產品列表
PROUCTS LIST
太陽輻射(she)，是指太陽以電磁波的(de)形(xing)式向外(wai)傳遞(di)能(neng)量，太陽輻射(she)所傳遞(di)的(de)能(neng)量，稱(cheng)太陽輻射(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(er)、實(shi)驗部(bu)分
1.實驗原理
光纖光譜(pu)儀通過光纖將(jiang)太(tai)陽光引(yin)入(ru)光譜(pu)儀內(nei)部，利用光譜(pu)分析(xi)器(qi)對光信號(hao)進行分散，將(jiang)不同波(bo)長的(de)(de)光信號(hao)分離出來(lai)，并通過探測器(qi)測量(liang)其(qi)光強(qiang)度。最終得到(dao)的(de)(de)光強(qiang)度隨波(bo)長變化的(de)(de)曲(qu)線即為(wei)太(tai)陽輻(fu)射的(de)(de)光譜(pu)圖。根據光譜(pu)圖，可以分析(xi)太(tai)陽輻(fu)射的(de)(de)波(bo)長分布、能量(liang)分布等特性。
2. 實驗(yan)步驟(zou)
(1)選擇一(yi)個(ge)開闊的(de)(de)地(di)(di)點，避(bi)免(mian)建筑物(wu)、樹木等遮擋物(wu)影(ying)響(xiang)測量結果。將Y型光(guang)(guang)纖(xian)一(yi)端(duan)連(lian)接光(guang)(guang)譜儀，另一(yi)端(duan)安裝在支架上(shang)，將安有(you)余弦(xian)校準器的(de)(de)一(yi)端(duan)對準天空，另一(yi)端(duan)對準地(di)(di)面。用(yong)USB線將光(guang)(guang)譜儀與電腦相連(lian)。儀器連(lian)接如圖1所示。
圖(tu)1 光纖光譜(pu)儀(yi)測量(liang)太(tai)陽輻射(she)儀(yi)器(qi)連接圖(tu)
(2)打開(kai)光譜采集軟件，選擇運行模式為“輻照(zhao)度模式”。
(3)堵住支(zhi)架下方的光纖口，點擊“單次(ci)采集(ji)”，再(zai)點擊“輻照(zhao)(zhao)度(du)(du)”，即可獲得天空的輻照(zhao)(zhao)度(du)(du)光譜;堵住支(zhi)架上方的光纖口，點擊“單次(ci)采集(ji)”，再(zai)點擊“輻照(zhao)(zhao)度(du)(du)”，即可獲得草地的輻照(zhao)(zhao)度(du)(du)光譜;
03.實驗結果(guo)
我們(men)可以通過(guo)直接測(ce)(ce)量(liang)天空的太陽輻(fu)射(she)和測(ce)(ce)量(liang)照射(she)到草地上反射(she)的二次(ci)輻(fu)照研究太陽輻(fu)射(she)光(guang)譜。
我們對著(zhu)天空(kong)測(ce)量了(le)太陽的輻射照度光譜，結果如下(xia)圖。
圖(tu)2 天空的輻(fu)射光譜
太陽光的(de)能(neng)量主要集(ji)中在(zai)可見光波段和(he)短(duan)波紅外波段。當(dang)太陽光從天空照(zhao)射下來時，大氣(qi)中的(de)元(yuan)素，例如氫、氦、鈉、鐵(tie)等會在(zai)特(te)定波長處吸收光子(zi)，形(xing)成吸收峰(feng)。
同時(shi)，氣(qi)(qi)體分子，如氧氣(qi)(qi)、二氧化(hua)碳、水蒸氣(qi)(qi)等(deng)也會(hui)在特定(ding)波長(chang)吸(xi)收太(tai)陽(yang)輻射(she)(she)(she)。此外，大氣(qi)(qi)中還會(hui)發(fa)生瑞利散射(she)(she)(she)、拉(la)曼散射(she)(she)(she)、地球表面(mian)反射(she)(she)(she)等(deng)現象(xiang)，這些(xie)現象(xiang)的存在使得太(tai)陽(yang)輻射(she)(she)(she)在穿(chuan)過大氣(qi)(qi)層到(dao)達(da)地球表面(mian)時(shi)，某些(xie)光譜(pu)區域的輻射(she)(she)(she)能量(liang)受到(dao)較大的衰減，從而影響地面(mian)接收到(dao)的太(tai)陽(yang)輻射(she)(she)(she)的光譜(pu)特性(xing)，這些(xie)反映到(dao)輻照度光譜(pu)中就是在不同波長(chang)處的吸(xi)收峰。
從圖中(zhong)可以明(ming)顯觀察到在(zai)430.774 nm處夫(fu)(fu)瑯(lang)禾費線(xian)(xian)G-線(xian)(xian)、486.134 nm處夫(fu)(fu)瑯(lang)禾費線(xian)(xian)F-線(xian)(xian)、517.270 nm處夫(fu)(fu)瑯(lang)禾費線(xian)(xian)b2-線(xian)(xian)、589.592 nm處夫(fu)(fu)瑯(lang)禾費線(xian)(xian)D1-線(xian)(xian)、556.281 nm處夫(fu)(fu)瑯(lang)禾費線(xian)(xian)C-線(xian)(xian)的(de)吸(xi)收(shou)峰;688 nm和760 nm處氧氣的(de)吸(xi)收(shou)峰;935 nm附近水蒸氣的(de)吸(xi)收(shou)峰;此外還有一些(xie)大氣氣溶膠和顆粒物、二(er)氧化碳、其他有機分子(zi)或污染物的(de)影響。
通(tong)過分(fen)析這(zhe)些吸(xi)收峰，我們可(ke)以了解大氣中的化學成分(fen)、溫度、壓力等信息，這(zhe)對于氣候研(yan)究、環境(jing)監(jian)測(ce)和(he)天體物理學等領域都具有重要(yao)意義。
草地的太陽輻(fu)射光(guang)譜測(ce)量結果如圖3所示。
圖3 草地(di)的輻射光譜
