基于不同腐植酸供應(yīng)水平下小麥葉片理化參數(shù)及其光譜響應(yīng)分析

呂 瑋，李玉環(huán)，張 軍，朱福軍

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東 泰安 271018；2.山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司，山東 泰安 271000)

基于不同腐植酸供應(yīng)水平下小麥葉片理化參數(shù)及其光譜響應(yīng)分析

呂 瑋1，李玉環(huán)1，張 軍1，朱福軍2

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東 泰安 271018；2.山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司，山東 泰安 271000)

為了給冬小麥精確施肥管理與調(diào)控提供依據(jù)，通過大田試驗，采用單因素方差分析法研究了腐植酸肥料對冬小麥葉片生理生化元素含量的影響，并分析了小麥葉片的生理理化參數(shù)對小麥葉片光譜數(shù)據(jù)的響應(yīng)。結(jié)果表明：小麥葉片的氮素、葉綠素、蒸騰作用、凈光合作用、胞間CO2濃度、可溶性蛋白及可溶性糖的差異性顯著，其中腐植酸對小麥葉片的氮素、葉綠素、蒸騰作用、凈光合作用、可溶性蛋白具有促進(jìn)作用，腐植酸對小麥葉片的胞間CO2、可溶性糖具有抑制作用；在325～400 nm，葉片光譜反射率對不同的理化參數(shù)響應(yīng)不大。在可見光400～760 nm，小麥葉片光譜反射率對葉片氮素含量、葉片的蒸騰速率、凈光合速率等理化參數(shù)響應(yīng)較大。在近紅外760～1 000 nm，小麥葉片光譜反射率對葉片葉綠素、可溶性蛋白的響應(yīng)較強(qiáng)。小麥葉片原始光譜曲線的反射率對小麥葉片的胞間CO2濃度及可溶性糖含量響應(yīng)不高，不同含量之間的光譜曲線無較明顯變化規(guī)律。

腐植酸；理化參數(shù)；光譜響應(yīng)

腐植酸肥料是利用泥炭、褐煤、風(fēng)化煤為原料，采用不同生產(chǎn)方式，制取含有大量腐植酸和作物生長、發(fā)育所需的氮、磷、鉀及某些微量元素的產(chǎn)品[1]。國內(nèi)外學(xué)者對腐植酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其功能特性進(jìn)行了研究，大量研究表明：腐植酸對土壤有很好的改良及修復(fù)作用從而促進(jìn)農(nóng)作物生長[2-10]，如王振振等[4]通過田間小區(qū)試驗條件，研究了腐植酸緩釋鉀肥對土壤不同形態(tài)鉀素含量、甘薯產(chǎn)量和鉀素吸收利用的影響。結(jié)果表明，與不施鉀(空白對照)相比，降低了甘薯全生育期土壤中的速效鉀和緩效鉀含量以及生長前期土壤有效鉀含量，但是提高了甘薯生長中、后期土壤有效鉀含量。葉片的生物化學(xué)元素是反映作物營養(yǎng)狀況的重要指標(biāo)，顯著影響作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的形成。很多學(xué)者利用高光譜無損技術(shù)通過不同切入點(diǎn)對不同植物的葉片營養(yǎng)元素進(jìn)行研究[11-20]：國內(nèi)的丁希斌等[15]以油菜葉片為研究對象，利用高光譜成像技術(shù)，成功建立了葉綠素相對值SPAD值的預(yù)測模型，孫俊等[17]基于高光譜圖像技術(shù)與極限學(xué)習(xí)機(jī)(Extreme learning machine，ELM)模式識別方法構(gòu)建一套生菜葉片氮素水平鑒別模型。但是很少有學(xué)者將腐植酸對小麥葉片理化參數(shù)及其光譜的影響作為研究內(nèi)容。因此，進(jìn)一步深入研究在腐植酸的影響下小麥葉片理化參數(shù)及其高光譜響應(yīng)差異具有重要意義。本研究以冬小麥葉片為研究對象，通過大田試驗，研究了腐植酸肥料對小麥葉片理化參數(shù)含量的影響，并分析了在腐植酸的影響下小麥葉片不同小麥理化參數(shù)的光譜響應(yīng)特征。旨在為冬小麥精確施肥管理與調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1田間試驗設(shè)計

