基于SPAD值的春石斛假鱗莖成熟度無損判定模型

溫碧柔，蔡雪妍，楊 逸，彭杰良，陳方堯，聞?wù)嬲?，?偉

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.西安交通大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，陜西 西安 710049；3.廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510000）

0 引言

【研究意義】春石斛（Nobile-type Dendrobium）是以蘭科（Orchidaceae）石斛屬（Dendrobium）模式亞屬（Eu-Dendrobium）植物為親本培育形成的雜交后代，株型美觀，花多優(yōu)美且多具香氣，是高檔的盆栽年宵花卉[1]，其自然花期為3～4月[2]。為了使春石斛在元旦或春節(jié)開花，需要在假鱗莖成熟時，對植株進(jìn)行低溫春化處理，促使花芽形成。然而因不同年份氣候差異，即使在相同的時間起始春化處理，誘導(dǎo)開花效果卻極不穩(wěn)定，其原因是該起始時間假鱗莖成熟度在不同年份的不一致。目前對假鱗莖成熟度的判斷，主要依賴是時間和經(jīng)驗，如止葉（假鱗莖上最后形成的一片葉）成熟后的時間，實際生產(chǎn)中偏差極大。為了確定春化適宜的起始時間，獲得良好的春化效果，準(zhǔn)確判斷春石斛假鱗莖成熟度方法的建立就顯得極為重要了，也為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)的實施奠定技術(shù)基礎(chǔ)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】春化溫度、春化時間以及假鱗莖的成熟度是影響春石斛春化效果的關(guān)鍵的因素，對其任一因素的控制不當(dāng)，都會影響春化效果，導(dǎo)致觀賞價值嚴(yán)重下降。Yen等[3]研究表明，13 ℃低溫處理3周可以滿足金釵石斛低溫春化的要求，但未提及假鱗莖成熟度的問題。春化溫度和時間是便于監(jiān)測和控制的指標(biāo)，但目前缺少關(guān)于適合春化的假鱗莖成熟度（或春化處理起始時間）的有效標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)中多以止葉出現(xiàn)后的時間為主要指標(biāo)進(jìn)行衡量，如一些研究認(rèn)為春石斛的止葉出現(xiàn)時，假鱗莖充實飽滿，是假鱗莖成熟的標(biāo)志[4-5]。由于不同年份氣候條件等的差異，常造成假鱗莖成熟所需的時間不一致，僅以止葉出現(xiàn)的時間作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，誤差極大，引起春化處理效果不穩(wěn)定[6]。徐雨[7]發(fā)現(xiàn)過早春化會導(dǎo)致春石斛花朵數(shù)量降低，甚至不開花；春化時間過晚，又會引起嚴(yán)重的葉片脫落。葉片葉綠素相對含量值（Soil and plant analyzer development， SPAD），可在無損的前提下測定，有效表示植物葉片葉綠素含量的高低，并可以在環(huán)境條件基本一致的前提下，間接反映葉片的發(fā)育階段。張鳳良等[8]研究了橡膠樹的葉片發(fā)育過程SPAD值的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在橡膠樹葉片發(fā)育過程中，前期葉片的SPAD值會緩慢上升，中期基本無變動，后期隨葉片顏色逐漸變黃SPAD值下降，該過程可以較為準(zhǔn)確地反映出葉片的發(fā)育過程。春石斛葉片互生，發(fā)育過程一次發(fā)生，并且有止葉，因此止葉向下連續(xù)葉片發(fā)育狀態(tài)，可以較好地反映假鱗莖的發(fā)育狀態(tài)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture）是依靠先進(jìn)信息技術(shù)精準(zhǔn)定位、定時、定量的現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理系統(tǒng)。依靠近紅外光譜等技術(shù)，實時監(jiān)控作物生長與成熟狀況，收集生長特征，并建立作物生長管理模型，可預(yù)測采收期等，有效提高生產(chǎn)效率[9]。通過光譜技術(shù)等方法，可無損檢測植株冠層大小[10]、葉面積[11]、采收部位特殊內(nèi)含物[12]等。岳學(xué)軍等[13]利用高光譜技術(shù)檢測柑橘葉片葉綠素含量，可快速無損地判斷柑橘植株是否處于采果期。【本研究切入點】春石斛春化處理的起始，是由假鱗莖的成熟度來確定的，只有成熟度適宜的假鱗莖，才能產(chǎn)生良好的春化效果，并最終得到優(yōu)質(zhì)的盆花商品。而目前春石斛生產(chǎn)中，假鱗莖成熟度是通過止葉形成的時間及經(jīng)驗進(jìn)行判定的[4-5]，環(huán)境因素影響極大，是造成優(yōu)質(zhì)品獲得率低的瓶頸?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究測定了止葉及其下部共 5 片葉片的SPAD值與葉位回歸方程系數(shù)，并以此系數(shù)作為假鱗莖的成熟度指標(biāo)，構(gòu)建春石斛春假鱗莖成熟度判斷的新方法，并通過對不同品種春石斛、同品種該系數(shù)值不同的假鱗莖起始春化，統(tǒng)計春化處理后開花狀況，對方法進(jìn)行驗證，從而解決春石斛春化起始時間僅依賴時間和經(jīng)驗進(jìn)行判斷、春化效果不穩(wěn)定的問題。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

