基于葉片SPAD的棉花氮營養指數估算研究

哈發都曼，馬露露,2，印彩霞,2，蘇 維,2，李冬梅，丁怡人，呂 新,2，張 澤,2

（1石河子大學農學院，新疆石河子832003；2新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子832003)

0 引言

新疆是中國最主要的植棉區，棉花的種植面積占全國的76.08%，總產量占全國的84.94%。在棉花的栽培管理過程中，不合理的施用氮肥不僅降低肥料利用效率，造成肥料浪費，而且帶來了嚴重的環境污染問題。因此，實時掌握生長過程中棉花植株的氮營養狀況，構建高效科學的氮素監測與診斷方法，對確定合理施氮量，提高氮肥利用效率意義重大。

近年來，相關學者圍繞番茄、贛花、水稻、玉米[1-4]等作物營養監測與診斷開展了研究。在SPAD研究方面，李鵬程等[5]研究發現棉花主莖功能葉的SPAD值可以作為衡量棉花衰老的標準之一；陳寶燕等[6]通過試驗發現充足的氮供應顯著影響蕾期后棉葉的SPAD值；趙犇等[7]發現小麥不同葉位SPAD值、NNI與氮水平呈正相關關系。在臨界氮濃度研究方面，國內外在小麥[8]，馬鈴薯[9-10]，向日葵[11]等不同作物開展了相關研究，馬露露等[12]通過建立棉花臨界氮濃度稀釋模型確定NNI，實現對滴灌棉花的氮營養診斷；薛向榮等[13]采用水培的試驗方法確定了棉花葉片不同部位的SPAD值與氮營養之間的關系；邱才飛[14]發現不同氮肥施用策略與贛花葉片的SPAD值、葉片氮素水平之間呈顯著線性關系，尤以主莖倒三葉最顯著。綜上，研究者對作物氮素養分進行快速監測和診斷的間接方法中，以SPAD儀的應用最為廣泛，相關結果對快速、精準測定作物葉綠素含量及利用SPAD值來估算作物NNI具有重要意義。

氮肥是滴灌棉花施用量最大的肥料品種，其中70%～80%作為追肥隨水滴施，對滴灌棉花的生長起著關鍵性作用，高效精準的確定作物營養需求狀況是肥料合理投入的關鍵。本研究以滴灌棉花為研究對象，在探究不同施氮對棉葉SPAD和氮營養影響規律的基礎上，構建葉片SPAD與NNI的相關關系，為棉花精準施氮提供模型與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

本研究于2017—2018在新疆生產建設兵團八師石河子總場進行，全年日照時長達2721～2818 h，年平均氣溫為5℃，≥10℃有效積溫3570℃～3729℃，無霜期168～171天左右。試驗點的土壤質地是沙壤土，0～20 cm耕地層土壤的有機物含量為19.2 g/kg，堿解氮為50.7 mg/kg，速效磷(P2O5)為19.7 mg/kg，速效鉀為(K2O)160.0 mg/kg，田間持水量為29.5 g/m3，耕層土壤的重度是1.42 g/m3，田間的試驗均是一年一熟種植。

供試的棉花品種為‘新陸早45號’，棉花于4月22日開始進行播種，先覆膜后人工播種。試驗設置5個氮素水平：0、120、240、360、480 kg/hm2，分別以N0、N1、N2、N3、N4表示。試驗設3次重復，按照隨機區組的方式安排。試驗采用膜下滴灌的方法，N肥（含氮量為46%）的施肥時間與當地農田一致。測試區的面積為25 m2(2.5 m×10 m)，棉花種植的模式為“1膜6行”種植，膜寬2.05 m，株距10 cm，行距配置為10 cm+66 cm，種植密度為19.0萬株/hm2。試驗地點是棉花的連續播種，東西方向，并設置了保護行。滴加出苗水，并根據當地高產栽培要求采取其他田間管理措施。

圖1 試驗小區田間布置圖

1.2 測定內容與方法

1.2.1 數據采集 采樣從棉花出苗后開始，到棉花吐絮期結束。2017—2018年的施肥日期和施氮比例見表1。施肥后5～8天進行采樣，2017年采樣時間為出苗后的第48、61、74、86、96、106、116、125天；2018年的采樣時間為出苗后的第47、57、77、88、98、108、118天。采集及計算指標包括：棉花葉片SPAD值、不同器官的氮素含量、地上部生物量、臨界氮濃度、NNI值。

