基于SPAD值的春石斛假鳞茎成熟度无损判定模型

温碧柔，蔡雪妍，杨 逸，彭杰良，陈方尧，闻真珍，刘 伟

（1.华南农业大学生命科学学院，广东 广州 510642；2.西安交通大学公共卫生学院，陕西 西安 710049；3.广东工程职业技术学院，广东 广州 510000）

0 引言

【研究意义】春石斛（Nobile-type Dendrobium）是以兰科（Orchidaceae）石斛属（Dendrobium）模式亚属（Eu-Dendrobium）植物为亲本培育形成的杂交后代，株型美观，花多优美且多具香气，是高档的盆栽年宵花卉[1]，其自然花期为3～4月[2]。为了使春石斛在元旦或春节开花，需要在假鳞茎成熟时，对植株进行低温春化处理，促使花芽形成。然而因不同年份气候差异，即使在相同的时间起始春化处理，诱导开花效果却极不稳定，其原因是该起始时间假鳞茎成熟度在不同年份的不一致。目前对假鳞茎成熟度的判断，主要依赖是时间和经验，如止叶（假鳞茎上最后形成的一片叶）成熟后的时间，实际生产中偏差极大。为了确定春化适宜的起始时间，获得良好的春化效果，准确判断春石斛假鳞茎成熟度方法的建立就显得极为重要了，也为农业生产中精准调控技术的实施奠定技术基础。【前人研究进展】春化温度、春化时间以及假鳞茎的成熟度是影响春石斛春化效果的关键的因素，对其任一因素的控制不当，都会影响春化效果，导致观赏价值严重下降。Yen等[3]研究表明，13 ℃低温处理3周可以满足金钗石斛低温春化的要求，但未提及假鳞茎成熟度的问题。春化温度和时间是便于监测和控制的指标，但目前缺少关于适合春化的假鳞茎成熟度（或春化处理起始时间）的有效标准，生产中多以止叶出现后的时间为主要指标进行衡量，如一些研究认为春石斛的止叶出现时，假鳞茎充实饱满，是假鳞茎成熟的标志[4-5]。由于不同年份气候条件等的差异，常造成假鳞茎成熟所需的时间不一致，仅以止叶出现的时间作为判断标准，误差极大，引起春化处理效果不稳定[6]。徐雨[7]发现过早春化会导致春石斛花朵数量降低，甚至不开花；春化时间过晚，又会引起严重的叶片脱落。叶片叶绿素相对含量值（Soil and plant analyzer development， SPAD），可在无损的前提下测定，有效表示植物叶片叶绿素含量的高低，并可以在环境条件基本一致的前提下，间接反映叶片的发育阶段。张凤良等[8]研究了橡胶树的叶片发育过程SPAD值的变化规律，发现在橡胶树叶片发育过程中，前期叶片的SPAD值会缓慢上升，中期基本无变动，后期随叶片颜色逐渐变黄SPAD值下降，该过程可以较为准确地反映出叶片的发育过程。春石斛叶片互生，发育过程一次发生，并且有止叶，因此止叶向下连续叶片发育状态，可以较好地反映假鳞茎的发育状态。精准农业（Precision Agriculture）是依靠先进信息技术精准定位、定时、定量的现代化农事操作技术与管理系统。依靠近红外光谱等技术，实时监控作物生长与成熟状况，收集生长特征，并建立作物生长管理模型，可预测采收期等，有效提高生产效率[9]。通过光谱技术等方法，可无损检测植株冠层大小[10]、叶面积[11]、采收部位特殊内含物[12]等。岳学军等[13]利用高光谱技术检测柑橘叶片叶绿素含量，可快速无损地判断柑橘植株是否处于采果期。【本研究切入点】春石斛春化处理的起始，是由假鳞茎的成熟度来确定的，只有成熟度适宜的假鳞茎，才能产生良好的春化效果，并最终得到优质的盆花商品。而目前春石斛生产中，假鳞茎成熟度是通过止叶形成的时间及经验进行判定的[4-5]，环境因素影响极大，是造成优质品获得率低的瓶颈。【拟解决的关键问题】本研究测定了止叶及其下部共 5 片叶片的SPAD值与叶位回归方程系数，并以此系数作为假鳞茎的成熟度指标，构建春石斛春假鳞茎成熟度判断的新方法，并通过对不同品种春石斛、同品种该系数值不同的假鳞茎起始春化，统计春化处理后开花状况，对方法进行验证，从而解决春石斛春化起始时间仅依赖时间和经验进行判断、春化效果不稳定的问题。

1 材料与方法

1.1 试验材料

春石斛品种可爱河马（DendrobiumLovly Hippo）和大龙虾（DendrobiumHot Lobster）购自海南省，DendrobiumSakura Hime、甜心（DendrobiumLucky Girls ‘Sweet heart’）购自东莞市花卉粮作研究所。均为组培苗，栽培3年以上（图1）。

