菜用大豆施肥后荧光、光谱、光合等参数对产量的预测

胡志辉，汪艳杰，张丽琴

(1.江汉大学 生命科学学院，湖北省豆类(蔬菜)植物工程技术研究中心，湖北 武汉 430056； 2.长江蔬菜杂志社，湖北 武汉 430023)

菜用大豆(Glycinemax(L.)Merrill)，俗称毛豆，豆科，大豆属，生产上主要采收籽粒尚未老熟的青荚，是一种于鲜荚时期即R6(鼓粒盛期)至R7(初熟期)时期采收的特用大豆类型。菜用大豆具有根瘤固氮能力，但仅靠菜用大豆本身的固氮功能，不能满足其对氮营养的需求。在开花期及种子形成初期追施氮肥，对菜用大豆的产量有促进作用[1-3]。但使用过多的氮肥，会抑制菜用大豆根瘤的生长，降低其共生固氮作用，也达不到增产效果[3]。有研究表明，在菜豆的不同生育时期施肥会影响到其干物质积累和籽粒产量及其叶绿素荧光参数等光合生理参数指标[5-9]。赵小霞等[10]认为施肥可以提高千粒重，降低秕粒率，增加光合产物的积累，提高产量。此外，因不同作物内部生理生化指标以及外部结构的不同，其吸收波形会发生变化，故可以利用作物的光谱特性监测作物的营养状况[11]。有研究表明，光谱指数与作物的产量有一定的相关性，可以预测作物的产量[12-15]。影响作物产量的因素很多，主要有作物品种、管理水平、土壤、气候等因素，因此作物产量波动较大，难以精确估计。而产量估测一直以来是农业生产部门和政策决策部门所关注的，是他们制定农业政策的重要依据，产量估测也为农产品期货贸易、农作物保险等提供参考依据，因此产量预测越来越受到人们的重视。现有的鉴定产量的方法可以通过逐步回归分析影响产量的因素[16]，多为采收期的单荚质量、采收期的单叶质量等，而这样的鉴定方式需要等到采收期方可进行，使得鉴定产量的周期较长。为了解决现有技术中产量鉴定周期较长的问题，本文提供了一种预测产量的方法。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试肥料为菜籽饼肥和撒可富牌国产复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)。

供试菜用大豆品种为春风极早、M-3、M-4、绿宝石，均由湖北省食用豆类植物自然科技资源中心提供。

1.2 实验方法

在江汉大学湖北省豆类(蔬菜)植物工程技术研究中心基地进行菜用大豆田间实验，露地直播，按照最适宜密度种植，随机区组排列，深沟高畦，畦面平整，畦宽1.33 m，畦植3行，穴距30 cm，每穴2～3株，小区面积为3.59 m2，667 m2产量以小区实际产量折算。按常规栽培技术进行田间管理。于现蕾期、开花期、结荚期追肥。菜用大豆春风极早与M-3于现蕾期50%追肥、100%追肥、150%追肥；M-4和绿宝石于现蕾期、开花期、结荚期追施100%肥料。以各项测定指标(X)为自变量，产量(Y)为因变量进行逐步回归分析。其中，X1为实际光合效率Y(II)，X2为光化学淬灭系数qP，X3为非光化学淬灭系数NPQ，X4为初始荧光Fo，X5为最大荧光Fm，X6为最大光化学量子产量Fv/Fm，X7为类胡萝卜素反射指数CRI1，X8为水势指数WBI，X9为光化学反射指数PRI，X10为植被衰减指数PSRI，X11为净光合速率，X12为蒸腾速率，X13为叶片气孔导气度，X14为叶绿素含量，X15为类胡萝卜素含量。

1.3 项目测定

1.3.1 荧光动力学参数测定

采用德国WALZ生产的多通道连续监测荧光仪Monitoring-PAM，于9：00前后晴空或少云时，暗适应15 min后测定激光激发的叶绿素荧光参数，测定项目有实际光合效率Y(II)、光化学淬灭系数qP、非光化学淬灭系数NPQ、初始荧光Fo、最大荧光Fm、最大光化学量子产量Fv/Fm，重复3次，取平均值。

