新疆‘叶尔羌’扁桃果实不同生育期叶片氮磷钾光谱特性研究

庄红梅， 卢春生*， 龚 鹏， 徐叶挺， 谢 辉， 樊丁宇

(1 新疆农业科学院园艺作物研究所， 乌鲁木齐 830091; 2 农业部新疆地区果树科学观测试验站， 叶城县 844900)



新疆‘叶尔羌’扁桃果实不同生育期叶片氮磷钾光谱特性研究

庄红梅1，2， 卢春生1，2*， 龚 鹏1，2， 徐叶挺1，2， 谢 辉1，2， 樊丁宇1，2

(1 新疆农业科学院园艺作物研究所， 乌鲁木齐 830091; 2 农业部新疆地区果树科学观测试验站， 叶城县 844900)

‘叶尔羌’扁桃; 氮素、 磷素、 钾素; 光谱反射率; 果实生育期; 敏感期

氮、 磷、 钾是作物生长发育所需的大量营养元素，不仅影响作物生长速度和产量，还影响植株体内多种生化成分的变化[1]。探寻实时、 快速、 无损、 精准的植物营养诊断方法是各国农业学者研究的热点之一[2-4]。光谱分析技术速度快、 效率高、 重现性好、 测试方便、 成本低，已经用于探测和获取作物营养状况和长势信息[5]。目前光谱分析诊断技术已经应用在玉米[6-10]、 小麦[11-12]、 水稻[13-14]、 番茄[15-16]、 棉花[17]、 黑麦草[18]、 紫叶稠李[19]氮素营养的实时检测与诊断。已有研究发现，绿光、 红边波段为利用叶片光谱估测全N含量的敏感波段，窄波段绿光、 红边比值指数SR(R780，R580)和SR(R780，R704)可用于冠层全N含量的监测[20]。贺冬仙等发现560、 650和720 nm作为特征波长及940 nm作为参比波长适用于植物营养快速无损诊断，(T940-T560)/(T940+T560)、log(T940/T560)和log(T940/T650)与植物N营养水平的相关性较好[21]。Thomas等通过测定甜椒叶片的反射率，发现N元素营养水平对甜椒叶片在550 nm和670 nm波段反射率的影响大[22]，胡珍珠等发现轮台白杏叶片的光谱反射率也在550 nm处[23]。Osbome等[24]发现玉米叶片内N含量的预测在红光和绿光波段，具体波段不受生育期的影响。Al-Abbas等[25]发现不同营养N、 P、 K胁迫下不同位置叶片的光谱特性，其营养胁迫对530 nm波段处作物叶片光谱反射率有显著性影响，Daughtry等[26]提出可以利用作物叶片反射光谱率进行叶片叶绿素含量评价。这些研究结果表明，光谱指数通过反映作物叶绿素含量，可以间接反映作物N素营养状况。南疆扁桃(AmygdaluscommunisL.)由于缺少类似快速诊断技术，施肥依然主要靠经验。因此，研发自动化程度高、 精确度高、 简单快捷的扁桃营养光谱诊断技术，制定符合树体营养盈亏状况的科学施肥方案，是加快南疆扁桃产业提质增效的迫切需求。本项目采用“3414”肥料效应田间试验，分析‘叶尔羌’扁桃果实不同生育期叶片光谱反射率对N、 P、 K的敏感性差异，探寻采用叶片光谱指数诊断N、 P、 K的敏感期，旨在为‘叶尔羌’扁桃快速、 精准、 非破坏性营养诊断提供最佳时间窗。

1　材料与方法

1.1试验地点及土壤条件

1.2试验设计

试验采用“3414”肥料效应田间试验设计，具体处理、 编码和肥料用量见表1。于2014年在扁桃果实座果期、 膨大期、 硬核期、 成熟期采集扁桃新梢中部叶片，每个处理选取树体5株，每株树体大小一致。在树冠中部东、 西、 南、 北方向随机选取生长健康的成熟叶片，每株选取叶片12片(带叶柄)带回实验室内，于105℃恒温杀青30 min后70℃烘至恒重，用不锈钢料理机粉碎后装入自封袋备用，分析氮磷钾含量。

表1　叶尔羌扁桃施肥田间施肥方案

注(Note): TSP—重过磷酸钙Triple superphosphate.

