基于SPAD值的烤煙氮素營養診斷研究

邊立麗，艾 棟，陳玉藍，常乃杰，黎昌明，龍 潭，馮文強， 陳 曦，張云貴，劉青麗，蔣壽安，李志宏*

（1．中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2．四川省煙草公司涼山州公司， 四川 西昌 615000；3．中國煙草總公司四川省公司，四川 成都 610041； 4．中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001）

氮素是作物生長的必需元素。在作物生長必需的17種營養元素中，對氮素需求量較大，然而在農業實踐中過量的氮肥施用導致的氮流失造成諸多環境問題（富營養化、土壤酸化、溫室氣體排放、酸雨、地下水污染等），給人類生存帶來嚴峻的挑戰[1］。 因此，確定合理的施氮量是農業可持續發展的必由之路[2-3］。煙草具有重要的經濟價值，合理制定煙草的氮肥施用策略、準確診斷煙草生長期間的營養狀態并調控氮素營養，既有利于優質煙葉生產，又有助于農業可持續和環境友好型發展[4-5］。目前，我國煙葉生產中普遍推薦的氮肥用量與煙株生長過程中的氮素需求規律匹配性差，同時缺乏高效的氮素監測手段，導致施氮量偏高，氮肥利用率低[6-8］。

傳統的氮素營養診斷通常需要對植株進行破壞性取樣，分析測試過程繁瑣且結果滯后[9］。隨著科技的發展，基于光譜特征的現代營養診斷因其便捷、快速、高效等特點，在作物氮素營養診斷中具有較為廣泛的應用前景[10］。在現代作物營養監測手段中，采用葉綠素儀來進行氮素監測最為普遍，常用的葉綠素儀如SPAD-502（Soil plant analysis development）手持葉綠素儀，使用雙波長（紅光波長650 nm和近紅外波長940 nm）LED光源，通過計算這2種波長的密度比值，并對比有無待測樣品時光密度的差異來計算得到SPAD值，因為SPAD值和供測樣品中葉綠素含量成正相關，可進一步推測植株的氮素營養狀況[11］。由于葉綠素儀具有快速、簡便、無損等檢測特點，其在作物養分快速監測領域的運用已經取得了較好的結果。李剛華等[12］利用便攜SPAD儀對水稻進行了氮素營養監測，通過比葉重修或建立不同品種的SPAD值與氮素營養函數關系能夠提高利用SPAD儀診斷特定品種氮素水平的精度；蔣阿寧等[13］利用葉綠素計測定冬小麥拔節期倒一葉和倒二葉的SPAD值代替實驗室土壤養分測定來制定施肥策略，結果表明，基于SPAD的變量施肥能滿足冬小麥生長階段對氮素的需要。李志宏等[14］應用葉綠素儀監測夏玉米氮素營養狀況，結果表明，基于SPAD對玉米生長階段養分的預測精度達到66.7%。屈衛群等[15］通過研究棉花主莖葉SPAD值的葉位分布，對棉花進行氮素營養診斷，結果表明，利用頂1定型葉與頂4定型葉SPAD值的相對差值，可較精確地診斷棉花的氮素營養水平。利用SPAD對煙草的養分監測方面，也有一些學者做過相關研究，比如在葉綠素、葉片全氮含量定量監測中均具有較好的運用成 果[16］，但前人研究主要集中在對煙草特定生育期的SPAD值建立診斷標準，而煙草追肥時間往往超過試驗研究的特定生育期，因此，無法對合理產量的適宜施氮量進行計算。不同煙草生育期SPAD值存在差異，建立煙草追肥階段的SPAD診斷指標，才能真正做到依據SPAD值進行煙草營養診斷，從而優化煙草追肥策略。先前的相關報道中，也沒有將肥料和煙葉的收支成本納入考慮，導致研究結果在生產實踐中難以運用。

針對上述問題，本研究以烤煙為研究對象，通過設置氮肥梯度田間試驗，定期測試葉片SPAD值與植株的氮素含量，試圖構建營養正常的烤煙在移栽后每天的SPAD適宜值范圍以及弱苗、旺苗SPAD值診斷標準，為烤煙生產的追肥推薦提供判別依據，賦力煙草農業可持續發展。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年在四川省冕寧縣回萍鄉橫路村（28°31′9.2″ N，102°08′12.7″ E）進行，海拔高度1842 m。地處四川省西南部涼山州東北部，氣候溫和、雨熱同季、雨量充沛、日照充足，屬于亞熱帶季風氣候。試驗區內年平均氣溫14.1℃，年均日照時數1957.2 h，年均降水量為1106.8 mm[17］。供試土壤為典型紅壤沖積的泥沙土，主要化學指標見表1。

