不同施肥條件下蔬菜葉綠素?zé)晒?光譜特性研究

王 媛，王金亮*

1. 云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500 2. 云南省高校資源與環(huán)境遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500 3. 云南省地理空間信息技術(shù)工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500

引 言

蔬菜含有多種營養(yǎng)物質(zhì)，是人們維持生命和健康的必需消費(fèi)品。人民日益增長的物質(zhì)文化需要使得人們對新鮮蔬菜的需求逐漸增加，各地蔬菜播種面積迅速增加[1]。我國作為蔬菜生產(chǎn)和消費(fèi)大國，其蔬菜產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)農(nóng)業(yè)和全球蔬菜出口市場中發(fā)揮著越來越重要的作用。云南氣候獨(dú)特，區(qū)位優(yōu)勢明顯。云南蔬菜以綠色、 生態(tài)、 反季節(jié)冬早蔬菜為特點(diǎn)，加之蔬菜品質(zhì)好、 種類多，備受國內(nèi)外廣大消費(fèi)者的喜愛。蔬菜產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，種植規(guī)模、 產(chǎn)量、 產(chǎn)值等都快速提升，取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。但同時(shí)由于大部分農(nóng)戶缺乏科學(xué)的施肥觀念，不合理施肥導(dǎo)致嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)污染問題。其中化肥污染是導(dǎo)致滇池水體氮磷含量居高不下的主要原因，近年來國家持續(xù)投入大量人力物力進(jìn)行治理，但收效甚微。如何在減少化肥施用量的同時(shí)提高蔬菜產(chǎn)量，在最大限度地發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)兼顧生態(tài)環(huán)境具有重要研究意義。

葉綠素?zé)晒馐侵参矬w自身發(fā)射的內(nèi)源光，它與光合作用、 熱輻射一起參與植物體內(nèi)能量的分配，作為無損檢測指示器可以反映植物生理生長狀態(tài)。光合作用對環(huán)境因子的響應(yīng)高度敏感，不同生理因素、 環(huán)境條件會(huì)使植物光合特性產(chǎn)生差異[2-3]，而借助反射光譜信息和葉綠素?zé)晒庑畔⒖梢约皶r(shí)地監(jiān)測這種生理生化特性的變化[4]。

利用高光譜數(shù)據(jù)探討植被的生物化學(xué)成分和農(nóng)學(xué)參數(shù)的研究不斷發(fā)展起來。植物光譜反射信息可以反映出植物的營養(yǎng)狀況和植物所處環(huán)境的變化[5]，可用于估測植物葉綠素含量和水分含量，推斷植物光合能力，監(jiān)測植物生長狀況等。因而，利用反射光譜和葉綠素?zé)晒鈪?shù)間接地監(jiān)測植物生理生態(tài)狀況成為熱點(diǎn)問題，被普遍應(yīng)用于作物生理信息研究、 質(zhì)量鑒定和病蟲害遙感監(jiān)測等各方面。如譚昌偉等利用高光譜特征參數(shù)構(gòu)造葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm估算模型。Zhang等[6]利用光譜反射率估算葉綠素?zé)晒鈪?shù)，探討了水稻光合機(jī)構(gòu)對根系氧和水稻類型變化的響應(yīng)機(jī)制。王慧等[7]對甘薯進(jìn)行不同肥料添加劑處理，研究其光譜特征、 葉綠素?zé)晒鈪?shù)以及光合參數(shù)的影響。Simko等[8]基于高光譜成像和葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)開發(fā)了兩種生菜衰變指數(shù)(lettuce decay indices，LEDI)，用于檢測鮮切生菜葉組織的腐爛情況。

研究通過進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)，設(shè)置不同梯度施肥量，測量對應(yīng)蔬菜的葉綠素?zé)晒鈪?shù)和反射光譜信息，深入探討不同施肥條件對蔬菜葉綠素?zé)晒馓匦院凸庾V特性的影響，尋找最優(yōu)施肥量組合。為蔬菜生產(chǎn)發(fā)展節(jié)約生產(chǎn)成本，以及大面積監(jiān)測蔬菜的生長發(fā)育情況提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)位于云南師范大學(xué)，地處昆明市呈貢區(qū)，滇池東岸，水網(wǎng)密集屬低緯度高原季風(fēng)型氣候，光照充足，年平均日照時(shí)數(shù)2 200 h，年均溫度14.7 ℃，全年無霜期285 d，全年平均降雨789.6 mm。呈貢土壤分為5個(gè)土類、 10個(gè)亞類、 18個(gè)土屬、 26個(gè)土種。其中紅壤土占全縣總面積的52.53%，為該區(qū)糧果主要用地。

