唐恒朋，錢曉剛，李莉婕，岳延濱，黎瑞君，聶克艷，趙澤英*

(1.貴州大學農(nóng)學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所，貴州 貴陽 550006)

不同施氮水平辣椒單葉光譜特征及SPAD值與葉綠素含量的相關性

唐恒朋1，錢曉剛1，李莉婕2，岳延濱2，黎瑞君2，聶克艷2，趙澤英2*

(1.貴州大學農(nóng)學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所，貴州 貴陽 550006)

為及時、準確無損地估測辣椒葉綠素含量，獲取辣椒長勢，通過田間試驗，分析2個辣椒品種不同氮肥水平下辣椒單葉反射光譜、SPAD值與葉綠素含量的相關性。結果表明：果實膨大期和盛果期葉綠素含量的特征波段長辣6號為680和2026 nm，火焰山為360和1349 nm，特征波段下光譜反射率與葉綠素含量之間的相關系數(shù)|r|分別為0.961、0.994、0.891和0.678(P<0.01)。不同品種辣椒葉片SPAD值與葉綠素含量(葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量)間存在正相關關系，相關性強弱均表現(xiàn)為長辣6號>火焰山。SPAD值與葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量之間的相關系數(shù)長辣6號為0.66、0.69和0.68(P<0.01)，火焰山為0.39、0.36和0.41(P<0.05)。

辣椒；氮素；SPAD；葉綠素；單葉光譜

氮素是植物生長的主要營養(yǎng)元素，辣椒從生育初期到采收期不斷吸收氮肥[1-3]，在辣椒產(chǎn)量品質形成及栽培調控中起著重要的作用。作物光譜分析是一種無損遙感測試技術，為當今遙感監(jiān)測作物長勢的有效方法[4]。不同肥力水平、同種植物不同發(fā)育階段的光譜曲線都會發(fā)生變化，因此葉片或冠層光譜反射率或透射率對光合色素含量的響應可作為監(jiān)測光合作用、氮素狀況和水、病害與污染等脅迫的一種有效手段[5-7]。

葉片光合色素包括葉綠素a、葉綠素b與類胡蘿卜素(胡蘿卜素和葉黃素)。其中，葉綠素是吸收光能的主要物質，其與植被脅迫、光合作用能力和氮素含量密切相關，是反映作物營養(yǎng)和生長狀況的重要指標[8-9]?；瘜W分析法測定葉綠素的含量雖然較為準確，但費時費力、成本高、野外條件下樣本不易保存，且易對植物造成傷害，不適宜大面積應用。近年來，葉綠素儀法(SPAD)和光譜分析法作為快速無損的檢測技術手段在作物氮素診斷研究中備受青睞，SPAD (Soil and Plant Analyzer Development)值的大小與植物葉片葉綠素含量密切相關[10]。目前，高光譜技術研究大多應用于水稻、玉米、小麥、棉花和大豆等糧食作物以及部分蔬菜作物上[11-13]，相關性研究也主要集中在SPAD值與葉綠素及氮含量、葉綠素的高光譜響應等方面[14-15]，關于辣椒光譜特征及SPAD值與葉綠素含量相關性方面的研究較少。為此，筆者等通過田間試驗，分析2個辣椒品種不同氮素條件下的單葉反射光譜、SPAD值與葉綠素含量的相關性，探究辣椒光譜特征及SPAD值與葉綠素含量的規(guī)律，提高葉綠素含量的估測精度，為大面積辣椒長勢的快速、無損及監(jiān)測和營養(yǎng)診斷提供參考和理論依據(jù)[16]。

1 材料與方法

1.1 供試材料及試驗地概況

供試辣椒品種為長辣6號和火焰山；肥料為尿素(N≥46 %)、普鈣(P2O5≥16 %)和氯化鉀(K2O≥60 %)。試驗于2014年在貴州省農(nóng)業(yè)科學院惠水縣好花紅鄉(xiāng)試驗基地進行，海拔1050 m(大氣壓為100.30 kPa)，北緯26°17′45″，東經(jīng)107°05′14″。試驗地為黃壤，土壤肥力中等，0～20 cm耕層土壤有機質含量56.87 g/kg，全氮3.33 g/kg，速效磷4.1 mg/kg，速效鉀102.19 mg/kg。