表1 土壤化學性狀

1.2 試驗設計

試驗設置N0（0 kg/hm2）、N1（37.5 kg/hm2）、N2（75 kg/hm2）、N3（112.5 kg/hm2）、N4（150 kg/hm2）、N5（187.5 kg/hm2）6個氮肥處理水平，采用完全隨機區組試驗設計，每個處理3次重復，共18個小區，小區面積為36 m2，小區之間過道為0.45 m，四周設保護行。供試烤煙品種為當地主栽品種“云煙100”。4月26日施用基肥并人工移栽，株距為0.55 m，行距為1.2 m，移栽后25和35 d追肥，基追比為81∶19，供試肥料有煙草專用肥（10-15-20）、硝銨磷（32-4-0）、磷酸一銨（12-60-0）、硫酸鉀（0-0-50）、硝酸鉀（13.5-0-44.5）、普鈣（0-14-0），各小區養分投入詳見表2。其它管理措施按當地優質烤煙生產技術規范要求 進行。

表2 各試驗處理的養分投入量 （kg/hm2）

1.3 樣品采集與測試

烤煙生長期葉片共采樣9次，分別在移栽后10、20、30、40、50、60、80、100、120 d，葉 片采樣后將其洗凈烘干并磨碎保留樣品，采用凱氏定氮法測定烤煙葉片全氮含量；SPAD值采用SPAD-502葉綠素儀測定，根據查苗情況，每個處理選擇代表性煙株10株，測定時間為移栽后的10、20、30、40、50、60、70、80、90 d，測定的部位分別為葉尖、葉中、葉基，并分別記錄SPAD讀數，取均值作為相應葉片的SPAD值，測定時需避開葉脈和葉片邊緣，為保證數據的可比性，測定條件盡可能一致，選擇晴朗無風或者風力不大的天氣；田間試驗煙葉按小區掛牌采烤、分級稱重，并計算各小區產量。

1.4 邊際產量計算公式

邊際產量是指每增加1單位可變資源所引起的總產量增加（或減少）額。當邊際產量等于施氮量與烤煙的價格比時，邊際利潤等于0，單位面積的施肥利潤最大，此時的施氮量為最大利潤（經濟最佳）的施氮量。本試驗中涉及的氮肥價格為Px=4.77元/kg，假設每個小區的烤煙價格與當地平均價格水平一樣，為Py=27.97元/kg。

1.5 數據分析與作圖

采用Sigma Plot 14.0繪圖，用SPSS 20.0和Excel 2010進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 烤煙葉片氮含量和SPAD值

烤煙的葉片SPAD值和氮含量相關關系見表3，從移栽到移栽后60 d，烤煙葉片SPAD值波動范圍為39.5～52.3，其均值的最大值和最小值分別出現在移栽后20 d（52.3）和移栽后30 d（39.5）。表3中分別體現了烤煙葉片葉尖、葉中、葉基以及三者均值的回歸模型以及相關系數，若取3點的平均值作為煙株的SPAD代表值，其各個時期的相關系 數 分 別 為0.64、0.49、0.52、0.73、0.77、0.62，遠大于各個部位SPAD與氮含量的相關系數，所以取3個部位的平均值作為烤煙葉片SPAD更具代表性。從變異系數中可以看出，各個部位的變異系數均大于其3點平均值的變異系數，說明取平均值后數據更具穩定性，更進一步說明了取3個部位平均值作為煙株SPAD值更具代表性和普 適性。

