‘新新2號(hào)’核桃果實(shí)不同生育時(shí)期葉片光譜特征及其對(duì)氮磷鉀的敏感性

朱白雪++潘存德++胡珍珠++潘鑫

摘 要：通過分析果實(shí)不同生育時(shí)期葉片光譜反射率對(duì)氮（N）、磷（P）、鉀（K）的響應(yīng)，探索采用葉片光譜指數(shù)監(jiān)測(cè)和診斷葉片N、P、K的敏感期，旨在為‘新新2號(hào)（Juglans regia ‘Xinxin2）核桃簡便、快捷無損的營養(yǎng)監(jiān)測(cè)與診斷提供理論依據(jù)。根據(jù)“3414”肥料效應(yīng)田間試驗(yàn)，利用Unispec-SC單通道便攜式光譜分析儀測(cè)定不同生育期在不同N、P、K施肥水平下‘新新2號(hào)核桃果實(shí)葉片光譜反射率。結(jié)果表明，‘新新2號(hào)核桃果實(shí)在生長發(fā)育過程中葉片光譜反射率與波長密切相關(guān)，在360～1 000 nm波長范圍內(nèi)葉片光譜受到外界干擾影響較小，可見光波段光譜反射率表現(xiàn)為R坐果期>R硬核期>R速生>R近成熟>R脂化期；在不同N、P、K施肥水平下，‘新新2號(hào)核桃果實(shí)坐果期葉片光譜指數(shù)（ND705）與其它時(shí)期存在顯著差異（P<0.05）或極顯著差異（P<0.01）。果實(shí)坐果期為‘新新2號(hào)核桃葉片N、P和K的光譜敏感期。

關(guān)鍵詞：核桃；N素；P素；K素；葉片；光譜反射率；敏感期

中圖分類號(hào)：S664.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.02.001

Leaf Spectral Characteristics and Its Sensitivity to N， P， K in Various Phenological Periods of Fruit Development of Juglans regia 'Xinxin2'

ZHU Baixue，PAN Cunde，HU Zhenzhu，PAN Xin

（Key Laboratory of Forestry Ecology and Industry Technology in Arid Region， Education Department of Xinjiang， Xinjiang College of Forestry and Horticulture， Agricultural University， Urumqi， Xinjiang 830052， China）

Abstract：The paper analyzes leaf spectral reflectance of nitrogen （N）， phosphorus （P）， potassium （K） trends of various phenological periods of fruit development of Juglans regia 'Xinxin2'， and explores how to use leaf spectral index to monitor and diagnose the N， P， K sensitive period， which aimed at providing a good basis and the best way for simple， fast， non-destructive operability good nutrition monitoring. According to the "3414" fertilizer effect field experiments， leaf spectral reflectance in various phenological periods of fruit development under diverse different fertilization levels were measured with Unispec-SC-channel portable spectrum analyzer. The results showed that leaf spectral reflectance of J. regia 'Xinxin2' is closely related to the walnut fruit growth period and the leaf spectral when the wavelength of light is 360～1 000 nm was less affected by outside interference， especially in the visible band of relatively stable， and the spectral reflectance showing a order as following set fruit > hardcore period > rapid growth period > near mature period > fat change period. The differences of leaf spectral index ND705 in various phenological periods of fruit development under diverse N， P， K fertilization levels were significant（P<0.05）or extremely significant（P<0.01）.The set fruit was the most sensitive stage for spectral monitoring and diagnosis of nitrogen， phosphorus and potassium nutritional elements of J. regia 'Xinxin2'.

