莊紅梅， 盧春生*， 龔 鵬， 徐葉挺， 謝 輝， 樊丁宇

(1 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所， 烏魯木齊 830091; 2 農(nóng)業(yè)部新疆地區(qū)果樹(shù)科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站， 葉城縣 844900)

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新疆‘葉爾羌’扁桃果實(shí)不同生育期葉片氮磷鉀光譜特性研究

莊紅梅1，2， 盧春生1，2*， 龔 鵬1，2， 徐葉挺1，2， 謝 輝1，2， 樊丁宇1，2

(1 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所， 烏魯木齊 830091; 2 農(nóng)業(yè)部新疆地區(qū)果樹(shù)科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站， 葉城縣 844900)

‘葉爾羌’扁桃; 氮素、 磷素、 鉀素; 光譜反射率; 果實(shí)生育期; 敏感期

氮、 磷、 鉀是作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，不僅影響作物生長(zhǎng)速度和產(chǎn)量，還影響植株體內(nèi)多種生化成分的變化[1]。探尋實(shí)時(shí)、 快速、 無(wú)損、 精準(zhǔn)的植物營(yíng)養(yǎng)診斷方法是各國(guó)農(nóng)業(yè)學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一[2-4]。光譜分析技術(shù)速度快、 效率高、 重現(xiàn)性好、 測(cè)試方便、 成本低，已經(jīng)用于探測(cè)和獲取作物營(yíng)養(yǎng)狀況和長(zhǎng)勢(shì)信息[5]。目前光譜分析診斷技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在玉米[6-10]、 小麥[11-12]、 水稻[13-14]、 番茄[15-16]、 棉花[17]、 黑麥草[18]、 紫葉稠李[19]氮素營(yíng)養(yǎng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與診斷。已有研究發(fā)現(xiàn)，綠光、 紅邊波段為利用葉片光譜估測(cè)全N含量的敏感波段，窄波段綠光、 紅邊比值指數(shù)SR(R780，R580)和SR(R780，R704)可用于冠層全N含量的監(jiān)測(cè)[20]。賀冬仙等發(fā)現(xiàn)560、 650和720 nm作為特征波長(zhǎng)及940 nm作為參比波長(zhǎng)適用于植物營(yíng)養(yǎng)快速無(wú)損診斷，(T940-T560)/(T940+T560)、log(T940/T560)和log(T940/T650)與植物N營(yíng)養(yǎng)水平的相關(guān)性較好[21]。Thomas等通過(guò)測(cè)定甜椒葉片的反射率，發(fā)現(xiàn)N元素營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)甜椒葉片在550 nm和670 nm波段反射率的影響大[22]，胡珍珠等發(fā)現(xiàn)輪臺(tái)白杏葉片的光譜反射率也在550 nm處[23]。Osbome等[24]發(fā)現(xiàn)玉米葉片內(nèi)N含量的預(yù)測(cè)在紅光和綠光波段，具體波段不受生育期的影響。Al-Abbas等[25]發(fā)現(xiàn)不同營(yíng)養(yǎng)N、 P、 K脅迫下不同位置葉片的光譜特性，其營(yíng)養(yǎng)脅迫對(duì)530 nm波段處作物葉片光譜反射率有顯著性影響，Daughtry等[26]提出可以利用作物葉片反射光譜率進(jìn)行葉片葉綠素含量評(píng)價(jià)。這些研究結(jié)果表明，光譜指數(shù)通過(guò)反映作物葉綠素含量，可以間接反映作物N素營(yíng)養(yǎng)狀況。南疆扁桃(AmygdaluscommunisL.)由于缺少類似快速診斷技術(shù)，施肥依然主要靠經(jīng)驗(yàn)。因此，研發(fā)自動(dòng)化程度高、 精確度高、 簡(jiǎn)單快捷的扁桃營(yíng)養(yǎng)光譜診斷技術(shù)，制定符合樹(shù)體營(yíng)養(yǎng)盈虧狀況的科學(xué)施肥方案，是加快南疆扁桃產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效的迫切需求。本項(xiàng)目采用“3414”肥料效應(yīng)田間試驗(yàn)，分析‘葉爾羌’扁桃果實(shí)不同生育期葉片光譜反射率對(duì)N、 P、 K的敏感性差異，探尋采用葉片光譜指數(shù)診斷N、 P、 K的敏感期，旨在為‘葉爾羌’扁桃快速、 精準(zhǔn)、 非破壞性營(yíng)養(yǎng)診斷提供最佳時(shí)間窗。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)及土壤條件

