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精準農業的基本工具:光化學反射指數測量的新方法

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2019/05/08
實驗的一般方案和研究中透過黃綠光脈衝照射植物的方案。RL是用於計算光化學反射指數的反射光; RLtotal和RLbackground - 在沒有它的黃綠光脈衝的背景下反射光。圖片來源:UNN

精準農業依賴於空間異質的肥料、生物活性化合物、殺蟲劑等的應用,是現代農業科學的主要趨勢之一。

這種農業的必要條件,是對田地和溫室中植物狀況的快速和遠距分析。為了解決這個問題,廣泛使用基於窄光譜帶中的反射光的測量的各種光譜指數。其中一個指數,目前是俄羅斯下諾夫哥羅德國立大學 (Lobachevsky StateUniversity of Nizhni Novgorod, UNN) 研究人員關注的焦點,是光化學反射指數 ( photochemical reflectance index, PRI)

光化學反射指數,透過使用特殊檢測器或多光譜相機,測量黃綠光譜範圍內的兩個波長(531570nm)處的反射光來確定。

俄羅斯下諾夫哥羅德國立大學(UNN)植物電生理學實驗室主管Vladimir Sukhov說:「光化學反射指數的一個獨特之處,在於其對光合機構狀態的弱應力相關變化的敏感性。這開啟了利用光化學反射指數,對不利因素如何影響的早期和遠距診斷的潛在可能性。然而,光化學反射指數的使用存在許多嚴重的局限性,其中之一是指數對光照條件的高靈敏度,如果在太陽光照條件下進行測量,這一點尤為重要。」

UNN生物物理系研究生Ekaterina Sukhova開展的研究項目解決了這個問題。研究結果發表在遙感監測領域一個主要科學期刊《Remote Sensing》上

為此,UNN的科學家提出了一個可能降低光化學反射指數對光照條件敏感度的想法。它基於使用來自具有已知光譜特性源的黃綠色測量光脈衝,對植物的周期性照射。

反射光的強度計算為黃綠光的每個脈衝期間,和這種脈衝之前的反射光之間的差異,這允許消除其他光源對測量結果的影響。Ekaterina Sukhova的研究證明,使用黃綠光脈衝消除了其他光源對光化學反射指數測量的扭曲效應,從而提高了確定PRI的準確性。

此外,在許多農業植物誘導光強度的條件下測定光化學反射指數,並與普遍接受的光合應力指標 - 葉綠素螢光的非光化學猝滅進行比較。

Ekaterina Sukhova評論道:「兩個指標似乎密切相關,這可以透過使用黃綠光脈衝測量的光化學反射指數,來評估農業植物光合作用的嚴重程度來證實。光化學反射的變化幅度與研究中的植物脅迫強度線性相關的指數,是一個特別有效的指標。」

總括來說,UNN的研究人員獲得了兩項重要成果。首先,研究表明,使用黃綠光的周期性脈衝可以減少測量光化學反射指數的誤差。其次,科學家們發現,光照中PRI的變化是一個更可靠的指標。植物的光合作用壓力大於其絕對大小。

「這些結果為測量光化學反射指數的新方法提供了基礎,該指標涉及研究中植物對象的脈衝照射。這種方法的實施,為遠距監測農業植物狀態開闢了新的前景。這種方法將成為精準農業的重要工具,」Ekaterina Sukhova說。

目前,UNN的科學家和俄羅斯科學院應用物理研究所的同事,正在努力進一步開發所提出的方法,並使其適用於測量光化學反射指數的空間分佈。

Ekaterina Sukhova總結道:「特別是,基於所研究物體照明的黃色 - 綠色光脈衝的PRI成像系統已經開發並正在測試中,基於測量光化學反射指數空間分佈的植物狀態,預計已經開發的原型將成為商業評估系統的基礎。」