肥料添加剂对甘薯冠层光谱和叶绿素荧光参数特征的影响

目前，光谱技术、叶绿素荧光技术以及光合测定技术已成为探究植物生理生化指标变化的重要手段。与传统的化学实验测定方法相比，光谱技术、叶绿素荧光技术以及光合测定技术具有耗时少、无污染、无损耗等特点，因此，在监测作物生理生化指标方面受到广泛关注。彭涛等[1]利用光谱技术和叶绿素荧光技术研究植物光谱与植物叶黄素循环的关系，表明光化学指数(PRI)能够反映植物光合机构对光能的利用效率。孙金英等[2]利用光谱和光合技术研究了油菜光谱植被指数与叶片冠层气孔导度之间关系时发现光谱植被指数与油菜冠层叶片气孔导度之间具有较好的拟合效果。郑阳霞等[3]利用光合荧光技术研究了铝胁迫下西瓜光合特性及叶绿素荧光参数的变化时发现铝胁迫可对西瓜的叶绿素含量、净光合速率、叶片的气孔导度、胞间CO2浓度及蒸腾速率产生影响，并且使西瓜的荧光参数Fo、Fm、Fv/Fo、Fv/Fm下降。杨艳君等[4]利用荧光技术研究了光合作用对施肥水平和种植密度的响应机制，结果表明氮素水平能够对作物荧光参数产生影响。当前，我国化肥的使用量高，环境污染严重等生态问题已经严重威胁到了我国农业的可持续发展和国家的粮食安全。通过在肥料中添加各种不同的添加剂，可起到降低肥料使用量、增加作物产量和保护生态环境的效果[5-6]。由于肥料添加剂具有增产、增效、减少环境污染等优点，成为当前广大学者关注的焦点[7-9]。古慧娟等[10]研究表明NAM添加剂能够有效地增加水稻产量，使氮素利用率提高到40.58%。肖焱波等[11]研究表明含硝化抑制剂肥料可提高氮肥利用率，使玉米增产9%。曾路生等[12]研究表明聚氨酸肥料添加剂具有保肥效果，并且能够使茄子增产1 500～4 500 kg/hm2，甘蓝增产3 000～6 000 kg/hm2。目前，对于肥料添加剂在经济作物方面的应用研究较多，而在甘薯上的应用研究却鲜有报道。甘薯具有耐干旱、耐贫瘠、对土壤环境要求低等优点，在我国粮食作物中占据着越来越重要的地位。因此，本研究选取甘薯为试验对象，研究了不同肥料添加剂处理对甘薯光谱特征、叶绿素荧光参数以及光合参数的影响，为肥料添加剂在甘薯上的推广应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

甘薯品种为烟25；常规肥料为15∶15∶15的复合肥；肥料添加剂∶聚氨酸由中科院沈阳应用生态所研发提供，按肥料总量的7‰加入；抑制剂由中科院沈阳应用生态所研发提供，按氮总量的7‰加入；菌肥由青岛海德龙生物技术有限公司提供，按6.0 kg/hm2加入。

1.2 试验方法

采用盆栽试验的方法，地点位于青岛市城阳区百埠庄，供试土壤为潮土，采用黑色多孔塑料片制成的圆柱形花盆，每盆装土20 kg，移栽甘薯秧苗3株，50 d后定苗1株，共设4个处理：CK 常规施肥；T1 常规施肥+聚氨酸添加剂；T2常规施肥+聚氨酸添加剂+抑制剂；T3常规施肥+聚氨酸添加剂+抑制剂+菌肥。每个处理设12个重复。聚氨酸、抑制剂和菌肥与常规肥料混合在种植前做基肥施入，按照常规管理方法进行管理。

1.3 测定项目

SPAD值：SPAD-520型叶绿素仪进行测定。

光谱数据：使用北京爱万提斯生产的AvaSpec-ULS2048光纤光谱仪，在甘薯生长50 d采集冠层光谱。测定选在晴天、无风、少云的天气，测定时间为11：00-14：00。

叶绿素荧光参数：利用美国汉莎公司生产的M-PEA仪器，在甘薯生长50 d测定叶片叶绿素荧光参数。测定时，选取不同处理的甘薯第5片功能叶进行暗适应30 min，然后利用仪器与电脑连接进行测定。

光合参数：选择晴天、少云的天气，在9：00-11：00利用美国汉莎公司生产的CIRAS-3仪器测定，选取甘薯第5片功能叶测定，测定的参数包括CO2浓度、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率。

