厚度补偿式叶绿素仪在棉花SPAD值测定中的应用*

方 波，郭冲冲，李加福，李东升

（中国计量学院计量测试工程学院，浙江杭州 310018）

0 引言

研究发现，当利用叶绿素仪测定植物叶片土壤和作物分析仪器开发（soil and plant analyzer development，SPAD）值时，需要考虑叶片厚度对SPAD读数的影响。若对SPAD值进行厚度补偿，可以更加准确地估计不同生育期与不同品种植物叶片的氮含量［1］。Ahmad I S等人［2］（1999 年）认为用940 nm波长作为参考，不受叶绿素水平影响，而受到叶片厚度的影响。Pagola M等人［3］认为SPAD—502的红光区和近红外区的光谱变量均明显受到叶片厚度的影响。Marenco R A等人［4］（2009年）的研究也证实当把SPAD读数转换为叶绿素的绝对含量时，需要考虑叶片厚度。浙江大学的李金文［5］（2010年）分析比叶重与叶片厚度的关系，研究认为比叶重可以代替叶片厚度，然而在不同生育期内叶片密度的差异，可能会影响叶片厚度与比叶重的关系，导致在不同的生育期建立不同的回归方程。

因此，为了提高对植物叶绿素含量的检测精度，减少植物叶片厚度对SPAD读数估计不同生育时期或品种的叶绿素含量产生的影响，本文在现有叶绿素仪基础上增加对叶片厚度的检测和补偿功能，研制出LTCCM—1001型厚度补偿式叶绿素仪，能准确、快速、实时监测植物叶绿素状况，并对该仪器在棉花叶片SPAD值测定中的应用进行了研究。

1 厚度补偿式叶绿素仪

LTCCM—1001型厚度补偿式叶绿素仪包括:夹具测量装置、测控电箱及上位机界面。其中，夹具测量装置集叶绿素光学测量系统和测量厚度的电感传感器于一体，实现叶片厚度和叶绿素的同时段测量。测控电箱由电源、光源控制电路、光电转换电路、叶厚测量电路、A/D转换电路、单片机、数据存储模块、液晶显示模块、时钟模块、RS—232接口电路及MCU下载电路等组成，实现测量过程的控制、数据记录、查询及显示;采用LabVIEW编写了上位机软件，可通过PC控制操作过程、数据采集与处理。仪器实物如图1所示。

图1 厚度补偿式叶绿素仪实物图Fig 1 Physical map of thickness compensation type chlorophyll meter

2 棉花叶片不同叶位SPAD值厚度补偿后的分布

2．1 实验地点和时间

实验地点选择中国计量学院生命学院实验田（3120．11°E，0．15°N）。测量时间是 2012 年 7 月 15 日～2012年10月7日。

2．2 实验材料与方法

在同一施氮水平下，分别在盛花期和铃期选取10株长势相同的棉花植株，进行不同叶位的SPAD值测定，每个位置测量3次求平均，如图2所示，即叶基、叶中、叶尖3个位置，叶片的SPAD值利用LTCCM—1001型厚度补偿式叶绿素含量仪测定，SPAD值被厚度补偿后的测量值为SPAD'=1000SPAD/Thickness。

图2 棉花叶片的3个测量位置分布图Fig 2 Layout diagram of three measuring position of cotton leave

2．3 结果与分析

棉花叶片的不同位置SPAD值也不同，下面分析不同生育时期下3个测量位置的SPAD'值分布情况，选取不同叶位上的同一位置作数据分析。从表1可以得到不同生育时期下位置3的SPAD＇值平均值最大，同时对SPAD＇值反应较为敏感，变异系数最小，故认为棉花叶片的最佳诊断位置为叶位3，即叶尖部位。该实验的分析结果与潘薇薇［6］（2008）研究结果一致。

表1 不同生育时期下3个测量位置厚度补偿后的SPAD'值分布Tab 1 SPAD＇value distribution of 3 measuring position in different growth period after thickness compensation

