也與植物營養(yǎng)元素狀況密切相關(guān)，在所有營養(yǎng)元素中，氮素對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響最大，施用量也最大[11-12]。

在蔬菜穴盤育苗中，養(yǎng)分狀況關(guān)系到蔬菜秧苗的素質(zhì)，養(yǎng)分供給的配比或數(shù)量不合理，將影響蔬菜秧苗正常生長，蔬菜秧苗外觀質(zhì)量下降，發(fā)育不良，導(dǎo)致出圃期后延。由于中國設(shè)施園藝面積大，肥料需求量多，有些生產(chǎn)者為了避免養(yǎng)分虧缺，過量施用氮、磷、鉀肥，不僅造成肥料的浪費(fèi)和環(huán)境污染，而且也會降低作物品質(zhì)及產(chǎn)量，同時設(shè)施育苗中也經(jīng)常會出現(xiàn)營養(yǎng)元素供給比例失調(diào)現(xiàn)象。

上述這些問題都可以借助光譜的手段實(shí)時監(jiān)測和管理，在生產(chǎn)的整個過程中，對蔬菜秧苗的養(yǎng)分狀況進(jìn)行檢測。由于國內(nèi)外研究學(xué)者早已發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物營養(yǎng)狀況與光學(xué)特性關(guān)系密切，因此利用作物圖像或光譜信息能夠精準(zhǔn)地獲取一些作物的生物化學(xué)信息，如作物含水量、葉綠素含量、葉面積指數(shù)、植株的氮磷鉀含量等，而這些參數(shù)與作物的營養(yǎng)狀況、產(chǎn)量密切相關(guān)。該研究以番茄秧苗為研究對象，采用光譜技術(shù)檢測番茄秧苗生長的養(yǎng)分狀況。

基于植被紅邊特性的營養(yǎng)狀況檢測

植物葉片的光譜特征是反映植物生長狀態(tài)的重要信息，與葉片的厚度、顏色、形態(tài)、水分和葉綠素等有關(guān)。各種環(huán)境脅迫，如缺氮、干旱、病蟲害等都會使植物葉片的光譜特征發(fā)生變化?；诠庾V信息的作物生長信息無損監(jiān)測技術(shù)是現(xiàn)階段作物生長信息精確診斷和動態(tài)調(diào)控所迫切需要的關(guān)鍵技術(shù)[13]。

紅邊是由于植被葉綠素在紅光波段強(qiáng)烈的吸收與在近紅外波段多次散射而形成強(qiáng)反射造成的，其波長范圍一般在670～780 nm，紅邊區(qū)域包含豐富的植被生長狀態(tài)信息，與植被生理生化參數(shù)密切相關(guān)。紅邊左側(cè)的反射率主要與葉綠素含量有關(guān)，紅邊右側(cè)的反射率主要取決于葉內(nèi)組織結(jié)構(gòu)和植物體內(nèi)含水量的影響。1983年通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，紅邊區(qū)間可以作為植物生長狀況的指示區(qū)。

檢測系統(tǒng)搭建

農(nóng)業(yè)光學(xué)的穴盤育苗番茄秧苗長勢快速檢測系統(tǒng)主要由暗箱、三坐標(biāo)臺、履帶、光源單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元組成。光源單元包括氙燈光源（HPX-2000，美國）、光纖、光纖衰減器、光纖支架和暗箱；數(shù)據(jù)采集單元為光譜儀（QE65Pro，美國）；數(shù)據(jù)處理單元為計算機(jī)。光源帶有穩(wěn)壓電源和散熱器件，其波長范圍為185～2200 nm，光譜儀探測的波長范圍為200～1100 nm，光譜分辨率為0.14～7.7 nm。暗箱的作用是隔離外界光線的干擾。圖1是農(nóng)業(yè)光學(xué)的穴盤育苗番茄秧苗長勢快速檢測系統(tǒng)原理圖。

