基于SPAD的水稻氮素含量测量指标及模型研究

徐梅宣，陈飞帆，彭效东

（华南农业大学电子工程学院，广东 广州 510642）

0 引言

叶绿素浓度与植物光合能力及氮素状况有较好的相关性，叶绿素含量的监测已经成为评价植物长势的一种有效手段。水稻叶片中叶绿素含量的多少，既表明了它的生长状况和营养状况，又反映了它与外界发生物质能量交换的能力。叶绿素计能实时、快速和无损测定叶绿素相对浓度（SPAD值），近年来已被广泛应用于水稻、小麦、玉米等作物的氮素营养诊断和氮肥推荐[1-12]。作为一种触点式测量仪，其测量值随测量叶片、测量点、仪器操作等因素变化，因而选择合适的SPAD测量点构建最佳测量指标显得尤为重要。近年来，有研究者认为下位叶比上位叶更适合作为测定目标[9,10]。李刚华等[2]认为顶3叶是诊断水稻氮素营养状况及推荐水稻穗肥施用的理想指示叶。王绍华等[11]认为用顶4叶和顶3叶叶色差能较好地反应水稻氮素营养状况，抽穗期两者的差值可作为水稻估产的标志。目前，在SPAD 值测定叶位选择上存在分歧，对于哪种方法得到的SPAD值最能准确反映水稻植株氮素变化的问题，尚无定论。本文通过研究水稻冠层叶片的SPAD值的分布规律和变化特征受生育期、品种、叶位和叶片位点的影响，确定SPAD计诊断氮素营养状况的最佳测量指标，降低不同因素对SPAD值的影响，并建立基于SPAD最佳测量指标与水稻氮素营养的关系模型，为提高SPAD值与氮含量之间的相关性和SPAD仪的诊断精度提供依据。

1 材料与试验

试验采用完全随机试验设计，水稻试验品种为“新稻22”“新稻25”“9优418”“新粳优1号”，设置5种纯氮施氮水平，设2 kg/hm2、6 kg/hm2为缺量施肥，12 kg/hm2为适量施肥，18 kg/hm2、24 kg/hm2为超量施肥水平（5个氮素水平分别记为N0、N1、N2、N3、N4），栽插密度1.4万穴/亩（1亩=0.067 hm2），重复3次。小区间作埂隔离，保证各小区单独排灌。试验于8月16日播种，8月30日移栽。N肥运筹为基肥∶蘖肥∶穗肥=4∶3∶3，基肥整地时施入，蘖肥于秧苗移入大田1周施入，穗肥于倒4叶施入。P、K肥使用过磷酸钙（含量12.5%）和氯化钾（含量60%），N、P、K肥的施肥比例是1.0∶0.8∶1.0，同常规栽培，每hm2施过磷酸钙全部用作基肥，氯化钾在基肥、穗肥的比例为1∶1，其它管理措施统一按常规栽培要求实施。

2 数据处理及分析

在每个试验小区内选取（去掉周围3行3列以防止边界效应）1m2范围作为测量小区，选择测量小区内的平均量样本（小区内所有水稻的分蘖数，再除以株数即为平均数，寻找小区内的接近平均量的水稻即为平均量样本）作为测试水稻植株。本文选用日本Minoha公司生产的SPAD-502型叶绿素仪，分别在分蘖前期、分蘖中期、拔节前期、拔节中期、孕穗期，抽穗期对水稻叶片SPAD值进行测量。

2.1 测量稻叶及测量点的选取

水稻主茎顶1、顶2、顶3叶及顶4叶的SPAD值都被用于水稻氮素研究[9-17]，但是顶4叶出现较晚且位置较低，易被稻田水浸蚀，本次研究选取水稻顶1、顶2、顶3叶作为研究对象，为了解稻叶的SPAD变化，每片稻叶上从叶基到叶尖等间距选取9个采样点进行测量，水稻叶片SPAD值采样点示意图见图1。

