宋英博

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

目前，化學分析方法測量葉綠素含量雖然較為準確，但因其破壞性大，且費時、費工、分析成本高，難以快速和簡單應用。因此，迫切需要能隨時進行大面積快速無損檢測的新技術。葉綠素計法（SPAD）和光譜分析方法是目前作物氮素診斷研究中的熱點。在現(xiàn)有的采用葉綠素計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養(yǎng)和生長狀況的重要指標。本試驗對兩種測定馬鈴薯葉片葉綠素相對含量進行了比較，結果表明Unispec－SC光譜儀比SPAD－502葉綠素計預測結果更為準確。

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，由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院佳木斯分院提供。

1.2 試驗概況

試驗于2008在年黑龍江省雙鴨山市四方臺區(qū)進行，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%。試驗地底肥每公頃（N:P2O5:K2O=12:18:15）50kg，建立試驗小區(qū)0.4 hm2，在試驗地中心位置選擇長勢一致8點，每點標定20株，掛牌編號。

1.2 主要儀器

美國（原英國）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)進行連續(xù)測量。日本美能達公司生產(chǎn)的SPAD－502葉綠素計，以上儀器由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院佳木斯分院提供。

1.3 測定內(nèi)容及方法

1.3.1 葉片光譜值和SPAD值的測定

在塊莖形成期和塊莖膨大期，采用Unispec－SC光譜儀和SPAD－502葉綠素計對馬鈴薯倒四葉的頂小葉進行光譜值和SPAD值的測定，每點選5株平均值作為該點的一次調(diào)查結果，并取下葉片。

1.3.2 葉綠素含量的測定

用丙酮乙醇混合液法測其葉綠素含量[5]。

1.4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel軟件進行統(tǒng)計處理。

2 結果與分析

2.1 不同時期馬鈴薯葉片光譜動態(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，在位于藍光及紅光之間的波段有反射峰下降，又由于葉綠素在整個可見光區(qū)域的吸收均很強，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附近有一個谷值，谷值附近的光譜反射率可直接用于植被生長狀態(tài)的估測[6]，或作為植被指數(shù)的一個波段。在310～730 nm波段有很強的吸光能力，相反，在 730～1130 nm波段由于細胞的散射作用，增大了光譜反射率[7]。由圖1可見兩時期表現(xiàn)趨勢相似。

2.2 不同時期馬鈴薯葉片SPAD的動態(tài)變化

用SPAD－502葉綠素計測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性分析

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

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

用SPAD來預測葉綠素含量時應注意：測定時所選擇葉片大小的影響，特別是葉片較小時，測定SPAD值時易取到葉脈部位，影響測定結果。葉色是許多因素綜合影響的結果，當植株缺N、P和微量元素時都會引起葉色發(fā)生變化，因此在用SPAD值估測葉綠素含量時，應選擇葉片已完全展開且進入功能盛期的葉片，通?？蛇x擇倒四葉的頂小葉[8]。馬鈴薯葉片SPAD的8個觀察值與相應的葉綠素含量進行相關性分析，算得的相關系數(shù)r=0.816，查表與r0.01,6=0.834，r0.05,6=0.707進行比較，相關關系達到顯著水平。

2.4 葉片光譜反射率與葉綠素含量的相關性分析

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

利用上述選取的波段，通過植被指數(shù)的計算公式，計算出RVI、DVI、NDVI和RDVI值，對4種植被指數(shù)與相應的葉綠素含量進行相關性分析，結果表明：在940nm和510nm組合的波段計算的植被指數(shù)與葉綠素相關性最好，并且以NDVI的相關系數(shù)最高，r=－0.9546，達到了極顯著水平（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葉綠素計是通過2個波段650 nm和 940 nm的組合來達到消除葉片內(nèi)部結構影響和測量葉綠素的目標。二種光穿透葉片，打到接收器上，通過接收器接收到的光強和發(fā)射光強比較，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紅外線強度；IR0為發(fā)射紅外光強度；R1為接收到的650 nm發(fā)紅光強度；R為發(fā)射紅外強度。光信號轉換成模擬信號，模擬信號被放大器放大，由模擬/數(shù)字轉換器轉換成數(shù)字信號，數(shù)字信號被微處理器利用，計算出SPAD值并顯示在顯示器上。本研究中馬鈴薯葉片SPAD的 8個觀察值與相應的葉綠素含量相關關系達到顯著水平，算得的相關系數(shù)|r|=0.8160。

美國（原英國）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)進行連續(xù)測量。并非SPAD－502葉綠素計固定650 nm和940 nm 2個波段的單一組合[9]。在310～730 nm波段內(nèi)，馬鈴薯選取510 nm、650 nm和680 nm 3個波段的光譜反射率，它們與葉綠素含量的相關性呈顯著；在730～1130nm波段，選取820nm和940nm2個波段，與葉綠素含量的相關性達到顯著水平。通過單一波段與葉綠素的相關分析，相關性一般，利用上述選取的波段，通過植被指數(shù)的計算公式，計算出RVI、DVI、NDVI和RDVI值，對四種植被指數(shù)與相應的葉綠素含量進行相關性分析，940nm和510nm波段建立的NDVI的相關系數(shù)最高，r=－0.9546，達到了極顯著水平。

研究發(fā)現(xiàn)，Unispec－SC光譜儀比SPAD－502葉綠素計預測結果更為準確。應用特定敏感光譜波段組合[10]，比葉綠素計自身選取的 650 nm和940 nm 固定組合更能精確測量葉綠素值。具體每個品種、每個生育期準確波段組合還有待進一步試驗來完成。

[1] 劉占宇,黃敬峰,王福民,等.估算水稻葉面積指數(shù)的調(diào)節(jié)型歸一化植被指數(shù)[J].中國農(nóng)業(yè)科學,2008,41(10):3350－3356.

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[4]宋開山,張柏,于磊,等.玉米地上鮮生物量的高光譜遙感估算模型研究[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究,2005,21(1):65－67.

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[6] Luther J E,Carroll A L.Development of an index of balsam fir vigor by foliar spectral reflectance[J].Remote Sensing of Environment,1999,69(3):241－252.

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