選取云南省昆明市主要栽培的蔬菜為試驗(yàn)材料，均為春播品種。瓢菜品種為“金品綠霸青梗菜”，黃白菜為“一代交配大白菜”。試驗(yàn)設(shè)計(jì)7種施肥模式：C1(對照處理，不施肥)、 C2(施復(fù)合肥400 kg·hm-2)、 C3(施復(fù)合肥500 kg·hm-2)、 C4(施復(fù)合肥600 kg·hm-2)、 C5(施復(fù)合肥400 kg·hm-2，有機(jī)肥220kg·hm-2)、 C6(施復(fù)合肥500 kg·hm-2，有機(jī)肥220 kg·hm-2)、 C7(施復(fù)合肥600 kg·hm-2，有機(jī)肥220 kg·hm-2)，每種模式設(shè)置3組重復(fù)。

1.2 蔬菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

分別在蔬菜幼苗期(1月12日)、 生長期(1月25日)、 成熟期(2月11日)進(jìn)行3次測定。選擇每個(gè)梯度不同種類蔬菜每株3個(gè)健康葉片，每片記錄10次數(shù)據(jù)。使用GFS-3000便攜式光合-熒光測量系統(tǒng)熒光測量模塊，對熒光參數(shù)進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)記錄每次均間隔3～5 min，每次僅記錄一次數(shù)據(jù)。測得參數(shù)有：初始熒光(Fo)、 最大熒光(Fm)和PSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/Fm，其中Fv=Fm-Fo。

1.3 蔬菜反射光譜信息測定

與上述測定同期進(jìn)行，利用美國SVC地物光譜儀(HR-1024i)，測量蔬菜反射光譜信息。測量均在晴朗少云天氣進(jìn)行，時(shí)間為11點(diǎn)至15點(diǎn)之間，同樣選擇每株蔬菜3個(gè)葉片，每片記錄10次數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)分析不同施肥處理下蔬菜光譜特征變化。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel、 SPSS和SVC HR-1024i配套軟件，計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)并作圖，計(jì)算歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)，氮素反射率指數(shù)(nitrogen reflectance index，NRI)，比值植被指數(shù)(ratio vegetation index，RVI)，差值植被指數(shù)(difference vegetation index，DVI)等相關(guān)光譜特征參數(shù)(表1)，深入探討不同施肥條件下蔬菜葉綠素?zé)晒狻?光譜特性的響應(yīng)機(jī)制。

表1 光譜植被指數(shù)Table 1 Spectral vegetation index

2 結(jié)果與討論

2.1 蔬菜光譜特性

2.1.1 不同生育期蔬菜光譜特性

在蔬菜的不同生長階段，由于其生物量、 葉綠素含量、 水分含量以及覆蓋地面程度等發(fā)生變化，植物反射光譜也將發(fā)生改變[9]。以瓢菜、 黃白菜反射光譜為例(C4處理)，如圖1(a)可以看出，波長400～700 nm內(nèi)的可見光區(qū)域是植物葉綠素的強(qiáng)吸收波段，黃白菜光譜反射率的大小順序?yàn)椋河酌缙?生長期>成熟期，在波長550～560 nm的綠光處有1個(gè)反射峰，此處黃白菜光譜反射率最小值是成熟期為13.17，最大值為幼苗期19.48；而在波長490～500 nm和670～680 nm處為吸收谷，此處黃白菜光譜反射率最大值是幼苗期為11.29，最小值為成熟期5.58；在波長690～750 nm之間，黃白菜反射率增長較快。主要由于隨著生育期的推進(jìn)，黃白菜植株生長葉片層數(shù)增多，葉面積迅速擴(kuò)大，整個(gè)黃白菜群體葉片逐漸失黃，對綠光的反射逐漸降低。

副連長剛剛把命令傳達(dá)下去，只見鬼子陣地上冒出一陣硝煙，緊接著嗵嗵嗵一陣炮響。炮聲才響，炮彈就在陣地上開了花。

在波長為780～1 350 nm的近紅外區(qū)，黃白菜光譜反射率處于較高水平，其光譜反射率的大小順序?yàn)椋撼墒炱?生長期>幼苗期。主要是由于隨著黃白菜葉片層數(shù)逐漸增加且內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不斷發(fā)育成熟，葉肉的海綿組織結(jié)構(gòu)中空腔增加，反射表面增大，反射率逐漸增加。

