‘新新2号’核桃果实不同生育时期叶片光谱特征及其对氮磷钾的敏感性

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　　摘 要：通过分析果实不同生育时期叶片光谱反射率对氮（N）、磷（P）、钾（K）的响应，探索采用叶片光谱指数监测和诊断叶片N、P、K的敏感期，旨在为‘新新2号’（Juglans regia ‘Xinxin2’）核桃简便、快捷无损的营养监测与诊断提供理论依据。根据“3414”肥料效应田间试验，利用Unispec-SC单通道便携式光谱分析仪测定不同生育期在不同N、P、K施肥水平下‘新新2号’核桃果实叶片光谱反射率。结果表明，‘新新2号’核桃果实在生长发育过程中叶片光谱反射率与波长密切相关，在360～1 000 nm波长范围内叶片光谱受到外界干扰影响较小，可见光波段光谱反射率表现为R坐果期>R硬核期>R速生>R近成熟>R脂化期；在不同N、P、K施肥水平下，‘新新2号’核桃果实坐果期叶片光谱指数（ND705）与其它时期存在显著差异（P<0.05）或极显著差异（P<0.01）。果实坐果期为‘新新2号’核桃叶片N、P和K的光谱敏感期。
　　关键词：核桃；N素；P素；K素；叶片；光谱反射率；敏感期
　　中图分类号：S664.1 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.02.001
　　Leaf Spectral Characteristics and Its Sensitivity to N， P， K in Various Phenological Periods of Fruit Development of Juglans regia 'Xinxin2'
　　ZHU Baixue，PAN Cunde，HU Zhenzhu，PAN Xin
　　（Key Laboratory of Forestry Ecology and Industry Technology in Arid Region， Education Department of Xinjiang， Xinjiang College of Forestry and Horticulture， Agricultural University， Urumqi， Xinjiang 830052， China）
　　Abstract：The paper analyzes leaf spectral reflectance of nitrogen （N）， phosphorus （P）， potassium （K） trends of various phenological periods of fruit development of Juglans regia 'Xinxin2'， and explores how to use leaf spectral index to monitor and diagnose the N， P， K sensitive period， which aimed at providing a good basis and the best way for simple， fast， non-destructive operability good nutrition monitoring. According to the "3414" fertilizer effect field experiments， leaf spectral reflectance in various phenological periods of fruit development under diverse different fertilization levels were measured with Unispec-SC-channel portable spectrum analyzer. The results showed that leaf spectral reflectance of J. regia 'Xinxin2' is closely related to the walnut fruit growth period and the leaf spectral when the wavelength of light is 360～1 000 nm was less affected by outside interference， especially in the visible band of relatively stable， and the spectral reflectance showing a order as following set fruit > hardcore period > rapid growth period > near mature period > fat change