国内棉花氮营养诊断和推荐施氮研究进展

李鹏程，郑苍松，孙淼，王国平，董合林

（中国农业科学院棉花研究所／棉花生物学国家重点实验室，河南安阳455000）

氮肥优化管理对于提高作物产量和氮肥利用效率，减少肥料浪费和环境风险，增加农民收入具有重要的意义。棉花推荐施氮主要以施氮的产量效应函数为理论指导，通过土壤养分状况和棉花长势监测，分阶段进行氮肥施用推荐，以达到较理想的效果。目前国内有关棉花氮营养诊断和推荐施氮的研究主要包括以下几个方面：

1 土壤矿质氮测定

我国将土壤矿质氮作为推荐施肥的诊断指标始于20世纪80年代[1]，该方法考虑作物根系深度和作物残留量对土壤无机氮的影响，在淋溶不太强烈、施氮量较高的地区尤其适宜。张永帅[1]报道北疆滴灌棉田0～60 cm 土层无机氮能够较好地代表棉田土壤供氮能力，可在不同生育时期追肥推荐时作为参考值，并提出0～20 cm 土壤硝态氮含量低于30 kg·hm-2时，蕾期、花期、铃期的推荐施氮量分别高于21、124、76 kg·hm-2；0～20 cm 土壤硝态氮高于30 kg·hm-2时，蕾期可减少施氮量，高于60 kg·hm-2时，蕾期可不施氮。陈志超等[2]报道南疆滴灌棉田距地面不超过40 cm 土层无机氮可以表征土壤供氮能力，提出0～20 cm 土壤无机氮含量低于20 kg·hm-2时，蕾期、花期、铃期的推荐施氮量分别高于83、92、123 kg·hm-2，土壤无机氮含量在20～120 kg·hm-2时，可逐渐减少蕾期氮肥用量，土壤无机氮含量高于120 kg·hm-2时，蕾期可不施氮。危常州等[3]在地理信息系统（Geographic information system，GIS）基础上整合了综合肥料效应模型、专家知识库，构建了计算机推荐施肥系统，可根据土壤质地（砂土、壤土、黏土）、土壤肥力和产量水平、栽培模式等实际情况进行精准推荐施肥，该推荐施肥系统在新疆兵团农六师芳草湖农场得到了较好应用。

2 叶绿素仪速测

叶绿素仪可以快速测定棉叶的叶绿素含量相对值（SPAD），作为棉花氮素养分状况的参考[4-5]。屈卫群等[6]发现棉花主茎倒数第1 定型叶与第4 定型叶SPAD 值的差值与棉花施氮水平存在较好的线性相关，而且这种相关性不受品种和生育时期的影响；罗新宁[7]也有相同的研究结果。Wu 等[8]提出初花期、盛花期、结铃期、吐絮初期、吐絮期棉花倒4叶SPAD 值临界值分别为32.4、33.1、35.0、43.55、39.7，当实测SPAD 值低于该临界值1 个单位时，需要施氮24.2～25.0 kg·hm-2。叶绿素仪测定的叶片部位对测定结果有一定影响。潘薇薇等[9]以棉花倒4 叶的叶尖部位作测试部位，提出了北疆滴灌条件下盛蕾期、初花期、盛花期和铃期棉叶SPAD 值的临界值，分别为60.5、60.0、60.8、59.1，并提出了4个时期实测SPAD 值低于该时期SPAD 值临界值1 个单位时的实际推荐施氮量分别为10.81、8.46、13.42、6.29 kg·hm-2。当实测的棉叶SPAD 值高于临界值时不需要施氮。Wu 等与潘薇薇等报道的棉叶不同生育时期SPAD 临界值差异较大，可能与品种和栽培方式不同有关[8-9]。

