一个预测紫叶生菜花青素含量的高光谱深度学习模型

紫叶生菜叶片内富含花青素、胡萝卜素、维生素、矿物质等元素,其中花青素作为叶片组织中的主要色素对植物提供多种修复及保护功能,其含量可反应紫叶生菜的生理状态,因此其高精度预测具有现实意义。为了高效、准确地估算紫叶生菜的花青素含量,采集了紫叶生菜的高光谱数据并开展了高精度建模研究。对原始平均反射光谱数据进行了一阶导数(FD)、二阶导数(SD)、标准正态变换(SNV)、S-G滤波和多元散射校正(MSC)五种预处理操作,基于不同预处理光谱建立紫叶生菜花青素含量的偏最小二乘回归(PLSR)模型并进行性能对比,确定MSC为理想的光谱预处理方法。针对原始光谱及经MSC预处理的光谱,使用竞争自适应重加权采样(CARS)算法分别选择特征波段,基于全波段(原始光谱、经MSC预处理光谱)和特征波段(基于原始光谱的特征波段、基于MSC预处理光谱的特征波段)分别构建PLSR模型,表现最佳的MSC-CARS-PLSR在验证集上的决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)分别为0.872和0.070 mg·L^(-1),剩余预测偏差(RPD)为2.862。为进一步提高预测精度,本文提出一种融合深度卷积特征和极限学习机(ELM)的回归分析框架Ensemble,基于改进的Inception模块设计了与输入光谱信号匹配的一维卷积神经网络(1DCNN)作为特征提取器,采用ELM代替全连接层作为高级回归器对提取的特征进行计算。通过对比分析,Ensemble性能优于单独的1DCNN模型、ELM模型以及基于预处理光谱构建的最佳PLSR模型,其在验证集上的R2和RMSE分别为0.905和0.060 mg·L^(-1),RPD为3.319,表现出较高预测精度以及极佳的稳定性。进一步分析了预处理操作对Ensemble预测精度的影响,实验结果显示Ensemble对于预处理操作的依赖程度远小于PLSR,表明该模型同时继承了1DCNN的深度特征表示和ELM的高泛化性,能够实现基于原始光谱进行端到端的高精度花青素含量预测,为及时、准确掌握紫叶生菜长势情况提供了理论支撑。

不同波长蓝光对紫叶生菜品质形成的影响

为探究不同波长蓝光对紫叶生菜生长品质和花青素含量的影响,以红皱品种紫叶生菜为研究对象,以白光(CK)为对照,设置蓝光峰值波长为410 nm(BO)、450 nm(BF)、480 nm(BE)的3种红蓝光组合处理,各处理光照强度均为240μmol/(m^(2)·s),不同波峰蓝光处理下红(660 nm)蓝光比均为1∶2,研究4种光照条件对紫叶生菜生长、花青素合成及营养品质的影响。结果表明,紫叶生菜的鲜质量随着蓝光峰值波长增加,呈现先降低后上升的趋势。在不同波长蓝光处理下,峰值为410 nm照射下的紫叶生菜生物量最大。相对于对照组的处理,在不同波长蓝光处理下叶片表面颜色表现有所不同。其中,在蓝光波长为450 nm处理下的紫叶生菜叶片颜色用色差仪测出的a值最大,相较于波长为410、480 nm蓝光处理分别提高了222.00倍和2.84倍。此外,不同波长蓝光照射可促进全生长期可溶性蛋白、花青素、类黄酮和总酚的积累。其中,450 nm蓝光处理下其含量最高,在处理16 d,相较于CK花青素含量提高了128%,可溶性蛋白含量提高了41%,类黄酮含量提高了71%,总酚含量提高了13%。不同波长蓝光也刺激了苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性,相较于白光处理,分别提高了8%、33%、20%。综上所述,不同波长蓝光处理均促进了次生代谢物的堆集,但在波长为450 nm的蓝光处理下紫叶生菜的次生代谢产物含量最高。因此,在植物工厂中采用红光和不同波长蓝光,可以有目的地调整生菜的生长和品质。

