烟株叶片叶绿素的时空分布特征

2020-04-01肖庆礼代先强杨红柯秦平伟张世渠陈昆燕汪长国戴亚丁伟

中国烟草学报 2020年1期

肖庆礼，代先强，杨红柯，秦平伟，张世渠，陈昆燕，汪长国，戴亚 *，丁伟

1 西南大学植物保护学院，重庆市北碚区天生路2号 400715；2 重庆中烟工业有限责任公司，重庆市南岸区南坪东路2号 400060；3 烟叶资源科学利用重庆市重点实验室，重庆市南岸区南坪东路2号 400060；4 重庆市烟草公司，重庆市江北区五江路20号 400020

烤烟收获的是叶片，在烤烟产量的形成过程中，叶绿素参与的光合作用贡献了96%的干物质积累[1]。与此同时，在烤烟采收环节叶绿素也是判断叶片成熟采收标准的主要指标之一[2-5]。在烤烟生长发育过程中，叶绿素不仅随时间呈现明显的变化，而且受到叶位、品种、栽培措施、地形地貌等各种主客观因素的影响，因此烤烟叶绿素呈现较强的时空变异性特征[6-11]。关于时空变异性，国内外学者开展了大量的研究工作[12-15]。部分学者在研究土壤水分时空变异性时发现，土壤水分的空间分布格局具有随时间持续不变的特性，Vachaud 等[16]最早将这种特性定义为时间稳定性。对时间稳定性最好的应用方式之一是寻找研究区的代表性样点，其含水量可以代替研究区平均含水量[17-21]。

鉴于土壤水分时间稳定性应用的巨大潜力，一些学者也把时间稳定性的概念扩展应用到了的其它方面。徐国策等[22]研究了洛惠渠灌区地下水的电导率，发现地下水电导率具有很强的时间稳定性和周期性，可以利用地下水电导率代表性位置点来监测研究区地下水平均电导率的变化。邢旭光等[23]分析了膜下滴灌棉田主根区土壤的盐分，发现土壤盐分的时间稳定性随土层深度增加呈现先增强后略微减弱趋势。Douaik[24]分析了土壤盐分的时间稳定性，发现低盐点的时间稳定性较强，而高盐点的时间稳定性则较弱。

目前，关于时间稳定性的扩展应用研究主要集中在土壤盐分、水分电导率等方面，关于烟叶叶绿素时间稳定性的相关研究鲜见报道。由于烟叶叶绿素含量与SPAD 值之间存在极显著线性关系[3,26-27]，本文采用Spad-502 plus 便携式叶绿素仪测定大田烟株叶片的SPAD 值，进而换算出叶片的叶绿素含量。通过系统研究摩围山小流域旱地烟株叶片叶绿素的时空分布特征，确定监测样带烟株叶片叶绿素的代表性样点，从而为本区烟田的水肥管理及成熟采收提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于重庆市彭水县南部的摩围山小流域。该区属中亚热带温润季风气候区，具有春早多夜雨，夏热多伏旱，秋凉多绵雨，冬冷少霜雪，总体雨量充沛集中，光照偏少云雾多等气候特点。该区年均气温17.5℃，年平均降雨量1104 mm，年平均蒸发量950 mm，降雨量略大于蒸发量[25]。该区属于典型的岩溶地貌，地形起伏，沟壑纵横，低阶地、坡麓、岩溶洼地及小型山间盆地犬牙交错。主要土壤类型为旱地黄壤，土层浅薄，水土流失较为严重。

1.2 试验布设

在研究区选取典型的小型山间盆地作为试验区，盆地长约520 m，宽50～150 m不等，为东北-西南走向，且东北至西南有一个约5°的下斜缓坡。农田土壤类型为旱地黄壤，前作为烤烟。烤烟移栽前起垄并覆盖地膜，垄体高度约为30 cm。施纯氮量控制在105 kg/hm2，N : P2O5: K2O 为1 : 0.93 : 3.08。移栽时间为5月1 日-7 日，品种为云烟87。株行距为55 cm×110 cm，初花期打顶，有效留叶数为19-21 片。其它大田管理措施按优质烟叶生产技术要求进行。农田无灌溉条件，烟株耗水全部来自于天然降水和土壤水。在盆地东北-西南方向依次布设20 个监测样点，样点间隔距离为25 m（图1b），在每个监测样点分别选择1 棵烟株，该烟株的长势长相与该样点附近的烟株长势长相基本一致，然后挂牌进行长期定位监测。

