
研究背景
萱草(Hemerocallis citrina Baroni),俗称黄花菜,是我国重要的药食两用植物,富含蛋白质、多糖、黄酮和酚类物质,具有抗氧化、抗抑郁和免疫调节等生物活性。我国萱草种植面积居世界前列,其干鲜产品具有较高的食用和经济价值。传统生产中,常通过施用有机肥及氮、磷肥改善土壤养分状况,以促进萱草生长和品质形成。然而,盲目施肥可能产生负面影响,且土壤中的部分碳、氮、磷养分需经微生物矿化和酶促转化后才能被植物有效利用。因此,厘清土壤养分及微生物特征与萱草品质之间的关系,对高品质萱草生产具有重要意义。
基于此,山西农业大学毕如田老师团队以大同萱草及其种植土壤为研究对象,分析土壤碳、氮、磷及微生物特征与萱草食用品质的关系,并结合高光谱技术构建土壤参数监测与品质预测模型,为萱草品质早期预测和高品质生产提供数据支撑。相关成果发表于《Applied Food Research》。

图1.采样点分布。
研究方法
研究区位于大同市云州区。团队于2024年4—7月分4个时期采集240份土壤样品,并于7月11日同步采集60份花蕾样品进行品质测定;
测定指标:有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、有效磷(AP)、硝态活性(Pro-act)、蔗糖酶活性(Inv-act)、蛋白质、可溶性糖、总黄酮与总酚含量等;同步利用ASD FieldSpec 4 地物光谱仪采集不同土壤样品的光谱曲线;
光谱参数:
光谱范围:350-2500 nm;
视场角:25°;
光谱通道数:2151;
数据分析:采用相关分析和通径分析解析土壤参数与萱草品质的关系,利用CARS筛选特征波段,并结合PLSR、SVR、RFR和KNR构建高光谱监测模型;进一步采用MLR建立品质预测模型,以R²和RMSE评价模型精度;

图2.不同采样阶段土壤参数的变化特征。

图3.萱草食用品质与土壤参数的相关性。

图4.CARS筛查带的位置。

图5a.高光谱监测模型对土壤参数的准确性。

图5b.高光谱监测模型对土壤参数的准确性。
表1.萱草品质参数与土壤参数关系模型的准确性。

研究结果
SOC、TN、Inv-act、Pho-act、MBC、MBN随生长进程总体下降;NO₃⁻-N呈上升趋势;NH₄⁺-N、AN-N、AP呈先降后升趋势;Pro-act变化幅度较小,但持续作用于整个生长期;
相关性分析结果
蛋白质含量:与AP、Pho-act、MBC显著相关;
可溶性糖:与AN-N、Inv-act、MBC显著相关;
总黄酮:与TP、NO₃⁻-N、NH₄⁺-N、AN-N、Inv-act、MBC、MBN显著相关;
总酚:与TN、TP、NO₃⁻-N、NH₄⁺-N、AN-N、AP、Pho-act、MBC显著相关;
通径分析结果(详见附件)
蛋白质:受SOC、Pro-act、Pho-act主导;
可溶性糖:受NO₃⁻-N、AN-N、Inv-act、MBC主导;
总黄酮:受SOC、TN、Pro-act主导;
总酚:受SOC、TN、TP、Inv-act主导;
高光谱模型表现
仅SOC、TN、NH₄⁺-N、Pho-act四种土壤参数可实现高光谱有效估算;
最优模型组合分别为:SOC:Lg-CARS-PLSR;TN:SNV-CARS-RFR;NH₄⁺-N:R-CARS-RFR;Pho-act:SNV-CARS-PLSR;
以5月15日采集的SOC、TN、NH₄⁺-N、Pho-act数据构建的MLR模型,可同时预测蛋白质、可溶性糖、总黄酮和总酚含量,预测精度均达显著或极显著水平;
结语
本研究从土壤养分与微生物特征出发,结合高光谱技术,实现了关键土壤参数监测及萱草品质的早期预测,为解析萱草品质形成机制和优化田间管理提供了新的技术思路,也为高光谱技术在作物品质监测与精准农业中的应用提供了参考。
发表期刊:Applied Food Research【影响因子:5.4】
研究单位:山西农业大学
研究地点:山西省大同市云州区
使用设备:ASD FieldSpec 4地物光谱仪
DOI :https://doi.org/10.1016/j.afres.2026.101868