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太(tai)陽(yang)輻(fu)(fu)射(she)，是指(zhi)太(tai)陽(yang)以電(dian)磁波的(de)(de)形式向外(wai)傳遞(di)能(neng)量(liang)，太(tai)陽(yang)輻(fu)(fu)射(she)所傳遞(di)的(de)(de)能(neng)量(liang)，稱太(tai)陽(yang)輻(fu)(fu)射(she)能(neng)。
地球所接受到的太陽輻射能量雖然僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射能量的二十二億分之一，但卻是地球大氣運動的主要能量源泉，也是地球光熱能的主要來源。如杭州秋籟的光纖光譜儀具有高精度、高靈敏度、寬光譜范圍、快速響應、良好的溫度穩定性和可靠性等優點，在測量太陽輻射時，可以實現準確捕捉太陽輻射的細微變化，能夠快速響應光信號的變化，實現實時測量，捕捉太陽輻射的瞬時變化。
二、實(shi)驗部(bu)分
1.實驗原(yuan)理
光(guang)纖光(guang)譜儀通過光(guang)纖將太陽(yang)光(guang)引入光(guang)譜儀內部，利用光(guang)譜分(fen)析器對光(guang)信號進行(xing)分(fen)散，將不同波長的光(guang)信號分(fen)離(li)出來，并通過探測器測量(liang)其光(guang)強度。最(zui)終得到(dao)的光(guang)強度隨(sui)波長變化(hua)的曲線即為太陽(yang)輻射(she)的光(guang)譜圖。根據光(guang)譜圖，可以(yi)分(fen)析太陽(yang)輻射(she)的波長分(fen)布、能量(liang)分(fen)布等特(te)性。
2. 實驗步驟
(1)選擇一個開(kai)闊的地點，避免建(jian)筑物、樹(shu)木等遮(zhe)擋物影響測量(liang)結果。將Y型(xing)光(guang)纖一端(duan)連(lian)接光(guang)譜儀(yi)(yi)，另一端(duan)安裝在(zai)支(zhi)架(jia)上，將安有余弦(xian)校準(zhun)器的一端(duan)對(dui)準(zhun)天空，另一端(duan)對(dui)準(zhun)地面。用(yong)USB線將光(guang)譜儀(yi)(yi)與電腦相連(lian)。儀(yi)(yi)器連(lian)接如(ru)圖1所示。
圖1 光(guang)(guang)纖光(guang)(guang)譜(pu)儀(yi)測量太陽輻射(she)儀(yi)器連接圖
(2)打開光譜采集軟(ruan)件，選擇運行模式(shi)(shi)為“輻照度(du)模式(shi)(shi)”。
(3)堵住支架下方的光纖(xian)口(kou)，點(dian)擊(ji)(ji)(ji)“單次采集(ji)(ji)”，再點(dian)擊(ji)(ji)(ji)“輻(fu)照度”，即(ji)可(ke)獲(huo)得天空的輻(fu)照度光譜;堵住支架上方的光纖(xian)口(kou)，點(dian)擊(ji)(ji)(ji)“單次采集(ji)(ji)”，再點(dian)擊(ji)(ji)(ji)“輻(fu)照度”，即(ji)可(ke)獲(huo)得草地(di)的輻(fu)照度光譜;
03.實(shi)驗(yan)結果
我們可以通過直接測(ce)量天空的(de)太(tai)(tai)陽輻(fu)(fu)射(she)和測(ce)量照射(she)到草地上反射(she)的(de)二次輻(fu)(fu)照研究(jiu)太(tai)(tai)陽輻(fu)(fu)射(she)光譜。
我們對著天空測量(liang)了太陽的輻(fu)射照度(du)光譜，結果如下(xia)圖。
圖2 天空(kong)的輻射光(guang)譜
太陽光的能量(liang)主(zhu)要集中(zhong)在可見光波(bo)(bo)段和短波(bo)(bo)紅外波(bo)(bo)段。當太陽光從天空照射下來時，大氣中(zhong)的元(yuan)素，例(li)如氫、氦、鈉、鐵等會在特定(ding)波(bo)(bo)長處吸收光子，形成吸收峰。
同時(shi)，氣(qi)體分子，如氧氣(qi)、二氧化碳、水蒸氣(qi)等也(ye)會在(zai)(zai)特(te)定波長(chang)(chang)吸(xi)收(shou)太陽輻(fu)(fu)(fu)射(she)(she)(she)。此外，大氣(qi)中還會發生瑞(rui)利(li)散射(she)(she)(she)、拉曼散射(she)(she)(she)、地球(qiu)表面反射(she)(she)(she)等現象，這(zhe)些(xie)現象的(de)(de)存在(zai)(zai)使(shi)得太陽輻(fu)(fu)(fu)射(she)(she)(she)在(zai)(zai)穿過大氣(qi)層到達(da)地球(qiu)表面時(shi)，某些(xie)光譜(pu)區域的(de)(de)輻(fu)(fu)(fu)射(she)(she)(she)能量受到較大的(de)(de)衰減，從而影響地面接收(shou)到的(de)(de)太陽輻(fu)(fu)(fu)射(she)(she)(she)的(de)(de)光譜(pu)特(te)性，這(zhe)些(xie)反映到輻(fu)(fu)(fu)照度光譜(pu)中就是在(zai)(zai)不(bu)同波長(chang)(chang)處的(de)(de)吸(xi)收(shou)峰。
