厚度補償式葉綠素儀在棉花SPAD值測定中的應(yīng)用*

方 波，郭沖沖，李加福，李東升

（中國計量學(xué)院計量測試工程學(xué)院，浙江杭州 310018）

0 引言

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)利用葉綠素儀測定植物葉片土壤和作物分析儀器開發(fā)（soil and plant analyzer development，SPAD）值時，需要考慮葉片厚度對SPAD讀數(shù)的影響。若對SPAD值進(jìn)行厚度補償，可以更加準(zhǔn)確地估計不同生育期與不同品種植物葉片的氮含量［1］。Ahmad I S等人［2］（1999 年）認(rèn)為用940 nm波長作為參考，不受葉綠素水平影響，而受到葉片厚度的影響。Pagola M等人［3］認(rèn)為SPAD—502的紅光區(qū)和近紅外區(qū)的光譜變量均明顯受到葉片厚度的影響。Marenco R A等人［4］（2009年）的研究也證實當(dāng)把SPAD讀數(shù)轉(zhuǎn)換為葉綠素的絕對含量時，需要考慮葉片厚度。浙江大學(xué)的李金文［5］（2010年）分析比葉重與葉片厚度的關(guān)系，研究認(rèn)為比葉重可以代替葉片厚度，然而在不同生育期內(nèi)葉片密度的差異，可能會影響葉片厚度與比葉重的關(guān)系，導(dǎo)致在不同的生育期建立不同的回歸方程。

因此，為了提高對植物葉綠素含量的檢測精度，減少植物葉片厚度對SPAD讀數(shù)估計不同生育時期或品種的葉綠素含量產(chǎn)生的影響，本文在現(xiàn)有葉綠素儀基礎(chǔ)上增加對葉片厚度的檢測和補償功能，研制出LTCCM—1001型厚度補償式葉綠素儀，能準(zhǔn)確、快速、實時監(jiān)測植物葉綠素狀況，并對該儀器在棉花葉片SPAD值測定中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 厚度補償式葉綠素儀

LTCCM—1001型厚度補償式葉綠素儀包括:夾具測量裝置、測控電箱及上位機界面。其中，夾具測量裝置集葉綠素光學(xué)測量系統(tǒng)和測量厚度的電感傳感器于一體，實現(xiàn)葉片厚度和葉綠素的同時段測量。測控電箱由電源、光源控制電路、光電轉(zhuǎn)換電路、葉厚測量電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機、數(shù)據(jù)存儲模塊、液晶顯示模塊、時鐘模塊、RS—232接口電路及MCU下載電路等組成，實現(xiàn)測量過程的控制、數(shù)據(jù)記錄、查詢及顯示;采用LabVIEW編寫了上位機軟件，可通過PC控制操作過程、數(shù)據(jù)采集與處理。儀器實物如圖1所示。

圖1 厚度補償式葉綠素儀實物圖Fig 1 Physical map of thickness compensation type chlorophyll meter

2 棉花葉片不同葉位SPAD值厚度補償后的分布

2．1 實驗地點和時間

實驗地點選擇中國計量學(xué)院生命學(xué)院實驗田（3120．11°E，0．15°N）。測量時間是 2012 年 7 月 15 日～2012年10月7日。

2．2 實驗材料與方法

在同一施氮水平下，分別在盛花期和鈴期選取10株長勢相同的棉花植株，進(jìn)行不同葉位的SPAD值測定，每個位置測量3次求平均，如圖2所示，即葉基、葉中、葉尖3個位置，葉片的SPAD值利用LTCCM—1001型厚度補償式葉綠素含量儀測定，SPAD值被厚度補償后的測量值為SPAD'=1000SPAD/Thickness。

圖2 棉花葉片的3個測量位置分布圖Fig 2 Layout diagram of three measuring position of cotton leave

2．3 結(jié)果與分析

棉花葉片的不同位置SPAD值也不同，下面分析不同生育時期下3個測量位置的SPAD'值分布情況，選取不同葉位上的同一位置作數(shù)據(jù)分析。從表1可以得到不同生育時期下位置3的SPAD＇值平均值最大，同時對SPAD＇值反應(yīng)較為敏感，變異系數(shù)最小，故認(rèn)為棉花葉片的最佳診斷位置為葉位3，即葉尖部位。該實驗的分析結(jié)果與潘薇薇［6］（2008）研究結(jié)果一致。

表1 不同生育時期下3個測量位置厚度補償后的SPAD'值分布Tab 1 SPAD＇value distribution of 3 measuring position in different growth period after thickness compensation

3 棉花葉片不同生育時期SPAD值厚度補償

3．1 實驗地點和時間

實驗地點和時間同2．1。

3．2 實驗材料與方法

本實驗對不同生育階段棉花葉片厚度、SPAD值及相應(yīng)的葉綠素含量進(jìn)行測量，選取盛花期和鈴期的棉花各5株，打頂后，對頂部完全展開的葉片利用LTCCM—1001型厚度補償式葉綠素儀進(jìn)行SPAD值和厚度測量，共40個測定點，每個測定點分別測量3次求平均。葉綠素含量測定采用萃取法，其中，萃取液選取丙酮:乙醇為2∶1的溶液配制，萃取方式為浸提。然后建立厚度補償前后的SPAD值與葉綠素總量、葉綠素a、葉綠素b之間的相關(guān)模型，并分析結(jié)果。

