玉米葉片凈光合速率快速檢測方法研究

張雨晴，于海業(yè)，劉 爽，于 通，隋媛媛

(吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022)

0 引言

近年來，利用光譜檢測技術(shù)監(jiān)測植物生長環(huán)境及生理狀態(tài)逐漸受到人們的關(guān)注[1]。作為一種無損主動探測技術(shù)的重要組成部分，葉綠素?zé)晒夤庾V檢測為評價植物在環(huán)境中的生長狀況提供一種特殊方法[2]。

植物凈光合速率是衡量植被生產(chǎn)力及體現(xiàn)植物整體長勢的重要指標(biāo)[3]。光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能為植物生長提供能量，并利用它把CO2和水等無機(jī)物合成有機(jī)物且釋放出氧氣[4]。植物葉片受光激發(fā)后，大部分光能以熱耗散和光合作用方式消耗，但有一小部分(通常約占吸收光能的3%)光能以葉綠素?zé)晒獾姆绞结尫?，這種進(jìn)化而來的光保護(hù)機(jī)制能最大限度減少強(qiáng)光對植物的潛在傷害，避免葉綠體吸收光能超過光合作用的消化能力[5]。葉綠素?zé)晒庾鳛橹参矬w的自發(fā)光是檢測植物生理信息的重要技術(shù)手段，具有快速、非破壞性及精準(zhǔn)的特點(diǎn)，被譽(yù)為植物體“內(nèi)在性”無損傷探針[6-8]。光合作用主要依靠葉綠素對光能的吸收、轉(zhuǎn)化、利用和傳遞來進(jìn)行，所以葉綠素分子受到激發(fā)后所發(fā)射的熒光信號能夠很好地表達(dá)光合作用的活性和強(qiáng)弱。由此，分析植物葉綠素的熒光信息可作為植物光合作用能力探測的依據(jù)，為監(jiān)測植物生長環(huán)境及生理狀態(tài)提供參考價值[9-10]。目前，利用葉綠素?zé)晒夤庾V可遙感監(jiān)測植物長勢和預(yù)估產(chǎn)量[11],進(jìn)行植物病蟲害預(yù)警[12-13]、檢測葉綠素含量[14]及檢測水分脅迫[15]等研究。

1 材料與方法

1.1 供試品種

供試玉米品種選擇抗旱性較強(qiáng)的先玉335，采用盆栽實(shí)驗(yàn)，選用上口徑26cm、下口徑18cm、高17cm的塑料盆，土壤有機(jī)質(zhì)含量為12.59g/kg，全氮含量為0.727g/kg。2017年4月21日對玉米種子進(jìn)行催芽，2h之后播種在花盆里面，每盆播種2粒種子。三葉期定植時，每盆里面留下長勢較好的1株作為后期試驗(yàn)研究對象。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣本采集

本實(shí)驗(yàn)于吉林大學(xué)日光溫室內(nèi)進(jìn)行(地處北緯44°50′，東經(jīng)125°18′，海拔高度150m)。實(shí)驗(yàn)樣本選擇長勢均勻、完全展開的健康葉片，于天氣晴朗時采集植物葉片的生理信息參數(shù)、溫度、光照等環(huán)境信息。選取植株大小相近、長勢好、葉片伸張自然、無病蟲害的活體樣本。選取樣本中葉位相同、葉面無斑無破損、葉色相近及葉面平整的葉片作為樣本葉片，基于葉片尺度下測量，將檢測儀器的測定點(diǎn)定為主葉脈的一側(cè)，靠近葉片的中央位置[16]，待參數(shù)基本穩(wěn)定記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.3 葉片生理信息及光譜的采集

采用美國產(chǎn)LI-6400型便攜式光合作用儀對玉米葉片進(jìn)行測定，獲取葉片生理信息觀測指標(biāo)，包括凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、葉片溫度(Ti)、光合有效輻射(PAR)、環(huán)境CO2濃度及相對濕度等參數(shù)。采用荷蘭AVANTES公司生產(chǎn)的AvaSpec-2048-USB2型光纖光譜儀同步采集360～1100nm波段的葉綠素?zé)晒夤庾V。激發(fā)光源采用中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所產(chǎn)的MBL-Ⅲ-473nm型固體激光器，調(diào)整輸出波長為473nm，輸出強(qiáng)度為7.5mW，采樣積分時間為1.1ms。光譜采集時，需要把活體樣本葉片置于黑色墊板之上，熒光探頭輕輕壓住葉片，保證熒光探頭和黑色墊板平行穩(wěn)定，此時激發(fā)光與葉片形成45°夾角[1]。

1.4 實(shí)驗(yàn)時間

光合作用依靠光合色素分子從外界吸收能量，能量的變化隨光照強(qiáng)度而改變，對植物的光合作用有著直接影響。葉綠素發(fā)射的熒光的能量占天線色素吸收能量的3%～5%，因此一天中光合速率和葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度均發(fā)生變化[16]。普通品種玉米的將光合速率的日變化曲線呈雙峰型，峰值出現(xiàn)在每天上午10:00左右[17]。故本試驗(yàn)將時間確定在2017年6月24-27日晴朗天氣的上午10:00進(jìn)行，每次測定20片，每葉重復(fù)測量3次取平均值，測量4天，共計80片試驗(yàn)樣本。