從圖中(zhong)可以(yi)明顯觀察到在430.774 nm處(chu)夫(fu)(fu)瑯(lang)禾費(fei)線(xian)G-線(xian)、486.134 nm處(chu)夫(fu)(fu)瑯(lang)禾費(fei)線(xian)F-線(xian)、517.270 nm處(chu)夫(fu)(fu)瑯(lang)禾費(fei)線(xian)b2-線(xian)、589.592 nm處(chu)夫(fu)(fu)瑯(lang)禾費(fei)線(xian)D1-線(xian)、556.281 nm處(chu)夫(fu)(fu)瑯(lang)禾費(fei)線(xian)C-線(xian)的(de)吸收峰(feng)(feng);688 nm和(he)760 nm處(chu)氧(yang)(yang)氣的(de)吸收峰(feng)(feng);935 nm附(fu)近水蒸(zheng)氣的(de)吸收峰(feng)(feng);此外還有一些大氣氣溶(rong)膠和(he)顆粒物(wu)、二氧(yang)(yang)化碳、其他有機分子或污(wu)染物(wu)的(de)影響。
通過分析這些吸收(shou)峰，我們可(ke)以(yi)了解大氣中的化學成分、溫(wen)度、壓力(li)等(deng)信息，這對(dui)于氣候研究、環境監測和(he)天體物理學等(deng)領域都具有重要意(yi)義。
草地的太陽輻射(she)光(guang)譜(pu)測量結(jie)果如圖3所示。
圖3 草地的輻射光譜
從圖中可以看(kan)出，在(zai)(zai)(zai)(zai)500-600nm之間出現了綠(lv)(lv)峰，這(zhe)是由(you)于葉綠(lv)(lv)素對(dui)綠(lv)(lv)光的(de)(de)(de)(de)強(qiang)烈反射，草(cao)地在(zai)(zai)(zai)(zai)這(zhe)一(yi)(yi)波段的(de)(de)(de)(de)反射率(lv)(lv)較(jiao)高(gao)(gao)。在(zai)(zai)(zai)(zai)700nm附(fu)(fu)近(jin)，輻射亮(liang)度較(jiao)低(di)，這(zhe)是因為(wei)葉綠(lv)(lv)素對(dui)紅(hong)(hong)(hong)光的(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)收較(jiao)強(qiang)，導致(zhi)這(zhe)一(yi)(yi)波段的(de)(de)(de)(de)反射率(lv)(lv)較(jiao)低(di)，形(xing)成紅(hong)(hong)(hong)谷。在(zai)(zai)(zai)(zai)近(jin)紅(hong)(hong)(hong)外(wai)(wai)波段，由(you)于光在(zai)(zai)(zai)(zai)葉片內部的(de)(de)(de)(de)多(duo)次散射，草(cao)地在(zai)(zai)(zai)(zai)這(zhe)一(yi)(yi)波段的(de)(de)(de)(de)反射率(lv)(lv)較(jiao)高(gao)(gao)，形(xing)成近(jin)紅(hong)(hong)(hong)外(wai)(wai)平臺。此(ci)外(wai)(wai)，光譜圖中可以看(kan)到在(zai)(zai)(zai)(zai)760nm附(fu)(fu)近(jin)大氣對(dui)氧氣的(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)收峰、在(zai)(zai)(zai)(zai)近(jin)紅(hong)(hong)(hong)外(wai)(wai)區域水分(fen)(fen)子和二(er)氧化(hua)碳的(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)收峰等(deng)。這(zhe)些(xie)特征峰的(de)(de)(de)(de)存在(zai)(zai)(zai)(zai)成為(wei)研究(jiu)植被(bei)生(sheng)理狀態、生(sheng)物量和生(sheng)長狀況(kuang)的(de)(de)(de)(de)重要工具(ju)。通過分(fen)(fen)析這(zhe)些(xie)特征峰的(de)(de)(de)(de)位(wei)置、強(qiang)度和形(xing)狀，可以獲(huo)取草(cao)地植被(bei)的(de)(de)(de)(de)多(duo)種信息。
通過(guo)天空太陽輻射和草地太陽輻射的數據，可以計(ji)算出草地的反射率，結果(guo)如下圖(tu)所示(shi)。
圖4 草地的反射率光譜(pu)
從圖中(zhong)(zhong)可以(yi)(yi)(yi)看出，在500-600 nm區(qu)(qu)域出現了(le)反(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)峰(feng)(feng)，這是因為(wei)草(cao)地(di)(di)(di)中(zhong)(zhong)葉綠素(su)和(he)(he)(he)(he)類胡(hu)蘿卜素(su)對光的(de)(de)(de)反(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)。在近紅外區(qu)(qu)域，反(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)率相對較高，這是由于(yu)植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)內部(bu)細胞結(jie)構、水(shui)分含量、大氣中(zhong)(zhong)二(er)氧化(hua)碳(tan)和(he)(he)(he)(he)土(tu)壤背景(jing)的(de)(de)(de)影響。