王 慧，曾路生，劉 慶，史衍璽

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109)

目前，光譜技術(shù)、葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)以及光合測(cè)定技術(shù)已成為探究植物生理生化指標(biāo)變化的重要手段。與傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法相比，光譜技術(shù)、葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)以及光合測(cè)定技術(shù)具有耗時(shí)少、無(wú)污染、無(wú)損耗等特點(diǎn)，因此，在監(jiān)測(cè)作物生理生化指標(biāo)方面受到廣泛關(guān)注。彭濤等[1]利用光譜技術(shù)和葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)研究植物光譜與植物葉黃素循環(huán)的關(guān)系，表明光化學(xué)指數(shù)(PRI)能夠反映植物光合機(jī)構(gòu)對(duì)光能的利用效率。孫金英等[2]利用光譜和光合技術(shù)研究了油菜光譜植被指數(shù)與葉片冠層氣孔導(dǎo)度之間關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)光譜植被指數(shù)與油菜冠層葉片氣孔導(dǎo)度之間具有較好的擬合效果。鄭陽(yáng)霞等[3]利用光合熒光技術(shù)研究了鋁脅迫下西瓜光合特性及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化時(shí)發(fā)現(xiàn)鋁脅迫可對(duì)西瓜的葉綠素含量、凈光合速率、葉片的氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度及蒸騰速率產(chǎn)生影響，并且使西瓜的熒光參數(shù)Fo、Fm、Fv/Fo、Fv/Fm下降。楊艷君等[4]利用熒光技術(shù)研究了光合作用對(duì)施肥水平和種植密度的響應(yīng)機(jī)制，結(jié)果表明氮素水平能夠?qū)ψ魑餆晒鈪?shù)產(chǎn)生影響。當(dāng)前，我國(guó)化肥的使用量高，環(huán)境污染嚴(yán)重等生態(tài)問題已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家的糧食安全。通過(guò)在肥料中添加各種不同的添加劑，可起到降低肥料使用量、增加作物產(chǎn)量和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的效果[5-6]。由于肥料添加劑具有增產(chǎn)、增效、減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前廣大學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[7-9]。古慧娟等[10]研究表明NAM添加劑能夠有效地增加水稻產(chǎn)量，使氮素利用率提高到40.58%。肖焱波等[11]研究表明含硝化抑制劑肥料可提高氮肥利用率，使玉米增產(chǎn)9%。曾路生等[12]研究表明聚氨酸肥料添加劑具有保肥效果，并且能夠使茄子增產(chǎn)1 500～4 500 kg/hm2，甘藍(lán)增產(chǎn)3 000～6 000 kg/hm2。目前，對(duì)于肥料添加劑在經(jīng)濟(jì)作物方面的應(yīng)用研究較多，而在甘薯上的應(yīng)用研究卻鮮有報(bào)道。甘薯具有耐干旱、耐貧瘠、對(duì)土壤環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)糧食作物中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。因此，本研究選取甘薯為試驗(yàn)對(duì)象，研究了不同肥料添加劑處理對(duì)甘薯光譜特征、葉綠素?zé)晒鈪?shù)以及光合參數(shù)的影響，為肥料添加劑在甘薯上的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

甘薯品種為煙25；常規(guī)肥料為15∶15∶15的復(fù)合肥；肥料添加劑∶聚氨酸由中科院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)所研發(fā)提供，按肥料總量的7‰加入；抑制劑由中科院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)所研發(fā)提供，按氮總量的7‰加入；菌肥由青島海德龍生物技術(shù)有限公司提供，按6.0 kg/hm2加入。

1.2 試驗(yàn)方法

采用盆栽試驗(yàn)的方法，地點(diǎn)位于青島市城陽(yáng)區(qū)百埠莊，供試土壤為潮土，采用黑色多孔塑料片制成的圓柱形花盆，每盆裝土20 kg，移栽甘薯秧苗3株，50 d后定苗1株，共設(shè)4個(gè)處理：CK 常規(guī)施肥；T1 常規(guī)施肥+聚氨酸添加劑；T2常規(guī)施肥+聚氨酸添加劑+抑制劑；T3常規(guī)施肥+聚氨酸添加劑+抑制劑+菌肥。每個(gè)處理設(shè)12個(gè)重復(fù)。聚氨酸、抑制劑和菌肥與常規(guī)肥料混合在種植前做基肥施入，按照常規(guī)管理方法進(jìn)行管理。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

