不同施氮水平辣椒单叶光谱特征及SPAD值与叶绿素含量的相关性

唐恒朋，钱晓刚，李莉婕，岳延滨，黎瑞君，聂克艳，赵泽英*

(1.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省农业科技信息研究所，贵州 贵阳 550006)

不同施氮水平辣椒单叶光谱特征及SPAD值与叶绿素含量的相关性

唐恒朋1，钱晓刚1，李莉婕2，岳延滨2，黎瑞君2，聂克艳2，赵泽英2*

(1.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省农业科技信息研究所，贵州 贵阳 550006)

为及时、准确无损地估测辣椒叶绿素含量，获取辣椒长势，通过田间试验，分析2个辣椒品种不同氮肥水平下辣椒单叶反射光谱、SPAD值与叶绿素含量的相关性。结果表明：果实膨大期和盛果期叶绿素含量的特征波段长辣6号为680和2026 nm，火焰山为360和1349 nm，特征波段下光谱反射率与叶绿素含量之间的相关系数|r|分别为0.961、0.994、0.891和0.678(P<0.01)。不同品种辣椒叶片SPAD值与叶绿素含量(叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量)间存在正相关关系，相关性强弱均表现为长辣6号>火焰山。SPAD值与叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量之间的相关系数长辣6号为0.66、0.69和0.68(P<0.01)，火焰山为0.39、0.36和0.41(P<0.05)。

辣椒；氮素；SPAD；叶绿素；单叶光谱

氮素是植物生长的主要营养元素，辣椒从生育初期到采收期不断吸收氮肥[1-3]，在辣椒产量品质形成及栽培调控中起着重要的作用。作物光谱分析是一种无损遥感测试技术，为当今遥感监测作物长势的有效方法[4]。不同肥力水平、同种植物不同发育阶段的光谱曲线都会发生变化，因此叶片或冠层光谱反射率或透射率对光合色素含量的响应可作为监测光合作用、氮素状况和水、病害与污染等胁迫的一种有效手段[5-7]。

叶片光合色素包括叶绿素a、叶绿素b与类胡萝卜素(胡萝卜素和叶黄素)。其中，叶绿素是吸收光能的主要物质，其与植被胁迫、光合作用能力和氮素含量密切相关，是反映作物营养和生长状况的重要指标[8-9]。化学分析法测定叶绿素的含量虽然较为准确，但费时费力、成本高、野外条件下样本不易保存，且易对植物造成伤害，不适宜大面积应用。近年来，叶绿素仪法(SPAD)和光谱分析法作为快速无损的检测技术手段在作物氮素诊断研究中备受青睐，SPAD (Soil and Plant Analyzer Development)值的大小与植物叶片叶绿素含量密切相关[10]。目前，高光谱技术研究大多应用于水稻、玉米、小麦、棉花和大豆等粮食作物以及部分蔬菜作物上[11-13]，相关性研究也主要集中在SPAD值与叶绿素及氮含量、叶绿素的高光谱响应等方面[14-15]，关于辣椒光谱特征及SPAD值与叶绿素含量相关性方面的研究较少。为此，笔者等通过田间试验，分析2个辣椒品种不同氮素条件下的单叶反射光谱、SPAD值与叶绿素含量的相关性，探究辣椒光谱特征及SPAD值与叶绿素含量的规律，提高叶绿素含量的估测精度，为大面积辣椒长势的快速、无损及监测和营养诊断提供参考和理论依据[16]。

1 材料与方法

1.1 供试材料及试验地概况

供试辣椒品种为长辣6号和火焰山；肥料为尿素(N≥46 %)、普钙(P2O5≥16 %)和氯化钾(K2O≥60 %)。试验于2014年在贵州省农业科学院惠水县好花红乡试验基地进行，海拔1050 m(大气压为100.30 kPa)，北纬26°17′45″，东经107°05′14″。试验地为黄壤，土壤肥力中等，0～20 cm耕层土壤有机质含量56.87 g/kg，全氮3.33 g/kg，速效磷4.1 mg/kg，速效钾102.19 mg/kg。