1.2 試驗設計

氮素處理設5個水平，分別為0 kg/hm2(不施氮素作對照組N0)、75 kg/hm2(N1)、150 kg/hm2(N2)、225 kg/hm2(N3)和375 kg/hm2(N4)，共30個小區(qū)，隨機區(qū)組設計。小區(qū)規(guī)格為9.0 m×0.9 m,按1.2 m連溝開廂，長9 m，廂面寬0.9 m，凈面積8.1 m2。行距60 cm，株距40 cm，廂植2行，每穴1株，每個小區(qū)30株。各試驗處理所用磷、鉀肥均為60 kg/hm2P2O5和 415 kg/hm2K2O，氮、磷肥作基肥一次施用，鉀肥按基肥:保花肥 1∶1 施用，其他田間管理措施同常規(guī)栽培。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 辣椒葉片光譜反射率的測定 辣椒定植后，在每一試驗小區(qū)內選取長勢相近的3株掛牌定點測量，測量時間為2014年6月13日(果實膨大期)和2014年7月9日(盛果期)。辣椒葉片光譜使用ASD FieldSpec?3便攜式光譜儀野外測量，其光譜范圍為350～2500 nm，光譜采樣間隔為1.5 nm，在350～1000 nm的分辨率為3 nm，1000～2500 nm的為10 nm。光譜的測定選擇晴朗、無云無風或風速很小天氣，測量時間為10:00-14:00。測量時傳感器探頭垂直向下，離葉片的距離視葉片大小而定，保證探頭的視野范圍落在葉片上，每株分上、中和下位葉測量3次，取其平均值作為該株葉片的光譜反射值。

1.3.2 辣椒葉片SPAD值和葉綠素含量的測定 SPAD值的測量與光譜測定同步，每小區(qū)選取3株，每株分上、中和下位葉采用日本美能達公司生產(chǎn)的SPAD-502 葉綠素儀即時測量。為了減少測量誤差，每片葉至少測量3個點 (測定時避開葉脈),然后取其平均值作為該葉片的SPAD值。測定過SPAD值的葉片采回，用丙酮一乙醇法[17]測定葉綠素a(cha)和葉綠素b(chb)，二者之和為葉綠素總含量(chl)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

測得的辣椒葉片反射光譜用ASD公司提供的ViewSpec Pro5.7軟件處理得原始反射光譜數(shù)據(jù)，用Excel 2003獲得光譜反射率曲線，并進行葉綠素含量與葉片光譜反射率及SPAD值之間的相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同氮素水平辣椒的單葉光譜特征

由圖1可知，在可見光區(qū)域(350～760 nm)內辣椒單葉的反射率較低，在550 nm附近“綠峰”的反射率為17 %左右，主要是因為葉綠素對綠光吸收較低。不同氮素水平辣椒單葉光譜的反射率：長辣6號果實膨大期為N0>N3>N2>N1>N4，盛果期為N1>N3>N0>N2>N4；火焰山果實膨大期為N1>N0>N3>N2>N4，盛果期為N2>N1>N4>N0>N3。在680nm處，由于光合作用對紅光的吸收作用，反射率出現(xiàn)6 %左右的吸收谷，不同氮素水平辣椒單葉光譜反射率：長辣6號果實膨大期為N3>N0>N4>N1>N2，盛果期為N4>N3>N0>N2>N1；火焰山果實膨大期為N3>N0>N1>N2>N4，盛果期為N1>N3>N0>N2>N4。在綠色植物特征光譜“紅邊”所在位置(680～760 nm)，反射率陡峭增加，在近紅外760～1350 nm光譜區(qū)域內呈現(xiàn)反射平臺，光譜反射率維持在90 %左右，這可能與葉綠素對紅光波段強烈吸收和近紅外波段葉片內部多次散射而形成強反射有關。在1420～1800 nm 光譜范圍內又出現(xiàn)一小反射峰，反射率在44 %徘徊;在紅外1950～2350 nm光譜范圍內再次出現(xiàn)一小反射峰，反射率在18 %左右。