春石斛品種可愛河馬（DendrobiumLovly Hippo）和大龍蝦（DendrobiumHot Lobster）購自海南省，DendrobiumSakura Hime、甜心（DendrobiumLucky Girls ‘Sweet heart’）購自東莞市花卉糧作研究所。均為組培苗，栽培3年以上（圖1）。

于2～3月選擇生長狀況良好且狀態(tài)一致的植株，用水苔或蘭石種植于65 mm的塑料杯中。當(dāng)新生假鱗莖高度達(dá)到前一年假鱗莖高度的50%左右時，剪去前一年的假鱗莖。栽培大棚上方覆蓋一層活動遮陰網(wǎng)，設(shè)置有水墻、風(fēng)機(jī)、霧化噴淋系統(tǒng)和溫濕度及光強(qiáng)感應(yīng)器，濕度60%～80%，最大光照強(qiáng)度小于30 000 lx。整個試驗過程中，不出現(xiàn)干旱、光照過強(qiáng)及連續(xù)遮蔭等逆境狀況。

植株栽種3 d后開始，于下午5:00～5:20啟動噴淋系統(tǒng)，噴水20 min；1周后開始施用1 000倍的花多多2號葉面肥（10-30-20-TE），每周1次。1個月后，施用肥效期為90 d的奧綠1號緩釋肥（14-14-14），每盆2 g。至8月下旬開始停止所有施肥，控制基質(zhì)偏干。

1.2 試驗方法

1.2.1 探究SPAD值與春石斛成熟度的關(guān)系 大龍蝦石斛、D.Sakura Hime及甜心石斛，從止葉葉齡10 d開始，每隔30 d，用葉綠度儀SPAD-502測量如圖1所示的5個葉位葉片的SPAD值。每個品種設(shè)置3個重復(fù)，每重復(fù)10株。以止葉葉齡為橫坐標(biāo)x，不同葉位的SPAD值為縱坐標(biāo)y，繪制折線圖，建立SPAD值與葉齡的相關(guān)關(guān)系。

以止葉抽出后第10、100、190 d為假鱗莖3個不同成熟狀態(tài)的測定點，分別測定上述3種石斛的3個不同成熟狀態(tài)下，如圖1所示的5個葉位葉片的SPAD值，每個品種各設(shè)置3個重復(fù)，每重復(fù)10株。以葉位為橫坐標(biāo)x，各時期各葉位的SPAD值為縱坐標(biāo)y，構(gòu)建各時期不同葉位SPAD值的線性回歸方程y＝kx+b，獲得植株在各個時間點的k值，并將此數(shù)值稱為假鱗莖的差異指數(shù)，表示假鱗莖的成熟度，并建立差異系數(shù)與春石斛假鱗莖成熟度關(guān)系的模型。

1.2.2 驗證k值與春石斛成熟度關(guān)系 在本實驗室種植條件下，可愛河馬石斛與D.Sakura Hime的開花整齊度普遍較差，選擇此2個品種進(jìn)行k值與春石斛成熟度關(guān)系的驗證。

利用不同生長時間的假鱗莖進(jìn)行驗證，以可愛河馬石斛春芽為材料，6月15日開始，每7 d測定如圖1所示的5個葉位葉片的SPAD值，試驗設(shè)置3個重復(fù)，每重復(fù)10株，連續(xù)測定140 d。以測定時間為橫坐標(biāo)x，假鱗莖的差異指數(shù)k為縱坐標(biāo)y，繪制折線圖，驗證差異指數(shù)k與春石斛假鱗莖成熟度的關(guān)系。