1.2 试验设计

氮素处理设5个水平，分别为0 kg/hm2(不施氮素作对照组N0)、75 kg/hm2(N1)、150 kg/hm2(N2)、225 kg/hm2(N3)和375 kg/hm2(N4)，共30个小区，随机区组设计。小区规格为9.0 m×0.9 m,按1.2 m连沟开厢，长9 m，厢面宽0.9 m，净面积8.1 m2。行距60 cm，株距40 cm，厢植2行，每穴1株，每个小区30株。各试验处理所用磷、钾肥均为60 kg/hm2P2O5和 415 kg/hm2K2O，氮、磷肥作基肥一次施用，钾肥按基肥:保花肥 1∶1 施用，其他田间管理措施同常规栽培。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 辣椒叶片光谱反射率的测定 辣椒定植后，在每一试验小区内选取长势相近的3株挂牌定点测量，测量时间为2014年6月13日(果实膨大期)和2014年7月9日(盛果期)。辣椒叶片光谱使用ASD FieldSpec®3便携式光谱仪野外测量，其光谱范围为350～2500 nm，光谱采样间隔为1.5 nm，在350～1000 nm的分辨率为3 nm，1000～2500 nm的为10 nm。光谱的测定选择晴朗、无云无风或风速很小天气，测量时间为10:00-14:00。测量时传感器探头垂直向下，离叶片的距离视叶片大小而定，保证探头的视野范围落在叶片上，每株分上、中和下位叶测量3次，取其平均值作为该株叶片的光谱反射值。

1.3.2 辣椒叶片SPAD值和叶绿素含量的测定 SPAD值的测量与光谱测定同步，每小区选取3株，每株分上、中和下位叶采用日本美能达公司生产的SPAD-502 叶绿素仪即时测量。为了减少测量误差，每片叶至少测量3个点 (测定时避开叶脉),然后取其平均值作为该叶片的SPAD值。测定过SPAD值的叶片采回，用丙酮一乙醇法[17]测定叶绿素a(cha)和叶绿素b(chb)，二者之和为叶绿素总含量(chl)。

1.4 数据处理与分析

测得的辣椒叶片反射光谱用ASD公司提供的ViewSpec Pro5.7软件处理得原始反射光谱数据，用Excel 2003获得光谱反射率曲线，并进行叶绿素含量与叶片光谱反射率及SPAD值之间的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮素水平辣椒的单叶光谱特征

由图1可知，在可见光区域(350～760 nm)内辣椒单叶的反射率较低，在550 nm附近“绿峰”的反射率为17 %左右，主要是因为叶绿素对绿光吸收较低。不同氮素水平辣椒单叶光谱的反射率：长辣6号果实膨大期为N0>N3>N2>N1>N4，盛果期为N1>N3>N0>N2>N4；火焰山果实膨大期为N1>N0>N3>N2>N4，盛果期为N2>N1>N4>N0>N3。在680nm处，由于光合作用对红光的吸收作用，反射率出现6 %左右的吸收谷，不同氮素水平辣椒单叶光谱反射率：长辣6号果实膨大期为N3>N0>N4>N1>N2，盛果期为N4>N3>N0>N2>N1；火焰山果实膨大期为N3>N0>N1>N2>N4，盛果期为N1>N3>N0>N2>N4。在绿色植物特征光谱“红边”所在位置(680～760 nm)，反射率陡峭增加，在近红外760～1350 nm光谱区域内呈现反射平台，光谱反射率维持在90 %左右，这可能与叶绿素对红光波段强烈吸收和近红外波段叶片内部多次散射而形成强反射有关。在1420～1800 nm 光谱范围内又出现一小反射峰，反射率在44 %徘徊;在红外1950～2350 nm光谱范围内再次出现一小反射峰，反射率在18 %左右。