試驗于2015年10月-2016年5月在泰安肥城進(jìn)行，試驗地共6個處理，每個處理2個區(qū)，每個區(qū)18 m2，共216 m2，東西行向栽植，本研究采用的腐植酸為：腐植酸原粉、堿活化腐植酸。田間試驗共設(shè)置以下5個處理：CK不使用任何肥料；T1：對照，普通NPK化肥(67.5 g/m2)； T3：普通NPK化肥(67.5 g/m2)+腐植酸原粉(67.5 g/m2)； T5：普通NPK化肥(67.5 g/m2)+腐植酸原粉(157.5 g/m2)； T7：普通NPK化肥(67.5 g/m2)+堿活化腐植酸(67.5 g/m2)； T9：普通NPK化肥(67.5 g/m2)+堿活化腐植酸(157.5 g/m2)。本研究選擇處在5月抽穗期的小麥。

1.2數(shù)據(jù)獲取

1.2.1 光譜測定 本研究光譜數(shù)據(jù)采集美國ASD公司生產(chǎn)的Field Spec Handheld儀器。Field Spec Handheld儀器是一種便攜式高光譜分析儀。該儀器采集光譜范圍為325～1 075 nm，廣泛用于植被研究的可見光和近紅外波段。具有采集數(shù)據(jù)快、便于野外攜帶的特點(diǎn)。

光譜測定選擇在無風(fēng)無云或少云的天氣進(jìn)行。測量步驟為：測量之前先開啟光譜儀預(yù)熱，再次測量之前都先進(jìn)行光譜儀的優(yōu)化，葉片光譜測定前后都進(jìn)行參考板反射率測定，葉片光譜測量時探頭垂直向下，25°視場角。

1.2.2 光合測定 每個處理選取3株冬小麥，采用LI-6400光合測定儀，在晴朗的天氣對選取的每株小麥旗葉的光合速率(Pn，μmol/(m2·s))、蒸騰速率(Tr，mmol/(m2·s))，氣孔導(dǎo)度(Cs，mol/(m2·s))和胞間CO2濃度(Ci，μmol/mol)等指標(biāo)進(jìn)行測定，每個葉片重復(fù)6次測定，取平均值進(jìn)行分析。

1.2.3 小麥葉片生理理化參數(shù)的獲取 小麥葉片生理理化參數(shù)化驗項目共6個，包括小麥葉片N、P、K、葉綠素、可溶性糖(Soluble suger,SS)及可溶性蛋白(Soluble protein,SP)。小麥葉片N含量采用蒸餾法測定。小麥葉片K含量采用火焰光度法測定，小麥葉片P含量、可溶性糖及可溶性蛋白采用分光光度法測定，小麥葉片葉綠素采用常溫丙酮浸提比色法測定。

1.3數(shù)據(jù)分析方法

利用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理統(tǒng)計。利用SPPS軟件ANOVA單因素方差分析-最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行小麥葉片的理化參數(shù)的描述性統(tǒng)計以及不同腐植酸供應(yīng)水平下的小麥葉片理化參數(shù)的差異狀況分析。

2 結(jié)果與分析

2.1不同腐植酸供應(yīng)水平對小麥葉片理化參數(shù)的影響

根據(jù)表1不同腐植酸供應(yīng)水平下小麥葉片理化參數(shù)的比較，不同腐植酸供應(yīng)水平下較顯著的參數(shù)是氮素、葉綠素、Ci、Tr、Pn、可溶性糖、可溶性蛋白的顯著性較高，都小于0.05,本研究選取顯著性較高的參數(shù)探究其腐植酸影響下的變化規(guī)律，即氮素、葉綠素、Ci、Tr、Pn、可溶性糖及可溶性蛋白。

2.1.1 不同腐植酸供應(yīng)水平對葉片氮素及葉綠素的影響 葉片N含量是反映作物營養(yǎng)狀況的重要指標(biāo)，影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的形成。如圖1所示，不同施肥處理下，實測的葉片N含量受腐植酸影響較大，其中處理CK和T1沒有施腐植酸肥料，可以看出，配施氮磷鉀肥料的葉片N含量比CK處理高0.15%，增施腐植酸肥的葉片N含量比只配施氮磷鉀高0.1%左右，其中，葉片N含量均值大小是T3T9T5T7T1CK，說明相比于配施氮磷鉀肥，增施腐植酸可以有效提高葉片N含量。

表1 不同腐植酸供應(yīng)水平小麥葉片理化參數(shù)的比較Tab.1 Comparison of physical and chemical parameters of wheat leaves at different levels of humic acid supply

注：多重比較法采用最小顯著性差異(LSD)法；顯著性<0.05時差異顯著；**.極顯著；*.顯著。

Note：The multiple comparison method uses the least significant difference (LSD) method；The significant <0.05 has the remarkable difference；**.Extremely remarkable；*.Remarkable.

