摘要:玉米抽絲期是玉米由營養(yǎng)生長進入生殖生長的轉折點，是決定玉米產(chǎn)量的關鍵時期。為此，基于激光誘導熒光光譜(LIF)技術，以抽絲期玉米葉片為研究對象，快速無損地獲取植物生理信息的日變化，重點分析玉米葉片蒸騰效應與葉綠素熒光光譜的相關性，并選擇706～748nm波段作為敏感光譜波段，建立了基于光譜特征參數(shù)的植物葉片蒸騰速率的預測模型。結果表明:采用熒光強度F730研究玉米葉片蒸騰效應最合適;由于氣孔導度反映蒸騰效應，且影響CO2的同化過程，故以氣孔導度的信號之一的葉片溫度作為模型輸入修正;通過對蒸騰速率與葉片溫度、葉綠素熒光強度進行回歸診斷與全回歸分析，建立了基于熒光強度F730和葉片溫度的蒸騰速率預測模型，分析了蒸騰速率與二者的相關性，模型復相關系數(shù)為Ｒ=0．8334，模型校驗結果的相關系數(shù)Ｒ2=0．8798，認為模型的預測能力較好。通過激光誘導葉綠素熒光光譜技術實現(xiàn)了對植物生理信息的無損檢測與分析，建立的玉米抽絲期蒸騰速率預測模型可為玉米優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的水肥精準化、智能化控制技術提供數(shù)據(jù)支持。

　　關鍵詞:玉米葉片;蒸騰速率;激光誘導熒光;葉綠素熒光光譜;無損檢測;回歸分析

　　0引言

　　隨著無損檢測技術的日漸發(fā)展，將光譜技術應用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測越來越廣泛，包括近紅外光譜［1］、反射光譜［2－3］、高光譜［4－5］和激光拉曼光譜技術［6］等，光譜處理分析方法也多種多樣［7－10］，這些都將為精準智慧農(nóng)業(yè)提供支持。植物葉片受光激發(fā)后，大部分光能以熱耗散和光合作用方式消耗，但有一小部分光能(通常約占吸收光能的3%)以葉綠素熒光的方式釋放，這種進化而來的光保護機制能最大限度減少強光對植物的潛在傷害，避免葉綠體吸收光能超過光合作用的消化能力［11］。葉綠素熒光出現(xiàn)在紅光和遠紅光區(qū)域，能實時反映植物的生理信息狀況，與植物的生長發(fā)育密切相關，常作為研究植物生理信息無損檢測的理想探針［12－16］。

　　1試驗材料與方法

　　1．1試驗條件

　　本研究于吉林大學南嶺校區(qū)日光溫室內(nèi)(海拔高度150m，44°50'N，125°18'E)進行。經(jīng)測量，溫室內(nèi)平均光通量密度(PPFD)為5．96μmol/m2·s，空氣溫度為23．19℃。試驗對象為處于抽絲期的“先玉335”號玉米植株，試驗材料選擇完全展開無遮陰的具有代表性(正常水肥管理、長勢均勻、健康無病蟲害)的活體葉片，按編號次序同步采集玉米葉片的生理信息，觀測指標和葉綠素熒光光譜。

　　1．2植物生理信息的測定

　　一天中，植物生理信息狀況會隨著外界光照條件、溫濕度等環(huán)境因素的變化而變化，差異主要體現(xiàn)在光合速率、光能利用率及葉綠素熒光強度等方面。試驗選擇在4月4－16日的晴朗無云天氣，于每天的7:30－17:30進行。植物生理信息采集采用美國產(chǎn)LI－6400型便攜式光合作用儀，先在室溫下開機預熱0．5h，后每隔2h測定一次玉米葉片，每次測定20片玉米葉片，每葉重復3次取平均，測量10天，共計200片。測量時打開葉室，保持葉片自然伸展，避開主葉脈，在待測葉片的葉脈一側葉肉中心位置平穩(wěn)夾好葉片，待參數(shù)基本穩(wěn)定記錄保存相關數(shù)據(jù)，獲取葉片生理信息觀測指標，包括凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)、葉片溫度(Ti)及光合有效輻射(PAＲ)等。

