肥料添加劑對甘薯冠層光譜和葉綠素熒光參數特征的影響

王 慧，曾路生，劉 慶，史衍璽

(青島農業大學 資源與環境學院，山東 青島 266109)

目前，光譜技術、葉綠素熒光技術以及光合測定技術已成為探究植物生理生化指標變化的重要手段。與傳統的化學實驗測定方法相比，光譜技術、葉綠素熒光技術以及光合測定技術具有耗時少、無污染、無損耗等特點，因此，在監測作物生理生化指標方面受到廣泛關注。彭濤等[1]利用光譜技術和葉綠素熒光技術研究植物光譜與植物葉黃素循環的關系，表明光化學指數(PRI)能夠反映植物光合機構對光能的利用效率。孫金英等[2]利用光譜和光合技術研究了油菜光譜植被指數與葉片冠層氣孔導度之間關系時發現光譜植被指數與油菜冠層葉片氣孔導度之間具有較好的擬合效果。鄭陽霞等[3]利用光合熒光技術研究了鋁脅迫下西瓜光合特性及葉綠素熒光參數的變化時發現鋁脅迫可對西瓜的葉綠素含量、凈光合速率、葉片的氣孔導度、胞間CO2濃度及蒸騰速率產生影響，并且使西瓜的熒光參數Fo、Fm、Fv/Fo、Fv/Fm下降。楊艷君等[4]利用熒光技術研究了光合作用對施肥水平和種植密度的響應機制，結果表明氮素水平能夠對作物熒光參數產生影響。當前，我國化肥的使用量高，環境污染嚴重等生態問題已經嚴重威脅到了我國農業的可持續發展和國家的糧食安全。通過在肥料中添加各種不同的添加劑，可起到降低肥料使用量、增加作物產量和保護生態環境的效果[5-6]。由于肥料添加劑具有增產、增效、減少環境污染等優點，成為當前廣大學者關注的焦點[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1 500～4 500 kg/hm2，甘藍增產3 000～6 000 kg/hm2。目前，對于肥料添加劑在經濟作物方面的應用研究較多，而在甘薯上的應用研究卻鮮有報道。甘薯具有耐干旱、耐貧瘠、對土壤環境要求低等優點，在我國糧食作物中占據著越來越重要的地位。因此，本研究選取甘薯為試驗對象，研究了不同肥料添加劑處理對甘薯光譜特征、葉綠素熒光參數以及光合參數的影響，為肥料添加劑在甘薯上的推廣應用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

甘薯品種為煙25；常規肥料為15∶15∶15的復合肥；肥料添加劑∶聚氨酸由中科院沈陽應用生態所研發提供，按肥料總量的7‰加入；抑制劑由中科院沈陽應用生態所研發提供，按氮總量的7‰加入；菌肥由青島海德龍生物技術有限公司提供，按6.0 kg/hm2加入。

1.2 試驗方法

采用盆栽試驗的方法，地點位于青島市城陽區百埠莊，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4個處理：CK 常規施肥；T1 常規施肥+聚氨酸添加劑；T2常規施肥+聚氨酸添加劑+抑制劑；T3常規施肥+聚氨酸添加劑+抑制劑+菌肥。每個處理設12個重復。聚氨酸、抑制劑和菌肥與常規肥料混合在種植前做基肥施入，按照常規管理方法進行管理。

1.3 測定項目

SPAD值：SPAD-520型葉綠素儀進行測定。

光譜數據：使用北京愛萬提斯生產的AvaSpec-ULS2048光纖光譜儀，在甘薯生長50 d采集冠層光譜。測定選在晴天、無風、少云的天氣，測定時間為11：00-14：00。

葉綠素熒光參數：利用美國漢莎公司生產的M-PEA儀器，在甘薯生長50 d測定葉片葉綠素熒光參數。測定時，選取不同處理的甘薯第5片功能葉進行暗適應30 min，然后利用儀器與電腦連接進行測定。

光合參數：選擇晴天、少云的天氣，在9：00-11：00利用美國漢莎公司生產的CIRAS-3儀器測定，選取甘薯第5片功能葉測定，測定的參數包括CO2濃度、凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率。