表1 2017—2018年施氮灌水日期及施氮比例

1.2.2 棉葉SPAD值的測定 于每個試驗小區中選擇3株有代表性的棉花，采用SPAD-502型葉綠素儀分別對棉花葉片的底部、中部和上部進行測量（避開葉脈），最后將3次測量的平均數值作為該葉片的SPAD值。

1.2.3 不同器官的氮素含量和地上部生物量的測定 每次采樣測定完棉花葉片的SPAD值后，將同一棉花植株取地上部分按莖、葉、蕾、鈴不同器官分樣，稱量各部分的鮮重后，于105℃下殺青30 min，然后放在80℃的烘箱中使各器官干燥至恒重，并稱量其干物質的重量。用粉碎機進行粉碎后，使用H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮法求出棉花各器官的總氮素含量，并計算單株棉花的氮濃度。成熟后分小區收獲、測產。

1.2.4 棉花臨界氮素濃度曲線模型的計算 臨界氮素濃度的概念是指植物得到地上部最大生物量所需的最低氮素濃度[15]。臨界氮濃度模型見公式(1)。

式中，Nc，臨界氮濃度，g/(100 g)；a，當地上棉花作物的生物量是1 t/hm2時棉株的臨界氮素含量；Wmax，棉花地上部最大生物量，t/hm2；b，確定臨界氮素濃度稀釋曲線斜率的參數。

1.2.5 棉花NNI的計算NNI是棉花地上部氮素的實際含量與臨界氮含量之比，用于確定植物的氮素營養狀況。根據Lemaire[16]等總結得出的關于NNI的概念，其計算見公式(2)。

式中Ni，植株地上部分實際測得的氮素濃度，g/(100 g)，如果NNI=1，則說明植物的體內氮素營養水平合適，NNI＞1說明植株體內具有過多的氮素營養，NNI＜1表明植株體內氮營養缺乏。

1.3 數據處理與分析

數據處理及制圖采用Excel 2016，顯著性分析用SPSS19.0軟件中的Duncan和LSD(Least-Significant Difference)進行。

2 結果與分析

2.1 不同施氮處理對棉花葉片SPAD的影響

圖2顯示了不同施氮條件下棉花葉片的SPAD隨著棉花出苗時間的變化規律。分析發現，施氮對棉葉SPAD值的含量有明顯影響，葉片SPAD值隨氮肥施用量增加而增加。在出苗后101～113天各處理下的葉片SPAD值達到最大值，其中2017年為65.3～71.2，2018年為57.0～62.5，不同年份均在N4處理下SPAD值最大。棉花出苗后66天左右棉花SPAD值降至最低，主要是由于棉花由營養生長轉為生殖生長，葉片綠度不斷下降，施氮量僅為8%無法充分滿足棉花對氮素的需求，而在出苗后97天施用氮肥比例為17%，在棉花的整個生育時期施氮量達到最大，棉花在該生長期的SPAD值也達到最大值，棉花出苗后104～123天，葉片SPAD值迅速下降，主要是由于棉花進入吐絮期，生殖生長逐漸減慢，營養生長逐步趨于停止，棉花對肥水的需求減少，棉花葉片養分不斷減少導致葉片SPAD值降低。

圖2 不同施氮處理下棉葉的SPAD值的變化趨勢

2.2 不同生育時期棉葉SPAD值與氮濃度的關系

由表2可知，棉花氮濃度與葉片SPAD值呈現正相關關系，氮濃度隨著SPAD值的增大而增大，通過擬合不同生育時期的氮濃度與葉片SPAD值的相關關系表明，出苗后100天的SPAD值與氮濃度間的線性方程擬合度最高，R2達到0.89；出苗后115天時擬合度最低，R2僅為0.49。由此說明，棉花葉片SPAD值可以反映棉花氮素含量水平，可以作為棉花地上部氮濃度的快速監測指標。

表2 不同生育時期SPAD值與氮濃度的關系

2.3 不同施氮處理對棉花NNI的影響

2.3.1 滴灌棉花地上部生物量和氮濃度的關系及臨界氮濃度稀釋模型的建立 由圖3可知，滴灌棉花生物量與氮濃度呈負相關關系，地上部生物量隨施氮增加而降低，且兩者呈現冪函數關系。出苗后60～121天內，棉花地上部的生物量范圍為2～30 t/hm2。在不同的施氮處理下分析實際測得的試驗數據，發現相同的地上部分生物量其相對應的氮濃度值存在差異。根據Justes[18]、薛曉萍[19]、馬露露等[12]建立臨界氮濃度稀釋模型的方法，計算得到本研究的臨界氮素濃度的稀釋模型為Nc=3.02Wmax-0.24。