由圖1(b)可知，在波長550～560 nm之間有一個(gè)反射峰，瓢菜光譜反射率的順序?yàn)椋河酌缙?成熟期>生長期，此時(shí)瓢菜光譜反射率最小值是生長期為9.53，最大值為幼苗期14.36。主要由于生長期時(shí)施肥量過多反而降低葉片葉綠素含量，導(dǎo)致瓢菜對綠光的反射減少。在波長為780～1 350 nm的近紅外區(qū)，光譜反射率依次為：成熟期>生長期>幼苗期。

圖1 蔬菜不同生育期的光譜反射率(a)：黃白菜光譜反射率；(b)：瓢菜光譜反射率Fig.1 Spectral reflectance of vegetables at different growth stages(a)：Spectral reflectance of Brassica pekinensis Rupr.；(b)：Spectral reflectance of Brassica campestris L.

2.1.2 不同施肥條件下蔬菜光譜特性

(1)不同施肥條件下瓢菜光譜特性

由于瓢菜在不同生長時(shí)期的生長量和生長發(fā)育速度不同，對營養(yǎng)條件的要求也不同，因此不同施肥條件下瓢菜光譜反射率也不同。平均SE值2.58，SD值為16.70。由圖2可知，幼苗期瓢菜光譜反射率無明顯差別；生長期時(shí)，波段550～560 nm之間(反射峰)，瓢菜光譜反射率順序依次為：C2>C3>C7>C5>C4>C6>C1；在近紅外波段，其順序依次為：C3>C2>C4>C5>C6>C7>C1。主要是由于肥料施用量過多或不足會(huì)降低葉綠素含量，導(dǎo)致瓢菜徒長且易染病，適量施肥有利于根系的發(fā)育，為其后期旺盛生長打下基礎(chǔ)。

圖2 不同施肥水平下瓢菜的光譜反射率(a)：C1處理；(b)：C2處理；(c)：C3處理；(d)：C4處理；(e)：C5處理；(f)：C6處理；(g)：C7處理Fig.2 Spectral reflectance of Brassica campestris L. under different fertilization levels(a)：C1 treatment；(b)：C2 treatment；(c)：C3 treatment；(d)：C4 treatment；(e)：C5 treatment；(f)：C6 treatment；(g)：C7 treatment

成熟期時(shí)，在波段為550～560 nm之間，瓢菜光譜反射率依次為：C7>C2>C5>C1>C6>C4>C3；在近紅外波段，則為：C1>C5>C6>C2>C4>C3>C7。主要由于充足的肥料能提供瓢菜生理生長和干物質(zhì)積累所需養(yǎng)分。

(2)不同施肥條件下黃白菜光譜特性

圖3是7種施肥條件下黃白菜光譜反射曲線，幼苗期黃白菜光譜反射率在變化趨勢和數(shù)值上無明顯差別。平均SE值2.57，SD值為13.03。生長期時(shí)，在550～560 nm波段間，黃白菜光譜反射率的大小依次為：C1>C7>C3>C4>C2>C5>C6；在近紅外波段，單獨(dú)施用無機(jī)肥，C2和C3施肥處理下黃白菜光譜反射率較C1、 C4處理明顯降低?；旌鲜┯糜袡C(jī)肥、 無機(jī)肥時(shí)，肥料用量減少，黃白菜光譜反射率逐漸降低。主要是由于肥料施用量過多或不足會(huì)導(dǎo)致黃白菜徒長且易染病。

圖3 不同施肥處理下黃白菜的光譜反射率(a)：C1處理；(b)：C2處理；(c)：C3處理；(d)：C4處理；(e)：C5處理；(f)：C6處理；(g)：C7處理Fig.3 Spectral reflectance of Brassica pekinensis Rupr. under different fertilization levels(a)：C1 treatment；(b)：C2 treatment；(c)：C3 treatment；(d)：C4 treatment；(e)：C5 treatment；(f)：C6 treatment；(g)：C7 treatment

