CN102109462A - 一种Cd污染水稻叶片特征光谱信息的提取方法 - Google Patents

一种Cd污染水稻叶片特征光谱信息的提取方法 Download PDF

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郑太辉
陈欣
史奕
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Abstract

本发明涉及一种Cd污染水稻叶片特征光谱的提取方法。具体为将水稻种子消毒后置于无Cd污染的土壤中于恒温光照培养，待植株生长3-4片叶后置于Cd污染土壤中，连续胁迫培养12-15d后，而后根据提取敏感参数，测定表征Cd污染水稻叶片的光谱特征；本发明将Cd污染水稻叶片多波段的光谱数据进行整合，选取的参数灵敏度高，信息提取方法简单且准确可靠，可以及时反映水稻叶片光谱特征，为Cd污染水稻的定量遥感奠定理论基础。

Description

一种Cd污染水稻叶片特征光谱信息的提取方法
技术领域
本发明涉及一种Cd污染水稻叶片特征光谱的提取方法。
背景技术
由于污水灌溉、污泥施用、施肥和工业污染等原因，我国土壤Cd污染问题日趋严重。水稻作为我国重要的农作物，对粮食供给乃至整个国民经济中起着重要作用。Cd污染不仅影响其生长发育，导致产量下降，更为重要的是Cd在水稻体内大量积累形成“镉米”，并沿着食物链进入人类，最终危害人类身体健康。
监测和识别水稻组织中的Cd是对其进行防治的重要环节，基于遥感技术的监测方法具有视野宽、信息广、实时动态等诸多优点，在污染监测方面具有常规方法不可比拟的优越性。稻田土壤中Cd含量过高将对水稻的生长产生胁迫，而污染胁迫会使植物叶片反射光谱发生变化。选择最适宜的光谱波段和光谱参数，以准确表征高光谱遥感数据对水稻Cd胁迫的响应关系，可以为水稻组织内Cd含量的定量遥感奠定理论基础。
发明内容
本发明目的在于提供一种简单、易于推广的Cd污染水稻叶片特征光谱信息的提取方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
Cd污染水稻叶片特征光谱信息的提取方法：将水稻种子消毒后置于无Cd污染的土壤中于恒温光照培养，待植株生长3-4片叶后置于Cd污染土壤中，连续胁迫培养12-15d后，而后根据提取敏感参数，测定表征Cd污染水稻叶片的光谱特征；
其中测定表征Cd污染水稻叶片的光谱特征，即测定叶片光谱反射率的提取敏感参数为：波长550nm处光谱反射率(R550)、波长700nm处光谱反射率(R700)、波长850nm处光谱反射率(R850)、红边位参数REP、比值植被指数RVI，其中REP与RVI计算公式如下：
Figure G200910248687XD00011
Figure G200910248687XD00012
式中：
Figure G200910248687XD00013
表示波长λ处的光谱反射率导数值；R750为波长750nm处光谱反射率，R700为波长700nm处光谱反射率。
所述水稻种子于无Cd污染的土壤的培养条件为温度30℃/25℃(昼/夜)、湿度60％-70％，光照强度260-350μmol·m-2·s-1、光周期14h/10h(昼/夜)。所述胁迫培养条件为：使土壤保持淹水状态，温度30℃/25℃(昼/夜)、湿度60％-70％，光照强度400-500μmol·m-2·s-1、光周期12h/12h(昼/夜)。所述水稻种子经NaClO溶液消毒、去离子水冲洗后，在30℃培养箱中催芽30h。
本发明所具有的优点：本发明将Cd污染水稻叶片多波段的光谱数据进行整合，选取的参数灵敏度高，信息提取方法简单且准确可靠，可以及时反映水稻叶片光谱特征，为Cd污染水稻的定量遥感奠定理论基础。
具体实施方式
本发明选取的供试“杂交汕优64”水稻(0ryza sativa L.)种子购自中国农业科学研究院，实验前按照常规方法筛选和预培养。
主要仪器和设备：FieldSpecFR分光辐射光谱仪；LI-C0R 787卤灯；Li1800-12S外置积分球；180-80原子吸收分光光度计。
提取方法：
(1)土壤处理。供试土壤采自稻田样地0-20cm土层，理化指标如下：SOM 6.01g·kg-1，pH 4.95，CEC 10.01cmol·kg-1，粘粒(＜0.002nm)56.2％，游离Fe2O3 56.1g·kg-1，MnO 0.3g·kg-1。土壤过筛后，施肥量如下：N 150.75kg·hm-2(以尿素形式供给)，P 38.25kg·hm-2(以KH2PO4形式供给)，K 150.75kg·hm-2(以KH2PO4和KCl形式供给)。
(2)植物培养。水稻种子经NaClO溶液消毒、去离子水冲洗后，在30℃培养箱中催芽，30h后置于恒温光照培养架上；