Key words： walnut； nitrogen； phosphorus； potassium； leaf； spectral reflectance； sensitive stage

‘新新2號(hào)（Juglans regia 'Xinxin2'）核桃是新疆南疆盆地早實(shí)核桃主栽優(yōu)良品種之一[1]。氮（N）、磷（P）、鉀（K）元素作為核桃每個(gè)生育期必不可少的大量營養(yǎng)元素[2]，為了適時(shí)、快速、準(zhǔn)確地診斷出作物N、P、K營養(yǎng)元素含量，并依此判斷出作物的營養(yǎng)狀況，才能科學(xué)合理地指導(dǎo)施肥并使作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[3-4]。傳統(tǒng)葉片監(jiān)測(cè)方法以化學(xué)分析為主，雖然能夠較為精準(zhǔn)地檢測(cè)對(duì)果樹N、P、K營養(yǎng)元素含量，但其實(shí)驗(yàn)具有繁冗復(fù)雜性、高耗性、時(shí)滯性等缺點(diǎn)[5]，不能全面、快捷地對(duì)大范圍的果樹進(jìn)行營養(yǎng)診斷。隨著作物營養(yǎng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)的快速發(fā)展，光譜分析以其多、快、準(zhǔn)、好等四大優(yōu)勢(shì)，成為研究作物生長發(fā)育過程中營養(yǎng)元素盈虧狀況的首選[6-8]。因此，采用光譜分析技術(shù)手段對(duì)N、P、K的光譜敏感性進(jìn)行研究，為指導(dǎo)‘新新2號(hào)核桃科學(xué)合理施肥提供了簡便、快速、非破壞性的營養(yǎng)監(jiān)測(cè)和技術(shù)途徑。光譜分析可以實(shí)時(shí)、快速、無損地監(jiān)測(cè)樹體的色素含量、營養(yǎng)狀況[8]、水分狀況[9-10]、光能利用效率[11]、植被蓋度以及冠層結(jié)構(gòu)等生物化學(xué)組織成分[12]，不僅在農(nóng)業(yè)[13]、食品安全[14]、遙感[8]等學(xué)科引起了不同領(lǐng)域研究人員的重視，而且也已經(jīng)應(yīng)用于桃樹[5]、玉米[13]、辣椒[15]、小麥[16]和水稻[17]等多種作物的營養(yǎng)元素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷。在經(jīng)濟(jì)作物研究中，小麥磷素的光譜敏感波段和關(guān)鍵生育期[18]相關(guān)，其中拔節(jié)前期和孕穗期相關(guān)性高達(dá)0.99，而甜椒葉片含氮量與550～675 nm波長間葉片的反射系數(shù)高度相關(guān)[15]；此外，光譜技術(shù)在果樹研究中應(yīng)用也較多。研究發(fā)現(xiàn)[19]，番茄冠層反射光譜曲線與葉片反射光譜曲線相似，可見光波段低而近紅外波段較高，550 nm附近有葉綠素的強(qiáng)反射峰。可見，作物在生長發(fā)育過程中品種不同，光譜反射率也不同，自然對(duì)N、P、K營養(yǎng)元素的敏感性也會(huì)有一定差異[16-28]。所以，探尋光譜反射率對(duì)不同營養(yǎng)元素豐缺狀況的敏感時(shí)期時(shí)，需要采用光譜分析手段進(jìn)行實(shí)時(shí)營養(yǎng)監(jiān)測(cè)與快速診斷。到目前為止，研究‘新新2號(hào)核桃光譜指數(shù)（ND705）及葉片光譜反射率對(duì)N、P、K的敏感性的文獻(xiàn)尚未見報(bào)道，故以此為切入點(diǎn)進(jìn)行深入分析。采用“3414”肥料效應(yīng)田間試驗(yàn)，通過葉片光譜特征分析診斷樹體營養(yǎng)狀況的可能性，采用葉片光譜指數(shù)監(jiān)測(cè)和診斷N、P、K的敏感期，并檢驗(yàn)果實(shí)不同生育時(shí)期葉片光譜反射率對(duì)N、P、K的敏感性，旨在為‘新新2號(hào)核桃簡便、快捷、無損的營養(yǎng)監(jiān)測(cè)與診斷提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料與地點(diǎn)

