農(nóng)作物重金屬污染對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量會(huì)產(chǎn)生影響，同時(shí)重金屬對(duì)農(nóng)作物的污染程度可以顯示地下重金屬的存儲(chǔ)及污染情況，因此農(nóng)作物重金屬污染監(jiān)測(cè)的研究具有重要的意義。

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)田間重金屬污染的研究方法主要是生物/光學(xué)/電化學(xué)等檢測(cè)法，均需要室內(nèi)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和室外樣本采集相結(jié)合，在大范圍的田間重金屬監(jiān)測(cè)中適用性較差。目前已經(jīng)有很多研究通過農(nóng)作物反射率光譜響應(yīng)，反映農(nóng)作物體內(nèi)因污染或蟲害等葉綠素含量變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的生長監(jiān)測(cè)。

本研究在地物光譜儀采集反射率的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了***種快速監(jiān)測(cè)葉片光譜處理方法（LSPM），實(shí)現(xiàn)了玉米重金屬銅鉛污染元素的快速區(qū)分。

試驗(yàn)材料：

實(shí)驗(yàn)選用有底孔的玉米花盆進(jìn)行玉米種植，種植前進(jìn)行催芽。不同濃度的重金屬銅設(shè)置為：0 ug·g-1、50 ug·g-1、200 ug·g-1、400 ug·g-1、800ug·g-1、1000ug·g-1，分別標(biāo)注為：Cu(0）、Cu(50）、Cu(200）、Cu(400）、Cu(800）、Cu(1 000）。不同濃度的重金屬鉛同理。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1. 通過玉米銅鉛污染花盆實(shí)驗(yàn)獲取葉片反射率數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的重金屬含量數(shù)據(jù)，獲得研究所需的高光譜數(shù)據(jù)集

2. 剔除受噪聲及水汽吸收等影響的反射率光譜數(shù)據(jù)，確定研究所需的譜段，并劃分成四組數(shù)據(jù)（用于交叉驗(yàn)證，減少隨機(jī)誤差的產(chǎn)生）用于研究

3. 設(shè)計(jì)LSPM，并分別處理每組數(shù)據(jù)，探尋光譜信息間的微弱差異，實(shí)現(xiàn)銅鉛污染元素區(qū)分。其中LSPM主要包括光譜的吸光度變換（AT）和***階微分（FOD）

   
   

1、反射率光譜數(shù)據(jù)選取

葉片反射率數(shù)據(jù)的采集選用出穗期每盆玉米三種代表性葉型，分別是老（O，底部老年型葉片）、中（M，中部中年型葉片）、新（N，頂部青年型葉片），三種反射率數(shù)據(jù)的平均值即為此盆玉米反射率數(shù)據(jù)值。

由圖1可知，隨著土壤中銅污染濃度的增加，不同葉型中重金屬銅含量分布交叉混疊，沒有表現(xiàn)出規(guī)律性變化；但是隨著土壤中鉛污染濃度的增加，不同葉型中重金屬鉛含量表現(xiàn)出遞增的規(guī)律性。同時(shí)，對(duì)圖2分析計(jì)算可知，圖2(a）和圖2(b）皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)曲線圖極為相似。因而考慮本文設(shè)計(jì)的LSPM，在重金屬銅污染下葉片平均光譜的應(yīng)用效果與在重金屬鉛污染下玉米老葉光譜的應(yīng)用效果相同。所以在銅鉛污染元素區(qū)分研究中反射率數(shù)據(jù)的選擇根據(jù)重金屬污染元素不同而定。

2、數(shù)據(jù)分析

同***植株的農(nóng)作物反射率光譜曲線相關(guān)性高，但隨著生長會(huì)引起體內(nèi)葉綠素含量的差異性，進(jìn)而反射率光譜信息間存在***定的差異。根據(jù)本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，每盆玉米分別采集老中新葉片的反射率光譜數(shù)據(jù)，***后得到如圖3所示的數(shù)據(jù)。

從圖3明顯看出，在不同濃度銅鉛污染下，每個(gè)銅鉛污染濃度老中新葉片的反射率光譜數(shù)據(jù)曲線和每個(gè)銅鉛污染濃度葉片平均光譜數(shù)據(jù)曲線仍高度相似，并且通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，在450～850 nm譜段范圍內(nèi)（本文研究選擇的譜段范圍）相關(guān)性達(dá)到90%，無法通過光譜直接進(jìn)行銅鉛污染元素的區(qū)分。因此需要對(duì)光譜進(jìn)行進(jìn)***步的處理。

3、數(shù)據(jù)進(jìn)***步處理與分析

針對(duì)采集光譜高度相似，難以分析，設(shè)計(jì)了LSPM，將葉片原始反射率光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，找到不同銅鉛污染濃度下反射率光譜信息間的微弱差異，從而實(shí)現(xiàn)銅鉛污染元素區(qū)分。

具體步驟是：

1）本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不同濃度銅鉛污染下有三組花盆，LSPM對(duì)重金屬銅污染下葉片平均光譜的應(yīng)用效果與重金屬鉛污染下玉米老葉光譜的應(yīng)用效果相同，將其分為四組（用于交叉驗(yàn)證，減少隨機(jī)誤差的產(chǎn)生）（見圖4）

2）將每組玉米葉片450～850 nm的反射率光譜數(shù)據(jù)先后進(jìn)行AT和FOD處理，獲得AF數(shù)據(jù)曲線

3）通過對(duì)四組光譜數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對(duì)比，找出重金屬銅鉛污染下光譜信息間的微弱差異，實(shí)現(xiàn)銅鉛污染元素區(qū)分

對(duì)圖4的數(shù)據(jù)計(jì)算分析可知，利用LSPM，重金屬銅污染下譜峰Cu2高于譜峰Cu1，同時(shí)重金屬鉛污染下譜峰Pb1高于譜峰Pb2。四組數(shù)據(jù)彼此交叉驗(yàn)證，表明在重金屬銅鉛污染下玉米葉片原始反射率光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過AT和FOD處理后，可見光范圍內(nèi)的630～690 nm，銅鉛污染出現(xiàn)了明顯不同的特征，銅鉛污染下LSPM實(shí)現(xiàn)了銅鉛污染元素區(qū)分，有效性高。

本研究從光譜域的角度，對(duì)重金屬銅鉛污染下的玉米葉片反射率光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選擇研究譜段為450～850 nm（可見光和近紅外部分），利用光譜組合處理方法，設(shè)計(jì)了針對(duì)玉米的LSPM，實(shí)現(xiàn)了銅鉛污染元素區(qū)分。