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我国是世界上最大的蔬菜生产国。近年来，蔬菜生产稳步发展，产量显著增加，蔬菜的高质高产伴随着施肥量的增加，尤其是氮肥。过量氮肥施用会导致一系列问题:低氮素利用率、高土壤硝态氮残留、水体富营养化和环境污染等。因此，必须加强蔬菜氮素营养管理。氮素营养诊断是加强蔬菜氮素营养管理的重要措施，相对于传统氮素营养诊断方法，手持式冠层光谱仪可能更适应于我国蔬菜分散种植、小户经营、土壤肥力变异大的特点。此外，蔬菜的根系构型在养分吸收中发挥着重要作用，直接影响其氮素利用效率。那么，如何建立一种适用于蔬菜作物的实时、实地的氮素诊断方法，从而优化氮肥投入以加强蔬菜氮素营养管理？在蔬菜种植土壤高硝酸盐环境下，根系如何响应？如何调控根系生长以加强蔬菜氮素养分吸收能力？这些问题仍有待解决。因此，本文通过田间实验，对手持式GreenSeeker冠层光谱仪在蔬菜氮素营养诊断、施氮推荐及产量预测中的应用进行了研究，旨在从加强氮素管理方法角度提高蔬菜氮素利用率;同时，通过室内水培试验，研究了高硝酸盐胁迫对蔬菜根系生长的影响机制及缓解措施，旨在从加强蔬菜地积累态硝酸盐吸收利用能力角度提高蔬菜氮素利用率，最终为促进蔬菜种植业的可持续发展提供理论依据。本文主要研究结果如下:
(1)通过两年青菜田间试验发现，冠层光谱仪测定的植被归一化指数(NDVI)值和比值植被指数(RVI)与地上部生物量(AGB)显著正相关(r=0.698～0.967)，与植株吸氮量(PNU)显著正相关(r=0.642～0.951)，与根冠比(RTS)显著负相关(-0.426～-0.845)(n=12)。对比传统叶绿素仪，手持式GreenSeeker光谱仪对AGB和PNU预测准确性比叶绿素仪高5.0～177.4％，对RTS预测准确性为SPAD值的0.54～1.82倍。GreenSeeker测定的NDVI值对全生育期AGB和PNU预测准确性较高，而SPAD-502叶绿素仪对全生育期RTS预测准确性更高。引入移栽后天数(DAT)后，基于GreenSeeker光谱仪的AGB和PNU预测方程准确性分别提高了19.0～56.7％和24.6～84.6％，R2值达0.80。因此，该冠层光谱仪可用于蔬菜氮素营养状况的实时监测。
(2)通过两年青菜田间试验发现，莲座期GreenSeeker光谱仪测定的NDVI值和RVI值可准确预测青菜的产量潜力(YP0)，综合年份-密度拟合曲线后，R2值达0.90。此外，莲座期也是利用冠层光谱仪预测氮肥反应指数(RIHarvest)的最早时期，综合年份-密度拟合曲线后，基于RIRVI的RIHarvest预测方程准确性比RINDVI方程准确性更高，R2值达0.75。基于此，建立了青菜光谱追氮算法。据估算，与农民习惯施氮量相比，该方程可在保证产量的前提下减少25～34％的总氮肥投入量，该冠层光谱仪可用于蔬菜氮肥施肥推荐。
(3)通过连续两年包心菜田间试验发现，结球前期是利用冠层光谱仪进行包心菜产量预测的最佳时期。NDVI-产量拟合曲线可解释尖包(JB)品种87～89％(YearⅠ)和76～83％(YearⅡ)及平包(PB)品种77～81％(YearⅡ)的产量变化，但综合产量预测方程准确性较低(R2=0.47)。利用累积生长度日(CGDD)校正可显著提高产量预测方程的准确性，R2为0.82，而移栽后生长度日大于0天数(DFP)校正不能改善预测方程准确性。经检验，基于NDVI/CGDD的指数综合方程效果优于线性和抛物线方程，可准确预测不同年份-品种包心菜当季产量，该冠层光谱仪可用于蔬菜当季产量预测。
(4)通过室内水培试验发现，在番茄中，高硝酸盐胁迫下，敏感性品种SH根系生长受显著抑制，尤其是侧根生长，抑制率达90％，而耐受性品种YS根系生长及侧根生长受抑制程度均较小。SH品种中细胞周期调控因子基因(CYCAI;1，CYCA3;1，CYCD3;1)表达下调至原来的23～85％，抑制因子KRP2基因表达上调2.83倍;而YS品种中细胞周期调控因子表达未受显著影响，根系生长受胁迫程度较小。此外，高硝酸盐胁迫下，SH品种根表NO3-离子外流值为876 pmol/cm/s，高出YS品种1倍，YS品种根系无效耗能较少，可在高硝酸盐胁迫下维持较好的根系生长和氮素吸收利用。
(5)通过室内水培试验发现，四种常见植物生长调节剂（褪黑素:MT、水杨酸:SA、腐殖酸:HA、硝普钠:SNP）中，MT和SNP对番茄高硝酸盐胁迫缓解效果较好。MT、SA、HA、SNP对番茄地上部和根系作用的最佳浓度分别为50μM、25μM、25 mg L-1和50μM。添加植物生长调节剂后，番茄地上部和根系生长显著改善，尤其是侧根数量显著增加。此外，番茄根系活力和代谢水平的增强及根系细胞膜完整性程度和抗氧化酶活性的提高也是胁迫耐受性改善的重要原因。