SPAD值：SPAD-520型葉綠素儀進(jìn)行測(cè)定。

光譜數(shù)據(jù)：使用北京愛萬(wàn)提斯生產(chǎn)的AvaSpec-ULS2048光纖光譜儀，在甘薯生長(zhǎng)50 d采集冠層光譜。測(cè)定選在晴天、無(wú)風(fēng)、少云的天氣，測(cè)定時(shí)間為11：00-14：00。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)：利用美國(guó)漢莎公司生產(chǎn)的M-PEA儀器，在甘薯生長(zhǎng)50 d測(cè)定葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)。測(cè)定時(shí)，選取不同處理的甘薯第5片功能葉進(jìn)行暗適應(yīng)30 min，然后利用儀器與電腦連接進(jìn)行測(cè)定。

光合參數(shù)：選擇晴天、少云的天氣，在9：00-11：00利用美國(guó)漢莎公司生產(chǎn)的CIRAS-3儀器測(cè)定，選取甘薯第5片功能葉測(cè)定，測(cè)定的參數(shù)包括CO2濃度、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

將采集的數(shù)據(jù)利用Excel和SPSS 19.0軟件進(jìn)行處理和分析。本試驗(yàn)中甘薯冠層光譜的植被指數(shù)計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 肥料添加劑對(duì)甘薯葉綠素SPAD值的影響

由圖1可知，常規(guī)施肥(CK)、常規(guī)施肥+聚氨酸添加劑(T1)、常規(guī)施肥+聚氨酸添加劑+抑制劑(T2)、常規(guī)施肥+聚氨酸添加劑+抑制劑+菌肥(T3)處理下的甘薯葉綠素SPAD平均值分別為49.7，51.3，53.0和52.9，與常規(guī)施肥(CK)相比，T1、T2與T3處理下的SPAD平均值分別增加了3.2%，6.6%和6.4%。同時(shí)可看出，與常規(guī)施肥(CK)相比，肥料添加劑處理對(duì)生長(zhǎng)初期的甘薯葉綠素SPAD值影響沒達(dá)到顯著差異的水平。

字母表示不同處理間的顯著性差異(P<0.05)。表2-3同。Letters are significantly different at P< 0.05.The same as Tab.2-3.

2.2 肥料添加劑對(duì)甘薯冠層光譜特征的影響

圖2表明，不同肥料添加劑處理下甘薯冠層光譜反射率的變化趨勢(shì)大體一致，即在550 nm左右形成一個(gè)反射峰，在650 nm左右形成一個(gè)反射谷，在750 nm左右的反射率達(dá)到最大，760～950 nm波段形成近紅外反射平臺(tái)。但是處理下甘薯葉片光譜的反射率存在一定的差異性，即不同處理在550 nm波段的平均反射率大小為：CK>T2>T1>T3，在近紅外波段(760～950 nm)內(nèi)的平均反射率大小為：T1>CK>T3。

圖2 不同處理對(duì)甘薯冠層光譜的影響

不同肥料添加劑處理下的甘薯的光化學(xué)植被指數(shù)(PRI)、結(jié)構(gòu)不敏感色素指數(shù)(SIPI)、紅邊歸一化植被指數(shù)(NDVI705)、差值植被指數(shù)(DVI)和簡(jiǎn)單比例植被指數(shù)(SRVI)的計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可知，與CK相比，T1、T2和T3處理下的甘薯的光化學(xué)植被指數(shù)(PRI)、結(jié)構(gòu)不敏感色素指數(shù)(SIPI)、簡(jiǎn)單比例植被指數(shù)(SRVI)均有所增加，但是不同處理之間未達(dá)到顯著性水平。與CK相比，T1、T2和T3處理下的甘薯的紅邊歸一化植被指數(shù)(NDVI705)和差值植被指數(shù)(DVI)均有所下降，其中CK處理下的甘薯紅邊歸一化植被指數(shù)(NDVI705)與其他處理之間達(dá)到顯著性差異。因此，通過(guò)分析甘薯的植被指數(shù)可知，與常規(guī)施肥相比，肥料添加劑對(duì)甘薯生長(zhǎng)過(guò)程中的生理和生化過(guò)程產(chǎn)生了一定的影響。

