干旱条件下叶面喷施水杨酸对洋葱（Allium cepa L.）农艺性状与高光谱反射特征的影响

《Sustainability》：Agronomic and Hyperspectral Characterization of Onion (Allium cepa L.) in Response to Foliar Salicylic Acid Under Arid Conditions

　　

水杨酸（salicylic acid, SA）是一种植物信号化合物，可能增强作物生长和生产力，而高光谱反射（hyperspectral reflectance）提供了一种非破坏性方法，用于表征植物光学和生理变异性。研究人员在农业可持续性更广泛背景下，开展了两季田间试验，以评价叶面喷施SA对干旱田间条件下红洋葱（Allium cepa L. cv. Giza Red）生长和产量的影响。五个叶面处理由喷水对照和SA 100、200、300和400 mg L^?1组成，采用随机完全区组设计（randomized complete block design, RCBD），3次重复。研究人员在2023/2024和2024/2025生长季评价植物生长、鳞茎特征以及商品和非商品产量，采用联合分析纳入生长季、SA浓度及其互作效应。每个生长季还从7个代表性样品测量叶片反射光谱，并计算15个与植被活力、色素状态、红边行为和生理胁迫相关的植被指数（vegetation indices, VIs）。生长季×SA互作对大多数农艺性状不显著，表明SA响应在各生长季间总体一致，但收获时鳞茎鲜重检测到显著互作。最高数值通常在400 mg L^?1记录，尽管300 mg L^?1对若干性状产生接近最大响应，尤其是商品产量。光谱数据集显示绿色植被典型反射模式，特征为可见光反射率相对较低、红边过渡明显和近红外反射率较高。在NDVI、GNDVI、NDRE、CI_red-edge、MTCI、REIP、PSRI、PRI和其他指数中，观察到单叶样品间相当大的变异。然而，由于光谱样品没有伴随经验证的处理代码，所观察到的光谱变异性在单样品水平解释，并未在统计上归因于特定SA浓度。结果表明叶面喷施SA在洋葱中的农艺潜力，并强调高光谱测量对叶片光学变异性非破坏性表征的补充价值。

研究人员围绕干旱田间条件下洋葱叶面喷施水杨酸（salicylic acid, SA）的农艺与高光谱响应展开研究。研究背景是：洋葱（Allium cepa L.）为全球广泛栽培且经济价值高的蔬菜作物，埃及是干洋葱和青葱主要生产国之一；洋葱生产力和鳞茎品质与营养生长和鳞茎形成期生理表现密切相关，并受环境与栽培管理影响，在干旱和半干旱地区尤为明显。‘Giza Red’是已建立的埃及红洋葱品种，具有相对较高的酚类和类黄酮含量，因此被选为试验材料。SA是内源酚类植物激素，调控植物生长、光合和胁迫响应，并与其他激素互作协调生长、防御和胁迫响应；适当浓度可调节叶绿素生物合成、光合效率、抗氧化活性和衰老。已有研究表明，叶面SA可提高洋葱营养生长、光合色素、水分利用效率和鳞茎产量，并改善叶绿素浓度、鳞茎大小和商品产量，但响应依赖SA浓度和环境，需确定适宜用量。传统评估主要依赖破坏性取样和季末测定，而高光谱反射可用于非破坏监测叶片色素吸收和内部结构相关光谱信息。以往洋葱高光谱研究多关注产量预测和作物变异，叶面SA与旱区田间洋葱叶片高光谱表征的整合仍不足。研究假设为：叶面SA显著改善洋葱生长和产量，响应幅度随SA浓度变化；高光谱反射和植被指数可捕获叶片光学和生理变异；高光谱部分为探索性，不旨在预测各SA浓度响应，因为光谱样品缺乏经验证处理标识。研究目标包括：量化不同SA浓度对两季洋葱生长、鳞茎和产量的影响；表征可见光、红边和近红外反射模式；评价与活力、色素吸收、红边和胁迫相关的植被指数；评估高光谱作为非破坏性补充监测的潜力。

方法概括：试验在埃及El-Beheira省国家研究中心实验农场两个生长季进行，红洋葱 cv. Giza Red幼苗来自农业研究中心（ARC）洋葱研究部。采用RCBD，5个叶面处理（水对照及SA 100、200、300、400 mg L^?1），3重复，移栽后50和70 d喷施两次。收获时测定生长、鳞茎、商品和非商品产量；90 DAT用FieldSpec HandHeld 2光谱仪在350–1050 nm测7个代表性叶样/季，三读数平均，计算15个植被指数；农艺数据联合ANOVA，光谱数据描述性分析。

