棉花SPAD值推薦施氮模型應(yīng)用與修正

吳湘琳，陳寶燕,2，蒲勝海，李 磐， 馬紅紅,3，牛新湘，楊 濤,3，馬興旺

(1．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北綠洲農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830091； 2.烏魯木齊市米東區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測中心，烏魯木齊 830011；3．石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院資環(huán)系，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】2020年新疆棉花播種面積達(dá)3 752.85×104/667m2，產(chǎn)量占全國棉花總產(chǎn)量87.3%，總產(chǎn)、單產(chǎn)、種植面積、商品調(diào)撥量連續(xù)26年位居全國第一。常規(guī)方法測定獲得土壤和植株養(yǎng)分含量耗時長，難以在5～10 d的短時間內(nèi)對膜下滴灌棉花的追氮量進(jìn)行推薦，而快速診斷施肥方法卻有可行性。【前人研究進(jìn)展】基于土壤Nmin的土壤氮含量速測推薦施肥方法[1]，基于葉柄硝態(tài)氮含量測定的植株氮含量速測推薦施肥方法[2]，基于高光譜的植株NDVI方法[3-4]，以及基于葉片葉綠素含量測定的SPAD值推薦施肥方法[5-7]等多種膜下滴灌棉花生育期追氮量推薦方法。測定SPAD值的葉綠素儀價錢相對便宜、操作簡單，且推薦施肥方法快速，用于膜下滴灌棉花生育期快速推薦施肥有比較優(yōu)勢。建立該方法過程中，明確了應(yīng)該測定棉花倒 4 葉的SPAD值以反映棉花的氮素營養(yǎng)狀況[8，9-11]，測定葉尖SPAD值且避開葉片主葉脈[12-14]，SPAD 測定樣本數(shù)對SPAD 均值準(zhǔn)確性有影響，樣本數(shù)為26～60 時樣本數(shù)越大SPAD 均值準(zhǔn)確性越高，SPAD 均值與葉片含氮量的相關(guān)性就越好[15]，建立了SPAD值與追氮量之間的若干模型用于推薦施肥[13,14, 16]。【本研究切入點(diǎn)】通常情況下，推薦施肥模型都是在特定的氣候條件和種植模式下得到的，其應(yīng)用范圍、條件是否具有普適性還不明確，需要進(jìn)一步對推薦施肥模型進(jìn)行田間驗(yàn)證。研究棉花SPAD值推薦施氮模型應(yīng)用與修正。【擬解決的關(guān)鍵問題】選取2個分別在新疆南疆和北疆建立的SPAD值推薦施肥模型進(jìn)行田間驗(yàn)證，進(jìn)一步優(yōu)化完善SPAD推薦施肥模型，為新疆棉花精準(zhǔn)推薦施氮提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)區(qū)位于新疆南疆巴州庫爾勒市包頭湖農(nóng)場新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院基地(E 85°52′,N 41°41′)。該區(qū)域地處中緯度地區(qū)，屬典型的大陸氣候，植棉規(guī)模、技術(shù)及產(chǎn)量都在南疆具有代表性。試驗(yàn)區(qū)屬于典型干旱氣候，年平均降雨量為56.20 mm，年平均蒸發(fā)量2 497.40 mm，年均日照時數(shù)2 878 h，≥10℃的積溫4 252.20℃，無霜期205 d，地下水位2.00～2.50 m。前茬作物均為棉花，供試土壤為砂壤土，屬于中等肥力土壤，耕層土壤0～30 cm土壤有機(jī)質(zhì)為10.24 g/kg，速效氮為48.78 mg/kg，速效磷為20.36 mg/kg，速效鉀為139.00 mg/kg，pH為8.20。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)3個處理：按照棉花生育時期測定SPAD值推薦施氮(N1)，按照棉花葉齡測定SPAD值推薦施氮(N2)，按當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)模式進(jìn)行推薦施氮(N3)；小區(qū)面積為4.8×6.9=33.33(m2)，3次重復(fù)，隨機(jī)排列。

N1處理采用潘薇薇[16]建立的模型(M1)推薦施氮，該模型建立了棉花某一生育時期葉片SPAD測定值與該生育時期推薦施氮量的函數(shù)關(guān)系。

Nd=Nopt+a/b-SPAD/b. (M1)

其中：Nd為棉花某生育期推薦施氮量；Nopt為棉花全生育期總施氮量，由肥料效應(yīng)函數(shù)計(jì)算得到；SPAD為某生育期的SPAD測定值；b為某生育時期的SPAD測定值與施氮量線性方程的回歸系數(shù)；a為截距。

把潘薇薇[16]中的Nopt、a、b代入模型M1，得到推薦施肥公式，測定棉花某生育時期葉片SPAD值推算出該時期的氮肥追施量。表1

表1 N1處理推薦施氮公式和推薦施氮量Table 1 Formula and amount of recommended nitrogen application for N1 treatment

N2處理采用楊濤等建立的模型(M2)推薦施氮，該模型原理與M1相同，只是建立的是棉花某一葉齡期葉片SPAD測定值與該葉齡期推薦施氮量的函數(shù)關(guān)系。