成熟期時(shí)，黃白菜光譜反射率變化規(guī)律與生長期相反，在550～560 nm波段，黃白菜光譜反射率的大小順序?yàn)椋篊2>C5>C4>C1>C6>C3>C7；在近紅外波段，單獨(dú)施用無機(jī)肥時(shí)，其值從大到小依次為：C3>C2>C4>C1，混合施用有機(jī)肥、 無機(jī)肥時(shí)，其值從大到小依次為：C5>C6>C7。主要由于黃白菜逐漸生長發(fā)育成熟，干物質(zhì)積累量逐漸增加，對養(yǎng)分的需求量也明顯增加。黃白菜是珍貴的白菜品種，其單位產(chǎn)量較高，因而對化肥的需求量較大。

2.2 蔬菜葉綠素?zé)晒馓匦?/h3>

葉綠素?zé)晒庾鳛樘綔y器能反映植物進(jìn)行光合作用的能力與效率, 是植物光合作用研究中的關(guān)鍵因素。最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)表示對光能的轉(zhuǎn)化效率，它可以說明PSⅡ使用葉綠素吸收能量的程度和它被過量光線破壞的程度，也可以反映植物受脅迫條件的狀況。當(dāng)植物的光合器官完好無損時(shí)，其Fv/Fm值介于0.7～0.85之間，而低于0.7則表明植物處于脅迫狀態(tài)，從而降低了植物的光合潛力[10]。由圖4可知，不同施肥條件下，瓢菜、 黃白菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm隨生長發(fā)育進(jìn)程的推進(jìn)總體呈增加的趨勢。在整個(gè)生育期內(nèi)，施肥對瓢菜、 黃白菜的生長發(fā)育的影響逐漸表現(xiàn)出顯著差異。瓢菜、 黃白菜Fv/Fm逐漸增加并在成熟期時(shí)達(dá)到最大值，其值分別為瓢菜0.851，黃白菜0.849。瓢菜Fv/Fm在C6水平上最高，在C2和C3水平上增幅最大。在生長期時(shí)，黃白菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm在C1，C3和C5水平上較高；成熟期時(shí)Fv/Fm在C2，C4和C6水平上較高；同時(shí)Fv/Fm在C4水平上增幅最大。

綜合圖2、 圖3和圖4，不同施肥處理下，瓢菜、 黃白菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm及光譜反射率隨生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化趨勢和特征，說明瓢菜、 黃白菜Fv/Fm及光譜反射率對其營養(yǎng)和生長狀況具有良好的表征作用。

圖4 不同施肥條件下不同生育期蔬菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm的變化(a)：瓢菜Fv/Fm的變化；(b)：黃白菜Fv/Fm的變化Fig.4 Changes of chlorophyll fluorescence parameters Fv/Fm in different growth stages of vegetables under different fertilization conditions(a)：Fv/Fm in Brassica campestris L.；(b)：Fv/Fm in Brassica pekinensis Rupr.

2.3 蔬菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)與光譜植被指數(shù)相關(guān)性分析

利用SPSS軟件，得到瓢菜、 黃白菜Fv/Fm與植被指數(shù)的相關(guān)系數(shù)(表2、 表3)。黃白菜最大正系數(shù)為0.99，說明成熟期時(shí)C2處理的DVI與Fv/Fm呈顯著正相關(guān)；最小負(fù)系數(shù)為-0.972，說明成熟期時(shí)C2處理的NRI與Fv/Fm呈顯著負(fù)相關(guān)。瓢菜最大正系數(shù)為0.978，說明幼苗期時(shí)C5處理的DVI與Fv/Fm呈顯著正相關(guān)；最小負(fù)系數(shù)為-0.908，說明生長期時(shí)C2處理的NDVI與Fv/Fm呈顯著負(fù)相關(guān)。表2當(dāng)中多個(gè)相關(guān)系數(shù)絕對值小于0.7，說明兩者間的相關(guān)性差，不同施肥處理對瓢菜葉綠素的含量有較大影響，導(dǎo)致得到的光譜植被指數(shù)與Fv/Fm的相關(guān)性差異較大。不同施肥條件不同生育期蔬菜光合生理狀況存在差異，蔬菜植被指數(shù)與Fv/Fm存在顯著相關(guān)性，因此可應(yīng)用蔬菜對不同施肥條件的光譜特征和葉綠素?zé)晒鈪?shù)響應(yīng)監(jiān)測來監(jiān)測蔬菜生長狀況。