表3 烤煙葉片SPAD及與對應時期氮含量的相關關系

根據3點均值作為煙株SPAD代表值，做出了烤煙生育期不同氮肥水平的SPAD值，可以看出SPAD值在整個生育期呈先上升后下降的趨勢。不同施氮水平間SPAD值的動態變化相似，烤煙葉片SPAD值隨生育期呈先增加后降低的趨勢，移栽后前10 d，SPAD值迅速增加，在20 d達到最大值，隨后下降，這可能是因為前期烤煙主要進行營養生長，光合作用強烈，葉綠素含量高，因此葉片SPAD值不斷上升。在35 d追肥之后，烤煙SPAD值又緩慢上升，在第2次追肥之后SPAD值上升不明顯，這可能是因為烤煙后期主要進行生殖生長，SPAD稍有下降。不同氮處理烤煙葉片的SPAD值在生育期變化趨勢一致，各處理在前期（團棵期）差異較大，上升時高氮處理（N≥7.5）上升速度較快，低氮處理（N≤7.5）上升速度較慢，在20 d后下降時不同氮處理下降速度與前期上升速度一致。

2.2 烤煙葉片SPAD值與施氮量、移栽后天數的關系

為了定量表述SPAD值與施氮量、移栽后天數的關系，對SPAD值與移栽后天數、施氮量進行了多元擬合，不同移栽天數下施氮量與SPAD關系擬合方程為SPAD=-0.0002x2-0.0059y2+0.0519x+ 0.4914y+37.3546，方程決定系數為R2=0.6306（P＜0.01），其中，x為施氮量，y為移栽后天數。三維表達圖形如圖2所示?？緹熑~片SPAD值與氮肥用量、移栽后天數均呈二次方程關系，即隨著氮肥用量增加，SPAD值表現為先增加后降低的關系；隨著移栽后天數的增加，SPAD值也呈先增加后降低的關系。SPAD值隨移栽后天數的變化與圖1的直接表述存在偏差，原因在于直接表述時追肥的影響直接反映在圖形上，而模擬結果則忽略了這種追肥可能對葉片SPAD值的影響，用于追肥指導時，往往在追肥前進行測試，所以模擬結果更有利于確定SPAD作為烤煙氮素營養診斷 指標。

圖1 不同氮水平SPAD值動態變化

圖2 葉片SPAD值與施氮量、移栽后 天數的回歸關系

2.3 不同施氮量對烤煙產量的影響

由圖3可知，在一定施氮量的范圍內（0～200 kg/hm2），烤煙的產量隨著施氮量的增加而增加；當施氮量達到112.5 kg/hm2后，產量增加不明顯；當施氮量達到最大（200 kg/hm2）時，產量有所下降。在大田不同氮肥處理條件下，烤煙產量在施氮量為129.0 kg/hm2時最高，用一元二次方程對烤煙全生育期不同施氮量總的氮肥效應進行擬合，得出全生育期總施氮量（X）與烤煙產量（Y）的定量關系（圖3）。對方程Y=-0.07X2+18.07X+2165.34求偏導，得到最高產量為3331.9 kg/hm2，而其對應的施肥量為129.0 kg/hm2，因此，可以將129.0 kg/hm2作為全生育期總施氮量，也可作為追肥總量的參考；最大利潤施肥量為124.5 kg/hm2，最佳產量為3330.4 kg/hm2。

圖3 煙葉產量與施氮量的回歸關系

2.4 烤煙葉片SPAD值診斷氮肥推薦標準的建立

通過閾值模型設置SPAD臨界值或閾值范圍，建立合理施肥標準，實測SPAD值與該臨界值或閾值范圍進行比較，低則追施氮肥，接近則不施氮肥或少施氮肥，高則不施氮肥，這種采用閾值的模型是目前氮肥管理研究中應用最多的方法。依據施氮量與烤煙葉片SPAD值的二元二次方程關系以及施氮量與產量的擬合方程，可以建立SPAD值診斷推薦施肥 標準。

前文求出了SPAD與施氮量和移栽天數的關系方程，將最佳經濟施肥量124.5 kg/hm2代入SPAD= -0.0002x2-0.0059y2+0.0519x+0.4914y+37.3546中得出 SPAD的最適值，由此可根據該方程求出不同時期的最佳SPAD值，將最大產量的施肥量代入得出SPAD的臨界值，由于最佳經濟施肥量和最大產量相差很小，所以SPAD的最適值和臨界值也相差不大，本文取SPAD的最適值作為SPAD診斷施肥標準 （表4）。

