氮脅迫下水稻的激光誘導熒光光譜特性

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

1. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，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. 武漢大學資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079 3. 武漢大學物理科學與技術(shù)學院，湖北 武漢 430072

氮脅迫下水稻的激光誘導熒光光譜特性

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. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，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. 武漢大學資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079 3. 武漢大學物理科學與技術(shù)學院，湖北 武漢 430072

為了指導水稻的田間施肥，解決因過量施肥造成資源的大量浪費以及環(huán)境污染，特別是水體富營養(yǎng)化等問題，搭建了基于紫外激光誘導熒光技術(shù)的熒光光譜探測系統(tǒng)，以研究水稻葉片的氮水平與熒光強度的相關(guān)性。文中先用植物營養(yǎng)測定儀(TYS-3N)測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，采集于中國江漢平原地區(qū))，再用搭建的測量系統(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，分析了熒光光譜參數(shù)F740/F685(為峰值740，685 nm處的熒光強度比)與氮水平的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)氮含量的變化對水稻葉片熒光光譜特性影響明顯。通過該實驗驗證了熒光參數(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。實驗表明采用激光誘導熒光光譜探測技術(shù)具有快速無損等優(yōu)點，且有一定潛力用于定量測量植被營養(yǎng)元素的含量，為采用熒光技術(shù)對農(nóng)作物施氮管理提供了支持。

關(guān)鍵字水稻； 氮含量； 激光誘導熒光； 相關(guān)性分析

引 言

水稻在我國作為主要的農(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)心的問題，而且也是當今科研者研究的一個重點問題。目前，為了提高糧食產(chǎn)量，主要通過不斷提高施肥來滿足需求。國內(nèi)外公認的高等植物所必需的營養(yǎng)元素卻有16種，它們分別是碳、氫、氧、氮、磷、鉀等，而國內(nèi)農(nóng)田大多偏施氮肥，并不能完全滿足所有營養(yǎng)元素的需求，因此施肥要有限度、有針對性，不是施肥越多越增產(chǎn)，超過合理施肥量的上限就會造成“盲目施肥”等情況。它不僅造成資源的嚴重浪費、增加生產(chǎn)成本，同時出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化以及其他相關(guān)環(huán)境污染問題； 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)計我國每年因過度施肥而導致的氮肥浪費金額超過百億元，因水體富營養(yǎng)化造成的直接經(jīng)濟損失和間接經(jīng)濟損失也過億。因此，如何合理科學施肥，提高肥料利用率，減輕對環(huán)境的壓力，是農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展中最為關(guān)心的重要問題之一。為此，最初科研工作者通過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)對植被的葉綠素含量和施氮水平進行相關(guān)研究，但是精度不高，得到結(jié)果不佳。后來，美國學者Choppelle等[6-8]對一些植被的激光誘導熒光光譜進行了實驗研究分析，研究了施氮水平對熒光光譜的影響，由于實驗條件的限制和設(shè)置方案問題，實驗結(jié)果并不理想。國內(nèi)的潘崎等對激光誘導葉綠素熒光用于綠色植被診斷的可行性進行了研究[9-10]，認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)計分析[11-12]。

基于此，我們搭建了激光誘導熒光光譜實驗平臺，研究了不同施氮水平對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，實驗樣品采用華中農(nóng)業(yè)大學實驗栽培田的水稻(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熒光光譜，并用植物營養(yǎng)測定儀測量所選樣本的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)計關(guān)系。從而從實驗驗證了激光誘導熒光光譜技術(shù)可以用于檢測水稻葉片氮含量，監(jiān)測農(nóng)作物的生長狀況，為農(nóng)作物的施氮方案提供指導。

1 實驗部分

1.1 測量原理

當高能量短波光線射入到某些物質(zhì)上時，由于物質(zhì)中的熒光團會吸收能量，使電子從基態(tài)躍遷至高能級； 但處在高能級的電子極不穩(wěn)定，就會從高能級躍遷至低能級，從而釋放出能量發(fā)出熒光，即為熒光效應(yīng)，整個過程一般會在幾個納秒時間內(nèi)完成。在外界條件和激發(fā)光強度一定的情況下，熒光團的數(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。激發(fā)的熒光強度一般表示為[10]