1)无Cd污染的土壤中培养：采用未添加Cd土壤进行盆栽培养，每盆1000g土壤，种植一粒水稻种子，保持温度30℃/25℃(昼/夜)、湿度60％、光照强度260-280μmol·m-2·s-1、光周期14h/10h(昼/夜)，培养15d后植株生长3-4片叶，待用；
2)Cd污染土壤中胁迫培养培养：将上述长出3-4片叶的植株分别栽种到5-10个不同的Cd浓度处理的供试土壤中继续进行盆栽培养，每盆1000g土壤，栽种一棵水稻秧苗，胁迫培养期间，每天补充一定水分使土壤保持淹水状态，控制条件为：温度30℃/25℃(昼/夜)、湿度60％，光照强度500μmol·m-2·s-1、光周期12h/12h，连续胁迫12d后测定水稻叶片反射光谱及Cd含量；不同的Cd浓度处理分别为：0(对照)，0.5，1，2，5，10，20mg Cd·kg-1，Cd以CdCl2·2.5H2O形态供应，将CdCl2·2.5H2O水溶液拌入土壤混匀，放置30d使离子达到平衡，以此为供试土壤。
(3)光谱数据采集与特征信息提取。在LI-COR 787卤灯照射下，应用FieldSpec Pro FR分光辐射光谱仪与LI 1800-12S外置积分球耦合，测定叶片光谱反射率。每一试样采集整株所有叶片的光谱信息，每片叶连续测定5次。采用以下参数表征叶片特征光谱，分别为：波长550nm处光谱反射率(R550)、波长700nm处光谱反射率(R700)、波长850nm处光谱反射率(R850)、红边位参数REP、比值植被指数RVI，其中REP与RVI计算公式如下：
Figure G200910248687XD00031
Figure G200910248687XD00032
式中：
Figure G200910248687XD00033
表示波长λ处的光谱反射率导数值；R750为波长750nm处光谱反射率，R700为波长700nm处光谱反射率(表1)。
表1土壤Cd处理浓度、水稻叶片中Cd含量及光谱参数值
  Cd处理浓度(mg·kg-1)   叶片Cd含量(mg·kg-1) R550(％) R700(％) R850(％) REP RVI
  0   0.16   16.5   16.9   56.2   720   3.4
  1   3.34   17.4   17.8   55.6   718   3.2
  2   5.01   18.3   18.8   55.0   715   3.0
  5   11.72   19.6   20.5   54.5   711   2.7
  10   17.36   21.3   22.2   54.0   706   2.5
  15   25.47   22.3   23.4   53.2   700   2.4
  20   34.05   23.4   24.3   52.7   693   2.3
(4)水稻叶片Cd含量测定。采集上述待测的水稻叶片样品，样品经冲洗、烘干后，用浓硝酸、高氯酸消化处理，消化液用原子吸收分光光度计测定Cd元素含量(表1)。
(5)采用SPSS软件对水稻叶片Cd含量与叶片光谱参数进行相关分析可知：选定的5个光谱参数R550、R700、R850、REP、RVI与水稻叶片Cd含量之间均显著相关，相关系数分别为0.942、0.938、-0.771、0.977和-0.931，表明以上参数适用于Cd污染水稻叶片特征光谱信息的提取。
实施例2
与实施例1不同之处在于
1)无Cd污染的土壤中培养：采用未添加Cd土壤进行盆栽培养，每盆1000g土壤，种植一粒水稻种子，保持温度30℃/25℃(昼/夜)、湿度70％、光照强度300-320μmol·m-2·s-1、光周期14h/10h(昼/夜)，培养12d后植株生长3-4片叶，待用；
2)Cd污染土壤中胁迫培养培养：将上述长出3-4片叶的植株分别栽种到5-10个不同的Cd浓度处理的供试土壤中继续进行盆栽培养，每盆1000g土壤，栽种一棵水稻秧苗，胁迫培养期间，每天补充一定水分使土壤保持淹水状态，控制条件为：温度30℃/25℃(昼/夜)、湿度70％，光照强度500μmol·m-2·s-1、光周期12h/12h，连续胁迫15d后测定水稻叶片反射光谱及Cd含量。
实施例3
与实施例1不同之处在于
1)无Cd污染的土壤中培养：采用未添加Cd土壤进行盆栽培养，每盆1000g土壤，种植一粒水稻种子，保持温度30℃/25℃(昼/夜)、湿度65％％、光照强度330-350μmol·m-2·s-1、光周期14h/10h(昼/夜)，培养13d后植株生长3-4片叶，待用；
2)Cd污染土壤中胁迫培养培养：将上述长出3-4片叶的植株分别栽种到5-10个不同的Cd浓度处理的供试土壤中继续进行盆栽培养，每盆1000g土壤，栽种一棵水稻秧苗，胁迫培养期间，每天补充一定水分使土壤保持淹水状态，控制条件为：温度30℃/25℃(昼/夜)、湿度65％，光照强度500μmol·m-2·s-1、光周期12h/12h，连续胁迫13d后测定水稻叶片反射光谱及Cd含量。

