煙株葉片葉綠素的時空分布特征

肖慶禮 ，代先強，楊紅柯，秦平偉，張世渠，陳昆燕 ，汪長國 ，戴亞 *，丁偉

1 西南大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，重慶市北碚區(qū)天生路2號 400715；2 重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶市南岸區(qū)南坪東路2號 400060；3 煙葉資源科學(xué)利用重慶市重點實驗室，重慶市南岸區(qū)南坪東路2號 400060；4 重慶市煙草公司，重慶市江北區(qū)五江路20號 400020

烤煙收獲的是葉片，在烤煙產(chǎn)量的形成過程中，葉綠素參與的光合作用貢獻(xiàn)了96%的干物質(zhì)積累[1]。與此同時，在烤煙采收環(huán)節(jié)葉綠素也是判斷葉片成熟采收標(biāo)準(zhǔn)的主要指標(biāo)之一[2-5]。在烤煙生長發(fā)育過程中，葉綠素不僅隨時間呈現(xiàn)明顯的變化，而且受到葉位、品種、栽培措施、地形地貌等各種主客觀因素的影響，因此烤煙葉綠素呈現(xiàn)較強的時空變異性特征[6-11]。關(guān)于時空變異性，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作[12-15]。部分學(xué)者在研究土壤水分時空變異性時發(fā)現(xiàn)，土壤水分的空間分布格局具有隨時間持續(xù)不變的特性，Vachaud 等[16]最早將這種特性定義為時間穩(wěn)定性。對時間穩(wěn)定性最好的應(yīng)用方式之一是尋找研究區(qū)的代表性樣點，其含水量可以代替研究區(qū)平均含水量[17-21]。

鑒于土壤水分時間穩(wěn)定性應(yīng)用的巨大潛力，一些學(xué)者也把時間穩(wěn)定性的概念擴展應(yīng)用到了的其它方面。徐國策等[22]研究了洛惠渠灌區(qū)地下水的電導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)地下水電導(dǎo)率具有很強的時間穩(wěn)定性和周期性，可以利用地下水電導(dǎo)率代表性位置點來監(jiān)測研究區(qū)地下水平均電導(dǎo)率的變化。邢旭光等[23]分析了膜下滴灌棉田主根區(qū)土壤的鹽分，發(fā)現(xiàn)土壤鹽分的時間穩(wěn)定性隨土層深度增加呈現(xiàn)先增強后略微減弱趨勢。Douaik[24]分析了土壤鹽分的時間穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)低鹽點的時間穩(wěn)定性較強，而高鹽點的時間穩(wěn)定性則較弱。

目前，關(guān)于時間穩(wěn)定性的擴展應(yīng)用研究主要集中在土壤鹽分、水分電導(dǎo)率等方面，關(guān)于煙葉葉綠素時間穩(wěn)定性的相關(guān)研究鮮見報道。由于煙葉葉綠素含量與SPAD 值之間存在極顯著線性關(guān)系[3,26-27]，本文采用Spad-502 plus 便攜式葉綠素儀測定大田煙株葉片的SPAD 值，進(jìn)而換算出葉片的葉綠素含量。通過系統(tǒng)研究摩圍山小流域旱地?zé)熤耆~片葉綠素的時空分布特征，確定監(jiān)測樣帶煙株葉片葉綠素的代表性樣點，從而為本區(qū)煙田的水肥管理及成熟采收提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市彭水縣南部的摩圍山小流域。該區(qū)屬中亞熱帶溫潤季風(fēng)氣候區(qū)，具有春早多夜雨，夏熱多伏旱，秋涼多綿雨，冬冷少霜雪，總體雨量充沛集中，光照偏少云霧多等氣候特點。該區(qū)年均氣溫17.5℃，年平均降雨量1104 mm，年平均蒸發(fā)量950 mm，降雨量略大于蒸發(fā)量[25]。該區(qū)屬于典型的巖溶地貌，地形起伏，溝壑縱橫，低階地、坡麓、巖溶洼地及小型山間盆地犬牙交錯。主要土壤類型為旱地黃壤，土層淺薄，水土流失較為嚴(yán)重。

1.2 試驗布設(shè)

