水稻花后葉片SPAD值動態模型與特征分析

趙考誠 葉迎 馬軍 錢天陳 黃麗芬 莊恒揚

摘要：葉綠素含量影響水稻的各種生理機能，供氮水平影響水稻的產量，探究水稻花后葉片相對葉綠素含量與不同供氮水平二者間的關系，為高產綠色栽培提供參考。采用淮稻5號、揚粳4227、常優5號、甬優8號4個水稻代表性品種，設計低（N1）、中（N2）、高（N3）3個氮素水平，每隔7 d測定水稻上3葉的SPAD值，利用倒Logistic數學模型，分析特征參數。結果表明，供氮水平的提高可減緩水稻上3葉葉綠素流失速率;倒3葉對土壤氮素供應反應敏感，可視為反映水稻氮素營養狀況的指示葉;在不同供氮水平下4種水稻品種花后上3葉SPAD值變化曲線均符合倒“S”形分布，其中常優5號中供氮水平更為符合;4種水稻品種在相同氮素處理下的倒3葉漸降期、快降期、緩降期時間和最大速率點相似。

關鍵詞：水稻;花后期;SPAD值;動態模型;葉綠素含量

中圖分類號： S511.01 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2021）16-0074-06

水稻（Oryza sativa L.）籽粒灌漿60%～80%的營養物質由葉片的光合作用提供[1]，水稻花后葉片開始衰老，功能葉面積萎縮與葉綠素含量下降不利于光合作用產物的積累，進而抑制結實率的提高與稻米品質的提升[2-5];而前期（基肥、分蘗肥、穗肥）供氮不善致使水稻葉片葉綠素含量降低，進而葉片光合作用減弱，最終影響水稻產量[6]。與植物組織分析方法[7]或光譜遙感方法[8]相比，使用SPAD-502型葉綠素儀[9]可獲得植物葉片相對葉綠素含量，并稱之為SPAD值。建立在以SPAD值為基礎上的水稻供氮模型可用于診斷作物氮素營養豐歉并以此優化施氮策略[10-11]，因而SPAD值與作物氮素營養水平具有一定的相關性[12-16]。李剛華等研究表明，倒3葉可作為較為理想的指示葉診斷水稻氮素營養狀況[17]。依據SPAD-502型葉綠素計測定數值結果表明，水稻葉片在抽穗期SPAD值最高，拔節期次之，成熟期最低，抽穗期與成熟期間具有顯著差異，在此3個生育周期中均可以倒3葉SPAD值至倒4葉SPAD值為參數判定供氮是否合理，且水稻葉片含氮量與SPAD值呈顯著線性相關性[18-20]。水稻葉片倒3葉與倒4葉色差可用于斷定水稻供氮的豐歉[21]，且與供氮水平存在顯著相關性[22]。而（倒3葉SPAD值×倒4葉SPAD值）/頂部4張葉片平均SPAD值所得參數與實際稻田表觀供氮量之間呈顯著線性相關性[15]。通過測定水稻拔節期到孕穗期葉片SPAD值動態變化和葉片形狀進而建立氮素診斷模型，為在該剩余周期內的水稻氮素營養診斷給出全新的參考[23]。前人對多個品種水稻葉片SPAD值動態變化及建立數學模型的研究較少，尤其關于水稻花后葉片SPAD值動態變化及相關數學模型的研究罕見報道。本研究選取4個水稻品種，通過不同葉位SPAD值建立倒Logistic模型，偏重水稻花后比較同株水稻不同葉位葉片的SPAD值分布及變化趨勢，以期驗證前期施肥次數與用量的合理性，為提高水稻結實率并為改善稻米品質的研究提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

田間試驗于2015年6—11月在江蘇省揚州市揚州大學農學院試驗農場（119°42′E，32°39′N）進行，試驗地為亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為 16.13 ℃，年平均降水量為1 005 mm，年平均日照時數為2 305.6 h，無霜期為227 d。試驗土壤類型為沙壤土，土壤有機質含量為19.07 g/kg，全氮含量為1.35 g/kg，堿解氮含量為82.60 mg/kg，有效磷含量為24.44 mg/kg，速效鉀含量為85.20 mg/kg。