2.2 辣椒單葉光譜反射率與葉綠素含量的相關性

由圖2～3可知，辣椒的品種和生育時期對光譜反射率與葉綠素含量的相關性均有影響。在可見光波段(350～760 nm),相關系數(shù)在綠光波段550 nm附近均出現(xiàn)波峰，紅邊波段(680～760 nm)光譜反射率與葉綠素含量相關性出現(xiàn)轉折。長辣6號果實膨大期可見光波段(350～760 nm),在波段400～489、664～687 nm呈極顯著正相關，最大相關系數(shù)為0.961(P<0.01)，敏感波段發(fā)生在680 nm處；盛果期可見光波段(350～760 nm)在489～669和684～741 nm波段范圍光譜反射率與葉綠素含量呈極顯著負相關。在近紅外、紅外波段，除了1951～1983 nm波段外光譜反射率與葉綠素含量均呈極顯著正相關，在768～1349和1421～1799 nm形成2個較大的反射平臺，且在2026 nm處最大相關系數(shù)為0.994(P<0.01)。火焰山果實膨大期，在可見光波段(350～760 nm)353～401 nm呈極顯著負相關，在波段360 nm處|r|取得最大值為0.891(P<0.01)；盛果期光譜反射率與葉綠素含量的相關性弱于果實膨大期，在可見光波段(350～760 nm)，除了357～435和743～760 nm波段外光譜反射率與葉綠素含量呈正相關關系。在近紅外波段(751～1349、1349～1850、1968～2350 nm)，光譜反射率與葉綠素含量均呈極顯著負相關關系，|r|最大值為0.678，敏感波段發(fā)生在1349 nm處。

圖1 不同氮素條件下長辣6號和火焰山的單葉反射光譜Fig.1 Single leaf reflectance spectrum of Changla 6 and Huoyanshan pepper varieties under different nitrogen levels

分別選取664～687、2017～2036、353～401和1330～1349 nm波段(即光譜反射特征波段所在波長范圍)對光譜反射率與葉綠素總量進行線性回歸分析，得到回歸方程的相關系數(shù)大小分別為0.86、0.86、-0.60和-0.85，相關性達到極顯著水平(P<0.01)。因此，長辣6號680、2026 nm和火焰山360和1349 nm波段可作為測定長辣6號和火焰山果實膨大期和盛果期葉綠素含量的特征波段。

2.3 不同氮素水平辣椒葉片SPAD值與葉綠素含量的相關性

SPAD值可以較好的反映植物葉片的葉綠素濃度，預測作物葉片單位面積的葉綠素含量[18-19]。由圖4可知，不同品種辣椒葉片SPAD值與葉綠素含量(葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量)間均存在正相關關系，但不同品種間相關系數(shù)差異較大。長辣6號葉片的SPAD值與葉綠素含量之間呈極顯著正相關關系，其SPAD值與葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量之間的相關系數(shù)分別為0.66、0.69和0.68(P<0.01)，表現(xiàn)為Chb>Chl>Cha；火焰山葉片的SPAD值與葉綠素含量相關性較弱，SPAD值與葉綠素a、葉綠素b 和葉綠素總量之間的相關系數(shù)只有0.39、0.36和0.41(P<0.05)，表現(xiàn)為Chl>Cha>Chb。這可能與辣椒自身的品種特性和SPAD值的大小有關。吳良歡[20]認為，高SPAD值區(qū)(SPAD>40)的SPAD值與葉綠素含量的相關性有所下降。以上回歸分析葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量與SPAD值的相關性均選用最優(yōu)函數(shù)模型即線性模型。

圖2 長辣6號光譜反射率與葉綠素含量的相關性Fig.2 Correlation between spectral reflectance and chlorophyll content of Changla 6

圖3 火焰山光譜反射率與葉綠素含量的相關性Fig.3 Correlation between spectral reflectance and chlorophyll content of Huoyanshan

2.4 不同氮素水平辣椒葉片光譜特征及SPAD值與葉綠素含量的關系

長辣6號680、2026和火焰山360和1349 nm波段可作為測定長辣6號和火焰山果實膨大期和盛果期葉綠素含量的特征波段，特征波段下光譜反射率與葉綠素含量之間的相關系數(shù)|r|分別為0.961、0.994、0.891和0.678(P<0.01)。不同品種辣椒葉片SPAD值與葉綠素含量(葉綠素a、葉綠素b和總量)間均存在正相關關系，長辣6號SPAD值與葉綠素b的相關系數(shù)最大為0.69(P<0.01)，火焰山SPAD值與葉綠素總量的相關系數(shù)最大為0.41(P<0.05)，遠弱于光譜反射率與葉綠素含量之間的相關性。

圖4 長辣6號和火焰山SPAD值與葉綠素含量的相關性Fig.4 Correlation between SPAD value and chlorophyll content of Changla 6 and Huoyanshan