從圖(tu)中可以看(kan)出，在(zai)(zai)(zai)500-600nm之間(jian)出現了綠峰，這是由于葉(xie)綠素(su)對(dui)綠光的強(qiang)(qiang)(qiang)烈反射(she)(she)，草(cao)地在(zai)(zai)(zai)這一(yi)波(bo)段(duan)的反射(she)(she)率(lv)(lv)較(jiao)高。在(zai)(zai)(zai)700nm附近(jin)，輻射(she)(she)亮度(du)較(jiao)低，這是因為(wei)葉(xie)綠素(su)對(dui)紅光的吸收(shou)較(jiao)強(qiang)(qiang)(qiang)，導(dao)致(zhi)這一(yi)波(bo)段(duan)的反射(she)(she)率(lv)(lv)較(jiao)低，形(xing)成(cheng)紅谷。在(zai)(zai)(zai)近(jin)紅外(wai)波(bo)段(duan)，由于光在(zai)(zai)(zai)葉(xie)片(pian)內(nei)部(bu)的多(duo)次散射(she)(she)，草(cao)地在(zai)(zai)(zai)這一(yi)波(bo)段(duan)的反射(she)(she)率(lv)(lv)較(jiao)高，形(xing)成(cheng)近(jin)紅外(wai)平臺。此外(wai)，光譜圖(tu)中可以看(kan)到在(zai)(zai)(zai)760nm附近(jin)大氣對(dui)氧氣的吸收(shou)峰、在(zai)(zai)(zai)近(jin)紅外(wai)區域水分(fen)子(zi)和二(er)氧化碳的吸收(shou)峰等。這些特征峰的存(cun)在(zai)(zai)(zai)成(cheng)為(wei)研究植(zhi)被生(sheng)理狀(zhuang)態、生(sheng)物量和生(sheng)長狀(zhuang)況的重要工具。通過(guo)分(fen)析這些特征峰的位置(zhi)、強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)和形(xing)狀(zhuang)，可以獲取草(cao)地植(zhi)被的多(duo)種信息。
通過天空(kong)太(tai)陽輻(fu)射和(he)草(cao)地太(tai)陽輻(fu)射的數據，可以計算(suan)出草(cao)地的反(fan)射率，結(jie)果如下圖所示(shi)。
圖4 草(cao)地(di)的反射率(lv)光譜
從圖(tu)中(zhong)可(ke)(ke)(ke)以看(kan)出，在500-600 nm區域出現了(le)(le)反(fan)射(she)(she)(she)(she)峰，這(zhe)是(shi)(shi)(shi)因(yin)為草地(di)(di)中(zhong)葉(xie)綠素(su)和類胡(hu)蘿(luo)卜素(su)對光的(de)反(fan)射(she)(she)(she)(she)。在近(jin)紅(hong)外(wai)區域，反(fan)射(she)(she)(she)(she)率相對較(jiao)高，這(zhe)是(shi)(shi)(shi)由(you)于植(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)內部細胞結構、水分含(han)量(liang)、大氣中(zhong)二氧(yang)化碳和土(tu)壤背景的(de)影響(xiang)。草地(di)(di)反(fan)射(she)(she)(she)(she)光譜(pu)的(de)特(te)(te)征(zheng)峰是(shi)(shi)(shi)遙(yao)(yao)感(gan)監測植(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)生(sheng)長狀(zhuang)(zhuang)況、生(sheng)物(wu)量(liang)、水分含(han)量(liang)和健(jian)康(kang)(kang)狀(zhuang)(zhuang)況的(de)重(zhong)要依據。通(tong)過分析這(zhe)些特(te)(te)征(zheng)峰，可(ke)(ke)(ke)以更好地(di)(di)理解草地(di)(di)生(sheng)態系統的(de)功能和狀(zhuang)(zhuang)態。利用(yong)反(fan)射(she)(she)(she)(she)率，我們可(ke)(ke)(ke)以了(le)(le)解歸一(yi)化植(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)指(zhi)數(shu)(shu)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、增(zeng)強植(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)指(zhi)數(shu)(shu)(Enhanced Vegetation Index，EVI)、比值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)植(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)指(zhi)數(shu)(shu)(Ratio Vegetation Index，RVI)、差(cha)值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)環境植(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)指(zhi)數(shu)(shu)(Difference Vegetation Index，DVI)、葉(xie)面積指(zhi)數(shu)(shu)(Leaf Area Index，LAI)和植(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)覆蓋(gai)度(du)等多種植(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)參數(shu)(shu)。植(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)參數(shu)(shu)NDVI是(shi)(shi)(shi)反(fan)映土(tu)地(di)(di)覆蓋(gai)植(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)狀(zhuang)(zhuang)況的(de)一(yi)種遙(yao)(yao)感(gan)指(zhi)標(biao)。其定義為近(jin)紅(hong)外(wai)通(tong)道與可(ke)(ke)(ke)見光通(tong)道反(fan)射(she)(she)(she)(she)率之(zhi)差(cha)與之(zhi)和的(de)商，具(ju)體計算(suan)公式為NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，其中(zhong)NIR為近(jin)紅(hong)外(wai)波段的(de)反(fan)射(she)(she)(she)(she)值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)，R為紅(hong)光波段的(de)反(fan)射(she)(she)(she)(she)值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。