試驗設180、270、360 kg/hm2 3個施氮水平，分別用N1、N2、N3表示，采用淮稻5號（遲熟中粳）、揚粳4227（早熟晚粳）、常優5號（雜交晚粳）、甬優8號（雜交晚粳）4個水稻品種，共12個處理。試驗采用裂區設計，施氮量為主區，品種為副區。主區長為7.8 m、寬為6.6 m、面積為51.5 m2。供試氮肥為尿素，氮素運籌方式為基肥、第1次分蘗肥（栽后7 d）、第2次分蘗肥（栽后14 d）、促花肥（以淮稻5號生育進程為準）、保花肥（以淮稻5號生育進程為準）施用比例為3.0 ∶ 1.5 ∶ 1.5 ∶ 2.5 ∶ 1.5。每小區施過磷酸鈣450 kg/hm2，氯化鉀150 kg/hm2。水稻5月29日浸種，6月2日播種，6月18日移栽，移栽前施基肥。整個試驗過程控制好合理的田間水量，非特殊情況不刻意排灌水，其他措施同一般大田管理。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 葉片SPAD值測定 從水稻齊穗期始，每隔7 d使用SPAD-502型葉綠素儀對植株上3葉進行SPAD值測定，直至各品種水稻成熟收獲。每個處理小區隨機測定10株健康主莖劍葉、倒2葉及倒3葉3張全展葉片，每張葉片上部1/3處、中部和下部1/3處為測定點，3個測定點SPAD值的平均值代表該張葉片的SPAD值。

1.2.2 數據分析 運用Microsoft Excel 2013制表、SPSS IBM 24.0進行數據分析，采用Origin 2018作圖。

2 結果與分析

2.1 不同供氮水平下4種水稻品種花后上3葉SPAD值動態變化

2.1.1 不同供氮水平下淮稻5號花后上3葉SPAD值動態變化 由圖1可知，不同供氮水平下淮稻5號花后上3葉SPAD值總體呈現下降趨勢，但低供氮水平下降速率較中、高供氮水平快。表明供氮水平的提高可減緩淮稻5號上3葉葉綠素流失速率。從相同供氮水平不同葉位分析，每種供氮水平下均是倒3葉SPAD值低于倒2葉與倒1葉，且下降幅度均大于倒2葉與倒1葉。表明倒3葉對土壤氮素供應反應敏感，可視為反映淮稻5號氮素營養狀況的指示葉。從同一葉位不同供氮水平分析，隨供氮水平提高倒1葉SPAD值逐步超過倒2葉SPAD值。表明可比較淮稻5號花后倒1葉SPAD值與倒2葉SPAD值判定田塊氮素含量的高低（倒1葉SPAD值>倒2葉SPAD值即所在田塊供氮水平高）。在低、中、高3種供氮水平下淮稻5號上3葉SPAD值的變化曲線符合倒“S”形分布。

2.1.2 不同供氮水平下揚粳4227花后上3葉SPAD值動態變化 由圖2可知，不同供氮水平下揚粳4227花后上3葉SPAD值總體呈現下降趨勢，但低供氮水平下降速率較中、高供氮水平快。表明供氮水平的提高可減緩揚粳4227上3葉葉綠素流失速率。從相同供氮水平不同葉位分析，各供氮水平下均是倒3葉SPAD值低于倒2葉與倒1葉（中供氮水平花后21 d、高供氮水平花后7 d除外），且下降幅度均大于倒2葉與倒1葉。表明倒3葉對土壤氮素供應反應敏感，可視為反映揚粳4227氮素營養狀況的指示葉。從同一葉位不同供氮水平分析，隨供氮水平的提高倒1葉SPAD值逐步超過倒2葉SPAD值。表明可比較揚粳4227花后倒1葉SPAD值與倒2葉SPAD值來判定田塊氮素含量的高低（同淮稻5號）。在低、中、高3種供氮水平下揚粳4227上3葉SPAD值變化曲線符合倒“S”形分布。

2.1.3 不同供氮水平下常優5號花后上3葉SPAD值動態變化 由圖3可知，不同供氮水平下常優5號花后上3葉SPAD值總體呈現下降趨勢，但低供氮水平下降速率較中、高供氮水平快。表明供氮水平的提高可減緩常優5號上3葉葉綠素流失速率。從相同供氮水平不同葉位分析，各供氮水平下大多是倒3葉SPAD值低于倒2葉與倒1葉（低供氮水平花后28 d、中供氮水平花后7、14 d除外），且下降幅度均大于倒2葉與倒1葉。表明倒3葉對土壤氮素供應反應敏感，可視為反映常優5號氮素營養狀況的指示葉。從同一葉位不同供氮水平分析，隨供氮水平提高并未出現與淮稻5號、揚粳4227相似的倒1葉SPAD值逐步超過倒2葉SPAD值的變化規律。在低、中、高3種供氮水平下常優5號上3葉SPAD值變化曲線符合倒“S”形分布。