表1 不同處理對(duì)甘薯植被指數(shù)的影響

2.3 肥料添加劑對(duì)甘薯葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由表2可知，與CK相比，T1、T2和T3處理下的初始熒光值(Fo)分別下降了0.86%，1.28%和1.10%，其中常規(guī)施肥+聚氨酸添加劑+抑制劑(T2)處理的初始熒光值(Fo)最低；與CK相比，T1、T2和T3處理下的PSⅡ的光化學(xué)效率(Fv/Fm)分別上升了1.20%，0.84%和0.72%，PSⅡ的光合電子傳遞效率(Fv/Fo)分別提高了5.75%，5.43%和4.50%，PSⅡ階段的熱耗散值(Fo/Fm)分別下降了4.85%，4.24%和3.64%，其中常規(guī)施肥+聚氨酸添加劑(T1)處理下的PSⅡ的光化學(xué)效率(Fv/Fm)和PSⅡ的光合電子傳遞效率(Fv/Fo)最高，PSⅡ階段的熱耗散值(Fo/Fm)最低；與CK相比，T1、T2和T3處理下的單位反應(yīng)中心吸收的光能(ABS/RC)分別上升了1.26%，1.47%和0.31%，單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原QA的能量(TRo/RC)分別上升了0.50%，2.34%和0.63%,單位反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量(ETo/RC)分別上升了2.26%，2.82%和1.88%，單位反應(yīng)中心耗散掉的能量(DIo/RC)分別下降了5.06%，3.16%和3.80%，其中T2處理下的ABS/RC、TRo/RC和ETo/RC最高；與CK相比，T1、T2和T3處理下的以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)(PI abs)分別上升了13.71%，6.42%和11.43%，其中常規(guī)施肥+聚氨酸添加劑(T1)處理下以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)(PI abs)最高。

表2 不同處理對(duì)甘薯葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Tab.2 Effect of different treatments on chlorophyll fluorescence parameters in sweet potato

2.4 肥料添加劑對(duì)甘薯光合參數(shù)的影響

由圖3可知，與CK對(duì)比，T1、T2和T3處理下的胞間CO2濃度、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率總體上均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，說(shuō)明不同肥料添加劑處理對(duì)甘薯的胞間CO2濃度(Ci)、凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)等光合參數(shù)均產(chǎn)生了影響。與CK相比，T1、T2和T3處理下的胞間CO2濃度分別增長(zhǎng)了63.08%，63.08%和41.59%，凈光合速率分別增長(zhǎng)了22.61%，39.27%和17.82%，氣孔導(dǎo)度分別增長(zhǎng)了184.29%，202.36%和81.41%，蒸騰速率分別增長(zhǎng)了37.27%，34.55%和17.27%。

圖3 不同添加劑處理對(duì)甘薯光合參數(shù)的影響

2.5 甘薯植被指數(shù)與葉綠素?zé)晒庵笖?shù)和光合指數(shù)之間的相關(guān)性

甘薯植被指數(shù)NDVI705與熒光參數(shù)Fo/Fm、Fv/Fm、Fv/Fo和φPo以及和光合參數(shù)Ci之間的相關(guān)關(guān)系見圖4。通過(guò)甘薯植被指數(shù)與葉綠素?zé)晒庵笖?shù)和光合指數(shù)的相關(guān)性分析可知，甘薯植被指數(shù)NDVI705與熒光參數(shù)Fo/Fm、Fv/Fm、Fv/Fo和φPo之間存在顯著相關(guān)性，甘薯植被指數(shù)NDVI705與光合參數(shù)Ci之間存在顯著相關(guān)性，甘薯其他植被指數(shù)與葉綠素?zé)晒庵笖?shù)和光合指數(shù)之間沒有顯著相關(guān)性。

圖4 植被指數(shù)與葉綠素?zé)晒庵笖?shù)和光合指數(shù)之間的相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