period. The differences of leaf spectral index ND705 in various phenological periods of fruit development under diverse N， P， K fertilization levels were significant（P<0.05）or extremely significant（P<0.01）.The set fruit was the most sensitive stage for spectral monitoring and diagnosis of nitrogen， phosphorus and potassium nutritional elements of J. regia 'Xinxin2'.
　　Key words： walnut； nitrogen； phosphorus； potassium； leaf； spectral reflectance； sensitive stage 　　‘新新2号’（Juglans regia 'Xinxin2'）核桃是新疆南疆盆地早实核桃主栽优良品种之一[1]。氮（N）、磷（P）、钾（K）元素作为核桃每个生育期必不可少的大量营养元素[2]，为了适时、快速、准确地诊断出作物N、P、K营养元素含量，并依此判断出作物的营养状况，才能科学合理地指导施肥并使作物优质高产[3-4]。传统叶片监测方法以化学分析为主，虽然能够较为精准地检测对果树N、P、K营养元素含量，但其实验具有繁冗复杂性、高耗性、时滞性等缺点[5]，不能全面、快捷地对大范围的果树进行营养诊断。随着作物营养监测与诊断技术的快速发展，光谱分析以其多、快、准、好等四大优势，成为研究作物生长发育过程中营养元素盈亏状况的首选[6-8]。因此，采用光谱分析技术手段对N、P、K的光谱敏感性进行研究，为指导‘新新2号’核桃科学合理施肥提供了简便、快速、非破坏性的营养监测和技术途径。光谱分析可以实时、快速、无损地监测树体的色素含量、营养状况[8]、水分状况[9-10]、光能利用效率[11]、植被盖度以及冠层结构等生物化学组织成分[12]，不仅在农业[13]、食品安全[14]、遥感[8]等学科引起了不同领域研究人员的重视，而且也已经应用于桃树[5]、玉米[13]、辣椒[15]、小麦[16]和水稻[17]等多种作物的营养元素的实时监测与诊断。在经济作物研究中，小麦磷素的光谱敏感波段和关键生育期[18]相关，其中拔节前期和孕穗期相关性高达0.99，而甜椒叶片含氮量与550～675 nm波长间叶片的反射系数高度相关[15]；此外，光谱技术在果树研究中应用也较多。研究发现[19]，番茄冠层反射光谱曲线与叶片反射光谱曲线相似，可见光波段低而近红外波段较高，550 nm附近有叶绿素的强反射峰。可见，作物在生长发育过程中品种不同，光谱反射率也不同，自然对N、P、K营养元素的敏感性也会有一定差异[16-28]。所以，探寻光谱反射率对不同营养元素丰缺状况的敏感时期时，需要采用光谱分析手段进行实时营养监测与快速诊断。到目前为止，研究‘新新2号’核桃光谱指数（ND705）及叶片光谱反射率对N、P、K的敏感性的文献尚未见报道，故以此为切入点进行深入分析。采用“3414”肥料效应田间试验，通过叶片光谱特征分析诊断树体营养状况的可能性，采用叶片光谱指数监测和诊断N、P、K的敏感期，并检验果实不同生育时期叶片光谱反射率对N、P、K的敏感性，旨在为‘新新2号’核桃简便、快捷、无损的营养监测与诊断提供理论依据。
　　1 材料和方法
　　1.1 试验材料与地点
　　在新疆阿克苏乌什县阿克托海乡吉格代力克村进行试验（E 79°18′51.33″～79°18′57.07″，N 41°12′37.43″～41°12′41.35″；海拔1 394 m）。乌什县位于天山南麓临近托什干河中游，属于暖温带大陆性干旱气候，年平均蒸发量为2 003.8 mm，年均降水量达到91.5 mm，全年平均气温在9.4 ℃左右，年日照时数约2 750～2 850 h，年均太阳总辐射量约577.6 kJ・cm-2，无霜期250～286 d。
　　试验园占地面积约为2 hm2，主栽品种‘新新2号’，授粉品种温185（Juglans regia ‘Wen185’）。优选健康、无病虫害与冬小麦间作的核桃树在土层厚实的灌淤土壤试验地里以东西行向栽植，株行距5 m×6 m，样株皆为疏散分层形。
　　1.2 试验设计与方法