图1 水稻叶片SPAD值采样点示意图Fig.1 Sampling point in rice leaf using SPAD

观察水稻5个氮素水平下主茎顶1叶、顶2叶、顶3叶叶面各测量点的SPAD值变化情况，如图2所示。从图2中可见，不同氮素水平下，其SPAD值也不相同，叶面的叶绿素值随着氮素水平提高而提高，每片稻叶中各叶测量点的SPAD从叶基到叶尖呈现轻微起伏上行的趋势，靠近叶基部分的叶绿素值略大于叶尖部分。稻叶的叶尖区域、中间区域及叶基区域内3个测量点的SPAD值变化不大，但是区域间SPAD值变化较大。

图2 分蘖期不同叶片测量点SPAD值随氮素水平变化情况Fig.2 Different blade measuring point SPAD value change with nitrogen level

虽然同一叶片不同位点测得的SPAD值不同，但在田间试验中，若按每株水稻采集三片叶，每片叶采集9个点，测量工作量巨大，难以开展联合试验。因此，许多研究人员选择单一测量点的SPAD值代表稻叶SPAD值。有研究者认为水稻叶片距离基部1/2处的SPAD值较大且比较稳定，适宜作为获得叶片SPAD值的测量位点[12]。但也有学者认为，距离叶基部2/3处为更适合的测量位点[2]。郭晓艺等[13]主张不同时期选择不同的稻叶进行测量，不同稻叶上的最佳测量点也不相同。但是在试验中，在水稻分蘖期和拔节期早期，叶茎粗而叶面窄，在叶中和叶基区域，夹持点包含有叶茎部分，当夹子闭合不充分，采集到的SPAD值会下降（如图2c中N4曲线所示），这些误差需要剔除，而单点测量难以看出该误差，因此不易用单点的SPAD值代表整个叶片的SPAD值，所以在实际田间测试中，叶尖、中间及叶底区域均要采集。但测量稻叶及测量位点区分太细且太过复杂，难以普及推广。综上考虑本文采用以距叶片叶尖及叶基部各1/3处及叶片中间位置为SPAD测定位点，测得这3个位点的SPAD值后，计算其平均值作为该叶片的SPAD值。

2.2 不同氮肥水平和生长时期对叶片SPAD值的影响

水稻在分蘖期、拔节期、孕穗期和抽穗期等生育时期，生长发育的重点不同，氮素运化路径也有差异。在水稻的各个生长期，随着施氮水平的提高，不同施肥方案下叶片SPAD值基本呈现逐渐升高的趋势，如图3所示，在不同生长期，在不同氮素营养水平下主茎顶1、顶2、顶3叶的SPAD值变化情况。

在分蘖期，各稻叶的SPAD值基本随着氮素水平的增加而增加。分蘖早期，在低氮水平下，叶位SPAD值大小顺序为顶2叶＞顶1叶＞顶3叶，直方图呈现出凸字状；在高氮处理的情况下，顶1叶SPAD值增长迅速，叶位SPAD值大小顺序为顶1叶＞顶2叶＞顶3叶。由图3a中可见，随着氮素施肥量的增加，顶1叶的SPAD值幅度变化最大，说明在该时期顶1叶对于氮肥丰缺的敏感性高，可作为该时期的指标叶。由图3b中可见，在水稻分蘖中期，低施氮水平处理的顶1叶SPAD值较小，处于中间叶位的顶2叶和顶3叶SPAD值较高。分析原因，该时期的重点在植株茎叶的生长，叶位靠近土壤的的顶2和顶3叶的SPAD值较大，而顶1叶刚刚长出，氮素吸收还不完全，SPAD值也偏低。随着施氮水平提高，SPAD值由顶1叶至顶3叶逐渐变大，且顶3叶与顶2叶的SPAD值差异变小。可见，充足的氮素供应可以促进更多的叶片生长[12]。

在拔节期，各叶的SPAD值情况基本随着氮素梯度的增加而变大，如图4a，在拔节早期各叶位SPAD值大小顺序为顶3叶＞顶2叶＞顶1叶；此生长期中，顶1叶、顶2叶随氮素水平的增长变化趋势不明显，顶3叶的SPAD值增长变化较明显，顶1叶、顶2叶SPAD值相互比较接近，上位叶SAPD值明显低于下位叶。如图4b，拔节中期各叶位SPAD值随氮素梯度的增加而增长的趋势变缓，虽然下位叶SPAD值仍较高，但是上位叶和下位叶SPAD值差距变小。在此生长期，水稻拔节生长，茎干部的氮素营养供给较多，靠近土壤和底部的叶片得到了较多氮素养分供给，其SPAD值随着氮肥施肥量增加而增加，这也说明顶3叶对土壤的氮素变化比较敏感。

