白粉病对葡萄叶片光谱反射特征及叶片生理的影响*

刘博艳，张 静，李浩宇，王 翼，康占海，尹宝重

（1 河北科技学院，保定071001）（2 河北农业大学植物保护学院）

葡萄白粉病是由葡萄钩丝壳菌［Uncinula necator（Schw.）Burr.］侵染引起的真菌病害，在葡萄产区广泛发生[1-2]。有报道显示，白粉病轻度发生的葡萄园损失一般在15%～30%，严重的园地损失在70%以上，甚至绝收[3-4]。该病主要危害叶片、新梢和其他幼嫩器官，对叶片生理功能影响严重，表现为叶绿素含量下降、叶片早衰、光合功能降低[5]。另外，白粉病作为一种典型的气传叶部病害，在适宜的环境条件下，往往会形成较强的流行性，容易在短期内大范围扩展，严重影响植株长势。因此，加强对葡萄白粉病发生潜势与流行监控，是病害精准高效防控的重要前提。

现阶段，葡萄白粉病的监测更多依靠人工判定，工作量大且准确度不高，在影响病害发生程度监测效率的同时，也影响了防控时期与用药量的确定，尤其在规模化种植的背景下，传统病害监测手段已无法适应。因此，无论从生产中还是科研实践中，建立白粉病快速监测体系，对提高作物病害监测、防控效率有重要意义。从作物感病后所表现的特征来看，作物被病原菌侵染后，叶片色素、水分含量、光合生理状态等均会发生变化[6-7]。而叶片作为症状表现比较集中的器官，同时又是同化物合成最多的器官，在病害发生后一般都会从形态到生理发生一系列改变。比如，当作物受到持续的病害胁迫后，其叶片细胞活性、生化组分，甚至叶片颜色、形态和角度等均会随之改变，进而引起冠层反射光谱发生变化[8-9]。

因此，利用冠层和叶片对不同波段光谱反射特征及成像差异，明确其与作物病害种类和程度的相关关系，为作物病害高效调查、跟踪和防控提供基础数据，对提高病害防控效率，尤其开展无人机飞防作业的果园精准施药和病害评估具有重要意义。本研究通过调查感白粉病葡萄叶部光谱反射差异、叶绿素（Chl）含量、丙二醛（MDA）含量、电导率（EC）、水势（ψ）的变化，并明确不同指标的相关性，为葡萄白粉病智能绿色高效防控体系的建立提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020 年葡萄生长季在河北省辛集市张古庄镇辛集市农业技术推广中心试验基地进行。试验地块土壤为中性壤土，0～20 cm 耕层土壤有机质含量14.9 g/kg、全氮含量1.32 g/kg、碱解氮含量67.9 mg/kg、速效磷含量24.6 mg/kg、速效钾含量115.7 mg/kg。试验区为温带季风气候，平均年降水量453.5 mm，6—9 月为该区葡萄花期和浆果成熟期，常年累计降水量303.4 mm；2020 年6—9 月累计降水量276.3 mm，为正常降水年份。

1.2 试验设计

供试葡萄品种为巨峰，植株为4 年生，双壁篱架式，架高1.8 m，行株距4.0 m×1.3 m，叶幕高度1.5 m。试验共分4 个小区，每小区20 株，小区内不进行叶部病害防控，其他常规管理。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶片光谱反射率

在葡萄浆果生长中期（7 月中旬）和后期（8月中旬），分别选择3 个晴天（7 月14、15、16 日和8 月14、15、16 日），于每天9：00—11：00，每小区选择典型白粉病感病植株5 株，每株固定2个新梢，每个新梢自上而下调查9 片叶片（分上中下3 个部分，每部分3 片叶），按9 级分类法[8]，对感白粉病叶片进行分级，用CI-710 便携式光谱仪对相同部位不同级别叶片进行光谱反射率测定，测定时选择叶片上部、中部和基部各测1 次，计算每片叶片的平均值。

1.3.2 叶片生理指标

于第1 次叶片光谱测定同时（记为0 d），以及之后每隔6 d 测定1 次生理指标，至第2 阶段光谱反射率测定位置，共5 次。测定内容包括水势（ψ）、丙二醛（MDA）含量、电导率（EC）和叶绿素（Chl）含量，每次测定均在每个小区按9 级分类法确定白粉病发病程度，分类标准参考杜鸿燕等[1]的病害发生程度分类方法，即：健株（0 级），无病叶；3级，病斑面积占整片叶面积的6%～10%；5 级，病斑面积占整片叶面积的11%～25%；7 级，病斑面积占整片叶面积的26%～50%；9 级，病斑面积大于整片叶面积的51%。于新梢上选择病级相同的叶片各3 片，采用PMS-100 型植物气穴压力室测定叶片水势，采用硫代巴比妥酸（TAB）法测定MDA 含量[9]，采用FE30-FiveEasy 型电导率仪测定EC 值。采用丙酮提取法测定叶绿素a（Chla）和叶绿素b（Chlb）含量，计算叶绿素总量（Chla ＋Chlb）[10]。

