麥后移栽棉氮素營養診斷與追肥模型

譚京紅，吳啟俠，朱建強，佘子浩，柯鑫瑤，馬泓雨

(濕地生態與農業利用教育部工程研究中心/長江大學農學院，湖北荊州 434025)

0 引 言

【研究意義】江漢平原是湖北省的主要棉產區，棉花種植面積占湖北省棉花種植總面積的70%左右[1]，主要以麥后移栽棉為主。麥后移栽棉，以伏桃和早秋桃為主[2]，其主要配套施肥技術有施足蕾肥和重施花桃肥，即麥后移栽棉總施肥量70%以上集中在蕾期和花鈴期，特別是氮肥主要集中在這2個生育期。棉花蕾期、花鈴期對氮素需求量大，對氮素敏感，相關氮素營養診斷指標在一定程度上反映了移栽棉體內氮素營養狀況，隨著生育期的推進，氮素營養診斷指標與施氮量的相關系數有降低趨勢[3]。研究麥后移栽棉花蕾期、花鈴期適宜氮素營養診斷指標變化，用于指導麥后移栽棉花科學施肥，對麥后移栽棉肥料的減量增效有重要意義。【前人研究進展】氮素營養快速診斷主要有以硝酸鹽診斷為代表的傳統氮素營養診斷，和以葉綠素儀測量、高光譜遙感為代表的現代無損氮素營養診斷[4-5]。棉花植株葉柄硝態氮含量可以指示棉花氮素營養狀況，在新疆棉區建立了基于棉花葉柄硝酸鹽含量的氮肥推薦模型[6-8]。SPAD-502能快速測定棉葉的葉綠素含量相對值(SPAD)[9]，且這種關系不受品種和生育時期的影響[10]，已在水稻[11]、小麥[12]、玉米[13]、油菜[14]等作物中開展了利用葉綠素儀進行氮素營養診斷的研究，可以利用SPAD值進行推薦施肥。以棉株倒4葉SPAD值為氮素營養診斷指標建立的氮素推薦模型在新疆棉區得到廣泛應用[15-16]。近年來，光譜診斷可以快速、靈敏地反映作物的氮營養狀況，推薦施肥用量[17-18]。遙感技術的理論依據是綠色植被指數和綠度歸一化植被指數(GNDVI)與葉片氮積累量有較好的相關性[19]。李新偉等[20]建立了北疆棉花各生育期冠層歸一化植被指數(NDVI)臨界值，并結合氮肥效應函數建立光譜氮素推薦模型。【本研究切入點】基于硝酸鹽、葉綠素儀和高光譜遙感的氮素診斷技術在棉花上均有突出表現，但主要集中在新疆棉區，而關于長江流域棉區特別是江漢平原棉區麥后移栽棉氮素營養診斷少有涉及。研究江漢平原麥后移栽棉氮素營養診斷與追肥模型。【擬解決的關鍵問題】分析棉花倒4葉SPAD值、葉柄硝酸鹽含量、高光譜參數與施氮量、產量的關系，研究江漢平原高產棉田麥后移栽棉花的適宜氮素營養診斷指標，結合氮肥效應函數建立氮素追肥推薦模型，為棉花減氮增效生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗地位于長江大學農業科技產業園。該區域屬東部季風農業氣候大區、北亞熱帶農業氣候帶、長江中下游農業氣候區，試驗時間為2019年5～11月。土壤為中壤，有機質19.00 g/kg，全氮1.62 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀分別為107.25、23.51、106.77 mg/kg，pH 7.5。圖1

供試品種為中棉所63號，每個小區88株，行距1.0 m，株距0.5 m。棉花采用營養缽育苗，棉苗達3～4葉時移栽(2019年5月26日)。棉苗成活后(6月1日)開溝施苗肥，溝深15～20 cm，距棉株15～20 cm。2～4臺果枝(7月7日)開溝施蕾肥，7月27日開溝施花鈴肥。其余管理采用當地常規模式。