草(cao)地(di)(di)(di)反(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)光譜的(de)(de)(de)特征(zheng)峰(feng)(feng)是遙感(gan)監測(ce)植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)生長(chang)狀(zhuang)況、生物(wu)量、水(shui)分含量和(he)(he)(he)(he)健(jian)康狀(zhuang)況的(de)(de)(de)重(zhong)要依據。通(tong)過(guo)(guo)分析這些特征(zheng)峰(feng)(feng)，可以(yi)(yi)(yi)更好地(di)(di)(di)理解(jie)草(cao)地(di)(di)(di)生態(tai)系統(tong)的(de)(de)(de)功能和(he)(he)(he)(he)狀(zhuang)態(tai)。利用(yong)反(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)率，我們可以(yi)(yi)(yi)了(le)解(jie)歸一化(hua)植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)指(zhi)(zhi)(zhi)數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、增(zeng)強植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)指(zhi)(zhi)(zhi)數(Enhanced Vegetation Index，EVI)、比(bi)值(zhi)植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)指(zhi)(zhi)(zhi)數(Ratio Vegetation Index，RVI)、差值(zhi)環境植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)指(zhi)(zhi)(zhi)數(Difference Vegetation Index，DVI)、葉面(mian)積指(zhi)(zhi)(zhi)數(Leaf Area Index，LAI)和(he)(he)(he)(he)植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)覆蓋度(du)等(deng)多種植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)參數。植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)參數NDVI是反(fan)(fan)(fan)(fan)映土(tu)地(di)(di)(di)覆蓋植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)狀(zhuang)況的(de)(de)(de)一種遙感(gan)指(zhi)(zhi)(zhi)標。其定義(yi)為(wei)近紅外通(tong)道與可見(jian)光通(tong)道反(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)率之(zhi)差與之(zhi)和(he)(he)(he)(he)的(de)(de)(de)商，具體計算公(gong)式(shi)為(wei)NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，其中(zhong)(zhong)NIR為(wei)近紅外波段的(de)(de)(de)反(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)值(zhi)，R為(wei)紅光波段的(de)(de)(de)反(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)值(zhi)。NDVI能夠反(fan)(fan)(fan)(fan)映植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)生長(chang)狀(zhuang)態(tai)、植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)覆蓋度(du)以(yi)(yi)(yi)及消(xiao)除部(bu)分輻射(she)(she)誤差等(deng)。它是評(ping)估植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)(bei)(bei)健(jian)康狀(zhuang)況和(he)(he)(he)(he)生長(chang)情(qing)況的(de)(de)(de)重(zhong)要指(zhi)(zhi)(zhi)標。通(tong)過(guo)(guo)測(ce)量作(zuo)(zuo)物(wu)地(di)(di)(di)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)NDVI值(zhi)，農(nong)(nong)民和(he)(he)(he)(he)農(nong)(nong)業科(ke)學家可以(yi)(yi)(yi)了(le)解(jie)作(zuo)(zuo)物(wu)的(de)(de)(de)健(jian)康狀(zhuang)態(tai)和(he)(he)(he)(he)生長(chang)潛力，從而及時采取措施，如施肥、灌溉(gai)和(he)(he)(he)(he)病蟲害防治(zhi)，以(yi)(yi)(yi)保證(zheng)作(zuo)(zuo)物(wu)的(de)(de)(de)產量和(he)(he)(he)(he)質量。
