土壤酸化（pH<5.5，CaCl2浸提液）会降低作物对必需养分的吸收并增加铝毒性，对农业生产产生负面影响，影响程度因作物种类和品种而异。小麦是重要粮食作物，但不同品种对土壤酸度敏感性不同，酸性土壤会影响其生长和养分吸收。传统检测土壤酸度方法有局限性，高光谱成像（HSI）可量化作物特征，基于光谱变化检测植物胁迫，有望用于监测土壤酸度及修复效果，但用于研究作物对酸性土壤及石灰施用的响应鲜见报道。
材料与方法
数据采集
高光谱成像：种植后26、43、65天（分别对应分蘖、茎伸长和开花期），用LemnaTec 3D Scanalyzer高通量成像系统搭载的高光谱相机（FX10和SWIR，芬兰SPECIM）对整株小麦进行高光谱成像，获取可见光和近红外（VNIR，400-1000nm）及短波红外（SWIR，1000-2600nm）光谱数据，经校准、预处理和变换后用于分析。
RGB成像：种植后21-64天，用LemnaTec 3D Scanalyzer高通量成像系统采集RGB图像，计算绝对生长速率（sAGR）和相对生长速率（sRGR）监测植物生长。
植物组织分析：种植后65天收获植株，测定地上部和根部生物量，分析地上部组织中大量和微量营养元素浓度。
土壤分析：收获后采集土壤样品，测定pH值、有机碳、可提取铝等化学性质。
对高光谱数据进行主成分分析（PCA）和置换多元方差分析（PERMANOVA），计算植被指数，用偏最小二乘回归（PLSR）预测植物组织养分浓度，用混合模型分析植物组织和土壤样本的养分浓度及表型性状，用RGB成像数据计算植物生长指标。
主要研究结果
石灰施用显著增加地上部生物量，但对根部生物量无显著影响。土壤pH值随石灰施用增加，铝和锰浓度降低，但仍高于小麦95%产量的临界毒性浓度。石灰施用影响小麦植株中部分养分浓度，如钙、磷、镁、铝、锰、钼等。
图1 四种石灰处理下（A）地上部生物量和（B）根部生物量的估计边际均值。
种植后43天（茎伸长阶段），基于土壤石灰处理的光谱聚类明显，酸性土壤中生长的小麦光谱与石灰处理的不同，但石灰处理间无明显基于施用量的光谱聚类，PERMANOVA显示石灰施用量对小麦反射光谱无显著影响。
图3 来自种植后 26 天（A）、种植后 43 天（B）和种植后 54 天（C）的所有转换光谱样本的主成分双标图（PC1 与 PC2）。
表2 关键波长或区域及其相关的生理和生化特征（改编自 Liu et al., 2020）
表3 石灰施用量对小麦植株反射光谱影响的方差置换分析的 P 值。
计算的植被指数中，只有在种植后43天（第二个成像时间点），红边归一化差异植被指数（ReNDVI）和红边改进简单比值指数（ReMSR）能显著区分对照与4、6 t/ha石灰处理，表明石灰处理植株生长活力更高，而不考虑红边的指数（NDVI和MRS）未检测到差异，在第三个成像时间点（开花期，64天），红边植被指数未显示处理间显著差异。
图5 不同石灰处理下四种植物植被指数的估计边际均值（种植后 43 天）：（A）红边归一化差异植被指数（ReNVDI）、（B）红边改进简单比值指数（ReMSR）、（C）归一化差异植被指数（NDVI）以及（D）改进简单比值指数（MSR）。
偏最小二乘回归分析（PLSR）
PLSR预测小麦植株元素效果总体较差，仅硫和氮的预测相对较好，其他元素预测能力低，可能因样本量少、养分浓度范围窄、部分养分浓度低且光谱活性弱等，而PLSR对绝对生长速率的预测能力较高，可在RGB成像不可用时用于测量植物生长。
RGB成像计算的生长指标表明，石灰处理与对照（在30 - 54天）差异显著，支持高光谱数据结果，且4 t/ha石灰处理在多个时间点的绝对生长速率高于6 t/ha处理，对照处理的绝对生长速率除两个时间点外均低于石灰处理。
图7 针对石灰处理，（A）平滑投影地上部面积和（B）绝对生长速率的估计边际均值随种植天数的变化。
研究结论
高光谱成像可在受控环境下测量酸性土壤条件和石灰处理对小麦生长及光谱响应的影响，仅在种植后43天（分蘖至茎伸长阶段）检测到基于石灰施用的光谱差异，PCA载荷图表明与植物活力和水分含量有关，红边植被指数显示更多石灰施用量间的光谱响应差异，但在收获时（64天）该效应不明显。PLSR未能成功预测植物组织养分浓度，可能与养分和植物光谱特征相关性不足、养分浓度变化小和样本量有限有关。石灰施用总体上增加了小麦生长，通过RGB成像和生长速率预测得到证实，且生长和生长速率不受石灰施用量影响（6 t/ha处理表现与2、4 t/ha处理相当或更差）。
橙香橘黄，霜晴冻叶，正是冬日好时光。