試驗采用江漢平原推廣的麥棉輪作模式，小麥收獲時秸稈全量還田，小麥收獲后采用旋耕機耕整田塊2遍，一次性完成旋耕和起壟作業，確保小麥秸稈還田深度不低于10 cm，廂寬2.2 m，廂溝深0.2～0.3 m。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗采用單因素(氮素用量)隨機區組設計，設置6個施氮處理：0、90、180、270、360、450 kg N/hm2，分別記為N0、N90、N180、N270、N360、N450。氮肥按苗肥∶蕾肥∶花鈴肥=3∶3∶4的比例施用。各處理磷肥(P2O5)、鉀肥(K2O)用量為90、150 kg/hm2，磷肥、鉀肥按苗期和蕾期6∶4、3∶7的比例施用。每個小區設置1廂，廂長22 m，廂寬2.2 m。每處理設置3個小區，小區之間起壟包膜，防止廂間串水。

1.2.2 測定指標

7月7日(施蕾肥前)、7月27日(施花鈴肥前)09：00～12:00于各小區選取長勢一致的棉株10株，采用ASD FieldSpec Hand-Held 2便攜式高光譜儀測定其冠層光譜反射率，該儀器波長范圍為325～1 075 nm，采樣間隔為1.4 nm，光譜分辨率為<3 nm@700 nm，視場角25°，所有觀測均選擇在晴朗無風天氣。測量時，光譜儀傳感器探頭垂直向下，距冠層頂部垂直高度約1.0 m，測量前進行標準白板校正(標準白板反射率為1，測得目標物體光譜是無量綱的相對反射率)。

采用SPAD-502型手持式葉綠素儀測定該10株棉花倒4葉SPAD值，1片葉片測量3個點(測定時避開葉脈)，取其平均值作為該葉片的SPAD值。

測完SPAD值后將該倒4葉的葉柄帶回實驗室，用水楊酸法測定葉柄硝酸鹽(Nitrate，NIT)含量。

1.2.3 計算

參照李嵐濤[41]在油菜上的分級標準，將基于線性加平臺計算出產量潛力的95%(4 429.40 kg/hm2)作為臨界值，低于該值即為缺乏，高于該值即為豐富，確定麥后移栽棉氮素診斷指標各生育期臨界值。采用線性加平臺模型擬合最佳氮肥用量：

線性加平臺肥效模型：Y=a+bN(N≤C)；

Y=P(N>C)。

(1)

式中，Y為棉花產量(kg/hm2)，x為氮肥用量(kg/hm2)，a為截距，b為回歸系數，C為直線與平臺的交點，P為平臺產量(kg/hm2)。

1.3 數據處理

相關24個光譜參數，分析光譜參數與施氮量的相關性，篩選出江漢平原麥后移栽棉氮素營養診斷指標的光譜參數。采用決定系數(R2)、均方根誤差(RMSE)判斷適宜氮素診斷指標與前期施氮量的關系模型的適用性。其中R2用以判斷模型擬合優度，RMSE用于檢驗模型的估測可靠程度。試驗數據利用DPS對試驗所得數據進行方差分析，其中多重比較借助最小顯著差異法(LSD法)，顯著水平P<0.05。采用Microsoft Excel對數據進處理作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施氮水平下棉花SPAD、NIT及冠層光譜反射率

研究表明，不同氮肥處理間移栽棉倒4葉SPAD值、倒4葉葉柄NIT含量及冠層光譜反射率差異較大。隨施氮量增大，蕾期、花鈴期期倒4葉SPAD值均呈增加趨勢(蕾期N450處理除外)；隨施氮量增加蕾期倒4葉葉柄NIT含量顯著增加，當施氮量高達360 kg/hm2時花鈴期倒4葉葉柄NIT含量不再顯著增加。