图1 （a）研究区位置、（b）样带布设示意图Fig. 1 (a) Location of the study area, (b) The layout of the experimental plot

1.3 数据采集和处理

烟叶SPAD 值的测定使用Spad-502 plus 便携式叶绿素仪进行。移栽结束后39 d 开始测定，测定时对样点挂牌烟株按照自下而上逐叶位的方式进行。烟株最低的叶片为第一叶位，叶片自下而上叶位依次增加。烤烟生长期间各叶片的叶位固定不变。

烤烟生长期间共测定了18 次，每次间隔为5 d左右。测定时沿叶片主脉对称的叶基、叶中和叶尖部两边各选3 个部位等距布局，每片叶共测定6 个部位，其平均值即为该片叶SPAD 值。

大量研究表明，烟叶叶绿素含量与SPAD 值存在极显著线性关系，并建立了数学模型[3,26-27]。本研究借鉴汪强等[27]数学模型对烟叶叶绿素进行标定：

式中，y 为烟叶叶绿素含量，mg/g Fw；x 为烟叶SPAD 值。

烟株叶片按照下、中、上分为3 个部位，其中下部叶、中部叶和上部叶分别占烟株总叶数的30%、40%和30%。由于监测烟株叶片数为19～21 片，烟株叶数为19 片时，其下、中、上部叶分别为1～6 叶位、7～13 叶位和14～19 叶位；烟株叶数为20 片时，其下、中、上部叶分别为1～6 叶位、7～14 叶位和15～20 叶位；烟株叶数为21 片时，其下、中、上部叶分别为1～6叶位、7～15 叶位和16～21 叶位。烟株下、中、上部叶片叶绿素含量分别为对应部位叶片叶绿素含量的平均值。

1.4 分析方法

根据Vachaud 等[16]的研究，时间稳定性可以使用相对偏差法描述。给定时间特定样点特定烟株部位叶绿素含量的相对偏差δikj 可以由下式计算得出：

式中，i 代表样点位置（i=1, 2, 3, ……20），j 代表烟株部位（j=1, 2, 3），k 代表测定次数（k=1, 2, 3, ……M），为时间k 时，j 部位的平均叶绿素含量，计算公式为：

时间稳定性指数（ITS）可以作为单一指标来识别研究区域平均叶绿素含量的最佳样点，同时该样点具有较好的时间稳定性，公式如下：

变异系数Cv反映的是相对变异，即随机变量的离散程度：

式中σ 为标准差，μ 为样本平均值。根据变异系数将叶绿素含量的变异程度进行分类，当Cv＜10%为弱变异性，10%≤Cv≤100%为中等变异性，Cv＞100%为强变异性。

利用回归方程的决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和平均偏差（MBE）评价代表性样点和对应叶片叶绿素的差异性:

RMSE 越小，MBE 越接近于0，说明代表性样点烟株叶片叶绿素值越接近于样带对应部位烟株叶片叶绿素的平均值。

采用Excel 2013 和Surfer11.0 软件对数据进行处理和作图，采用SPSS Statistics 20.0 软件对数据进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 烟株叶片叶绿素的时空变化特征

烟株不同部位叶片叶绿素均值及变异系数见图2。由图2a 可知，下部、中部和上部叶在生育前期均具有较高的叶绿素含量，随着叶片的生长，叶绿素含量均明显增加，且都达到最大值，其最大值分别为0.92、1.02 和1.18 mg/g Fw，随后均进入下降通道，至生育末期下降至最低值，其最低值约为最高值的55%。就在整个生育期而言，下部叶叶绿素平均值（0.76 mg/g Fw）明显小于中部叶（0.82 mg/g Fw），中部叶（0.82 mg/g Fw）又明显小于上部叶（0.97 mg/g Fw）。