3.1 肥料添加劑與甘薯冠層光譜的關(guān)系

作物的反射光譜可以反映出作物的生長(zhǎng)狀況以及營(yíng)養(yǎng)水平。植物葉片的光譜反射曲線在可見光波段內(nèi)，由于作物體內(nèi)葉綠體對(duì)藍(lán)光和紅光的吸收，550 nm左右會(huì)形成一個(gè)反射峰，即“綠峰”，該波峰的形成主要和植物葉片內(nèi)的葉綠素含量和氮素水平有關(guān)。相關(guān)研究表明，作物氮素水平與其光譜特征存在一定的相關(guān)性。薛利紅等[14]研究小麥葉片氮素水平與光譜特征時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著施氮水平的增加，小麥冠層在可見光波段的反射率降低，近紅外波段的反射率升高。張雪紅等[15]研究表明隨著施氮水平的提高，油菜冠層在可見光區(qū)域反射率減小，在近紅外區(qū)域則增加。吳華兵等[16]研究表明棉花冠層在可見光波段隨施氮水平的提高而下降，近紅外平臺(tái)的反射率則隨施氮水平的提高而上升，并且不同氮素處理間的光譜反射率差異顯著。本試驗(yàn)中，不同處理下的甘薯反射光譜在550 nm的平均反射率存在一定差異，與CK相比較，T1、T2、T3處理在550 nm的平均反射率均下降，這說(shuō)明T1、T2、T3處理在一定程度上增加了甘薯對(duì)氮的吸收，增加了葉片的葉綠素含量。近紅外(760～950 nm)作物的光譜反射率主要受葉片內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響，反射率越高，說(shuō)明作物內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)越完好。本試驗(yàn)中，與CK相比，T1、T2處理下的近紅外(760～950 nm)波段內(nèi)平均反射率均升高，這說(shuō)明T1、T2處理一定程度上能夠促進(jìn)甘薯葉片細(xì)胞的生長(zhǎng)，但T3處理此波段不敏感，與CK差異小。

研究表明植被指數(shù)與作物的生理生化指標(biāo)之間具有一定的相關(guān)性，在一定程度上可以反映作物生長(zhǎng)狀況。通過(guò)作物的各植被指數(shù)可以快速、無(wú)損傷的研究植物體內(nèi)的色素含量、營(yíng)養(yǎng)狀況、水分狀況、光能利用效率等生理生態(tài)指標(biāo)[17-18]。本試驗(yàn)中添加劑處理下的甘薯的光化學(xué)植被指數(shù)(PRI)、結(jié)構(gòu)不敏感色素指數(shù)(SIPI)、簡(jiǎn)單比例植被指數(shù)(SRVI)均有所增加，紅邊歸一化植被指數(shù)(NDVI705)和差值植被指數(shù)(DVI)均有所下降，主要是因?yàn)榉柿咸砑觿┐龠M(jìn)了甘薯對(duì)氮的吸收利用，從而對(duì)甘薯葉片的色素含量、營(yíng)養(yǎng)狀況和光能利用效率等生理生態(tài)指標(biāo)產(chǎn)生了影響，進(jìn)而在植被指數(shù)上有所顯現(xiàn)。

3.2 肥料添加劑與甘薯熒光參數(shù)的關(guān)系

Fo稱為初始熒光值，F(xiàn)o值越低說(shuō)明光能的利用越高。Fv/Fm、Fv/Fo和Fo/Fm分別表示PSⅡ的光化學(xué)效率、PSⅡ的光合電子傳遞效率和PSⅡ階段的熱耗散值。ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC分別表示單位反應(yīng)中心吸收的光能、單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原QA的能量、單位反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量和單位反應(yīng)中心耗散掉的能量，這4個(gè)參數(shù)可以表示QA處在可還原態(tài)時(shí)，單位PSⅡ反應(yīng)中心的活性。φEo、φPo和Ψo 3個(gè)參數(shù)分別代表著電子傳遞的量子產(chǎn)額、最大光化學(xué)效率和捕獲的光量子進(jìn)入電子傳遞的效率，這3個(gè)參數(shù)主要是從量子產(chǎn)額或能量分配比率方面來(lái)說(shuō)明了葉綠素?zé)晒獾淖兓?。φEo、φPo和Ψo值越大，說(shuō)明光合系統(tǒng)捕獲光的能力越強(qiáng)，電子由QA向QB的傳遞量越多。PI abs是所有熒光參數(shù)中最敏感的參數(shù)，它表示著以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)，PI abs值越高，說(shuō)明對(duì)光能的吸收效果越好。肥料添加劑能夠改善土壤環(huán)境，增加土壤的氮素水平，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)中聚氨酸添加劑能夠調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分，增加土壤氮素含量，菌肥可以增強(qiáng)土壤中微生物活性，提高土壤的氮素肥料，抑制劑主要是抑制尿素的水解和銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，減少土壤中氮素的流失，增加土壤氮素的長(zhǎng)期有效性，提高作物對(duì)氮肥的利用與吸收，促進(jìn)作物葉片細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)過(guò)程中的光化學(xué)特性。相關(guān)研究表明，氮素水平與葉綠素?zé)晒鈪?shù)之間存在一定的相關(guān)關(guān)系。馬吉鋒等[19]研究表明小麥不同葉位葉片氮含量和熒光參數(shù)Fv/Fm、Fv/Fo均隨施氮量的增加呈上升的趨勢(shì)。喬建磊等[20]研究表明馬鈴薯葉片PSⅡ光化學(xué)效率及其潛在活性與葉片光合色素含量之間存在一定相關(guān)性。于雪等[21]研究表明甜菜葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)Fv/Fm和qP隨氮素水平的提高而增加。王佩玲等[22]研究表明施氮可提高冬小麥Fm、Fv、和Fv/ Fo值，降低Fo值。張旺鋒等[23]研究表明適量氮肥追肥可以提高棉花PS Ⅱ的活性和PS Ⅱ光化學(xué)的最大效率，提高了PS Ⅱ反應(yīng)中心開放部分的比例，使表觀光合作用電子傳遞速率和PS Ⅱ總的光化學(xué)量子產(chǎn)量提高，降低了非輻射能量耗散，使葉片所吸收的光能較充分地用于光合作用。鄭順林等[24]研究表明適量的氮肥可以提高Fv/Fm、ФPS Ⅱ和ETR，降低qP和qN，從而增加PS Ⅱ天線色素對(duì)光能的捕獲效率，降低光能的熱耗散，提高PS Ⅱ的光化學(xué)效率。本試驗(yàn)中，肥料添加劑可能促進(jìn)了甘薯對(duì)氮素的吸收利用，從而增加了甘薯葉片的光化學(xué)活性，提高了PSⅡ的光化學(xué)效率和光合電子傳遞效率，降低了PSⅡ階段的熱耗散。