1.5 樣品統(tǒng)計結(jié)果與數(shù)據(jù)計算

選取的玉米葉片凈光合速率統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 樣品凈光合速率統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statisical results of nitrate content in samples μmol/m2·s

采用實(shí)際觀測值與觀測的最大值之比對變量進(jìn)行無量綱化處理，即

yij=Xij/max(Xij)

(1)

其中，Xij為原始變量值；yij為無量綱化后的變量值。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即

(2)

其中，zij為標(biāo)準(zhǔn)化后的變量值；n為樣本個數(shù)。

計算決定系數(shù)R2為

(3)

計算標(biāo)準(zhǔn)誤差SE為

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 葉綠素?zé)晒夤庾V敏感波段的確定

通過對玉米葉片凈光合速率測定及葉綠素?zé)晒夤庾V的采集，獲得葉片的凈光合速率與相應(yīng)的葉綠素?zé)晒夤庾V，如圖1所示。由圖1 可以看出：對于不同凈光合速率的玉米葉片，激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度不同，玉米葉片的凈光合速率在500～550nm、675～715nm、715～745nm等3個波段均出現(xiàn)了熒光強(qiáng)度峰值，中心波長分別為513、685、736nm，將中心波長處的熒光強(qiáng)度峰值依次表示為F513、F685、F736,作為葉綠素?zé)晒夤庾V特征參數(shù)。在500～550nm波段的熒光強(qiáng)度峰值有交叉現(xiàn)象，因此這個波段不適宜作為玉米葉片凈光合速率與熒光光譜關(guān)系研究的波段；在675～715nm、715～745nm波段內(nèi)，不受激發(fā)光波段的影響，光譜曲線清晰無重疊交叉現(xiàn)象，可以較好地反映玉米葉片葉綠素?zé)晒夤庾V與凈光合速率的關(guān)系，故選擇675～715nm、715～745nm波段做為敏感波段進(jìn)行下一步研究。

圖1 不同葉片凈光合速率與葉綠素?zé)晒夤庾V的關(guān)系Fig.1 Chlorophyll fluorescence spectra of leaves under net photosynthetic rate

2.2 葉片凈光合速率與葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度

分別采用公式(1)和公式(2)對F685、F736、F685/F736和玉米葉片凈光合速率進(jìn)行無量綱化處理和標(biāo)準(zhǔn)化處理。將無量綱化和標(biāo)準(zhǔn)化后的玉米葉片凈光合速率與F685、F736和F685/F736進(jìn)行線性擬合，得到的回歸模型如表2所示。

表2 基于葉綠素?zé)晒夤庾V特征參數(shù)的葉片凈光合速率回歸模型Table 2 Regression model of leaf net photosynthetic rate based on characteristic parameters of chlorophyll fluorescence spectrum

Y代表無量綱化和標(biāo)準(zhǔn)化處理后的玉米葉片凈光合速率。

由以上可以看出：基于F685/F736的建立的葉片凈光合速率回歸模型，決定系數(shù)僅為0.072，標(biāo)準(zhǔn)誤差達(dá)到0.211，不適宜預(yù)測玉米葉片凈光合速率?；贔685建立的回歸模型，對玉米葉片凈光合速率具有較高精度預(yù)測，決定系數(shù)為0.792，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.10。而在模型中加入另一個變量F736對提高模型精度貢獻(xiàn)率不大，在樣本量一定的情況下，自變量的增加會導(dǎo)致自由度的減少，從而影響回歸模型的擬合度[18]。

因此，該文選用F685建立玉米葉片凈光合速率的回歸模型，回歸方程如表2所示。在0.01水平下顯著相關(guān)，該模型能夠很好地反映出激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒夤庾V特征參數(shù)與玉米葉片凈光合速率的關(guān)系。F685與葉片的凈光合速率關(guān)系如圖2所示。

圖2 685nm葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度與葉片凈光合速率的關(guān)系Fig.2 Relationship between leaf net photosynthetic rate and F685

2.3 葉片凈光合速率回歸模型的驗(yàn)證

將同一批試驗(yàn)的30個樣本作為回歸方程的校驗(yàn)集，用已建立的玉米葉片凈光合速率回歸模型進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測值與實(shí)測值關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 葉片凈光合速率模型預(yù)測值與實(shí)測值關(guān)系Fig.3 Relationship between predicted value and measured value of leaf net photosynthetic rate based on model

回歸模型的決定系數(shù)為R2=0.7921，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.10。由此可見，該回歸模型對玉米凈光合速率具有良好的預(yù)測效果。

3 結(jié)論

在葉片水平上同步采集凈光合速率、葉綠素?zé)晒夤庾V，研究利用葉綠素?zé)晒夤庾V對凈光合速率進(jìn)行預(yù)測的可行性。通過對685nm和736nm兩個波峰熒光強(qiáng)度的提取，結(jié)合相關(guān)分析和回歸分析，利用葉綠素?zé)晒夤庾V反映植物凈光合速率的變化，最終建立基于675～715nm波段的葉綠素?zé)晒夤庾V特征參數(shù)與玉米葉片凈光合速率的回歸模型，在0.01水平下顯著相關(guān)。該模型對拔節(jié)期玉米葉片的凈光合速率具有良好的預(yù)測能力，可以作為玉米葉片快速無損檢測的方法。