图3 各叶片SPAD值随氮素水平变化情况（分蘖期）Fig.3 SPAD value changes with nitrogen levels (tillering stage)

图4 各叶片SPAD值随氮素水平变化情况（拔节期）Fig.4 SPAD value changes with nitrogen levels (jointing stage)

水稻孕穗期和抽穗期的SPAD值的分布情况相似，由图5可见，低施氮处理的水稻从顶1至顶3叶SPAD值由小到大，三片叶子的SPAD值差距较大；而适量氮和高施氮处理的水稻顶1至顶3叶SPAD值差距很小。孕穗期氮素供给重点向稻穗的形成和发育转移，相对供给植株生长的氮素减少，原本氮素就供给不足的处理表现为较靠近中部叶顶3叶的SPAD值明显大于上位叶顶1、顶2叶，而氮素供给充足的高氮处理则与分蘖期情况相同，依然表现为叶子的SPAD值均增长较快，差距减少。表明氮素充足适量的供给有助于保障多张功能叶的氮碳平衡，并有利于提高产量[13-15]。

图5 各叶片SPAD值随氮素水平变化情况（孕穗、抽穗期）Fig.5 SPAD value changes with nitrogen levels(booting stage and heading stage）

以上分析可见，在水稻的生长过程中，水稻的顶1、顶2、顶3叶对水稻氮素营养供给均有重要作用，但对土壤氮肥的运化能力不同，因此，本文将顶3、顶2、顶1叶的SPAD平均值M123作为SPAD测量指标。

2.3 不同水稻品种的SPAD值随氮肥胁迫水平变化情况

在氮素需求旺盛的分蘖期和拔节期，各品种的SPAD值呈现出相似的规律，水稻的SPAD值随着氮素水平增加而增大。其中品种“新稻22”和“新稻25”对土壤氮肥施放量较敏感，不同氮素水平下水稻植株的SPAD值具有较大差异。在低氮素水平及适量氮水平下（N0、N1、N2），“新稻22”和“新稻25”的SPAD值明显比“9优418” “新粳优1号”高，在高氮素水平（N4）各品种水稻的SPAD值均有下降，但“新稻22”和“新稻25”仍然具有较高的SPAD值，说明这两个品种在生长过程中对氮素的需求量较大，且具有较强的氮肥运化能力，在田间的植株高度、叶片宽度、叶色都明显比其他的水稻品种好。从图6可见，适量的氮素营养能最大程度地促进水稻的叶茎生长，促进水稻的分蘖，但是过量的氮肥施放，超过水稻的氮素吸收能力后，不但不能达到预期效果，甚至可能影响水稻生长。

图6 不同生长期各水稻品种SPAD值随氮素水平变化情况Fig.6 Rice SPAD value changes with the level of nitrogenvat different growth stages

2.4 基于SPAD的最佳测量指标

表1分析了不同生长期，顶3叶等常见氮素营养敏感SPAD测量指标与本文提出的顶3、顶2、顶1叶的SPAD平均值M123比较[13-21]，并建立各特征值与水稻氮素营养的关系模型。据此得出基于SPAD的氮素营养检测建模的最佳测量指标。

表1 不同生长期不同水稻SPAD测量指标参数与水稻氮素含量的定量关系Tab.1 The quantitative relationship between spectral parameters and SPAD in tillering stage of rice

从表1中可以看出，综合比较4个生长期，测量指标三叶SPAD平均值与水稻氮肥水平均达到显著相关，远高于同期其他特征指标，说明三叶平均指标是反映水稻氮素水平的最佳测量指标，可以作为研究测量方法的建模依据。

3 结论

水稻主茎的顶3叶、顶2叶、顶1叶的三叶SPAD平均值能很好反映水稻氮素水平的变化，是水稻植株SPAD值的最佳测量指标，将其与水稻氮素梯度进行回归分析，结果显示均达到显著相关，在孕穗期相关系数R2为0.862 8，其他时期均达到0.91以上，远高于同期其他特征指标，说明三叶平均指标M123可以很好地反映水稻氮素水平，可以作为田间水稻氮肥施放判断依据。