【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）基于葉片光譜透過特性的便攜式植物營養(yǎng)-農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程

分類號： 單位代碼： 10019 密 級： 學(xué) 號： 位論文 基于葉片光譜透過特性的便攜式 植物營養(yǎng) 檢測 儀的開發(fā) of a 家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（ 863 計劃）重點項目“ 多平臺作物信息快速獲取關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā) ”（ 2006與 面上項目“水稻生長信息遠程自動采集與光譜解析技術(shù)研究”（ 2006共同 資助 研究 生 ： 指導(dǎo)教 師 ： 副教授 合 作 指 導(dǎo) 教 師 ： 申 請學(xué)位門類級 別 ： 工 學(xué) 碩 士 專業(yè)名 稱 ： 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程 研究方 向 ： 數(shù)字 化 設(shè)施農(nóng)業(yè)與環(huán)境 控制 所在學(xué) 院 ： 水利與土木工程學(xué)院 2009 年 6 月 獨 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中國農(nóng)業(yè)大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均 已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名： 時間： 年 月 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。同意中國農(nóng)業(yè)大學(xué)可以用不同方式在不同媒體上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。 （保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議） 研究生簽名： 時間： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 時間： 年 月 日 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 I 摘 要 目前，肥料的當(dāng)季利用率低及由于化肥施用不合理引起的環(huán)境污染已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的突出問題 。為了配合我國的測土配方施肥計劃的實施 ， 開發(fā)一個 經(jīng)濟實用的 便攜式植物營養(yǎng)檢測儀 以便 能夠 快 速 可靠地進行植物營養(yǎng)診斷 ， 從而為制定合理的施肥管理措施提供科學(xué)依據(jù) 是 解決上述問題 的有效手段 之一 。 本文 通 過對 5 個不同營養(yǎng)液施氮水平 下 栽培 的 黃瓜 /水稻葉片的 相對營養(yǎng)指數(shù) （ ） 、葉綠素含量和含氮量與3001100 長的分光光譜透過率作相關(guān)性分析，最終確定了 560、 650、 720、（ 648652）、 940及（ 938942） 為特征波段 ；并 對 上述 波段的光譜透過率構(gòu)成的 28 個光譜特征參數(shù)與 植物營養(yǎng)狀況指標(biāo) 作 了 相關(guān)性分析 。 結(jié)果表明， 光譜特征參數(shù) 650） 與黃瓜 /水稻葉片的 相關(guān)系數(shù)分別達 到 了 與 其 葉綠素含量的相關(guān)系數(shù)分別達到了 其 含氮量的相關(guān)系數(shù)分別達到了 此， 光譜特征參數(shù) 650） 作為植物葉片的光學(xué)濃度差 與黃瓜 /水稻葉片的 、 葉綠素含量和含氮量的 線性 相關(guān)性 好， 適于 作為便攜式植物營養(yǎng)檢測儀的檢測算法 指標(biāo)來使用，該指標(biāo) 與 日本美能達公司生產(chǎn)的葉綠素檢測儀（ 使用的檢測算法 相吻合 。 