Nd=Nopt+a/b-SPAD/b. (M2)

其中：Nd為棉花某葉齡期推薦施氮量；Nopt為棉花全生育期總施氮量，由肥料效應(yīng)函數(shù)計(jì)算得到；SPAD為某葉齡期的SPAD測定值；b為某葉齡期的SPAD測定值與施氮量線性方程的回歸系數(shù)；a為截距。

把Nopt、a、b代入模型M2，得到推薦施肥公式，測定棉花某葉齡期葉片SPAD值即可推算出該時期的氮肥追施量。表2

表2 N2處理推薦施氮公式和推薦施氮量Table 2 Formula and amount of recommended nitrogen application for N2 treatment

氮肥選用尿素(尿素含N 46.4%)，所有處理施純P2O5186 kg/hm2(選重過磷酸鈣，含P2O546%)，K2O為68 kg/hm2(選硫酸鉀，含K2O 為40%)。所有處理全部磷肥和鉀肥作基肥，磷肥和鉀肥混勻后于播前撒施翻入土壤，氮肥的40%作為基肥，60%作為追肥進(jìn)行施用。供試棉花品種為新陸中66號，采用覆膜種植，種植行距(10+66+10+66+10)cm，株距10 cm，1膜6行精量播種。其他農(nóng)事管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)水平。

1.2.2 測定指標(biāo)

棉花葉片SPAD值的測定[12-14]：用日本產(chǎn)的Minolta SPAD-502葉綠素儀[18]測定。選擇晴好天氣，在10：00～14：00測定。測定之前用SPAD儀校準(zhǔn)卡進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，達(dá)到儀器精度要求。每小區(qū)隨機(jī)測定60個葉片，即60個SPAD值樣本數(shù)。打頂之前測定倒四葉片葉尖SPAD值，打頂之后測定倒一葉片葉尖SPAD 值，測定時避開葉片主葉脈，每個葉片的SPAD值為棉花功能葉上4個位點(diǎn)測定值的平均值。

棉花產(chǎn)量的測定[19]：棉花吐絮期調(diào)查小區(qū)總鈴數(shù)、總株數(shù)，計(jì)算單株鈴數(shù)和公頃收獲株數(shù)；各小區(qū)分3次隨機(jī)取棉株上、中、下部位各50朵，測定單鈴重。公頃籽棉產(chǎn)量=公頃收獲株數(shù)×單鈴重×單株鈴數(shù)來計(jì)算籽棉產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel、SPSS.19.0等軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析、均值比較、方差分析以及t檢驗(yàn)分析、相關(guān)性及擬合分析、概率分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理追施氮肥量與SPAD 值相關(guān)性

研究表明，N1、N2處理的追氮量與SPAD 值的相關(guān)性均呈線性關(guān)系，N1處理與SPAD值關(guān)系式為y=0.090 3x+46.618,R2=0.855；N2處理與SPAD值關(guān)系式為y=0.108 6x+48.666，R2=0.765。N1處理的追氮量與SPAD值的相關(guān)性要高于N2處理。圖1，圖2

2.2 不同處理對棉花產(chǎn)量構(gòu)成的影響

研究表明，N1與N2處理籽棉產(chǎn)量、衣分差異不顯著，單鈴重差異達(dá)到顯著水平。M1推薦的N1處理追氮量與M2推薦的N2處理追氮量對產(chǎn)量的影響差異不顯著。表3

表3 不同模型推薦施肥的棉花產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 3 The components of cotton yield recommended by different models

2.3 不同推薦施氮模式處理的施氮量

2.3.1 不同推薦施氮模式處理的施氮量

研究表明，N1的追氮量417.45 kg/hm2高于當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)的追氮量，N2的285.40 kg/hm2低于當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)的追氮量，但是N1和N2的產(chǎn)量均明顯低于當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)產(chǎn)量。表4

表4 不同推薦施氮模式處理施氮量 Table 4 Nitrogen application rate under different recommended nitrogen application modes(kg/hm2)

2.3.2 N1與N2施氮量趨勢比較

研究表明，在棉花各個生育時期，N1與N2的追肥量與棉花需肥量趨勢基本一致，N1,N2在7月20日均達(dá)到施肥高峰。總體趨勢分析：各時期N1的追肥量高于N2的追肥量，總體追氮范圍在0～160 kg/hm2。圖3

3 討 論

3.1 SPAD值推薦施肥誤差的來源

用葉綠素儀測定SPAD值來反映作物的氮素狀況已經(jīng)有很長的研究歷史[7]，并且在玉米[17]、水稻、棉花[5，6，16]、蘋果[18]等推薦施氮肥時得到應(yīng)用。

