太赫兹光谱技术用于干旱胁迫下大豆冠层含水量检测研究
赵旭婷1,2,3, 张淑娟1, 李斌2,3,4,*, 李银坤5
1. 山西农业大学工学院, 山西 太谷 030801
2. 北京农业信息技术研究中心, 北京 100097
3. 农业部农业遥感机理与定量遥感重点实验室, 北京 100097
4. 数字植物北京市重点实验室, 北京 100097
5. 北京农业智能装备技术研究中心, 北京 100097
*通讯联系人 e-mail: lib@nercita.org.cn

作者简介: 赵旭婷, 1992年生, 山西农业大学农业机械化工程硕士研究生 e-mail: 1072397433@qq.com

摘要

近年来水资源短缺问题日益严重, 部分地区由于农业灌溉用水不足导致庄稼减产农民利益受损。 大豆是一种需水量较大的农作物, 一旦水分亏缺将直接影响大豆植株的形态和生长发育, 从而造成大豆品质降低和产量减少。 大豆叶片的水分状况可真实地反映植株水分受土壤水分亏缺的影响程度, 因此, 大豆冠层叶片水分含量的快速获取成为一种需要。 太赫兹辐射在水中的强烈衰减使其成为一种非常灵敏的非接触式探针, 可以快速、 无损地检测叶片含水量。 因此基于太赫兹光谱这一新技术进行大豆冠层叶片含水量的检测研究, 用于实时监测田间大豆的健康状况。 实验选用中黄13号大豆进行栽培, 为尽可能模拟田间不同程度的干旱胁迫状况, 将开花期大豆进行5个不同梯度: 正常供水、 轻度干旱胁迫、 中度干旱胁迫、 重度干旱胁迫、 严重干旱胁迫(分别占田间最大持水量的80%, 65%, 50%, 35%, 20%)的水分灌溉, 每个梯度设置3个重复。 利用人工称重法与便携式土壤水分速测仪结合将土壤含水量调控到各水分梯度要求。 然后, 将实验大豆植株运回实验室并利用透射式太赫兹时域光谱仪进行样本扫描, 每个梯度采集18片冠层叶片, 共90个样本, 以2:1的比例分为校正集和预测集。 在获取各样本时域光谱数据后, 根据Dorney和Duvillaret提出的模型进行了光学参数的提取, 得到各样本的吸收系数谱以及折射率谱。 定性分析了太赫兹时域光谱、 吸收系数、 折射率随水分胁迫程度不同的变化情况。 实验发现: 随着水分胁迫程度的降低, 时域光谱的峰值呈不断衰减趋势, 且均低于空白参考峰值, 同时有明显的时间延迟。 吸收系数值随干旱胁迫程度的加剧逐渐降低; 折射率值同样随干旱胁迫程度的加剧逐渐降低。 并利用偏最小二乘(PLS)和多元线性回归(MLR)方法定量研究了时域光谱、 吸收系数、 折射率光谱数据与叶片含水率的相关关系。 结果表明, 太赫兹波对大豆叶片水分差异十分敏感, 基于时域光谱最大值和最小值的MLR预测精度最高, 预测集相关性( rp)达-0.939 3, 均方根误差(RMSEP)为0.049 5。 研究表明太赫兹光谱技术应用于大豆冠层叶片含水量观测具有良好的可行性, 为开展大豆冠层含水量信息快速获取, 实现科学节水管理与灌溉决策提供了新的检测手段和实验依据。

关键词: 大豆叶片; 含水量; 太赫兹时域光谱; 吸收系数; 折射率; 回归模型
中图分类号:O657.3 文献标识码:A
Study on Moisture Content of Soybean Canopy Leaves under Drought Stress Using Terahertz Technology
ZHAO Xu-ting1,2,3, ZHANG Shu-juan1, LI Bin2,3,4,*, LI Yin-kun5
1. College of Engineering, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China
2. Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China
3. Key Laboratory of Quantitative Remote Sensing in Agriculture, Ministry of Agriculture, Beijing 100097, China
4. Beijing Key Lab of Digital Plant, Beijing 100097, China
5. Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China
Abstract

