基于葉片SPAD的棉花氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)估算研究

哈發(fā)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(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子832003；2新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子832003)

0 引言

新疆是中國(guó)最主要的植棉區(qū)，棉花的種植面積占全國(guó)的76.08%，總產(chǎn)量占全國(guó)的84.94%。在棉花的栽培管理過(guò)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(fèi)，而且?guī)?lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。因此，實(shí)時(shí)掌握生長(zhǎng)過(guò)程中棉花植株的氮營(yíng)養(yǎng)狀況，構(gòu)建高效科學(xué)的氮素監(jiān)測(cè)與診斷方法，對(duì)確定合理施氮量，提高氮肥利用效率意義重大。

近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者圍繞番茄、贛花、水稻、玉米[1-4]等作物營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)與診斷開(kāi)展了研究。在SPAD研究方面，李鵬程等[5]研究發(fā)現(xiàn)棉花主莖功能葉的SPAD值可以作為衡量棉花衰老的標(biāo)準(zhǔn)之一；陳寶燕等[6]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)充足的氮供應(yīng)顯著影響蕾期后棉葉的SPAD值；趙犇等[7]發(fā)現(xiàn)小麥不同葉位SPAD值、NNI與氮水平呈正相關(guān)關(guān)系。在臨界氮濃度研究方面，國(guó)內(nèi)外在小麥[8]，馬鈴薯[9-10]，向日葵[11]等不同作物開(kāi)展了相關(guān)研究，馬露露等[12]通過(guò)建立棉花臨界氮濃度稀釋模型確定NNI，實(shí)現(xiàn)對(duì)滴灌棉花的氮營(yíng)養(yǎng)診斷；薛向榮等[13]采用水培的試驗(yàn)方法確定了棉花葉片不同部位的SPAD值與氮營(yíng)養(yǎng)之間的關(guān)系；邱才飛[14]發(fā)現(xiàn)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(guān)系，尤以主莖倒三葉最顯著。綜上，研究者對(duì)作物氮素養(yǎng)分進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)和診斷的間接方法中，以SPAD儀的應(yīng)用最為廣泛，相關(guān)結(jié)果對(duì)快速、精準(zhǔn)測(cè)定作物葉綠素含量及利用SPAD值來(lái)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(duì)滴灌棉花的生長(zhǎng)起著關(guān)鍵性作用，高效精準(zhǔn)的確定作物營(yíng)養(yǎng)需求狀況是肥料合理投入的關(guān)鍵。本研究以滴灌棉花為研究對(duì)象，在探究不同施氮對(duì)棉葉SPAD和氮營(yíng)養(yǎng)影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，構(gòu)建葉片SPAD與NNI的相關(guān)關(guān)系，為棉花精準(zhǔn)施氮提供模型與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

本研究于2017—2018在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)八師石河子總場(chǎng)進(jìn)行，全年日照時(shí)長(zhǎng)達(dá)2721～2818 h，年平均氣溫為5℃，≥10℃有效積溫3570℃～3729℃，無(wú)霜期168～171天左右。試驗(yàn)點(diǎn)的土壤質(zhì)地是沙壤土，0～20 cm耕地層土壤的有機(jī)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(yàn)均是一年一熟種植。

供試的棉花品種為‘新陸早45號(hào)’，棉花于4月22日開(kāi)始進(jìn)行播種，先覆膜后人工播種。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)氮素水平：0、120、240、360、480 kg/hm2，分別以N0、N1、N2、N3、N4表示。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)，按照隨機(jī)區(qū)組的方式安排。試驗(yàn)采用膜下滴灌的方法，N肥（含氮量為46%）的施肥時(shí)間與當(dāng)?shù)剞r(nóng)田一致。測(cè)試區(qū)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(wàn)株/hm2。試驗(yàn)地點(diǎn)是棉花的連續(xù)播種，東西方向，并設(shè)置了保護(hù)行。滴加出苗水，并根據(jù)當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培要求采取其他田間管理措施。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)田間布置圖