在新疆阿克蘇烏什縣阿克托海鄉(xiāng)吉格代力克村進(jìn)行試驗(yàn)（E 79°18′51.33″～79°18′57.07″，N 41°12′37.43″～41°12′41.35″；海拔1 394 m）。烏什縣位于天山南麓臨近托什干河中游，屬于暖溫帶大陸性干旱氣候，年平均蒸發(fā)量為2 003.8 mm，年均降水量達(dá)到91.5 mm，全年平均氣溫在9.4 ℃左右，年日照時(shí)數(shù)約2 750～2 850 h，年均太陽總輻射量約577.6 kJ·cm-2，無霜期250～286 d。

試驗(yàn)園占地面積約為2 hm2，主栽品種‘新新2號(hào)，授粉品種溫185（Juglans regia ‘Wen185）。優(yōu)選健康、無病蟲害與冬小麥間作的核桃樹在土層厚實(shí)的灌淤土壤試驗(yàn)地里以東西行向栽植，株行距5 m×6 m，樣株皆為疏散分層形。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

根據(jù)“3414”肥料效應(yīng)，經(jīng)過計(jì)算得最佳施肥量（純量）N1.5 kg、P0.7 kg、K0.3 kg。采用田間施肥方案設(shè)計(jì)（表1），3個(gè)因素是指N、P、K元素，而4個(gè)水平是0水平指不施肥，1水平指最佳施肥量的0.5倍（指施肥不足），2水平指最佳施肥量，3水平指最佳施肥量的1.5倍（指過量施肥），共14個(gè)處理。該試驗(yàn)方案設(shè)3個(gè)重復(fù)，共42個(gè)試驗(yàn)小區(qū)（記為Tij，i=1，2，3，…，14；j=1，2，3），每一小區(qū)選10株大小一致的、健康的‘新新2號(hào)核桃樣株，共420株。N肥選用新疆塔里木油田石化分公司生產(chǎn)的尿素[CO（NH2）2，含N 46%]，P肥選用云南云天化國際化工有限公司生產(chǎn)的重鈣[Ca（H2PO4）2，含P2O5 46%]，K肥選用國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司生產(chǎn)的硫酸鉀（K2SO4，含K2O 51%）。每一處理施N、P、K肥于樹冠的2/3處且采用環(huán)狀溝施的方式在萌芽前全部施入，施肥時(shí)環(huán)狀溝深為50 cm。施肥時(shí)間在2014年3月中下旬進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 光譜數(shù)據(jù)采集 以田間試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用UniSpec-SC單通道便攜式光譜分析儀測(cè)定樹齡為12年的核桃樹葉片光譜反射率。該儀器為整合式電腦，內(nèi)置光源?？梢栽诟袘?yīng)范圍內(nèi)（300～1 100 nm）進(jìn)行連續(xù)測(cè)定，光譜分辨率<10 nm，精確度是0.3 nm。使用光譜分析儀應(yīng)選擇在晴朗無云的日子進(jìn)行，時(shí)段在11：30—16：30。光譜儀每個(gè)時(shí)期使用之前都需要用白版進(jìn)行校準(zhǔn)，每株樣樹選健康且無蟲害的葉片多次重復(fù)測(cè)定?！滦?號(hào)核桃光譜數(shù)據(jù)采集的5個(gè)生育期，依次是果實(shí)坐果期（5月4日）、速生生長期（5月29日）、硬核期（7月12日）、脂化期（8月5日）、近成熟期（8月30日）。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析與處理 在測(cè)定的光譜反射率數(shù)據(jù)中，選擇與葉綠素濃度呈正相關(guān)性的ND705[27]進(jìn)行換算，光譜指數(shù)計(jì)算公式：

ND705=（R750-R705）/（R750+R705-2R445）

式中，R750、R705、R445分別指750 ，705，445 nm波段的光譜反射率值，ND705表示光譜指數(shù)。

數(shù)據(jù)處理過程中采用Microsoft Excel居多；采用MultiSpec5.1.5整理光譜數(shù)據(jù)；采用DPS 7.5統(tǒng)計(jì)軟件分析數(shù)據(jù)；采用Origin7.5軟件制圖。