利用春化開花效果進(jìn)行驗證，以可愛河馬石斛止葉展開時間分別為8月及10月的植株為材料，于11月初同時進(jìn)行春化處理。春化前測定其5個葉位葉片的SPAD值并計算k值，開花后統(tǒng)計其開花節(jié)數(shù)比率（開花節(jié)數(shù)/總節(jié)數(shù)），驗證差異指數(shù)k與春化效果的關(guān)系，試驗設(shè)置3個重復(fù)，每重復(fù)10株。春化條件為夜間溫度10～15 ℃，日溫≤25 ℃，濕度65%～85%，最大光照強(qiáng)度低于30 000 lx，連續(xù)處理25 d。春化處理結(jié)束后，控制夜溫≥15 ℃，日溫≤28 ℃。

再以可愛河馬和D.Sakura Hime植株為材料，以其假鱗莖的差異指數(shù)k為指標(biāo)，按照k值的大小，將各品種的植株分別分成3組，每組設(shè)置3個重復(fù)，每重復(fù)9株。同時開始春化處理，開花時統(tǒng)計各組的總開花數(shù)、每花芽開花數(shù)（總開花節(jié)數(shù)/花芽數(shù)）及開花節(jié)數(shù)比率，驗證基于差異指數(shù)k指示的假鱗莖成熟度與春石斛春化效果的關(guān)系。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理

所有數(shù)據(jù)采用IBM SPSS 21統(tǒng)計分析軟件完成。對于滿足正態(tài)性假設(shè)的計量指標(biāo)，采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，組間比較采用單因素方差分析（One-way Anova），檢驗水準(zhǔn)為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 SPAD值與春石斛成熟度的關(guān)系

2.1.1 SPAD值與春石斛葉齡的關(guān)系 如圖2～4所示，不同品種春石斛各葉位的葉片，SPAD值隨葉齡增加而增加，反映出葉片發(fā)育過程SPAD值變化規(guī)律的一致性。SPAD值的增加，反映出葉片發(fā)育的早期過程，光合系統(tǒng)逐漸完善；其后的一段時間SPAD值相對穩(wěn)定，葉片的功能也相對穩(wěn)定。不同葉位的葉片，在同一時間可能處于不同或相同的發(fā)育階段。在不同品種間，SPAD的數(shù)值存在差異，但這種規(guī)律是一致的。

如圖5所示，隨著假鱗莖的生長，SPAD值的差異指數(shù)（k）呈現(xiàn)k190d＜k100d＜k10d的規(guī)律。即k的數(shù)值隨著假鱗莖的成熟逐漸下降。不同春石斛品種都表現(xiàn)出相似的下降趨勢，但下降的速率存在差異。

2.2 k值與春石斛成熟度關(guān)系的驗證

2.2.1k值與不同生長時間假鱗莖的成熟度的關(guān)系驗證 從6月至11月，可愛河馬的假鱗莖的差異指數(shù)逐漸下降（圖6），與2.1.2所總結(jié)規(guī)律一致，證明春石斛假鱗莖的差異指數(shù)與成熟度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著假鱗莖的發(fā)育，葉片也逐漸成熟，靠上部葉片的葉綠素含量升高，不同葉位葉片間SPAD值的差異逐漸減小，差異指數(shù)逐漸降低。

2.2.2k值與春化處理效果關(guān)系的驗證 在不同生長時間的假鱗莖中，止葉形成較早的假鱗莖，生長時間較長，成熟度較高。8月份形成止葉的假鱗莖春化前的k值顯著小于10月份形成止葉的假鱗莖（P＜0.05），說明前者的成熟度大于后者。春化后，8月份形成止葉的假鱗莖開花節(jié)比率為42.34%；10月份形成止葉的假鱗莖春化后不開花（表1）。表明春化后的開花節(jié)比率與假鱗莖的成熟度呈正相關(guān)，與假鱗莖差異指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。在傳統(tǒng)的春化方法中，止葉展開時間較早的春石斛假鱗莖成熟度高，經(jīng)春化后可以正常開花；止葉展開時間較晚的春石斛假鱗莖成熟度較低，經(jīng)春化后不開花，說明差異指數(shù)k在傳統(tǒng)春化方法中也適用。

表1 可愛河馬（D.Lovly Hippo）春化開始時假鱗莖的差異指數(shù)與春化效果（n=3）Table 1 Difference index on Lovely Hippo pseudobulb before vernalization and flowering after vernalization (n=3)

