番茄叶片叶绿素吸光度与施氮水平相关性研究

韩小平，左月明，刘洋

（山西农业大学 工学院，山西 太谷030801）

番茄果实采收期较长，产量高［1］，充足的氮肥是保证番茄正常生长发育的重要因素［2］，但是氮肥的不合理施用也带来一系列不可低估的问题［3］。目前，偏施氮肥已成为许多设施栽培中普遍存在的问题。

叶片作为作物进行光合作用和蒸腾作用的重要器官，其发育状况能够直接反映作物的生长发育、抗逆性等生理功能，因而成为评价作物生长环境因子效应的重要指标［4］。

在作物进行光合作用的过程中叶绿素是主要的吸收光能的物质，直接影响作物光合作用的光能利用［5］。叶绿素含量的高低具有多重指示意义：一方面，由于与叶片氮含量间存在较好的相关性，可表征作物的营养状况，叶绿素含量越高，一般叶片的氮含量也越多；另一方面，还可作为作物受胁迫及外界环境因子干扰状态下的指示器［6］。

由于作物冠层和叶片反射光谱在可见光谱范围内主要受作物色素的影响［7］，因此，可以用作物叶片色素的反射光谱来估算其生化参数［8，9］。

作物叶片含氮量和叶绿素含量密切相关且变化趋势相似。为了揭示番茄叶片叶绿素光谱特征与番茄施氮量之间关系，本实验在较严格的栽培环境（日光温室水培）和光谱数据获取（用叶片探测器）条件下，研究了单一氮素水平变化时，其叶片叶绿素光谱特征的变化规律。用小波变换对光谱信号进行了去噪处理，将去噪后番茄叶片的光谱信号进行了有关叶绿素特征波长的提取，用Excel对施氮水平与叶绿素吸光度进行了相关性分析。

1 试验材料及方法

1.1 试验对象及仪器

试验对象是山西农业大学试验站日光温室内处于开花期的水培番茄叶片。按照单因素试验设计，设置了5个施氮水平，分别为5、10、15、20、30 mmol·L－1（或0.14、0.28、0.42、0.56、0.84 g·L－1），每个施氮水平设置3个重复，具体营养配方如表1所示。

番茄叶片的可见／近红外光谱曲线是通过美国ASD公司生产的Field Spec3便携式近红外光谱仪配合叶片探测器采集得到的。2010年10月4日至11月8日分3次在上午10∶00到11∶00选择番茄植株顶层生长比较旺盛且叶面能够完全遮盖叶片探测器的有效测试部位的嫩叶进行现场测试。数据采集前用标准白板对仪器进行校正。由仪器测量得到的是番茄叶片的光谱反射率R，然后根据A＝－log（R）换算为叶片的吸光度（A）。每个施氮水平随机采集25个样品，共125个样品。

表1 番茄营养液配方／mmol·L－1Table 1 The formula of tomato nutrient solution／mmol·L－1

1.2 叶绿素特征波长提取

由番茄叶片吸光度图（图1）可见，在可见光谱范围内存在严重噪声，影响叶绿素有效信息的利用。小波变换在近红外光谱技术的光谱去噪和有效信息的提取方面表现出不凡的优势［10］。采用小波变换对光谱信号进行了去噪处理，用小波基“coif”的二阶小波3水平分解，取得了较好的效果，既滤除了噪声又保留了特征波段，如图2所示。

图1 去噪前的光谱图Fig.1 The spectrum beforede－noising

图2 去噪后的光谱图（350～750 nm）Fig.2 The whole spectrum afterde－noising（350～750 n m）

由图2可以看出，在可见光区有几个明显的吸收峰。韩小平等［11］研究发现波峰点所对应的波长分别为366 n m，380 n m，414 n m，437 n m，487 n m。其中380 n m、437 n m是叶绿素b的吸收峰；414 n m是叶绿素a的吸收峰；487 n m是β－胡萝卜素的吸收峰。另外366 n m是叶酸的吸收峰。还有一个明显的特征波峰673 n m是叶绿素a的吸收峰，554 n m处是叶绿素的强反射峰。

2 结果与分析

2.1 叶绿素吸光度与番茄施氮水平相关性

将提取出的叶绿素a和b的特征峰380 n m、414 n m、437 n m、673 n m处的吸光度值，在不同的施氮水平下分别取平均值进行相关性分析，如图3所示，同样将叶绿素的强反射峰554 n m处的吸光度值也进行相关性分析，如图4所示。拟合模型及相关性见表2。

图3 吸光度值和施氮量的相关性Fig.3 The correlation bet ween absorbency and fertilization nitrogen content

图4 554 n m处的吸光度和施氮量的相关性Fig.4 The correlation at 554 n m bet ween absorbency and fertilization nitrogen content

表2 拟合模型及相关性Table 2 Fitting model and correlation

2.2 分析与讨论

由表2可看出，在不同施氮水平下的番茄叶片叶绿素吸光度值与番茄施氮量呈二次多项式的关系，其决定系数都达到0.84以上。从曲线的变化趋势上看，380 n m、414 n m、437 n m的拟合曲线几乎是平行的，都是在施氮量为20 mmol·L－1（0.56 g·L－1）时叶绿素吸光度值达到最高，随后随着施氮量的增加番茄叶片的叶绿素吸光度值反而减小。

而673 n m处的拟合曲线在施氮量为10 mmol·L－1（0.28 g·L－1）时叶绿素吸光度值达到了最高。这可能是由于叶绿素对不同频率光谱的选择吸收造成的，也可能是由于在该波长处已经很接近近红外光谱区，光谱能量的转移形式发生了变化造成的。

由图4可看出，554 n m处的吸光度值随着施氮量的增加依旧呈二次曲线变化趋势，决定系数达到0.9377。与叶绿素吸收峰的变化趋势基本相似，依然是在施氮量为20 mmol·L－1（0.56 g·L－1）附近时叶绿素吸光度值达到最高，随后随着施氮量的增加叶绿素吸光度值减小。

总之，在适宜的浓度范围内，随着施氮量的增加番茄叶片的吸光度值呈上升趋势，但是当施氮量达到一定水平后，随着施氮量的增加番茄叶片中叶绿素的吸光度值反而减小。齐红岩等［12］也得出相似的结论：土壤中氮素含量越高，植株叶片和果实中氮素含量也越高，超过一定范围，反而会降低果实中氮素的比例。

3 结论

利用可见／近红外光谱技术对番茄叶片的叶绿素吸光度与其施氮量进行了相关性分析，结果表明番茄叶片的叶绿素吸光度值与番茄的施氮量有很强的相关性。叶绿素特征波长在0～20 mmol·L－1氮浓度范围内，随着营养液浓度的增加，番茄的叶片叶绿素吸光度值增大；在20 mmol·L－1（除673 n m外）时达到最大值；在20～30 mmol·L－1范围内，随着营养液中氮浓度的增加，番茄的叶片的吸光度值反而减小。番茄叶片叶绿素吸光度值与叶绿素含量呈正相关关系，因此可以利用叶绿素吸光度值来反演番茄施氮水平。

［1］汤明尧，姚银坤，高媛，等.施肥对加工番茄生长发育和养分吸收利用的影响［J］.中国土壤与肥料，2009（3）：26－30.

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