连续光照条件下LED红蓝光供光模式对紫叶生菜生长和品质的影响

为了探究连续光照(continuous light,CL)条件下发光二极管(light emitting diode,LED)红蓝光供光模式对紫叶生菜生长、产量和品质的影响,在环境可控的人工光植物工厂内,设置6组不同LED处理,分别为常规光照-光子通量密度(spectral photon flux density,SPD)恒定(RB,16 h/8 h)、CL和SPD恒定(RB’,24 h/0 h);CL和SPD发生规律性变化(S1和S2:交错光照处理,24 h周期内分别以蓝光、红蓝光、红光的顺序交替照射1次和2次;A1和A2:交替光照处理,24 h周期内蓝光和红光分别交替照射1次和2次),其中5个CL处理之间红蓝光量子数相同,光谱光强均为200μmol·m^(-2)·s^(-1)。对不同处理模式下紫叶生菜的生长、产量和品质进行测定。结果表明,CL显著增加了生菜地上部产量,其中红蓝光交替处理下生菜地上部生物量最高,红蓝光交替和交错照射均显著增加了过氧化氢、超氧阴离子和丙二醛含量,但是并未造成严重的光氧化胁迫,且提高了抗氧化酶活性,增加了花青素和总酚含量,但同时也增加了叶片中硝酸盐的含量。综上所述,连续光照条件下红蓝光交替照射处理效果最优。

LED光照强度对紫叶生菜幼苗的影响

为探究适合植物工厂和温室中紫叶生菜幼苗生长的光照强度,以‘北紫生3号’为试验材料,在光质为白光不变的条件下,研究6000、12000、18000、24000、30000 lx 5种光照强度对紫叶生菜幼苗生长形态、营养品质、光合色素和光合特性的影响。结果表明,在30000 lx的光照强度下,紫叶生菜幼苗生长良好并且生物量、叶绿素a含量、叶绿素b含量、类胡萝卜素含量、叶绿素总量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、维生素C含量、花青素含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度最大,硝酸盐含量和胞间CO_(2)浓度最低,但叶绿素b、类胡萝卜素、可溶性蛋白含量和蒸腾速率与24000 lx的光照强度相比无显著性差异,且株高在24000 lx的光照强度下最高。在光质为白光的条件下,最适宜紫叶生菜幼苗生长的光照强度为30000 lx。

不同LED光质对紫叶生菜生理特性及品质的影响

【目的】旨在筛选出适宜紫叶生菜生长的红蓝光配比。【方法】以白光作为对照处理,探究其余7个红蓝光配比对紫叶生菜生长形态、营养品质、光合色素、光合特性和抗氧化酶活性的影响。【结果】紫叶生菜在红光(R)及红蓝光配比(4R1B)处理下生长更佳,且在4R1B的红蓝光配比下,紫叶生菜的根冠比(鲜质量)、壮苗指数、地上部鲜质量及干质量和地下部鲜质量及干质量都表现出升高趋势;在1R1B的红蓝光配比下,除硝酸盐含量和胞间CO 2浓度下降外,紫叶生菜的可溶性蛋白含量、维生素C含量、可溶性糖含量、花青素含量、净光合速率、蒸腾速率及气孔导度全部一致提高,且1R1B处理也能够显著提高紫叶生菜的SOD、CAT、POD活性和MDA含量;在6R4B的红蓝光配比下,紫叶生菜的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量及叶绿素总量与其余处理相比均提升。【结论】4R1B处理能够促进紫叶生菜的生长,而1R1B处理能够显著改善紫叶生菜的叶色、品质等。