1.4 數據處理

將采集的數據利用Excel和SPSS 19.0軟件進行處理和分析。本試驗中甘薯冠層光譜的植被指數計算公式參考文獻[13]。

2 結果與分析

2.1 肥料添加劑對甘薯葉綠素SPAD值的影響

由圖1可知，常規施肥(CK)、常規施肥+聚氨酸添加劑(T1)、常規施肥+聚氨酸添加劑+抑制劑(T2)、常規施肥+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%。同時可看出，與常規施肥(CK)相比，肥料添加劑處理對生長初期的甘薯葉綠素SPAD值影響沒達到顯著差異的水平。

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大體一致，即在550 nm左右形成一個反射峰，在650 nm左右形成一個反射谷，在750 nm左右的反射率達到最大，760～950 nm波段形成近紅外反射平臺。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)內的平均反射率大小為：T1>CK>T3。

圖2 不同處理對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植被指數(PRI)、結構不敏感色素指數(SIPI)、紅邊歸一化植被指數(NDVI705)、差值植被指數(DVI)和簡單比例植被指數(SRVI)的計算結果見表1。由表1可知，與CK相比，T1、T2和T3處理下的甘薯的光化學植被指數(PRI)、結構不敏感色素指數(SIPI)、簡單比例植被指數(SRVI)均有所增加，但是不同處理之間未達到顯著性水平。與CK相比，T1、T2和T3處理下的甘薯的紅邊歸一化植被指數(NDVI705)和差值植被指數(DVI)均有所下降，其中CK處理下的甘薯紅邊歸一化植被指數(NDVI705)與其他處理之間達到顯著性差異。因此，通過分析甘薯的植被指數可知，與常規施肥相比，肥料添加劑對甘薯生長過程中的生理和生化過程產生了一定的影響。

表1 不同處理對甘薯植被指數的影響

2.3 肥料添加劑對甘薯葉綠素熒光參數的影響

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%，其中常規施肥+聚氨酸添加劑(T1)處理下的PSⅡ的光化學效率(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的性能指數(PI abs)分別上升了13.71%，6.42%和11.43%，其中常規施肥+聚氨酸添加劑(T1)處理下以吸收光能為基礎的性能指數(PI abs)最高。

表2 不同處理對甘薯葉綠素熒光參數的影響Tab.2 Effect of different treatments on chlorophyll fluorescence parameters in sweet potato

2.4 肥料添加劑對甘薯光合參數的影響

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

圖3 不同添加劑處理對甘薯光合參數的影響

2.5 甘薯植被指數與葉綠素熒光指數和光合指數之間的相關性

甘薯植被指數NDVI705與熒光參數Fo/Fm、Fv/Fm、Fv/Fo和φPo以及和光合參數Ci之間的相關關系見圖4。通過甘薯植被指數與葉綠素熒光指數和光合指數的相關性分析可知，甘薯植被指數NDVI705與熒光參數Fo/Fm、Fv/Fm、Fv/Fo和φPo之間存在顯著相關性，甘薯植被指數NDVI705與光合參數Ci之間存在顯著相關性，甘薯其他植被指數與葉綠素熒光指數和光合指數之間沒有顯著相關性。

圖4 植被指數與葉綠素熒光指數和光合指數之間的相關性

3 討論與結論

3.1 肥料添加劑與甘薯冠層光譜的關系

作物的反射光譜可以反映出作物的生長狀況以及營養水平。植物葉片的光譜反射曲線在可見光波段內，由于作物體內葉綠體對藍光和紅光的吸收，550 nm左右會形成一個反射峰，即“綠峰”，該波峰的形成主要和植物葉片內的葉綠素含量和氮素水平有關。相關研究表明，作物氮素水平與其光譜特征存在一定的相關性。薛利紅等[14]研究小麥葉片氮素水平與光譜特征時發現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域反射率減小，在近紅外區域則增加。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，這說明T1、T2、T3處理在一定程度上增加了甘薯對氮的吸收，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部細胞結構的影響，反射率越高，說明作物內部細胞結構越完好。本試驗中，與CK相比，T1、T2處理下的近紅外(760～950 nm)波段內平均反射率均升高，這說明T1、T2處理一定程度上能夠促進甘薯葉片細胞的生長，但T3處理此波段不敏感，與CK差異小。