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用“3414”肥料效應(yīng)田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)，具體處理、 編碼和肥料用量見(jiàn)表1。于2014年在扁桃果實(shí)座果期、 膨大期、 硬核期、 成熟期采集扁桃新梢中部葉片，每個(gè)處理選取樹(shù)體5株，每株樹(shù)體大小一致。在樹(shù)冠中部東、 西、 南、 北方向隨機(jī)選取生長(zhǎng)健康的成熟葉片，每株選取葉片12片(帶葉柄)帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，于105℃恒溫殺青30 min后70℃烘至恒重，用不銹鋼料理機(jī)粉碎后裝入自封袋備用，分析氮磷鉀含量。

表1　葉爾羌扁桃施肥田間施肥方案

注(Note): TSP—重過(guò)磷酸鈣Triple superphosphate.

1.3光譜數(shù)據(jù)采集

1.4數(shù)據(jù)分析

葉片光譜指數(shù)的計(jì)算采用與葉綠素含量正相關(guān)性較好的公式:

ND705=(R750-R705)/(R750+R705-2R445)[31]

式中， R750、 R705、 R445分別是測(cè)定葉片敏感波段750 nm、 705 nm、 445 nm的光譜反射率值。

葉片用H2SO4-H2O2消煮，全氮用凱氏定N法測(cè)定，全磷用釩鉬黃法在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-1800) 450 nm處比色測(cè)定，全鉀用原子吸收分光光度計(jì)(PE-Analysist100)測(cè)定[23]。

數(shù)據(jù)分析采用DPS v 9.5 統(tǒng)計(jì)軟件與Origin 9.0軟件。葉片光譜指數(shù)的差異性分析采用單因素方差分析(One-way ANOVA)，多重比較采用最小顯著方差法(LSD方法)。

2　結(jié)果與分析

2.1‘葉爾羌’扁桃果實(shí)不同生育期葉片光譜特性

圖1　‘葉爾羌’扁桃果實(shí)不同生育期葉片光譜反射率Fig.1　The leaf spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond at different growing stages

2.2‘葉爾羌’扁桃果實(shí)不同生育期葉片光譜反射率對(duì)氮、磷、 鉀肥的響應(yīng)

圖2　不同氮素水平下‘葉爾羌’扁桃果實(shí)不同生育期可見(jiàn)光波段葉片光譜反射率Fig.2　The leaf spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond at visible wavelength under different N levels at different growing stages

圖3　不同磷素水平下‘葉爾羌’扁桃果實(shí)不同生育期可見(jiàn)光波段葉片光譜反射率Fig.3　The leaf spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond at visible wavelength under different P levels at different growing stages

2.3果實(shí)不同生育期葉片光譜指數(shù)(ND705)的差異性

由于氮素能直接影響葉綠素，因此可以通過(guò)可見(jiàn)光以及近紅外波段特定波長(zhǎng)區(qū)域的反射率的光譜指數(shù)，區(qū)分葉片氮含量的高低。