由图2b 可知，在生育前期，下部叶叶绿素变异系数较低，其值仅为5.3%，随着叶片的发育，变异系数明显增大，最后达到最大值26.67%；中部叶在生育前期叶绿素变异系数较低，随后快速增大，然后又明显下降，最后进入上升通道，其最大值为19.74%；上部叶在生育前期叶绿素变异系数稍大，随后快速降低至最低值（5.28%），最后进入上升通道，其最大值为23.28%。下部、中部和上部叶叶绿素变异系数虽然变化规律不同，但进入中后期其数值均随叶片的生长发育而增大，后期均达到最大值。总体而言，在生育前期和中期，各部位叶绿素的变异系数基本低于10%，属于弱变异；在生育后期，各部位叶绿素的变异系数均在10%～100%之间，属于中等变异。

图2 烟株叶绿素含量及变异系数的时间序列特征Fig. 2 Time series character of chlorophyll content and coefficient of variation in tobacco plan

为了更直观的呈现烟株在生长期间叶绿素的动态变化，使用Surfer11.0 软件绘制监测样带烟株叶绿素的等值分布图。由图3 可知，在样带尺度，下部叶生育前期，叶绿素等值线较为稀疏平滑；随着叶片的发育，叶绿素值缓慢增加，其最大值出现在样带中部区域；随后叶绿素等值线由疏变密，叶绿素值快速降低，其最低值出现在样带的中上部和中下部区域。中部叶生育前期，叶绿素等值线较为密集，样带上叶绿素值呈现斑块状分布的高值区域；随着叶片发育，样带上叶绿素值呈断崖式下降，生长后期叶绿素等值线较为碎片化。上部叶生育前期，样带上叶绿素值呈现斑块状分布的高值区域；随着叶片的发育，样带上叶片叶绿素值进入缓慢下降通道，生长后期叶绿素等值线较为碎片化。总体而言，样带上烟株不同部位叶片生长发育期间，叶绿素值的变化趋势具有相似性。

图3 生长期间不同部位叶片叶绿素等值分布图Fig. 3 Isoline distribution of chlorophyll content in different parts of tobaco leaves during growth period

2.2 烟株叶片叶绿素的时间稳定性分析

由图4 可知，烟株下部、中部和上部叶叶绿素平均相对偏差分别介于-17.02%～20.81%、-12.59%～22.06%和-11.48%～18.15%，平均相对偏差的标准差分别介于2.82%～23.74%、4.04%～15.02%和2.89%～17.33%。时间稳定性指数（ITS）越小，说明样点烟株叶绿素的时间稳定性越好，其最小值即可作为代表性样点[28]。因此，下部、中部和上部叶叶绿素的代表性样点分别为样株15、样株14 和样株5。

图4 烟株叶绿素的平均相对偏差；误差棒表示平均相对偏差的标准差；空心标示的样点为代表性样点；刻度线为时间稳定性指数Fig. 4 Ranked mean relative differences (MRD) of chlorophyll content. Error bars represent the standard deviation of relative difference (SDRD). The most time-stable locations are indicated by the empty symbols. The curve indicates the index of time stability (ITS)

图5a 显示的是20 个样点烟株下部、中部和上部叶叶绿素的平均相对偏差值。下部、中部和上部叶叶绿素的平均相对偏差的极差值分别为37.83%、34.65%和29.63%，变化分别介于-17.02%～20.81%、-12.59%～22.06%和-11.48%～18.15%。叶绿素平均相对偏差的极差值随烟株部位的上升而逐渐减小。

图5b 显示的是所有样点烟株叶绿素时间稳定性指数的累积值。从图5b 可知，叶绿素累积的时间稳定性指数最大值（样点7）为79.05%，最小值（样点1）为19.90%，平均值为32.83%。就各部位而言，下部叶叶绿素的时间稳定性指数值最大，上部叶次之，中部叶最小。

图5 所有样点叶绿素含量的平均相对偏差（a）和时间稳定性指数（b）的累积值Fig. 5 Histogram of cumulated mean relative difference (MRD, a) and index of temporal stability (ITS, b) of each sampling point

2.3 代表性样点的合理性检验

图6 代表性样点叶绿素含量与平均值的比较Fig. 6 Comparison between measured chlorophyll content at the most time-stable location (MTSL) and the estimated values

