光譜儀與SPA D測定馬鈴薯葉綠素含量的比較

宋英博

（黑龍江省農業科學院佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154007）

目前，化學分析方法測量葉綠素含量雖然較為準確，但因其破壞性大，且費時、費工、分析成本高，難以快速和簡單應用。因此，迫切需要能隨時進行大面積快速無損檢測的新技術。葉綠素計法（SPAD）和光譜分析方法是目前作物氮素診斷研究中的熱點。在現有的采用葉綠素計法和光譜分析方法獲取作物葉綠素含量的研究中，大多數都集中在水稻、小麥、大豆和玉米這些大田作物上，對馬鈴薯研究的甚少[1－4]。葉片作為光合作用的主要器官，其葉綠素含量的高低是反映作物營養和生長狀況的重要指標。本試驗對兩種測定馬鈴薯葉片葉綠素相對含量進行了比較，結果表明Unispec－SC光譜儀比SPAD－502葉綠素計預測結果更為準確。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為脫毒馬鈴薯克新13號，由黑龍江省農業科學院佳木斯分院提供。

1.2 試驗概況

試驗于2008在年黑龍江省雙鴨山市四方臺區進行，前茬作物大豆。土壤條件：每千克堿解氮含量138.29 mg，有效磷含量130.96 mg，速效鉀含量248.78 mg，pH值6.5，有機質含量4.7%，全氮含量0.21%，全磷含量0.2%，全鉀含量3.7%。試驗地底肥每公頃（N:P2O5:K2O=12:18:15）50kg，建立試驗小區0.4 hm2，在試驗地中心位置選擇長勢一致8點，每點標定20株，掛牌編號。

1.2 主要儀器

美國（原英國）PP Systems公司Unispec－SC光譜儀，光譜分辨率10 nm，可在310～1130 nm波段范圍內進行連續測量。日本美能達公司生產的SPAD－502葉綠素計，以上儀器由黑龍江省農業科學院佳木斯分院提供。

1.3 測定內容及方法

1.3.1 葉片光譜值和SPAD值的測定

在塊莖形成期和塊莖膨大期，采用Unispec－SC光譜儀和SPAD－502葉綠素計對馬鈴薯倒四葉的頂小葉進行光譜值和SPAD值的測定，每點選5株平均值作為該點的一次調查結果，并取下葉片。

1.3.2 葉綠素含量的測定

用丙酮乙醇混合液法測其葉綠素含量[5]。

1.4 統計分析

試驗數據用Excel軟件進行統計處理。

2 結果與分析

2.1 不同時期馬鈴薯葉片光譜動態變化

在馬鈴薯的塊莖形成期和塊莖膨大期，葉片光譜反射率在310～730 nm波段反射率較低。主要吸收藍光及紅光，因此，可以解釋葉片在附近的紅光區域有吸收谷，在位于藍光及紅光之間的波段有反射峰下降，又由于葉綠素在整個可見光區域的吸收均很強，透射及反射均較低，所以在附近區域的吸收減少，吸收谷變淺。綠色植被反射光譜在600～680 nm附近有一個谷值，谷值附近的光譜反射率可直接用于植被生長狀態的估測[6]，或作為植被指數的一個波段。在310～730 nm波段有很強的吸光能力，相反，在 730～1130 nm波段由于細胞的散射作用，增大了光譜反射率[7]。由圖1可見兩時期表現趨勢相似。

2.2 不同時期馬鈴薯葉片SPAD的動態變化

用SPAD－502葉綠素計測定馬鈴薯塊莖形成期和塊莖膨大期的SPAD值，塊莖膨大期的SPAD值均高于塊莖形成期的SPAD值，如圖2。

2.3 葉片SPAD與葉綠素含量的相關性分析

圖1 不同時期馬鈴薯葉片光譜動態變化Figure 1 Dynamic change of leaf spectrum reflectance of potatoes under different growth stages

圖2 不同時期馬鈴薯葉片SPAD動態變化Figure 2 Dynamic change of potato leaf SPAD under different growth stages

用SPAD來預測葉綠素含量時應注意：測定時所選擇葉片大小的影響，特別是葉片較小時，測定SPAD值時易取到葉脈部位，影響測定結果。葉色是許多因素綜合影響的結果，當植株缺N、P和微量元素時都會引起葉色發生變化，因此在用SPAD值估測葉綠素含量時，應選擇葉片已完全展開且進入功能盛期的葉片，通常可選擇倒四葉的頂小葉[8]。馬鈴薯葉片SPAD的8個觀察值與相應的葉綠素含量進行相關性分析，算得的相關系數r=0.816，查表與r0.01,6=0.834，r0.05,6=0.707進行比較，相關關系達到顯著水平。