Claims (4)

1.一种Cd污染水稻叶片特征光谱信息的提取方法，其特征在于：将水稻种子消毒后置于无Cd污染的土壤中于恒温光照培养，待植株生长3-4片叶后置于Cd污染土壤中，连续胁迫培养12-15d后，而后根据提取敏感参数，测定表征Cd污染水稻叶片的光谱特征；
其中测定表征Cd污染水稻叶片的光谱特征，即测定叶片光谱反射率的提取敏感参数为：波长550nm处光谱反射率(R550)、波长700nm处光谱反射率(R700)、波长850nm处光谱反射率(R850)、红边位参数REP、比值植被指数RVI，其中REP与RVI计算公式如下：
Figure F200910248687XC00011
式中：
Figure F200910248687XC00013
表示波长λ处的光谱反射率导数值；R750为波长750nm处光谱反射率，R700为波长700nm处光谱反射率。
2.按权利要求1所述的Cd污染水稻叶片特征光谱信息的提取方法，其特征在于：所述水稻种子于无Cd污染的土壤的培养条件为温度30℃/25℃(昼/夜)、湿度60％-70％，光照强度260-350μmol·m-2·s-1、光周期14h/10h(昼/夜)。
3.按权利要求1所述的Cd污染水稻叶片特征光谱信息的提取方法，其特征在于：所述胁迫培养条件为：使土壤保持淹水状态，温度30℃/25℃(昼/夜)、湿度60％-70％，光照强度400-500μmol·m-2·s-1、光周期12h/12h(昼/夜)。
4.按权利要求1所述的Cd污染水稻叶片特征光谱信息的提取方法，其特征在于：所述水稻种子经NaClO溶液消毒、去离子水冲洗后，在30℃培养箱中催芽30h。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103900976A (zh) * 2012-12-28 2014-07-02 中国科学院沈阳应用生态研究所 一种臭氧胁迫植物叶片色素及光谱信息的提取方法
CN103913421A (zh) * 2012-12-28 2014-07-09 中国科学院沈阳应用生态研究所 一种用于富营养化湖泊水溶态Fe含量测定的方法
CN105454012A (zh) * 2015-12-10 2016-04-06 农业部环境保护科研监测所 一种降低水稻幼苗叶片镉含量的方法及水稻幼苗培养液
CN111912793A (zh) * 2020-08-21 2020-11-10 河南农业大学 利用高光谱测量烟草中镉含量的方法及预测模型的建立

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