3 植株硝酸盐含量测定

在作物生长季节，测定植株硝酸盐含量并用于追肥推荐，是欧洲普遍采用的技术[10]。我国在小麦、玉米等作物上相关应用较多，但在棉花上相关应用较少，而且主要集中在新疆棉区。危常州等[11]报道棉花蕾期倒4 叶叶柄硝酸盐含量与产量显著相关，可以灵敏地指示棉花氮素营养状况，并提出在籽棉目标产量高于5 250 kg·hm-2、 蕾期棉花倒4 叶叶柄硝酸盐含量低于4 500 mg·kg-1时，氮肥推荐用量高于130.1 kg·hm-2；随着叶柄硝酸盐含量增加，蕾期推荐施氮量逐渐下降，当硝酸盐含量在10 500～12 000 mg·kg-1时，氮肥推荐用量为18.5 kg·hm-2。刘宏平等[12]报道南疆尉犁县棉花盛蕾期、初花期、 盛花期和初铃期叶柄硝酸盐临界值分别为5 710、9 450、6 885 和7 729 mg·kg-1，采用一元二次模型对氮肥效应进行模拟，纯氮用量为229.5 kg·hm-2时可获得皮棉2 728.8 kg·hm-2的高产。王晓静等[13]建立了初花期、花铃期、结铃期基于棉花叶柄硝酸盐含量的氮肥线性推荐模型，提出南疆畦灌条件下棉花花期和铃期叶柄硝酸盐含量临界值分别为10 463 和6 901 mg·kg-1，花期、铃期叶柄硝酸盐含量高于该时期临界值时可以不施氮，并提出了该灌溉条件下经济施氮量为304 kg·hm-2。蔡利华等[14]提出滴灌中产棉田棉花现蕾初期、盛蕾期、初花期、花铃期、结铃期叶柄硝酸盐含量临界值分别为9 500、7 500、6 500、8 000、5 000 mg·kg-1，低于该值时就要考虑施氮。姜益娟等[15]提出海岛棉蕾期叶柄硝酸盐含量在1 000 mg·kg-1以上，开花期、花铃期、铃期一般在500～600 mg·kg-1之间，并提出蕾期、初花期、花铃期、结铃期叶柄硝酸盐含量临界值分别为1 750、1 500、1 000、600 mg·kg-1。伍素辉等[16]报道长江流域棉区籽棉产量4 500 kg·hm-2以上时，蕾期叶柄硝态氮含量为20 000 mg·kg-1左右，花期7 000 mg·kg-1左右。以上学者在棉花相同生育时期得到的叶柄硝酸盐含量结果差异较大，可能与栽培品种、灌溉模式、产量水平不一致有很大关系。因此，有必要在不同棉区开展不同土壤肥力条件、不同灌溉模式、不同产量水平下棉叶叶柄硝酸盐含量监测研究，以便科学指导生产。

4 数字图像分析

数字图像分析技术以光谱学原理为依据，主要过程包括图像采集、图像预处理、特征值提取与优化、分类识别4 个环节[17]，通过获取作物冠层数码照片，分析图像红（R）、绿（G）、蓝（B）等光谱参数，与棉花氮营养指标进行相关分析，实现快速诊断[18]。刘伟等[19]报道棉 叶R、G、G/（R＋B）、B/（R＋G）、G/B、R/B等光谱参数与棉叶氮含量存在显著相关关系，可作为氮素营养诊断的指标。王娟等[20]发现盛蕾期棉花植株和棉叶全氮含量与光谱参数的相关性较好，在盛花期棉花叶片含氮量与光谱参数的相关系数最高，且不同生育时期绿光标准化值G/（G＋R＋B）与棉叶含氮量相关性优于其他参数，可作为棉花氮素营养诊断的指标。王晓静等[21]报道棉花铃期棉叶G和G/R参数值与叶柄硝酸盐含量、植株全氮和地上部生物量之间均存在较大的相关性，可作为氮素营养诊断指标；红光标准化值R/（R＋G＋B）与施氮量、产量间为负相关关系，而蓝光标准化值B/（R＋G＋B）与施氮量、产量之间成正相关关系。徐新风等[22]认为（G-R）参数是棉株全氮含量的最佳氮营养诊断参数，可用其预测棉株全氮含量，预测模型为N（%）＝0.264 5＋0.154 5（G-R）-0.001 5（G-R）2；王方永等[23]也得到了相似的结果。陈敏等[24]报道棉花倒3 叶、倒4 叶硝态氮含量与红光标准化值R/（R＋G＋B）均有较好的相关性，其中棉花倒3 叶的相关性较好。雷咏雯等[25]认为棉花冠层颜色参数B/（R＋G）与棉花施氮量之间相关性很强，可作为棉花氮营养诊断的特征值，该特征值受土壤背景值和拍摄时光照强度的影响不大，但受摄影角度的影响较大，固定30°拍摄角度效果最佳。以上相关研究报道用于棉花氮营养诊断的颜色参数不尽相同，可能与图像获取时间、供试棉花品种和栽培方式不一样有关。贾彪等[26]发现棉花冠层覆盖度（Canopy cover，Cc）与棉株地上部总含氮量（YN）间存在函数关系：YN＝0.619e4.262Cc（0＜Cc≤1），Cc是指棉花群体（包括茎、叶、蕾、铃、枝等）在单位面积内的垂直投影面积占单位占地面积的百分比[27]。这种方法应用数码相机获取冠层图像，提取Cc，监测棉花氮素营养状况并对氮肥管理做出决策，具有快速无损的特点；但也有一定的局限性，理论上Cc的取值从0 到1，当Cc达到1 后不再增大，而棉花的含氮量还会继续增大，因此Cc达到最大值1 后，就无法准确评价棉花氮素营养状态。

