【摘要】：設(shè)施栽培經(jīng)常出現(xiàn)氮、鉀等主要營(yíng)養(yǎng)元素比例失調(diào)的癥狀。營(yíng)養(yǎng)失調(diào)會(huì)引起植株體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素發(fā)生顯著的變化，且不同營(yíng)養(yǎng)元素之間存在交互作用。因此，迫切需要在作物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)養(yǎng)分進(jìn)行精確檢測(cè)和診斷，定量了解溫室無(wú)土栽培作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的需求，建立營(yíng)養(yǎng)精確管理模型。本文以黃瓜為研究對(duì)象，對(duì)黃瓜不同葉位及不同位點(diǎn)的光譜反射率進(jìn)行分析，確定氮鉀診斷的最佳葉位和位點(diǎn)，通過(guò)氮鉀對(duì)形態(tài)參數(shù)、光合、熒光參數(shù)和電特性參數(shù)的影響分析，提出基于膜電位、膜電容和光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)的電特性參數(shù)作為合適的早期診斷方法，并對(duì)氮素和鉀素營(yíng)養(yǎng)下的黃瓜葉片膜電位、膜電容及光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)的變化情況進(jìn)行研究，分別建立了氮、鉀單一因素影響下的生物電特性模型，并建立了氮鉀交互下的生物電特性模型。本研究主要完成了以下工作：

(1)構(gòu)建能夠檢測(cè)植物膜電位、膜電容及光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)等生物電信息的試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，選擇合適型號(hào)的玻璃單管毛胚，分析拉力1、拉力2、熱值、時(shí)間等拉制參數(shù)對(duì)電極尖端的影響，拉制出理想的電極尖部；介紹膜電位、膜電阻和膜電容等生物電信息的測(cè)量方法及測(cè)量步驟。對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)的生物電參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，選擇膜電位和膜電容參數(shù)來(lái)進(jìn)行作物營(yíng)養(yǎng)診斷的測(cè)量。

(2)探索黃瓜葉片不同葉位和不同位點(diǎn)光譜反射率的變化規(guī)律，確定黃瓜葉片氮、鉀素營(yíng)養(yǎng)診斷的葉片敏感葉位和位點(diǎn)，為黃瓜氮鉀素的營(yíng)養(yǎng)診斷提供最佳的測(cè)定葉位和位點(diǎn)。選擇550nm作為黃瓜氮素營(yíng)養(yǎng)的敏感波長(zhǎng)，選擇940nm作為黃瓜鉀素營(yíng)養(yǎng)的敏感波長(zhǎng)；幼苗期和開(kāi)花期選擇正三葉，結(jié)果期選擇正七葉葉片作為氮素和鉀素診斷的最佳葉位；幼苗期、開(kāi)花期和結(jié)果期均選擇葉片邊緣Ⅰ處作為氮素和鉀素診斷的最佳區(qū)域；幼苗期、開(kāi)花期和結(jié)果期均選擇葉片邊緣Ⅰ處的尖部作為氮素和鉀素診斷的最佳區(qū)域；因此，在幼苗期和開(kāi)花期選擇正三葉邊緣Ⅰ處的尖部；在結(jié)果期選擇正七葉邊緣Ⅰ處的尖部作為氮鉀診斷的最佳部位。

(3)研究了不同氮鉀營(yíng)養(yǎng)下的植物形態(tài)、光合、熒光、生物電等參數(shù)的變化特征，分析比較氮鉀營(yíng)養(yǎng)對(duì)形態(tài)、光合、熒光、生物電等參數(shù)的影響，確定植物氮鉀營(yíng)養(yǎng)早期診斷的合適參數(shù)。黃瓜的株高、莖粗、葉長(zhǎng)、葉寬等形態(tài)參數(shù)都不能在可見(jiàn)癥狀出現(xiàn)之前把不同的氮鉀營(yíng)養(yǎng)情況區(qū)分開(kāi)；凈光合速率、氣孔導(dǎo)度等光合參數(shù)，最大光化學(xué)量子產(chǎn)量、實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量等熒光參數(shù)都不能把不同的氮鉀脅迫情況很好的區(qū)分開(kāi)；分析黃瓜葉片的表面特性，確定微電極尖端在葉片中所處的位置，確定光激勵(lì)所用的合適光強(qiáng)為800μmol·m2·s-1，光質(zhì)為藍(lán)光；黃瓜葉片膜電位的測(cè)量方法至少能在肉眼可見(jiàn)脅迫癥狀出現(xiàn)的8d前就可實(shí)現(xiàn)鉀缺乏或過(guò)量的營(yíng)養(yǎng)診斷，表明用膜電位對(duì)黃瓜鉀脅迫葉片進(jìn)行早期診斷的方法是可行的。對(duì)膜電容變化的研究發(fā)現(xiàn)黃瓜葉片膜電容可在肉眼可見(jiàn)脅迫癥狀出現(xiàn)的2d前實(shí)現(xiàn)嚴(yán)重和中等氮缺乏的營(yíng)養(yǎng)診斷，對(duì)光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)氮過(guò)量處理植物光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)幅值在第3天就有顯著的減少，至少可在脅迫癥狀出現(xiàn)的9d前實(shí)現(xiàn)氮過(guò)量的營(yíng)養(yǎng)診斷，表明可用微電極技術(shù)測(cè)量膜電位、膜電容、光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)等一起實(shí)現(xiàn)氮鉀營(yíng)養(yǎng)的早期診斷。