3.1 水杨酸对洋葱生长和产量的影响
3.1.1 营养生长对水杨酸的响应：两季结果显示，SA显著提高株高、鳞茎鲜重和干重，均高于对照；300与400 mg L^?1在株高和干重上无显著差异，鳞茎鲜重有显著差异。联合ANOVA显示SA浓度显著影响90 DAT株高、鳞茎鲜重和干重，季节及季节×SA互作不显著。
3.1.2 收获时鳞茎性状与叶片数：SA显著增加鳞茎长度和收获时鳞茎鲜重，叶片数未显著变化。联合ANOVA中SA显著影响鳞茎鲜重和长度，不显著影响叶片数；生长季对鳞茎长度有显著主效，季节×SA仅对收获鳞茎鲜重显著。与Nangare et al. 的叶片数增加结果不同，可能因品种、浓度、时期和环境不同。
3.1.3 产量与产量构成：SA显著增加鳞茎直径和商品产量；非商品产量在2023/2024较高浓度下增加，在2024/2025不显著增加。联合ANOVA中SA显著影响鳞茎直径、商品和非商品产量，季节及互作不显著。结果说明SA提高绝对鳞茎产量，但不一定提高商品鳞茎比例；300 mg L^?1在若干性状接近最大，可能为实际农艺用量，但经济最优需剂量-反应和成本效益分析。
3.2 代表性洋葱叶样的高光谱评估
3.2.1 2023/2024光谱数据集的高光谱反射特征：350–1050 nm反射曲线呈绿色植被典型模式，可见光低、绿峰、红吸收、红边过渡和近红外高反射；样品7近红外最高，样品1最低，存在样品间变异，但因无处理代码未归因SA。
3.2.2 第一次测定日期主要光谱区平均反射：蓝、绿、红+红边和近红外区平均反射显示，近红外变异最大，样品1最低，样品6和样品7较高等；差异为描述性解释。
3.2.3 2023/2024植被指数：样品7的NDVI、GNDVI、CI_red-edge、MCARI、TCARI、OSAVI较高；样品6的NDVI/GNDVI最低且PSRI较高；样品1的NDRE和MTCI最高，PRI均为负。窄带植被指数对洋葱叶光学、生化和结构差异敏感，与Marino and Alvino、Hassan et al. 等结果一致，但不能归因SA。
3.3 2024/2025光谱数据集高光谱评估
3.3.1 高光谱反射特征：第二测定日期同样呈典型绿植被曲线，红边和近红外样品间分离明显；样品7近红外最高，样品1、2、5较低，未归因SA。
3.3.2 第二测定日期主要光谱区平均反射：近红外变异最大，样品7最高，样品1最低；可见光区样品5最低、样品7最高。差异可能关联内部结构、色素吸收，但未独立测定解剖、色素和水分，解释为间接。
3.3.3 2024/2025植被指数：样品7高NDVI、GNDVI、CI_red-edge、MCARI、TCARI、OSAVI和TCARI/OSAVI，低PSRI、SIPI和较不负PRI；样品1相反，低活力高PSRI/SIPI和更负PRI；样品6高NDRE、MTCI、REIP；样品5高ARI1和CRI1。各指数反映不同生化和结构特征，应联合解释；因无处理代码不能统计归因SA，需独立重复、样品编码和实验室校准。
3.3.4 两个季节光谱数据集描述性比较：2024/2025较2023/2024平均NDVI、MCARI、TCARI、OSAVI降低，NDRE、CI_red-edge、MTCI、REIP升高，PSRI、SIPI、PRI更负/升高；两组为独立样品集，差异只能描述性解释，不能视为同一植株时间变化或统计归因SA。
4 局限性：光谱文件无经验证处理代码，只能单样品描述；单品种单地点限制推广；未量化土壤矿质N、有效P和交换性K，尽管施肥一致，直接测定会增强解释。
讨论部分总结：SA的农艺改善可能与其调节光合、维持光合色素、增强抗氧化防御和调节胁迫信号有关；已有洋葱和Allium hirtifolium研究支持SA改善生长、叶绿素、鳞茎和水分利用。光学上，叶绿素吸收影响可见光和红边，内部结构影响近红外，因此GNDVI、NDRE、CI_red-edge、MTCI和REIP提供色素与红边信息，PRI和PSRI反映光化学调节和衰老；但无处理标识，光谱结果只能作为叶片水平光学变异探索性证据。两季光谱样品为独立样品，不应视为同一植株时间变化。

研究结论部分翻译：叶面喷施SA在两个生长季改善洋葱生长、鳞茎特征和商品产量。最高数值一般在400 mg L^?1获得，但300 mg L^?1对若干性状产生接近最大响应，在试验条件下可能代表实际农艺用量；确定经济最优浓度仍需剂量-反应和成本效益分析。总鳞茎产量增加伴随较高SA浓度下非商品产量增加，表明总产量提高不一定转化为商品生产的比例改善。此外，SA未显著影响单株叶片数。叶片高光谱测量表征了洋葱叶片典型可见光、红边和近红外反射模式，并揭示单样品间显著光学变异。计算的植被指数提供植被活力、色素敏感吸收、红边特征和胁迫/衰老相关光谱行为的补充信息。这些发现强调高光谱遥感在干旱田间条件下作为常规农艺评估非破坏性补充的潜力。然而，由于缺乏经验证处理标识和足够的独立光谱重复，观察到的光谱差异不能统计归因于特定SA浓度。未来研究应整合处理关联光谱采样、独立生物学重复、已识别植株的重复测量以及叶绿素、水分状态和抗氧化活性的实验室评估，以建立并验证SA施用、洋葱生理和高光谱响应之间的关系。