2.1.4 不同供氮水平下甬優8號花后上3葉SPAD值動態變化 由圖4可見，不同供氮水平下甬優8號花后上3葉SPAD值總體呈現下降趨勢，但低供氮水平下降速率較中、高供氮水平快。表明供氮水平的提高可減緩甬優8號上3葉葉綠素流失速率。從相同供氮水平不同葉位分析，各供氮水平下均是倒3葉SPAD值低于倒2葉與倒1葉（低供氮水平花后0、7、14 d，中供氮水平花后28 d以前），且下降幅度均大于倒2葉與倒1葉。表明倒3葉對土壤氮素供應反應敏感，可視為反映甬優8號氮素營養狀況的指示葉。從同一葉位不同供氮水平分析，隨供氮水平的提高，并未出現與淮稻5號、揚粳4227相似的倒1葉SPAD值逐步超過倒2葉SPAD值的變化規律，但與常優5號有著相似的變化。在低、中、高3種供氮水平下甬優8號上3葉SPAD值變化曲線符合倒“S”形分布。

2.1.5 不同供氮水平下4種水稻品種花后上3葉SPAD值動態變化小結 不論何種供氮水平下4種水稻品種花后上3葉SPAD值總體呈現下降趨勢，但低供氮水平下降速率較中、高供氮水平快。表明供氮水平的提高可減緩水稻上3葉葉綠素流失速率。從相同供氮水平不同葉位分析，除個別品種不同花后時間點會有出入，但總體呈現出各供氮水平下倒3葉SPAD值低于倒2葉與倒1葉，且下降幅度均大于倒2葉與倒1葉。表明倒3葉對土壤氮素供應的反應敏感，可視為反映水稻氮素營養狀況的指示葉。從同一葉位不同供氮水平分析，雜交晚粳（常優5號、甬優8號）并未出現與普通粳稻（淮稻5

號、揚粳4227）相似的變化規律：隨供氮水平提高倒1葉SPAD值逐步超過倒2葉SPAD值。推測原因在于水稻品種差異。在不同供氮水平下4種水稻品種花后上3葉SPAD值變化曲線均符合倒“S”形分布，其中常優5號中供氮水平更為符合。

2.2 水稻花后上3葉SPAD值動態模型建立及參數分析

水稻抽穗后葉片SPAD值呈倒“S”形分布，故此次研究用倒Logistic模型對SPAD值進行擬合，倒Logistic數學表達式為[24]

式中：y為SPAD值;x為抽穗后時間;k、a、b、c為參數，其中k為水稻齊穗后最大SPAD值，b為相對速率。對式（1）求一階導數：

式（2）為生長速率相對于x的函數。對式（2）求二階導，并令其為0，則可得到生長速率的2個拐點，令其為t1、t2，t1、t2分別為

根據生長速率的2個拐點時間，可以將“S”形曲線分為3個時期，即漸降期、快降期、緩降期。

對式（1）求二階導數：

對于式（3），當d2ydx2=0，x=lnab，此時y=k2。因此可知Logistic曲線存在一拐點lnab，k2，lnab即可看作生長量為最終生長量一半時的時間，此時達到最大速率，Vmax=kb4，令x為拐點的橫坐標。

對不同處理齊穗后倒1葉、倒2葉和倒3葉SPAD值采用倒Logistic方程擬合，得到方程和特征參數，特征參數對應式（1）里的c、k、a、b（表1）。t1、t2將齊穗后天數分割為：（0，t1）為SPAD值漸降期，（t1，t2）為SPAD值快降期，（t2，成熟收獲）為SPAD值緩降期。將各自品種3種氮素水平的t1和t2分別取平均數以此對比可知，常優5號率先進入快降期，其次是淮稻5號，然后是甬優8號，最后是揚粳4227;進入緩降期首先是常優5號，其次是甬優8號，然后是淮稻5號，最后是揚粳4227（圖5）。t2與t1的差值為快降期持續時間，各自水稻品種隨供氮水平提升呈現出持續時間整體降低的趨勢，表明供氮越多葉片迅速下降的時間越短。