5 遥感与光谱分析

遥感的理论依据是绿色植被指数（GVI）和绿度归一化植被指数（GNDVI）与叶片氮积累量有较好的相关性[28]。吴华兵等[29]利用高光谱地物光谱仪，找到了不同棉花品种叶片氮积累量的敏感光谱波段主要表现在波长600～700 nm 的红光波段和波长750～900 nm 的近红外波段，叶片氮积累量与波长672 nm 时的光谱指数NVD（归一化吸收深度）有密切的定量关系，且不同品种可以用统一的幂函数方程来描述，与蒋桂英等[30]得出的棉花叶片氮敏感波段 （波长630～690 nm，760～900 nm）比较接近。温鹏飞[31]利用Geeenseeker 主动遥感光谱仪获得冠层归一化植被指数（NDVI），估测棉叶氮营养诊断相关参数，建立了基于Android 系统平台的棉花营养诊断系统，可利用冠层NDVI值估测棉花干物质、群体叶面积指数、棉叶叶绿素含量、棉叶氮含量、棉花产量。棉花冠层NDVI值与棉花群体叶面积指数、干物质量、棉叶叶绿素含量、棉叶氮含量间存在一元线性关系，与棉花产量呈现二次曲线函数关系。石宏刚等[32-33]报道利用冠层NDVI值在盛花期和花铃期能估测棉花叶片氮素含量，预测棉株氮素积累速率。李新伟等[34-35]通过NDVI与产量的二次函数关系确定了北疆棉花盛蕾期、 花期、盛铃期和初絮期NDVI临界值，分别为0.695、0.833、0.881 和0.809，通过追肥模型得到盛蕾期、花期、盛铃期和初絮期实测NDVI值比该时期临界值减少0.001 单位所需的实际施氮量分别为0.24、0.91、1.11 和0.16 kg·hm-2。王方永[36]利用MSI200 多光谱成像测色系统估测棉花冠层和单叶的氮素营养状况，选择最常用的RGB（红、绿、蓝）模型和HIS（色调、饱和度和亮度值）颜色模型量化棉花冠层图像信息，发现颜色参数中的色调H与棉花冠层叶片含氮量极显著正相关，棉花冠层叶片含氮量与红光波段反射值R之间存在极显著负相关，而与G、B之间不存在显著相关。差值指数DI（R580，R680）＝R580-R680（波长为580 nm、680 nm 时红光反射值R的差值）是MSI200 估测棉花叶片含氮量的最佳指标，而（G-R）是数码相机估测棉花叶片含氮量的最佳指标。

由于遥感研究使用的光谱仪不尽相同，研究结果一致性较差，而且不易相互印证，此类研究结果需要与其他土壤和植株测试方法结合加以验证。

6 氮临界浓度稀释模型

“氮临界浓度”这一概念，由Lemaire 和Salette于20世纪80年代提出，是指作物获得最大生物量时作物所需要的最低氮浓度，在作物全生育期的任何时间点均存在一个氮临界浓度值。作物地上部的氮浓度与地上总干物质质量间可用幂函数方程表示：Nc＝aW-b，其中Nc（%）为地上生物量的氮浓度，W（1 000 kg·hm-2）代表地上总干物质质量，a、b 为系数。由此方程模拟的曲线称为临界曲线，在临界曲线以下，表示作物缺乏氮营养，在临界曲线以上，表示作物氮营养盈余，而临界曲线上的氮浓度值最适宜[37]。Xue 等[38]建立了长江中下游棉区和华北棉区氮临界浓度稀释模型（南京，Nc＝2.858W-0.131；安阳，Nc＝3.387W-0.131），提出南京点的适宜施氮量为240 kg·hm-2，安阳点的适宜施氮量为240～360 kg·hm-2。王子胜等[39]建立了东北特早熟棉区棉花的氮临界浓度稀释曲线模型（Nc＝4.377W-0.252），提出了该棉区最佳种植密度9.75 万株·hm-2条件下最佳施氮量为240 kg·hm-2。邹芳刚[40]建立了滨海盐土条件下棉花的氮临界浓度稀释模型 （大丰，Nc＝2.477W-0.149），提出滨海盐土较适宜的施氮量为300～375 kg·hm-2。马露露等[41]建立了北疆棉区滴灌棉花的氮临界浓度稀释模型 （玛纳斯，Nc＝4.45W-0.22），基于氮临界浓度建立的氮素营养指数模型 （NNI＝Ni/Nc，Ni为地上部实测氮浓度，Nc为氮临界浓度） 可作为滴灌棉花氮素营养的诊断指标，若NNI＝1，表明作物氮素营养水平正合适，高于1 为氮营养过量，低于1 则氮营养亏缺。由氮营养指数得到北疆滴灌棉花的适宜施氮量为240～360 kg·hm-2。氮临界浓度稀释模型建立需要实时测定棉花的氮浓度，而且需要进行不同氮梯度的大田试验，比较费工费时，但试验结果具有合理的生物学意义。

综上所述，国内棉花氮营养诊断和推荐施氮的研究文献报道以新疆棉区居多，内地棉区相关研究有待加强[42]，学者们运用不同的氮营养诊断方法在各自的大田试验得出了较理想的结果，为当地的棉花氮营养诊断和氮肥推荐管理提供了有效指导。但该项技术缺乏大面积的实践验证，有必要在大范围内如在南疆、北疆开展氮营养诊断与推荐施氮技术的验证和推广，以真正服务于棉花生产，实现减氮增效，提高棉农收入。