1.3.2 光谱仪参数测定

与叶绿素荧光测定同步，采用美国生产的CI-710植物叶片光谱仪测定不同品种的叶片的光谱反射率。在晴天9:00—11:00，测定时叶片平放，测定叶片朝向一致，每次测定3个叶片，取平均值作为该叶片的反射光谱参数的测量值。测定项目有类胡萝卜素反射指数(CRI1)、叶片水势(WBI)、光化学反射指数(PRI)、植被衰老反射率指数(PSRI)。

1.3.3 光合仪参数测定

选择晴朗天气的9:00—12:00，用YHZ-3052C型便携式植物光合仪测定各个品种菜用大豆的功能叶片的光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)等参数。

1.4 数据分析方法

通过DPS 7.05软件分析各性状间的相关性，并利用逐步回归分析建立产量与性状的多元回归方程。

2 结果与分析

2.1 开花期菜用大豆各指标的相关与回归分析

2.1.1 开花期菜用大豆荧光、光谱、光合指数与产量相关分析

由表1可知，产量与Fm呈极显著正相关，与Fo、CRI1呈显著正相关。Fo与Fm呈极显著正相关。Fm与Fv/Fm、CRI1呈极显著正相关。Y(II)与Fv/Fm、Fm呈极显著正相关。净光合速率与PRI呈极显著正相关，蒸腾速率与叶片气孔导度与PSRI呈极显著正相关。通过相关分析得到叶绿素荧光参数、光谱参数、光合参数与产量的相关系数。

2.1.2 开花期菜用大豆产量的逐步回归分析

以开花期叶绿素荧光仪测定的荧光指数、光谱仪测得的光谱指数、光合仪测得的光合指数为自变量，以产量为目标性状，进行逐步回归分析，得到逐步回归方程Y1=-13973.423+22233.386X3+2.595X5+11510.752X8+1460.041X15，决定系数为0.896，剩余通径系数为0.322。Fm对产量的直接影响系数是0.701。P<0.01，此方程达极显著水平，表明叶绿素荧光参数Fm与产量之间存在极显著正相关的线性关系。回归方程方差分析结果显示，F回归=15.140>F0.01(4，7)，表明该回归方程在α=0.01水平极显著，试验数据与方程符合，试验中未控因子对回归方程的拟合影响较小，回归方程与实际情况拟合较好，可用该方程预测产量，达到开花期预测产量的目的。用回归方程Y1拟合产量的值，计算拟合相对误差，从表2可以看出，产量拟合的相对误差较大，因此不能采用回归方程快速拟合菜用大豆的产量值。

各指标对产量的影响是由该指标对产量的直接影响和间接影响组成，通过通径分析可以进一步了解各性状对产量形成的相对重要性。从表3可以看出，各参数对产量的直接作用是不均等的。作用从大到小为Fm、类胡萝卜素含量、NPQ、WBI。在所研究的参数中，Fm对产量的通径系数较大，表明Fm对产量的直接影响力较高。

2.2 结荚期菜用大豆各指标的相关与回归分析

2.2.1 结荚期菜用大豆荧光、光谱、光合指数与产量相关分析

通过相关分析得到叶绿素荧光参数、光谱参数、光合参数与产量的相关系数。从表4可以看出，Fm、PSRI、PRI与产量呈极显著相关，在这些极显著参数中，Fm与产量呈极显著正相关，PSRI、PRI与产量呈极显著负相关。Y(II)、Fo、Fv/Fm与产量呈显著正相关。

2.2.2 结荚期菜用大豆产量的逐步回归分析

以结荚期叶绿素荧光仪测定的荧光指数、光谱仪测得的光谱指数、光合仪测得的光合指数为自变量，以667 m2产量为目标性状，进行逐步回归分析，得到逐步回归方程Y2=2 188.289+5 044.333X2+6.804X4-8 916.411X8+14 236.585X10-0.043X12+2 283.778X15，决定系数为0.995，剩余通径系数为0.072。相关系数R为0.997。从该回归方程可以看出，qP、Fm与产量呈正相关，NPQ、气孔导度与产量呈负相关。回归方程方差分析结果显示，F回归=159.747>F0.01(6，5)，表明该回归方程在α=0.01水平极显著，试验数据与方程符合，试验中未控因子对回归方程的拟合影响较小，回归方程与实际情况拟合较好，可用该方程预测产量，达到结荚期预测产量的目的。用回归方程Y2拟合产量的值，计算拟合相对误差，从表5可以看出，产量拟合的相对误差较小，因此可以采用回归方程快速拟合菜用大豆的产量值。

