本文介紹了一種用于監(jiān)測植物對非生物變化動態(tài)響應(yīng)的新型高光譜生理系統(tǒng)。該系統(tǒng)將PlantArray（PA）3.0與一個定制的推掃式光譜成像系統(tǒng)相結(jié)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(tǒng)，因此采集的數(shù)據(jù)是通過平均植物光譜信號及其相應(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的高光譜相機(jī)、自然光和靜態(tài)植物（由生理測量系統(tǒng)（PA）連續(xù)監(jiān)測）進(jìn)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(tǒng)監(jiān)測和評估了辣椒植株對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)院的一個半商業(yè)溫室中開發(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)整并安裝了一個移動灌溉系統(tǒng)，安裝在位于溫室天花板的傳感器載體平臺上，以便以恒定速度將攝像機(jī)移動到植株上方。使用一臺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，溫度和相對濕度可以達(dá)到45攝氏度和92%，為了解決這個問題，在計算機(jī)下面放置了一個額外的冷卻風(fēng)扇以及一個大的保護(hù)性聚苯乙烯板。另外，相機(jī)一直處于開啟狀態(tài)，以避免鏡頭內(nèi)部冷凝。該系統(tǒng)不會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，通常稱為VIS-NIR攝像機(jī)（可見光400-700 nm，近紅外700-1000 nm）。相機(jī)位于生長臺上方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?？梢源蟠鬁p少限制灌溉造成的谷物損失。然而，它在光譜的可見光和近紅外（VIS-NIR）部分缺乏直接吸收特性。使用PlantArray的計算機(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)。利用這兩個系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測能力來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。通過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：測定時需要考慮數(shù)據(jù)融合和分析的最佳時間。盡管兩個處理組之間沒有發(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，而過量鉀僅在上午對蒸騰速率有顯著影響。
圖1 位于溫室中的稱重栽培花盆。使用四個滴頭提供水與營養(yǎng)，通過塑料蓋限制水分蒸發(fā)。把花盆裝到一個綠色塑料容器中，收集預(yù)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(tǒng)相連。
圖2 成像平臺在植株上方移動時的視圖。該平臺由輕質(zhì)材料制成
圖3 溫室里生長臺上72株辣椒的RGB圖像。相機(jī)從右向左移動
數(shù)據(jù)庫的3235個平均植物光譜來自13天內(nèi)拍攝的114幅圖像。低、中、高處理分別包括1061、849和1325個樣本。
圖4 圖像采集前后15分鐘由PlantArray計算平均蒸騰速率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字母a、b、c表示）。
圖6 三個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（實線）和過剩（高，虛線）。（A1）整個反射區(qū)，（A2）可見光區(qū)反射率，（A3）近紅外區(qū)反射率，（B1）整個標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量（SNV）反射區(qū)（B2）可見區(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；選定的最大絕對相關(guān)波長用紅色圓圈標(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公司的長期重要合作伙伴，為中國的農(nóng)業(yè)生態(tài)科學(xué)工作者提供先進(jìn)的研究設(shè)備和專業(yè)的技術(shù)服務(wù)。
