本文介紹了一種用于監(jiān)測(cè)植物對(duì)非生物變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)的新型高光譜生理系統(tǒng)。該系統(tǒng)將PlantArray（PA）3.0與一個(gè)定制的推掃式光譜成像系統(tǒng)相結(jié)合，在植物上方移動(dòng)，以高光譜和高空間分辨同時(shí)成像實(shí)驗(yàn)陣列中的幾十種植物。PA 3.0是一個(gè)完整的植物生理測(cè)量系統(tǒng)，因此采集的數(shù)據(jù)是通過(guò)平均植物光譜信號(hào)及其相應(yīng)的生理響應(yīng)進(jìn)行分析的。就已發(fā)表的文獻(xiàn)而言，這是首次嘗試使用移動(dòng)的高光譜相機(jī)、自然光和靜態(tài)植物（由生理測(cè)量系統(tǒng)（PA）連續(xù)監(jiān)測(cè)）進(jìn)行多個(gè)日間溫室測(cè)量。直接測(cè)量的性狀包括整個(gè)白天的瞬時(shí)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(tǒng)監(jiān)測(cè)和評(píng)估了辣椒植株對(duì)不同水平鉀肥的反應(yīng)。該系統(tǒng)是在以色列雷霍沃特農(nóng)業(yè)食品和環(huán)境學(xué)院的一個(gè)半商業(yè)溫室中開(kāi)發(fā)的。溫室的屋頂和側(cè)面板由透明的PVC材料制成，可以漫射進(jìn)入的自然光。為了將成本保持在最低水平，我們調(diào)整并安裝了一個(gè)移動(dòng)灌溉系統(tǒng)，安裝在位于溫室天花板的傳感器載體平臺(tái)上，以便以恒定速度將攝像機(jī)移動(dòng)到植株上方。使用一臺(tái)小型筆記本電腦控制相機(jī)并采集數(shù)據(jù)。由于相機(jī)和筆記本電腦位于溫室的天花板上，溫度和相對(duì)濕度可以達(dá)到45攝氏度和92%，為了解決這個(gè)問(wèn)題，在計(jì)算機(jī)下面放置了一個(gè)額外的冷卻風(fēng)扇以及一個(gè)大的保護(hù)性聚苯乙烯板。另外，相機(jī)一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，以避免鏡頭內(nèi)部冷凝。該系統(tǒng)不會(huì)在植物上方投射陰影，不需要使用人工光源。白天（07:00–17:00）使用高光譜相機(jī)自動(dòng)拍攝植物圖像。該相機(jī)為推掃式傳感器，光譜范圍為400-1000nm，通常稱(chēng)為VIS-NIR攝像機(jī)（可見(jiàn)光400-700 nm，近紅外700-1000 nm）。相機(jī)位于生長(zhǎng)臺(tái)上方2米處。72株辣椒幼苗在可控條件下播種，在發(fā)芽后約四周種植在盆中。鉀被認(rèn)為是植物必需的大量營(yíng)養(yǎng)素。負(fù)責(zé)多種生理功能，如光合作用調(diào)節(jié)、酶激活、蛋白質(zhì)合成、滲透調(diào)節(jié)和氣孔調(diào)節(jié)。缺鉀影響保衛(wèi)細(xì)胞和氣孔關(guān)閉，這可能與較高的蒸騰作用有關(guān)。此外，鉀過(guò)剩可以大大減少限制灌溉造成的谷物損失。然而，它在光譜的可見(jiàn)光和近紅外（VIS-NIR）部分缺乏直接吸收特性。使用PlantArray的計(jì)算機(jī)化灌溉管理系統(tǒng)，進(jìn)行了三種不同的鉀濃度處理：低鉀(L)、中鉀(M)和高鉀(H)。利用這兩個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)能力來(lái)跟蹤光譜的二次變化，并將光譜日變化與生理特征聯(lián)系起來(lái)。通過(guò)追蹤不同濃度的鉀離子溶液處理引起的植物反射光譜曲線變化表明：測(cè)定時(shí)需要考慮數(shù)據(jù)融合和分析的最佳時(shí)間。盡管兩個(gè)處理組之間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)每日蒸騰量差異，但缺鉀處理組的蒸騰速率在上午明顯較高，下午較小，而過(guò)量鉀僅在上午對(duì)蒸騰速率有顯著影響。
圖1 位于溫室中的稱(chēng)重栽培花盆。使用四個(gè)滴頭提供水與營(yíng)養(yǎng)，通過(guò)塑料蓋限制水分蒸發(fā)。把花盆裝到一個(gè)綠色塑料容器中，收集預(yù)先確定的排水量?；ㄅ韬退芰先萜鞣胖迷陔娮映由?，電子秤與PlantArray 3.0系統(tǒng)相連。
圖2 成像平臺(tái)在植株上方移動(dòng)時(shí)的視圖。該平臺(tái)由輕質(zhì)材料制成
圖3 溫室里生長(zhǎng)臺(tái)上72株辣椒的RGB圖像。相機(jī)從右向左移動(dòng)
數(shù)據(jù)庫(kù)的3235個(gè)平均植物光譜來(lái)自13天內(nèi)拍攝的114幅圖像。低、中、高處理分別包括1061、849和1325個(gè)樣本。
圖4 圖像采集前后15分鐘由PlantArray計(jì)算平均蒸騰速率TR，圖像采集一共13天。蒸騰速率遵循每日模式，中午達(dá)到最大蒸騰速率。
圖5 7白天的平均蒸騰速率（顯著差異以不同大寫(xiě)字母A、B、C表示）和不同處理組（高、中、低水平鉀肥，顯著差異以不同小寫(xiě)字母a、b、c表示）。
圖6 三個(gè)處理組的平均反射率值：三天期間（上午-紅色、中午-綠色和下午-藍(lán)色）缺鉀（低，虛線）、中等（實(shí)線）和過(guò)剩（高，虛線）。（A1）整個(gè)反射區(qū)，（A2）可見(jiàn)光區(qū)反射率，（A3）近紅外區(qū)反射率，（B1）整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量（SNV）反射區(qū)（B2）可見(jiàn)區(qū)SNV，（B3）近紅外區(qū)SNV。
圖7 上午（n=2376）、中午（n=1970）和下午（n=3271）的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量反射率和蒸騰速率之間的相關(guān)性系數(shù)。臨界相關(guān)值用紅色虛線標(biāo)記；選定的最大絕對(duì)相關(guān)波長(zhǎng)用紅色圓圈標(biāo)記。Shahar Weksler, O_er Rozenstein, et al. A Hyperspectral-Physiological Phenomics System: Measuring Diurnal Transpiration Rates and Diurnal Reflectance. Remote Sens. 2020,12(9), 1493.
上海澤泉科技股份有限公司作為以色列Plant-DiTech公司的長(zhǎng)期重要合作伙伴，為中國(guó)的農(nóng)業(yè)生態(tài)科學(xué)工作者提供先進(jìn)的研究設(shè)備和專(zhuān)業(yè)的技術(shù)服務(wù)。
