[发明专利]利用可见-近红外漫反射光谱技术检测茶鲜叶氮含量的方法

说明书

技术领域

本发明属于农林生命信息探测技术领域。涉及一种基于光谱分析技术检测植株叶片氮含量的方法，特别是一种基于可见-近红外漫反射光谱技术快速无损检测茶鲜叶氮含量的方法。

背景技术

氮素在茶叶内平均含量约占干重的1.5％，是合成蛋白质和叶绿素的重要组成部分，又参与酶的合成，它在多方面直接或间接影响茶树的代谢活动和生长发育，特别是对茶叶有效成分氨基酸含量的多寡具有重要意义。因此，监测氮素营养状况是茶树栽培管理过程中的主要内容之一。

为及时掌握作物的生长情况，人们常根据经验进行外观诊断，但其可靠性不高；或采用基于土壤和作物的实验室分析，而这些分析普遍要求破坏土壤和植被样本，且测量费时费力，过程复杂；传统的氮素营养诊断无损测试方法主要有肥料窗口法和叶色卡片法，这些方法均属于定性或半定量的方法。也有采用快速、简便、非破坏性的现代分析方法测定氮含量的，如日本研制的叶绿素仪SPAD-502能快速测定作物叶片的叶绿素相对含量，而叶绿素含量与作物叶片氮含量又有相关关系，所以可通过SPAD值间接了解作物叶片的氮含量。目前，国外利用SPAD-502诊断水稻氮素营养的研究比较成熟。国内有不少学者研究作物如油菜、小麦、水稻等叶绿素仪读数(SPAD值)、叶片叶绿素含量和叶片氮含量之间的相关关系。虽然叶绿素仪读数和叶片氮含量之间具有线性关系，但这种线性关系受作物品种、发育阶段、测定的叶位及叶片上测点位置的影响而存在较大差异。因此，根据叶绿仪读数来指示作物氮含量的可靠性、精度不高。

另一种快速无损的氮含量检测方法——光谱分析法目前也得到了广泛应用。如申请号为200710069116.0的发明专利申请，公开了一种多光谱成像技术快速无损测量茶树含氮量的方法，其测量对象为茶树冠层，不能真实反映叶片的氮含量水平；公开号为WO9919824的PCT专利申请，公开了一种利用多光谱图像监测植被氮营养状态的方法，在去除背景影响后，仅计算在绿光波段的反射率，来估测植被的氮素营养状况；申请号为200710019340.9的中国发明专利申请，公开了了一种针对水稻、小麦叶片氮素营养指标的便携式无损、实时监测装置，但仅仅通过四个光谱波段组合成NDVI植被指数，来监测氮素营养水平，未包含足够的光谱信息。鲍一丹等分析了土壤含水量和土壤粒径大小对氮含量光谱预测模型的影响；孙建英等选取几个特征波长点处的光谱信息进行了全氮含量的多元回归分析。由于土壤成分复杂，氮含量的测定受多种因素干扰，且土壤中氮含量不能直接反映作物氮的吸收情况，而作物叶片氮含量则能更直观反映作物氮素营养状况。

张金恒等指出水稻叶片氮含量的敏感波段为绿光(525～605nm)、黄光(605～655nm)和短波近红外光(750～1100nm)；薛利红等主要研究了不同施氮水平下小麦叶片氮含量及氮积累量与冠层反射光谱之间的相关关系，但未建立氮素营养光谱诊断模型；陈斌根据茶鲜叶的反射光谱特性成功测定了其叶绿素含量，但未给出氮含量的光谱检测模型。

由以上分析可知，通过作物叶片反射光谱估测氮含量是可行的。但难点在于如何快速建立茶鲜叶氮含量的光谱模型，并快速进行田间检测。

发明内容

本发明的目的在于：利用可见-近红外光谱分析技术，建立适合于田间在线检测茶鲜叶氮含量的模型，一方面适合获取精确的氮含量值，另一方面估测茶鲜叶氮素营养水平，用于指导茶园田间施肥管理。

为了达到以上目的，本发明的利用可见-近红外漫反射光谱技术检测茶鲜叶氮含量的方法，直接选取茶园茶鲜叶为对象，采用便携式辐射光谱仪获取的光谱信息和不同精度氮含量值，进行定标和预测。

本发明采用的技术方案，其步骤是：(1)利用光谱仪直接获取茶鲜叶表面反射光谱信息；(2)在实验室测量茶鲜叶氮含量的精确值，在田间获取茶鲜叶氮含量的相对值；(3)采用化学计量学方法分别建立用于精确检测和估计茶鲜叶氮含量的校正模型；(4)基于步骤(3)所得模型，对待测的茶鲜叶样本的氮含量进行精确检测或估计。

以上技术方案中的茶鲜叶表面为茶园现场茶树冠层处活体叶片上表面，不包含未展叶的幼芽和破损叶片，并将其分成校正样本和待测样品两类。

以上技术方案中的光谱仪为便携式辐射光谱仪，便于在野外田间手持操作，其扫描波长范围为350～2500nm，遍及可见光至近红外光谱范围。

以上技术方案的步骤(1)中的反射光谱信息为太阳光辐射下经标准白板标定的漫反射光谱，在太阳辐射较强的晴天，先把光谱仪经标准白板标定，再扫描样品光谱。