基于上部葉片SPAD值估算小麥氮營養指數

趙 犇，姚 霞，田永超，劉小軍，曹衛星，朱 艷

(南京農業大學/國家信息農業工程技術中心/江蘇省信息農業高技術研究重點實驗室，南京 210095)

氮素是作物生長發育的主要營養元素，其吸收、同化與運轉直接影響著作物的生長發育狀況。通過植株氮營養狀況進行合理的氮肥運籌能有效提高作物產量并減少環境污染［1-4］。氮營養指數(NNI)是基于作物臨界氮濃度稀釋模型，具有合理的生物學意義，可以定量地反映作物體內氮營養狀況，當NNI=1，表明作物體內氮素營養水平處于最佳狀態;高于1為氮營養過剩;低于1則氮營養不足。但傳統的計算NNI的方法需要破壞性取樣，獲取作物實際的生物量，且要進行室內化學分析獲取氮濃度，從而計算臨界氮濃度，一定程度上具有滯后性［5］。葉綠素儀(Soil and plant analyzer development，SPAD-502)具有快速、簡便和無損的特點，常被用來快速無損的監測診斷作物氮素營養［6-8］。前人基于作物高產條件下建立的SPAD值與產量的關系確定了適宜SPAD值［9-12］，但僅能在固定生育時期進行診斷，不具有動態性。近年來利用SPAD值來估算作物NNI從而快速無損診斷氮素營養狀況已經在小麥、玉米、茅草等作物上被應用［13-15］，但這種關系易受到外界環境和品種特性的影響。Debaeke用小麥頂1葉相對SPAD值(RSPAD)代替SPAD值與NNI建立關系，以消除環境的影響，結果表現比較穩定［15］，但RSPAD值的計算需要高氮處理作為對照，因此在實際應用中具有局限性。目前，國內外對于SPAD值和氮營養指數的關系研究大多集中在單張葉片水平，而對不同葉位構建的歸一化SPAD指數(Normalized differential SPADij，NDSPADij)與NNI之間關系研究較少，未見報道。與RSPAD值相比，計算NDSPADij更加方便，有實際應用前景。因此，有必要構建基于不同葉位SPAD值的NNI估算模型，以簡便、快速、無損診斷氮素營養。

本文旨在2a大田試驗的基礎上，基于上部4張不同葉位構建的歸一化SPAD指數估算小麥氮營養指數，以期構建普適性較好，準確性較高的氮營養指數模型，為精確無損診斷小麥氮素狀況及推薦施肥提供技術支持和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本研究共進行了2個小麥田間試驗，涉及到不同年份、品種類型和施氮水平，具體試驗設計描述如下:

試驗1

于2009—2010年在儀征新集試驗站(位于儀征市，119°10'，32°16')進行。試驗田土壤有機質18.9 g/kg，堿解氮100 mg/kg，有效磷34 mg/kg，速效鉀90 mg/kg，供試品種為揚麥16(中蛋白含量，約14.9%)和寧麥13(低蛋白含量，約10.2%)，設置 5 個施氮水平 0(N0)、75 kg/hm2(N1)、150 kg/hm2(N2)、225 kg/hm2(N3)、300 kg/hm2(N4)，基追比為5∶5，基肥于播種前施入，追肥在拔節時施入。播種方式為人工條播，小區面積為30 m2，行距25 cm，重復3次，基本苗為180萬株/hm2。結合整地一次性施用96 kg/hm2P2O5和120 kg/hm2K2O，磷鉀肥全部做基肥。其他栽培管理措施同一般高產田。該試驗資料用于小麥臨界氮濃度稀釋模型的檢驗。

試驗2

于2010—2011年在儀征新集試驗站進行。試驗田土壤有機質13.5 g/kg，堿解氮66 mg/kg，有效磷43 mg/kg、速效鉀82 mg/kg，供試品種為揚麥16和寧麥13，設置6個施氮水平0(N0)、75 kg/hm2(N1)、150 kg/hm2(N2)、225 kg/hm2(N3)、300 kg/hm2(N4)、375 kg/hm2(N5)，基追比為5∶5，基肥在播種前施入，追肥在拔節時施入。播種方式為人工條播，小區面積為30m2，行距25cm，重復3次，基本苗為240萬株/hm2。結合整地一次性施用96 kg/hm2P2O5和120 kg/hm2K2O，磷鉀肥全部做基肥。其他栽培管理措施同一般高產田。該試驗資料用于小麥臨界氮濃度稀釋模型的建立。

1.2 SPAD值測定和計算方法

在拔節期、孕穗和開花期每個小區取代表性植株20株，測量20個主莖頂1葉到頂4葉的SPAD值，每張葉片測定3個位置(葉尖、中部和根部)，計算3個位置的平均值作為該葉的SPAD值。不同葉位的歸一化SPAD指數(NDSPADij)的計算公式為:

式中，SPADi和SPADj分別代表小麥主莖頂1葉到頂4葉中第i葉位和j葉位的SPAD值，i和j的值為1到4，且 i＜ j。

1.3 小麥植株氮含量的測定

與葉位SPAD值測量同步，在小麥生長各關鍵時期每小區取代表性植株20株，按器官分離，105℃殺青30 min，80℃烘干后稱重，粉碎后使用半微量凱氏定氮法測定小麥植株不同組織器官(莖、葉、穗)全氮含量(%)。各器官氮積累量(kg/hm2)=器官含氮量(%)×干物重(kg/hm2)。所有器官氮積累量相加得到地上部植株氮積累量。植株氮含量(%)=植株氮積累量(kg/hm2)/植株干物重(kg/hm2)。

1.4 小麥氮營養指數的計算方法

根據臨界氮濃度稀釋曲線，Lemaire等人建立了氮素營養指數(NNI)的模型［16］:

式中，Na為作物地上部氮濃度的實測值(%);Ncnc為以相同地上部干物重根據臨界氮濃度模型求得的臨界氮濃度值(%)。

1.5 數據分析

采用Excel軟件完成全部數據處理和作圖，SPSS11.0統計軟件進行統計分析。

1.6 小麥氮營養指數回歸檢測

使用GenStat軟件的簡單分組線性回歸［14］來檢測不同葉位SPAD值和歸一化SPAD指數(NDSPADij)與氮營養指數(NNI)之間擬合曲線在不同年份或品種之間差異是否顯著。曲線擬合的方程為:

式中，Y為反應變量(NNI)，X為解釋變量(單葉SPAD和歸一化SPAD指數NDSPADij)，a和b是待估參數。

2 結果與分析

2.1 小麥植株氮營養指數的確定

作物體內的氮濃度隨地上干物重的增長而降低，作物地上部分的含氮量N與地上干物重DM間的關系可用冪函數方程N=aDM－b表示，獲得最大地上干物重所需的最低氮濃度值為臨界氮濃度。根據Justes等人提出的計算臨界氮濃度稀釋曲線方法［17］，本文利用試驗1和2的數據分別構建了揚麥16和寧麥13的臨界氮濃度稀釋曲線模型(圖1)，并通過簡單線性分組分析，發現臨界氮濃度稀釋模型在不同年份之間保持穩定(表1)，但品種間有明顯差異，因此可以使用同一形式的曲線分別擬合揚麥16和寧麥13臨界氮濃度稀釋模型。

式中，Ncnc為小麥臨界氮濃度(%)，DM為地上部干物重(t/hm2)。

利用臨界氮濃度稀釋模型(式4，式5)計算了2個品種不同氮素水平下氮營養指數動態變化(圖2)，結果顯示，隨著施氮水平的提高，氮營養指數不斷上升，其值范圍在0.37—1.28之間，其中 2010年 N2處理(150 kg/hm2)和2011年N3處理(225 kg/hm2)氮營養指數在1附近變化，可以認為此時施氮量較為適宜。而N0處理下，由于小麥沒有追施氮肥，小麥返青以后氮營養指數逐漸下降，在開花期到達最低值。在低氮處理下(N1處理)小麥在返青期已經表現出氮素不足，在返青和拔節之間追施氮肥后，小麥在拔節期后氮營養指數會有所提高，但由于追氮量較少，氮素供應不足，氮營養指數在孕穗和開花后再又慢慢下降。而在高氮和適宜氮肥處理下(2009—2010年N3處理和2010—2011年N2處理)，在返青期基本上沒有出現氮虧缺，所以追施氮肥以后氮營養指數都大于或等于1，且隨生育進程出現輕微的上下波動，說明這些小區的氮肥充足，甚至過量。綜上，氮營養指數是一個較好小麥植株氮營養狀況診斷的指標。

圖1 小麥地上部干物重臨界氮濃度稀釋曲線Fig.1 The critical nitrogen concentration dilution curve in the above-ground dry matter of wheat

表1 臨界氮濃度稀釋曲線的簡單分組線性分析Table 1 Simple grouping linear analysis of the dilution curves for critical nitrogen concentration