基于 上述 研究 成果 ， 本 文 選用 了 波 峰 分別 為 650 和 940 個 源、硅光電檢測器及 片機 開發(fā) 了 一個便攜式植物營養(yǎng)檢測儀，實現(xiàn) 了 對植物葉片的光學(xué)濃度差、葉綠素含量和含氮量 3個 植物 營養(yǎng)狀況指標(biāo) 的同時快速無損檢測 ，并具備設(shè)定 、 校 準(zhǔn) 、 測量 、 查看等功能，可直接在農(nóng)田使用并與計算機進行雙向通訊。該 便攜式植物營養(yǎng)檢測儀 可 快速可靠地 用于農(nóng)田植物營養(yǎng)診斷， 并 配合測土配方施肥為 作物高效生產(chǎn)與食品安全溯源提供基礎(chǔ)硬件和技術(shù)支持。 關(guān)鍵詞：葉綠素含量， 光學(xué)濃度差 ， 含氮量， 光譜特征參數(shù)， 分光光譜透過率 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 he at by in In to a to be a In of in in in 001100 60, 650, 720, (648652), 940, 938942) nm as of 8 of in in 650) in 650) as of of be as on 650nm 40ED of to a of of be in 國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 錄 第一章 緒論 . 1 究背景和意義 . 1 物葉片的葉綠素含量與含氮量的測量原理 . 2 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 4 究內(nèi)容與技術(shù)路線 . 10 第二章 葉片光譜透過特性與葉綠素含量和含氮量的相關(guān)關(guān)系 . 11 物樣本的準(zhǔn)備與測量方法 . 11 同營養(yǎng)液施氮水平下栽培的植物葉片營養(yǎng)狀況與透過光譜分布 . 18 片的透過光譜特征波段的提取 . 23 第三章 葉片光譜特征參數(shù)與葉綠素含量和含氮量的相關(guān)關(guān)系 . 29 片的光譜特征參數(shù)的選取 . 29 片的光譜特征參數(shù)與葉綠素含量和含氮量的相關(guān)關(guān)系 . 30 第四章 基于葉片光譜透過特性的便攜式植物營養(yǎng)檢測儀的開發(fā) . 41 器檢測原理 . 41 攜式植物營養(yǎng)檢測儀的軟硬件設(shè)計 . 42 攜式植物營養(yǎng)檢測儀的樣機測試 . 50 第五章 結(jié)論與建議 . 53 論 . 53 議 . 53 參考文獻 . 55 致 謝 . 61 附 錄 . 63 作者簡介 . 67 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 V 插圖目錄 圖 1術(shù)路線 . 2瓜和水稻栽培區(qū)的平面布置 . 2瓜 /水稻葉片 與分光光譜特性的測量位置 . 2片分光光譜特性的檢測 . 2片葉綠素含量的測定 . 2片含氮量的測定 . 2同 營養(yǎng)液 施氮水平下 栽培的 黃瓜葉片 . 2同營養(yǎng)液施氮水平下栽培的水稻葉片 . 2同營養(yǎng)液施氮水平下栽培的黃瓜葉片的分光透過光譜分布 . 2同營養(yǎng)液施氮水平 下 栽培 的 水稻葉片的分光透過光譜分布 . 2物葉片的葉綠素含量與分光光譜透過率的相關(guān)系數(shù) 23 圖 2物葉片的 與分光光譜透過率的相 關(guān) 系數(shù) 2物葉片的含氮量與分光光譜透過率的相 關(guān) 系數(shù) 25 圖 3片葉綠素含量和含氮量與 31 圖 3與光譜特征參數(shù)之間 的相關(guān)關(guān)系 3綠素含量與光譜特征參數(shù)的相關(guān)關(guān)系 . 3氮量與光譜特征參數(shù)的相關(guān)關(guān)系 . 4攜式植物營養(yǎng)檢測儀的系統(tǒng)框圖 . 4源 . 4光電檢測器 . 4光電檢測器的響應(yīng)度曲線 . 4 4攜式植物營養(yǎng)檢測儀的系統(tǒng)電路 . 4光電檢測器模塊與信號放大電路 . 