每個(gè)生育時(shí)期葉片內(nèi)葉綠素含量是不斷變化的，光譜指數(shù)也會(huì)有所差異。選用單因素方差分析法（One-way ANOVA）分析葉片光譜指數(shù)的差異性，用最小顯著差方法（LSD方法）對(duì)不同生育期葉片光譜指數(shù)（ND705）進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 各生育時(shí)期‘新新2號(hào)核桃葉片光譜特性與曲線特征

‘新新2號(hào)核桃在不施肥（空白對(duì)照）情況下，測(cè)定果實(shí)5個(gè)生育期葉片的光譜反射率，葉片光譜曲線呈現(xiàn)相同趨勢(shì)特征（由圖1可見）。由于首端（310～360 nm）受大氣吸收干擾和儀器噪聲的影響，光譜曲線首端較不穩(wěn)定，但隨著波長的增加，光譜曲線逐漸趨近于穩(wěn)定，且呈現(xiàn)低—高—低反射平臺(tái)的光譜反射特征。在整個(gè)光譜維中，可見光（400～780 nm）波段反射率較低，近紅外（780～1 050 nm）波段反射率偏高且較穩(wěn)定。在400～760 nm波段范圍里，藍(lán)紫波段呈低—高—低的趨勢(shì)，分別呈現(xiàn)“藍(lán)邊”、“綠峰”、“黃邊”、“紅谷”等比較奇特的光譜圖象，且在該波段范圍內(nèi)，各生育期‘新新2號(hào)核桃葉片光譜反射率值表現(xiàn)出果實(shí)坐果期>硬核期>速生生長期>成熟期>酯化期的規(guī)律。在700～780 nm波段里，光譜曲線出現(xiàn)一個(gè)巨大陡峭的爬升脊是紅光的強(qiáng)烈吸收與近紅外光的大力反射共同作用的結(jié)果，葉片光譜反射率隨著果實(shí)發(fā)育表現(xiàn)出迅速上升的現(xiàn)象。在整個(gè)波段范圍內(nèi)，310～360 nm和1 060～1 110 nm波段內(nèi)光譜反射率不穩(wěn)定，其他光譜波段（370～1 060 nm）皆為穩(wěn)定且可行性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)。綜上可知，‘新新2號(hào)核桃果實(shí)不同生長發(fā)育過程中葉片光譜特性與波長密切相關(guān)。

2.2 各生育時(shí)期‘新新2號(hào)核桃葉片光譜反射率對(duì)3個(gè)因素的響應(yīng)

2.2.1 果實(shí)生長發(fā)育過程中葉片光譜反射率對(duì)N肥的響應(yīng) 以田間施肥方案設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，T2、T3、T6、T11為N肥的4個(gè)處理?！滦?號(hào)核桃隨著果實(shí)的發(fā)育變化，其4個(gè)處理葉片光譜曲線表現(xiàn)出相同趨勢(shì)（圖2）。且5個(gè)果實(shí)生育時(shí)期在550～680 nm波段內(nèi)光譜反射率均呈降低趨勢(shì)，其中，果實(shí)坐果期和近成熟期降低的趨勢(shì)較為明顯。而在速生生長期葉片光譜反射率表現(xiàn)出T2>T6>T3>T11；近紅外范圍內(nèi)，果實(shí)坐果期T11處理的葉片光譜反射率高于其它3個(gè)處理；硬核期與脂化期T3的處理反射率均較高；而果實(shí)近成熟期T11處理的葉片光譜反射率最低。

2.2.2 果實(shí)生長發(fā)育過程中葉片光譜反射率對(duì)P肥的響應(yīng) 處理T4、T5、T6、T7是P肥的4個(gè)水平。不同P肥水平條件下‘新新2號(hào)核桃葉片光譜反射率表現(xiàn)出和N肥不同水平條件下相同的趨勢(shì)（圖3）。在可見光（400～780 nm）波段，葉片光譜反射率隨著果實(shí)生長發(fā)育呈現(xiàn)先低、后高、再低的變化，但整體趨勢(shì)相似；近紅外波段葉片光譜反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可見光波段光譜的反射率，且在此波段，5個(gè)生育時(shí)期的葉片光譜反射率均存在一定程度差異。