在研究區(qū)選取典型的小型山間盆地作為試驗區(qū)，盆地長約520 m，寬50～150 m不等，為東北-西南走向，且東北至西南有一個約5°的下斜緩坡。農(nóng)田土壤類型為旱地黃壤，前作為烤煙?？緹熞圃郧捌饓挪⒏采w地膜，壟體高度約為30 cm。施純氮量控制在105 kg/hm2，N : P2O5: K2O 為1 : 0.93 : 3.08。移栽時間為5月1 日-7 日，品種為云煙87。株行距為55 cm×110 cm，初花期打頂，有效留葉數(shù)為19-21 片。其它大田管理措施按優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)要求進(jìn)行。農(nóng)田無灌溉條件，煙株耗水全部來自于天然降水和土壤水。在盆地東北-西南方向依次布設(shè)20 個監(jiān)測樣點，樣點間隔距離為25 m（圖1b），在每個監(jiān)測樣點分別選擇1 棵煙株，該煙株的長勢長相與該樣點附近的煙株長勢長相基本一致，然后掛牌進(jìn)行長期定位監(jiān)測。

圖1 （a）研究區(qū)位置、（b）樣帶布設(shè)示意圖Fig. 1 (a) Location of the study area, (b) The layout of the experimental plot

1.3 數(shù)據(jù)采集和處理

煙葉SPAD 值的測定使用Spad-502 plus 便攜式葉綠素儀進(jìn)行。移栽結(jié)束后39 d 開始測定，測定時對樣點掛牌煙株按照自下而上逐葉位的方式進(jìn)行。煙株最低的葉片為第一葉位，葉片自下而上葉位依次增加?？緹熒L期間各葉片的葉位固定不變。

烤煙生長期間共測定了18 次，每次間隔為5 d左右。測定時沿葉片主脈對稱的葉基、葉中和葉尖部兩邊各選3 個部位等距布局，每片葉共測定6 個部位，其平均值即為該片葉SPAD 值。

大量研究表明，煙葉葉綠素含量與SPAD 值存在極顯著線性關(guān)系，并建立了數(shù)學(xué)模型[3,26-27]。本研究借鑒汪強等[27]數(shù)學(xué)模型對煙葉葉綠素進(jìn)行標(biāo)定：

式中，y 為煙葉葉綠素含量，mg/g Fw；x 為煙葉SPAD 值。

煙株葉片按照下、中、上分為3 個部位，其中下部葉、中部葉和上部葉分別占煙株總?cè)~數(shù)的30%、40%和30%。由于監(jiān)測煙株葉片數(shù)為19～21 片，煙株葉數(shù)為19 片時，其下、中、上部葉分別為1～6 葉位、7～13 葉位和14～19 葉位；煙株葉數(shù)為20 片時，其下、中、上部葉分別為1～6 葉位、7～14 葉位和15～20 葉位；煙株葉數(shù)為21 片時，其下、中、上部葉分別為1～6葉位、7～15 葉位和16～21 葉位。煙株下、中、上部葉片葉綠素含量分別為對應(yīng)部位葉片葉綠素含量的平均值。

1.4 分析方法

根據(jù)Vachaud 等[16]的研究，時間穩(wěn)定性可以使用相對偏差法描述。給定時間特定樣點特定煙株部位葉綠素含量的相對偏差δikj 可以由下式計算得出：

式中，i 代表樣點位置（i=1, 2, 3, ……20），j 代表煙株部位（j=1, 2, 3），k 代表測定次數(shù)（k=1, 2, 3, ……M），為時間k 時，j 部位的平均葉綠素含量，計算公式為：

時間穩(wěn)定性指數(shù)（ITS）可以作為單一指標(biāo)來識別研究區(qū)域平均葉綠素含量的最佳樣點，同時該樣點具有較好的時間穩(wěn)定性，公式如下：

變異系數(shù)Cv反映的是相對變異，即隨機變量的離散程度：

式中σ 為標(biāo)準(zhǔn)差，μ 為樣本平均值。根據(jù)變異系數(shù)將葉綠素含量的變異程度進(jìn)行分類，當(dāng)Cv＜10%為弱變異性，10%≤Cv≤100%為中等變異性，Cv＞100%為強變異性。

利用回歸方程的決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）和平均偏差（MBE）評價代表性樣點和對應(yīng)葉片葉綠素的差異性:

RMSE 越小，MBE 越接近于0，說明代表性樣點煙株葉片葉綠素值越接近于樣帶對應(yīng)部位煙株葉片葉綠素的平均值。

采用Excel 2013 和Surfer11.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，采用SPSS Statistics 20.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙株葉片葉綠素的時空變化特征

煙株不同部位葉片葉綠素均值及變異系數(shù)見圖2。由圖2a 可知，下部、中部和上部葉在生育前期均具有較高的葉綠素含量，隨著葉片的生長，葉綠素含量均明顯增加，且都達(dá)到最大值，其最大值分別為0.92、1.02 和1.18 mg/g Fw，隨后均進(jìn)入下降通道，至生育末期下降至最低值，其最低值約為最高值的55%。就在整個生育期而言，下部葉葉綠素平均值（0.76 mg/g Fw）明顯小于中部葉（0.82 mg/g Fw），中部葉（0.82 mg/g Fw）又明顯小于上部葉（0.97 mg/g Fw）。

由圖2b 可知，在生育前期，下部葉葉綠素變異系數(shù)較低，其值僅為5.3%，隨著葉片的發(fā)育，變異系數(shù)明顯增大，最后達(dá)到最大值26.67%；中部葉在生育前期葉綠素變異系數(shù)較低，隨后快速增大，然后又明顯下降，最后進(jìn)入上升通道，其最大值為19.74%；上部葉在生育前期葉綠素變異系數(shù)稍大，隨后快速降低至最低值（5.28%），最后進(jìn)入上升通道，其最大值為23.28%。下部、中部和上部葉葉綠素變異系數(shù)雖然變化規(guī)律不同，但進(jìn)入中后期其數(shù)值均隨葉片的生長發(fā)育而增大，后期均達(dá)到最大值?？傮w而言，在生育前期和中期，各部位葉綠素的變異系數(shù)基本低于10%，屬于弱變異；在生育后期，各部位葉綠素的變異系數(shù)均在10%～100%之間，屬于中等變異。

圖2 煙株葉綠素含量及變異系數(shù)的時間序列特征Fig. 2 Time series character of chlorophyll content and coefficient of variation in tobacco plan

為了更直觀的呈現(xiàn)煙株在生長期間葉綠素的動態(tài)變化，使用Surfer11.0 軟件繪制監(jiān)測樣帶煙株葉綠素的等值分布圖。由圖3 可知，在樣帶尺度，下部葉生育前期，葉綠素等值線較為稀疏平滑；隨著葉片的發(fā)育，葉綠素值緩慢增加，其最大值出現(xiàn)在樣帶中部區(qū)域；隨后葉綠素等值線由疏變密，葉綠素值快速降低，其最低值出現(xiàn)在樣帶的中上部和中下部區(qū)域。中部葉生育前期，葉綠素等值線較為密集，樣帶上葉綠素值呈現(xiàn)斑塊狀分布的高值區(qū)域；隨著葉片發(fā)育，樣帶上葉綠素值呈斷崖式下降，生長后期葉綠素等值線較為碎片化。上部葉生育前期，樣帶上葉綠素值呈現(xiàn)斑塊狀分布的高值區(qū)域；隨著葉片的發(fā)育，樣帶上葉片葉綠素值進(jìn)入緩慢下降通道，生長后期葉綠素等值線較為碎片化?？傮w而言，樣帶上煙株不同部位葉片生長發(fā)育期間，葉綠素值的變化趨勢具有相似性。

圖3 生長期間不同部位葉片葉綠素等值分布圖Fig. 3 Isoline distribution of chlorophyll content in different parts of tobaco leaves during growth period

2.2 煙株葉片葉綠素的時間穩(wěn)定性分析

由圖4 可知，煙株下部、中部和上部葉葉綠素平均相對偏差分別介于-17.02%～20.81%、-12.59%～22.06%和-11.48%～18.15%，平均相對偏差的標(biāo)準(zhǔn)差分別介于2.82%～23.74%、4.04%～15.02%和2.89%～17.33%。時間穩(wěn)定性指數(shù)（ITS）越小，說明樣點煙株葉綠素的時間穩(wěn)定性越好，其最小值即可作為代表性樣點[28]。因此，下部、中部和上部葉葉綠素的代表性樣點分別為樣株15、樣株14 和樣株5。