3 討論與結論

本試驗測定了水稻倒1至倒3葉的SPAD值，研究其SPAD值與氮素吸收分配的關系，結果表明，無論在何種施氮水平下，水稻花后葉片SPAD值呈現明顯的下降趨勢，為倒“S”形。氮肥供給重心轉移至稻穗的形成和籽粒發育期，并且不同部位葉片對氮的競爭能力不同[25]，靠近根部葉位的SPAD值也率先減小[26]，下葉位的葉片對氮素的敏感程度比上葉位高。在本試驗中，主莖功能葉的倒3葉對氮素反應最為敏感，應把倒3葉用做判斷水稻氮素豐缺狀況的理想指示葉。同時還可以看出，相對低施氮處理的植株，較高施氮水平的處理對水稻不同葉位之間的SPAD值差異影響小。不同氮素水平的水稻收獲結實時的SPAD值略有差別，具體排序為N2處理>N3處理>N1處理。氮素缺失會導致作物顯著早衰并早熟，產量降低;而氮素過剩則會導致推遲成熟，葉呈濃綠色，谷粒不飽滿，秕粒多[27]。低氮（N1）水平由于前中期氮肥供應不足，導致植株生長緩慢、矮小，抽穗早而不齊，過于早衰;高氮（N3）水平由于氮素的過量施用，葉綠素數量增多，為使稻葉更長久地保持綠色，所以表現出延長生育期、貪青晚熟的趨勢。所以中氮水平（N2）為本試驗中最理想的施氮水平，既提高了水稻產量，也提升了稻米品質[28-29]。本研究著重在水稻花后的SPAD值變化，發現處于不同葉位的葉片生理狀況和物理特征有所不同，這可能對SPAD值產生影響[30]。在診斷水稻氮素營養時，選擇哪些葉位測定，如何克服品種不同的影響及不同生長時期的差異尚需探

討[31-32]。本研究結果僅是對江蘇省中部地區4個水稻品種花后的SPAD值的歸納。今后應擴大研究，建立不同稻區、不同品種類型生育各期葉片SPAD值的動態模型，進一步檢驗該診斷方法的應用價值，豐富完善指標值。

參考文獻：

[1]歐陽杰，王楚桃，何光華，等. 水稻灌漿中后期功能葉中葉綠素含量及其變化趨勢與谷物產量關系研究[J]. 西南農業學報，2012，25（4）：1201-1204.

[2]楊海龍，楊佳恒，蔡金洋. 不同施氮水平下水稻葉片SPAD變化趨勢及其與產量的關系[J]. 浙江農業科學，2020，61（11）：2200-2204.

[3]Wang Y W，Xu C，Lv C F，et al. Chlorophyll a fluorescence analysis of high-yield rice （Oryza sativa L.） LYPJ during leaf senescence[J]. Photosynthetica，2016，54（3）：422-429.

[4]翟榮榮，馮 躍，曹立勇，等. 水稻葉片衰老研究進展[J]. 中國稻米，2011，17（1）：7-12.

[5]李 可，禹 晴，徐云姬，等. 水稻葉片早衰突變體的農藝與生理性狀研究進展[J]. 中國水稻科學，2020，34（2）：104-114.

[6]Zhao D L，Oosterhuis D M，Zhao D L. Nitrogen application effect on leaf photosynthesis，nonstructural carbohydrate concentrations and yield of field-grown cotton[J]. Special Report-Arkansas Agricultural Experiment Station，2000（3）：69-71.

[7]Lemaire G. Diagnosis of the nitrogen status in crops[M]. Berlin：Springer，1997.

[8]王 鑫，王梓橦，尤文強，等. 利用葉片正反面反射光譜估算葉綠素含量[J]. 光譜學與光譜分析，2018，38（8）：2524-2528.

[9]Markwell J，Osterman J C，Mitchell J L. Calibration of the minolta SPAD-502 leaf chlorophyll meter[J]. Photosynthesis Research，1995，46（3）：467-472.

[10]李 杰，馮躍華，牟桂婷，等. 基于SPAD值的水稻施氮葉值模型構建及應用效果[J]. 中國農業科學，2017，50（24）：4714-4724.

