基于叶绿素荧光参数的滴灌棉花氮素营养估测模型

李冬梅，吕新，罗宏海，祁立敏，丁怡人，马金鑫，哈发都曼，马露露，张泽*

（1.石河子大学农学院/ 新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子832000；2.新疆生产建设兵团第八师石河子总场, 新疆石河子832000）

新疆是中国棉花主产区。 据统计，新疆棉花2018 年种植面积达到246.7 多万公顷，占全国棉花种植面积的74.3%，产量达83.8%，棉花产业已成为新疆主要支柱产业之一[1]。 氮肥是新疆棉花增产增效的主要限制因素[2]，适当增施氮肥能够促进植株生长和产量的增加，但是由于更多地追求高产，许多农户施用过多氮肥，往往导致氮素供给超过植株本身所需。 最终，不合理的氮肥施用不仅降低了肥料利用效率， 造成肥料浪费，而且还带来了严重的环境污染问题[3]。因此，实时了解生长过程中植株的氮营养情况，构建高效科学的氮素营养监测方法， 进而确定合理的施氮量，对提高氮肥利用效率和控制化肥总量意义重大。植株氮素精确估测是田间施肥管理的基础。 传统的植株氮素含量信息获取是将植株破坏性取样的实验室化验法，费时费力。 近年来，随着现代信息技术的发展，遥感、图像识别以及雷达等技术已被广泛应用于快速获取作物的生理、生化及养分丰缺信息[4-6]。 国内外在棉花、玉米、小麦等作物的氮素营养估测方面也取得了一定进展[7-10]。 同时，一些手持式或机载式光谱仪也被运用于大田生产，可以帮助农户快速获取作物的冠层光谱反射信息，并得到推荐的相应施肥方案。 目前，利用传感器监测作物的生长状况和预测产量具有可行性，但所获取的信息主要为冠层信息，且受地面土壤的背景光谱反射干扰、时效性、分辨率等影响，难以获得精确的植被信息，因此有待继续研究[11]。 叶绿素荧光参数与植物叶片氮素含量密切相关，已成为监测植物逆境生长和健康状况的新技术。 合理施氮能够提高植物叶片光能转化率和减少光能的非光化学损耗[12-14]。 随着施氮水平的提高，小麦叶片非光化学淬灭系数（qN）、最大荧光产量（Fm）以及 PSII 潜在光化学活性（Fv/F0）都逐渐增大，而光化学淬灭系数（qP）呈逐渐减小[15]。 在利用叶绿素荧光参数直接监测作物营养含量的研究方面，衡亚蓉等[16]利用叶绿素荧光参数技术准确评价了小麦的光合生产能力和预测小麦产量。Schchtl 等[17]利用激光诱导小麦冠层叶绿素荧光参数来监测植株的生物量。 Zivcak 等[18]利用叶绿素荧光指标来评价缺氮对小麦光合能力的影响，得出小麦光化学最大量子产率对氮素处理敏感性较差。 目前叶绿素荧光技术在作物营养监测方面的研究大多集中在玉米、小麦等方面，且多与逆境生理有关，但利用叶绿素荧光参数进行滴灌棉花氮素估测的研究鲜有报道。 因此，建立基于叶绿素荧光参数的滴灌棉花氮素快速监测模型，对于干旱区棉花滴灌精准施肥和高产高效具有重要的现实意义。

本研究在滴灌条件下开展不同施氮水平田间试验，通过分析不同施氮量对叶绿素荧光参数的影响，探明滴灌棉花不同叶位叶片荧光参数变化特征，进而筛选出与棉花氮素相关性较好的荧光参数，最终建立基于叶绿素荧光的滴灌棉花氮素营养估测模型，实现氮素无损、快速监测，为促进滴灌棉花合理施氮，提高氮素利用率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018 年在新疆第八师石河子总场花卉市场旁棉花地进行。 该地处中纬度地区，气候类型为温带大陆性气候， 无霜期为168～171 d，年降水量为125.0～207.7 mm。 该地区日照充沛，年日照时间为2 721～2 818 h，≥10 ℃活动积温为3 570～3 729 ℃。 试验小区土壤类型为壤土，40 cm 土层田间持水量 30.6%， 土壤容重为1.53 g·cm－3，土壤有机质含量为 22.13 g·kg－1，碱解氮 51.8 mg·kg－1。

