光譜儀與SPA D測(cè)定馬鈴薯葉綠素含量的比較

宋英博

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154007）

目前，化學(xué)分析方法測(cè)量葉綠素含量雖然較為準(zhǔn)確，但因其破壞性大，且費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、分析成本高，難以快速和簡(jiǎn)單應(yīng)用。因此，迫切需要能隨時(shí)進(jìn)行大面積快速無(wú)損檢測(cè)的新技術(shù)。葉綠素計(jì)法（SPAD）和光譜分析方法是目前作物氮素診斷研究中的熱點(diǎn)。在現(xiàn)有的采用葉綠素計(jì)法和光譜分析方法獲取作物葉綠素含量的研究中，大多數(shù)都集中在水稻、小麥、大豆和玉米這些大田作物上，對(duì)馬鈴薯研究的甚少[1－4]。葉片作為光合作用的主要器官，其葉綠素含量的高低是反映作物營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)對(duì)兩種測(cè)定馬鈴薯葉片葉綠素相對(duì)含量進(jìn)行了比較，結(jié)果表明Unispec－SC光譜儀比SPAD－502葉綠素計(jì)預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為脫毒馬鈴薯克新13號(hào)，由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院佳木斯分院提供。

1.2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2008在年黑龍江省雙鴨山市四方臺(tái)區(qū)進(jìn)行，前茬作物大豆。土壤條件：每千克堿解氮含量138.29 mg，有效磷含量130.96 mg，速效鉀含量248.78 mg，pH值6.5，有機(jī)質(zhì)含量4.7%，全氮含量0.21%，全磷含量0.2%，全鉀含量3.7%。試驗(yàn)地底肥每公頃（N:P2O5:K2O=12:18:15）50kg，建立試驗(yàn)小區(qū)0.4 hm2，在試驗(yàn)地中心位置選擇長(zhǎng)勢(shì)一致8點(diǎn)，每點(diǎn)標(biāo)定20株，掛牌編號(hào)。

1.2 主要儀器

美國(guó)（原英國(guó)）PP Systems公司Unispec－SC光譜儀，光譜分辨率10 nm，可在310～1130 nm波段范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。日本美能達(dá)公司生產(chǎn)的SPAD－502葉綠素計(jì)，以上儀器由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院佳木斯分院提供。

1.3 測(cè)定內(nèi)容及方法

1.3.1 葉片光譜值和SPAD值的測(cè)定

在塊莖形成期和塊莖膨大期，采用Unispec－SC光譜儀和SPAD－502葉綠素計(jì)對(duì)馬鈴薯倒四葉的頂小葉進(jìn)行光譜值和SPAD值的測(cè)定，每點(diǎn)選5株平均值作為該點(diǎn)的一次調(diào)查結(jié)果，并取下葉片。

1.3.2 葉綠素含量的測(cè)定

用丙酮乙醇混合液法測(cè)其葉綠素含量[5]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期馬鈴薯葉片光譜動(dòng)態(tài)變化

在馬鈴薯的塊莖形成期和塊莖膨大期，葉片光譜反射率在310～730 nm波段反射率較低。主要吸收藍(lán)光及紅光，因此，可以解釋葉片在附近的紅光區(qū)域有吸收谷，在位于藍(lán)光及紅光之間的波段有反射峰下降，又由于葉綠素在整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)域的吸收均很強(qiáng)，透射及反射均較低，所以在附近區(qū)域的吸收減少，吸收谷變淺。綠色植被反射光譜在600～680 nm附近有一個(gè)谷值，谷值附近的光譜反射率可直接用于植被生長(zhǎng)狀態(tài)的估測(cè)[6]，或作為植被指數(shù)的一個(gè)波段。在310～730 nm波段有很強(qiáng)的吸光能力，相反，在 730～1130 nm波段由于細(xì)胞的散射作用，增大了光譜反射率[7]。由圖1可見(jiàn)兩時(shí)期表現(xiàn)趨勢(shì)相似。

2.2 不同時(shí)期馬鈴薯葉片SPAD的動(dòng)態(tài)變化

用SPAD－502葉綠素計(jì)測(cè)定馬鈴薯塊莖形成期和塊莖膨大期的SPAD值，塊莖膨大期的SPAD值均高于塊莖形成期的SPAD值，如圖2。

2.3 葉片SPAD與葉綠素含量的相關(guān)性分析

圖1 不同時(shí)期馬鈴薯葉片光譜動(dòng)態(tài)變化Figure 1 Dynamic change of leaf spectrum reflectance of potatoes under different growth stages

圖2 不同時(shí)期馬鈴薯葉片SPAD動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Dynamic change of potato leaf SPAD under different growth stages

