本文介(jie)紹了一種用于監測植物對非生(sheng)物變(bian)化動態(tai)響應的新型(xing)高光譜生(sheng)理系統。該系統將PlantArray（PA）3.0與一個定制的推掃式光譜成像系統相結合，在植物上方移動，以高光譜和高空間分辨同時成像實驗陣列中的幾十種植物。PA 3.0是一個完整的植物生理測量系統，因此采集的數據是通過平均植物光譜信號及其相應的生理響應進行分析的。就已發表的文獻而言，這是首次嘗試使用移動的高光譜相機、自然光和靜態植物（由生理測量系統（PA）連續監測）進行多個日間溫室測量。直接測量的性狀包括整個白天的瞬時蒸騰速率和每日蒸騰速率，以及每日和定期的植物減重和增重。該系統監測和評估了辣椒植株對不同水平鉀肥的反應。該(gai)(gai)系統是在(zai)以(yi)色列(lie)雷霍沃特農業食品和環境學(xue)院的(de)(de)(de)一個(ge)(ge)半商業溫(wen)室中開發的(de)(de)(de)。溫(wen)室的(de)(de)(de)屋頂和側面板(ban)由透(tou)明(ming)的(de)(de)(de)PVC材(cai)料制(zhi)成，可以(yi)漫射進入的(de)(de)(de)自(zi)然光(guang)。為(wei)了將成本保(bao)持在(zai)最低水(shui)平，我們(men)調整并安裝了一個(ge)(ge)移(yi)動灌(guan)溉系統，安裝在(zai)位(wei)(wei)于(yu)溫(wen)室天(tian)花(hua)(hua)板(ban)的(de)(de)(de)傳(chuan)感(gan)(gan)器載體平臺上(shang)，以(yi)便以(yi)恒定速度將攝像(xiang)機(ji)移(yi)動到植(zhi)株(zhu)上(shang)方。使(shi)用(yong)一臺小型筆記(ji)本電腦控制(zhi)相機(ji)并采集(ji)數據。由于(yu)相機(ji)和筆記(ji)本電腦位(wei)(wei)于(yu)溫(wen)室的(de)(de)(de)天(tian)花(hua)(hua)板(ban)上(shang)，溫(wen)度和相對(dui)濕度可以(yi)達到45攝氏度和92%，為(wei)了解(jie)決這個(ge)(ge)問(wen)題，在(zai)計算(suan)機(ji)下(xia)面放置了一個(ge)(ge)額(e)外(wai)的(de)(de)(de)冷卻風(feng)扇以(yi)及一個(ge)(ge)大的(de)(de)(de)保(bao)護性聚苯乙(yi)烯板(ban)。另外(wai)，相機(ji)一直處(chu)于(yu)開啟(qi)狀態，以(yi)避免鏡頭內部冷凝(ning)。該(gai)(gai)系統不會在(zai)植(zhi)物(wu)上(shang)方投(tou)射陰(yin)影，不需要使(shi)用(yong)人工光(guang)源(yuan)。白天(tian)（07:00–17:00）使(shi)用(yong)高(gao)光(guang)譜(pu)相機(ji)自(zi)動拍(pai)攝植(zhi)物(wu)圖(tu)像(xiang)。該(gai)(gai)相機(ji)為(wei)推(tui)掃(sao)式傳(chuan)感(gan)(gan)器，光(guang)譜(pu)范(fan)圍為(wei)400-1000nm，通常稱為(wei)VIS-NIR攝像(xiang)機(ji)（可見光(guang)400-700 nm，近紅外(wai)700-1000 nm）。相機(ji)位(wei)(wei)于(yu)生長臺上(shang)方2米處(chu)。72株(zhu)辣(la)椒幼苗(miao)在(zai)可控條件(jian)下(xia)播種，在(zai)發芽(ya)后約四周(zhou)種植(zhi)在(zai)盆中。鉀(jia)被認(ren)為是(shi)植物必(bi)需的(de)大量營養素(su)。負責多種(zhong)生理(li)功能，如光(guang)合作用(yong)(yong)調節、酶激活(huo)、蛋白質(zhi)合成、滲透(tou)調節和氣(qi)孔(kong)調節。缺鉀(jia)影響保(bao)衛細胞和氣(qi)孔(kong)關(guan)閉(bi)，這可(ke)能與較高的(de)蒸騰作用(yong)(yong)有關(guan)。此外，鉀(jia)過剩可(ke)以大大減少限制灌溉(gai)造(zao)成的(de)谷物損(sun)失。然而，它在(zai)光(guang)譜(pu)(pu)的(de)可(ke)見光(guang)和近紅外（VIS-NIR）部分缺乏直接吸收(shou)特性。