[11]Aarrgui L M，Lasa B，Lafarga A，et al. Evaluation of chlorophyll meters as tools for N fertilization in winter wheat under humid Mediterranean conditions[J]. European Journal of Agronomy，2005，24（2）：140-148.

[12]Errcart P M，Agnusdei M G，Lattanzi F A，et al. Leaf nitrogen concentration and chlorophyll meter readings as predictors of tall fescue nitrogen nutrition status[J]. Field Crops Research，2012，129：46-58.

[13]Yang H，Yang J，Lv Y，et al. Spad values and nitrogen nutrition index for the evaluation of rice nitrogen status[J]. Plant Production Science，2014，17（1）：81-92.

[14]Ziadi N，Brassard M，Belanger G，et al. Chlorophyll measurements and Nitrogen nutrition index for the evaluation of corn nitrogen status[J]. Agronomy Journal，2008，100（5）：2275-2279.

[15]Prost L，Jeuffroy M H. Replacing the nitrogen nutrition index by the chlorophyll meter to assess wheat N status[J]. Agronomy for Sustainable Development，2007，27（4）：321-330.

[16]Hawkins J A，Sawyer J E，Barker D W，et al. Using relative chlorophyll meter values to determine nitrogen application rates for corn[J]. Agronomy Journal，2007，99（4）：1034-1040.

[17]李剛華，薛利紅，尤 娟，等. 水稻氮素和葉綠素SPAD葉位分布特點及氮素診斷的葉位選擇[J]. 中國農業科學，2007，40（6）：1127-1134.

[18]李 杰. 基于SPAD值的水稻變量施氮模型及其應用研究[D]. 貴陽：貴州大學，2017.

[19]李剛華，丁艷鋒，薛利紅，等. 利用葉綠素計（SPAD-502）診斷水稻氮素營養和推薦追肥的研究進展[J]. 植物營養與肥料學報，2005，11（3）：412-416.

[20]張金恒，王 珂，王人潮. 葉綠素計SPAD-502在水稻氮素營養診斷中的應用[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版），2003，31（2）：177-180.

[21]凌啟鴻，王紹華，丁艷鋒，等. 關于用水稻“頂3頂4葉葉色差”作為高產群體葉色診斷統一指標的再論證[J]. 中國農業科學，2017，50（24）：4705-4713.

[22]姜繼萍，楊京平，楊正超，等. 不同氮素水平下水稻葉片及相鄰葉位SPAD值變化特征[J]. 浙江大學學報（農業與生命科學版），2012，38（2）：166-174.

[23]袁召鋒. 基于SPAD值的水稻氮素營養診斷與調控研究[D]. 南京：南京農業大學，2016.

[24]朱慶森，曹顯祖，駱亦其. 水稻籽粒灌漿的生長分析[J]. 作物學報，1988（3）：182-193.

[25]史瑞和. 植物營養原理[M]. 南京：江蘇科學技術出版社，1989.

[26]姜繼萍. 水稻冠層葉片SPAD數值變化特征及其在氮素營養診斷中的應用[D]. 杭州：浙江大學，2012.

[27]唐建軍，何火嬌，彭瑩瓊，等. 水稻不同葉位葉色信息與葉片含氮量的關系研究[J]. 江西農業大學學報，2014，36（2）：261-264.

[28]郭 晨，徐正偉，李小坤，等. 不同施氮處理對水稻產量、氮素吸收及利用率的影響[J]. 土壤，2014，46（4）：618-622.

[29]謝 芳，韓曉日，楊勁峰，等. 不同施氮處理對水稻氮素吸收及產量的影響[J]. 中國土壤與肥料，2010（4）：24-26，45.

[30]戈長水，應 武，楊 虎，等. 葉綠素計（SPAD-502）在水稻氮素營養診斷和推薦施肥中的應用、研究及展望[J]. 農業科技通訊，2014（2）：8-13.

[31]陳曉陽，錢秋平，趙秀峰，等. 水稻葉片SPAD空間分布與氮素營養及種植密度的關系[J]. 江西農業學報，2013，25（5）：13-15.

[32]王紹華，曹衛星，王強盛，等. 水稻葉色分布特點與氮素營養診斷[J]. 中國農業科學，2002，35（12）：1461-1466.