基于葉綠素儀診斷的馬鈴薯氮肥管理

樊明壽，聶向榮，李秀華，李立，秦永林，劉艷春,5，陳俊輝，

井濤1,6，陳楊7，賈立國1，鄭紅麗1，張子義8，李斐女7

（1.內蒙古農業大學農學院,內蒙古呼和浩特010019；2.內蒙古武川縣農業局,內蒙古武川011700；3.內蒙古固陽縣農業局，

內蒙古固陽014200；4.大同大學生命科學學院，山西大同037009；5.內蒙古赤峰市農牧科學研究院生物技術所，內蒙古

赤峰024000；6.中國熱帶農業科學院香蕉所，海南海口570102；7.內蒙古農業大學生態環境學院,內蒙古呼和浩特010019；

8.內蒙古農業大學生命科學學院,內蒙古呼和浩特010019)

基于葉綠素儀診斷的馬鈴薯氮肥管理

樊明壽1*，聶向榮1,2，李秀華1,3，李立1,4，秦永林1，劉艷春1,5，陳俊輝1，

井濤1,6，陳楊7，賈立國1，鄭紅麗1，張子義8，李斐女7

（1.內蒙古農業大學農學院,內蒙古呼和浩特010019；2.內蒙古武川縣農業局,內蒙古武川011700；3.內蒙古固陽縣農業局，

內蒙古固陽014200；4.大同大學生命科學學院，山西大同037009；5.內蒙古赤峰市農牧科學研究院生物技術所，內蒙古

赤峰024000；6.中國熱帶農業科學院香蕉所，海南海口570102；7.內蒙古農業大學生態環境學院,內蒙古呼和浩特010019；

8.內蒙古農業大學生命科學學院,內蒙古呼和浩特010019)

在簡要介紹葉綠素儀工作原理的基礎上，系統總結了課題組從2007～2014年采用葉綠素儀進行馬鈴薯氮素營養狀況診斷的研究結果，詳細分析了使用葉綠素儀SPAD-502進行馬鈴薯氮素營養診斷的影響因素，確立了診斷葉位，建立了臨界SPAD值的計算方法，闡述了臨界SPAD值與診斷時間的關系，篩選了適應于不同馬鈴薯品種的臨界SPAD指數SL4-5，總結集成了應用診斷結果指導馬鈴薯氮肥管理的技術模型，并對該模型的應用提出了建議。

馬鈴薯；葉綠素儀；氮素營養診斷；氮肥推薦模型

在馬鈴薯生產中，氮肥的使用量不斷的增加，這不僅使馬鈴薯生產成本升高，而且造成氮肥利用率降低，增加了環境風險[1-4]。但是充足的氮素供應是馬鈴薯高產的前提，氮肥施用不足會造成減產。因此，馬鈴薯氮肥的精確管理引起了多方的關注并已逐漸成為普遍共識，國內外研究人員正在從不同角度探索適宜的馬鈴薯氮肥管理技術[1]。

20世紀60年代，日本發明了便攜式葉綠素儀用于快速無損檢測植物葉片的葉綠素含量。由于使用該儀器測定具有簡單、快速、非破壞性的特點，因此葉綠素儀的發明引起了廣泛的關注，并且由于氮素是植物葉綠素的組成元素，氮素的盈虧直接影響植物葉片的葉綠素代謝，缺氮時作物葉片葉綠素濃度下降葉色發黃，所以在葉綠素儀發明之后不久便有人開始嘗試采用葉綠素儀進行作物氮素營養診斷和推薦施肥的研究[5,6]，目前已在水稻、玉米、小麥等作物上取得了一些突破性的研究成果[5]。在馬鈴薯上，國內外的科學家也開始了一些有益的探索，取得了一些進展，但尚未形成成熟技術用于馬鈴薯氮肥管理實踐[5,6]。本課題組從2007～2014年，進行了多年、多點及多品種的試驗研究，嘗試建立基于葉綠素儀SPAD-502診斷的馬鈴薯氮肥管理體系。本文對研究進展作一全面總結。