1.4 数据处理

将采集的数据利用Excel和SPSS 19.0软件进行处理和分析。本试验中甘薯冠层光谱的植被指数计算公式参考文献[13]。

2 结果与分析

2.1 肥料添加剂对甘薯叶绿素SPAD值的影响

由图1可知，常规施肥(CK)、常规施肥+聚氨酸添加剂(T1)、常规施肥+聚氨酸添加剂+抑制剂(T2)、常规施肥+聚氨酸添加剂+抑制剂+菌肥(T3)处理下的甘薯叶绿素SPAD平均值分别为49.7，51.3，53.0和52.9，与常规施肥(CK)相比，T1、T2与T3处理下的SPAD平均值分别增加了3.2%，6.6%和6.4%。同时可看出，与常规施肥(CK)相比，肥料添加剂处理对生长初期的甘薯叶绿素SPAD值影响没达到显著差异的水平。

2.2 肥料添加剂对甘薯冠层光谱特征的影响

图2表明，不同肥料添加剂处理下甘薯冠层光谱反射率的变化趋势大体一致，即在550 nm左右形成一个反射峰，在650 nm左右形成一个反射谷，在750 nm左右的反射率达到最大，760～950 nm波段形成近红外反射平台。但是处理下甘薯叶片光谱的反射率存在一定的差异性，即不同处理在550 nm波段的平均反射率大小为：CK>T2>T1>T3，在近红外波段(760～950 nm)内的平均反射率大小为：T1>CK>T3。

不同肥料添加剂处理下的甘薯的光化学植被指数(PRI)、结构不敏感色素指数(SIPI)、红边归一化植被指数(NDVI705)、差值植被指数(DVI)和简单比例植被指数(SRVI)的计算结果见表1。由表1可知，与CK相比，T1、T2和T3处理下的甘薯的光化学植被指数(PRI)、结构不敏感色素指数(SIPI)、简单比例植被指数(SRVI)均有所增加，但是不同处理之间未达到显著性水平。与CK相比，T1、T2和T3处理下的甘薯的红边归一化植被指数(NDVI705)和差值植被指数(DVI)均有所下降，其中CK处理下的甘薯红边归一化植被指数(NDVI705)与其他处理之间达到显著性差异。因此，通过分析甘薯的植被指数可知，与常规施肥相比，肥料添加剂对甘薯生长过程中的生理和生化过程产生了一定的影响。

2.3 肥料添加剂对甘薯叶绿素荧光参数的影响

由表2可知，与CK相比，T1、T2和T3处理下的初始荧光值(Fo)分别下降了0.86%，1.28%和1.10%，其中常规施肥+聚氨酸添加剂+抑制剂(T2)处理的初始荧光值(Fo)最低；与CK相比，T1、T2和T3处理下的PSⅡ的光化学效率(Fv/Fm)分别上升了1.20%，0.84%和0.72%，PSⅡ的光合电子传递效率(Fv/Fo)分别提高了5.75%，5.43%和4.50%，PSⅡ阶段的热耗散值(Fo/Fm)分别下降了4.85%，4.24%和3.64%，其中常规施肥+聚氨酸添加剂(T1)处理下的PSⅡ的光化学效率(Fv/Fm)和PSⅡ的光合电子传递效率(Fv/Fo)最高，PSⅡ阶段的热耗散值(Fo/Fm)最低；与CK相比，T1、T2和T3处理下的单位反应中心吸收的光能(ABS/RC)分别上升了1.26%，1.47%和0.31%，单位反应中心捕获的用于还原QA的能量(TRo/RC)分别上升了0.50%，2.34%和0.63%,单位反应中心捕获的用于电子传递的能量(ETo/RC)分别上升了2.26%，2.82%和1.88%，单位反应中心耗散掉的能量(DIo/RC)分别下降了5.06%，3.16%和3.80%，其中T2处理下的ABS/RC、TRo/RC和ETo/RC最高；与CK相比，T1、T2和T3处理下的以吸收光能为基础的性能指数(PI abs)分别上升了13.71%，6.42%和11.43%，其中常规施肥+聚氨酸添加剂(T1)处理下以吸收光能为基础的性能指数(PI abs)最高。