　　2試驗結果與討論

　　2．1葉綠素熒光光譜敏感波段的確定

　　通過對玉米葉片蒸騰速率(Tr)等生理信息的測定與激光誘導葉綠素熒光光譜的同步采集，整理得葉片的蒸騰速率與相應葉綠素熒光光譜，如圖1所示。由圖1可以看出:不同蒸騰速率的植物葉片的激光誘導葉綠素熒光強度不同，玉米葉片的蒸騰速率在473～480、677～684、706～748nm等3個波段內(nèi)均出現(xiàn)了熒光強度的峰值。由于473nm左右波段屬于激光發(fā)射波段，易產(chǎn)生波動，且峰值發(fā)生光譜重疊，在677～684nm波段熒光光譜有交叉重疊現(xiàn)象，故這兩個有峰位的波段都不宜作為熒光光譜敏感波段。在706～748nm波段內(nèi)，不受發(fā)射激光波動的影響，無雜光，光譜曲線清晰無重疊，可較好地反映葉片蒸騰速率與葉綠素熒光光譜與的關系，故選擇706～748nm波段作為敏感光譜波段進行研究。

　　2．2葉片蒸騰效應與葉綠素熒光強度和葉片溫度的相關性研究

　　2．2．1葉片蒸騰速率與葉綠素熒光強度的關系采集706～748nm葉綠素熒光光譜波段的熒光強度峰值F730(730表示波峰處的中心波長為730nm)作為研究玉米蒸騰效應的最適熒光強度，采用z－score歸一化方法將F730葉綠素熒光強度和葉片的蒸騰速率進行數(shù)據(jù)歸一化預處理。歸一化計算式為X*ij=xij－xj—sj式中X*ij—歸一化后的變量值;xij—原始變量值;xj——第j項指標在n個評價對象上的平均值;sj—第j項指標在n個評價對象上的標準差。對二者關系進行曲線線性擬合，研究F730熒光強度與葉片蒸騰速率的相關關系，結果如圖2所示。

　　2．2．2葉片溫度與葉片蒸騰速率的關系對植物而言，葉片是進行光合作用、生物量積累的主要場所，而葉片溫度作為植物生理信息感測的重要指標，植物通過葉片蒸騰作用進行水分吸收耗散和物質(zhì)運輸?shù)壬砘顒印饪讓Ф确从痴趄v效應，且影響CO2的同化過程，因此氣孔導度的信號之一即葉片溫度與植物蒸騰作用有相關關系，以葉片溫度修正蒸騰速率回歸模型具有重要意義［26］。對葉片溫度和蒸騰速率進行歸一化預處理后，對二者關系進行曲線線性擬合，如圖3所示。隨著葉片溫度升高，氣孔導度增加，玉米葉片的蒸騰作用加強，促進了葉片進行光合產(chǎn)物積累、電子轉運及物質(zhì)代謝等。

　　3結論

　　利用LIF技術研究葉綠素熒光光譜特征將有助于玉米抽絲期灌溉追肥及營養(yǎng)脅迫監(jiān)測等。試驗結果顯示:選擇706～748nm波段用于研究的敏感光譜波段，熒光強度F730最適于分析抽絲期玉米葉片的蒸騰效應;基于葉片溫度修正的葉片蒸騰速率與葉綠素熒光光譜模型預測模型較好，呈現(xiàn)很好的相關性(復相關系數(shù)為Ｒ=0．8334)，驗證檢驗效果也較好(相關系數(shù)Ｒ2=0．8798)。LIF技術以其快速、無損的優(yōu)勢，在植物生理信息獲取、農(nóng)作物灌溉追肥監(jiān)測、生長狀況監(jiān)測等方面的應用越來越廣，今后拓展至冠層、低空、高空尺度，將為精準智慧農(nóng)業(yè)提供有利參考，前景更加廣闊。

　　參考文獻:

　　［1］KoheiArai，SadayukiAkaisi，HideoMiyazaki，etal．ＲegressiveAnalysisonLeafNitrogenContentandNearInfraredＲeflectanceandItsApplicationforAgriculturalFarmMonitoringwithHelicopterMountedNearInfraredCamera［J］．InternationalJournalofAdvancedＲesearchinArtificialIntelligence，2013，2(3):38－43．

　　［2］鄧小蕾，李民贊，鄭立華，等．基于反射光譜預處理的蘋果葉片葉綠素含量預測［J］．農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(14):140－147．

　　［3］ChuXu，GuoYongjiu，HeJiaoyang，etal．ComparisonofDifferentHyperspectralVegetationIndicesforEstimatingCanopyLeafNitrogenAccumulationinＲice［J］．AgronomyJournal，2014，106(5):1911－1920