2.2 辣椒单叶光谱反射率与叶绿素含量的相关性

由图2～3可知，辣椒的品种和生育时期对光谱反射率与叶绿素含量的相关性均有影响。在可见光波段(350～760 nm),相关系数在绿光波段550 nm附近均出现波峰，红边波段(680～760 nm)光谱反射率与叶绿素含量相关性出现转折。长辣6号果实膨大期可见光波段(350～760 nm),在波段400～489、664～687 nm呈极显著正相关，最大相关系数为0.961(P<0.01)，敏感波段发生在680 nm处；盛果期可见光波段(350～760 nm)在489～669和684～741 nm波段范围光谱反射率与叶绿素含量呈极显著负相关。在近红外、红外波段，除了1951～1983 nm波段外光谱反射率与叶绿素含量均呈极显著正相关，在768～1349和1421～1799 nm形成2个较大的反射平台，且在2026 nm处最大相关系数为0.994(P<0.01)。火焰山果实膨大期，在可见光波段(350～760 nm)353～401 nm呈极显著负相关，在波段360 nm处|r|取得最大值为0.891(P<0.01)；盛果期光谱反射率与叶绿素含量的相关性弱于果实膨大期，在可见光波段(350～760 nm)，除了357～435和743～760 nm波段外光谱反射率与叶绿素含量呈正相关关系。在近红外波段(751～1349、1349～1850、1968～2350 nm)，光谱反射率与叶绿素含量均呈极显著负相关关系，|r|最大值为0.678，敏感波段发生在1349 nm处。

图1 不同氮素条件下长辣6号和火焰山的单叶反射光谱Fig.1 Single leaf reflectance spectrum of Changla 6 and Huoyanshan pepper varieties under different nitrogen levels

分别选取664～687、2017～2036、353～401和1330～1349 nm波段(即光谱反射特征波段所在波长范围)对光谱反射率与叶绿素总量进行线性回归分析，得到回归方程的相关系数大小分别为0.86、0.86、-0.60和-0.85，相关性达到极显著水平(P<0.01)。因此，长辣6号680、2026 nm和火焰山360和1349 nm波段可作为测定长辣6号和火焰山果实膨大期和盛果期叶绿素含量的特征波段。

2.3 不同氮素水平辣椒叶片SPAD值与叶绿素含量的相关性

SPAD值可以较好的反映植物叶片的叶绿素浓度，预测作物叶片单位面积的叶绿素含量[18-19]。由图4可知，不同品种辣椒叶片SPAD值与叶绿素含量(叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量)间均存在正相关关系，但不同品种间相关系数差异较大。长辣6号叶片的SPAD值与叶绿素含量之间呈极显著正相关关系，其SPAD值与叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量之间的相关系数分别为0.66、0.69和0.68(P<0.01)，表现为Chb>Chl>Cha；火焰山叶片的SPAD值与叶绿素含量相关性较弱，SPAD值与叶绿素a、叶绿素b 和叶绿素总量之间的相关系数只有0.39、0.36和0.41(P<0.05)，表现为Chl>Cha>Chb。这可能与辣椒自身的品种特性和SPAD值的大小有关。吴良欢[20]认为，高SPAD值区(SPAD>40)的SPAD值与叶绿素含量的相关性有所下降。以上回归分析叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量与SPAD值的相关性均选用最优函数模型即线性模型。

图2 长辣6号光谱反射率与叶绿素含量的相关性Fig.2 Correlation between spectral reflectance and chlorophyll content of Changla 6

图3 火焰山光谱反射率与叶绿素含量的相关性Fig.3 Correlation between spectral reflectance and chlorophyll content of Huoyanshan

2.4 不同氮素水平辣椒叶片光谱特征及SPAD值与叶绿素含量的关系

长辣6号680、2026和火焰山360和1349 nm波段可作为测定长辣6号和火焰山果实膨大期和盛果期叶绿素含量的特征波段，特征波段下光谱反射率与叶绿素含量之间的相关系数|r|分别为0.961、0.994、0.891和0.678(P<0.01)。不同品种辣椒叶片SPAD值与叶绿素含量(叶绿素a、叶绿素b和总量)间均存在正相关关系，长辣6号SPAD值与叶绿素b的相关系数最大为0.69(P<0.01)，火焰山SPAD值与叶绿素总量的相关系数最大为0.41(P<0.05)，远弱于光谱反射率与叶绿素含量之间的相关性。

图4 长辣6号和火焰山SPAD值与叶绿素含量的相关性Fig.4 Correlation between SPAD value and chlorophyll content of Changla 6 and Huoyanshan