研究2個推薦施肥模型是在試驗(yàn)基礎(chǔ)上得到的，但換個地方應(yīng)用時推薦施肥量高于或低于高產(chǎn)施肥模式的施肥量，產(chǎn)量卻低于高產(chǎn)施肥模式的產(chǎn)量，可能的原因有：(1)M1和M2模型中的參數(shù)Nopt、a和b需要根據(jù)品種、土壤、氣候條件修正。(2)所測定葉片的代表性不夠。N1處理是把一個生育時期作為推薦施肥時段，棉花各生育時期的時間長短不一，有的時期包括了幾個葉齡期，N2處理是按葉齡推薦施肥，但同一地塊棉花個體即使在同一葉齡期其葉片發(fā)育程度也會不同，雖然是選擇倒四葉測定，但SPAD值差異會比較大[9.10]。(3)葉片的測定部位不同。葉片不同部位測定的SPAD值差異較大[12]，研究是測定葉尖部位的SPAD值，但操作時測定點(diǎn)位總會有差異。(4)一個地塊上測定的SPAD值的數(shù)量。SPAD值的樣本數(shù)越大，其均值與葉片含氮量的相關(guān)性就越好[13]。

研究采用了優(yōu)化的棉花葉片SPAD值測定方法，盡可能增大了SPAD測定值與棉花氮營養(yǎng)的相關(guān)性，而應(yīng)用模型的地塊與建立模型的地塊不同，Nopt、a和b3個參數(shù)的偏離是導(dǎo)致模型應(yīng)用結(jié)果不理想的主要原因。

3.2 SPAD推薦施肥模型的修正與應(yīng)用

在應(yīng)用推薦施肥模型時，因農(nóng)作物品種、氣候、土壤等條件的變化，模型參數(shù)需要進(jìn)行一些修正[20]。

研究的M1和M2模型的推薦施肥原理、建立過程都是相同的，只是M1模型是在北疆石河子地區(qū)建立的，M2是在南疆庫爾勒地區(qū)建立的；M1模型是推薦某生育時期的施氮量，而M2模型是推薦某葉齡期的施氮量。針對2個模型應(yīng)用時存在偏差的問題，應(yīng)該從2方面對模型進(jìn)行修正[5-7]：(1)對SPAD值的測定方法進(jìn)行優(yōu)化，使用于推薦施肥的SPAD值與整塊地棉花氮素營養(yǎng)狀況的相關(guān)性最高。包括優(yōu)化測定葉位、葉片上的測定點(diǎn)位、一塊地上測定的葉片數(shù)量等，從棉花個體對這些方面的研究較多[9，10，12，16]，下一步就是從田塊應(yīng)用的角度對方法進(jìn)行優(yōu)化、規(guī)范。(2)對模型中的Nopt、a、b3個參數(shù)進(jìn)行修正。這3個參數(shù)都是通過田間試驗(yàn)獲得的，模型在一個地區(qū)應(yīng)用時最理想的方式當(dāng)然是做田間試驗(yàn)、獲得參數(shù)、推薦施肥，但是時間周期長、成本高，有必要探索一種簡單的模型修正方法。

表5 修正的M2模型推薦施氮公式Table 5 Optimization of M2 recommended nitrogen application model

以M2模型的修正為例。表2中用于葉齡期推薦施肥的公式是Nopt、a、b3個參數(shù)值代入M2得到，公式中的2個常數(shù)在某一葉齡期是常量，但從棉花整個生育期看在不同葉齡期是變量。從推薦施肥的原理和出發(fā)點(diǎn)考慮，可以認(rèn)為試驗(yàn)區(qū)連續(xù)多年的棉花高產(chǎn)施肥方式下的施肥量(高產(chǎn)推薦施氮量)近似于理想條件下用SPAD值推薦的施氮量。首先，用已有的推薦施肥公式算出某一葉齡期實(shí)際推薦施氮量，及其與高產(chǎn)推薦施氮量的差值；第二步，假定該葉齡期推薦施肥公式中的2個常數(shù)為未知數(shù)；第三步，以此葉齡期的若干實(shí)測SPAD值、以及該差值與相應(yīng)SPAD值的推薦施氮量之和(理論推薦施氮量)組成一組數(shù)據(jù)，若干組數(shù)據(jù)代入表2中的公式，計(jì)算出2個未知數(shù)，得到某一葉齡期修正后推薦施氮公式；第四步，得到M2模型各葉齡期修正后的推薦施氮公式。

4 結(jié) 論

4.1增大SPAD值與施氮量相關(guān)性需要在土壤、氣候、管理模式變化時，對棉花SPAD推薦施肥模型中的Nopt、a、b3個參數(shù)進(jìn)行修正；優(yōu)化棉花葉片SPAD值的測定方法。

4.2修正SPAD值推薦施氮模型時可以利用原有模型的推薦施肥量、當(dāng)?shù)囟嗄旮弋a(chǎn)施肥量，通過反推快速得到當(dāng)年就能使用的新推薦施肥公式。研究修正后的推薦施氮肥公式為：Nd=1 135.87-SPAD/0.082 6(5葉齡期，第1次追肥)；Nd=1 123.44-SPAD/0.087 3(7葉齡期，第2次追肥)；Nd=1 005.47-SPAD/0.098 7(9葉齡期，第3次追肥)；Nd=997.23-SPAD/0.097 6(11葉齡期，第4次追肥)；Nd=901.55-SPAD/0.048 3(13葉齡期，第5次追肥)；Nd=712.23.26-SPAD/0.927 0(15葉齡期，第6次追肥)。