重金属污染是当前我国农业生产中最主要的环境污染问题之一。耕地受到重金属污染,不仅会影响作物产量和质量,更重要的是会危害人体健康,威胁人类的生存发展。植物作为整个食物链的第一个环节,直接从土壤中吸收重金属元素,影响其正常的生长发育过程。数字农业和农业物联网信息感知技术作为现代农业最前沿的发展领域之一,是当今世界发展现代农业,实现农业可持续发展的关键和核心技术。目前,我国土壤-植物生产系统中重金属污染对农作物胁迫效应日趋严重,造成植物毒害效应、代谢过程紊乱、生长发育伤害,乃至植株死亡,大大制约了农作物高产、优质、高效、生态、安全生产和可持续发展。作物生理信息作为逆境胁迫的重要指示性指标,对监测作物逆境胁迫,及时有效的采取综合防治和修复措施具有重要意义。本研究以油菜作为主体研究对象,探究了油菜对不同程度重金属镉(Cd)胁迫毒害作用的生理响应,建立了基于光谱技术和数据融合方法的油菜重金属镉胁迫程度判别模型;提出了固体样本热解预处理信号增强方法,构建了植物重金属及营养元素的定量分析模型,为实现植物体内营养/重金属元素的快速检测提供依据。主要研究结论如下:(1)探明了油菜在不同程度重金属Cd胁迫下叶片生理响应规律及时间效益变化趋势,为研究重金属对油菜的毒害作用提供了依据。生理指标主要包括含水率、抗坏血酸、谷胱甘肽、游离脯氨酸和水杨酸(游离态和结合态两种)。实验结果表明,重金属胁迫会导致植物样本叶片中的含水率下降,且胁迫程度越高样本中的含水率则越低。抗坏血酸和谷胱甘肽的含量对重金属胁迫的响应十分迅速,植物样本在受到重金属胁迫后,叶片中抗坏血酸含量迅速大量减少而谷胱甘肽含量明显升高。细胞内游离脯氨酸对胁迫的响应速度相对较慢,胁迫程度较低时对样本中的游离脯氨酸含量影响相对较小,而当重金属胁迫程达到一定的程度时,会导致游离脯氨酸在叶片中大量累积。在胁迫环境下,植物叶片中结合态水杨酸的含量首先迅速上升,随后转化为游离态水杨酸;当胁迫程度较低时,结合态水杨酸可根据叶片中游离态水杨酸的含量调整转化速率,使样本中游离态水杨酸含量维持在一定的范围内。(2)建立了油菜叶片重金属Cd胁迫程度的快速判别模型,为重金属Cd的农田监测提供了方法和技术支撑。以油菜鲜叶样本作为研究对象,采用高光谱、LIBS以及高光谱成像和LIBS数据融合,利用LDA模型分别对样本进行判别分析。结果表明,利用高光谱成像和LIBS数据融合方法能明显提高判别分析的准确率,其中对是否受重金属胁迫样本的判别准确率最高均高于90%,而对不同胁迫程度下样本的判别准确率也高于70%。总体而言,利用光谱技术对样本是否受到重金属胁迫的判别结果较为理想,而对于不同胁迫程度样本的判别分析结果有待提高。(3)提出了 LIBS固体热解预处理信号增强方法,建立了热解预处理最优参数体系。利用LIBS技术,对比热解预处理对干叶样本中的9种营养元素(K、Na、Mn、B、P、Cu、Fe、Ca和Mg)的特征峰信号的影响,优化热解预处理参数。实验表明,样本热解预处理能明显提高各元素特征峰的峰值信号强度;而对样本中各元素SNR的增强效果差异很大,甚至对一些元素存在抑制作用;预处理后元素信号RSD均有不同程度的降低,其中升温速率对RSD的影响相对较大,随着升温速率的提高RSD值的也随之增大。对比分析经不同热解处理条件(不同的最终温度及升温速率)下样本中各元素LIBS信号的变化情况发现,元素本身的信号强度会影响固体样本预处理对元素信号的增强作用。综合对比各元素的特征峰峰值信号、SNR以及RSD等指标的变化情况,最终确定优化后的热解参数为最终温度250 ℃,升温速率5 ℃/min。(4)建立了基于热解预处理信号增强方法的的油菜叶片营养元素和重金属Cd的LIBS定量检测模型。研究中对比了热解预处理前后干叶样本中9种营养元素及重金属Cd定量分析的结果。利用PLS载荷提取各元素特征峰进行单变量定量分析,实验表明热解预处理方法适合元素本身LIBS特征峰信号较弱的元素(P、Mn、B和Cu),该方法能明显提高其单变量建模及预测结果,其中Rc2提高了 1.87%-38.5%,Rp2提高了 2.54%-23.44%;而那些LIBS信号较强的元素(K、Na和Mg),则容易导致自吸收现象的产生,影响定量分析及预测的结果。各元素的LOD均显著下降,下降幅度为34.19%-75.86%。利用biPLS模型进行特征波段的筛选并建立多变量定量检测模型。与单变量分析相比,biPLS能显著提高干叶样本中P、Cu两种元素的建模及预测结果,其中P元素的Rcv和Rp分别达到了0.9865和0.9817,Cu元素的Rcv和Rp分别达到了 0.9112和0.9096。说明基于biPLS的定量分析能综合考虑背景信号及待测元素特征信号,提高叶片样本中各营养元素定量分析的建模及预测结果。而热解预处理对各元素定量分析影响相对较小,其中仅对K、Mn、B、Cu四种元素建模效果有一定的提升。对重金属Cd的定量分析表明,热解预处理能显著提升其单变量及多变量的定量建模及预测结果(相关系数均达到0.97以上),同时检测限下降至处理前的1/10左右,达到5.86ppm。以上结果说明,该方法既能浓缩富集固体样本中元素含量,又能减少样本基体对待测元素的影响,从而降低元素检测限。