通過(guò)多重比較，可以看出，隨著N元素含量的升高，各處理葉片光譜指數(shù)(ND705)之間無(wú)顯著性差異(表2)。不同果實(shí)發(fā)育期存在顯著性差異。座果期葉片光譜指數(shù)(ND705)與膨大期、 硬核期的光譜指數(shù)不存在顯著性差異，但與成熟期存在顯著性差異; 膨大期、 硬核期的光譜指數(shù)與成熟期光譜指數(shù)存在顯著性差異，硬核期光譜指數(shù)與成熟期光譜指數(shù)存在顯著性差異。可見(jiàn)，果實(shí)成熟期、 硬核期是葉爾羌扁桃氮素葉片光譜營(yíng)養(yǎng)診斷的敏感時(shí)期。

隨著磷元素含量的升高，各處理葉片光譜指數(shù)(ND705)之間無(wú)顯著性差異(表2)。不同果實(shí)發(fā)育期存在顯著性差異。座果期葉片光譜指數(shù)(ND705)與膨大期、 硬核期的光譜指數(shù)不存在顯著性差異，但與成熟期存在顯著性差異; 膨大期、 硬核期的光譜指數(shù)與成熟期光譜指數(shù)存在顯著性差異，硬核期光譜指數(shù)與成熟期光譜指數(shù)存在顯著性差異?？梢?jiàn)，果實(shí)成熟期與硬核期是‘葉爾羌’扁桃磷素葉片光譜營(yíng)養(yǎng)診斷的敏感時(shí)期。

圖4　不同鉀素水平下‘葉爾羌’扁桃果實(shí)不同生育期可見(jiàn)光波段葉片光譜反射率Fig.4The leaf spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond at visible wavelength under different K levels at different growing stages

隨著鉀元素含量的升高，各處理葉片光譜指數(shù)(ND705)之間無(wú)顯著性差異(表2)。不同果發(fā)育期存在顯著性差異。座果期葉片光譜指數(shù)(ND705)與膨大期、 硬核期的光譜指數(shù)不存在顯著性差異，但與成熟期存在顯著性差異; 膨大期、 硬核期的光譜指數(shù)與成熟期光譜指數(shù)存在顯著性差異，硬核期光譜指數(shù)與膨大期光譜指數(shù)不存在顯著性差異。可見(jiàn)，果實(shí)成熟期與硬核期是‘葉爾羌’扁桃鉀素葉片光譜營(yíng)養(yǎng)診斷的敏感時(shí)期。

2.4葉爾羌扁桃葉片氮、 磷、 鉀含量與不同波段光譜反射率的相關(guān)性

表2　不同N、 P、 K素處理果實(shí)不同生育期葉片光譜指數(shù)ND705差異分析

注(Note): 肥料因素為氮(N)、 磷(P)、 鉀(K)，4個(gè)水平分別為0(不施肥)、 1(常規(guī)施肥量的0.5倍)、 2(常規(guī)施肥量)、 3(常規(guī)施量的1.5倍)The fertilizer factors are N (nitrogen)， P (phosphor)， K (potassium)， four levels are 0 (no fertilization)， 1 (0.5 times of conventional fertilization)，3 (conventional fertilization)， 3 (1.5 times of conventional fertilization).n=9

圖5　葉爾羌扁桃果實(shí)不同生長(zhǎng)發(fā)育階段葉片氮含量與光譜反射率的相關(guān)系數(shù)Fig.5　Correlation coefficient between foliar N concentration and spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond at different growing stages

圖6　葉爾羌扁桃果實(shí)不同生長(zhǎng)發(fā)育階段葉片磷含量與光譜反射率的相關(guān)系數(shù)Fig.6　Correlation coefficient between foliar P concentration and spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond at different growing stages

圖7　 葉爾羌扁桃果實(shí)不同生長(zhǎng)發(fā)育階段葉片鉀含量與光譜反射率的相關(guān)系數(shù)Fig.7　Correlation coefficient between foliar K concentration and spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond at different growing stages

