韓小平，左月明，劉洋

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷030801）

番茄果實(shí)采收期較長，產(chǎn)量高［1］，充足的氮肥是保證番茄正常生長發(fā)育的重要因素［2］，但是氮肥的不合理施用也帶來一系列不可低估的問題［3］。目前，偏施氮肥已成為許多設(shè)施栽培中普遍存在的問題。

葉片作為作物進(jìn)行光合作用和蒸騰作用的重要器官，其發(fā)育狀況能夠直接反映作物的生長發(fā)育、抗逆性等生理功能，因而成為評價作物生長環(huán)境因子效應(yīng)的重要指標(biāo)［4］。

在作物進(jìn)行光合作用的過程中葉綠素是主要的吸收光能的物質(zhì)，直接影響作物光合作用的光能利用［5］。葉綠素含量的高低具有多重指示意義：一方面，由于與葉片氮含量間存在較好的相關(guān)性，可表征作物的營養(yǎng)狀況，葉綠素含量越高，一般葉片的氮含量也越多；另一方面，還可作為作物受脅迫及外界環(huán)境因子干擾狀態(tài)下的指示器［6］。

由于作物冠層和葉片反射光譜在可見光譜范圍內(nèi)主要受作物色素的影響［7］，因此，可以用作物葉片色素的反射光譜來估算其生化參數(shù)［8，9］。

作物葉片含氮量和葉綠素含量密切相關(guān)且變化趨勢相似。為了揭示番茄葉片葉綠素光譜特征與番茄施氮量之間關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)在較嚴(yán)格的栽培環(huán)境（日光溫室水培）和光譜數(shù)據(jù)獲?。ㄓ萌~片探測器）條件下，研究了單一氮素水平變化時，其葉片葉綠素光譜特征的變化規(guī)律。用小波變換對光譜信號進(jìn)行了去噪處理，將去噪后番茄葉片的光譜信號進(jìn)行了有關(guān)葉綠素特征波長的提取，用Excel對施氮水平與葉綠素吸光度進(jìn)行了相關(guān)性分析。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)對象及儀器

試驗(yàn)對象是山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)站日光溫室內(nèi)處于開花期的水培番茄葉片。按照單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置了5個施氮水平，分別為5、10、15、20、30 mmol·L－1（或0.14、0.28、0.42、0.56、0.84 g·L－1），每個施氮水平設(shè)置3個重復(fù)，具體營養(yǎng)配方如表1所示。

番茄葉片的可見／近紅外光譜曲線是通過美國ASD公司生產(chǎn)的Field Spec3便攜式近紅外光譜儀配合葉片探測器采集得到的。2010年10月4日至11月8日分3次在上午10∶00到11∶00選擇番茄植株頂層生長比較旺盛且葉面能夠完全遮蓋葉片探測器的有效測試部位的嫩葉進(jìn)行現(xiàn)場測試。數(shù)據(jù)采集前用標(biāo)準(zhǔn)白板對儀器進(jìn)行校正。由儀器測量得到的是番茄葉片的光譜反射率R，然后根據(jù)A＝－log（R）換算為葉片的吸光度（A）。每個施氮水平隨機(jī)采集25個樣品，共125個樣品。

表1 番茄營養(yǎng)液配方／mmol·L－1Table 1 The formula of tomato nutrient solution／mmol·L－1

1.2 葉綠素特征波長提取

由番茄葉片吸光度圖（圖1）可見，在可見光譜范圍內(nèi)存在嚴(yán)重噪聲，影響葉綠素有效信息的利用。小波變換在近紅外光譜技術(shù)的光譜去噪和有效信息的提取方面表現(xiàn)出不凡的優(yōu)勢［10］。采用小波變換對光譜信號進(jìn)行了去噪處理，用小波基“coif”的二階小波3水平分解，取得了較好的效果，既濾除了噪聲又保留了特征波段，如圖2所示。

圖1 去噪前的光譜圖Fig.1 The spectrum beforede－noising

圖2 去噪后的光譜圖（350～750 nm）Fig.2 The whole spectrum afterde－noising（350～750 n m）

由圖2可以看出，在可見光區(qū)有幾個明顯的吸收峰。韓小平等［11］研究發(fā)現(xiàn)波峰點(diǎn)所對應(yīng)的波長分別為366 n m，380 n m，414 n m，437 n m，487 n m。其中380 n m、437 n m是葉綠素b的吸收峰；414 n m是葉綠素a的吸收峰；487 n m是β－胡蘿卜素的吸收峰。另外366 n m是葉酸的吸收峰。還有一個明顯的特征波峰673 n m是葉綠素a的吸收峰，554 n m處是葉綠素的強(qiáng)反射峰。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉綠素吸光度與番茄施氮水平相關(guān)性

將提取出的葉綠素a和b的特征峰380 n m、414 n m、437 n m、673 n m處的吸光度值，在不同的施氮水平下分別取平均值進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖3所示，同樣將葉綠素的強(qiáng)反射峰554 n m處的吸光度值也進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖4所示。擬合模型及相關(guān)性見表2。

圖3 吸光度值和施氮量的相關(guān)性Fig.3 The correlation bet ween absorbency and fertilization nitrogen content