試驗方法

樣本制備

該研究將試驗分為2組，重復(fù)1次，施肥量與配比做5組處理，其中一組為對照組。N的施肥量依次為0、300、500、800、1000 g/m3。按照試驗設(shè)計方案，分別將各處理所需加入的肥料溶于水，噴灑入定量的混合基質(zhì)中，充分?jǐn)嚢杈鶆颍b入穴盤，番茄種子精播于穴盤中，每穴1粒，擺放于溫室內(nèi)培養(yǎng)。由于供試肥料一次性全部施入基質(zhì)中，日常只需澆灌清水，以保持基質(zhì)濕潤，其他管理措施相同。

光譜采集

待番茄秧苗生長成熟、可移植時，采集番茄苗的可見/近紅外光譜數(shù)據(jù)。每個樣本重復(fù)采集3次光譜數(shù)據(jù)，對采集的光譜數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行光譜預(yù)處理，通過平滑等方法去掉背景噪聲等干擾信號。數(shù)據(jù)采集前，系統(tǒng)預(yù)熱15 min，使光源和光譜儀處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。然后采集標(biāo)準(zhǔn)參考白板的光譜信息，切斷光路，采集暗環(huán)境的光譜信息；連通光路，采集反射光譜信息，光譜儀進(jìn)行白參考校準(zhǔn)和黑參考校準(zhǔn)。光譜采集的積分時間設(shè)置為8 ms，平均次數(shù)設(shè)置為15次，平滑度設(shè)置為1。

圖2 制備試驗樣品秧苗

結(jié)果

光譜特征檢測

通過光譜系統(tǒng)可以采集到秧苗的光譜數(shù)據(jù)，光譜數(shù)據(jù)保存后可開展后續(xù)處理。采集的番茄穴盤苗可見/近紅外反射光譜曲線如圖3所示，波長范圍為 380～970 nm。

圖 3 播種后第4周秧苗子葉反射光譜曲線

其中，Rλ表示標(biāo)段λ處的反射率，Sλ表示樣品在標(biāo)段λ處的反射光強(qiáng)度，Bλ表示暗環(huán)境在標(biāo)段λ處的反射光強(qiáng)度，Wλ表示參考白板在標(biāo)段λ處的反射光強(qiáng)度。

通過光譜特征曲線可以獲取簡單的一些秧苗的養(yǎng)分趨勢情況，通過進(jìn)一步計算后，可獲得更多的養(yǎng)分特征信息。

紅邊特征檢測

外光譜儀所采集的光譜除樣品的自身信息外，還包含了其它無關(guān)信息和噪音，如電噪音、樣品背景和雜散光等。因此，消除光譜數(shù)據(jù)中的無關(guān)信息和噪音十分關(guān)鍵和必要。光譜的一階導(dǎo)數(shù)處理可有效地消除基線漂移和其它背景的干擾，分辨重疊峰，提高分辨率和靈敏度，本研究采用一階導(dǎo)數(shù)方法對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并從一階導(dǎo)數(shù)光譜數(shù)據(jù)中提取秧苗的紅邊位置信息。圖4是采集的光譜數(shù)據(jù)的一階導(dǎo)數(shù)處理。

對于光譜特征的海量數(shù)據(jù)而言，進(jìn)一步的挖掘數(shù)據(jù)能有效的提高在線檢測速度。進(jìn)一步提取紅邊特征參數(shù)，紅邊振幅為紅邊位置對應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)值。測試中的秧苗葉片紅邊振幅曲線如圖5。

圖5可得出，施肥量多抑制番茄穴盤苗的生長。同時隨著氮肥施肥量的增加，番茄苗葉片紅邊斜率不斷減小。

圖4 光譜數(shù)據(jù)的一階導(dǎo)數(shù)處理

圖5 第4周秧苗子葉紅邊振幅

結(jié)論

借助農(nóng)業(yè)光學(xué)傳感器搭建了光譜檢測平臺，對秧苗進(jìn)行快速檢測處理，提出一種番茄穴盤苗營養(yǎng)狀況可行有效的檢測方法。研究結(jié)果表明穴盤育苗氮肥施肥量的過多投入不利于育苗。