表1 开花期菜用大豆荧光、光谱、光合指数与产量相关分析Table 1 Relative analysis of fluorescence， spectra and photosynthetic index to yield of soybean at flowering period

表2 开花期大豆的预测产量与实际产量Table 2 Fitted yield and actual yield of soybean at flowering period kg·667 m-2

表3 开花期菜用大豆叶绿素荧光参数、光谱参数、光合参数与产量的通径分析Table 3 Path analysis between fluorescence， spectra and photosynthetic index and yield of soybean at flowering period

表4 结荚期菜用大豆荧光、光谱、光合指数与产量相关分析Table 4 Relative analysis of fluorescence， spectra and photosynthetic index to yield of soybean at podding period

从表6可以看出，各参数对产量的直接作用是不均等的，从大到小为类胡萝卜素含量，其次是WBI、蒸腾速率、Fo，对产量影响最低的因子是qP和PSRI。在所研究的参数中，类胡萝卜素含量对产量的通径系数较大，表明Fm对产量的直接影响力较高，Fo、qP、PSRI、类胡萝卜素含量对产量的通径系数为正，表明它们对产量的正效应比较明显，WBI、蒸腾速率对产量的通径系数为负，表明这两个参数对产量有明显的负作用。

2.3 鼓粒期菜用大豆各指标的相关与回归分析

2.3.1 鼓粒期菜用大豆荧光、光谱、光合指数与产量相关分析

从表7可以看出，鼓粒期菜用大豆的Fv/Fm与qP、NPQ、Fo呈极显著负相关，Fo与qP、NPQ呈极显著正相关，产量与叶绿素含量、类胡萝卜素含量呈极显著正相关，与PRI呈显著负相关。

2.3.2 鼓粒期产量拟合方程预测产量误差

以鼓粒期叶绿素荧光仪测定的荧光指数、光谱仪测得的光谱指数、光合仪测得的光合指数为自变量，以667 m2产量为目标性状，进行逐步回归分析，得到逐步回归方程Y3=-6157.611-5755.391X6-7969.981X7+12900.607X8-22852.767X9+821.577X14，决定系数为0.995，剩余通径系数为0.072，相关系数R为0.997。P<0.01，此方程达极显著水平，表明叶绿素荧光参数、光合参数与产量之间存在极显著的线性关系。从该回归方程可以看出，蒸腾速率与产量呈正相关，气孔导度与产量呈负相关。回归方程方差分析结果显示，F回归=227.294>F0.01(5，6)，表明该回归方程在α=0.01水平极显著，试验数据与方程符合，试验中未控因子对回归方程的拟合影响较小，回归方程与实际情况拟合较好，可用该方程预测产量，达到鼓粒期预测产量的目的。用回归方程Y3拟合产量的值，计算拟合相对误差，从表8可以看出，产量拟合的相对误差较小，因此可以采用回归方程快速拟合菜用大豆的产量值。

表5 结荚期菜用大豆的预测产量与实际产量Table 5 Fitted yield and actual yield of soybean at podding period kg·667 m-2

表6 结荚期菜用大豆叶绿素荧光参数、光谱参数、光合参数与产量的通径分析Table 6 Path analysis between fluorescence， spectra and photosynthetic index and yield at podding period

表7 鼓粒期菜用大豆荧光、光谱、光合指数与产量相关分析Table 7 Correlation analysis of fluorescence， spectra and photosynthetic index to yield of vegetable soybean at seed filling period