1.2 试验设计

设置 4 个施氮量处理， 分别为 0（N0）、120（N1）、240（N2）、360（N3）kg·hm－2纯氮，其中 N0为对照组。 采用随机区组设计，重复3 次，小区面积为60 m2。 试验棉花品种为新陆早58 号，采用膜下滴灌种植，1 膜3 管 6 行精量播种， 株距10 cm， 行距配置为10 cm＋66 cm， 种植密度为21 万株·hm－2。 棉花于 2018 年 4 月 22 日播种，4月30 日出苗，9 月30 日收获。施肥方式为滴灌随水施肥，基追比为3∶7，灌水量为当地滴灌棉田一般灌溉量，全田施肥时间和灌水时间及其他田间管理均按当地高产栽培要求进行。

1.3 测定内容及方法

1.3.1荧光参数的测定。在棉花出苗后70 d、80 d、100 d、110 d、115 d 和 120 d 测定顶 2 至顶 5叶的叶绿素荧光参数。 测试仪器为PAM-2100 便携式调制式叶绿素荧光仪。在施肥灌水5 d 后，选择晴朗无云或少云的天气，采用3 人配合测定光适应及暗适应荧光参数。 每个小区随机选择长势一致的植株3 株， 测定前将选好的单株绑上红绳，并挂上序号牌，各植株按序号依次测暗适应下荧光和光适应下荧光测定叶片为顶2 至顶5叶（从棉花顶部开始往下数，第一片叶为顶1 叶，第二片叶为顶2 叶， 依次至第5 片叶即顶5 叶，分别用 L2～L5 表示）。在 12:00―16:00 期间测定光适应下最大荧光 （Fm'）、光适应下初始荧光（F0'），光适应下稳态荧光（Ft'），并于当 天 夜晚22:30―24:00 期间测定白天已测植株（完成光适应下荧光测定的植株）暗适应下最小荧光（F0）、最大荧光（Fm）、暗适应下稳态荧光（Ft）。 根据大田测定的荧光参数计算可变荧光（Fv）、光适应下可变荧光 （Fv'）、PSII 潜在最大光化学效率（Fv/Fm）PSII最大光化学效率（Fv'/Fm'）和PSII 实际光化学效率（ΦPSII），计算公式如下：Fv＝Fm－F0；Fv'＝Fm'－F0'；Fv/Fm＝（Fm－F0）/Fm；Fv'/Fm'＝ （Fm'－F0'）/Fm'；ΦPSII＝（Fm'-Ft'）/Fm'。

1.3.2叶片氮素含量测定。叶绿素荧光参数测定完成后，采集所测植株，按顶2 叶至顶5 叶分开，称其鲜物质质量，在105 ℃下杀青30 min，然后在85 ℃下烘干至恒重，记录其干物质质量。 采用H2SO4-H2O2消煮法消煮，凯氏定氮法测定顶2 至顶5 叶的全氮含量。

1.3.3数据处理与分析。使用Excel 2016 软件对数据进行初步处理和作图，用Spss 19.0 软件进行数据的相关和回归分析。 用均方根误差（Root mean square error，RMSE） 和标准化均方根误差（n-RMSE）对所建立的模型进行验证。 计算公式如 下式中xi为模拟值；yi为实际值；n为可供验证的样本数量。

2 结果与分析

2.1 施氮对棉花叶片氮素含量的影响

棉花叶片氮素含量是体现群体生长的重要生理指标。 由图1 可知，各叶片氮素含量在出苗后70～100 d 逐渐下降，在出苗后110～120 d 呈上升后下降的趋势。 其中在出苗后70～80 d、80～100 d、100～110 d 和 115～120 d，叶片氮含量分别下降为 10.28%～23.20% 、16.43%～38.55%、17.89%～35.94%和6.91%～15.29%。在出苗后70～100 d 棉花叶片中氮素含量下降时期， 棉花叶片中的氮素向棉铃运输和转化的能力逐渐增强，并随着棉铃的逐渐成熟，对氮素的需求明显降低， 使得叶片中的氮素含量变化幅度减小。 对不同施氮处理下叶片氮素含量进行比较，N2 处理下最高，其中 N2 与 N0 相比，在出苗后 100～110 d、110～115 d 和 115～120 d 的时候，N2 处理下叶片氮含量分别提高了11.65%～15.45%、18.34%～22.59%和24.73%～25.96%。在适宜施肥水平下， 不同叶位棉花叶片氮素含量变化明显， 在出苗后70～80 d 时总体表现为顶 3＞顶 2＞顶4＞顶5 叶， 随后表现为顶2＞顶3＞顶4＞顶5 叶。