2.2 小麥上部不同葉位SPAD值及歸一化SPAD指數變化規律

2.2.1 小麥上部不同葉位SPAD值變化規律

以試驗1和2為例，綜合分析了小麥上部4張單葉不同葉位SPAD值的隨年份、氮肥水平和品種的變化規律。結果表明(表2)，相同生育期內小麥葉片SPAD值在不同年份之間差異不顯著，而且均在孕穗期小麥SPAD值到達最大值;在拔節期2個品種之間SPAD值有顯著差異，而在孕穗和開花期差異不顯著，表明用葉片SPAD值評價小麥氮的營養狀況可能需要因品種而異;隨著氮肥水平的提高，小麥葉片SPAD值逐漸增大，但在較高水平氮肥處理之間變化較小或者無變化，說明施氮有利于提高SPAD值，但過量施用氮肥會導致葉片SPAD值達到飽和;小麥拔節到開花期頂1葉到頂4葉SPAD差值從8.1升高到15.5，呈現逐漸增大的趨勢，這是由于開花期小麥頂4葉逐漸衰老，葉片中氮含量轉移到頂部3張葉片中。

2.2.2 小麥不同葉位歸一化SPAD指數變化規律

以試驗1和2為例，綜合分析了不同葉位歸一化SPAD指數NDSPADij隨年份、氮肥水平和品種的變化規律。結果表明(表3)，相同生育期內小麥NDSPADij在不同年份之間差異顯著，2011年顯著高于2010年，從拔節到開花 NDSPADij逐漸增大，2009—2010年增加了60%，而2010—2011年增加了 71.4%;在品種之間NDSPADij變化不大;隨著施氮量提高NDSPADij逐漸縮小，說明增施氮肥縮小了小麥頂部4張葉片SPAD值的差距;在各生育期不同葉位之間以NDSPAD14最高，NDSPAD12和NDSPAD23最低，說明頂1葉與頂4葉SPAD值差異最大，小麥上層3張葉片SPAD值相比頂4葉變化較小，這與表1的不同葉位SPAD值變化規律結果相同。

圖2 不同氮肥水平下小麥氮營養指數動態變化Fig.2 Dynamic change of the nitrogen nutrient index under different nitrogen fertilizer levels in wheat

表2 小麥不同葉位SPAD值變化規律Table 2 Changes of SPAD value at different leaf position in wheat

表3 小麥不同葉位歸一化SPAD指數變化規律Table 3 Changes of Normalized differential SPADijat different leaf position in wheat

2.3 小麥上部不同葉位的SPAD值及歸一化SPAD指數與植株氮營養指數關系

2.3.1 小麥不同葉位SPAD值與植株氮營養指數的定量關系

以2009—2011的試驗資料為例，定量分析從拔節到開花小麥上部4張單葉的SPAD值與NNI之間的關系(表4)。結果表明，不同葉位的SPAD值與NNI之間呈顯著正相關，相關系數(R)在0.666—0.823之間，其中以頂1葉的SPAD值與NNI之間的相關系數最為顯著，其次為頂3葉和頂4葉的，頂2葉的相關性最差。

表4 小麥不同葉位的SPAD值與NNI的定量關系Table 4 The quantitative relationship between SPAD value at different leaf position and nitroen nutrition indes in wheat

對不同葉位單葉SPA值與NNI擬合曲線進行簡單分組線性回歸，分組因子為年份和品種，以檢驗不同葉位SPAD值與NNI之間的關系在不同年份或不同品種之間是否存在差異(表5)。結果顯示，頂1葉，頂2葉和頂4葉SPAD值與NNI的擬合曲線截距b在不同年份之間差異顯著(P＜0.05)，頂3葉SPAD值與NNI的擬合曲線斜率a在年份之間差異顯著(P＜0.05)，說明在不同年份之間頂1葉到頂4葉SPAD值與NNI之間的關系具有不穩定性，因此，使用單葉的SPAD值來估算小麥植株氮素營養狀況可能存在風險。

表5 小麥不同葉位SPAD值與NNI擬合曲線的簡單分組線性回歸Table 5 Simple linear regression with groups of the fitted curve between SPAD value at different leaf position and nitrogen nutrition index in wheat

2.3.2 小麥不同葉位歸一化SPAD指數(NDSPADij)與植株氮營養指數關系

以2009—2011的2年試驗資料為例，定量分析不同葉位歸一化SPAD指數(NDSPADij)與NNI之間的關系(表6)。結果表明，除了NDSPAD12與NNI之間關系差異不顯著外，其他葉位組合NDSPADij與NNI之間關系都顯著負相關，相關系數在0.01—0.849之間，其中尤其以NDSPAD14與NNI之間相關系數最為突出(圖3)。

表6 小麥不同葉位NDSPADij與NNI的定量關系Table 6 The quantitative relationship between Normalized differential SPADijat different leaf position and nitrogen nutrition index in wheat