弱光对不同品种紫叶生菜品质和抗氧化性的影响

【目的】为选育耐弱光的紫叶生菜品种。【方法】以5个不同品种的紫叶生菜为材料,在215μmol/(m^(2)·s)和545μmol/(m^(2)·s)两种光照强度条件下,研究弱光对其表型、营养品质和抗氧化性的影响。【结果】与对照光照强度545μmol/(m^(2)·s)处理相比,215μmol/(m^(2)·s)处理显著提高了不同品种紫叶生菜的株高、叶长和叶柄长,降低了植株的茎粗、根系长度等生长指标,其中北紫生7号相关表型性状的变化幅度要小于其他品种;同时,弱光降低了不同品种紫叶生菜的可溶性糖、V-C、可溶性蛋白和花青素的含量,提高了硝酸盐含量,其中北紫生6号的降低幅度要小于其他品种;此外,弱光降低了不同品种紫叶生菜的抗氧化酶活性,其中北紫生6号的降低幅度要小于其他品种。【结论】弱光促进了不同品种紫叶生菜的生长,但抑制了不同品种紫叶生菜的营养品质和抗氧化酶活性;5个品种中北紫生7号的农艺性状受弱光影响较小,但北紫生6号的品质和抗氧化性受到弱光胁迫的影响较小,具有较强的耐性。

弱光对不同紫叶生菜生物量及光合特性的影响

【目的】探究弱光处理对不同紫叶生菜品种的生物量及光合特性的影响,为选育耐弱光的紫叶生菜品种提供理论依据。【方法】以5个不同品种的紫叶生菜为材料,在215μmol/(m^(2)·s)、545μmol/(m^(2)·s)两种光照强度条件下,测定紫叶生菜的生物量、光合色素和光合特性。【结果】与正常光照545μmol/(m^(2)·s)处理相比,弱光215μmol/(m^(2)·s)处理下,除了北紫生1号和美国紫叶生菜的地上部鲜质量提高以外,5个紫叶生菜品种的生物量和根冠比均显著降低,其中北紫生6号降低幅度要小于其他品种,能较好地维持自身生长;同时,弱光处理显著提高了5个紫叶生菜品种的叶绿素的含量,降低了类胡萝卜素的含量,其中北紫生6号的变化幅度要小于其他品种,维持了叶片较高的光能利用率。此外,弱光处理显著降低了5个紫叶生菜品种的气孔导度、净光合速率以及蒸腾速率,提高了胞间CO_(2)浓度,其中北紫生6号的变化幅度要小于其他品种,有利于维持叶片较强的光合能力。【结论】弱光促进了不同紫叶生菜品种的光合色素积累,抑制了不同紫叶生菜品种的生物量的提升和光合特性,综合生物量和光合特性等方面,以北紫生6号受到弱光的影响较小,耐弱光性强。

负压灌溉提高紫叶生菜的水分利用效率和根际微生物多样性

【目的】针对目前设施农业中常用的灌溉方式容易造成土表水分蒸发和水肥流失,且不能按照作物所需自动供水供肥的现状,本研究探讨了负压灌溉提高紫叶生菜的产量和品质,以及水分利用效率和土壤微生物群落多样性的机理。【方法】在温室内进行盆栽试验,以紫叶生菜(Lactuca sativa L.)为试验材料,设置3个灌溉处理:常规灌溉、滴灌和负压灌溉。收获后,测定了紫叶生菜的产量,分析了品质(维生素C、可溶性糖、花青素和硝酸盐含量),植株的养分(氮、磷和钾)浓度和吸收量,监测了土壤水分含量动态的变化,计算了水分消耗量和水分利用效率,分析了根际土壤微生物的多样性指数和细菌在门分类上的群落结构组成。【结果】负压灌溉下显著提高紫叶生菜的产量和品质,负压灌溉比常规和滴灌处理的产量分别显著提高了68.1%和29.0%,也提高了维生素C、可溶性糖和花青素的含量,减少了硝酸盐含量。与常规灌溉相比负压灌溉显著提高了紫叶生菜氮、磷、钾的浓度和含量,分别提高13.0%、14.4%、38.4%和90.2%、92.6%、135.5%。紫叶生菜在负压灌溉下耗水量最少,为9900 cm3,比常规和滴灌处理分别减少了23.8%和23.8%;负压下水分利用效率比常规和滴灌分别显著提高了122.2%和70.5%。同时负压灌溉处理下动态的土壤含水量处于10.3%~11.3%之间,变异范围低于常规和滴灌处理9.2%~11.6%。通过高通量测序紫叶生菜根际土壤微生物群落发现,负压灌溉处理下微生物多样性指数最高,表现为OTU、Chao1和Shannon指标的数值显著高于常规和滴灌处理,其数值分别为1808、2437和8.48,分别比常规灌溉处理显著提高了15.2%、15.7%和3.16%。同时也改变了细菌在门分类水平上组成的相对丰度,在负压灌溉处理下比常规和滴灌处理分别提高了放线菌门(Actinobacteria),绿弯菌门(Chloroflexi),疣微菌门(Verrucomicrobia)和浮霉菌门(Planctomycetes)在细菌门分类上的相对丰度。【结论】本试验证明了负压灌溉系统通过土壤水肥平稳供应机制,实现了紫叶生菜高产优质且高效利用水分的目标。因此,负压灌溉系统相比常规和滴灌,显著提高了紫叶生菜的产量和品质、水分利用效率和根际微生物群落的多样性,为设施农业的可持续性发展提供科学依据。