图1 不同施氮处理下L2～L5 氮素含量动态Fig.1 Dynamic of nitrogen content of L2～L5 with different nitrogen applications

2.2 不同施氮处理对棉花叶片叶绿素荧光参数的影响

2.2.1对Fv/F0 和Fv/Fm 的影响。在叶绿素荧光测试中，植株叶片充分暗适应后，叶绿素荧光参数Fv/F0代表PSII 潜在光化学活性；Fv/Fm反应了植物叶片将吸收的光能转化为化学能的最大潜在效率，是光抑制的重要指标。Fv/Fm越高，植物叶片的光抑制程度越低。 从图2 可以看出，棉花出苗后 70～120 d， 叶片荧光参数Fv/F0呈 “快 - 慢 -快” 的下降趋势。 各氮素处理下叶片荧光参数Fv/F0均在出苗后70～80 d 下降最快，平均下降率达到26.14%，随后下降较缓（出苗后80～110 d）；出苗后 110 ～120 d 叶片Fv/F0平均下降率达14.25%。 荧光参数Fv/Fm随生育期的变化与Fv/F0相似，表明随着棉花生育期的后移，叶片潜在光化学活性和转化光能的潜力逐渐减弱。 另外，对不同施氮量下叶片荧光参数Fv/F0、Fv/Fm进行分析，得出 N2 处理下Fv/F0、Fv/Fm最大，但各施氮处理间差异不显著。 其中，出苗后 70～100 d，N2 处理下不同叶位叶片的Fv/Fm较N0 处理分别增加了 4.21%、3.15%、3.08%和 2.54%；Fv/F0分别平均增加了28.99%、21.55%、20.64%和 16.45%。 出苗后110～120 d，N2 处理下不同叶位叶片的Fv/Fm较 N0 分别平均增加了 4.42%、3.85%、3.18%和4.21%；Fv/F0分别平均增加了 33.01%、21.21%、20.71%和21.95%。 表明适当施氮有利于提高PSII 的活性，减小棉花生育后期光抑制程度。

2.2.2对ΦPSII 的影响。通过分析棉花叶片荧光参数ΦPSII随生育期的动态变化规律表明（图3），叶片荧光参数ΦPSII在出苗后70～110 d 下降较缓；出苗后110～120 d 下降最快，平均下降率达16.27%。 此外还发现在棉花出苗后70～120 d 过程中，N0 处理下叶片荧光参数ΦPSII的下降幅度较 N2 处理高，在出苗后 110 ～120 d，N0 处理较N2 处理下ΦPSII高4.74%， 表明施氮处理有利于缓解棉花生育后期实际光化学效率下降。 对不同施氮处理下叶片荧光参数ΦPSII进行分析可得，叶片ΦPSII值在不同氮素处理间差异不显著， 但N2处理大于其他处理。其中在出苗后70～110 d，N2处理下叶片荧光参数ΦPSII较N0 处理仅平均增加了 3.54%， 但在出苗后 115～120 d，N2 处理下叶片荧光参数ΦPSII明显高于N0 处理， 提高了8.06%， 表明提高施氮量有利于增大叶片PSII 的开放程度，提高实际光化学效率。

图2 不同施氮处理下L2～L5 叶Fv/F0 和Fv/Fm 动态Fig.2 Dynamic of Fv/F0 and Fv/Fm of L2~L5 with different nitrogen levels

图3 不同施氮条件下L2~L5 的ΦPSII 动态Fig.3 Dynamic of ΦPSII of L2~L5 underdifferent nitrogen levels