葉片葉綠素含量變化趨勢與氮含量相一致，均是增施腐植酸肥料的處理比CK、T1高，葉片葉綠素含量均值大小為T9T3T7T5T1。說明相比配施氮磷鉀肥，增施腐植酸可以有效提高葉片葉綠素含量(圖1)。

圖1 不同腐植酸供應(yīng)水平對葉片氮素及葉綠素的影響Fig.1 Effects of different humic acid supply levels on nitrogen and chlorophyll in leaves

2.1.2 不同腐植酸供應(yīng)水平對小麥葉片光合作用的影響 從圖2可以看出，除了T3處理，其他增施腐植酸處理的Ci都比配施氮磷鉀肥料少，說明增施腐植酸對小麥葉片的胞間CO2有抑制作用。

蒸騰速率與胞間CO2趨勢不同，增施腐植酸肥料的處理，其小麥葉片的蒸騰速率比只配施氮磷鉀肥料的T1處理高，各處理蒸騰速率大小為T7T5T9T3T1CK，說明在配施氮磷鉀肥料的過程中對小麥增施腐植酸肥料，對小麥葉片的蒸騰速率有促進(jìn)作用。

由凈光合速率曲線可以看出，適當(dāng)增施腐植酸肥料可以有效提高小麥葉片的光合速率，并且由圖可知，T5T3、T9T7，說明增施同種腐植酸，光合速率提高的程度與增施腐植酸肥料的量有關(guān)，T9T5、T7T3，說明在增施腐植酸量相同條件下，增施堿活化腐植酸比腐植酸原粉對凈光合速率的促進(jìn)作用更強(qiáng)。

圖2 不同腐植酸供應(yīng)水平對小麥葉片光合作用的影響Fig.2 Effects of different humic acid supply levels on photosynthesis of wheat leaves

2.1.3 不同腐植酸供應(yīng)水平對小麥葉片可溶性糖和可溶性蛋白的影響 從圖3可以看出，隨著增施腐植酸肥料，葉片可溶性糖含量呈減少趨勢，說明總體上腐植酸對葉片可溶性糖有抑制作用，其中T3T7、T5T9，說明在增施同一類的腐植酸情況下，腐植酸供應(yīng)量的增加可以降低對葉片可溶性糖的抑制作用，T5T9、T3T7，說明在腐植酸供應(yīng)量相同的條件下，相比于堿活化腐植酸，增施腐植酸原粉可以降低腐植酸肥料對葉片可溶性糖的抑制作用。

葉片可溶性蛋白受腐植酸影響大，含量均值由大到小為T9T7T5T1T3CK。說明增施腐植酸可以有效增加葉片可溶性蛋白含量；在供應(yīng)相同種類的腐植酸肥料條件下，隨著腐植酸肥料的增加，可溶性蛋白含量也隨之增加；在供應(yīng)相同量不同種類的腐植酸肥料的情況下，堿活化腐植酸比腐植酸原粉對葉片可溶性蛋白的促進(jìn)作用更強(qiáng)。

圖3 不同腐植酸供應(yīng)水平對小麥葉片可溶性糖和可溶性蛋白的影響Fig.3 Effects of different humic acid supply levels on soluble sugar and soluble protein in wheat leaves

2.2理化參數(shù)的光譜響應(yīng)特征分析

2.2.1 葉綠素及氮素的光譜響應(yīng)特征分析 按照小麥葉片葉綠素含量，將樣本分為3類，形成葉綠素的每類光譜平均值曲線見圖4。不同含量的光譜曲線總體走勢具有較高的相似性，并且不同含量間的光譜曲線750～900 nm有明顯變化規(guī)律：光譜反射率隨著葉綠素含量的降低而升高，其他波段光譜曲線差異不顯著。

按照葉片氮素含量，將樣本分類為3類，形成氮素的光譜平均值曲線。由圖4可以看出，各類研究樣本總趨勢一致。在525～700 nm不同凈光合速率樣本之間的光譜反射率差異較大，隨著葉片氮素含量增加，光譜反射率減小。在其他光譜波段，光譜反射率對葉片氮素含量的響應(yīng)并不明顯。

圖4 葉綠素及氮素的光譜響應(yīng)特征分析Fig.4 Spectral response characteristics of chlorophyll and nitrogen