2.4 葉片光譜反射率與葉綠素含量的相關性分析

對葉片光譜反射率與葉綠素含量進行相關性分析，算得相關系數r，通過Excel有代表性篩選，在可見光波段范圍內，馬鈴薯選取510nm（|r|=0.812）、650 nm（|r|=0.755）和680 nm（|r|=0.817）3個波段的光譜反射率，它們與葉綠素含量的相關性呈顯著；在近紅外區域，選取820 nm（|r|=0.8160）和940 nm(|r|=0.799)2個波段，與葉綠素含量的相關性達到了顯著水平。

利用上述選取的波段，通過植被指數的計算公式，計算出RVI、DVI、NDVI和RDVI值，對4種植被指數與相應的葉綠素含量進行相關性分析，結果表明：在940nm和510nm組合的波段計算的植被指數與葉綠素相關性最好，并且以NDVI的相關系數最高，r=－0.9546，達到了極顯著水平（表1）。

表1 不同波段光譜反射率的植被指數與葉綠素含量的相關系數Table 1 Correlations coefficient of vegetation index in different wavelength scopes and chlorophyll content

3 討論

便攜式SPAD－502葉綠素計是通過2個波段650 nm和 940 nm的組合來達到消除葉片內部結構影響和測量葉綠素的目標。二種光穿透葉片，打到接收器上，通過接收器接收到的光強和發射光強比較，確定葉片葉綠素的含量，表示SPAD單位。SPAD=Klong10[(IR1/IR0)/R1/R0]，其中，K為常數；IR1為接收到的940 nm紅外線強度；IR0為發射紅外光強度；R1為接收到的650 nm發紅光強度；R為發射紅外強度。光信號轉換成模擬信號，模擬信號被放大器放大，由模擬/數字轉換器轉換成數字信號，數字信號被微處理器利用，計算出SPAD值并顯示在顯示器上。本研究中馬鈴薯葉片SPAD的 8個觀察值與相應的葉綠素含量相關關系達到顯著水平，算得的相關系數|r|=0.8160。

美國（原英國）PP Systems公司Unispec－SC光譜儀，光譜分辨率10nm，可在310～1130nm波段范圍內進行連續測量。并非SPAD－502葉綠素計固定650 nm和940 nm 2個波段的單一組合[9]。在310～730 nm波段內，馬鈴薯選取510 nm、650 nm和680 nm 3個波段的光譜反射率，它們與葉綠素含量的相關性呈顯著；在730～1130nm波段，選取820nm和940nm2個波段，與葉綠素含量的相關性達到顯著水平。通過單一波段與葉綠素的相關分析，相關性一般，利用上述選取的波段，通過植被指數的計算公式，計算出RVI、DVI、NDVI和RDVI值，對四種植被指數與相應的葉綠素含量進行相關性分析，940nm和510nm波段建立的NDVI的相關系數最高，r=－0.9546，達到了極顯著水平。

研究發現，Unispec－SC光譜儀比SPAD－502葉綠素計預測結果更為準確。應用特定敏感光譜波段組合[10]，比葉綠素計自身選取的 650 nm和940 nm 固定組合更能精確測量葉綠素值。具體每個品種、每個生育期準確波段組合還有待進一步試驗來完成。

[1] 劉占宇,黃敬峰,王福民,等.估算水稻葉面積指數的調節型歸一化植被指數[J].中國農業科學,2008,41(10):3350－3356.

[2]馮偉,朱艷,姚霞,等.基于高光譜遙感的小麥葉干重和葉面積指數監測[J].植物生態學報,2009,33(1):34－44.

[3]宋開山,張柏,王宗明,等.大豆葉綠素含量高光譜反演模型研究[J].農業工程學報,2006,22(8):16－21.

[4]宋開山,張柏,于磊,等.玉米地上鮮生物量的高光譜遙感估算模型研究[J].農業系統科學與綜合研究,2005,21(1):65－67.

[5]張憲政.植物葉綠素含量測定——丙酮乙醇混合液法[J].遼寧農業科學,1986(3):26－28.

[6] Luther J E,Carroll A L.Development of an index of balsam fir vigor by foliar spectral reflectance[J].Remote Sensing of Environment,1999,69(3):241－252.

[7] Serrano L,Filella L,Pe Nuelas J.Remote sensing of biomass and yield of winter wheat under different nitrogen supplies[J].Crop Science,2000,40:723－731.

[8] 蘇云松,郭華春,陳伊里,等.馬鈴薯葉片SPAD值與葉綠素含量及產量的相關性研究[J].西南農業學報,2007,20(4): 690－693.

[9] 聶向榮,樊明壽.馬鈴薯氮素營養狀況的SPAD儀診斷[J].中國馬鈴薯,2009,23(4):203－207.

[10] 吳華兵,朱艷,田永超,等.棉花冠層高光譜指數與葉片氮積累量的定量關系[J].作物學報,2007,33(3):518－522.