　　根据“3414”肥料效应，经过计算得最佳施肥量（纯量）N1.5 kg、P0.7 kg、K0.3 kg。采用田间施肥方案设计（表1），3个因素是指N、P、K元素，而4个水平是0水平指不施肥，1水平指最佳施肥量的0.5倍（指施肥不足），2水平指最佳施肥量，3水平指最佳施肥量的1.5倍（指过量施肥），共14个处理。该试验方案设3个重复，共42个试验小区（记为Tij，i=1，2，3，…，14；j=1，2，3），每一小区选10株大小一致的、健康的‘新新2号’核桃样株，共420株。N肥选用新疆塔里木油田石化分公司生产的尿素[CO（NH2）2，含N 46%]，P肥选用云南云天化国际化工有限公司生产的重钙[Ca（H2PO4）2，含P2O5 46%]，K肥选用国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司生产的硫酸钾（K2SO4，含K2O 51%）。每一处理施N、P、K肥于树冠的2/3处且采用环状沟施的方式在萌芽前全部施入，施肥时环状沟深为50 cm。施肥时间在2014年3月中下旬进行。
　　1.3 试验方案
　　1.3.1 光谱数据采集 以田间试验为基础，利用UniSpec-SC单通道便携式光谱分析仪测定树龄为12年的核桃树叶片光谱反射率。该仪器为整合式电脑，内置光源。可以在感应范围内（300～1 100 nm）进行连续测定，光谱分辨率<10 nm，精确度是0.3 nm。使用光谱分析仪应选择在晴朗无云的日子进行，时段在11：30―16：30。光谱仪每个时期使用之前都需要用白版进行校准，每株样树选健康且无虫害的叶片多次重复测定。‘新新2号’核桃光谱数据采集的5个生育期，依次是果实坐果期（5月4日）、速生生长期（5月29日）、硬核期（7月12日）、脂化期（8月5日）、近成熟期（8月30日）。
　　1.3.2 数据分析与处理 在测定的光谱反射率数据中，选择与叶绿素浓度呈正相关性的ND705[27]进行换算，光谱指数计算公式：
　　ND705=（R750-R705）/（R750+R705-2R445）
　　式中，R750、R705、R445分别指750 ，705，445 nm波段的光谱反射率值，ND705表示光谱指数。
　　数据处理过程中采用Microsoft Excel居多；采用MultiSpec5.1.5整理光谱数据；采用DPS 7.5统计软件分析数据；采用Origin7.5软件制图。 　　每个生育时期叶片内叶绿素含量是不断变化的，光谱指数也会有所差异。选用单因素方差分析法（One-way ANOVA）分析叶片光谱指数的差异性，用最小显著差方法（LSD方法）对不同生育期叶片光谱指数（ND705）进行多重比较。
　　2 结果与分析
　　2.1 各生育时期‘新新2号’核桃叶片光谱特性与曲线特征
　　‘新新2号’核桃在不施肥（空白对照）情况下，测定果实5个生育期叶片的光谱反射率，叶片光谱曲线呈现相同趋势特征（由图1可见）。由于首端（310～360 nm）受大气吸收干扰和仪器噪声的影响，光谱曲线首端较不稳定，但随着波长的增加，光谱曲线逐渐趋近于稳定，且呈现低―高―低反射平台的光谱反射特征。在整个光谱维中，可见光（400～780 nm）波段反射率较低，近红外（780～1 050 nm）波段反射率偏高且较稳定。在400～760 nm波段范围里，蓝紫波段呈低―高―低的趋势，分别呈现“蓝边”、“绿峰”、“黄边”、“红谷”等比较奇特的光谱图象，且在该波段范围内，各生育期‘新新2号’核桃叶片光谱反射率值表现出果实坐果期>硬核期>速生生长期>成熟期>酯化期的规律。在700～780 nm波段里，光谱曲线出现一个巨大陡峭的爬升脊是红光的强烈吸收与近红外光的大力反射共同作用的结果，叶片光谱反射率随着果实发育表现出迅速上升的现象。在整个波段范围内，310～360 nm和1 060～1 110 nm波段内光谱反射率不稳定，其他光谱波段（370～1 060 nm）皆为稳定且可行性较强的数据。综上可知，‘新新2号’核桃果实不同生长发育过程中叶片光谱特性与波长密切相关。
　　2.2 各生育时期‘新新2号’核桃叶片光谱反射率对3个因素的响应
　　2.2.1 果实生长发育过程中叶片光谱反射率对N肥的响应 以田间施肥方案设计为基础，T2、T3、T6、T11为N肥的4个处理。‘新新2号’核桃随着果实的发育变化，其4个处理叶片光谱曲线表现出相同趋势（图2）。且5个果实生育时期在550～680 nm波段内光谱反射率均呈降低趋势，其中，果实坐果期和近成熟期降低的趋势较为明显。而在速生生长期叶片光谱反射率表现出T2>T6>T3>T11；近红外范围内，果实坐果期T11处理的叶片光谱反射率高于其它3个处理；硬核期与脂化期T3的处理反射率均较高；而果实近成熟期T11处理的叶片光谱反射率最低。
　　2.2.2 果实生长发育过程中叶片光谱反射率对P肥的响应 处理T4、T5、T6、T7是P肥的4个水平。不同P肥水平条件下‘新新2号’核桃叶片光谱反射率表现出和N肥不同水平条件下相同的趋势（图3）。在可见光（400～780 nm）波段，叶片光谱反射率随着果实生长发育呈现先低、后高、再低的变化，但整体趋势相似；近红外波段叶片光谱反射率远远高于可见光波段光谱的反射率，且在此波段，5个生育时期的叶片光谱反射率均存在一定程度差异。