1 葉綠素儀SPAD-502的工作原理

葉綠素對不同波長光的吸收存在差異，在波長650 nm左右的紅光區,葉綠素a和b都有最大吸收峰，而在波長940 nm左右遠紅光區幾乎沒有吸收。日本生產的葉綠素儀SPAD-502采用雙波長發光二極管LED光源，一個為紅光，另一個為遠紅光，光線穿過葉片時，一部分光被葉片吸收，透射的光被光線接收系統接收，光線接收系統為硅光二極管，它將光信號轉換為模擬電信號，電信號經放大器放大后再由A/D轉化器轉化為數字信號。每次測定樣品時，微處理器計算兩種波長光的光密度比值,通過對比有無待測樣品時光密度的差異來計算出相對葉綠素讀數，即為SPAD值。除了日本研制的SPAD-502外，歐洲還研制了另外一種類型葉綠素儀HNT，其工作原理相同，只是讀數不同而已。本文采用的是日本Minolta公司生產的SPAD-502葉綠素儀。

2 使用葉綠素儀SPAD-502進行馬鈴薯氮素營養診斷的可行性

傳統的氮素營養診斷方法主要是基于土壤和植物組織的實驗室分析,這些分析普遍需要破壞土壤和植株，且從取樣到測得結果需耗費大量的時間、人力和物力，從而不能適時無損地對作物進行營養診斷,而且實驗室分析需要有經驗的專業分析人員，大量的分析試劑及設備，帶來許多不便。并且用植物組織分析法進行營養診斷破壞了大量的植株，對產量會造成一定的影響。葉色診斷法、肥料窗口法等技術雖簡便、快捷，并曾在水稻生產中發揮了重要作用，但在實際操作中受人為因素的影響很大，沒有一個明確的標準，不夠精確。因此，非破壞性、快速、準確預測植物氮素營養狀況的方法建立成為現代營養診斷的基本標準。

葉綠素儀法是利用葉綠素儀對作物葉片的葉綠素含量進行檢測的一種方法，由于葉片葉綠素含量受供氮素水平影響，所以葉綠素儀被認為可以進行植物氮素營養診斷，而且由于其具備快速、無損、準確的特點，因此倍受到越來越多的關注。

但是，SPAD-502儀是直接檢測葉綠素含量的，其讀數能否準確反映馬鈴薯的氮素營養狀況必須經過研究檢驗。雖然在小麥、玉米、水稻等作物上的研究表明，葉片SPAD值與葉綠素含量以及葉片氮含量呈極顯著正相關[5,6]，但馬鈴薯的葉片結構與谷類作物顯著不同，而且生長特性和營養特點也完全不同，因此谷類作物的研究結果難以直接在馬鈴薯中應用。早在1993年，荷蘭Vos和Bom[7]就進行過檢測，發現SPAD值不僅與馬鈴薯葉片葉綠素高度正相關，而且與葉片全氮的含量顯著正相關。之后，這一結果被國內外一些研究陸續證明[2,3]。本課題組多年、多點的研究結果表明，盡管馬鈴薯葉片SPAD值會隨地點、品種、年份變化，但SPAD值與葉片含氮量的正相關趨勢不變，而且整個生育期內均表現如此[8-11]。這就奠定了開展馬鈴薯氮素營養狀況SPAD儀診斷的基礎。

研究同時還表明，馬鈴薯葉片SPAD值與塊莖產量存在顯著的正相關關系[8-14]，可以用來預測產量。基于上述結果，可以斷言采用SPAD-502進行馬鈴薯氮素營養診斷并推薦施肥具有較大的可行性。