2.2.3 果實(shí)生長發(fā)育過程中葉片光譜反射率對(duì)K肥的響應(yīng) 對(duì)于N和P為同一水平施肥的T8、T9、T6、T10等4個(gè)水平，K施肥量依次增加（圖4）。在可見光波段，硬核期T10處理的葉片光譜反射率明顯高于其他處理，其他時(shí)期葉片光譜反射率差異不大。在近紅外波段范圍內(nèi)，硬核期T10處理的葉片光譜反射率仍然較其它處理高；果實(shí)近成熟期4個(gè)處理的葉片光譜反射率呈現(xiàn)T8>T6>T10>T9。

2.3 各生育時(shí)期‘新新2號(hào)核桃葉片光譜指數(shù)（ND705）的差異性

采用與葉綠素濃度呈正相關(guān)性的葉片光譜指數(shù)（ND705）進(jìn)行單因素方差分析處理可得到（表2），3個(gè)因素N、P、K在0水平（空白對(duì)照）情況下，不同生育時(shí)期‘新新2號(hào)核桃葉片光譜指數(shù)（ND705）差異不顯著（P >0.32）。此外，3個(gè)因素在除了0水平以外的其他水平下組間組內(nèi)值差異均較大。但是N、P、K在1（施肥量不足）、2（最佳施肥量）、3（過量施肥）水平下，果實(shí)不同生育時(shí)期‘新新2號(hào)核桃葉片光譜指數(shù)（ND705）與其他生育時(shí)期存在顯著差異（P<0.05）或極顯著差異（P<0.01）。

通過葉片光譜指數(shù)（ND705）的進(jìn)一步多重比較得出，在N肥1、2、3個(gè)水平條件下，‘新新2號(hào)核桃果實(shí)硬核期、酯化期、近成熟期葉片光譜指數(shù)（ND705）沒有明顯差異，而在2水平下，坐果期葉片光譜指數(shù)（ND705）差異性達(dá)到極顯著（P<0.01）（圖5）。在5個(gè)果實(shí)生育時(shí)期P肥和K肥進(jìn)行對(duì)比，葉片光譜指數(shù)（ND705）達(dá)到顯著水平（P<0.05）和極顯著水平（P<0.01）的是果實(shí)的坐果期（圖6、圖7）。所以，‘新新2號(hào)核桃N素、P素和K素葉片光譜監(jiān)測(cè)與營養(yǎng)診斷的敏感期是果實(shí)的坐果期。

3 討 論

（1） ‘新新2號(hào)核桃果實(shí)5個(gè)生育時(shí)期的葉片光譜反射率與波長的變化密切相關(guān)，隨著波長的增加光譜曲線變異程度逐漸減小。由于首端（310～360 nm）受大氣吸收干擾和儀器噪聲的影響，光譜曲線首端較不穩(wěn)定，但隨著波長的增加，光譜曲線逐漸趨近于穩(wěn)定，且呈現(xiàn)低—高—低反射平臺(tái)的光譜反射特征。反射平臺(tái)是由于作物的葉、花內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)多次反射、散射的結(jié)果。在整個(gè)光譜維中，可見光（400～780 nm）波段由于藍(lán)紫、紅橙等光促進(jìn)植物的光合作用形成葉綠素和類胡蘿卜素等，對(duì)此波段的強(qiáng)烈吸收作用，使得反射率較低；在近紅外（780～1 050 nm）波段因海綿組織、葉肉細(xì)胞反射出大量的入射能量，使得反射率偏高且較穩(wěn)定。