With the increasingly serious situation of water resources shortage, the shortage of agricultural irrigation water in some areas has resulted in reduction of crop and damages the farmers’ interests. Soybean is kind of crop with high water requirement. Once the water deficiency will directly affect the morphology and growth, the quality and the yield will be reduced. Because water status of soybean leaves can truly reflect the degree of soil water deficit, a tool for water content measurements is in great need. The strong attenuation of terahertz radiation in water makes it a contactless probe, which can be used to detect the water status of leaves quickly. As a result, terahertz spectroscopy technology was studied to rapidly and conveniently estimate water content in soybean canopy leaf, so as to monitor the health status in real time. Zhong-huang 13 soybean cultivars were cultivated in our experiment. In order to simulate the drought stress of different degrees in the field, 5 different gradients of flowering soybean were carried out: normal watering, mild drought stress and moderate drought, severe drought, more severe drought stress (accounted for 80%, 65%, 50%, 35%, 20% of the maximum water holding capacity in the field, respectively) and 3 repetitions were set per gradient. The artificial weighing method combined with the portable soil moisture measuring instrument was used to regulate soil moisture content to meet the requirements of the various water gradients . Then, the experimental soybean were transported to the laboratory, and the samples were scanned by terahertz time domain spectrometer. 18 canopy leaves for each gradient, a total of 90 samples were collected. It was divided into calibration set and prediction set at 2:1 ratio. After obtaining the time domain spectral data of each sample, the absorption coefficient spectrum and the refractive index spectrum of each sample were calculated by the data processing method of Dorney and Duvillaret. The changes of time domain spectroscopy, absorption coefficient and refractive index with water drought stress were qualitatively analyzed. It was found that the peak value of time domain spectrum was decreasing with the degree of water stress decreasing, which was lower than the reference value. At the same time, there was a significant time delay. The number of absorption coefficient gradually decreased with the aggravation of drought stress, and the refractive index value the same decreased. Moreover, partial least squares (PLS) and multiple linear regression (MLR) were used to quantitatively study the correlation between time domain spectrum, absorption coefficient, refractive index spectrum data and leaf water content, respectively. The results showed that, terahertz was sensitive to differences of leaf water content. And the MLR model based on maximum and minimum values in time domain spectral performed the best, in which correlation coefficient ( rP) and root mean square error of prediction set (RMSEP) were -0.939 3 and 0.049 5, respectively. This study showed that the application of terahertz technology in leaf water content estimation has good feasibility. It will provide a new detection tool and experimental basis for rapid monitoring of water content in soybean canopy and scientific water-saving irrigation management.

Key words: Soybean leaf; Moisture content; Terahertz time domain spectra; Absorption coefficient; Refractive index; Regression model
引言

大豆是一种粮油饲兼用作物, 植物蛋白含量丰富, 市场需求量巨大, 据国家粮油信息中心统计, 2016/2017年度我国大豆的年消耗量达9 810万吨。 大豆生长过程中耗水较多, 平均1 g干物质的形成需要600~800 g水, 尤其开花期需水量较大, 约占整个生长期总耗水量的40%左右[1], 此阶段叶片的蒸腾强度处于峰值阶段, 水分亏缺将直接影响大豆植株正常生长, 导致产量减少和品质降低。 因此, 开展对大豆作物在开花期等关键生长阶段冠层叶片含水量的快速、 精准监测研究, 对于科学制定节水灌溉决策, 保障大豆产量及品质具有重要意义。

太赫兹(Terahertz, THz)波是介于微波与红外波之间, 频率在0.1~10 THz的毫米波[2, 3]。 水在太赫兹波段呈现高吸收特性[4], 但是叶片干物质对太赫兹辐射没有吸收, 使得太赫兹技术成为叶片组织含水量测量的重要工具。 Gente[5]等提出了一种利用透射式太赫兹时域光谱数据测定叶片体积含水量的方法, 该方法是基于叶片组织有效介质模型参数的迭代优化。 结果显示, 用这种方法预测的结果与直接鲜重/干重的含水率测量结果有很好的一致性。 Castro-Camus [6]等基于太赫兹时域光谱技术测试了在缺水状态下两种保水能力不同的基质中拟南芥叶片水分含量的变化, 并探究了黑暗/光照条件变化与脱落酸作用下叶片气孔开闭导致的叶片含水量的变化趋势。 龙园[7]等根据叶片不同部位水分含量的差异, 利用太赫兹光谱技术获取离体绿萝叶片的时域谱成像和频域谱成像, 探讨了叶片含水量与太赫兹成像的相关性。 而以大豆作物作为研究对象, 开展太赫兹光谱技术用于不同水分胁迫下大豆冠层叶片含水量检测研究尚未见报道。