3 基于SPAD-502的氮素營養診斷指標體系的建立

3.1 診斷葉位

在水稻、玉米等作物上的研究表明，作物不同葉位SPAD值存在較大的差異[6]，這提示馬鈴薯葉綠素儀診斷必須確立適宜的診斷葉片。李井會[15]對馬鈴薯的倒4葉到倒10葉進行了測定，發現不同葉位的SPAD值不同，從倒4葉到倒10葉SPAD值逐漸降低，這進一步說明了確立診斷葉位的必要性。本課題組在兩個地點的研究發現，不僅馬鈴薯的葉位影響SPAD值，而且復葉中的小葉乃至小葉的不同測定位點均影響SPAD讀數；并進一步通過比較各測定位點的穩定性和對氮素供應的敏感性，確立了馬鈴薯的倒4復葉中頂小葉的頂端是適宜的診斷部位[16]（圖1）。

圖1 用于馬鈴薯氮素營養葉綠素儀診斷的復葉、小葉以及小葉內測定點的分布Figure 1Diagram of leaflets of compound leaf and measuring positions in leaflets of potato used for SPAD measurement

3.2 臨界SPAD值

要通過SPAD-502營養診斷實現推薦施肥，必須確立臨界SPAD值，即實測值若低于臨界SPAD值，意味著需要施肥，相反若實測值高于臨界值，則沒必要施肥。研究表明，馬鈴薯葉片SPAD值與塊莖產量存在如公式（1）所示線性加平臺的回歸關系[8]。

其中，X代表SPAD值，Y代表塊莖產量。Xc是線性加平臺的轉折點對應的SPAD值，也就是臨界SPAD值。圖2即是本課題組在內蒙古武川馬鈴薯產區建立的出苗后33 d馬鈴薯品種‘夏波蒂’葉片SPAD值與最終塊莖產量的回歸方程，其臨界SPAD值為49.46。

由于臨界SPAD值的確立受到土壤條件、氣候等因素的影響，致使同一馬鈴薯品種在同一地區的不同年份得出的臨界SPAD值不完全相同（表1），這使得應用難以進行。為消除土壤、氣候的影響，課題組嘗試采用了相對產量與SPAD值進行回歸分析的方法[8-14]。相對產量即各氮肥水平下產量與同一試驗地中的最高產量比。結果表明，該辦法消除了地塊、年份的影響，采用同一品種在不同地塊以及不同年度進行試驗，所得臨界SPAD值無顯著差異[8-13]。

圖2 基于相對產量與SPAD值回歸關系確定臨界SPAD值(以2010年采用‘夏波蒂’品種在內蒙古武川新河村進行的試驗為例)Figure 2Sketch for determination of threshold SPAD value based on regression model of relative potato tuber yield with SPAD(exemplification of relationship of relative potato tuber yield with leaf SPAD value at 33 days after emergence(DAE)for variety‘Shepody’at Xinhecun,Wuchuan,Inner Mongolia,2010)

3.3 診斷時間

雖然馬鈴薯不存在像谷類作物營養生長與生殖生長的明顯轉折，整個生育期均可以看作是營養生長。但Vos小組與本課題組的研究充分顯示，馬鈴薯葉片SPAD值隨生育進程呈下降的趨勢[7,8,12]，這意味著馬鈴薯葉片的臨界SPAD值在整個生育期內不是一個固定值，而是不同時期對應有不同的臨界SPAD值，否則，必然會出現施肥指導失誤。為此，課題組通過多點試驗，并在生育期內密集取樣，建立了如圖3所示的動態臨界SPAD計算模型。

有了這樣一個模型，使用者即可根據自己的實際測定時間，計算出該時間相應的臨界SPAD值，進而做出是否施肥的判斷。如使用者在出苗后30 d進行測定，所測葉片SPAD值為55，則根據模型可計算出該期的臨界SPAD值應為50.307，并可判斷此時馬鈴薯植株氮素營養充足，不需施氮。

3.4 不同品種的普適指標

Minotti等[17]曾報道，在12次采樣測定中，有8次馬鈴薯品種間SPAD值差異達到極顯著水平，特別是在施氮量高的情況下，不同品種之間差異更大。本課題組選用7個馬鈴薯品種在兩個地點的研究結果進一步證實了Minotti等的發現，即品種間的葉色差異普遍存在（表1），這意味著，通過上述方法確立的臨界SPAD值只適用于一個特定品種，當使用不同品種時則必須重新建立新的臨界指標，無疑增加了研究工作量，更不便推廣。