2.2.2 光合指標(biāo)的光譜響應(yīng)特征分析 按照小麥葉片Ci含量，將樣本分為3類，形成Ci的每類光譜平均值曲線見圖5-A。不同含量的光譜曲線總體走勢具有較高的相似性，但是不同含量間的光譜曲線無明顯變化規(guī)律，在300～700 nm，光譜反射率較高的是Ci含量較低的小麥葉片樣本組，剩下2類含量的波段反射率差異性較小。在750～900 nm波段區(qū)間中Ci含量最高的樣本組的光譜反射率最高。

按照小麥葉片Tr值，將樣本分為3類，形成Tr的每類光譜平均值曲線見圖5-B?？梢?，在350～700 nm 葉片Tr越小，葉片光譜發(fā)射率越大，尤其在520～560 nm吸收峰處較明顯，將這一區(qū)間作為光譜響應(yīng)區(qū)。

按照葉片Pn，將樣本分類為3類，形成Pn的光譜平均值曲線。由圖5-C可以看出，各類研究樣本組總趨勢一致。在525～700 nm不同凈光合速率樣本之間的光譜反射率差異較大，隨著葉片凈光合速率增加，光譜反射率減小。在525 nm之前的波段及700 nm之后的波段，其光譜反射率對Pn的響應(yīng)并不明顯。520～580 nm區(qū)間出現(xiàn)波峰，并且這一波段受Pn影響較大，選取這一區(qū)間為Pn的光譜響應(yīng)區(qū)。

圖5 光合指標(biāo)的光譜響應(yīng)特征分析Fig.5 Spectral response characteristics of photosynthetic indices

2.2.3 可溶性蛋白及可溶性糖的光譜響應(yīng)特征 按照葉片可溶性糖含量，研究樣本分為3類，葉片可溶性糖的每類光譜曲線見圖6-A。其光譜表現(xiàn)特征為：不同含量的光譜曲線總體趨勢較為相近，光譜曲線之間的差異規(guī)律與葉片可溶性糖含量并不相同，在325～900 nm，不同葉片可溶性糖含量的光譜曲線變化規(guī)律為含量最小的葉片，其光譜曲線反射率在3條曲線中排第2，在900～1 000 nm，3類樣本的光譜均值曲線中，可溶性糖含量最高的樣本組其光譜反射率在中間。造成這種現(xiàn)象的原因有待進(jìn)一步探究。

圖6 可溶性蛋白及可溶性糖的光譜響應(yīng)特征Fig.6 Spectral response characteristics of soluble protein and soluble sugar

按照葉片可溶性蛋白的含量，將研究樣本分為3類，形成葉片可溶性蛋白的每類光譜平均值曲線見圖6-B?？梢姡~片可溶性蛋白的光譜特征表現(xiàn)規(guī)律為：不同含量光譜曲線總趨勢一致，在525 nm之前不同含量的光譜曲線差異并不大，在580～660 nm，隨著葉片可溶性蛋白含量的增加，葉片光譜曲線的反射率呈減少的趨勢，在780～900 nm，光譜對葉片可溶性蛋白的含量響應(yīng)較強(qiáng)，且隨著葉片可溶性蛋白的增加，光譜反射率逐漸增加。

3 結(jié)論與討論

通過最小顯著性差異法對試驗所測的理化參數(shù)進(jìn)行分析，得出在腐植酸肥料的影響下，小麥葉片的氮素、葉綠素、蒸騰作用、凈光合作用、胞間CO2濃度、可溶性蛋白及可溶性糖的差異性顯著，其中腐植酸對小麥葉片的氮素、葉綠素、蒸騰作用、凈光合作用、可溶性蛋白具有促進(jìn)作用，腐植酸對小麥葉片的胞間CO2，可溶性糖具有抑制作用。