3.3 肥料添加劑與甘薯光合參數(shù)的關(guān)系

相關(guān)研究表明，甘薯葉片在較低濃度氮素水平的土壤中可以保持較高的光合速率，而高濃度的氮素水平則不利于提高甘薯葉片的光合速率[25-26]。這主要由于甘薯本身具有耐旱耐瘠薄等特點(diǎn)，在甘薯的生長(zhǎng)前期階段，所需的養(yǎng)分主要來(lái)自于甘薯薯塊本身，對(duì)土壤氮素的要求不高。本試驗(yàn)中，光合參數(shù)胞間CO2濃度、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率都呈現(xiàn)出先上升后下降的規(guī)律，這可能由于肥料添加劑影響了土壤中的氮素水平，其中T3處理可能對(duì)土壤氮素水平的提高效果最好，但這種高濃度的氮素水平不利于甘薯葉片的光合反應(yīng)，從而使測(cè)得的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等光合參數(shù)在T3處理下的增長(zhǎng)速率放緩。

與常規(guī)施肥相比，肥料添加劑能夠提高甘薯的葉綠素SPAD值，同時(shí)肥料添加劑對(duì)甘薯冠層光譜產(chǎn)生了影響，使甘薯冠層光譜在可見光波段內(nèi)550 nm左右位置上的平均反射率降低，在近紅外(760～950 nm)波段內(nèi)的平均反射率升高，并且使光化學(xué)植被指數(shù)(PRI)、結(jié)構(gòu)不敏感色素指數(shù)(SIPI)、簡(jiǎn)單比例植被指數(shù)(SRVI)增加，紅邊歸一化植被指數(shù)(NDVI705)和差值植被指數(shù)(DVI)下降，表明肥料添加劑能夠提高甘薯對(duì)氮素的吸收和利用，增加葉綠素含量，促進(jìn)甘薯葉片細(xì)胞的生長(zhǎng)和發(fā)育。

肥料添加劑對(duì)甘薯葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo、φEo、φPo、Ψo、ABS/RC、Fo/Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC、PI abs產(chǎn)生了影響，使甘薯葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo、Fo/Fm、DIo/RC值下降，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、TRo/RC、ETo/RC、φEo、φPo、Ψo和PI abs值上升，表明肥料添加劑增加了甘薯葉片的光化學(xué)活性，提高了PSⅡ的光化學(xué)效率和光合電子傳遞效率，降低了PSⅡ階段的熱耗散。

肥料添加劑對(duì)甘薯的胞間CO2濃度(Ci)、凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)光合參數(shù)產(chǎn)生了影響，使胞間CO2濃度(Ci)、凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)上升，但上升速率隨著處理的變化而降低，表明不同添加劑處理對(duì)甘薯光合參數(shù)的影響有所不同。