我們使(shi)用光纖光譜儀測量(liang)了葉綠(lv)(lv)素(su)誘導(dao)(dao)熒(ying)(ying)(ying)光(Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence，SIF)的(de)(de)光譜信(xin)(xin)號。葉綠(lv)(lv)素(su)誘導(dao)(dao)熒(ying)(ying)(ying)光是植(zhi)物(wu)(wu)葉綠(lv)(lv)體在光照條件下，吸收光能后部分能量(liang)以熒(ying)(ying)(ying)光形式釋放出來的(de)(de)現象(xiang)。這(zhe)(zhe)種熒(ying)(ying)(ying)光信(xin)(xin)號與植(zhi)物(wu)(wu)的(de)(de)光合作用過程緊密相關。通過監測葉綠(lv)(lv)素(su)誘導(dao)(dao)熒(ying)(ying)(ying)光的(de)(de)強度和變化，可以深(shen)入(ru)了解(jie)植(zhi)物(wu)(wu)光合作用的(de)(de)動(dong)態過程和效率。我們在同(tong)(tong)一(yi)天內(nei)每(mei)隔一(yi)個小(xiao)時(shi)采集這(zhe)(zhe)段時(shi)間內(nei)SIF的(de)(de)平均值，一(yi)天中不(bu)同(tong)(tong)時(shi)間的(de)(de)SIF平均值的(de)(de)測試結果如下圖(tu)所示(shi)。
圖5 一(yi)天中不同時間的SIF變化(hua)情況(kuang)
從圖中(zhong)可以(yi)看出，隨著時間(jian)的(de)(de)變化，由于太陽位置的(de)(de)移動，光(guang)(guang)照強度會(hui)發(fa)生(sheng)變化，植(zhi)物(wu)的(de)(de)光(guang)(guang)合(he)作用速率也隨之發(fa)生(sheng)變化，造成(cheng)了SIF的(de)(de)變化。中(zhong)午時光(guang)(guang)照強，植(zhi)被組織(zhi)中(zhong)的(de)(de)葉綠素分子(zi)會(hui)吸收更多的(de)(de)光(guang)(guang)能，產生(sheng)更強的(de)(de)熒光(guang)(guang)發(fa)射，從而使SIF值較(jiao)高。而傍(bang)晚時日(ri)照條件較(jiao)差，因(yin)此SIF值較(jiao)低。
葉綠(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)誘(you)導熒(ying)(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)在作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)測量(liang)(liang)中(zhong)的(de)(de)應(ying)用具有廣泛(fan)的(de)(de)前景(jing)和(he)重要(yao)的(de)(de)價值(zhi)。葉綠(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)熒(ying)(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)與葉綠(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)含量(liang)(liang)密(mi)切相(xiang)關，通(tong)過(guo)(guo)測量(liang)(liang)葉綠(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)誘(you)導熒(ying)(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)間接評估作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)葉綠(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)含量(liang)(liang)，從而了解作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)狀(zhuang)態和(he)營(ying)養(yang)狀(zhuang)況。葉綠(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)含量(liang)(liang)的(de)(de)多少(shao)直(zhi)接反(fan)映(ying)了作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)光(guang)(guang)合作(zuo)(zuo)用能(neng)力(li)和(he)生(sheng)(sheng)長(chang)潛(qian)力(li)。