冠层叶片含水量是诊断植株水分状况优劣的重要指标, 鉴于此本研究通过种植盆栽大豆, 设计不同梯度的水分胁迫实验, 尝试利用太赫兹技术建立高精度的大豆冠层叶片含水量预测模型, 为高效观测田间大豆的需水特性和科学灌溉提供参考。

1 实验部分
1.1 仪器设备

采用德国Menlo System公司的TERA K15透射式时域光谱系统采集光谱数据。 使用便携式土壤水分速测仪(美国, Spectrum TDR100)快速测量土壤表层水分。 通过精密电子分析天平(上海, FA2004N)和电子数显卡尺进行叶片称重和厚度测量。

1.2 样本采集

试验于2017年8— 10月份在北京市农林科学院实验基地开展, 实验大棚顶部装有防雨棚。 种植大豆品种为中黄13号, 采用盆栽方式育苗, 取基地试验田砂质壤土经过风干、 研磨后装盆, 每盆装土11 kg。

为尽可能模拟田间不同程度的干旱胁迫状况, 本实验设置5个水平: 正常供水、 轻度干旱胁迫、 中度干旱胁迫、 重度干旱胁迫和严重干旱胁迫。 其土壤含水量分别占田间最大持水量的80%, 65%, 50%, 35%, 20%, 每个梯度设置3盆重复。 控水前期, 通过不浇水的方法使土壤含水量降到需控水的最低限度, 利用人工称重与土壤水分速测仪结合进行土壤含水量调控。

当大豆长到开花期, 挑选长势良好的冠层叶片剪下快速进行称重和厚度测量。 然后置于太赫兹仪器中, 为排除空气中水蒸气的干扰, 在夹持好叶片后对密闭系统中连续冲入氮气, 保持系统湿度在5%以下开始太赫兹光谱扫描。 每个梯度挑选18片叶子, 共90个样本, 以2:1比例随机划分校正集(60个样本)和预测集(30个样本)。 扫描结束后将叶片置入60 ℃恒温箱中烘干12 h, 测量叶片干重。 含水量的测定使用大豆叶片的含水率表示计算公式如式(1)所示

含水率=叶片鲜重-叶片干重叶片鲜重×100%(1)

2 结果与讨论

实验数据处理在Matlab R2014b和Unscramber X10.1中完成。 大豆含水量预测模型性能的评价以相关系数(rC, rP)越高, 模型精度越高; 均方根误差(RMSEC, RMSEP)越低, 模型稳定性越好为择优标准。

2.1 太赫兹时域光谱分析与建模

图1是不同水分梯度的平均太赫兹时域光谱图, Reference为纯氮气无样本环境下采集的太赫兹时域光谱。 可以看出, 随着水分胁迫程度的降低, 时域光谱的峰值呈不断衰减趋势, 且均低于空白参考峰值, 同时出现时间上的延迟。 时域峰值的衰减主要是由于灌水量越充足使得叶片组织含水量越高, 太赫兹波对其吸收越强烈, 透过的信号强度越弱; 而时间的延迟一方面是干旱胁迫下叶片脱水严重, 叶片厚度缩减, THz波的透过率增加, 完全透过的时间缩短, 另一方面可能是内部组织折射率变化引起的[8, 9]; 时域幅值均低于空白参考是由于样本折射率高于空气。

图1 不同干旱胁迫梯度的平均太赫兹时域光谱Fig.1 The average THz time domain spectra of different water stress gradients

本研究分别以太赫兹时域光谱的最大值、 最小值作为模型输入量建立一元线性回归和多元线性回归模型。 此外, 为选取最优模型选取全波段数据建立偏最小二乘回归模型。 结果见表1

表1 基于时域光谱的建模结果 Table 1 The modeling results based on time-domain spectra data
2.2 太赫兹频域谱分析与建模

根据Dorney和Duvillaret等提出的提取THz波段光学参数的物理模型进行数据处理, 获取各样本的吸收系数和折射率, 经过Savitzky-Golay(SG, 5点)平滑预处理消除背景以及噪声影响提高建模精度。