對NDSPADij與NNI擬合曲線進行簡單分組線性回歸，分組因子為年份和品種，檢驗NDSPADij與NNI之間關系在不同年份或不同品種之間是否存在差異(表7)。結果表明，NDSPAD14與NNI擬合曲線參數(a、b)在不同品種和年份之間差異不顯著，其他葉位組合擬合曲線參數都存在不同年份之間差異顯著(P＜0.05)，說明NDSPAD14與NNI之間關系在不同年份和品種之間表現穩定，因此，可以使用NDSPAD14估算小麥植株氮素營養狀況。

表7 小麥不同葉位NDSPADij與NNI擬合曲線的簡單分組線性回歸分析Table 7 Simple linear regression with groups of the fitted curve between Normalized differential SPADijat different leaf position and nitrogen nutrition index in wheat

圖3 小麥NDSPAD14與NNI的定量關系Fig 3 Quantitative Relationship between nitrogen nutrition index and Normalizad differential SPAD14in wheat

3 討論

3.1 小麥不同葉位SPAD值變化

SPAD值代表了作物葉片葉綠素的相對含量，其與作物氮素含量的高低密切相關，本研究表明，2個品種單葉SPAD值隨施氮水平提高而提高，但在高氮處理之間差異不顯著，說明過量施氮使得葉片中SPAD值達到飽和，這與前人在水稻［18］、小麥［15］和棉花［19］等作物的研究結果相同。2個品種不同葉位NDSPADij值隨施氮水平提高而下降，這是因為在低氮條件下，小麥生理上較年輕的上三葉從生理上較老的頂4葉奪得氮素，頂4葉失氮葉色褪淡，形成較大的葉色差異。而在高氮條件下，小麥冠層上三葉氮素營養得到滿足，對頂4葉的競爭減少，頂4葉得到了積累氮素的機會，與上三葉的葉色差異縮?。?0］，王紹華和屈衛群分別在水稻［20］和棉花［21］上也發現了類似的規律。

3.2 小麥氮營養指數(NNI)變化

由Lemaire等人提出的NNI，是基于作物臨界氮濃度構建的能動態描述作物氮營養狀況的指標。國外STICE和CERES-Rape等模型利用氮營養指數定量計算作物體內氮素虧缺大小，以模擬氮素對作物生長過程的影響(光合作用、葉面積指數、分蘗)［22-23］;Colnenne等進一步建立了NNI與油菜的生長速率、葉面積指數、氮素利用率以及產量的定量關系，從而定量診斷因氮營養脅迫對作物各項生長指標造成的損失［24］。本研究中NNI的范圍為0.37—1.25，隨著施氮量的提高，NNI總體上上升，說明NNI可以反映作物體內氮素狀態;隨著生育期的推移，在氮肥不足的情況下小麥的NNI呈逐漸下降的趨勢，說明小麥生長過程中氮素需求增加導致氮虧缺程度加重;而在氮肥充足的環境里小麥NNI均大于或等于1，說明小麥生長氮素供應充足并不存在氮虧缺現象，但由于NNI在大田環境中不容易直接得到，需要破壞性取樣且進行室內分析測試才能計算得到，因此，本文發展了一種快速計算NNI從而診斷作物氮素營養狀態的方法。

3.3 小麥不同葉位SPAD值和歸一化SPAD指數(NDSPADij)與植株氮營養指數的關系

本文建立了不同葉位SPAD值和歸一化SPAD指數(NDSPADij)與NNI之間的關系，通過簡單分組線性分析結果表明，小麥上部不同葉位SPAD值與NNI之間都呈顯著正相關，相關系數R的范圍在0.666—0.823，其中以頂1葉SPAD值與NNI的相關系數R最高，但是這種關系在不同年份或品種間表現不穩定，不能被用來診斷小麥氮素營養狀態，這與Debaeke和Rozbicki等人在不同地區對小麥單葉SPAD值與NNI之間關系的研究結果相同［15，25］。為了減輕品種和環境對SPAD值與NNI關系的影響，本文構建了歸一化SPAD指數(NDSPADij)與NNI之間關系，結果發現兩者之間呈顯著負相關(除NDSPAD12外)，相關系數R的范圍在－0.849—0.01，以 NDSPAD14與 NNI的相關系數 R 最高表現最佳(NNI= －2.019NDSPAD14+1.18，R 為 －0.849)，且不受品種和環境的影響，因此，可以用NDSPAD14來估算小麥植株NNI。相比前人利用作物上層葉片氮含量［26-28］，SPAD值［29］和遙感［30］等方法估算NNI，本文僅測量小麥植株主莖頂1葉和頂4葉SPAD值，計算NDSPAD14估算小麥植株NNI，避免了植株破壞性取樣，且不受品種、土壤和天氣等因素的影響，方法簡單快捷準確。但需要指出的是，本研究結果是在同一個生態點兩年的試驗基礎上得出的，還需要利用不同生態區和不同品種的數據加以進一步測試和檢驗。

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