基于LIF技术分析玉米叶片蒸腾效应模型

　　摘要:玉米抽丝期是玉米由营养生长进入生殖生长的转折点，是决定玉米产量的关键时期。为此，基于激光诱导荧光光谱(LIF)技术，以抽丝期玉米叶片为研究对象，快速无损地获取植物生理信息的日变化，重点分析玉米叶片蒸腾效应与叶绿素荧光光谱的相关性，并选择706～748nm波段作为敏感光谱波段，建立了基于光谱特征参数的植物叶片蒸腾速率的预测模型。结果表明:采用荧光强度F730研究玉米叶片蒸腾效应最合适;由于气孔导度反映蒸腾效应，且影响CO2的同化过程，故以气孔导度的信号之一的叶片温度作为模型输入修正;通过对蒸腾速率与叶片温度、叶绿素荧光强度进行回归诊断与全回归分析，建立了基于荧光强度F730和叶片温度的蒸腾速率预测模型，分析了蒸腾速率与二者的相关性，模型复相关系数为Ｒ=0．8334，模型校验结果的相关系数Ｒ2=0．8798，认为模型的预测能力较好。通过激光诱导叶绿素荧光光谱技术实现了对植物生理信息的无损检测与分析，建立的玉米抽丝期蒸腾速率预测模型可为玉米优质高产的水肥精准化、智能化控制技术提供数据支持。

　　关键词:玉米叶片;蒸腾速率;激光诱导荧光;叶绿素荧光光谱;无损检测;回归分析

　　0引言

　　随着无损检测技术的日渐发展，将光谱技术应用于农业监测越来越广泛，包括近红外光谱［1］、反射光谱［2－3］、高光谱［4－5］和激光拉曼光谱技术［6］等，光谱处理分析方法也多种多样［7－10］，这些都将为精准智慧农业提供支持。植物叶片受光激发后，大部分光能以热耗散和光合作用方式消耗，但有一小部分光能(通常约占吸收光能的3%)以叶绿素荧光的方式释放，这种进化而来的光保护机制能最大限度减少强光对植物的潜在伤害，避免叶绿体吸收光能超过光合作用的消化能力［11］。叶绿素荧光出现在红光和远红光区域，能实时反映植物的生理信息状况，与植物的生长发育密切相关，常作为研究植物生理信息无损检测的理想探针［12－16］。

　　1试验材料与方法

　　1．1试验条件

　　本研究于吉林大学南岭校区日光温室内(海拔高度150m，44°50'N，125°18'E)进行。经测量，温室内平均光通量密度(PPFD)为5．96μmol/m2·s，空气温度为23．19℃。试验对象为处于抽丝期的“先玉335”号玉米植株，试验材料选择完全展开无遮阴的具有代表性(正常水肥管理、长势均匀、健康无病虫害)的活体叶片，按编号次序同步采集玉米叶片的生理信息，观测指标和叶绿素荧光光谱。

　　1．2植物生理信息的测定

　　一天中，植物生理信息状况会随着外界光照条件、温湿度等环境因素的变化而变化，差异主要体现在光合速率、光能利用率及叶绿素荧光强度等方面。试验选择在4月4－16日的晴朗无云天气，于每天的7:30－17:30进行。植物生理信息采集采用美国产LI－6400型便携式光合作用仪，先在室温下开机预热0．5h，后每隔2h测定一次玉米叶片，每次测定20片玉米叶片，每叶重复3次取平均，测量10天，共计200片。测量时打开叶室，保持叶片自然伸展，避开主叶脉，在待测叶片的叶脉一侧叶肉中心位置平稳夹好叶片，待参数基本稳定记录保存相关数据，获取叶片生理信息观测指标，包括净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)、叶片温度(Ti)及光合有效辐射(PAＲ)等。

　　2试验结果与讨论

　　2．1叶绿素荧光光谱敏感波段的确定

　　通过对玉米叶片蒸腾速率(Tr)等生理信息的测定与激光诱导叶绿素荧光光谱的同步采集，整理得叶片的蒸腾速率与相应叶绿素荧光光谱，如图1所示。由图1可以看出:不同蒸腾速率的植物叶片的激光诱导叶绿素荧光强度不同，玉米叶片的蒸腾速率在473～480、677～684、706～748nm等3个波段内均出现了荧光强度的峰值。由于473nm左右波段属于激光发射波段，易产生波动，且峰值发生光谱重叠，在677～684nm波段荧光光谱有交叉重叠现象，故这两个有峰位的波段都不宜作为荧光光谱敏感波段。在706～748nm波段内，不受发射激光波动的影响，无杂光，光谱曲线清晰无重叠，可较好地反映叶片蒸腾速率与叶绿素荧光光谱与的关系，故选择706～748nm波段作为敏感光谱波段进行研究。

　　2．2叶片蒸腾效应与叶绿素荧光强度和叶片温度的相关性研究

　　2．2．1叶片蒸腾速率与叶绿素荧光强度的关系采集706～748nm叶绿素荧光光谱波段的荧光强度峰值F730(730表示波峰处的中心波长为730nm)作为研究玉米蒸腾效应的最适荧光强度，采用z－score归一化方法将F730叶绿素荧光强度和叶片的蒸腾速率进行数据归一化预处理。归一化计算式为X*ij=xij－xj—sj式中X*ij—归一化后的变量值;xij—原始变量值;xj——第j项指标在n个评价对象上的平均值;sj—第j项指标在n个评价对象上的标准差。对二者关系进行曲线线性拟合，研究F730荧光强度与叶片蒸腾速率的相关关系，结果如图2所示。

　　2．2．2叶片温度与叶片蒸腾速率的关系对植物而言，叶片是进行光合作用、生物量积累的主要场所，而叶片温度作为植物生理信息感测的重要指标，植物通过叶片蒸腾作用进行水分吸收耗散和物质运输等生理活动。气孔导度反映蒸腾效应，且影响CO2的同化过程，因此气孔导度的信号之一即叶片温度与植物蒸腾作用有相关关系，以叶片温度修正蒸腾速率回归模型具有重要意义［26］。对叶片温度和蒸腾速率进行归一化预处理后，对二者关系进行曲线线性拟合，如图3所示。随着叶片温度升高，气孔导度增加，玉米叶片的蒸腾作用加强，促进了叶片进行光合产物积累、电子转运及物质代谢等。

　　3结论

　　利用LIF技术研究叶绿素荧光光谱特征将有助于玉米抽丝期灌溉追肥及营养胁迫监测等。试验结果显示:选择706～748nm波段用于研究的敏感光谱波段，荧光强度F730最适于分析抽丝期玉米叶片的蒸腾效应;基于叶片温度修正的叶片蒸腾速率与叶绿素荧光光谱模型预测模型较好，呈现很好的相关性(复相关系数为Ｒ=0．8334)，验证检验效果也较好(相关系数Ｒ2=0．8798)。LIF技术以其快速、无损的优势，在植物生理信息获取、农作物灌溉追肥监测、生长状况监测等方面的应用越来越广，今后拓展至冠层、低空、高空尺度，将为精准智慧农业提供有利参考，前景更加广阔。

　　参考文献:

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

　　［2］邓小蕾，李民赞，郑立华，等．基于反射光谱预处理的苹果叶片叶绿素含量预测［J］．农业工程学报，2014，30(14):140－147．

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