不同施氮水平下移栽棉冠層高光譜反射率變化特征基本相似，在400～500 nm的藍紫光波段與620～700 nm的紅光波段，由于葉綠素強烈吸收輻射能進行光合作用而形成2個吸收谷；在這2個吸收谷之間，即綠光波段(510～560 nm)，吸收較少，形成反射峰；700 nm后進入近紅外波段，反射率急劇增加，形成一個高的反射平臺。圖2

2.2 氮素診斷指標與前期施氮量關系

研究表明，蕾期、花鈴期倒4葉SPAD值、葉柄NIT含量與前期施氮量均呈極顯著相關，其相關系數(r)均大于0.9，可敏感反應麥后移栽棉氮素豐缺狀況。在24個高光譜參數中，蕾期、花鈴期與前期施氮量均呈極顯著相關性的有GNDVI、RVI-1、RVI-5、RVI-7、VOG、CIgreen、SR705、mND705、NDSI、RSI、DCNI、ND705共12個高光譜參數，除RVI-5、CIgreen、DCNI外其余相關系數(r)均大于0.8，可敏感反應麥后移栽棉氮素豐缺狀況。表1

表1 氮素診斷指標與前期施氮量相關性Table 1 The correlation between the nitrogen application amount and the N diagnostic index

采用一元二次方程較好擬合各適宜氮素診斷指標與前期施氮量的關系，蕾期各決定系數(R2)分別為0.890、0.975、0.901和0.914，花鈴期分別為0.935、0.942、0.892和0.902。圖3

2.3 適宜氮素診斷指標各生育期臨界值

研究表明，擬合得出江漢平原麥后移栽棉最適宜施氮量，為310.64 kg/hm2，產量潛力為4 662.53 kg/hm2。圖4

研究表明，蕾期麥后移栽棉倒4葉SPAD值、葉柄NIT含量、冠層RSI和mND705臨界值分別為34.802、2.307、1.526和0.549，花鈴期各氮素診斷指標臨界值分別為34.841、4.174、1.589和0.619。表2

表2 適宜氮素診斷指標各生育期臨界值Table 2 The critical value of the appropriate nitrogen diagnostic index at various growth stages of cotton

2.4 氮肥追肥模型構建

研究表明，蕾期、花鈴期各氮素診斷指標值和Ncon(前期氮肥用量)之間具有一元二次回歸關系為

(2)

各生育期階段追肥量Nd為：

Nd=Nopt-Ncon.

(3)

將式(2)帶入式(3)，結合棉花施氮肥實際，得到基于各氮素診斷指標的追肥模型：

(4)

式中，RNx為各氮素診斷指標值，Nopt為總施氮量，310.64 kg/hm2，a為各氮素診斷指標與前期施氮量拋物線方程二次項系數，b為一次項系數，c為常數。將a、b、c值帶入式(4)，得到蕾期、花鈴期氮肥推薦追施模型。表3

表3 各生育期氮肥追肥模型Table 3 Recommended nitrogen application model at various growth stages of cotton

3 討 論

倒4葉葉柄硝酸鹽含量可作為江漢平原麥后移栽棉蕾期、花鈴期氮素診斷指標，其蕾期、花鈴期臨界值分別為2.357、4.098 mg/g。劉宏平等[42]報道新疆南疆尉犁縣棉花盛蕾期、初花期、盛花期和初鈴期葉柄硝酸鹽臨界值分別為5 710、9 450、6 885和7 729 mg/kg；王曉靜等[7]提出新疆南疆畦灌條件下棉花花期和鈴期葉柄硝酸鹽含量臨界值分別為10 463和6 901 mg/kg。棉花相同生育時期葉柄硝酸鹽含量臨界值結果差異較大，可能與取樣部位、品種、栽培模式等因素不一致有很大關系。