研究表明植被指數與作物的生理生化指標之間具有一定的相關性，在一定程度上可以反映作物生長狀況。通過作物的各植被指數可以快速、無損傷的研究植物體內的色素含量、營養狀況、水分狀況、光能利用效率等生理生態指標[17-18]。本試驗中添加劑處理下的甘薯的光化學植被指數(PRI)、結構不敏感色素指數(SIPI)、簡單比例植被指數(SRVI)均有所增加，紅邊歸一化植被指數(NDVI705)和差值植被指數(DVI)均有所下降，主要是因為肥料添加劑促進了甘薯對氮的吸收利用，從而對甘薯葉片的色素含量、營養狀況和光能利用效率等生理生態指標產生了影響，進而在植被指數上有所顯現。

3.2 肥料添加劑與甘薯熒光參數的關系

Fo稱為初始熒光值，Fo值越低說明光能的利用越高。Fv/Fm、Fv/Fo和Fo/Fm分別表示PSⅡ的光化學效率、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分別表示單位反應中心吸收的光能、單位反應中心捕獲的用于還原QA的能量、單位反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量和單位反應中心耗散掉的能量，這4個參數可以表示QA處在可還原態時，單位PSⅡ反應中心的活性。φEo、φPo和Ψo 3個參數分別代表著電子傳遞的量子產額、最大光化學效率和捕獲的光量子進入電子傳遞的效率，這3個參數主要是從量子產額或能量分配比率方面來說明了葉綠素熒光的變化。φEo、φPo和Ψo值越大，說明光合系統捕獲光的能力越強，電子由QA向QB的傳遞量越多。PI abs是所有熒光參數中最敏感的參數，它表示著以吸收光能為基礎的性能指數，PI abs值越高，說明對光能的吸收效果越好。肥料添加劑能夠改善土壤環境，增加土壤的氮素水平，促進植物的生長。本試驗設計中聚氨酸添加劑能夠調節土壤養分，增加土壤氮素含量，菌肥可以增強土壤中微生物活性，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氮向硝態氮的轉化，減少土壤中氮素的流失，增加土壤氮素的長期有效性，提高作物對氮肥的利用與吸收，促進作物葉片細胞的生長發育，進而影響作物生長過程中的光化學特性。相關研究表明，氮素水平與葉綠素熒光參數之間存在一定的相關關系。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Fv/Fm、Fv/Fo均隨施氮量的增加呈上升的趨勢。喬建磊等[20]研究表明馬鈴薯葉片PSⅡ光化學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性。于雪等[21]研究表明甜菜葉綠素熒光動力學參數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光化學的最大效率，提高了PS Ⅱ反應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總的光化學量子產量提高，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天線色素對光能的捕獲效率，降低光能的熱耗散，提高PS Ⅱ的光化學效率。本試驗中，肥料添加劑可能促進了甘薯對氮素的吸收利用，從而增加了甘薯葉片的光化學活性，提高了PSⅡ的光化學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的關系

相關研究表明，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，在甘薯的生長前期階段，所需的養分主要來自于甘薯薯塊本身，對土壤氮素的要求不高。本試驗中，光合參數胞間CO2濃度、凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率都呈現出先上升后下降的規律，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，從而使測得的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率等光合參數在T3處理下的增長速率放緩。

與常規施肥相比，肥料添加劑能夠提高甘薯的葉綠素SPAD值，同時肥料添加劑對甘薯冠層光譜產生了影響，使甘薯冠層光譜在可見光波段內550 nm左右位置上的平均反射率降低，在近紅外(760～950 nm)波段內的平均反射率升高，并且使光化學植被指數(PRI)、結構不敏感色素指數(SIPI)、簡單比例植被指數(SRVI)增加，紅邊歸一化植被指數(NDVI705)和差值植被指數(DVI)下降，表明肥料添加劑能夠提高甘薯對氮素的吸收和利用，增加葉綠素含量，促進甘薯葉片細胞的生長和發育。

肥料添加劑對甘薯葉綠素熒光參數Fo、φEo、φPo、Ψo、ABS/RC、Fo/Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC、PI abs產生了影響，使甘薯葉綠素熒光參數Fo、Fo/Fm、DIo/RC值下降，Fv/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活性，提高了PSⅡ的光化學效率和光合電子傳遞效率，降低了PSⅡ階段的熱耗散。

肥料添加劑對甘薯的胞間CO2濃度(Ci)、凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)光合參數產生了影響，使胞間CO2濃度(Ci)、凈光合速率(Pn)、氣孔導度(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甘薯光合參數的影響有所不同。