（2） ‘新新2號(hào)核桃樹體N素葉片光譜營養(yǎng)監(jiān)測(cè)與診斷的敏感期是坐果期。由于不同作物在不同環(huán)境條件下樹體的色素含量、營養(yǎng)和水分狀況等生理生態(tài)特征[12]都不同，其植被葉片的光譜反射率也有差異[27]，對(duì)N素的敏感期自然不同。當(dāng)作物施氮肥量不足時(shí)，樹體營養(yǎng)不足首先影響到葉綠素合成，表現(xiàn)出葉片顏色變淺甚至發(fā)黃萎蔫[8]，而光譜反射率較高，此時(shí)老葉的營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸至新葉中，缺N癥使老葉由下向上早衰至脫落；然而當(dāng)過量地施氮肥時(shí)，葉綠素濃度會(huì)降低，而對(duì)于不同作物不同環(huán)境條件下降低的程度不同，樹體內(nèi)部葉綠素、蛋白質(zhì)和纖維素含量均不同，使得光譜反射率也不同。所以利用光譜特性和葉綠素濃度之間的相關(guān)性分析，可推斷出‘新新2號(hào)核桃果實(shí)坐果期N素葉片光譜營養(yǎng)診斷。

（3） ‘新新2號(hào)核桃樹體P素葉片光譜營養(yǎng)診斷的敏感期是果實(shí)的坐果期。由于缺P素造成了葉片葉綠素含量的下降[9]，還影響花青素的含量，使得光合作用效率低，其相應(yīng)癥狀會(huì)在植株老體部分緩慢地表現(xiàn)出來，自然也會(huì)影響到作物的產(chǎn)量狀況。與N相對(duì)比，研究P素葉片光譜敏感性的文獻(xiàn)比較少，得到的結(jié)論也不一致[7]。劉軍等[29]的研究表明，黃瓜在初花期器官中磷的含量差異較大，但隨著生育期變化，在莖、葉中磷的含量逐漸穩(wěn)定；而在初瓜期以后，磷在根中的含量明顯高于在其他器官中的含量。薛利紅等[30]研究認(rèn)為，小麥缺磷降低了近紅外波段反射率，對(duì)可見光波段反射率的影響受到生育階段和其他肥料互作的影響?？梢姡煌参锶~片光譜P素的敏感期都有一定差異。

（4） ‘新新2號(hào)核桃樹體K素葉片光譜營養(yǎng)監(jiān)測(cè)果實(shí)坐果期是其敏感期。K素是作物生長發(fā)育的重要元素，對(duì)植物體的需求僅次于N素與P素。利用高光譜數(shù)據(jù)對(duì)植物K元素進(jìn)行研究報(bào)道的甚少，并且其研究結(jié)果相互之間存在偏差[2]。研究發(fā)現(xiàn)[29]，苗期黃瓜對(duì)鉀的吸收比例較低，初花期吸收速率和吸收量都增加，其吸收比例逐漸上升，此時(shí)黃瓜逐步進(jìn)入營養(yǎng)生長和生殖生長并重的關(guān)鍵時(shí)期。此外，還有研究表明[30]，缺鉀對(duì)冠層光譜的影響相對(duì)較小，最大差異僅為16%左右，均達(dá)不到顯著水平。到現(xiàn)在為止，植物體葉片K素的光譜特性研究和營養(yǎng)監(jiān)測(cè)與診斷研究較少，還需要進(jìn)一步研究證實(shí)。

4 結(jié) 論

（1）在整個(gè)光譜波段里，由于首端（310～360 nm）受大氣吸收干擾和儀器噪聲的影響，光譜曲線首端較不穩(wěn)定，但隨著波長的增加，光譜曲線逐漸趨近于穩(wěn)定，且呈現(xiàn)低—高—低反射平臺(tái)的光譜反射特征；近紅外線波段反射率普遍高且較穩(wěn)定。

（2）‘新新2號(hào)核桃N素、P素和K素葉片光譜監(jiān)測(cè)與營養(yǎng)診斷的敏感期是果實(shí)的坐果期。

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