光谱仪与SPA D测定马铃薯叶绿素含量的比较

宋英博

（黑龙江省农业科学院佳木斯分院，黑龙江 佳木斯 154007）

目前，化学分析方法测量叶绿素含量虽然较为准确，但因其破坏性大，且费时、费工、分析成本高，难以快速和简单应用。因此，迫切需要能随时进行大面积快速无损检测的新技术。叶绿素计法（SPAD）和光谱分析方法是目前作物氮素诊断研究中的热点。在现有的采用叶绿素计法和光谱分析方法获取作物叶绿素含量的研究中，大多数都集中在水稻、小麦、大豆和玉米这些大田作物上，对马铃薯研究的甚少[1－4]。叶片作为光合作用的主要器官，其叶绿素含量的高低是反映作物营养和生长状况的重要指标。本试验对两种测定马铃薯叶片叶绿素相对含量进行了比较，结果表明Unispec－SC光谱仪比SPAD－502叶绿素计预测结果更为准确。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为脱毒马铃薯克新13号，由黑龙江省农业科学院佳木斯分院提供。

1.2 试验概况

试验于2008在年黑龙江省双鸭山市四方台区进行，前茬作物大豆。土壤条件：每千克碱解氮含量138.29 mg，有效磷含量130.96 mg，速效钾含量248.78 mg，pH值6.5，有机质含量4.7%，全氮含量0.21%，全磷含量0.2%，全钾含量3.7%。试验地底肥每公顷（N:P2O5:K2O=12:18:15）50kg，建立试验小区0.4 hm2，在试验地中心位置选择长势一致8点，每点标定20株，挂牌编号。

1.2 主要仪器

美国（原英国）PP Systems公司Unispec－SC光谱仪，光谱分辨率10 nm，可在310～1130 nm波段范围内进行连续测量。日本美能达公司生产的SPAD－502叶绿素计，以上仪器由黑龙江省农业科学院佳木斯分院提供。

1.3 测定内容及方法

1.3.1 叶片光谱值和SPAD值的测定

在块茎形成期和块茎膨大期，采用Unispec－SC光谱仪和SPAD－502叶绿素计对马铃薯倒四叶的顶小叶进行光谱值和SPAD值的测定，每点选5株平均值作为该点的一次调查结果，并取下叶片。

1.3.2 叶绿素含量的测定

用丙酮乙醇混合液法测其叶绿素含量[5]。

1.4 统计分析

试验数据用Excel软件进行统计处理。

2 结果与分析

2.1 不同时期马铃薯叶片光谱动态变化

在马铃薯的块茎形成期和块茎膨大期，叶片光谱反射率在310～730 nm波段反射率较低。主要吸收蓝光及红光，因此，可以解释叶片在附近的红光区域有吸收谷，在位于蓝光及红光之间的波段有反射峰下降，又由于叶绿素在整个可见光区域的吸收均很强，透射及反射均较低，所以在附近区域的吸收减少，吸收谷变浅。绿色植被反射光谱在600～680 nm附近有一个谷值，谷值附近的光谱反射率可直接用于植被生长状态的估测[6]，或作为植被指数的一个波段。在310～730 nm波段有很强的吸光能力，相反，在 730～1130 nm波段由于细胞的散射作用，增大了光谱反射率[7]。由图1可见两时期表现趋势相似。

2.2 不同时期马铃薯叶片SPAD的动态变化

用SPAD－502叶绿素计测定马铃薯块茎形成期和块茎膨大期的SPAD值，块茎膨大期的SPAD值均高于块茎形成期的SPAD值，如图2。

2.3 叶片SPAD与叶绿素含量的相关性分析

图1 不同时期马铃薯叶片光谱动态变化Figure 1 Dynamic change of leaf spectrum reflectance of potatoes under different growth stages

图2 不同时期马铃薯叶片SPAD动态变化Figure 2 Dynamic change of potato leaf SPAD under different growth stages