4 . 4體振蕩器連接電路 . 4盤連接電路 47 圖 4盤與顯示界面 4攜式植物營養(yǎng)檢測儀的查看界面 50 圖 4稻葉片的葉綠素含量與 . 4稻葉片的葉綠素含量與 的相關(guān)關(guān)系 4稻葉片的 與 的相關(guān)關(guān)系 . .國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 1on 10 2of 13 2he of 15 2he of 15 2he of 16 2he of 17 2in 20 2in 20 2of in 21 2of in 22 2 23 224 23 31 333 3 .3 .4of 42 4ED 43 4 43 4of 44 4of 44 4of 45 4ED 45 4 46 4of 46 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 4 47 4 48 4of 4of .4of 650) .4of 52 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 格 目錄 表 2瓜用山崎營養(yǎng)液配方 . 2瓜和水稻的營養(yǎng)液栽培的大量元素配方 . 2瓜和水稻的營養(yǎng)液栽培的微量元素配方 . 2同營養(yǎng)液施氮水平下栽培的黃瓜葉片的 、葉綠素含量和含氮量 18 表 2同營養(yǎng)液施氮水平下栽培的水稻葉片的 、 葉綠素含量 和含氮量 19 表 2同營養(yǎng)液施氮水平下栽 培的黃瓜葉片透射光譜的單因素方差分析 . 2同營養(yǎng)液施氮水平下栽培的黃瓜葉片透射光譜的單因素方差分析 . 3于特征波段透過率的光譜特征參數(shù) . 3片 30 表 3譜特征參數(shù)與 的相關(guān)系數(shù) 32 表 3譜特征參數(shù)與葉綠素含量的相關(guān)系數(shù) . 3譜特征參數(shù)與含氮量的相關(guān)系數(shù) . 3譜特征參數(shù)與葉綠素含量和含氮量的相關(guān)系數(shù) .國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位 論文 目 錄 X 12 . 14 .of in 18 of in 19 of of in 27 of of in in . . . . .國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1 第一章 緒論 究背景和意義 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，肥料是影響農(nóng)作物生長與發(fā)育的最主要的環(huán)境因子之一。 化肥自被引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以來，為農(nóng)作物產(chǎn)量的提高起到了 巨大 的 推動 作用。據(jù)世界糧農(nóng)組織（ 計，化肥對世界糧食增產(chǎn)的貢獻率高達 4060 %1，為解決世界范圍的糧食危機做出了 重 大貢獻。建國以來，我國的糧食總產(chǎn)量幾乎呈直線上升，自 1949 年的 噸增長至 2005 年的 噸，增長超過 4 倍 2。然而 同時 ，化肥的盲目增施與不合理利用也帶來了一系列不可低估的問題。 19952005年，我國農(nóng) 用化肥施用量增加了 ，而糧食總產(chǎn)量卻只增加了 24。 在作物所需的各種營養(yǎng)元素中，氮素是農(nóng)作物生長和產(chǎn)量品質(zhì)形成所必須的最重要的元素，從化肥的種類來看，氮肥占化肥總量的 60 %左右，但是由于氮素的淋洗損失，施氮過多時極易造成地下水的污染。有 關(guān)研究表明， 京津 唐 地區(qū)地下水的硝酸鹽含量有半數(shù)以上超標(biāo) ， 這與 該 地區(qū)農(nóng)田大量 施 用氮肥有密切的關(guān)系 5。 由此可見，化肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素 之一，但同時也是環(huán)境污染的來源之一。目前，肥料的當(dāng)季利用率低以及由于化肥施用不 合理引起的環(huán)境污染已經(jīng)成為全球范圍 內(nèi)的突出問題。