基于上述原因，課題組嘗試了兩種辦法消除其影響。

（1）根據植物體內氮素循環的原理——即缺氮時植株成熟老葉會將其氮素轉運至上部幼葉，導致上下葉位的顏色差距加大的規律，嘗試應用上下葉位的SPAD值差SL4-8（計算方法為SL4-8= SPADL4-SPADL8。其中SPADL4為倒4葉的SPAD值，SPADL8為倒8葉的SPAD值）。與相對產量建立回歸方程，并計算相對臨界值。結果表明，相對臨界SL4-8不受馬鈴薯品種的影響（表2）。

（2）根據葉片厚度顯著影響透光率并進而影響SPAD值的基本事實，設計計算了相對SPAD值即SALM=SPAD/ALM，其中ALM=葉重(鮮重)/葉面積。結果表明，雖SALM與植株含氮量的相關更為密切，而且在相同供氮水平下，不同品種的SALM值差距顯著減小，但部分品種間仍然存在顯著差異[9]。因此，SL4-8被看作是一個普適指標，可以用于指導不同馬鈴薯品種的氮肥施用。

表2 馬鈴薯葉片SL4-8值變異因素的方差分析Table 2Analysis of variance of SL4-8values（SL4-8=SPADL4-SPADL8）

由于SL4-8具有優于SPAD原始讀數的優點，而且不需要復雜計算，僅需將上下兩片葉子的SPAD原始讀數相減即可獲得，因此，按照圖4所示的方法重新計算整個生育期內任何時間的臨界SL4-8，如，塊莖形成初期臨界SL4-8=-1.8637，然后根據實測SL4-8與臨界SL4-8的差確定是否施肥以及進一步確定施用數量。

圖4 內蒙古陰山北麓地區馬鈴薯塊莖形成期SPADL4-8與相對產量的關系(相對產量最大時的SPADL4-8值即為臨界SPADL4-8，表示為SL4-8)Figure 4Regression model between potato relative yield and its SPADL4-8at tuber initiation stage in Yinshan area of Inner Mongolia(the corresponding SPADL4-8when relative yield reach the peak is considered as SL4-8which denoted the threshold SPADL4-8)

4 基于葉片SPAD-502營養診斷的氮肥推薦

追肥數量的確定依賴于施肥模型的建立，一個準確且實用的模型建立，不僅需要大量田間試驗，而且需要恰當的統計分析。本課題組在總結分析國內外大量關于水稻、小麥、玉米的施肥模型的基礎上，并遵循總量控制、分期調控的原則，提出了基于葉片SPAD-502營養診斷的馬鈴薯氮肥推薦模型。該模型的基本思路是，按照傳統養分平衡法，根據產量目標確定氮肥施用總量NT,然后根據馬鈴薯不同生育階段對氮素的吸收規律確立基、追比例和數量，設基肥氮數量為N0，塊莖形成期計劃追氮量為N1，塊莖膨大期計劃追氮量為N2，而在這兩個時期的實際施氮量N1'、N2'則需要計算出相應的追肥系數α（公式2），并按如下模型（公式3）確定：

Nthreshold為該時期臨界SL4-8下的吸氮量；

Nreal是實測SL4-8下的吸氮量。

二者分別通過SL4-8與吸氮量Y的關系方程（4）、（5）計算獲得。

塊莖形成初期：

塊莖膨大初期：

假定在內蒙古陰山北麓地區，目標產量定為45 t/hm2，根據過去測土配方資料確定氮肥施用總量225 kg/hm2,基肥按30%計算為67.5 kg/hm2，塊莖形成期計劃追肥量N1按40%計算為90 kg/hm2，在塊莖形成初期測得的SL4-8為1，則可根據圖4所示的回歸模型計算出該期的臨界SL4-8=-1.8637,然后根據公式（4）計算出：