圖4 煙株葉綠素的平均相對偏差；誤差棒表示平均相對偏差的標(biāo)準(zhǔn)差；空心標(biāo)示的樣點為代表性樣點；刻度線為時間穩(wěn)定性指數(shù)Fig. 4 Ranked mean relative differences (MRD) of chlorophyll content. Error bars represent the standard deviation of relative difference (SDRD). The most time-stable locations are indicated by the empty symbols. The curve indicates the index of time stability (ITS)

圖5a 顯示的是20 個樣點煙株下部、中部和上部葉葉綠素的平均相對偏差值。下部、中部和上部葉葉綠素的平均相對偏差的極差值分別為37.83%、34.65%和29.63%，變化分別介于-17.02%～20.81%、-12.59%～22.06%和-11.48%～18.15%。葉綠素平均相對偏差的極差值隨煙株部位的上升而逐漸減小。

圖5b 顯示的是所有樣點煙株葉綠素時間穩(wěn)定性指數(shù)的累積值。從圖5b 可知，葉綠素累積的時間穩(wěn)定性指數(shù)最大值（樣點7）為79.05%，最小值（樣點1）為19.90%，平均值為32.83%。就各部位而言，下部葉葉綠素的時間穩(wěn)定性指數(shù)值最大，上部葉次之，中部葉最小。

圖5 所有樣點葉綠素含量的平均相對偏差（a）和時間穩(wěn)定性指數(shù)（b）的累積值Fig. 5 Histogram of cumulated mean relative difference (MRD, a) and index of temporal stability (ITS, b) of each sampling point

2.3 代表性樣點的合理性檢驗

圖6 代表性樣點葉綠素含量與平均值的比較Fig. 6 Comparison between measured chlorophyll content at the most time-stable location (MTSL) and the estimated values

圖6 顯示的是代表性樣點葉綠素含量與對應(yīng)部位葉綠素的平均含量。下部、中部和上部葉片葉綠素回歸方程的決定系數(shù)（R2）分別為0.9032、0.9509和0.9693，均方根誤差（RMSE）分別為0.0471、0.0359 和0.0476mg/g Fw，平均偏差（MBE）分別為-0.0038、0.0118 和-0.0366mg/g Fw。相關(guān)分析表明，代表性樣點的葉綠素含量均與對應(yīng)部位平均葉綠素含量之間存在顯著性相關(guān)（P＜0.01）。因此可以用代表性樣點煙株葉綠素值估算對應(yīng)部位葉綠素的平均值。

3 討論

葉綠素是煙草進(jìn)行光合作用的重要色素，葉綠素含量不僅反映煙草的光合強度和營養(yǎng)水平，而且還與煙葉的成熟采收密切相關(guān)[1-5]。本研究結(jié)果顯示，在葉片整個生育期，葉綠素的動態(tài)變化表現(xiàn)為前期具有較高值，且隨時間快速增加，中后期則進(jìn)入長期下降通道，至采收降至最低值。馮曉英等[6]通過對不同烤煙品種葉綠素研究，童淑媛等[29]通過對玉米葉綠素研究和黃瑞冬等[30]在玉米和高粱葉片葉綠素的研究均得出類似結(jié)論。原因可能是煙草葉片發(fā)育的前中期，較高的葉綠素含量有利于葉片干物質(zhì)的積累[31]；葉片發(fā)育的后期，葉綠素的大量降解則有利于內(nèi)含物質(zhì)的代謝和煙葉香氣物質(zhì)形成，并促使葉片呈現(xiàn)成熟特征[32-33]。本研究顯示，隨著葉片部位的上升，葉綠素含量明顯增大，其原因可能是植物的頂端優(yōu)勢以及更好的光照條件導(dǎo)致煙草部位越高葉片光合作用越強，葉片厚度越厚，葉綠素含量也隨之越大[34]，李佛琳等[3]研究也得出類似的結(jié)論。