2.2.1 吸收系数

每个水分梯度样本的平均频域-吸收系数曲线如图2所示。 从曲线大致走向看出: 各个水分梯度下, 吸收系数与频率均呈正相关, 且干旱胁迫越严重叶片的吸收系数值越小。 其原因主要是: 随着干旱胁迫程度的增加, 叶片含水量降低, 从而对太赫兹波的吸收不断减弱。 并且在正常供水和轻度干旱胁迫下, 各频域吸收系数值差异较小, 推断其原因在于作物本身具有一定的蓄水抗旱和适应调节机能, 轻度干旱胁迫下土壤水分仍能满足大豆正常生长。

图2 5个水分胁迫梯度的吸收系数图Fig.2 Maps of absorption coefficient of 5 water stress gradients

为简化数据提取关键信息, 采用Unscrambler 软件进行主成分分析(PCA)提取特征变量, 通过提取少数几个相互独立且含有原来变量大部分信息的新变量, 最大限度的代替原始变量的有效光谱信息。 表2所示前5个主成分的累计贡献率为95.87%, 说明可以代替原始变量95.87%的信息。 然后利用Matlab软件基于前5个主成分分别建立PLS和MLR模型用于预测未知叶片的含水率, 建模结果比较见表4

表2 前5个主成分的累计贡献率 Table 2 Accumulated contribution rate of first 5 principal components
表4 MLR和PLS建模结果 Table 4 The modeling results of MLR and PLS

2.2.2 折射率

折射率一般用来描述样本的色散特性, 每个水分梯度样本的平均频域-折射率曲线如图3所示, 各梯度样本折射率大小在1.02~1.06范围内, 基本保持随频率增大折射率逐渐减小, 含水率增大折射率增大的趋势。 同样采用PCA提取关键信息, 结果见表3。 所建立的PLS和MLR模型结果比较见表4

图3 5个水分胁迫梯度的折射率图Fig.3 Maps of refractive of 5 water stress gradients

表3 前6个主成分的累计贡献率 Table 3 Accumulated contribution rate of the first 6 principal components

通过比较表1表4可知, 基于太赫兹时域光谱最大、 最小值的MLR模型精度最高, 稳定性最好, 预测相关性达-0.939 3, 预测均方根误差为0.049 5, 其多元线性回归模型预测公式如式(4)所示

Y=-0.0161+1.5281X1+2.5034X2(4)

其中, Y为叶片含水率, X1为时域最大值, X2为时域最小值。

比较发现吸收系数和折射率所建数学模型不理想, 推断其原因在于频域谱建模输入量为通过时域谱傅里叶变换之后根据公式计算得到的光学参数, 计算量中叶片厚度d是影响因子, 而大豆叶片存在茸毛凸起结构, 且叶片表面叶脉和叶肉区域厚度不均匀, 难以精确测量扫描点的实际厚度; 此外, 人为进行的叶片厚度测量, 本身存在测量误差, 会导致吸收系数和折射率的数据误差, 影响对叶片含水量的准确预测。

3 结 论

通过栽培不同水分胁迫梯度的大豆样本, 分别研究了大豆冠层叶片太赫兹时域(最大值、 最小值、 全谱)和频域(吸收系数谱、 折射率谱)信息与叶片含水量的定性定量相关关系, 并建立了相应偏最小二乘和多元线性回归模型用来预测未知叶片含水量的数学模型。 研究结果表明: (1)对于大豆冠层叶片, 太赫兹时域光谱随干旱胁迫程度的减小, 幅值逐渐衰减, 并伴有一定的时间延迟; 而频域吸收系数和折射率谱均随干旱胁迫程度的加剧, 谱值逐渐减小; (2)通过对太赫兹时域、 频域数据的建模结果比较发现, 基于太赫兹时域光谱最大、 最小值的MLR模型与叶片含水量的相关性最高, 预测效果最好, 预测集相关性为-0.939 3, 均方根误差为0.049 5。 体现出太赫兹光谱对叶片水分的微弱变化具有较好的敏感性。 同时实验过程中发现, 大豆叶片表面被茸毛覆盖, 叶脉和叶肉交错分布, 造成了实验中叶片厚度难以精确测量, 因此如何找到一种方法实现叶片厚度的精准测量, 是后续优化实验设计、 提升建模精度的研究方向。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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