2.4 肥料添加剂对甘薯光合参数的影响

由图3可知，与CK对比，T1、T2和T3处理下的胞间CO2浓度、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率总体上均呈现出先上升后下降的趋势，说明不同肥料添加剂处理对甘薯的胞间CO2浓度(Ci)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)等光合参数均产生了影响。与CK相比，T1、T2和T3处理下的胞间CO2浓度分别增长了63.08%，63.08%和41.59%，净光合速率分别增长了22.61%，39.27%和17.82%，气孔导度分别增长了184.29%，202.36%和81.41%，蒸腾速率分别增长了37.27%，34.55%和17.27%。

2.5 甘薯植被指数与叶绿素荧光指数和光合指数之间的相关性

甘薯植被指数NDVI705与荧光参数Fo/Fm、Fv/Fm、Fv/Fo和φPo以及和光合参数Ci之间的相关关系见图4。通过甘薯植被指数与叶绿素荧光指数和光合指数的相关性分析可知，甘薯植被指数NDVI705与荧光参数Fo/Fm、Fv/Fm、Fv/Fo和φPo之间存在显著相关性，甘薯植被指数NDVI705与光合参数Ci之间存在显著相关性，甘薯其他植被指数与叶绿素荧光指数和光合指数之间没有显著相关性。

3 讨论与结论

3.1 肥料添加剂与甘薯冠层光谱的关系

作物的反射光谱可以反映出作物的生长状况以及营养水平。植物叶片的光谱反射曲线在可见光波段内，由于作物体内叶绿体对蓝光和红光的吸收，550 nm左右会形成一个反射峰，即“绿峰”，该波峰的形成主要和植物叶片内的叶绿素含量和氮素水平有关。相关研究表明，作物氮素水平与其光谱特征存在一定的相关性。薛利红等[14]研究小麦叶片氮素水平与光谱特征时发现随着施氮水平的增加，小麦冠层在可见光波段的反射率降低，近红外波段的反射率升高。张雪红等[15]研究表明随着施氮水平的提高，油菜冠层在可见光区域反射率减小，在近红外区域则增加。吴华兵等[16]研究表明棉花冠层在可见光波段随施氮水平的提高而下降，近红外平台的反射率则随施氮水平的提高而上升，并且不同氮素处理间的光谱反射率差异显著。本试验中，不同处理下的甘薯反射光谱在550 nm的平均反射率存在一定差异，与CK相比较，T1、T2、T3处理在550 nm的平均反射率均下降，这说明T1、T2、T3处理在一定程度上增加了甘薯对氮的吸收，增加了叶片的叶绿素含量。近红外(760～950 nm)作物的光谱反射率主要受叶片内部细胞结构的影响，反射率越高，说明作物内部细胞结构越完好。本试验中，与CK相比，T1、T2处理下的近红外(760～950 nm)波段内平均反射率均升高，这说明T1、T2处理一定程度上能够促进甘薯叶片细胞的生长，但T3处理此波段不敏感，与CK差异小。

研究表明植被指数与作物的生理生化指标之间具有一定的相关性，在一定程度上可以反映作物生长状况。通过作物的各植被指数可以快速、无损伤的研究植物体内的色素含量、营养状况、水分状况、光能利用效率等生理生态指标[17-18]。本试验中添加剂处理下的甘薯的光化学植被指数(PRI)、结构不敏感色素指数(SIPI)、简单比例植被指数(SRVI)均有所增加，红边归一化植被指数(NDVI705)和差值植被指数(DVI)均有所下降，主要是因为肥料添加剂促进了甘薯对氮的吸收利用，从而对甘薯叶片的色素含量、营养状况和光能利用效率等生理生态指标产生了影响，进而在植被指数上有所显现。