　　2.2.3 果实生长发育过程中叶片光谱反射率对K肥的响应 对于N和P为同一水平施肥的T8、T9、T6、T10等4个水平，K施肥量依次增加（图4）。在可见光波段，硬核期T10处理的叶片光谱反射率明显高于其他处理，其他时期叶片光谱反射率差异不大。在近红外波段范围内，硬核期T10处理的叶片光谱反射率仍然较其它处理高；果实近成熟期4个处理的叶片光谱反射率呈现T8>T6>T10>T9。
　　2.3 各生育时期‘新新2号’核桃叶片光谱指数（ND705）的差异性
　　采用与叶绿素浓度呈正相关性的叶片光谱指数（ND705）进行单因素方差分析处理可得到（表2），3个因素N、P、K在0水平（空白对照）情况下，不同生育时期‘新新2号’核桃叶片光谱指数（ND705）差异不显著（P >0.32）。此外，3个因素在除了0水平以外的其他水平下组间组内值差异均较大。但是N、P、K在1（施肥量不足）、2（最佳施肥量）、3（过量施肥）水平下，果实不同生育时期‘新新2号’核桃叶片光谱指数（ND705）与其他生育时期存在显著差异（P<0.05）或极显著差异（P<0.01）。
　　通过叶片光谱指数（ND705）的进一步多重比较得出，在N肥1、2、3个水平条件下，‘新新2号’核桃果实硬核期、酯化期、近成熟期叶片光谱指数（ND705）没有明显差异，而在2水平下，坐果期叶片光谱指数（ND705）差异性达到极显著（P<0.01）（图5）。在5个果实生育时期P肥和K肥进行对比，叶片光谱指数（ND705）达到显著水平（P<0.05）和极显著水平（P<0.01）的是果实的坐果期（图6、图7）。所以，‘新新2号’核桃N素、P素和K素叶片光谱监测与营养诊断的敏感期是果实的坐果期。
　　3 讨 论
　　（1） ‘新新2号’核桃果实5个生育时期的叶片光谱反射率与波长的变化密切相关，随着波长的增加光谱曲线变异程度逐渐减小。由于首端（310～360 nm）受大气吸收干扰和仪器噪声的影响，光谱曲线首端较不稳定，但随着波长的增加，光谱曲线逐渐趋近于稳定，且呈现低―高―低反射平台的光谱反射特征。反射平台是由于作物的叶、花内部组织结构多次反射、散射的结果。在整个光谱维中，可见光（400～780 nm）波段由于蓝紫、红橙等光促进植物的光合作用形成叶绿素和类胡萝卜素等，对此波段的强烈吸收作用，使得反射率较低；在近红外（780～1 050 nm）波段因海绵组织、叶肉细胞反射出大量的入射能量，使得反射率偏高且较稳定。
　　（2） ‘新新2号’核桃树体N素叶片光谱营养监测与诊断的敏感期是坐果期。由于不同作物在不同环境条件下树体的色素含量、营养和水分状况等生理生态特征[12]都不同，其植被叶片的光谱反射率也有差异[27]，对N素的敏感期自然不同。当作物施氮肥量不足时，树体营养不足首先影响到叶绿素合成，表现出叶片颜色变浅甚至发黄萎蔫[8]，而光谱反射率较高，此时老叶的营养物质运输至新叶中，缺N症使老叶由下向上早衰至脱落；然而当过量地施氮肥时，叶绿素浓度会降低，而对于不同作物不同环境条件下降低的程度不同，树体内部叶绿素、蛋白质和纤维素含量均不同，使得光谱反射率也不同。所以利用光谱特性和叶绿素浓度之间的相关性分析，可推断出‘新新2号’核桃果实坐果期N素叶片光谱营养诊断。 　　（3） ‘新新2号’核桃树体P素叶片光谱营养诊断的敏感期是果实的坐果期。由于缺P素造成了叶片叶绿素含量的下降[9]，还影响花青素的含量，使得光合作用效率低，其相应症状会在植株老体部分缓慢地表现出来，自然也会影响到作物的产量状况。与N相对比，研究P素叶片光谱敏感性的文献比较少，得到的结论也不一致[7]。刘军等[29]的研究表明，黄瓜在初花期器官中磷的含量差异较大，但随着生育期变化，在茎、叶中磷的含量逐渐稳定；而在初瓜期以后，磷在根中的含量明显高于在其他器官中的含量。薛利红等[30]研究认为，小麦缺磷降低了近红外波段反射率，对可见光波段反射率的影响受到生育阶段和其他肥料互作的影响。可见，不同植物叶片光谱P素的敏感期都有一定差异。
　　（4） ‘新新2号’核桃树体K素叶片光谱营养监测果实坐果期是其敏感期。K素是作物生长发育的重要元素，对植物体的需求仅次于N素与P素。利用高光谱数据对植物K元素进行研究报道的甚少，并且其研究结果相互之间存在偏差[2]。研究发现[29]，苗期黄瓜对钾的吸收比例较低，初花期吸收速率和吸收量都增加，其吸收比例逐渐上升，此时黄瓜逐步进入营养生长和生殖生长并重的关键时期。此外，还有研究表明[30]，缺钾对冠层光谱的影响相对较小，最大差异仅为16%左右，均达不到显著水平。到现在为止，植物体叶片K素的光谱特性研究和营养监测与诊断研究较少，还需要进一步研究证实。
　　4 结 论
　　（1）在整个光谱波段里，由于首端（310～360 nm）受大气吸收干扰和仪器噪声的影响，光谱曲线首端较不稳定，但随着波长的增加，光谱曲线逐渐趋近于稳定，且呈现低―高―低反射平台的光谱反射特征；近红外线波段反射率普遍高且较稳定。
　　（2）‘新新2号’核桃N素、P素和K素叶片光谱监测与营养诊断的敏感期是果实的坐果期。
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