用SPAD来预测叶绿素含量时应注意：测定时所选择叶片大小的影响，特别是叶片较小时，测定SPAD值时易取到叶脉部位，影响测定结果。叶色是许多因素综合影响的结果，当植株缺N、P和微量元素时都会引起叶色发生变化，因此在用SPAD值估测叶绿素含量时，应选择叶片已完全展开且进入功能盛期的叶片，通常可选择倒四叶的顶小叶[8]。马铃薯叶片SPAD的8个观察值与相应的叶绿素含量进行相关性分析，算得的相关系数r=0.816，查表与r0.01,6=0.834，r0.05,6=0.707进行比较，相关关系达到显著水平。

2.4 叶片光谱反射率与叶绿素含量的相关性分析

对叶片光谱反射率与叶绿素含量进行相关性分析，算得相关系数r，通过Excel有代表性筛选，在可见光波段范围内，马铃薯选取510nm（|r|=0.812）、650 nm（|r|=0.755）和680 nm（|r|=0.817）3个波段的光谱反射率，它们与叶绿素含量的相关性呈显著；在近红外区域，选取820 nm（|r|=0.8160）和940 nm(|r|=0.799)2个波段，与叶绿素含量的相关性达到了显著水平。

利用上述选取的波段，通过植被指数的计算公式，计算出RVI、DVI、NDVI和RDVI值，对4种植被指数与相应的叶绿素含量进行相关性分析，结果表明：在940nm和510nm组合的波段计算的植被指数与叶绿素相关性最好，并且以NDVI的相关系数最高，r=－0.9546，达到了极显著水平（表1）。

表1 不同波段光谱反射率的植被指数与叶绿素含量的相关系数Table 1 Correlations coefficient of vegetation index in different wavelength scopes and chlorophyll content

3 讨论

便携式SPAD－502叶绿素计是通过2个波段650 nm和 940 nm的组合来达到消除叶片内部结构影响和测量叶绿素的目标。二种光穿透叶片，打到接收器上，通过接收器接收到的光强和发射光强比较，确定叶片叶绿素的含量，表示SPAD单位。SPAD=Klong10[(IR1/IR0)/R1/R0]，其中，K为常数；IR1为接收到的940 nm红外线强度；IR0为发射红外光强度；R1为接收到的650 nm发红光强度；R为发射红外强度。光信号转换成模拟信号，模拟信号被放大器放大，由模拟/数字转换器转换成数字信号，数字信号被微处理器利用，计算出SPAD值并显示在显示器上。本研究中马铃薯叶片SPAD的 8个观察值与相应的叶绿素含量相关关系达到显著水平，算得的相关系数|r|=0.8160。

美国（原英国）PP Systems公司Unispec－SC光谱仪，光谱分辨率10nm，可在310～1130nm波段范围内进行连续测量。并非SPAD－502叶绿素计固定650 nm和940 nm 2个波段的单一组合[9]。在310～730 nm波段内，马铃薯选取510 nm、650 nm和680 nm 3个波段的光谱反射率，它们与叶绿素含量的相关性呈显著；在730～1130nm波段，选取820nm和940nm2个波段，与叶绿素含量的相关性达到显著水平。通过单一波段与叶绿素的相关分析，相关性一般，利用上述选取的波段，通过植被指数的计算公式，计算出RVI、DVI、NDVI和RDVI值，对四种植被指数与相应的叶绿素含量进行相关性分析，940nm和510nm波段建立的NDVI的相关系数最高，r=－0.9546，达到了极显著水平。

研究发现，Unispec－SC光谱仪比SPAD－502叶绿素计预测结果更为准确。应用特定敏感光谱波段组合[10]，比叶绿素计自身选取的 650 nm和940 nm 固定组合更能精确测量叶绿素值。具体每个品种、每个生育期准确波段组合还有待进一步试验来完成。

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