3 棉花叶片不同生育时期SPAD值厚度补偿

3．1 实验地点和时间

实验地点和时间同2．1。

3．2 实验材料与方法

本实验对不同生育阶段棉花叶片厚度、SPAD值及相应的叶绿素含量进行测量，选取盛花期和铃期的棉花各5株，打顶后，对顶部完全展开的叶片利用LTCCM—1001型厚度补偿式叶绿素仪进行SPAD值和厚度测量，共40个测定点，每个测定点分别测量3次求平均。叶绿素含量测定采用萃取法，其中，萃取液选取丙酮:乙醇为2∶1的溶液配制，萃取方式为浸提。然后建立厚度补偿前后的SPAD值与叶绿素总量、叶绿素a、叶绿素b之间的相关模型，并分析结果。

3．3 数据处理

实验数据通过 Excel V2003，SPSS16．0 及 Matlab V7．0软件对进行处理。

3．4 结果与分析

图3是棉花盛花期和铃期的SPAD值经过厚度补偿前后与叶绿素含量的相关关系，厚度补偿后SPAD＇值与叶绿素含量的相关性明显比厚度补偿前的相关性好，与叶绿素总量、叶绿素a、叶绿素b三者的回归方程决定系数均比厚度补偿前的决定系数大。

如表2所示，在盛花期与铃期，棉花叶片厚度补偿后的SPAD＇值与叶绿素含量明显比厚度补偿前相关显著性好，补偿后均呈高度显著相关（P＜0．001），表明本文研制的叶绿素仪检测棉花叶片叶绿素含量精度较高，进一步说明了叶绿素仪在估计植物叶绿素含量时，需要考虑叶片厚度值，SPAD值进行厚度补偿能够减小厚度差异带来的影响。

将棉花的2个生育时期各个参量作平均，如表3所示，发现棉花叶绿素总量、叶绿素a和叶绿素b在不同时期存在高度显著差异，叶绿素含量从盛花期到铃期逐渐增大，这是因为盛花期与铃期时棉花的生长旺盛阶段，对养分的需求也随之增加，叶绿素积累大;SPAD值随着生育时期表现出减少趋势，而经过厚度补偿后的SPAD＇值呈现出逐渐增大的趋势，说明SPAD＇值更能够反映出叶绿素含量的变化趋势。

图3 不同生育时期厚度补偿前后SPAD值与叶绿素含量之间的相关关系Fig 3 Correlations relation between SPAD value and chlorophyll content before and after thickness compensation in different growth periods

表2 不同生育时期厚度补偿前后SPAD值与叶绿素含量之间的相关系数Tab 2 Correlation coefficients between SPAD value and chlorophyll content before and after thickness compensation in different growth periods

表3 不同生育时期SPAD值的变化Tab 3 Variation of SPAD value in different growth periods

4 结论

通过测定分析棉花叶片不同生育时期的不同叶位厚度补偿后的SPAD'值，得到不同的叶位水平差异显著，其中，叶尖部位反应敏感，变异系数小，为最佳测量叶位。

对测定得到的SPAD值进行厚度补偿，可以发现SPAD'值与叶绿素总量、叶绿素a、叶绿素b的相关性比厚度补偿前的SPAD值的高，说明经过厚度补偿后可以一定程度的消除厚度差异带来的影响。将棉花各个生育时期的各个参量做平均，发现厚度补偿后的SPAD＇值与叶绿素含量的变化趋势一致，说明厚度补偿后的SPAD'值能更加准确地反映叶片叶绿素的变化趋势。

厚度补偿后的SPAD'值与叶绿素含量呈显著相关，相关系数基本都在0．8以上，说明LTCCM—1001A型厚度补偿式叶绿素仪检测精度高，能够有效的估计棉花不同生育时期的叶绿素含量。

［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．基于水稻叶片生理生态特征的氮营养诊断［D］．杭州:浙江大学，2010．

［6］ 潘薇薇，危常州，丁 琼，等．膜下滴灌棉花氮素推荐施肥模型的研究［J］．植物营养与肥料学报，2009，15（1）:204 －210．