(4)分析了黃瓜不同葉位和位點(diǎn)膜電位的分布特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵生育期內(nèi)黃瓜不同葉位葉片和葉片不同位點(diǎn)的膜電位都有顯著的差異；同時(shí)分析了不同氮、鉀處理下黃瓜葉片的膜電位、膜電容和光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)幅值的分布特征，結(jié)果顯示不同氮素處理下的葉片膜電位數(shù)值隨著施氮濃度的增加有輕微上升的趨勢(shì)；不同鉀素處理下的葉片膜電位數(shù)值隨著施氮濃度的增加有顯著下降的趨勢(shì)；不同氮素處理下的葉片膜電容隨著施氮濃度的增加而增加，當(dāng)施氮水平達(dá)到一定程度時(shí)，葉片膜電容隨著施氮水平的增加不再增加或增加的幅度很小；不同鉀素處理下的葉片膜電容隨著施氮濃度的增加有上升的趨勢(shì)；不同氮鉀處理下的葉片光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)幅值隨著施氮、鉀濃度的增加而增加，當(dāng)施氮、鉀水平達(dá)到一定程度時(shí)，葉片光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)幅值隨著施氮、鉀濃度的增加而減小。分析了施氮、鉀量與葉片膜電位、膜電容和光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)的關(guān)系，相關(guān)分析結(jié)果顯示膜電位、膜電容和光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)與植株葉片含氮、鉀量之間都有很好的相關(guān)關(guān)系，并用直線方程、指數(shù)方程或二次方程進(jìn)行擬合，比較模型精度，分別建立基于葉片膜電位、膜電容和光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)幅值的黃瓜氮、鉀單因素營(yíng)養(yǎng)診斷模型。比較各個(gè)關(guān)鍵生長(zhǎng)期的基于葉片膜電位、膜電容和光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)幅值的黃瓜氮、鉀單因素營(yíng)養(yǎng)預(yù)測(cè)模型的Rp和RMSEP，鉀素選擇基于膜電位的預(yù)測(cè)模型，建立基于葉片膜電容和光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)幅值的雙因素黃瓜氮營(yíng)養(yǎng)檢測(cè)模型，氮素的基于膜電容和光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)幅值的雙因素預(yù)測(cè)模型相較于膜電容、光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)幅值的單因素預(yù)測(cè)模型的精度更高。

(5)分析了氮鉀交互下黃瓜葉片膜電位、膜電容和光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)幅值的分布特征，結(jié)果顯示氮、鉀營(yíng)養(yǎng)對(duì)膜電位、膜電容和光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)均表現(xiàn)出一定的交互作用，并分析了氮鉀交互與葉片膜電位、膜電容和光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)的關(guān)系，用權(quán)重系數(shù)矩陣和交互影響系數(shù)矩陣對(duì)模型進(jìn)行修正，建立了氮鉀交互下的黃瓜營(yíng)養(yǎng)診斷模型。比較發(fā)現(xiàn)氮素的基于葉片膜電位、膜電容和光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)幅值的黃瓜氮鉀交互預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度要高于氮素的基于膜電容和光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)幅值的雙因素預(yù)測(cè)模型，氮素的基于膜電容和光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)幅值的雙因素預(yù)測(cè)模型相較于膜電容、光激勵(lì)的膜電位響應(yīng)幅值的單因素預(yù)測(cè)模型的精度更高。