使用(yong)(yong)PlantArray的(de)計算機化灌溉(gai)管理(li)系(xi)統，進行(xing)了三種(zhong)不同(tong)的(de)鉀(jia)濃度處理(li)：低鉀(jia)(L)、中鉀(jia)(M)和高鉀(jia)(H)。利用(yong)(yong)這兩(liang)個系(xi)統的(de)連續監測能力來跟(gen)蹤(zong)光(guang)譜(pu)(pu)的(de)二次變化，并將光(guang)譜(pu)(pu)日變化與生理(li)特征聯(lian)系(xi)起來。通過追蹤不同濃(nong)度的鉀(jia)(jia)離子溶液處理(li)引起的植物反(fan)射光譜曲(qu)線變化表明(ming)：測定(ding)時(shi)需要(yao)考慮數據融合和分析的最佳時(shi)間。盡管兩個(ge)處理(li)組(zu)之間沒有發現每日蒸(zheng)騰量差(cha)異，但(dan)缺鉀(jia)(jia)處理(li)組(zu)的蒸(zheng)騰速(su)(su)率(lv)在(zai)上(shang)午明(ming)顯較(jiao)高，下午較(jiao)小(xiao)，而過量鉀(jia)(jia)僅(jin)在(zai)上(shang)午對蒸(zheng)騰速(su)(su)率(lv)有顯著影(ying)響。
圖1 位于溫室中的稱(cheng)重栽培花盆。使用四個滴頭提供水與營養，通過塑料蓋限制水分蒸發。把花盆裝到一個綠色塑料容器中，收集預先確定的排水量。花盆和塑料容器放置在電子秤上，電子秤與PlantArray 3.0系統相連。
圖2 成像平臺在植株上方(fang)移動時的視圖。該(gai)平臺由(you)輕質材(cai)料制成
圖(tu)(tu)3 溫室里(li)生長臺上72株辣椒的(de)RGB圖(tu)(tu)像。相機從右(you)向(xiang)左移動(dong)
數(shu)據庫的3235個平均植物光譜來自13天內(nei)拍攝的114幅圖像。低、中、高處理分別包括1061、849和1325個樣本。
圖4 圖像(xiang)采集(ji)前后15分(fen)鐘由PlantArray計算平均蒸(zheng)(zheng)騰(teng)速(su)率TR，圖像(xiang)采集(ji)一共13天。蒸(zheng)(zheng)騰(teng)速(su)率遵循每日模式，中午達到(dao)最大蒸(zheng)(zheng)騰(teng)速(su)率。
圖5 7白天的平均(jun)蒸(zheng)騰速率(lv)（顯著(zhu)差異以(yi)不(bu)同(tong)大寫字母(mu)A、B、C表(biao)示）和不(bu)同(tong)處理組（高、中、低(di)水平鉀肥，顯著(zhu)差異以(yi)不(bu)同(tong)小寫字母(mu)a、b、c表(biao)示）。
圖6 三(san)個(ge)處理組的平均(jun)反射(she)(she)率值(zhi)：三(san)天期(qi)間(jian)（上(shang)午-紅色(se)、中午-綠色(se)和下午-藍色(se)）缺鉀（低，虛線）、中等（實線）和過剩（高，虛線）。（A1）整(zheng)(zheng)個(ge)反射(she)(she)區(qu)(qu)，（A2）可見(jian)光區(qu)(qu)反射(she)(she)率，（A3）近紅外區(qu)(qu)反射(she)(she)率，（B1）整(zheng)(zheng)個(ge)標準正態變量（SNV）反射(she)(she)區(qu)(qu)（B2）可見(jian)區(qu)(qu)SNV，（B3）近紅外區(qu)(qu)SNV。
圖7 上午(wu)（n=2376）、中午(wu)（n=1970）和(he)下午(wu)（n=3271）的(de)標(biao)準正態(tai)變(bian)量反射率和(he)蒸騰速率之間的(de)相關性系數。臨界相關值用紅色虛線標(biao)記；選定的(de)最大(da)絕對相關波長用紅色圓圈標(biao)記。Shahar Weksler, O_er Rozenstein, et al. . Remote Sens. 2020,12(9), 1493.
上海(hai)澤泉(quan)科技股(gu)份有限公(gong)司(si)作為(wei)以(yi)色列Plant-DiTech公(gong)司(si)的長期(qi)重要合作伙伴，為(wei)中國(guo)的農業(ye)生態科學工作者(zhe)提供先進的研究設(she)備和專業(ye)的技術(shu)服務。