進一步根據公式（2）計算出追肥系數α=0.35；于是根據公式（3）可計算出實際施肥量：

假如實測SL4-8為-4，則實際施肥量：

N1'=N1×(1+α1)=90×（1-0.26）=66 kg/hm2

這一模型已得到多點檢驗，詳細結果將另行撰文報道。

5 小結

本文通過分析葉綠素儀SPAD-502的特點以及其讀數與馬鈴薯植株氮素含量、馬鈴薯產量的數量關系，判斷采用葉綠素儀SPAD-502進行馬鈴薯氮素營養診斷并推薦施肥是可行的。在此基礎上，系統介紹了診斷葉位的確立及其依據、臨界SPAD的確定原則及其與診斷時間的關系、不同品種普適指標SL4-8的篩選過程及依據，以及根據SL4-8進行推薦施肥的模型。這一模型將為馬鈴薯氮肥的精確管理提供強有力的技術支撐。

需要注意的是，本文所有指標和模型是在水分充足供應、病蟲害嚴格控制、無自然災害的前提條件下提出的，因此其使用必須緊密結合這些相應的栽培管理措施。另外，雖然研究布置了多點試驗，而且使用了不同品種，但主要試驗是在內蒙古陰山北麓地區完成，采用的品種熟期為中晚熟品種。因此，本文所涉及指標和模型適用于上述條件，是否適于其他地區與其他類型品種，尚需試驗檢驗。

本文的追肥只設置了2個時間節點，實際應用時可在所確定追肥量前提下，結合灌溉方式增加追肥次數分次施用。

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Nitrogen Nutrient Management Based on Diagnosis of Potato N Status by
Using Chlorophyll Meter

FAN Mingshou1＊,NIE Xiangrong1,2,LI Xiuhua1,3,LI Li1,4,QIN Yonglin1,LIU Yanchun1,5,CHEN Junhui1，
JING Tao1,6,CHEN Yang7,JIA Liguo1,ZHENG Hongli1,ZHANG Ziyi8,LI Fei7
(1.College of Agronomy,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot,Inner Mongolia 010019,China;2.Wuchuan Bureau of
Agriculture,Wuchuan,Inner Mongolia 011700,China;3.Guyang Bureau of Agriculture，Guyang,Inner Mongolia 014200,China;
4.College of Life Science,Datong University,Datong,Shanxi 037009,China;5.Section of Bio technique，Chifeng Academy of
Agricultural Sciences,Chifeng,Inner Mongolia 024000,China；6.Institute of Banana,Chinese Academy of Tropical Agriculture,Haikou,
Hainan 570102,China;7.College of Ecology and Environmental Science,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot,Inner
Mongolia 010019,China;8.College ofLife Science,Inner MongoliaAgricultural University,Hohhot,Inner Mongolia 010019,China)

After the brief introduction of working principle of chlorophyll meter,the research results on potato nitrogen nutritiondiagnosisbyusingchlorophyllmeterSPAD-502weresummarized,whichwereconductedfrom2007to2014inInner Mongolia.In order to avoid or reduce the interference of N excluding factors on diagnosis by using chlorophyll meter,the suitable leaf position for diagnosis was determined,threshold index and its relationship with diagnosis time was analyzed and established.ThescreeningprocessoftherelativethresholdSPADindexSL4-5wasalsosummarized,whichadaptsedtodifferent potato varieties to certain extent.Finally,N recommendation model based on chlorophyll meter diagnosis was proposed,and thesuggestionsornotesforitsusewereproposedaswell.

potato;chlorophyll meter;nitrogen diagnosis;nitrogen recommendation model

S532

B

1672－3635（2014）06-0348-06

2014-10-31

內蒙古重大基金“馬鈴薯優質高產氮素營養SPAD診斷指標體系的研究”（2013ZD04）；國家自然科學基金“氮素營養對馬鈴薯塊莖形成的影響及其機制”（31360502）。

樊明壽（1965-），男，教授，從事馬鈴薯營養生理及養分管理的研究。

樊明壽，E-mail:fmswh@126.com。