表2 不同施肥條件下不同生育期瓢菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm與光譜植被指數(shù)的相關(guān)性Table 2 Correlation between chlorophyll fluorescence parameter Fv/Fm and spectral vegetation index of Brassica campestris L. at different growth stages under different fertilization conditions

表3 不同施肥條件下不同生育期黃白菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm與光譜植被指數(shù)的相關(guān)性Table 3 Correlation between chlorophyll fluorescence parameter Fv/Fm and spectral vegetation index of Brassica pekinensis Rupr. at different growth stages under different fertilization conditions

3 結(jié) 論

利用GFS-3000便攜式光合-熒光測量系統(tǒng)和SVC便攜式地物光譜儀對不同施肥條件下蔬菜葉綠素?zé)晒饧肮庾V特性進(jìn)行了測量, 通過分析可以得出：

(1)不同施肥條件下的瓢菜、 黃白菜反射光譜在可見光區(qū)域由于葉綠素的吸收產(chǎn)生2個(gè)吸收谷，波長為550～560 nm處產(chǎn)生1個(gè)反射峰，隨蔬菜生長發(fā)育成熟，黃白菜光譜反射率逐漸增加，瓢菜光譜反射率呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢；在780 nm波長后，瓢菜、 黃白菜光譜反射率增長較快。這種主要是由蔬菜葉片對綠光的反射，對紅、 藍(lán)光的吸收以及葉肉海綿組織結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈反射造成的，是葉片表面特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及生化成分濃度和分布差異的體現(xiàn)。由此可以得出，蔬菜的光譜反射曲線隨種群生長發(fā)育的變化而變化；不同蔬菜光譜曲線存在差異。

(2)在7種施肥量下，生長期時(shí)，在可見光波段，黃白菜C1，C4和C7水平上反射率較高，在近紅外波段則呈相反的變化；瓢菜在C2，C3和C5水平上整體反射率較高。主要由于蔬菜經(jīng)歷定植緩苗后吸收的養(yǎng)分多用于促進(jìn)根系發(fā)育，肥料施用量過多或不足會(huì)導(dǎo)致植株徒長且易染病。成熟期時(shí)，黃白菜在C5和C6水平上光譜反射率較高；瓢菜在C3和C5水平上光譜反射率較高。主要由于此時(shí)蔬菜生長發(fā)育進(jìn)程加快，充足的肥料能提供黃白菜生理生長和干物質(zhì)積累所需養(yǎng)分。說明適量的肥料能加快作物生長發(fā)育，葉綠素含量不斷增加，作物對紅、 藍(lán)光的吸收作用逐漸增強(qiáng)，但當(dāng)施肥水平超過一定值時(shí)，反而抑制作物生長，光譜反射率降低。

(3)葉綠素?zé)晒鈪?shù)是表征蔬菜生長生理情況的關(guān)鍵指標(biāo), 其變化規(guī)律能反映蔬菜生理的內(nèi)在特征。不同施肥條件下，瓢菜、 黃白菜Fv/Fm隨蔬菜生長發(fā)育總體呈增加的趨勢。瓢菜Fv/Fm在C6水平上最高，在C2和C3水平上增幅最大。在生長期時(shí)，黃白菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm在C1，C3和C5水平上較高；成熟期時(shí)在C2，C4和C6水平上較高；在C4水平上增幅最大。瓢菜、 黃白菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm及光譜反射率隨生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化趨勢和特征，說明瓢菜、 黃白菜Fv/Fm及光譜反射率對蔬菜營養(yǎng)和生理生長狀況具有良好的表征作用。

(4)不同施肥條件不同生育期蔬菜光合生理狀況存在差異，蔬菜光譜特征參數(shù)與葉綠素?zé)晒鈪?shù)間相關(guān)性也不同。成熟期時(shí)C2處理的黃白菜DVI與Fv/Fm呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.99；NRI與Fv/Fm呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.972。幼苗期時(shí)C5處理的瓢菜DVI與Fv/Fm呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.978；生長期時(shí)C2處理的NDVI與Fv/Fm呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.908。

目前已有相關(guān)研究利用高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測蔬菜生長生理狀況，探討脅迫條件對蔬菜生長生理特征的影響。通過構(gòu)建光譜指數(shù)與光合參數(shù)之間的最優(yōu)模型，可以估測蔬菜光合性能，監(jiān)測其生長、 生理和健康狀況。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)為一季，所以其結(jié)果仍需在不同的田間環(huán)境下加以驗(yàn)證和完善。