利用春化開花效果對k值與春化的關(guān)系進(jìn)行驗證，由表2可知，可愛河馬假鱗莖的差異指數(shù)k組1＞k組2＞k組3，組3的總開花數(shù)與開花節(jié)數(shù)比率顯著高于其他兩組（P＜0.05）。對于D.Sakura Hime而言，若春化起始時差異指數(shù)較大（k＞1.77），植株春化仍不開花。而當(dāng)k≤1.77時，隨著差異指數(shù)的減小，總開花數(shù)與開花節(jié)數(shù)比率顯著增高，春化效果增強(qiáng)。表明差異指數(shù)k可以指代假鱗莖的成熟度，且k值越小，表示假鱗莖越成熟，春化后開花效果越好。

表2 D.Sakura Hime和可愛河馬石斛差異指數(shù)與春化效果（n=3）Table 2 Difference index on Sakura Hime, Lovely Hippo, and Lucky Girls Sweetheart pseudobulbs before vernalization and flowering after vernalization (n=3)

3 討論

春石斛處于營養(yǎng)生長階段時，葉片逐漸發(fā)育成熟，其葉綠素含量增加，SPAD值增大。春石斛葉片抽出的順序為E、D、C、B、A（圖1），先抽出的葉片先發(fā)育先成熟，葉綠體數(shù)量增加，葉綠素含量升高[14]。同一葉片的SPAD值隨葉片的成熟而增大，隨葉片的衰老而減小。在春石斛假鱗莖發(fā)育過程中，各葉片E、D、C、B、A葉的葉齡，依次遞減，SPAD值也依次遞減。故SPAD值的變化趨勢能體現(xiàn)葉片的成熟度。

A、B、C、D、E葉的SPAD值之間的差異指數(shù)k，可指示假鱗莖的成熟度，與通過時間和栽培經(jīng)驗的判斷方法，該模型對假鱗莖成熟度的判斷更為準(zhǔn)確。本研究分析3個春石斛品種的假鱗莖在止葉形成后10 d、100 d和190 d個不同成熟狀態(tài)下，5個葉位SPAD值之間函數(shù)關(guān)系的差異指數(shù)，均呈現(xiàn)k10d＞k100d＞k190d的規(guī)律，與春石斛假鱗莖的成熟度呈現(xiàn)穩(wěn)定的負(fù)相關(guān)的關(guān)系。春石斛春化效果與假鱗莖成熟度關(guān)系密切；可愛河馬石斛8月與10月形成止葉的假鱗莖，春化結(jié)果的差異，表明差異指數(shù)可將成熟與未成熟的假鱗莖區(qū)分開，選用成熟度較高（差異指數(shù)低）的假鱗莖，可產(chǎn)生更好且穩(wěn)定的春化效果。D.Sakura Hime和可愛河馬石斛的低溫春化效果表明，春化效果與其低溫春化開始時的差異指數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系：當(dāng)差異指數(shù)較小時低溫春化效果較好。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)相關(guān)研究表明，SPAD值與煙葉成熟度呈負(fù)相關(guān)，可作為判斷其成熟度的依據(jù)[15-18]。此外，SPAD值也與煙草的淀粉含量與感官評價、小麥的產(chǎn)量與千粒重、秈稻的食味值與蛋白質(zhì)含量等指標(biāo)相關(guān)[19-21]，可作為預(yù)計農(nóng)作物質(zhì)量高低的依據(jù)。

春石斛假鱗莖經(jīng)春化后的開花效果與其成熟度相關(guān)。本研究結(jié)果顯示，差異指數(shù)k值不同的假鱗莖，春化催花效果差異顯著，可作為春石斛春化適宜起始時機(jī)判斷的標(biāo)準(zhǔn)。盡管不同品種適宜春化起始時間的差異指數(shù)存在差異，但對于某固定品種卻是固定且一致的（2年、多批次的結(jié)果），因此該指標(biāo)可以在生產(chǎn)中實施。

本研究建立的春石斛假鱗莖成熟度判斷模型，可用于春石斛適宜的春化起始時間確定，具有快速、準(zhǔn)確及無損等特點，是對現(xiàn)有春石斛控花技術(shù)的重要改良，也為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)及設(shè)施在春石斛栽培生產(chǎn)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

利用葉綠度儀SPAD-502測定春石斛葉片的SPAD值并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)SPAD值隨葉片葉齡的增加而增加。差異指數(shù)k隨假鱗莖的成熟度增加而下降，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即k值越小，假鱗莖越成熟。差異指數(shù)k越小，假鱗莖越成熟，春化效果越好，開花質(zhì)量越好。以差異指數(shù)指示的春石斛假鱗莖的成熟度模型來判斷春化起始時間，在春石斛栽培生產(chǎn)應(yīng)用中是可行的。