3.2 肥料添加剂与甘薯荧光参数的关系

Fo称为初始荧光值，Fo值越低说明光能的利用越高。Fv/Fm、Fv/Fo和Fo/Fm分别表示PSⅡ的光化学效率、PSⅡ的光合电子传递效率和PSⅡ阶段的热耗散值。ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC分别表示单位反应中心吸收的光能、单位反应中心捕获的用于还原QA的能量、单位反应中心捕获的用于电子传递的能量和单位反应中心耗散掉的能量，这4个参数可以表示QA处在可还原态时，单位PSⅡ反应中心的活性。φEo、φPo和Ψo 3个参数分别代表着电子传递的量子产额、最大光化学效率和捕获的光量子进入电子传递的效率，这3个参数主要是从量子产额或能量分配比率方面来说明了叶绿素荧光的变化。φEo、φPo和Ψo值越大，说明光合系统捕获光的能力越强，电子由QA向QB的传递量越多。PI abs是所有荧光参数中最敏感的参数，它表示着以吸收光能为基础的性能指数，PI abs值越高，说明对光能的吸收效果越好。肥料添加剂能够改善土壤环境，增加土壤的氮素水平，促进植物的生长。本试验设计中聚氨酸添加剂能够调节土壤养分，增加土壤氮素含量，菌肥可以增强土壤中微生物活性，提高土壤的氮素肥料，抑制剂主要是抑制尿素的水解和铵态氮向硝态氮的转化，减少土壤中氮素的流失，增加土壤氮素的长期有效性，提高作物对氮肥的利用与吸收，促进作物叶片细胞的生长发育，进而影响作物生长过程中的光化学特性。相关研究表明，氮素水平与叶绿素荧光参数之间存在一定的相关关系。马吉锋等[19]研究表明小麦不同叶位叶片氮含量和荧光参数Fv/Fm、Fv/Fo均随施氮量的增加呈上升的趋势。乔建磊等[20]研究表明马铃薯叶片PSⅡ光化学效率及其潜在活性与叶片光合色素含量之间存在一定相关性。于雪等[21]研究表明甜菜叶绿素荧光动力学参数Fv/Fm和qP随氮素水平的提高而增加。王佩玲等[22]研究表明施氮可提高冬小麦Fm、Fv、和Fv/ Fo值，降低Fo值。张旺锋等[23]研究表明适量氮肥追肥可以提高棉花PS Ⅱ的活性和PS Ⅱ光化学的最大效率，提高了PS Ⅱ反应中心开放部分的比例，使表观光合作用电子传递速率和PS Ⅱ总的光化学量子产量提高，降低了非辐射能量耗散，使叶片所吸收的光能较充分地用于光合作用。郑顺林等[24]研究表明适量的氮肥可以提高Fv/Fm、ФPS Ⅱ和ETR，降低qP和qN，从而增加PS Ⅱ天线色素对光能的捕获效率，降低光能的热耗散，提高PS Ⅱ的光化学效率。本试验中，肥料添加剂可能促进了甘薯对氮素的吸收利用，从而增加了甘薯叶片的光化学活性，提高了PSⅡ的光化学效率和光合电子传递效率，降低了PSⅡ阶段的热耗散。

3.3 肥料添加剂与甘薯光合参数的关系

相关研究表明，甘薯叶片在较低浓度氮素水平的土壤中可以保持较高的光合速率，而高浓度的氮素水平则不利于提高甘薯叶片的光合速率[25-26]。这主要由于甘薯本身具有耐旱耐瘠薄等特点，在甘薯的生长前期阶段，所需的养分主要来自于甘薯薯块本身，对土壤氮素的要求不高。本试验中，光合参数胞间CO2浓度、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率都呈现出先上升后下降的规律，这可能由于肥料添加剂影响了土壤中的氮素水平，其中T3处理可能对土壤氮素水平的提高效果最好，但这种高浓度的氮素水平不利于甘薯叶片的光合反应，从而使测得的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率等光合参数在T3处理下的增长速率放缓。

与常规施肥相比，肥料添加剂能够提高甘薯的叶绿素SPAD值，同时肥料添加剂对甘薯冠层光谱产生了影响，使甘薯冠层光谱在可见光波段内550 nm左右位置上的平均反射率降低，在近红外(760～950 nm)波段内的平均反射率升高，并且使光化学植被指数(PRI)、结构不敏感色素指数(SIPI)、简单比例植被指数(SRVI)增加，红边归一化植被指数(NDVI705)和差值植被指数(DVI)下降，表明肥料添加剂能够提高甘薯对氮素的吸收和利用，增加叶绿素含量，促进甘薯叶片细胞的生长和发育。

肥料添加剂对甘薯叶绿素荧光参数Fo、φEo、φPo、Ψo、ABS/RC、Fo/Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC、PI abs产生了影响，使甘薯叶绿素荧光参数Fo、Fo/Fm、DIo/RC值下降，Fv/Fm、Fv/Fo、TRo/RC、ETo/RC、φEo、φPo、Ψo和PI abs值上升，表明肥料添加剂增加了甘薯叶片的光化学活性，提高了PSⅡ的光化学效率和光合电子传递效率，降低了PSⅡ阶段的热耗散。

肥料添加剂对甘薯的胞间CO2浓度(Ci)、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)光合参数产生了影响，使胞间CO2浓度(Ci)、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)上升，但上升速率随着处理的变化而降低，表明不同添加剂处理对甘薯光合参数的影响有所不同。

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