F=Kf0I0(1-e-A)

(1)

式中:F為激發(fā)的熒光強度；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)。當熒光團的濃度比較低時，上式可以簡化為

F=Kf0I0A

(2)

從式(2)可以看出，在其他參量不變的情況下，熒光強度與熒光團濃度成正比。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熒光團的含量差異性，從而水稻葉片在受激發(fā)時熒光光譜的強度會發(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。

1.2 系統(tǒng)和參數(shù)

圖1為實驗系統(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激光器和擴束鏡組成； 接收部分由望遠系統(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PC機軟件控制完成。基頻為1 064nm的激光，經(jīng)過三倍頻模塊獲得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)過準直擴束光學系統(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，熒光信號經(jīng)由望遠鏡接收再通過置于望遠鏡出口處的355nm截止濾光片，通過光纖接收進入光譜儀分光系統(tǒng)，最后ICCD把探測得到的熒光光譜信息傳入計算機分析。

Fig.1 Schematic of LIF system

1.3 樣品和測量

樣本采自華中農(nóng)業(yè)大學實驗栽培田的水稻，采集時間為2014年7月15日，水稻品種為甬優(yōu)4949(V1)，采樣時期為分蘗期，采樣位置為每株水稻的倒二葉，總共采集了138個樣本。將采集到的樣本存于零下-20°的冰箱中，并且經(jīng)過暗室處理，從而保證葉片不再發(fā)生光合作用[13]。我們先用植物養(yǎng)分測定儀(TYS-3N，測氮精度： ±5%； 葉綠素范圍0.0～99.9 SPAD，葉綠素精度±2 SPAD； 存儲量為： 999組數(shù)據(jù))對樣本的氮含量和SPAD值進行測量，測量位置與激光照射產(chǎn)生熒光位置一致，將測量結(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進行標號； 再用實驗室搭建的激光誘導熒光光譜探測系統(tǒng)對各個樣本進行熒光光譜探測，熒光光譜范圍為360～800 nm，采樣間隔為0.5 nm。為了便于對熒光強度進行比較分析，對采集到的光譜進行強度矯正、去噪平滑，并對熒光光譜在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是不同氮含量對應(yīng)的葉綠素SPAD值。可以看出，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(分別對應(yīng)不同的熒光團，其中葉綠素等色素熒光團為后面兩個峰)，由葉綠素熒光團產(chǎn)生的相對熒光強度差別較大。從結(jié)果可以看出隨著氮含量的增加熒光強度增大，并沒有出現(xiàn)新的峰值，這說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含量存在差異，從而驗證了葉綠素濃度與熒光強度成正比[10]。因此，可以從熒光的光譜特性變化對水稻氮水平進行評估，為水稻是否需要施氮以及施氮是否過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。這就說明了水稻葉片氮含量的變化可以通過熒光光譜參數(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。從而從實驗驗證了可以通過熒光光譜分析對水稻氮水平進行檢測，指導農(nóng)作物施肥，減少因盲目施肥導致的資源浪費以及因過量施肥而造成的水體富營養(yǎng)化和其他環(huán)境污染問題。

3 結(jié) 論

基于實驗室搭建的激光誘導熒光探測系統(tǒng)，使用1 064 nm的激光經(jīng)過三倍頻后得到355 nm激發(fā)光，通過激光誘導熒光技術(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，根據(jù)這些差異性有利于利用熒光光譜特性對水稻氮水平的檢測。在此基礎(chǔ)上，我們對獲得的熒光光譜進行校正、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，從實驗上驗證了采用激光誘導熒光技術(shù)對植被的氮水平進行檢測的可行性。因此，利用激光誘導熒光光譜技術(shù)掌握植物生長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，同時可以有效降低因過度施肥造成的水體富營養(yǎng)化以及其他相關(guān)問題。

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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

國家(973)項目(2011CB707106)和國家自然科學基金項目(41401498)資助

楊 健，1988年生，武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室博士研究生 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