3 结论与讨论

(1)光谱数据具有分辨率高、波段多、连续性强的特点，可以作为检测植被健康状况和胁迫的一种有效手段。不同氮素水平和生育期，2个辣椒品种单叶光谱反射曲线是相似的，但不同波段光谱反射率大小存在一定程度的差异。叶绿素在可见光区(350～760 nm)吸收峰是蓝紫光和红光区域，在绿光区域形成小小的反射峰。随供氮水平提高，反射率在可见光区域(350～760 nm)呈先上升后下降趋势，在近红外区域(760～1350 nm)呈先急剧升高然后波动下降趋势，这可能是与绿色植物叶绿素对特征红光波段强烈吸收和近红外波段光在叶片内部多次散射而形成强反射有关。

(2)辣椒叶片反射率与叶绿素含量之间的相关性与波长谱段有关，长辣6号果实膨大期和盛果期叶绿素含量的特征波段为680、2026 nm，火焰山果实膨大期和盛果期叶绿素含量的特征波段为360、1349 nm，特征波段下光谱反射率与叶绿素含量之间的相关系数|r|分别为0.961、0.994、0.891和0.678(P<0.01)。不同品种辣椒叶片SPAD值与叶绿素含量(叶绿素a、b和总量)间存在正相关关系，相关性强弱均表现为长辣6号>火焰山。SPAD值与叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量之间的相关系数分别为长辣6号0.66、0.69和0.68(P<0.01)，火焰山0.39、0.36和0.41(P<0.05)。原因可能与辣椒自身的品种特性和SPAD值的大小有关。

(3)考虑到SPAD值和叶绿素含量的相关性弱于光谱反射率与叶绿素含量的相关性，光谱分析法可以较好地估测两个品种的叶绿素含量。长辣6号680、2026 nm和火焰山360和1349 nm波段可作为测定长辣6号和火焰山果实膨大期和盛果期叶绿素含量的特征波段。不同氮素条件下光谱特征及SPAD值与叶绿素含量相关性研究有助于理解SPAD值、叶绿素和光谱反射特征的规律，提高叶绿素含量的估测精度，从而为快速、实时、大面积辣椒长势监测和营养诊断提供了一定的参考和理论依据。由于单叶光谱特性易受天气、风速、仪器稳定性等诸多外部因素的影响，试验还需要更多的样本量和多年光谱数据完善辣椒信息数据，进一步深入的研究和验证。

[1]聂克艳,黎瑞君,岳延滨,等.不同施氮量辣椒的冠层光谱特征.[J].西南农业学报, 2014,4(27):1572-1576.

[2]岳延滨,聂克艳,黎瑞君,等.不同施氮水平辣椒地上部全氮含量与冠层光谱反射率的相关性[J].贵州农业科学,2014,42(11):244-247.

[3]黎瑞君,聂克艳,彭志良,等.辣椒盛果期的冠层反射光谱特征[J].贵州农业科学,2014,42(12):230-233.

[4]苏永士,苏富强,王海波,等.不同施肥条件下烟草冠层光谱特征与叶绿素、叶面积指数的关系[J].中国烟草科学,2013,34(2):23-27.

[5]申广荣,王人潮.植被光谱遥感数据的研究现状及其展望[J].浙江大学学报(农业与生命科学版),2001,27(6):682-690．

[6]Madeira A C, Mendonca A, Ferreira M E, et al，Relationship between specLroradiomelric and chloropuyll measurements in green beans CommunicaLion[J].Soil Science and PIant Analysis, 2000,31(5/6):631-643.

[7]张金恒,王 珂,王人潮．高光谱评价植被叶绿素含量的研究进展[J].上海交通大学学报(农业科学版),2003,21(1):74-80．

[8]朱凌红,周 澎,王忠民,等.高光谱数据与叶绿素含量及植被指数的相关性研究进展[J].内蒙古民族大学学报(自然科学版),2014,29(1):41-44.

[9]孔庆波,张 青,章明清,等.基于高光谱参量茶叶叶绿素含量估算模型研究[J].福建农业科技,2014(1):27-29.

[10]浦瑞良,宫 鹏.高光谱遥感及应用[M].北京:高等教育出版社,2000:186-192.