葉綠素儀進行氮素營養診斷簡單、方便、快捷、非破壞性，其應用越來越廣泛。已有在水稻[11]、小麥[12]、玉米[13]、油菜[14]等作物中，開展了利用葉綠素儀進行氮素營養診斷的研究，研究結果均表明，可以利用SPAD值進行推薦施肥。在棉花上亦有相關研究，潘薇薇等[15]提出了新疆北疆滴灌條件下盛蕾期、初花期、盛花期和鈴期棉葉SPAD值的臨界值分別為60.5、60.0、60.8、59.1；羅新寧[16]提出新疆南疆塔里木綠洲棉花開花期、花鈴期、鈴期SPAD值的臨界值分別為61.8、61.3、62.9，研究提出蕾期、花鈴期倒4葉SPAD值臨界值分別為34.872、34.528，2個生育期SPAD值相對比較穩定，這與Wu等[43]提出的臨界值接近。這些臨界值的差異可能跟品種和栽培方式不同有關。用SPAD葉綠素儀診斷棉花各個生育時期氮素營養其準確性與觀測樣本數[44]、測定葉片位點[2]有關，在田間測量SPAD值時要保證一定量的觀測樣本數和定位測定葉片位點。

蕾期、花鈴期與前期施氮量均呈極顯著相關性的有GNDVI、RVI-1、RVI-5、RVI-7、VOG、CIgreen、SR705、mND705、NDSI、RSI、DCNI、ND705共12個高光譜參數。其中RVI-1、RVI-5、RVI-7、VOG、SR705和RSI形式均為比值植被指數，6個比值植被指數中RSI與前期施氮量蕾期、花鈴期相關性均是最高，同時不同施氮量間RSI值差值較大(幾個處理間最大差值為0.265(蕾期)、0.309(花鈴期))，而處理間RSI值標準差很小(0.010～0.041(蕾期)、0.010～0.056(花鈴期))，結合這幾個因素在6個比值植被指數中選取RSI為麥后移栽棉適宜氮素營養診斷指標；其余6個高光譜參數中相比較而言mND705、NDSI與前期施氮量的相關性要優于其余4個參數，有研究表明，mND705對小麥[45]、玉米[46]葉片氮積累量較為敏感，同時mND705與葉綠素含量緊密相關[47]，具有較好的應用性，故選擇mND705為麥后移栽棉適宜氮素營養診斷指標。選擇RSI、mND705 2個高光譜參數為江漢平原麥后移栽棉適宜氮素營養診斷指標。

研究只針對單一品種棉花下進行了研究，還應依賴于土壤供氮量、氮肥利用率等的精確估算[20]，追肥推薦模型的精確性和適用性還有待進一步的研究。

4 結 論

4.1麥后移栽棉蕾期、花鈴期倒4葉SPAD值、葉柄NIT含量及冠層12個高光譜參數(GNDVI、RVI-1、RVI-5、RVI-7、VOG、CIgreen、SR705、mND705、NDSI、RSI、DCNI、ND705)與前期施氮量均呈極顯著相關性，選取倒4葉SPAD值、葉柄NIT含量和冠層高光譜參數RSI和mND705 4個指標為江漢平原麥后移栽棉氮素營養診斷指標。

4.2不同施氮水平下移栽棉冠層光譜反射率也存在一定差異，最大差異是施氮量增加綠光波段形成的反射峰變緩，其主要原因是隨施氮量增加葉片中葉綠素含量增加，導致葉綠素吸收輻射能進行光合作用的能力升高，以反射的形式損失掉的部分減少。麥后移栽棉最適宜施氮量為310.64 kg/hm2，產量潛力為4 662.53 kg/hm2。以產量潛力的95%為臨界值，蕾期倒4葉SPAD值、葉柄NIT含量、冠層RSI和mND705臨界值分別為34.802、2.307、1.526和0.549，花鈴期相應為34.841、4.174、1.589和0.619。

4.3根據棉花各生育期適宜氮素診斷指標與前期施氮量的一元二次關系及全生育期總施氮量，建立了基于各適宜氮素診斷指標的蕾肥、花鈴肥追肥推薦模型。