通过对叶绿素荧光参数、光谱参数和光合参数与产量的通径分析(表9)，从表9可以看出，各参数对产量的直接作用从大到小为叶绿素含量、WBI、Fv/Fm、PRI、CRI1。在所研究的参数中，叶绿素含量对产量的通径系数较大，表明气孔导度对产量的直接影响力较高，通径系数为正，表明它对产量的正效应比较明显，PRI、CRI1对产量的通径系数为负，表明它对产量有明显的负作用。

表8 鼓粒期菜用大豆的预测产量与实际产量Table 8 Fitted yield and actual yield of vegetable soybean at seed filling period (kg·667 m-2)

表9 鼓粒期菜用大豆叶绿素荧光参数、光谱参数、光合参数与产量的通径系数Table 9 Path analysis between all characters and yield of vegetable soybean at seed filling period

3 讨论

汪宝卿等[17]认为相关性分析结果反映了各指标在其他因素的协同作用下对产量的综合效果，不能真正反映各指标对产量的直接或本质的作用。因此，有必要在此基础上再进行通径分析，对相关系数进行剖析，估算叶绿素荧光参数、光谱参数和光合参数对产量的直接效应和间接效应，进一步揭示这些参数与产量相关的原因。本研究对追肥后不同时期菜用大豆叶片的叶绿素荧光参数、光谱参数、光合参数进行了测定，并得出了不同时期产量的拟合方程，其中，开花期拟合方程的决定系数为0.896，剩余通径系数为0.322；结荚期拟合方程的决定系数为0.995，剩余通径系数为0.072；鼓粒期拟合方程的决定系数为0.995，剩余通径系数为0.072，故以结荚期各项数据构建的回归方程拟合程度最好，开花期各项数据构建的回归方程拟合程度最差。该模型可作为预测其667m2产量的最优回归模型：Y2=2188.289+5044.333X2+6.804X4-8916.411X8+14236.585X10-0.043X12+2283.778X15。X2为光化学淬灭系数qP，是PSⅡ反应中心中天线色素吸收的光能用于化学电子传递的比例，与电子传递、光合氧化等过程直接相关，qP低说明PSⅡ中开放的反应中心比例和参与二氧化碳固定的电子减少；X4为初始荧光F0，是PSⅡ反应中心全部开放即QA全部氧化时的荧光水平。导致Fo下降的因素有3个：PSⅡ天线的热耗散增加、PSⅡ反应中心的破坏和可逆失活，而PSⅡ失活或被破坏则会导致初始荧光Fo的升高[18]。X8为水势指数WBI，植物叶片的水分状况与反射光谱之间存在着复杂的相关关系，一方面，植物水分条件的变化会直接引起短波红外区域的光谱反射率发生相应的变化；另一方面，水分的变化又会诱导植物叶片发生生理和叶片结构变化，引起反射光谱中可见光区域和近红外区域的光谱反射率变化，这可能影响反射光谱对水分变化的敏感性[19]。X10为植被衰减指数PSRI，用于指示叶片衰老和果实成熟，对类胡萝卜素与叶绿素比值变化敏感，但是不适用于叶片类胡萝卜素含量估算。X12为蒸腾速率，是植物体散失水分的一个重要方式，能促进植物体内水分的传导，加快矿物质运输，蒸腾时二氧化碳分子由气孔进入植物体，从而对光合速率产生影响。X15为类胡萝卜素含量，植被色素在光合作用中至关重要，其含量变化能反映叶片或者植株的生理状态，类胡萝卜素是植被叶绿体中第二大主要色素，具有吸收和传递光能以及光保护功能。

叶绿素荧光参数能够显示植物光合作用机理和光合生理状况的变量或常数值，反映了植物内部情况，影响植株光合作用或者光合机构的参数都能直接或者间接影响到植物的光合产物，并最终影响植株的产量，回归方程中的5个参数对植株光合作用或者光合机构的影响最为显著，从而通过这5个参数确定植物的产量，对活体植株进行测定，方法简便快捷，与实际观察的产量误差小，可以准确预测产量，并缩短了检测周期。因此，在实际生产过程中，测定结荚期叶片的叶绿素荧光参数、光谱参数、光合参数，代入该拟合方程，可以对菜用大豆的产量进行预测。菜用大豆大田种植时，田间实际产量的预测，对指导生产栽培管理措施具有一定的参考和指导意义。