[11]唐延林,黄敬峰,王秀珍,等.玉米叶片高光谱特征及与叶绿素、类胡萝素相关性的研究[J].玉米科学,2008,16(2):71-76．

[12]孙 红,李民赞,赵 勇,等.冬小麦生长期光谱变化特征与叶绿素含量监测研究[J].光谱学与光谱分析,2010,30(l):193-195.

[13]方 慧,宋海燕,曹 芳,等.油菜叶片的光谱特征与叶绿素含量之间的关系研究[J].光谱学与光谱分析,2007,27(9):1731-1734．

[14]李敏夏,张林森,李丙智,等.苹果叶片高光谱特性与叶绿素含量和SP A D值的关系[J].西北林学院学报,2010,25(2):35-39.

[15]李俊霞,杨俐苹,白由路,等.不同品种玉米氮含量与叶片光谱反射率及SPAD值的相关性[J].中国土壤与肥料,2015(3):34-39.

[16]苏云松,郭华春,陈伊里.马铃薯叶片SPAD值与叶绿素含量及产量的相关性研究[J].西南农业学报,2007,20(4):690-693.

[17]张俊华,张佳宝,李卫民.基于夏玉米光谱特征的叶绿素和氮素水平及氮肥吸收利用研究[J].土壤,2008,40(4):540-547.

[18]刘 飞,王 莉,何 勇,等.基于可见近红外光谱技术的黄瓜叶片SPAD值检测[J].红外与毫米波学报,2009,22:272-276.

[19]宋英博.光谱仪与SPAD测定马铃薯叶绿素含量的比较[J].栽培生理,2010,28(4):77-79.

[20]吴良欢,陶勤南.水稻叶绿素计诊断追氮法研究[J].浙江农业大学学报,1999,25(2):135-138.

[21]金震宇,田庆久,惠凤鸣,等.水稻叶绿素浓度与光谱反射率关系研究[J].遥感技术与应用,2003,6(18):134-137.

[22]艾天成,李方敏,周治安,等.作物叶片叶绿素含量与SPAD值相关性研究[J].湖北农学院学报,2000,20(1):6-8.

(责任编辑 陈 静)

Correlations between Single Leaf Spectral Characteristics, SPAD Value and Chlorophyll Content in Pepper under Different Nitrogen Levels

TANG Heng-peng1, QIAN Xiao-gang1, LI Li-jie2, YUE Yan-bin2, LI Rui-jun2, NIE Ke-yan2, ZHAO Ze-ying2*

(1.College of Agriculture, Guizhou University, Guizhou Guiyang 550025,China;2.Guizhou Institute of Agricultural Science and Technology Information, Guizhou Guiyang 550006, China)

The correlations between single leaf reflection spectrum, SPAD value and chlorophyll content in two pepper varieties under different nitrogen levels were studied by a field trial to estimate chlorophyll content and growth vigor of pepper timely, accurately and nondestructively. Results:the chlorophyll content’ special band of Changla 6 and Huoyanshan varieties at fruit expanding stage and full fruit stage is 680 and 2026 nm, 360 and 1349 nm respectively. The correlation coefficient between spectral reflectance and chlorophyll content is 0.961, 0.994, 0.891 and 0.678(P<0.01)under special bands respectively. There are the positive correlations between leaf SPAD value and chlorophyll content (chlorophyll a, chlorophyll b and total chlorophyll) in two pepper varieties and the correlation degree in Changla 6 is higher than Huoyanshan. The correlation coefficient between SPAD and chlorophyll a, chlorophyll b, total chlorophyll is 0.66, 0.69 and 0.68(P<0.01) in Changla 6 but the correlation coefficient between SPAD and chlorophyll a, chlorophyll b, total chlorophyll is 0.39, 0.36 and 0.41＊(P<0.05)in Huoyanshan respectively.

Pepper; Nitrogen; SPAD; Chlorophyll; Single leaf spectrum

1001-4829(2016)10-2324-06

10.16213/j.cnki.scjas.2016.10.013

2015-12-31

国家自然科学基金项目“不同氮素条件下辣椒干物质生产、分配及产量形成模拟研究”(31360290)

唐恒朋(1989-)，男，在读硕士，研究方向：土壤肥力与作物生产，E-mail：642380680@qq.com,*为通讯作者。

S641.3

A