因此，快速有效地 跟蹤和監(jiān)測植物營養(yǎng)狀況，并據(jù)此確定科學(xué)的施肥管理措施，對提高肥料利用 率，合理利用有限資源以及 保護 生態(tài) 環(huán)境等具有 極其 重要的意義。 此外， 我國 大部分 土壤都缺氮， 74 %的土壤缺磷， 23 %的土壤缺鉀 6， 可見植物的營養(yǎng)不良現(xiàn)象 也 是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的問題 。 如何有效、便捷、快速地進行 植物 營養(yǎng)診斷，為作物的施肥管理提供參考依據(jù) ， 在 保證作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的同時防止或盡量減少 因施肥不當(dāng) 帶來的環(huán)境污染， 這也 一直 是植物營養(yǎng)研究 領(lǐng)域 的一項重要內(nèi)容。 綠色植物的產(chǎn)量形成取決于其葉片對光能的利用效率， 葉綠 素 （ 為 絕大多數(shù)綠色植物葉綠體中含量 最 多的色素 ， 是光合作用中捕獲光的主要成分 ，因此，植物 葉片的葉綠素含量與葉片的光能利用 效 率 有密切 關(guān) 系 。 從 葉綠素的分子式 以看出，氮元素是葉綠素的重要組分。 植物的光合作用需要大量的氮素，大量研究表明，葉片的葉綠素含量與其含氮量具有較強的相關(guān)性 7 因此葉綠素通常被當(dāng)作評估 農(nóng)作物生長發(fā)育階段的氮素脅迫和光合作用能力的指示器，也 是評價植物生理狀況的一項重要指標(biāo) 9。 由于葉片含氮量和葉綠素含量之間的變化趨勢相似，因此，可以通過 測定 植物 葉片的葉綠素來監(jiān)測植株的氮素營養(yǎng) 狀況 。 當(dāng)植物缺乏營養(yǎng)元素時，宏觀上表現(xiàn)出葉片、葉色、形態(tài)和結(jié)構(gòu)等不同，微觀上則表現(xiàn)在葉片色素 、 水分等生化成分發(fā)生變化，這些變化都將會在葉片的光譜特性上有所反映，這就是 最初通過光譜診斷獲取農(nóng)作物營養(yǎng)狀況的理論基礎(chǔ)。 隨著遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中應(yīng) 用的深化以及對植物生理 學(xué)的深入研究，人們 已經(jīng)認識到是由植物的生理特征決定了葉片對光的吸收、透射、反射這些光譜特性，而植物的生理特征又反映出它的營養(yǎng)狀況和長勢情況 10。 由于 植物葉片的葉綠素含量與其營養(yǎng)狀況密切相關(guān) ， 尤其是 與 氮素營養(yǎng) 的線 性相關(guān)關(guān)系 ， 可以 根據(jù) 植物葉片的光譜透過特性開發(fā)一 個 便攜式葉綠素 檢測 儀 用于 田間無損、快速、簡易 地 診斷作物 的氮素營養(yǎng)狀況 ，為植物營中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 2 養(yǎng)狀況檢測與作物生產(chǎn)配方施肥決策提供科學(xué)依據(jù)，從而為作物高效生產(chǎn)與食品安全溯源系統(tǒng)提供基礎(chǔ)硬件和技術(shù)支持 。 物葉片的葉綠素含量 與 含氮量的測量原理 在所有的營養(yǎng)元素中，氮素營養(yǎng)對作物的長勢及產(chǎn)量的影響最為明顯，而由葉綠素的分子結(jié)構(gòu)可知，氮元素是葉綠素的重要組成成分，施氮量的多少直接影響到植物的葉綠素含量 大小。因此，現(xiàn)在的研究多把 測量 植物 的 葉綠素含量 和含氮量 作為診斷 植物營養(yǎng)狀況 的重要依據(jù) 。 物 葉片的 葉綠素含量的測量原理 葉綠素是植物 進行 光合作用時吸收光能的色素，它使植物呈現(xiàn)綠色，約占葉 片 干重的 1 %。植物 葉片 的葉綠素有 a、 b、 c、 d 四種，高等植物中 一般 只 含有葉綠素 a、 b 兩種，葉綠素 c、 目前，在植物營養(yǎng)研究領(lǐng)域， 葉綠素含量的測定 方法 主要分為分光光度計法和光譜分析技術(shù)兩大類。