综上所述，便携式冠层光谱仪可实现青菜全生育期氮素营养状况实时预测和施肥推荐，实现不同品种包心菜当季产量预测。此外，高硝酸盐胁迫下，不同耐性番茄品种侧根发育及硝酸根外排对氮素利用存在显著影响，外源施用MT和SNP可提高番茄生长和氮素利用状况。本研究从加强蔬菜氮素营养管理和提高硝酸盐胁迫下蔬菜氮素吸收潜力两个角度展开研究，不仅丰富了对蔬菜氮素营养管理和根系氮素吸收潜力的认识，同时也为进一步加强我国蔬菜氮肥施用管理和促进蔬菜种植业的可持续发展提供了理论依据。
(1)通过两年青菜田间试验发现，冠层光谱仪测定的植被归一化指数(NDVI)值和比值植被指数(RVI)与地上部生物量(AGB)显著正相关(r=0.698～0.967)，与植株吸氮量(PNU)显著正相关(r=0.642～0.951)，与根冠比(RTS)显著负相关(-0.426～-0.845)(n=12)。对比传统叶绿素仪，手持式GreenSeeker光谱仪对AGB和PNU预测准确性比叶绿素仪高5.0～177.4％，对RTS预测准确性为SPAD值的0.54～1.82倍。GreenSeeker测定的NDVI值对全生育期AGB和PNU预测准确性较高，而SPAD-502叶绿素仪对全生育期RTS预测准确性更高。引入移栽后天数(DAT)后，基于GreenSeeker光谱仪的AGB和PNU预测方程准确性分别提高了19.0～56.7％和24.6～84.6％，R2值达0.80。因此，该冠层光谱仪可用于蔬菜氮素营养状况的实时监测。
(2)通过两年青菜田间试验发现，莲座期GreenSeeker光谱仪测定的NDVI值和RVI值可准确预测青菜的产量潜力(YP0)，综合年份-密度拟合曲线后，R2值达0.90。此外，莲座期也是利用冠层光谱仪预测氮肥反应指数(RIHarvest)的最早时期，综合年份-密度拟合曲线后，基于RIRVI的RIHarvest预测方程准确性比RINDVI方程准确性更高，R2值达0.75。基于此，建立了青菜光谱追氮算法。据估算，与农民习惯施氮量相比，该方程可在保证产量的前提下减少25～34％的总氮肥投入量，该冠层光谱仪可用于蔬菜氮肥施肥推荐。
(3)通过连续两年包心菜田间试验发现，结球前期是利用冠层光谱仪进行包心菜产量预测的最佳时期。NDVI-产量拟合曲线可解释尖包(JB)品种87～89％(YearⅠ)和76～83％(YearⅡ)及平包(PB)品种77～81％(YearⅡ)的产量变化，但综合产量预测方程准确性较低(R2=0.47)。利用累积生长度日(CGDD)校正可显著提高产量预测方程的准确性，R2为0.82，而移栽后生长度日大于0天数(DFP)校正不能改善预测方程准确性。经检验，基于NDVI/CGDD的指数综合方程效果优于线性和抛物线方程，可准确预测不同年份-品种包心菜当季产量，该冠层光谱仪可用于蔬菜当季产量预测。
(4)通过室内水培试验发现，在番茄中，高硝酸盐胁迫下，敏感性品种SH根系生长受显著抑制，尤其是侧根生长，抑制率达90％，而耐受性品种YS根系生长及侧根生长受抑制程度均较小。SH品种中细胞周期调控因子基因(CYCAI;1，CYCA3;1，CYCD3;1)表达下调至原来的23～85％，抑制因子KRP2基因表达上调2.83倍;而YS品种中细胞周期调控因子表达未受显著影响，根系生长受胁迫程度较小。此外，高硝酸盐胁迫下，SH品种根表NO3-离子外流值为876 pmol/cm/s，高出YS品种1倍，YS品种根系无效耗能较少，可在高硝酸盐胁迫下维持较好的根系生长和氮素吸收利用。
(5)通过室内水培试验发现，四种常见植物生长调节剂（褪黑素:MT、水杨酸:SA、腐殖酸:HA、硝普钠:SNP）中，MT和SNP对番茄高硝酸盐胁迫缓解效果较好。MT、SA、HA、SNP对番茄地上部和根系作用的最佳浓度分别为50μM、25μM、25 mg L-1和50μM。添加植物生长调节剂后，番茄地上部和根系生长显著改善，尤其是侧根数量显著增加。此外，番茄根系活力和代谢水平的增强及根系细胞膜完整性程度和抗氧化酶活性的提高也是胁迫耐受性改善的重要原因。
综上所述，便携式冠层光谱仪可实现青菜全生育期氮素营养状况实时预测和施肥推荐，实现不同品种包心菜当季产量预测。此外，高硝酸盐胁迫下，不同耐性番茄品种侧根发育及硝酸根外排对氮素利用存在显著影响，外源施用MT和SNP可提高番茄生长和氮素利用状况。本研究从加强蔬菜氮素营养管理和提高硝酸盐胁迫下蔬菜氮素吸收潜力两个角度展开研究，不仅丰富了对蔬菜氮素营养管理和根系氮素吸收潜力的认识，同时也为进一步加强我国蔬菜氮肥施用管理和促进蔬菜种植业的可持续发展提供了理论依据。