于2～3月选择生长状况良好且状态一致的植株，用水苔或兰石种植于65 mm的塑料杯中。当新生假鳞茎高度达到前一年假鳞茎高度的50%左右时，剪去前一年的假鳞茎。栽培大棚上方覆盖一层活动遮阴网，设置有水墙、风机、雾化喷淋系统和温湿度及光强感应器，湿度60%～80%，最大光照强度小于30 000 lx。整个试验过程中，不出现干旱、光照过强及连续遮荫等逆境状况。

植株栽种3 d后开始，于下午5:00～5:20启动喷淋系统，喷水20 min；1周后开始施用1 000倍的花多多2号叶面肥（10-30-20-TE），每周1次。1个月后，施用肥效期为90 d的奥绿1号缓释肥（14-14-14），每盆2 g。至8月下旬开始停止所有施肥，控制基质偏干。

1.2 试验方法

1.2.1 探究SPAD值与春石斛成熟度的关系 大龙虾石斛、D.Sakura Hime及甜心石斛，从止叶叶龄10 d开始，每隔30 d，用叶绿度仪SPAD-502测量如图1所示的5个叶位叶片的SPAD值。每个品种设置3个重复，每重复10株。以止叶叶龄为横坐标x，不同叶位的SPAD值为纵坐标y，绘制折线图，建立SPAD值与叶龄的相关关系。

以止叶抽出后第10、100、190 d为假鳞茎3个不同成熟状态的测定点，分别测定上述3种石斛的3个不同成熟状态下，如图1所示的5个叶位叶片的SPAD值，每个品种各设置3个重复，每重复10株。以叶位为横坐标x，各时期各叶位的SPAD值为纵坐标y，构建各时期不同叶位SPAD值的线性回归方程y＝kx+b，获得植株在各个时间点的k值，并将此数值称为假鳞茎的差异指数，表示假鳞茎的成熟度，并建立差异系数与春石斛假鳞茎成熟度关系的模型。

1.2.2 验证k值与春石斛成熟度关系 在本实验室种植条件下，可爱河马石斛与D.Sakura Hime的开花整齐度普遍较差，选择此2个品种进行k值与春石斛成熟度关系的验证。

利用不同生长时间的假鳞茎进行验证，以可爱河马石斛春芽为材料，6月15日开始，每7 d测定如图1所示的5个叶位叶片的SPAD值，试验设置3个重复，每重复10株，连续测定140 d。以测定时间为横坐标x，假鳞茎的差异指数k为纵坐标y，绘制折线图，验证差异指数k与春石斛假鳞茎成熟度的关系。

利用春化开花效果进行验证，以可爱河马石斛止叶展开时间分别为8月及10月的植株为材料，于11月初同时进行春化处理。春化前测定其5个叶位叶片的SPAD值并计算k值，开花后统计其开花节数比率（开花节数/总节数），验证差异指数k与春化效果的关系，试验设置3个重复，每重复10株。春化条件为夜间温度10～15 ℃，日温≤25 ℃，湿度65%～85%，最大光照强度低于30 000 lx，连续处理25 d。春化处理结束后，控制夜温≥15 ℃，日温≤28 ℃。

再以可爱河马和D.Sakura Hime植株为材料，以其假鳞茎的差异指数k为指标，按照k值的大小，将各品种的植株分别分成3组，每组设置3个重复，每重复9株。同时开始春化处理，开花时统计各组的总开花数、每花芽开花数（总开花节数/花芽数）及开花节数比率，验证基于差异指数k指示的假鳞茎成熟度与春石斛春化效果的关系。

1.3 数据统计与处理

所有数据采用IBM SPSS 21统计分析软件完成。对于满足正态性假设的计量指标，采用均值±标准差的形式表示，组间比较采用单因素方差分析（One-way Anova），检验水准为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 SPAD值与春石斛成熟度的关系

2.1.1 SPAD值与春石斛叶龄的关系 如图2～4所示，不同品种春石斛各叶位的叶片，SPAD值随叶龄增加而增加，反映出叶片发育过程SPAD值变化规律的一致性。SPAD值的增加，反映出叶片发育的早期过程，光合系统逐渐完善；其后的一段时间SPAD值相对稳定，叶片的功能也相对稳定。不同叶位的叶片，在同一时间可能处于不同或相同的发育阶段。在不同品种间，SPAD的数值存在差异，但这种规律是一致的。

如图5所示，随着假鳞茎的生长，SPAD值的差异指数（k）呈现k190d＜k100d＜k10d的规律。即k的数值随着假鳞茎的成熟逐渐下降。不同春石斛品种都表现出相似的下降趋势，但下降的速率存在差异。

2.2 k值与春石斛成熟度关系的验证

2.2.1k值与不同生长时间假鳞茎的成熟度的关系验证 从6月至11月，可爱河马的假鳞茎的差异指数逐渐下降（图6），与2.1.2所总结规律一致，证明春石斛假鳞茎的差异指数与成熟度呈负相关关系。随着假鳞茎的发育，叶片也逐渐成熟，靠上部叶片的叶绿素含量升高，不同叶位叶片间SPAD值的差异逐渐减小，差异指数逐渐降低。