不同品种紫叶生菜花青素含量及其抗氧化性分析

为了探讨紫叶生菜花青素的积累特点及其氧化还原能力,以国内外10种紫叶生菜为试材,测定不同紫叶生菜品种的花青素含量和DPPH·的清除率、总抗氧化能力、总还原能力。结果表明:大部分紫叶生菜品种叶片颜色越深花青素含量越高,花青素含量最高的品种是S55,总抗氧化能力最高的品种是S44,总还原能力最高的品种是S55;总体来说花青素含量较高的紫叶生菜品种抗氧化还原能力较强。综合评价表明,品种S55表现出较强的DPPH·清除能力、总抗氧化能力和总还原能力,有较好的抗氧化效果。

负压灌溉下施钾促进紫叶生菜生长和根际微生物多样性的研究

在温室中利用负压灌溉装置进行盆栽试验,研究了施钾水平对紫叶生菜的产量、品质、养分吸收、钾肥利用效率、抗氧化能力和根际微生物多样性等指标的影响。结果表明:1)施用钾肥量为300 kg/hm^2时紫叶生菜的产量、品质和营养吸收量高于其他处理。2)施肥量300 kg/hm^2处理在钾肥贡献率、钾肥农学利用率和钾肥吸收利用率表现最佳。3)225 kg/hm^2和300 kg/hm^2处理的抗氧化能力要高于其他处理。4)300 kg/hm^2处理在OTU、Chao 1和香农指数数值最好,比150 kg/hm^2处理分别高出了17%、16%和4%。综合各项指标考虑,在负压灌溉水肥一体化装置下钾肥施用量在300 kg/hm^2时,提高了紫叶生菜的产量和品质,促进养分的吸收和抗氧化能力,显著提高了钾肥的利用率和根际土微生物的多样性。

不同红蓝LED光照强度对紫叶生菜生长及营养品质的影响

为了探索不同红蓝LED光照强度对紫叶生菜生长及营养品质的影响,以紫罗莎品种紫叶生菜为研究对象,在红蓝光比值1∶1不变的条件下研究50μmol/(m^2·s)(RB50)、100μmol/(m^2·s)(RB100)、150μmol/(m^2·s)(RB150)和200μmol/(m^2·s)(RB200)4种光照强度对紫叶生菜生长、营养品质和光合特性的影响。结果表明:在RB150处理下,紫叶生菜生物量最大,具有较高产量,类胡萝卜素含量最高,在定植后25 d,SOD、CAT和POD活性最高,抗氧化能力最强;在RB200处理下,叶片可溶性蛋白含量比RB50和RB100处理分别增加80.30%和40.64%、叶片花青素含量比RB50处理增加51.5倍,叶绿素含量、净光合速率、维生素C含量显著高于其他处理且硝酸盐含量最低,RB200处理可促进紫叶生菜叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量的提高,从而促进光合色素的积累和光合作用的进行。因此,在红蓝光比值1∶1的条件下,光照强度较高时有利于紫叶生菜品质的提高,适当增加光照强度可提高紫叶生菜的生物量以及改善营养品质,可根据生产过程中的不同需求,通过控制植物工厂中光照强度,使得紫叶生菜的光合速率较高并具有优良品质。