圖4 554 n m處的吸光度和施氮量的相關(guān)性Fig.4 The correlation at 554 n m bet ween absorbency and fertilization nitrogen content

表2 擬合模型及相關(guān)性Table 2 Fitting model and correlation

2.2 分析與討論

由表2可看出，在不同施氮水平下的番茄葉片葉綠素吸光度值與番茄施氮量呈二次多項(xiàng)式的關(guān)系，其決定系數(shù)都達(dá)到0.84以上。從曲線的變化趨勢上看，380 n m、414 n m、437 n m的擬合曲線幾乎是平行的，都是在施氮量為20 mmol·L－1（0.56 g·L－1）時葉綠素吸光度值達(dá)到最高，隨后隨著施氮量的增加番茄葉片的葉綠素吸光度值反而減小。

而673 n m處的擬合曲線在施氮量為10 mmol·L－1（0.28 g·L－1）時葉綠素吸光度值達(dá)到了最高。這可能是由于葉綠素對不同頻率光譜的選擇吸收造成的，也可能是由于在該波長處已經(jīng)很接近近紅外光譜區(qū)，光譜能量的轉(zhuǎn)移形式發(fā)生了變化造成的。

由圖4可看出，554 n m處的吸光度值隨著施氮量的增加依舊呈二次曲線變化趨勢，決定系數(shù)達(dá)到0.9377。與葉綠素吸收峰的變化趨勢基本相似，依然是在施氮量為20 mmol·L－1（0.56 g·L－1）附近時葉綠素吸光度值達(dá)到最高，隨后隨著施氮量的增加葉綠素吸光度值減小。

總之，在適宜的濃度范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加番茄葉片的吸光度值呈上升趨勢，但是當(dāng)施氮量達(dá)到一定水平后，隨著施氮量的增加番茄葉片中葉綠素的吸光度值反而減小。齊紅巖等［12］也得出相似的結(jié)論：土壤中氮素含量越高，植株葉片和果實(shí)中氮素含量也越高，超過一定范圍，反而會降低果實(shí)中氮素的比例。

3 結(jié)論

利用可見／近紅外光譜技術(shù)對番茄葉片的葉綠素吸光度與其施氮量進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果表明番茄葉片的葉綠素吸光度值與番茄的施氮量有很強(qiáng)的相關(guān)性。葉綠素特征波長在0～20 mmol·L－1氮濃度范圍內(nèi)，隨著營養(yǎng)液濃度的增加，番茄的葉片葉綠素吸光度值增大；在20 mmol·L－1（除673 n m外）時達(dá)到最大值；在20～30 mmol·L－1范圍內(nèi)，隨著營養(yǎng)液中氮濃度的增加，番茄的葉片的吸光度值反而減小。番茄葉片葉綠素吸光度值與葉綠素含量呈正相關(guān)關(guān)系，因此可以利用葉綠素吸光度值來反演番茄施氮水平。

［1］湯明堯，姚銀坤，高媛，等.施肥對加工番茄生長發(fā)育和養(yǎng)分吸收利用的影響［J］.中國土壤與肥料，2009（3）：26－30.

［2］曹兵，賀發(fā)云，徐秋明，等.南京郊區(qū)番茄地中氮肥的效應(yīng)與去向［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2006，17（10）：1839－1844.

［3］李艷.加工番茄氮素營養(yǎng)快速診斷方法的研究［D］.石河子：石河子大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［4］羅俊，張華，鄧祖湖，等.甘蔗不同葉位葉片形態(tài)與冠層特征的關(guān)系［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2005，11（1）：28－31.

［5］Filella D，Penuelas J.The red edge position and shape as indicators of plant chlor ophyll content，bio mass and hydric stat us［J］.Inter nal Jour nal of Re mote Sensing，1994，15（7）：1459－1470.

［6］Richardson A D，Duigan S P，Berlyn G P.An eval uation of noninvasive met hods to esti mate f oliar chlorophyll content［J］.New Phyto1.2002，153，185－194.

［7］Gausman H W，Allen W A，Cardenas R，etal.Relation of light reflectance to histological and physical evaluations of cotton leaf maturity［J］.Application of Optics，1970，9（3）：545－552.

［8］Card D H，Peterson D L，Matson P A，etal.Prediction of leaf chemistry by the use of visible and near infrared reflectance spectroscopy［J］.Remote Sensing of Envir on ment，1988，26（1）：123－147.

［9］Tho mas J R，Gaus man H W.Leaf Reflectance vs.Leaf chlor ophyll and carotenoid concentrations for eight cr ops［J］.Agr ono my jour nal，1977，60（6）：799－802.

［10］B R Jahn，P A Br ooksby，S K Upadhyaya.Wavelet－based spectral analysis for soil nitrate content measurement［J］.American Society of Agricultural Engineers，2005，48（6）：2065－2071.

［11］韓小平，左月明，李靈芝.水培番茄施氮量近紅外光譜預(yù)測模型的研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2010，30（9）：2479－2483.

［12］齊紅巖，李天來，富宏丹，等.不同氮鉀施用水平對番茄營養(yǎng)吸收和土壤養(yǎng)分變化的影響［J］.土壤通報，2006，37（2）：268－272.