【摘要】：設施栽培經常出現氮、鉀等主要營養元素比例失調的癥狀。營養失調會引起植株體內營養元素發生顯著的變化，且不同營養元素之間存在交互作用。因此，迫切需要在作物生長過程中對養分進行精確檢測和診斷，定量了解溫室無土栽培作物對營養元素的需求，建立營養精確管理模型。本文以黃瓜為研究對象，對黃瓜不同葉位及不同位點的光譜反射率進行分析，確定氮鉀診斷的最佳葉位和位點，通過氮鉀對形態參數、光合、熒光參數和電特性參數的影響分析，提出基于膜電位、膜電容和光激勵的膜電位響應的電特性參數作為合適的早期診斷方法，并對氮素和鉀素營養下的黃瓜葉片膜電位、膜電容及光激勵的膜電位響應的變化情況進行研究，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)構建能夠檢測植物膜電位、膜電容及光激勵的膜電位響應等生物電信息的試驗系統，設置系統參數，選擇合適型號的玻璃單管毛胚，分析拉力1、拉力2、熱值、時間等拉制參數對電極尖端的影響，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量方法及測量步驟。對植物營養的生物電參數進行優選，選擇膜電位和膜電容參數來進行作物營養診斷的測量。

(2)探索黃瓜葉片不同葉位和不同位點光譜反射率的變化規律，確定黃瓜葉片氮、鉀素營養診斷的葉片敏感葉位和位點，為黃瓜氮鉀素的營養診斷提供最佳的測定葉位和位點。選擇550nm作為黃瓜氮素營養的敏感波長，選擇940nm作為黃瓜鉀素營養的敏感波長；幼苗期和開花期選擇正三葉，結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、開花期和結果期均選擇葉片邊緣Ⅰ處作為氮素和鉀素診斷的最佳區域；幼苗期、開花期和結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域；因此，在幼苗期和開花期選擇正三葉邊緣Ⅰ處的尖部；在結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)研究了不同氮鉀營養下的植物形態、光合、熒光、生物電等參數的變化特征，分析比較氮鉀營養對形態、光合、熒光、生物電等參數的影響，確定植物氮鉀營養早期診斷的合適參數。黃瓜的株高、莖粗、葉長、葉寬等形態參數都不能在可見癥狀出現之前把不同的氮鉀營養情況區分開；凈光合速率、氣孔導度等光合參數，最大光化學量子產量、實際光化學量子產量等熒光參數都不能把不同的氮鉀脅迫情況很好的區分開；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，確定光激勵所用的合適光強為800μmol·m2·s-1，光質為藍光；黃瓜葉片膜電位的測量方法至少能在肉眼可見脅迫癥狀出現的8d前就可實現鉀缺乏或過量的營養診斷，表明用膜電位對黃瓜鉀脅迫葉片進行早期診斷的方法是可行的。對膜電容變化的研究發現黃瓜葉片膜電容可在肉眼可見脅迫癥狀出現的2d前實現嚴重和中等氮缺乏的營養診斷，對光激勵的膜電位響應的研究發現氮過量處理植物光激勵的膜電位響應幅值在第3天就有顯著的減少，至少可在脅迫癥狀出現的9d前實現氮過量的營養診斷，表明可用微電極技術測量膜電位、膜電容、光激勵的膜電位響應等一起實現氮鉀營養的早期診斷。

(4)分析了黃瓜不同葉位和位點膜電位的分布特征，結果發現關鍵生育期內黃瓜不同葉位葉片和葉片不同位點的膜電位都有顯著的差異；同時分析了不同氮、鉀處理下黃瓜葉片的膜電位、膜電容和光激勵的膜電位響應幅值的分布特征，結果顯示不同氮素處理下的葉片膜電位數值隨著施氮濃度的增加有輕微上升的趨勢；不同鉀素處理下的葉片膜電位數值隨著施氮濃度的增加有顯著下降的趨勢；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，當施氮水平達到一定程度時，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；不同氮鉀處理下的葉片光激勵的膜電位響應幅值隨著施氮、鉀濃度的增加而增加，當施氮、鉀水平達到一定程度時，葉片光激勵的膜電位響應幅值隨著施氮、鉀濃度的增加而減小。分析了施氮、鉀量與葉片膜電位、膜電容和光激勵的膜電位響應的關系，相關分析結果顯示膜電位、膜電容和光激勵的膜電位響應與植株葉片含氮、鉀量之間都有很好的相關關系，并用直線方程、指數方程或二次方程進行擬合，比較模型精度，分別建立基于葉片膜電位、膜電容和光激勵的膜電位響應幅值的黃瓜氮、鉀單因素營養診斷模型。比較各個關鍵生長期的基于葉片膜電位、膜電容和光激勵的膜電位響應幅值的黃瓜氮、鉀單因素營養預測模型的Rp和RMSEP，鉀素選擇基于膜電位的預測模型，建立基于葉片膜電容和光激勵的膜電位響應幅值的雙因素黃瓜氮營養檢測模型，氮素的基于膜電容和光激勵的膜電位響應幅值的雙因素預測模型相較于膜電容、光激勵的膜電位響應幅值的單因素預測模型的精度更高。

(5)分析了氮鉀交互下黃瓜葉片膜電位、膜電容和光激勵的膜電位響應幅值的分布特征，結果顯示氮、鉀營養對膜電位、膜電容和光激勵的膜電位響應均表現出一定的交互作用，并分析了氮鉀交互與葉片膜電位、膜電容和光激勵的膜電位響應的關系，用權重系數矩陣和交互影響系數矩陣對模型進行修正，建立了氮鉀交互下的黃瓜營養診斷模型。比較發現氮素的基于葉片膜電位、膜電容和光激勵的膜電位響應幅值的黃瓜氮鉀交互預測模型的預測精度要高于氮素的基于膜電容和光激勵的膜電位響應幅值的雙因素預測模型，氮素的基于膜電容和光激勵的膜電位響應幅值的雙因素預測模型相較于膜電容、光激勵的膜電位響應幅值的單因素預測模型的精度更高。