臭氧水对紫叶生菜及胡萝卜软腐欧氏杆菌的影响

利用不同浓度的臭氧水直接喷洒处于生长阶段的紫叶生菜的方法,研究了臭氧水浓度对蔬菜致病菌生长及宿主光合生理的影响,结果显示:低质量浓度(2 mg/L)臭氧水对紫叶生菜(Lactuca sativa var.ramosa Hort)光合和致病菌——胡萝卜软腐欧氏杆菌(Erwinia carotovora subsp.carotovora)生长影响较小;而高质量浓度(14 mg/L)臭氧水可以很好地抑制致病菌生长,但对紫叶生菜光合生理也产生严重影响;中质量浓度(6 mg/L)臭氧水可以完全抑制致病菌的生长,对紫叶生菜的光合生理还有一定的促进作用.因此,中浓度(6 mg/L)臭氧水喷洒紫叶生菜是绿色除菌的一种有效策略.

不同强度UV-B对紫叶生菜生长及品质的影响

为了探讨UV-B在植物工厂紫叶生菜水培种植中的应用,本试验在红蓝组合光中添加不同强度的UV-B,研究其对紫叶生菜生长及品质的影响。结果表明,随着UV-B强度的增加,紫叶生菜株高及地上鲜重受到显著抑制;高强度的UV-B辐射会降低紫叶生菜可溶性糖和VC含量,显著增加花青素及总酚含量,提高抗氧化能力。综上可知,UV-B辐射可以加深紫叶生菜颜色,但会抑制鲜重增长,可能需要进一步缩短辐射时间。

紫叶生菜高品质栽培技术

紫叶生菜营养丰富,含有丰富的花青素和多种矿物质,深受广大消费者喜爱。为提高紫叶生菜产品品质,促进紫叶生菜产业在上海市崇明区的进一步发展,现从育苗前准备、催芽播种、苗期管理、定植前准备及定植、追肥、病虫害防治、开棚通风、采收等环节,总结了紫叶生菜大棚栽培和露地栽培技术,以供广大菜农参考借鉴。

镉对紫叶生菜生长及矿质元素吸收的影响

采用水培方式,在精确控制光照及温湿度的人工气候室中进行不同浓度镉处理(0、1、2、4 mg/L)对紫叶生菜生长以及水分和矿质营养元素吸收的影响试验。水培试验以小单元的方式进行,即1个培养罐种植1株生菜。结果表明,随营养液中镉离子浓度的增加,生菜叶片发黄萎蔫现象加剧,鲜重显著降低。紫叶生菜可以在低浓度镉处理组(1 mg/L)生长,高浓度镉处理组(2、4 mg/L)紫叶生菜的生长被严重抑制;低浓度镉处理对紫叶生菜每日耗水量抑制不显著,高浓度隔处理的紫叶生菜每日耗水量显著降低;低浓度镉处理紫叶生菜对Ca、Mg吸收抑制不显著,对K的吸收基本不受影响,高浓度镉处理下植株对Ca、K、Mg的吸收显著降低;1 mg/L镉处理组营养液中64.3%的镉离子被植物体吸收,2、4 mg/L高浓度镉处理组对营养液中镉离子的吸收也较少,分别为26.5%、12.9%。

大棚苦苣-越夏西红柿-紫叶生菜三种三收种植模式

随着设施蔬菜的快步发展,设施类型也不断更新,近几年,双面坡改良型温室在承德县不断应用,因其具有投资相对较少,土地利用率高等诸多优点,备受种植户的青睐。总结出了苦苣-越夏西红柿-紫叶生菜三种三收的种植模式。