用SPAD來(lái)預(yù)測(cè)葉綠素含量時(shí)應(yīng)注意：測(cè)定時(shí)所選擇葉片大小的影響，特別是葉片較小時(shí)，測(cè)定SPAD值時(shí)易取到葉脈部位，影響測(cè)定結(jié)果。葉色是許多因素綜合影響的結(jié)果，當(dāng)植株缺N、P和微量元素時(shí)都會(huì)引起葉色發(fā)生變化，因此在用SPAD值估測(cè)葉綠素含量時(shí)，應(yīng)選擇葉片已完全展開(kāi)且進(jìn)入功能盛期的葉片，通?？蛇x擇倒四葉的頂小葉[8]。馬鈴薯葉片SPAD的8個(gè)觀察值與相應(yīng)的葉綠素含量進(jìn)行相關(guān)性分析，算得的相關(guān)系數(shù)r=0.816，查表與r0.01,6=0.834，r0.05,6=0.707進(jìn)行比較，相關(guān)關(guān)系達(dá)到顯著水平。

2.4 葉片光譜反射率與葉綠素含量的相關(guān)性分析

對(duì)葉片光譜反射率與葉綠素含量進(jìn)行相關(guān)性分析，算得相關(guān)系數(shù)r，通過(guò)Excel有代表性篩選，在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)，馬鈴薯選取510nm（|r|=0.812）、650 nm（|r|=0.755）和680 nm（|r|=0.817）3個(gè)波段的光譜反射率，它們與葉綠素含量的相關(guān)性呈顯著；在近紅外區(qū)域，選取820 nm（|r|=0.8160）和940 nm(|r|=0.799)2個(gè)波段，與葉綠素含量的相關(guān)性達(dá)到了顯著水平。

利用上述選取的波段，通過(guò)植被指數(shù)的計(jì)算公式，計(jì)算出RVI、DVI、NDVI和RDVI值，對(duì)4種植被指數(shù)與相應(yīng)的葉綠素含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明：在940nm和510nm組合的波段計(jì)算的植被指數(shù)與葉綠素相關(guān)性最好，并且以NDVI的相關(guān)系數(shù)最高，r=－0.9546，達(dá)到了極顯著水平（表1）。

表1 不同波段光譜反射率的植被指數(shù)與葉綠素含量的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlations coefficient of vegetation index in different wavelength scopes and chlorophyll content

3 討論

便攜式SPAD－502葉綠素計(jì)是通過(guò)2個(gè)波段650 nm和 940 nm的組合來(lái)達(dá)到消除葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響和測(cè)量葉綠素的目標(biāo)。二種光穿透葉片，打到接收器上，通過(guò)接收器接收到的光強(qiáng)和發(fā)射光強(qiáng)比較，確定葉片葉綠素的含量，表示SPAD單位。SPAD=Klong10[(IR1/IR0)/R1/R0]，其中，K為常數(shù)；IR1為接收到的940 nm紅外線強(qiáng)度；IR0為發(fā)射紅外光強(qiáng)度；R1為接收到的650 nm發(fā)紅光強(qiáng)度；R為發(fā)射紅外強(qiáng)度。光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，模擬信號(hào)被放大器放大，由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)被微處理器利用，計(jì)算出SPAD值并顯示在顯示器上。本研究中馬鈴薯葉片SPAD的 8個(gè)觀察值與相應(yīng)的葉綠素含量相關(guān)關(guān)系達(dá)到顯著水平，算得的相關(guān)系數(shù)|r|=0.8160。

美國(guó)（原英國(guó)）PP Systems公司Unispec－SC光譜儀，光譜分辨率10nm，可在310～1130nm波段范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。并非SPAD－502葉綠素計(jì)固定650 nm和940 nm 2個(gè)波段的單一組合[9]。在310～730 nm波段內(nèi)，馬鈴薯選取510 nm、650 nm和680 nm 3個(gè)波段的光譜反射率，它們與葉綠素含量的相關(guān)性呈顯著；在730～1130nm波段，選取820nm和940nm2個(gè)波段，與葉綠素含量的相關(guān)性達(dá)到顯著水平。通過(guò)單一波段與葉綠素的相關(guān)分析，相關(guān)性一般，利用上述選取的波段，通過(guò)植被指數(shù)的計(jì)算公式，計(jì)算出RVI、DVI、NDVI和RDVI值，對(duì)四種植被指數(shù)與相應(yīng)的葉綠素含量進(jìn)行相關(guān)性分析，940nm和510nm波段建立的NDVI的相關(guān)系數(shù)最高，r=－0.9546，達(dá)到了極顯著水平。

研究發(fā)現(xiàn)，Unispec－SC光譜儀比SPAD－502葉綠素計(jì)預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確。應(yīng)用特定敏感光譜波段組合[10]，比葉綠素計(jì)自身選取的 650 nm和940 nm 固定組合更能精確測(cè)量葉綠素值。具體每個(gè)品種、每個(gè)生育期準(zhǔn)確波段組合還有待進(jìn)一步試驗(yàn)來(lái)完成。

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