圖3 滴灌棉花地上部分的生物量與氮濃度之間的關系

2.3.2 基于NNI的滴灌棉花氮營養診斷 由圖4可知，不同施氮處理下棉花的NNI總體呈現先增加后降低再增加的趨勢，其值范圍為0.75～1.16。出苗后45天各處理的NNI均小于1，主要是因為棉花苗期施氮比例僅為8%，且棉株對氮素的吸收量較少導致；出苗后76天不同氮處理下NNI值范圍介于1.09～1.21之間，其中N3處理最高達到1.21，N4次之。在棉花出苗后87～97天整體呈下降趨勢且NNI值均低于1（除出苗后97天的N4）主要是由于蕾鈴期棉花營養生長與生殖生長并重，對氮素的需求較多，而施氮比例不足不能充分滿足棉花的生長需求，故NNI值低于1；花鈴期后NNI值又呈明顯增加，主要是由于此時期以生殖生長為主，對養分的需求較少，而由于施氮比例較高引起的氮營養過剩現象。

圖4 不同施氮處理下棉花氮營養指數變化分析

2.3 基于SPAD的棉葉臨界氮營養診斷研究

本文采用2018年的數據分析棉花葉片SPAD值與NNI的關系，由圖5可知，SPAD值和NNI呈正相關關系，SPAD值與NNI之間的相關性順序為：97天＞117天＞87天＞57天＞76天＞66天，出苗后97天的相關性最好(R2=0.7395)，66天的相關性最差(R2=0.0513)，說明不同的生育時期SPAD值與NNI之間的相關性存在差，且隨生育進程的推進和施氮量而變化。

圖5 2018年滴灌棉花SPAD值與NNI的關系

2.4 滴灌棉花臨界氮濃度稀釋曲線模型的驗證

采用2017年的數據對模型進行驗證，通過2018年不同施氮處理下棉花全生育期的SPAD值、全生育期的上部生物量、式(1)和式(2)得到臨界氮含量的模擬值，將臨界氮濃度模擬值與計算值進行比較，結果如表3所示。模擬值和實測值的R2為0.18～0.76，均方根誤差RMSE為0.058～0.217，說明模型的模擬性能較好，可以用于滴灌棉花的氮素營養診斷。

表3 滴灌棉花臨界氮濃度稀釋曲線模型的驗證

3 討論與結論

SPAD值是指植物葉片中葉綠素的相對含量，而氮素作為棉花增產增效的關鍵因素與SPAD值之間有著密切的關系。通過測定不同施氮處理下棉葉的SPAD值，對棉花的臨界氮營養指數變化情況進行模擬，從而建立棉葉SPAD與NNI的關系模型，為棉花的氮素營養精確快速診斷提供理論支持。

從研究結果來看，棉葉的SPAD值與施氮量間存在較好的相關關系，這與前人研究結果一致[20-21]。其中，馬宗斌等[22]的研究表明棉葉的SPAD值與縮節胺(DPC)之間也存在關系，隨著棉葉厚度的不斷增加，葉的顏色也逐漸加深，從而導致SPAD值增加，這與本文的研究結果一致，本研究發現在噴施DPC后，棉葉SPAD值增加。臨界氮濃度稀釋模型可以作為診斷棉花氮素營養變化的指標之一，本研究建立的棉花稀釋模型為Nc=3.02Wmax-0.24，模型參數a與馬露露等[12]的研究結果存在差異，說明模型的參數和土壤及環境氣候有關，這與薛曉平等[19]的研究結果一致。值得注意的是，在用SPAD值監測棉花的氮素營養狀況時不同葉位及測定位置的選擇是影響試驗結果的關鍵因素[23]，但本文在數據采集時未考慮到葉位對SPAD值的影響，故而研究結果與大田實際情況存在差異，因此還需進一步探討不同葉位、不同測量位置對棉葉SPAD值的影響。

綜上所述，在本試驗條件下隨著棉花施氮水平的不斷增加，棉葉的SPAD值呈現逐漸增加的趨勢，兩年均是N4處理的SPAD值最大，2017年SPAD最大值為71.2，2018年則為59.8；在不同的氮素處理下，棉花地上部分的生物量隨著施氮量的增加而增加，而氮濃度隨著棉花的生長發育而降低；通過線性擬合分析，棉花葉片SPAD值與NNI之間呈較顯著的正相關關系，其R2值最高達到0.74。本研究結果是在同一個生態點連續兩年種植棉花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。