1.2 測(cè)定內(nèi)容與方法

1.2.1 數(shù)據(jù)采集 采樣從棉花出苗后開(kāi)始，到棉花吐絮期結(jié)束。2017—2018年的施肥日期和施氮比例見(jiàn)表1。施肥后5～8天進(jìn)行采樣，2017年采樣時(shí)間為出苗后的第48、61、74、86、96、106、116、125天；2018年的采樣時(shí)間為出苗后的第47、57、77、88、98、108、118天。采集及計(jì)算指標(biāo)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(cè)定 于每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)中選擇3株有代表性的棉花，采用SPAD-502型葉綠素儀分別對(duì)棉花葉片的底部、中部和上部進(jìn)行測(cè)量（避開(kāi)葉脈），最后將3次測(cè)量的平均數(shù)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(cè)定 每次采樣測(cè)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(zhì)的重量。用粉碎機(jī)進(jìn)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(jì)算單株棉花的氮濃度。成熟后分小區(qū)收獲、測(cè)產(chǎn)。

1.2.4 棉花臨界氮素濃度曲線模型的計(jì)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(jiàn)公式(1)。

式中，Nc，臨界氮濃度，g/(100 g)；a，當(dāng)?shù)厣厦藁ㄗ魑锏纳锪渴? t/hm2時(shí)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(shù)。

1.2.5 棉花NNI的計(jì)算NNI是棉花地上部氮素的實(shí)際含量與臨界氮含量之比，用于確定植物的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況。根據(jù)Lemaire[16]等總結(jié)得出的關(guān)于NNI的概念，其計(jì)算見(jiàn)公式(2)。

式中Ni，植株地上部分實(shí)際測(cè)得的氮素濃度，g/(100 g)，如果NNI=1，則說(shuō)明植物的體內(nèi)氮素營(yíng)養(yǎng)水平合適，NNI＞1說(shuō)明植株體內(nèi)具有過(guò)多的氮素營(yíng)養(yǎng)，NNI＜1表明植株體內(nèi)氮營(yíng)養(yǎng)缺乏。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)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(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮處理對(duì)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(shí)間的變化規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn)，施氮對(duì)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(dá)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(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)為生殖生長(zhǎng)，葉片綠度不斷下降，施氮量?jī)H為8%無(wú)法充分滿足棉花對(duì)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(gè)生育時(shí)期施氮量達(dá)到最大，棉花在該生長(zhǎng)期的SPAD值也達(dá)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(jìn)入吐絮期，生殖生長(zhǎng)逐漸減慢，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)逐步趨于停止，棉花對(duì)肥水的需求減少，棉花葉片養(yǎng)分不斷減少導(dǎo)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(shì)

2.2 不同生育時(shí)期棉葉SPAD值與氮濃度的關(guān)系

由表2可知，棉花氮濃度與葉片SPAD值呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，氮濃度隨著SPAD值的增大而增大，通過(guò)擬合不同生育時(shí)期的氮濃度與葉片SPAD值的相關(guān)關(guān)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(dá)到0.89；出苗后115天時(shí)擬合度最低，R2僅為0.49。由此說(shuō)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(jiān)測(cè)指標(biāo)。

表2 不同生育時(shí)期SPAD值與氮濃度的關(guān)系

2.3 不同施氮處理對(duì)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(guān)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(fù)相關(guān)關(guān)系，地上部生物量隨施氮增加而降低，且兩者呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系。出苗后60～121天內(nèi)，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(shí)際測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相同的地上部分生物量其相對(duì)應(yīng)的氮濃度值存在差異。根據(jù)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(jì)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(guān)系

2.3.2 基于NNI的滴灌棉花氮營(yíng)養(yǎng)診斷 由圖4可知，不同施氮處理下棉花的NNI總體呈現(xiàn)先增加后降低再增加的趨勢(shì)，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?yàn)槊藁缙谑┑壤齼H為8%，且棉株對(duì)氮素的吸收量較少導(dǎo)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(dá)到1.21，N4次之。在棉花出苗后87～97天整體呈下降趨勢(shì)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(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)并重，對(duì)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(zhǎng)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(shí)期以生殖生長(zhǎng)為主，對(duì)養(yǎng)分的需求較少，而由于施氮比例較高引起的氮營(yíng)養(yǎng)過(guò)?，F(xiàn)象。