NDVI能夠反(fan)映植(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)的(de)生(sheng)長狀(zhuang)(zhuang)態、植(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)覆蓋(gai)度(du)以及消(xiao)除部分輻射(she)(she)(she)(she)誤差(cha)等。它是(shi)(shi)(shi)評(ping)估植(zhi)(zhi)(zhi)被(bei)健(jian)康(kang)(kang)狀(zhuang)(zhuang)況和生(sheng)長情況的(de)重(zhong)要指(zhi)標(biao)。通(tong)過測量(liang)作(zuo)物(wu)地(di)(di)區的(de)NDVI值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)，農(nong)民和農(nong)業科(ke)學家可(ke)(ke)(ke)以了(le)(le)解作(zuo)物(wu)的(de)健(jian)康(kang)(kang)狀(zhuang)(zhuang)態和生(sheng)長潛力，從而及時采取措施，如施肥、灌(guan)溉和病蟲害防治，以保證作(zuo)物(wu)的(de)產(chan)量(liang)和質量(liang)。
我(wo)們使(shi)用(yong)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖光(guang)(guang)(guang)(guang)譜儀(yi)測(ce)(ce)量(liang)(liang)了葉綠素(su)誘(you)導熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence，SIF)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜信號(hao)。葉綠素(su)誘(you)導熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)是植物(wu)葉綠體在(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)照條(tiao)件下(xia)(xia)，吸收(shou)光(guang)(guang)(guang)(guang)能后部分(fen)能量(liang)(liang)以熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)形式釋放出(chu)來的(de)(de)(de)現象(xiang)。這種熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)信號(hao)與植物(wu)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)合作用(yong)過程緊(jin)密相關。通過監測(ce)(ce)葉綠素(su)誘(you)導熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)強度和變化，可以深(shen)入了解植物(wu)光(guang)(guang)(guang)(guang)合作用(yong)的(de)(de)(de)動態過程和效率。我(wo)們在(zai)同(tong)一天內每隔一個小(xiao)時(shi)采集這段時(shi)間內SIF的(de)(de)(de)平(ping)均(jun)值(zhi)，一天中不同(tong)時(shi)間的(de)(de)(de)SIF平(ping)均(jun)值(zhi)的(de)(de)(de)測(ce)(ce)試結果如下(xia)(xia)圖所(suo)示。
圖5 一天中不同(tong)時間的(de)SIF變化情(qing)況
從圖中(zhong)可以看出，隨著時間的(de)變化(hua)，由于(yu)太陽(yang)位置(zhi)的(de)移動，光(guang)照(zhao)強度會發(fa)(fa)生變化(hua)，植物的(de)光(guang)合作用速率也隨之發(fa)(fa)生變化(hua)，造成了SIF的(de)變化(hua)。中(zhong)午時光(guang)照(zhao)強，植被組織中(zhong)的(de)葉綠素分(fen)子(zi)會吸收更(geng)(geng)多(duo)的(de)光(guang)能(neng)，產生更(geng)(geng)強的(de)熒光(guang)發(fa)(fa)射，從而使SIF值較高(gao)。而傍(bang)晚時日(ri)照(zhao)條(tiao)件(jian)較差，因此SIF值較低。
葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)(su)誘導(dao)熒(ying)光(guang)(guang)在作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)測(ce)量(liang)中(zhong)的(de)(de)應用(yong)具有廣泛的(de)(de)前景(jing)和(he)(he)重要(yao)(yao)的(de)(de)價值(zhi)。葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)(su)熒(ying)光(guang)(guang)與葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)(su)含量(liang)密(mi)切相(xiang)關，通過(guo)(guo)測(ce)量(liang)葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)(su)誘導(dao)熒(ying)光(guang)(guang)可以(yi)間(jian)接評估作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)的(de)(de)葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)(su)含量(liang)，從(cong)而了解作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)的(de)(de)生(sheng)(sheng)長(chang)狀態(tai)和(he)(he)營養(yang)狀況。葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)(su)含量(liang)的(de)(de)多少(shao)直(zhi)接反映(ying)了作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)的(de)(de)光(guang)(guang)合(he)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)能力(li)和(he)(he)生(sheng)(sheng)長(chang)潛力(li)。作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)在遭受(shou)干(gan)旱、鹽堿(jian)、高溫等非(fei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)脅(xie)迫時(shi)，其(qi)(qi)葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)(su)熒(ying)光(guang)(guang)特(te)性(xing)會發生(sheng)(sheng)變(bian)化。通過(guo)(guo)測(ce)量(liang)葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)(su)誘導(dao)熒(ying)光(guang)(guang)可以(yi)評估作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)對(dui)非(fei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)脅(xie)迫的(de)(de)響應和(he)(he)耐受(shou)性(xing)，為制定逆境應對(dui)措施(shi)提供(gong)(gong)科學依據。葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)(su)誘導(dao)熒(ying)光(guang)(guang)還與作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)的(de)(de)光(guang)(guang)合(he)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)效率密(mi)切相(xiang)關，而光(guang)(guang)合(he)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)效率是影響作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)產量(liang)的(de)(de)關鍵因素(su)(su)(su)(su)之一。因此，通過(guo)(guo)監測(ce)葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)(su)誘導(dao)熒(ying)光(guang)(guang)可以(yi)預測(ce)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)的(de)(de)產量(liang)潛力(li)，為農業(ye)生(sheng)(sheng)產規劃提供(gong)(gong)參考。此外，綠(lv)(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)(su)熒(ying)光(guang)(guang)可以(yi)反映(ying)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)對(dui)養(yang)分的(de)(de)吸收和(he)(he)利用(yong)情況。通過(guo)(guo)測(ce)量(liang)葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)(su)誘導(dao)熒(ying)光(guang)(guang)可以(yi)診斷(duan)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)的(de)(de)養(yang)分需求狀況，為精準施(shi)肥(fei)提供(gong)(gong)依據。例(li)如，當作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)物(wu)(wu)缺乏(fa)某(mou)種(zhong)營養(yang)元素(su)(su)(su)(su)時(shi)，其(qi)(qi)葉(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)(lv)(lv)(lv)素(su)(su)(su)(su)熒(ying)光(guang)(guang)特(te)性(xing)會發生(sheng)(sheng)變(bian)化，從(cong)而提示種(zhong)植者(zhe)需要(yao)(yao)補(bu)充相(xiang)應的(de)(de)養(yang)分。
三、實驗結論(lun)
使用高分(fen)辨光(guang)(guang)纖光(guang)(guang)譜(pu)儀(yi)可以(yi)準確(que)簡單(dan)、快(kuai)速(su)方(fang)(fang)便(bian)地測量(liang)(liang)出太陽輻(fu)(fu)射(she)光(guang)(guang)譜(pu)。在測量(liang)(liang)光(guang)(guang)譜(pu)輻(fu)(fu)射(she)強度分(fen)布、光(guang)(guang)合(he)有效輻(fu)(fu)照度(PAR)、光(guang)(guang)質比、光(guang)(guang)合(he)速(su)率(lv)、蒸騰(teng)速(su)率(lv)、氣孔導度、作物生(sheng)長和(he)發育(yu)指標等方(fang)(fang)面(mian)具有重要(yao)應用。通過這些測量(liang)(liang)數據，可以(yi)深(shen)入了解太陽輻(fu)(fu)射(she)對(dui)作物生(sheng)長和(he)發育(yu)的影響機(ji)制，為農業生(sheng)產提供科學依據。