山區(qū)土層厚度不均[35]、土壤肥力多變[36]、坡度坡向各異[37]，這導(dǎo)致煙株長勢不均，進(jìn)而造成葉片葉綠素具有較強的空間變異性。煙農(nóng)在水肥管理和田間管理時則會采取針對性措施以盡量減緩這種不利影響，如對土層較薄、肥力較低、煙株長勢較弱的地塊采取施偏心肥以保障煙株的正常發(fā)育；在打頂留葉時也會根據(jù)煙株個體的營養(yǎng)水平分類打頂和合理留葉：對長勢稍弱的煙株扣心打頂并適當(dāng)少留一兩片葉，長勢正常的采取初花打頂并合理留葉，而對長勢較好的煙株則采取盛花打頂并適當(dāng)多留一兩片葉。這種差異化的施肥[36]和針對性的田間管理[38]等人為措施大幅提升了山區(qū)煙田煙株的整齊度，進(jìn)而顯著降低煙株葉綠素空間的變異性。本研究中煙株葉綠素雖然具有變異性，但其變異性表現(xiàn)為弱變異和中等變異，樣帶尺度葉綠素呈明顯碎片化分布，但依然具有一定的規(guī)律性，這是自然因素和人為因素彼此相互影響的結(jié)果。

葉綠素的時間穩(wěn)定性受到平均相對偏差和平均相對偏差標(biāo)準(zhǔn)差的雙重影響[23]。平均相對偏差的波動越小，葉綠素隨時間的穩(wěn)定性越好；平均相對偏差標(biāo)準(zhǔn)差值越小，葉綠素的時間穩(wěn)定性越強[39]。本研究顯示，中部葉片葉綠素的時間穩(wěn)定性最強，上部葉次之，下部葉最弱。其原因可能是煙株在發(fā)育過程，中部葉片光照條件適宜，薄厚適中，受到水肥及田間管理等措施的影響相對較小，而下部葉光照條件較差，葉片較薄，受到的影響相對較大。市場上中部葉片具有最好的品質(zhì)和價格也從側(cè)面印證了本研究結(jié)論的合理性[40]。

本研究針對摩圍山小流域典型旱地?zé)熖餆熤耆~綠素含量選取的代表性樣點并對樣點煙株的葉片葉綠素進(jìn)行估算，回歸分析和相關(guān)性分析表明，代表性樣點煙株葉片的葉綠素可以較好反映研究區(qū)煙田煙株對應(yīng)部位葉片葉綠素含量，這在本區(qū)煙田水肥管理和成熟采收過程中具有重要作用。基于時間穩(wěn)定性選取的代表性樣點在不同年際間同樣具有較好的穩(wěn)定性[22-23]。由于本區(qū)煙田常年由固定的煙農(nóng)進(jìn)行種植，田間管理在年際間也具有較好的一致性，因此選取的代表性樣點煙株葉片葉綠素含量在不同年際間也具有較好的穩(wěn)定性。因此，在以后煙田的水肥管理和成熟采收過程中，只需測定代表性樣點煙株的葉綠素含量，再結(jié)合該煙株的長勢長相以及葉片的成熟特征即可判斷本區(qū)煙田的整體營養(yǎng)水平和待采葉片的田間成熟度。這為有效降低山區(qū)煙田水肥管理的難度，進(jìn)一步提升煙葉的田間成熟度提供了一條便捷途徑。

4 結(jié)論

該文在摩圍山小流域，通過對旱地?zé)熖餆熤耆~綠素進(jìn)行了時空分布特征研究，得出以下結(jié)論：

（1）煙株葉片葉綠素的動態(tài)變化呈“倒勺子”型，且葉綠素值隨葉片部位的增加而增大；葉片發(fā)育前中期葉綠素值呈弱變異，后期則呈中等變異。

（2）煙株下、中、上部葉片葉綠素值均具有較好 的 時 間 穩(wěn) 定 性（R2為0.9032～0.9693，RMSE 為0.0359～0.0476mg/g Fw，MBE 為-0.0366～0.0118mg/g Fw），利用代表性樣點煙株葉綠素值可以表征對應(yīng)部位葉綠素的平均值。

（3）在煙田的水肥管理和成熟采收中，可利用代表性樣點煙株的葉綠素含量，以及該煙株的長勢長相和葉片的成熟特征即可判斷本區(qū)煙田的整體營養(yǎng)水平和待采葉片的田間成熟度。