1.4 数据统计与分析

采用SPSS 24.0 软件进行数据分析，多重比较分析采用LSD 法，采用Origin 9.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同白粉病感病级别葡萄叶片光谱反射特征

由图1-a 可知，在400～670 nm 波段的可见光区，该波段主要为叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素吸收带，各病级叶片反射率均呈现先上升后下降的趋势，在550 nm 左右出现反射峰，但感病级别不同反射峰值和平均反射比例均有较大差异。其中，健康叶片（0 级）反射峰值为24%以上；感病3 级和5级相差较小，平均20.6%；而感病7 级及以上降低较为明显，反射峰值均低于20%，且感病9 级叶片反射峰值仅为14.8%。400～670 nm 波段，不同感病级别叶片平均反射率相比，感病级别越低，其反射率也明显更高。670～760 nm 波段，是单叶水平反射率迅速提高的区间，尤其与叶绿素含量密切相关的700～760 nm 波段，叶片反射率提高更为迅速。不同感病级别叶片对比，感病较轻的叶片其反射峰值更高，且感病较重叶片峰值出现得更早，即“蓝移”现象更为明显。比如，健康叶片（0 级）在760 nm 处反射率在60%以上，之后增幅便趋于平缓，而感病7 级和9 级的均在750 nm 波段以前就进入反射率增幅平缓区。在760～1 000 nm 的近红外反射区，各感病级别叶片反射率变化均较小，但不同病级叶片反射率差异较大，且有显著区别，其中健康叶片（0 级）反射率均值最高（63.5%），平均比其他4 个感病级别高7.9 个百分点，比感病最严重的9级叶片则高12.5 个百分点。浆果生长后期各波段反射率与中期基本相似，但各级别反射率更低（图1-b）。

总体看，白粉病可显著降低叶片反射率，感病级别越高，反射率降低越明显，浆果生长中期和后期，各感病级别叶片与健株相比，分别平均下降16.5%和14.3%，生育期推迟会整体降低叶片反射率。400～670 nm 波段不同病级叶片光谱反射率降幅最大，平均降幅25.6%；760～1 000 nm 波段其次，为13.0%（图1-c、d）。

图1 不同白粉病发病程度葡萄叶片光谱反射率的差异

2.2 不同白粉病感病级别对葡萄叶片水势、MDA含量和电导率的影响

由图2 可知，随生育期推进，葡萄叶片虽然也存在自然衰老现象，导致水势下降，MDA 含量和电导率上升，但其自然变化幅度相对较小。从葡萄浆果生长中期至后期共30 d 测定区间，健康的葡萄叶片其水势下降32.8%，MDA 含量和电导率则分别上升29.6%和29.1%。而感白粉病葡萄叶片其水势随生育期推进降幅显著大于健康叶片，4 个不同感病级别叶片在30 d 测定期内水势平均降幅54.4%，其中，9 级感病叶片水势降幅最高（64.3%）。不同级别叶片水势降低幅度也有一定差异，感病3 级和5级叶片，水势降幅相对较小，与健康叶片类似，基本呈较为平缓的线性下降趋势，测定期内平均日降幅1.6%；感病7 级及以上级别降幅则明显大于3 级和5 级，日降幅2.1%（图2-a）。

图2 不同白粉病发病程度葡萄叶片水势（a）、MDA 含量（b）和电导率（c）的差异

MDA 含量和电导率增幅变化规律与水势类似。与健康叶片相比，感病3 级和5 级叶片，其MDA含量变化差异较小，测定期内，3 级和5 级感病叶片MDA 含量平均增幅38.5%，比健康叶片平均高8.9 个百分点。7 级及以上则增幅较大，30 d 测定期内，7 级和9 级感病叶片MDA 含量平均增加71.4%，其中9 级感病增幅最高，为73.4%（图2-b）。MDA含量的增加和水势的下降引起了细胞过氧化，导致电导率增加。由图2-c 可知，在中轻度感病（3 级和5 级）情况下，叶片电解质外渗引起的电导率增幅相对较低，仅比健康叶片高2.7 个百分点；但5级以上叶片电导率则显著增加，平均增幅57.2%。

由此可见，白粉病可显著降低葡萄叶片水势，增加MDA 含量和电导率。与健康叶片相比，3 级和5 级中轻度感病叶片变幅较小，7 级和9 级感病叶片变幅较大，水势降幅、MDA 含量和电导率增幅分别平均比健康叶片高29.4、41.9、28.5 个百分点，而且随着叶片衰老，病害造成的影响有加剧趋势。