圖4 不同施氮處理下棉花氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)變化分析

2.3 基于SPAD的棉葉臨界氮營(yíng)養(yǎng)診斷研究

本文采用2018年的數(shù)據(jù)分析棉花葉片SPAD值與NNI的關(guān)系，由圖5可知，SPAD值和NNI呈正相關(guān)關(guān)系，SPAD值與NNI之間的相關(guān)性順序?yàn)椋?7天＞117天＞87天＞57天＞76天＞66天，出苗后97天的相關(guān)性最好(R2=0.7395)，66天的相關(guān)性最差(R2=0.0513)，說(shuō)明不同的生育時(shí)期SPAD值與NNI之間的相關(guān)性存在差，且隨生育進(jìn)程的推進(jìn)和施氮量而變化。

圖5 2018年滴灌棉花SPAD值與NNI的關(guān)系

2.4 滴灌棉花臨界氮濃度稀釋曲線模型的驗(yàn)證

采用2017年的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)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(jì)算值進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。模擬值和實(shí)測(cè)值的R2為0.18～0.76，均方根誤差RMSE為0.058～0.217，說(shuō)明模型的模擬性能較好，可以用于滴灌棉花的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷。

表3 滴灌棉花臨界氮濃度稀釋曲線模型的驗(yàn)證

3 討論與結(jié)論

SPAD值是指植物葉片中葉綠素的相對(duì)含量，而氮素作為棉花增產(chǎn)增效的關(guān)鍵因素與SPAD值之間有著密切的關(guān)系。通過(guò)測(cè)定不同施氮處理下棉葉的SPAD值，對(duì)棉花的臨界氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)變化情況進(jìn)行模擬，從而建立棉葉SPAD與NNI的關(guān)系模型，為棉花的氮素營(yíng)養(yǎng)精確快速診斷提供理論支持。

從研究結(jié)果來(lái)看，棉葉的SPAD值與施氮量間存在較好的相關(guān)關(guān)系，這與前人研究結(jié)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(jié)胺(DPC)之間也存在關(guān)系，隨著棉葉厚度的不斷增加，葉的顏色也逐漸加深，從而導(dǎo)致SPAD值增加，這與本文的研究結(jié)果一致，本研究發(fā)現(xiàn)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(yíng)養(yǎng)變化的指標(biāo)之一，本研究建立的棉花稀釋模型為Nc=3.02Wmax-0.24，模型參數(shù)a與馬露露等[12]的研究結(jié)果存在差異，說(shuō)明模型的參數(shù)和土壤及環(huán)境氣候有關(guān)，這與薛曉平等[19]的研究結(jié)果一致。值得注意的是，在用SPAD值監(jiān)測(cè)棉花的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況時(shí)不同葉位及測(cè)定位置的選擇是影響試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵因素[23]，但本文在數(shù)據(jù)采集時(shí)未考慮到葉位對(duì)SPAD值的影響，故而研究結(jié)果與大田實(shí)際情況存在差異，因此還需進(jìn)一步探討不同葉位、不同測(cè)量位置對(duì)棉葉SPAD值的影響。

綜上所述，在本試驗(yàn)條件下隨著棉花施氮水平的不斷增加，棉葉的SPAD值呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，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(zhǎng)發(fā)育而降低；通過(guò)線性擬合分析，棉花葉片SPAD值與NNI之間呈較顯著的正相關(guān)關(guān)系，其R2值最高達(dá)到0.74。本研究結(jié)果是在同一個(gè)生態(tài)點(diǎn)連續(xù)兩年種植棉花的試驗(yàn)基礎(chǔ)上得出的，還需要利用不同生態(tài)區(qū)和不同品種的數(shù)據(jù)加以進(jìn)一步測(cè)試和檢驗(yàn)。