图6 显示的是代表性样点叶绿素含量与对应部位叶绿素的平均含量。下部、中部和上部叶片叶绿素回归方程的决定系数（R2）分别为0.9032、0.9509和0.9693，均方根误差（RMSE）分别为0.0471、0.0359 和0.0476mg/g Fw，平均偏差（MBE）分别为-0.0038、0.0118 和-0.0366mg/g Fw。相关分析表明，代表性样点的叶绿素含量均与对应部位平均叶绿素含量之间存在显著性相关（P＜0.01）。因此可以用代表性样点烟株叶绿素值估算对应部位叶绿素的平均值。

3 讨论

叶绿素是烟草进行光合作用的重要色素，叶绿素含量不仅反映烟草的光合强度和营养水平，而且还与烟叶的成熟采收密切相关[1-5]。本研究结果显示，在叶片整个生育期，叶绿素的动态变化表现为前期具有较高值，且随时间快速增加，中后期则进入长期下降通道，至采收降至最低值。冯晓英等[6]通过对不同烤烟品种叶绿素研究，童淑媛等[29]通过对玉米叶绿素研究和黄瑞冬等[30]在玉米和高粱叶片叶绿素的研究均得出类似结论。原因可能是烟草叶片发育的前中期，较高的叶绿素含量有利于叶片干物质的积累[31]；叶片发育的后期，叶绿素的大量降解则有利于内含物质的代谢和烟叶香气物质形成，并促使叶片呈现成熟特征[32-33]。本研究显示，随着叶片部位的上升，叶绿素含量明显增大，其原因可能是植物的顶端优势以及更好的光照条件导致烟草部位越高叶片光合作用越强，叶片厚度越厚，叶绿素含量也随之越大[34]，李佛琳等[3]研究也得出类似的结论。

山区土层厚度不均[35]、土壤肥力多变[36]、坡度坡向各异[37]，这导致烟株长势不均，进而造成叶片叶绿素具有较强的空间变异性。烟农在水肥管理和田间管理时则会采取针对性措施以尽量减缓这种不利影响，如对土层较薄、肥力较低、烟株长势较弱的地块采取施偏心肥以保障烟株的正常发育；在打顶留叶时也会根据烟株个体的营养水平分类打顶和合理留叶：对长势稍弱的烟株扣心打顶并适当少留一两片叶，长势正常的采取初花打顶并合理留叶，而对长势较好的烟株则采取盛花打顶并适当多留一两片叶。这种差异化的施肥[36]和针对性的田间管理[38]等人为措施大幅提升了山区烟田烟株的整齐度，进而显著降低烟株叶绿素空间的变异性。本研究中烟株叶绿素虽然具有变异性，但其变异性表现为弱变异和中等变异，样带尺度叶绿素呈明显碎片化分布，但依然具有一定的规律性，这是自然因素和人为因素彼此相互影响的结果。

叶绿素的时间稳定性受到平均相对偏差和平均相对偏差标准差的双重影响[23]。平均相对偏差的波动越小，叶绿素随时间的稳定性越好；平均相对偏差标准差值越小，叶绿素的时间稳定性越强[39]。本研究显示，中部叶片叶绿素的时间稳定性最强，上部叶次之，下部叶最弱。其原因可能是烟株在发育过程，中部叶片光照条件适宜，薄厚适中，受到水肥及田间管理等措施的影响相对较小，而下部叶光照条件较差，叶片较薄，受到的影响相对较大。市场上中部叶片具有最好的品质和价格也从侧面印证了本研究结论的合理性[40]。

本研究针对摩围山小流域典型旱地烟田烟株叶绿素含量选取的代表性样点并对样点烟株的叶片叶绿素进行估算，回归分析和相关性分析表明，代表性样点烟株叶片的叶绿素可以较好反映研究区烟田烟株对应部位叶片叶绿素含量，这在本区烟田水肥管理和成熟采收过程中具有重要作用。基于时间稳定性选取的代表性样点在不同年际间同样具有较好的稳定性[22-23]。由于本区烟田常年由固定的烟农进行种植，田间管理在年际间也具有较好的一致性，因此选取的代表性样点烟株叶片叶绿素含量在不同年际间也具有较好的稳定性。因此，在以后烟田的水肥管理和成熟采收过程中，只需测定代表性样点烟株的叶绿素含量，再结合该烟株的长势长相以及叶片的成熟特征即可判断本区烟田的整体营养水平和待采叶片的田间成熟度。这为有效降低山区烟田水肥管理的难度，进一步提升烟叶的田间成熟度提供了一条便捷途径。