表4 烤煙各生育時期SPAD最適值

3 討論

本文不同施氮量與烤煙產量的關系研究表明，在一定施氮量范圍內，產量隨著施氮量的增加而增加，當施氮量增加到一定程度時，產量有稍微下降的趨勢。候雪坤等[18］設置不同氮素水平對烤煙產量的影響，得出在氮肥處理中，隨用量增加烤煙生長旺盛，而高氮處理則由于氮素用量過多，造成煙株徒長，發病率過高，進而影響了烤煙生長，這與本試驗的研究結果一致。王維等[6］在烤煙氮素營養診斷及精準施肥模式研究中也有類似結論。但是，不同研究之間得出的最佳施氮量差異明顯，本試驗為124.02 kg/hm2，王維等[6］和侯雪坤等[18］研究的最佳施氮量分別是163.11和52.5 kg/hm2，造成這種差異的原因可能與當地土壤肥力和烤煙品種等因素有關。

本研究發現SPAD值與葉片氮含量具有良好的線性關系，相關系數最高達0.77，兩者具有較高的協同性，這與李佛琳等[19］和徐照麗等[20］研究結果一致。如何選擇SPAD的適宜測定部位，是決定研究準確性的基礎。李佛琳等[19］研究結果表明，應用葉綠素監測烤煙葉片的最佳測定部位為完全展開葉的中部，而徐照麗等[20］認為葉綠素儀測定烤煙葉綠素的最佳部位為葉基部。葉綠素讀數測定值因年份、地點、施氮水平、葉位、同一葉片的不同部位而異，但從本研究來看，同一葉片的不同部位取平均值比單獨的某個部位更具代表性，能夠更好地監測烤煙氮素水平。

采用SPAD閾值的方法雖然取得了一定的應用效果，但不同品種，不同地理環境下SPAD值與烤煙產量、含氮量等關系不同，本文得到的生育期最適SPAD范圍在37.11～46.06之間，王維等[6］測定倒三葉SPAD得出了當SPAD閾值在40.5～43范圍時，能夠獲得烤煙較高的產量和質量。賀帆 等[21］在對水稻適宜SPAD的研究中發現，兩優培九和汕優63品種水稻的SPAD閾值范圍分別為38～39和35～37，能獲得較高的產量和部分的品質改善。賀廣生等[22］研究了K326品種烤煙的SPAD，發現K326的SPAD設定閾值為40.5～43，相應的氮肥用量以75～110 kg/hm2為宜。因此，可以看出，不同作物和不同品種之間SPAD閾值都不盡相同，從前文可知，即便是同一作物同一品種，當選擇的監測葉位不同時，也會導致適宜范圍上的差異。

本文通過設置氮肥梯度試驗，分析了施氮量和煙葉產量之間的關系，并基于SPAD值與煙葉氮素養分之間的定量關系，確定了基于SPAD值的氮肥推薦施用量，這一結果對科學了解烤煙生長具有重要意義。然而，本文仍存在諸多限制，主要有以下幾方面：（1）氮肥梯度設置合理性。本文設置了6個氮肥梯度，但能否準確捕捉到氮肥梯度對煙葉養分和產量的影響仍有很大不確定性；（2）氣象因素干擾。烤煙的生長受到當季生育期氣象因素的影響，僅討論氮肥使用和煙葉氮素之間的關系，難以反映烤煙在生長階段的限制因素；（3）試驗年限。本文只探討了一年的試驗情況，隨著施肥年限增加，氮肥對煙葉養分和產量的影響是否具有持續性仍有待研究；（4）新的技術方法對比。目前基于光譜圖像數據的氮素監測也得到了廣泛運用，本文沒有對SPAD便攜設備和光譜圖像設備監測烤煙氮素之間的優劣進行比較，在未來的研究中可以考慮分析比較不同煙葉氮素速檢方法在便捷性、精確性等方面的優劣。

4 結論

通過本研究得出主要結論如下：

（1）烤煙葉片的SPAD值與葉片氮含量有較好的相關關系，說明可以利用SPAD值作為氮素營養診斷的指標。

（2）煙葉產量與施氮量之間呈現二次函數關系式Y=-0.07X2+18.07X+2165.34，煙葉最佳經濟產量為3330.4 kg/hm2，最佳施肥量為124.5 kg/hm2。

（3）通過SPAD值與施氮量、煙葉產量之間的耦合關系可知，移栽各時期SPAD的最適范圍在37.11～46.06之間。