在325～400 nm，葉片光譜反射率對不同的理化參數(shù)響應(yīng)不大。在可見光400～760 nm，小麥葉片光譜反射率對葉片氮素含量、葉片的蒸騰速率、凈光合速率等理化參數(shù)響應(yīng)較大，其中，葉片氮素含量的響應(yīng)區(qū)間為525～700 nm，規(guī)律為隨著葉片氮素含量的增加，光譜反射率減小，葉片蒸騰速率的光譜響應(yīng)區(qū)間是525～560 nm，規(guī)律為隨著葉片蒸騰速率的增加，光譜反射率減小，凈光合速率的光譜響應(yīng)區(qū)間與葉片氮素一樣，都是525～700 nm，其變化規(guī)律也相似，隨著凈光合速率的增加，光譜反射率減小。在近紅外760～1 000 nm，小麥葉片光譜反射率對葉片葉綠素、可溶性蛋白的響應(yīng)較強(qiáng)，其中，小麥葉片葉綠素的光譜響應(yīng)區(qū)間為750～900 nm，光譜反射率隨著葉綠素含量的降低而升高；不同可溶性蛋白所對應(yīng)的光譜曲線差異較大，其光譜曲線反射率隨著小麥葉片可溶性蛋白含量的升高而增加。小麥葉片原始光譜曲線的反射率對小麥葉片的胞間CO2濃度及可溶性糖含量響應(yīng)不高，不同含量之間的光譜曲線無較明顯規(guī)律。由于本研究試驗樣品較少，研究結(jié)果在更復(fù)雜的生產(chǎn)條件下的適用性有待進(jìn)一步驗證，比如在不同小麥品種、不同生育期等情況下，光譜參數(shù)對小麥葉片的響應(yīng)以及腐植酸對小麥其他營養(yǎng)元素的影響還需進(jìn)一步研究。

腐殖酸肥料對小麥所需營養(yǎng)元素及小麥本身光合作用具有促進(jìn)的作用，表現(xiàn)為增施腐殖酸肥料有效提高小麥葉片的氮素、葉綠素、蒸騰速率、凈光光合速率、可溶性蛋白等理化參數(shù)。關(guān)于腐殖酸的功能特性已有較多研究，本研究關(guān)于腐殖酸對小麥葉片的影響研究與腐殖酸對玉米生長的影響研究結(jié)果相似[5]，但是與王振振等[4]的研究結(jié)果存在差異，說明腐殖酸對不同農(nóng)作物的影響有一定區(qū)別，這種區(qū)別還缺乏研究。

本研究對受腐殖酸影響較大的小麥葉片理化參數(shù)的光譜響應(yīng)特征進(jìn)行了分析，確定了小麥葉片不同營養(yǎng)元素的敏感譜區(qū)。也有學(xué)者已經(jīng)采用高光譜手段對葉綠素、氮素等營養(yǎng)元素進(jìn)行了敏感譜區(qū)的研究[14-17]，其確定的特征波段與本研究也較相近。但是本研究只針對了在腐殖酸影響下的小麥葉片的影響元素的光譜響應(yīng)特征，對小麥葉片營養(yǎng)元素的估測模型研究及其他器官的營養(yǎng)元素的光譜學(xué)有待進(jìn)一步研究。

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ResearchonLeafPhysiologicalandBiochemicalElementsandHyperspectralDifferencesinWheatBasedonDifferentHumic

Lü Wei1，LI Yuhuan1，ZHANG Jun1，ZHU Fujun2

(1.College of Resources and Environment，Shandong Agricultural University，National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil Fertilizer Resources，Tai′an 271018，China;2.Shandong Agricultural University Fertilizer Science and Technology Co.Ltd.,Tai′an 271000，China)

In order to provide basis for management and regulation of winter wheat precise fertilization，through field experiment，ANOVA was used to study the effects of humic acid fertilizer on the physiological and biochemical elements in winter wheat leaves.And analyzed the response of physiological and biochemical indexes of winter wheat leaves on the spectral data of wheat leaves.The following conclusions were drawn from this study.The difference of nitrogen，chlorophyll，transpiration，net photosynthetic rate，intercellular CO2concentration，soluble protein and soluble sugar were significant.Humic acid could promote nitrogen，chlorophyll，transpiration，net photosynthesis and soluble protein in winter wheat leaves，and humic acid could inhibit intercellular CO2and soluble sugar content.Among the 325-400 nm，the spectral reflectance of leaves did not respond to different biochemical indexes.The spectral reflectance of wheat leaves was more responsive to the biochemical indexes such as leaf nitrogen content，leaf transpiration rate，net photosynthetic rate in visible light (400-760 nm).In the near infrared 760- 1 000 nm，the spectral reflectance of wheat leaves had stronger response to chlorophyll and soluble protein.The reflectance of the original spectrum of wheat leaves was not responsive to the intercellular CO2concentration and soluble sugar content of wheat leaves，and there was no obvious change rule between the spectral curves of different contents.

Humic acid; Biochemical index; Spectral response

2017-08-22

山東省重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2015GNC1101010)

呂 瑋(1993-)，女，寧夏銀川人，在讀碩士，主要從事土地遙感與應(yīng)用研究。

李玉環(huán)(1965-)，女，山東諸城人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事土地資源綜合利用工程與信息專業(yè)研究。

S512.01

A

1000-7091(2017)05-0232-07

10.7668/hbnxb.2017.05.034