3　討論

‘葉爾羌’扁桃樹(shù)體N、 P、 K葉片光譜營(yíng)養(yǎng)診斷的敏感時(shí)期為果實(shí)成熟期與硬核期。有關(guān)作物對(duì)N、 P、 K光譜診斷敏感期的研究較多。不同植物葉片光譜特性對(duì)N、 P、 K素的敏感期也不同。缺氮會(huì)導(dǎo)致葉片光譜反射率增加，在光譜特征曲線上表現(xiàn)為反射率上升[6]。有研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)夏玉米葉片近紅外波段處葉片反射率隨氮肥用量的增加而提高[32]; 而在可見(jiàn)光波段，隨著氮肥施用量的增加，在綠光波段反射率明顯降低[30]。

4　結(jié)論

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Leaf spectral characteristics of ‘Yarkent’ almond and its sensitivity to N， P， K at different growth periods in Xinjiang

ZHUANG Hong-mei1，2， LU Chun-sheng1，2*， GONG Peng1，2， XU Ye-ting1，2， XIE Hui1，2， FAN Ding-yu1，2

(1InstituteofHorticulturalCrops，XinjiangAcademyofAgriculturalSciences，Urumqi，Xinjiang830091China; 2ScientificObservingandExperimentalStationofPomology(Xinjiang)，MinistryofAgriculture，YechengCounty，Xinjiang844900，China)

【Objectives】 The sensitive period of leaf spectral index was studied by analyzing the leaf spectral reflectance in the response to nitrogen (N)，phosphorus (P) and potassium (K) fertilizer at different growing stages of ‘Yarkent’ almond in Shache of Xinjiang aiming to provide a non-invasive，simple and rapid nutrition diagnosis of N，P，K. 【Methods】 Using “3414” fertilizer experiment and ‘Yarkent’ almond as tested material，the leaf spectral reflectance was measured using Unispec-SC spectrometer at fruiting，expanding，stone hardening and maturing stages of almond tree under different N，P，K fertilizer levels. 【Results】 The fluctuation of leaf spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond depended on the wavelengths at all the growing stages，and the least variation was in the range of visible wavelength. The leaf spectral reflectance was generally in the order of stone hardening stage > fruiting stage > expanding stage > maturing stage. The leaf spectrum indexes (ND705) of ‘Yarkent’ almond was significantly (P<0.05) and extremely significantly (P<0.01) different among different N，P，K fertilizer levels at all growing stages. The spectral sensitive band of foliar N concentration was 815-894 nm，375-398 nm，608-616 nm and 429-437 nm at fruiting stage，expanding stage，stone hardening stage and maturing stage，respectively. The spectral sensitive band of foliar P concentration was 766-802 nm，1023-1063 nm，708-713 nm and 1130 nm at above 4 stages. For foliar K concentration，the spectral sensitive band was 815-894 nm，345-368 nm and 475-491 nm at fruiting stage，expanding stage and maturing stage，respectively.【Conclusions】 The sensitive periods for leaf spectral nutrition diagnosis of N, P and K in ‘Yarkent’ almond are at mature stage and stone hardening stage. The spectral sensitive bands for N are 815-894 nm，375-398 nm，608-616 nm and 429-437 nm at fruiting stage, expanding stage, stone hardening stage and maturing stage, respectively; those for P are 766-802 nm, 1023-1063 nm, 708-713 nm and 1130 nm; and those for K are 815-894 nm，345-368 nm and 475-491 nm at fruiting stage，expanding stage and maturing stage，respectively.

‘Yarkent’ almond; nitrogen，phosphorus，potassium; leaf spectral reflectance; fruit growing stage;sensitive period

2015-03-02接受日期: 2015-07-07

自治區(qū)科技重大專項(xiàng)(201130102-2); 新疆維吾爾自治區(qū)科技計(jì)劃(201111121); 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201003043)資助。

莊紅梅(1987—)， 女，江蘇連云港人， 碩士， 助理研究員， 主要從事植物生理研究。 E-mail: zhuanghongmei86@163.com

E-mail: luchshxj@163.com

S664.9

A

1008-505X(2016)04-1079-12