不同配方水溶肥对紫叶生菜生长的影响试验初报

在四川水质条件下,研究不同配方水溶肥对水培紫叶生菜生长的影响,筛选合适的配方用以企业自主研发水溶肥产品,降低运营成本。试验结果表明,在同等管理条件下,华南农业大学叶菜类A配方处理的紫叶生菜长势较旺,产量较高,667 m^2产量达1 607.47 kg,较施安配方肥增产39.31%。虽然在少量采购情况下,华南农业大学叶菜类A配方水溶肥成本稍高,但是总体生产效果更好,适宜在四川地区叶菜水培生产中推广应用。

不同光质配比对紫叶生菜光合特性和品质的影响

为了探索不同光质配比对紫叶生菜生长发育的影响,本试验以‘中蔬紫生菜'紫叶生菜为研究对象,以LED智能调光台为人工光源,通过在白光的基础上添加不同比例的红蓝光(1∶1、2∶1、4∶1和1∶2),研究不同光质配比对紫叶生菜光合特性和品质的影响.结果表明:红蓝光比例为4∶1时,紫叶生菜叶片叶绿素含量、RuBP羧化酶活性最大,电子传递效率最高,净光合速率和生长量也显著高于对照和其他处理,且硝酸盐含量最低.而添加1∶2的红蓝光时,叶片可溶性蛋白和维生素C含量最高,花青素、类黄酮、总酚等次生代谢物含量以及总抗氧化能力显著高于对照和其他处理.因此,在白光基础上增加适当比例的红蓝光可提高紫叶生菜的光合特性或改善产品品质.

UV-A补光对LED红蓝光照射下的紫叶生菜生长和品质的影响

在环境可控的密闭植物工厂内,采用LED红蓝光供光与UV-A补光相结合的供光模式,研究了采收前UV-A整体补光和UV-A局部补光对LED红蓝光照射下的紫叶生菜生长和品质的影响。常规光源采用红蓝配比4:1的LED光源,光强为200μmol·m^(-2)·s^(-1),光周期为12 h,光照时间为03:00~15:00。试验共设置3种光处理,处理1,光强、光质和光周期恒定不变,后期不做补光处理,记作CK;处理2,定植15 d后进行UV-A补光,采用UV-A灯整体补光,每天LED红蓝光光照结束后使用UV-A灯补光3 h,光强为30μmol·m^(-2)·s^(-1)处理6 d,记作UV-A;处理3,定植15 d后进行UV-A补光,采用UV-A灯局部补光(一半叶片被反光膜遮挡),每天LED红蓝光光照结束后使用UV-A灯补光3 h,光强为30μmol·m^(-2)·s^(-1)处理6 d,记作UV-AP(其中局部补光一侧记作UV-APL,局部遮光一侧记作UV-APD)。结果表明,与处理1相比,UV-A和UV-AP对紫叶生菜的生物量均无显著提高,UV-APL和UV-APD显著提高了可溶性糖含量且二者之间无显著性差异,各处理间硝酸盐含量无显著差异;UV-APL和UV-APD对花青素、AsA、总酚和类黄酮的响应一致且二者之间无显著性差异;与处理1相比,UV-A显著提高了次生代谢物的积累量。总之,通过采前短时、低剂量的UV-A补光可以显著提高紫叶生菜的品质,植物工厂生菜生产采前UV-A补光运用有很大前景。

北京地区冬季不同品种生菜的品质分析

【目的】筛选出更适宜在北京地区冬季种植的紫叶生菜。【方法】选取6个品种对品质进行测定。【结果】北紫生3号的产量最高,紫罗马的形态最佳,北紫生3号的抗性最强,北紫生4号的营养物质指标最好,北紫生2号的口感最佳。【结论】品种北紫生3号的综合表现最优,最适宜在北京地区冬季进行推广栽培;品种北紫生4号的花青素含量最高,适合作为保健蔬菜推广栽培。