作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)在遭(zao)受(shou)干旱、鹽堿、高溫等非(fei)(fei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)脅迫(po)(po)時，其葉綠(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)熒(ying)(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)特性會發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)變(bian)化。通(tong)過(guo)(guo)測量(liang)(liang)葉綠(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)誘(you)導熒(ying)(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)評估作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)對非(fei)(fei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)脅迫(po)(po)的(de)(de)響(xiang)應(ying)和(he)耐受(shou)性，為制定逆境應(ying)對措施(shi)提(ti)供科學依據。葉綠(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)誘(you)導熒(ying)(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)還(huan)與作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)光(guang)(guang)合作(zuo)(zuo)用效率密(mi)切相(xiang)關，而光(guang)(guang)合作(zuo)(zuo)用效率是影響(xiang)作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)產(chan)(chan)量(liang)(liang)的(de)(de)關鍵(jian)因素(su)(su)(su)之一。因此，通(tong)過(guo)(guo)監測葉綠(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)誘(you)導熒(ying)(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)預(yu)測作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)產(chan)(chan)量(liang)(liang)潛(qian)力(li)，為農業生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)規劃提(ti)供參考。此外(wai)，綠(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)熒(ying)(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)反(fan)映(ying)作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)對養(yang)分的(de)(de)吸(xi)收和(he)利用情(qing)況。通(tong)過(guo)(guo)測量(liang)(liang)葉綠(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)誘(you)導熒(ying)(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)診斷作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)養(yang)分需求狀(zhuang)況，為精準施(shi)肥提(ti)供依據。例如，當(dang)作(zuo)(zuo)物(wu)(wu)(wu)缺(que)乏某種營(ying)養(yang)元(yuan)素(su)(su)(su)時，其葉綠(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)熒(ying)(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)特性會發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)變(bian)化，從而提(ti)示種植者需要(yao)補(bu)充相(xiang)應(ying)的(de)(de)養(yang)分。
三、實驗結論
使用(yong)高分辨(bian)光(guang)纖光(guang)譜(pu)儀可以準確(que)簡單(dan)、快(kuai)速方便(bian)地測量出太陽(yang)輻(fu)射(she)光(guang)譜(pu)。在測量光(guang)譜(pu)輻(fu)射(she)強度分布、光(guang)合(he)(he)有(you)效輻(fu)照度(PAR)、光(guang)質比(bi)、光(guang)合(he)(he)速率、蒸騰速率、氣(qi)孔導度、作物(wu)生長(chang)和發育指(zhi)標(biao)等方面具有(you)重要應用(yong)。通過這(zhe)些測量數據(ju)(ju)，可以深入了解(jie)太陽(yang)輻(fu)射(she)對(dui)作物(wu)生長(chang)和發育的(de)影響(xiang)機制，為農業生產提供科(ke)學依(yi)據(ju)(ju)。