3 結論與討論

(1)光譜數(shù)據(jù)具有分辨率高、波段多、連續(xù)性強的特點，可以作為檢測植被健康狀況和脅迫的一種有效手段。不同氮素水平和生育期，2個辣椒品種單葉光譜反射曲線是相似的，但不同波段光譜反射率大小存在一定程度的差異。葉綠素在可見光區(qū)(350～760 nm)吸收峰是藍紫光和紅光區(qū)域，在綠光區(qū)域形成小小的反射峰。隨供氮水平提高，反射率在可見光區(qū)域(350～760 nm)呈先上升后下降趨勢，在近紅外區(qū)域(760～1350 nm)呈先急劇升高然后波動下降趨勢，這可能是與綠色植物葉綠素對特征紅光波段強烈吸收和近紅外波段光在葉片內部多次散射而形成強反射有關。

(2)辣椒葉片反射率與葉綠素含量之間的相關性與波長譜段有關，長辣6號果實膨大期和盛果期葉綠素含量的特征波段為680、2026 nm，火焰山果實膨大期和盛果期葉綠素含量的特征波段為360、1349 nm，特征波段下光譜反射率與葉綠素含量之間的相關系數(shù)|r|分別為0.961、0.994、0.891和0.678(P<0.01)。不同品種辣椒葉片SPAD值與葉綠素含量(葉綠素a、b和總量)間存在正相關關系，相關性強弱均表現(xiàn)為長辣6號>火焰山。SPAD值與葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量之間的相關系數(shù)分別為長辣6號0.66、0.69和0.68(P<0.01)，火焰山0.39、0.36和0.41(P<0.05)。原因可能與辣椒自身的品種特性和SPAD值的大小有關。

(3)考慮到SPAD值和葉綠素含量的相關性弱于光譜反射率與葉綠素含量的相關性，光譜分析法可以較好地估測兩個品種的葉綠素含量。長辣6號680、2026 nm和火焰山360和1349 nm波段可作為測定長辣6號和火焰山果實膨大期和盛果期葉綠素含量的特征波段。不同氮素條件下光譜特征及SPAD值與葉綠素含量相關性研究有助于理解SPAD值、葉綠素和光譜反射特征的規(guī)律，提高葉綠素含量的估測精度，從而為快速、實時、大面積辣椒長勢監(jiān)測和營養(yǎng)診斷提供了一定的參考和理論依據(jù)。由于單葉光譜特性易受天氣、風速、儀器穩(wěn)定性等諸多外部因素的影響，試驗還需要更多的樣本量和多年光譜數(shù)據(jù)完善辣椒信息數(shù)據(jù)，進一步深入的研究和驗證。

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(責任編輯 陳 靜)

Correlations between Single Leaf Spectral Characteristics, SPAD Value and Chlorophyll Content in Pepper under Different Nitrogen Levels

TANG Heng-peng1, QIAN Xiao-gang1, LI Li-jie2, YUE Yan-bin2, LI Rui-jun2, NIE Ke-yan2, ZHAO Ze-ying2*

(1.College of Agriculture, Guizhou University, Guizhou Guiyang 550025,China;2.Guizhou Institute of Agricultural Science and Technology Information, Guizhou Guiyang 550006, China)

The correlations between single leaf reflection spectrum, SPAD value and chlorophyll content in two pepper varieties under different nitrogen levels were studied by a field trial to estimate chlorophyll content and growth vigor of pepper timely, accurately and nondestructively. Results:the chlorophyll content’ special band of Changla 6 and Huoyanshan varieties at fruit expanding stage and full fruit stage is 680 and 2026 nm, 360 and 1349 nm respectively. The correlation coefficient between spectral reflectance and chlorophyll content is 0.961, 0.994, 0.891 and 0.678(P<0.01)under special bands respectively. There are the positive correlations between leaf SPAD value and chlorophyll content (chlorophyll a, chlorophyll b and total chlorophyll) in two pepper varieties and the correlation degree in Changla 6 is higher than Huoyanshan. The correlation coefficient between SPAD and chlorophyll a, chlorophyll b, total chlorophyll is 0.66, 0.69 and 0.68(P<0.01) in Changla 6 but the correlation coefficient between SPAD and chlorophyll a, chlorophyll b, total chlorophyll is 0.39, 0.36 and 0.41＊(P<0.05)in Huoyanshan respectively.

Pepper; Nitrogen; SPAD; Chlorophyll; Single leaf spectrum

1001-4829(2016)10-2324-06

10.16213/j.cnki.scjas.2016.10.013

2015-12-31

國家自然科學基金項目“不同氮素條件下辣椒干物質生產(chǎn)、分配及產(chǎn)量形成模擬研究”(31360290)

唐恒朋(1989-)，男，在讀碩士，研究方向：土壤肥力與作物生產(chǎn)，E-mail：642380680@qq.com,*為通訊作者。

S641.3

A