3．3 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)通過 Excel V2003，SPSS16．0 及 Matlab V7．0軟件對進(jìn)行處理。

3．4 結(jié)果與分析

圖3是棉花盛花期和鈴期的SPAD值經(jīng)過厚度補償前后與葉綠素含量的相關(guān)關(guān)系，厚度補償后SPAD＇值與葉綠素含量的相關(guān)性明顯比厚度補償前的相關(guān)性好，與葉綠素總量、葉綠素a、葉綠素b三者的回歸方程決定系數(shù)均比厚度補償前的決定系數(shù)大。

如表2所示，在盛花期與鈴期，棉花葉片厚度補償后的SPAD＇值與葉綠素含量明顯比厚度補償前相關(guān)顯著性好，補償后均呈高度顯著相關(guān)（P＜0．001），表明本文研制的葉綠素儀檢測棉花葉片葉綠素含量精度較高，進(jìn)一步說明了葉綠素儀在估計植物葉綠素含量時，需要考慮葉片厚度值，SPAD值進(jìn)行厚度補償能夠減小厚度差異帶來的影響。

將棉花的2個生育時期各個參量作平均，如表3所示，發(fā)現(xiàn)棉花葉綠素總量、葉綠素a和葉綠素b在不同時期存在高度顯著差異，葉綠素含量從盛花期到鈴期逐漸增大，這是因為盛花期與鈴期時棉花的生長旺盛階段，對養(yǎng)分的需求也隨之增加，葉綠素積累大;SPAD值隨著生育時期表現(xiàn)出減少趨勢，而經(jīng)過厚度補償后的SPAD＇值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，說明SPAD＇值更能夠反映出葉綠素含量的變化趨勢。

圖3 不同生育時期厚度補償前后SPAD值與葉綠素含量之間的相關(guān)關(guān)系Fig 3 Correlations relation between SPAD value and chlorophyll content before and after thickness compensation in different growth periods

表2 不同生育時期厚度補償前后SPAD值與葉綠素含量之間的相關(guān)系數(shù)Tab 2 Correlation coefficients between SPAD value and chlorophyll content before and after thickness compensation in different growth periods

表3 不同生育時期SPAD值的變化Tab 3 Variation of SPAD value in different growth periods

4 結(jié)論

通過測定分析棉花葉片不同生育時期的不同葉位厚度補償后的SPAD'值，得到不同的葉位水平差異顯著，其中，葉尖部位反應(yīng)敏感，變異系數(shù)小，為最佳測量葉位。

對測定得到的SPAD值進(jìn)行厚度補償，可以發(fā)現(xiàn)SPAD'值與葉綠素總量、葉綠素a、葉綠素b的相關(guān)性比厚度補償前的SPAD值的高，說明經(jīng)過厚度補償后可以一定程度的消除厚度差異帶來的影響。將棉花各個生育時期的各個參量做平均，發(fā)現(xiàn)厚度補償后的SPAD＇值與葉綠素含量的變化趨勢一致，說明厚度補償后的SPAD'值能更加準(zhǔn)確地反映葉片葉綠素的變化趨勢。

厚度補償后的SPAD'值與葉綠素含量呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)基本都在0．8以上，說明LTCCM—1001A型厚度補償式葉綠素儀檢測精度高，能夠有效的估計棉花不同生育時期的葉綠素含量。

［1］ Li Jinwen，Yang Jingping，Li Dongsheng．Chlorophyll meter’s estimate of weight-based nitrogen concentration in rice leaf is influenced by leaf thickness［J］．Plant Prod Sci，2011，14（2）:177－183．

［2］ Ahmad I S，Reid J F，Noboru Noguchid，et al．Nitrogensensing for precision agriculture using chlorophyll Maps［C］∥Proceedings of American Society of Agricultural Engineers（ASAE），Toronto，1999．

［3］ Pagola M，Ortiz R，Irigoyen I，et al．New method to assess barley nitrogen nutrition status based on image colour analysis:Comparison with SPAD—502［J］．Computers and Electronics in Agriculture，2009，65（5）:213 －218．

［4］ Marenco R A，Antezana-Vera S A，Nascimento H C S．Relationship between specific leaf area，leaf thickness，leaf waterconcentration and SPAD—502 readings in six Amazonian trees pecies［J］．Photosynthetica，2009，47:184 － 190．

［5］ 李金文．基于水稻葉片生理生態(tài)特征的氮營養(yǎng)診斷［D］．杭州:浙江大學(xué)，2010．

［6］ 潘薇薇，危常州，丁 瓊，等．膜下滴灌棉花氮素推薦施肥模型的研究［J］．植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2009，15（1）:204 －210．