1.3光谱数据采集

1.4数据分析

叶片光谱指数的计算采用与叶绿素含量正相关性较好的公式:

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

式中， R750、 R705、 R445分别是测定叶片敏感波段750 nm、 705 nm、 445 nm的光谱反射率值。

叶片用H2SO4-H2O2消煮，全氮用凯氏定N法测定，全磷用钒钼黄法在紫外可见分光光度计(UV-1800) 450 nm处比色测定，全钾用原子吸收分光光度计(PE-Analysist100)测定[23]。

数据分析采用DPS v 9.5 统计软件与Origin 9.0软件。叶片光谱指数的差异性分析采用单因素方差分析(One-way ANOVA)，多重比较采用最小显著方差法(LSD方法)。

2　结果与分析

2.1‘叶尔羌’扁桃果实不同生育期叶片光谱特性

图1　‘叶尔羌’扁桃果实不同生育期叶片光谱反射率Fig.1　The leaf spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond at different growing stages

2.2‘叶尔羌’扁桃果实不同生育期叶片光谱反射率对氮、磷、 钾肥的响应

图2　不同氮素水平下‘叶尔羌’扁桃果实不同生育期可见光波段叶片光谱反射率Fig.2　The leaf spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond at visible wavelength under different N levels at different growing stages

图3　不同磷素水平下‘叶尔羌’扁桃果实不同生育期可见光波段叶片光谱反射率Fig.3　The leaf spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond at visible wavelength under different P levels at different growing stages

2.3果实不同生育期叶片光谱指数(ND705)的差异性

由于氮素能直接影响叶绿素，因此可以通过可见光以及近红外波段特定波长区域的反射率的光谱指数，区分叶片氮含量的高低。

通过多重比较，可以看出，随着N元素含量的升高，各处理叶片光谱指数(ND705)之间无显著性差异(表2)。不同果实发育期存在显著性差异。座果期叶片光谱指数(ND705)与膨大期、 硬核期的光谱指数不存在显著性差异，但与成熟期存在显著性差异; 膨大期、 硬核期的光谱指数与成熟期光谱指数存在显著性差异，硬核期光谱指数与成熟期光谱指数存在显著性差异。可见，果实成熟期、 硬核期是叶尔羌扁桃氮素叶片光谱营养诊断的敏感时期。

随着磷元素含量的升高，各处理叶片光谱指数(ND705)之间无显著性差异(表2)。不同果实发育期存在显著性差异。座果期叶片光谱指数(ND705)与膨大期、 硬核期的光谱指数不存在显著性差异，但与成熟期存在显著性差异; 膨大期、 硬核期的光谱指数与成熟期光谱指数存在显著性差异，硬核期光谱指数与成熟期光谱指数存在显著性差异。可见，果实成熟期与硬核期是‘叶尔羌’扁桃磷素叶片光谱营养诊断的敏感时期。

图4　不同钾素水平下‘叶尔羌’扁桃果实不同生育期可见光波段叶片光谱反射率Fig.4The leaf spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond at visible wavelength under different K levels at different growing stages

随着钾元素含量的升高，各处理叶片光谱指数(ND705)之间无显著性差异(表2)。不同果发育期存在显著性差异。座果期叶片光谱指数(ND705)与膨大期、 硬核期的光谱指数不存在显著性差异，但与成熟期存在显著性差异; 膨大期、 硬核期的光谱指数与成熟期光谱指数存在显著性差异，硬核期光谱指数与膨大期光谱指数不存在显著性差异。可见，果实成熟期与硬核期是‘叶尔羌’扁桃钾素叶片光谱营养诊断的敏感时期。

2.4叶尔羌扁桃叶片氮、 磷、 钾含量与不同波段光谱反射率的相关性

表2　不同N、 P、 K素处理果实不同生育期叶片光谱指数ND705差异分析

注(Note): 肥料因素为氮(N)、 磷(P)、 钾(K)，4个水平分别为0(不施肥)、 1(常规施肥量的0.5倍)、 2(常规施肥量)、 3(常规施量的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

图5　叶尔羌扁桃果实不同生长发育阶段叶片氮含量与光谱反射率的相关系数Fig.5　Correlation coefficient between foliar N concentration and spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond at different growing stages

图6　叶尔羌扁桃果实不同生长发育阶段叶片磷含量与光谱反射率的相关系数Fig.6　Correlation coefficient between foliar P concentration and spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond at different growing stages

图7　 叶尔羌扁桃果实不同生长发育阶段叶片钾含量与光谱反射率的相关系数Fig.7　Correlation coefficient between foliar K concentration and spectral reflectance of ‘Yarkent’ almond at different growing stages

3　讨论

‘叶尔羌’扁桃树体N、 P、 K叶片光谱营养诊断的敏感时期为果实成熟期与硬核期。有关作物对N、 P、 K光谱诊断敏感期的研究较多。不同植物叶片光谱特性对N、 P、 K素的敏感期也不同。缺氮会导致叶片光谱反射率增加，在光谱特征曲线上表现为反射率上升[6]。有研究学者发现夏玉米叶片近红外波段处叶片反射率随氮肥用量的增加而提高[32]; 而在可见光波段，随着氮肥施用量的增加，在绿光波段反射率明显降低[30]。

4　结论

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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

自治区科技重大专项(201130102-2); 新疆维吾尔自治区科技计划(201111121); 公益性行业(农业)科研专项(201003043)资助。

庄红梅(1987—)， 女，江苏连云港人， 硕士， 助理研究员， 主要从事植物生理研究。 E-mail: zhuanghongmei86@163.com

E-mail: luchshxj@163.com

S664.9

A

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