其中，分光光度計法是破壞型化學(xué)分析測量方式，根據(jù)所用提取葉綠素的溶劑不同又可分為以下測量方法： 1） 1941 年 出的丙酮法 11； 2） 1949 年由 釋和推導(dǎo)的 12； 3） 20 世紀(jì) 80 年代初提出的丙酮乙醇混合液提取法 13。 葉綠素 分光光度計法是 基于 朗伯 律 來進行葉綠素 含量 的檢測 14。由朗伯 律可知，當(dāng)一束單色光通過均勻、無散射現(xiàn)象的溶液時，在單色光強度、溶液溫度等條件不改變的情況下，溶液對光的吸收度與溶液濃度及液層厚度的乘積成正比，其數(shù)學(xué)表達式為： A = 式中 A 是吸光 度，也叫光密度； E 為比例系數(shù)，數(shù)值等于液層厚度為 1 溶液濃度為 1 %（ 1 g/100的吸光 度值； C 為溶液濃度，單位為 g/100 L 為液層厚度，一般為 1 如果溶液中有數(shù)種吸光物質(zhì)，則此混合液在某一波長下的光密度等于各組分在相應(yīng)波長下光密度的總和 ， 這就是光密度的加和性 15。測定葉綠素 a、 b 的含量 時 ，為了排除類胡蘿卜素的干擾，所用單色光 應(yīng) 選擇葉綠素 a、 b 在紅光區(qū)的最大吸收峰 ， 只需測定提取液在 最大吸收峰處的 波長下的光密度 D 值，并根據(jù)葉綠素 a、 b 在該波長下的比 例 系數(shù)即可求出其濃度。已知葉綠素 a、 b 在 1:1 的乙醇 紅光區(qū)的最大吸收峰分別 在 663 645 長處 ，又 已 知在該溶液中，葉綠素 a、 b 在 波長 663 的系數(shù)分別為 波長 645 分別為 據(jù)加和性原則列出以下關(guān)系式： （ 1 （ 1 式（ 1- 1）、（ 1- 2）中的 63 645 的光密度， a、 b 的濃度，以 mg 單位。 聯(lián) 解方程組（ 1- 1） 和 （ 1- 2），得： （ 1 （ 1 將 T： 645 + 663 （ 1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 3 物 葉片含氮量 的測量原理 在植物 氮素營養(yǎng)化學(xué)診斷中， 有關(guān) 植 物 全氮 含量 檢測 的 研究最早 ， 植 物的 全氮含量可以很好地反映 其 氮素狀況 16，因此這里的 植物葉片 含氮量測量原理 即指 植物 葉片 全氮含量的測量原理 。目前對植物全氮 含量的 測定方法 較 常用的是凱氏 靛酚蘭比色法（ ， 這兩種方法都是在一定的條件下將植物中的有機態(tài)氮轉(zhuǎn)化為無機態(tài)的 再 通過測定 的量來計算 含 氮量 的 17 其中， 靛酚蘭 比色法 是將植物 經(jīng) 濃 化將 有機態(tài)氮 轉(zhuǎn)化為 無機態(tài)的 后 在堿性條件下 ， 氮與次氯酸鈉 和 苯酚作用生成靛酚蘭 ， 其蘭色 的 深淺 程度 與 的 濃度在一定范圍內(nèi)符合 朗伯 故 用比色法 即可 測定 含氮量 。 目前， 凱氏 是 測量植物全氮含量的最經(jīng)典方法，它是 通過將 植物樣品中的有機態(tài)氮 在 濃 催化劑的作用 下 轉(zhuǎn)化為無機態(tài)的 加 入過量的 堿 然后 蒸餾 出 再用 指示劑 的 混合 溶液吸收 標(biāo)準(zhǔn)酸滴定 之到 終點即可計算出全 氮含量 。 凱氏 要有以 下 化學(xué) 反應(yīng)式： 消化： 有機氮 + ( + + 餾： ( 2 2 2 2 4( 5定 ： ( 2 5 4 以上可知 ，利用實驗室化學(xué)分析方法來測定植物的葉綠素含量和含氮量必需破壞植株，同時在試驗取樣、測定、數(shù)據(jù)分析等方面都需要耗費大量的時間、人力、物力和財力，實 驗室化學(xué)分析階段一般還需要有經(jīng)驗的專業(yè)人員進行操作，而且在提取過程中使用有潛在破壞性的化學(xué)藥品也可能減少了小部分葉綠素。由于花費時間過長，時效性差，操作繁瑣復(fù)雜等缺點，在大多數(shù)時候是難以滿足由于植物生長快速而農(nóng)民需要盡快得到施肥建議的要求，因此 化學(xué)分析 方法往往不利于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實際 應(yīng)用和 推廣 19。 利用光譜分析技術(shù)進行植物的葉綠素和氮素營養(yǎng)檢測是一種無損測試 （ 方法。 任一物質(zhì)對不同波長的電磁波的吸收和