2.2.2k值与春化处理效果关系的验证 在不同生长时间的假鳞茎中，止叶形成较早的假鳞茎，生长时间较长，成熟度较高。8月份形成止叶的假鳞茎春化前的k值显著小于10月份形成止叶的假鳞茎（P＜0.05），说明前者的成熟度大于后者。春化后，8月份形成止叶的假鳞茎开花节比率为42.34%；10月份形成止叶的假鳞茎春化后不开花（表1）。表明春化后的开花节比率与假鳞茎的成熟度呈正相关，与假鳞茎差异指数呈负相关。在传统的春化方法中，止叶展开时间较早的春石斛假鳞茎成熟度高，经春化后可以正常开花；止叶展开时间较晚的春石斛假鳞茎成熟度较低，经春化后不开花，说明差异指数k在传统春化方法中也适用。

表1 可爱河马（D.Lovly Hippo）春化开始时假鳞茎的差异指数与春化效果（n=3）Table 1 Difference index on Lovely Hippo pseudobulb before vernalization and flowering after vernalization (n=3)

利用春化开花效果对k值与春化的关系进行验证，由表2可知，可爱河马假鳞茎的差异指数k组1＞k组2＞k组3，组3的总开花数与开花节数比率显著高于其他两组（P＜0.05）。对于D.Sakura Hime而言，若春化起始时差异指数较大（k＞1.77），植株春化仍不开花。而当k≤1.77时，随着差异指数的减小，总开花数与开花节数比率显著增高，春化效果增强。表明差异指数k可以指代假鳞茎的成熟度，且k值越小，表示假鳞茎越成熟，春化后开花效果越好。

表2 D.Sakura Hime和可爱河马石斛差异指数与春化效果（n=3）Table 2 Difference index on Sakura Hime, Lovely Hippo, and Lucky Girls Sweetheart pseudobulbs before vernalization and flowering after vernalization (n=3)

3 讨论

春石斛处于营养生长阶段时，叶片逐渐发育成熟，其叶绿素含量增加，SPAD值增大。春石斛叶片抽出的顺序为E、D、C、B、A（图1），先抽出的叶片先发育先成熟，叶绿体数量增加，叶绿素含量升高[14]。同一叶片的SPAD值随叶片的成熟而增大，随叶片的衰老而减小。在春石斛假鳞茎发育过程中，各叶片E、D、C、B、A叶的叶龄，依次递减，SPAD值也依次递减。故SPAD值的变化趋势能体现叶片的成熟度。

A、B、C、D、E叶的SPAD值之间的差异指数k，可指示假鳞茎的成熟度，与通过时间和栽培经验的判断方法，该模型对假鳞茎成熟度的判断更为准确。本研究分析3个春石斛品种的假鳞茎在止叶形成后10 d、100 d和190 d个不同成熟状态下，5个叶位SPAD值之间函数关系的差异指数，均呈现k10d＞k100d＞k190d的规律，与春石斛假鳞茎的成熟度呈现稳定的负相关的关系。春石斛春化效果与假鳞茎成熟度关系密切；可爱河马石斛8月与10月形成止叶的假鳞茎，春化结果的差异，表明差异指数可将成熟与未成熟的假鳞茎区分开，选用成熟度较高（差异指数低）的假鳞茎，可产生更好且稳定的春化效果。D.Sakura Hime和可爱河马石斛的低温春化效果表明，春化效果与其低温春化开始时的差异指数呈现负相关的关系：当差异指数较小时低温春化效果较好。

精准农业相关研究表明，SPAD值与烟叶成熟度呈负相关，可作为判断其成熟度的依据[15-18]。此外，SPAD值也与烟草的淀粉含量与感官评价、小麦的产量与千粒重、籼稻的食味值与蛋白质含量等指标相关[19-21]，可作为预计农作物质量高低的依据。

春石斛假鳞茎经春化后的开花效果与其成熟度相关。本研究结果显示，差异指数k值不同的假鳞茎，春化催花效果差异显著，可作为春石斛春化适宜起始时机判断的标准。尽管不同品种适宜春化起始时间的差异指数存在差异，但对于某固定品种却是固定且一致的（2年、多批次的结果），因此该指标可以在生产中实施。

本研究建立的春石斛假鳞茎成熟度判断模型，可用于春石斛适宜的春化起始时间确定，具有快速、准确及无损等特点，是对现有春石斛控花技术的重要改良，也为精准农业相关技术及设施在春石斛栽培生产中的应用奠定基础。

4 结论

利用叶绿度仪SPAD-502测定春石斛叶片的SPAD值并对数据进行分析，发现SPAD值随叶片叶龄的增加而增加。差异指数k随假鳞茎的成熟度增加而下降，呈负相关关系，即k值越小，假鳞茎越成熟。差异指数k越小，假鳞茎越成熟，春化效果越好，开花质量越好。以差异指数指示的春石斛假鳞茎的成熟度模型来判断春化起始时间，在春石斛栽培生产应用中是可行的。