2.3 不同白粉病感病级别对葡萄叶片叶绿素含量的影响

由图3 可知，自然生长状态下，葡萄叶片叶绿素含量随生育期也存在一定程度的下降，30 d 测定期内，Chla＋Chlb 共下降13.6%，Chla 和Chlb 降幅分别为13.0%和15.6%，其中，Chla 降幅较小。白粉病可显著加速葡萄叶片叶绿素分解，在浆果生长中期进行调查（0 d），白粉病不同感病级别葡萄叶片便已经对叶片叶绿素含量造成一定影响，4 个不同感病级别叶片Chla＋Chlb 平均降低49.2%，其中感病3 级和5 级叶片Chla＋Chlb 平均下降10.7%，7 级和9 级则平均下降32.8%。随生育期推进，叶片逐渐有衰老的倾向，白粉病对叶绿素的影响程度依然存在，3 级和5 级降幅相对较小，30 d 测定期内，葡萄叶片叶绿素总量平均降幅25.2%（Chla 和Chlb 含量分别下降25.3%和25.0%）；7 级和9 级平均降幅则达到43.5%，Chla 和Chlb 含量降幅分别为45.5%和35.5%。其中，Chla 和Chlb 含量降幅差异较小，尤其感病3 级叶片，与健康叶片叶绿素含量变化更为接近；而感病5 级叶片Chlb 含量变化则与感病7 级叶片Chlb 含量降幅更为接近，这说明Chla和Chlb 含量变化受病害影响的表现并不同步。

图3 不同白粉病发病程度叶片叶绿素a 含量（a）、叶绿素b 含量（b）和叶绿素总量（c）的差异

总体看，各级别白粉病叶片均可引起叶绿素下降，与健康叶片相比，3 级和5 级的中轻度感病叶片变幅较小，感病7 级和9 级叶片变幅较大，30 d测定期内，分别平均比健康叶片自然降幅高25.2、43.5 个百分点，且生育期推迟，随叶片衰老，白粉病对叶绿素含量的影响呈加剧趋势。

2.4 感白粉病葡萄叶片光谱反射特征与生理指标的相关性

由图4-a 可知，在浆果生长中期，R1 与R3 波段反射率与ψ、Chla 和Chlb 含量呈显著正相关（r≥0.96），与MDA 含量和EC 则呈显著负相关（r≥-0.92）；R2 波段反射率与ψ、Chla 和Chlb 含量也呈正相关，但相关性稍低，分别为0.84、0.72 和0.87，与MDA 含量和EC 负相关性也较低，分别为-0.71 和-0.74。浆果生长后期，R1、R2 与R3 波段反射率与ψ、Chla 含量、Chlb 含量、MDA 含量和EC 相关性规律与浆果生长中期一致（图4-b）。另外，各生理指标之间也有较为显著的相关性，其中ψ与叶绿素含量呈显著正相关，MDA 含量、EC 则与叶绿素含量呈显著负相关。浆果生长中期至后期，各生理指标均有较大变幅，ψ与叶绿素含量呈显著正相关，MDA 含量、EC 变幅则与叶绿素含量呈显著负相关。浆果生长中期至后期，3 个波段反射率变幅与生理指标变幅相关性较小（图4-c）。

图4 不同白粉病发病程度叶片光谱反射特征与生理指标的相关性

综上所述，在浆果生长中期和后期，400～670、670～760、760～1 000 nm 3 个波段反射率与ψ、Chla含量、Chlb 含量均呈显著正相关，平均相关系数为0.90；其中，400～670 nm 与ψ、Chla 含量、Chlb含量相关系数最高，相关系数分别为1.00、0.98 和0.99。不同波段反射率与MDA 含量、EC 则均呈显著负相关，平均相关系数为-0.86。3 个波段在结果期内反射率变幅与生理指标变幅相关性较小。

3 讨论与结论

植物叶片色素含量、含水量以及相关表型特征的改变均会引起其反射光谱的差异[11-12]，同时各生理指标之间也存在较大的关联性，因此，通过研究植物叶片反射光谱与生理、表型性状的相关性，并借助反射光谱快速、无损和高效等优点，对提高逆境胁迫对植物影响的监测效率具有重要价值[13-14]。比如，有研究表明，叶绿素含量降低会导致作物在可见光波段光吸收程度减弱，反射率增大[15]；水分含量降低以及叶片细胞结构改变会导致作物近红外波段反射率增大；而许多病害均可引起植物叶片叶绿素和含水量的改变，进而引起冠层反射率的改变。

本研究表明，白粉病可显著降低叶片反射率，感病级别越高，反射率降低越显著，生育期推迟会整体降低叶片反射率。不同波段相比，可见光波段反射率受病害影响降幅最大，近红外波段其次。进一步对叶片受白粉病侵染后的生理指标测定发现，白粉病可显著降低葡萄叶片水势，增加MDA 含量和电导率，并降低叶绿素含量。与健康叶片相比，3 级和5 级的中轻度感病叶片变幅较小，感病7 级和9 级叶片变幅较大，而且随叶片衰老，病害造成的影响有加剧趋势。同时，各波段叶片反射率与ψ、Chla 含量、Chlb 含量呈显著正相关，平均相关系数为0.90，与MDA 含量和EC 则呈显著负相关，平均相关系数为-0.86。由此可见，感白粉病葡萄叶片内部生理指标发生的变化，包括叶绿体分解、细胞含水量下降，以及渗透调节失调等都在叶片表型性状中得以反映，而且具有很强的相关性，其中水势、叶绿素含量与光谱反射率相关系数超过0.9，与MDA 含量和EC 值也超过0.8。这也丰富了葡萄白粉病从表型到生理变化关联特征研究的手段，为更深层认识病害对植物生理和表型带来的协同影响效应提供了新思路。