本文介紹了一種用于監測植物對非生物變化動(dòng)態(tài)響應的新型高光譜生理系統。該系統將PlantArray（PA）3.0與一個(gè)定制的推掃式光譜成像系統相結合，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)驗陣列中的幾十種植物。PA 3.0是一個(gè)完整的植物生理測量系統，因此采集的數據是通過(guò)平均植物光譜信號及其相應的生理響應進(jìn)行分析的。就已發(fā)表的文獻而言，這是首次嘗試使用移動(dòng)的高光譜相機、自然光和靜態(tài)植物（由生理測量系統（PA）連續監測）進(jìn)行多個(gè)日間溫室測量。直接測量的性狀包括整個(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。該系統監測和評估了辣椒植株對不同水平鉀肥的反應。該系統是在以色列雷霍沃特農業(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，我們調整并安裝了一個(gè)移動(dòng)灌溉系統，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移動(dòng)到植株上方。使用一臺小型筆記本電腦控制相機并采集數據。由于相機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到45攝氏度和92%，為了解決這個(gè)問(wèn)題，在計算機下面放置了一個(gè)額外的冷卻風(fēng)扇以及一個(gè)大的保護性聚苯乙烯板。另外，相機一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，以避免鏡頭內部冷凝。該系統不會(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）使用高光譜相機自動(dòng)拍攝植物圖像。該相機為推掃式傳感器，光譜范圍為400-1000nm，通常稱(chēng)為VIS-NIR攝像機（可見(jiàn)光400-700 nm，近紅外700-1000 nm）。相機位于生長(cháng)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。鉀被認為是植物必需的大量營(yíng)養素。負責多種生理功能，如光合作用調節、酶激活、蛋白質(zhì)合成、滲透調節和氣孔調節。缺鉀影響保衛細胞和氣孔關(guān)閉，這可能與較高的蒸騰作用有關(guān)。此外，鉀過(guò)?？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(jiàn)光和近紅外（VIS-NIR）部分缺乏直接吸收特性。使用PlantArray的計算機化灌溉管理系統，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)系統的連續監測能力來(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(xiàn)變化表明：測定時(shí)需要考慮數據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)量鉀僅在上午對蒸騰速率有顯著(zhù)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，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系統相連。
圖2 成像平臺在植株上方移動(dòng)時(shí)的視圖。該平臺由輕質(zhì)材料制成
圖3 溫室里生長(cháng)臺上72株辣椒的RGB圖像。相機從右向左移動(dòng)
數據庫的3235個(gè)平均植物光譜來(lái)自13天內拍攝的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，中午達到最大蒸騰速率。
圖5 7白天的平均蒸騰速率（顯著(zhù)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(zhù)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-藍色）缺鉀（低，虛線(xiàn)）、中等（實(shí)線(xiàn)）和過(guò)剩（高，虛線(xiàn)）。（A1）整個(gè)反射區，（A2）可見(jiàn)光區反射率，（A3）近紅外區反射率，（B1）整個(gè)標準正態(tài)變量（SNV）反射區（B2）可見(jiàn)區SNV，（B3）近紅外區SNV。
圖7 上午（n=2376）、中午（n=1970）和下午（n=3271）的標準正態(tài)變量反射率和蒸騰速率之間的相關(guān)性系數。臨界相關(guān)值用紅色虛線(xiàn)標記；選定的最大絕對相關(guān)波長(cháng)用紅色圓圈標記。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(cháng)期重要合作伙伴，為中國的農業(yè)生態(tài)科學(xué)工作者提供先進(jìn)的研究設備和專(zhuān)業(yè)的技術(shù)服務(wù)。