2.2.3对Fv'/Fm' 和Fv 的影响。 植物叶片光适应下，PSII 最大光化学效率Fv'/Fm' 反应了PSII 反应中心完全开放时的最大光能捕获效率，也称为最大天线转换效率。 由表1 可知， 叶片光适应下PSII 最大光能捕获效率Fv'/Fm'随着生育期推进呈逐渐降低趋势。 出苗后 70～100 d，顶 2 至顶 5 叶各处理下Fv'/Fm' 分别下降了19.56%～29.91%、23.84%～35.67%、13.73%～37.85%和 18.73%～46.89%；出苗后110～120 d 分别下降了30.98%～73.98% 、33.13% ～76.68% 、31.44% ～64.39% 和29.79～61.61%。出苗后 70～120 d，叶片Fv'/Fm'下降率逐渐增大，且在出苗后110～120 d 下降率最大，说明棉花吐絮期初期（出苗后120 d），叶片最大光能捕获效率下降较快，这可能是由于该时期叶片的衰老和施氮量的减少使得叶片光合作用受到较大抑制。 对不同施氮量下叶片荧光参数Fv'/Fm' 分析，发现出苗后70～110 d，未施氮处理下叶片荧光参数Fv'/Fm' 与施氮处理间差异明显，总体呈N2＞N3＞N1＞N0 的变化规律， 而且N2与N0 处理下叶片Fv'/Fm' 的差异随着生育期的推进逐渐增大，如在出苗后115 d 和120 d，N2 处理较N0 处理分别提高了32.45%和63.21%， 说明各叶片最大光能捕获效率对施氮量的变化较敏感，适量提高施肥量有利于提高叶片光能捕获效率。

由表2 可知，叶片荧光参数Fv在不同生育时期上的变化表现为先迅速下降后缓慢下降。 棉花出苗后 70～80 d，顶 2、顶 3、顶 4 和顶 5 叶Fv降幅 分 别 平 均 为 36.81% 、34.02% 、26.82% 和50.66%；出苗后100 d，降幅分别为出苗后80 d 的1.28、1.57、2.02 和 1.38 倍；出苗后 100～110 d，叶片Fv下降幅度为3.45%～7.81%。 说明在盛铃期（出苗后80 d 左右）叶片光合电子传递效率较高，这对促进棉铃的生长发育具有重要意义。 而在出苗后115～120 d 叶片Fv下降率达24.61%， 表明始絮期（出苗后120 d），营养生长和生殖生长逐渐趋于停止， 使得叶片光合能力也呈现迅速下降趋势。 不同氮肥处理下叶片Fv值均表现为施氮处理显著高于对照处理，其中N2 处理下Fv值最大。

表1 不同施氮处理下L2~L5 叶绿素荧光参数Fv'/Fm'动态Table 1 Dynamic of chlorophyll fluorescence parameters Fv'/Fm'of L2~L5 under different nitrogen levels

2.2.4基于叶绿素荧光参数的滴灌棉叶片氮素估测模型构建。将叶片氮素含量与荧光参数进行相关分析（表3）发现，各叶位叶片氮素含量与不同荧光参数之间均呈极显著的相关关系，其中与荧光参数Fv、Fv'/Fm' 之间相关性较其他荧光参数好，相关系数均达到0.8 以上。进一步以棉花主茎顶2 至顶5 叶氮素含量为因变量，各荧光参数为自变量， 构建了基于荧光参数的氮素估测模型，结果表明不同叶位叶片氮素含量与荧光参数ΦPSII和Fv'/Fm' 都呈较好的指数函数关系，与荧光参数Fv、Fv/Fm、Fv/F0呈良好的线性函数关系。以决定系数R2越接近于1 则构建得模型的模拟效果越好为标准， 得出各叶片氮素含量与荧光参数Fv、Fv'/Fm' 构建的模型的模拟效果较好，各叶片氮素含量与荧光参数Fv'/Fm'所建的模型的决定系数在0.7 以上， 与Fv所建的模型的决定系数在0.9左右。

表2 不同施氮处理下L1～L5 叶绿素荧光参数Fv 的动态变化Table 2 Dynamic changes of chlorophyll fluorescence parameters Fv of L2~L5 under different nitrogenlevels

2.2.5基于叶绿素荧光的滴灌棉花氮素估测模型的验证。利用24 个检验样本数据对模型进行拟合分析，采用均方根误差（RMSE）和标准化均方根误差（n-RMSE）来评价模型的精准度。从表4可以看出，各荧光参数建立的棉花叶片氮素含量模型的标准化均方根误差（n-RMSE）总体较小，说明各模型的模拟性能均较好，利用不同叶位叶片荧光参数监测滴灌棉花氮素营养状况具有一定的可行性。 同时，顶2 叶和顶5 叶氮素含量与荧光参数Fv和Fv'/Fm' 建立的模型的n-RMSE值较其他参数好（表4），且建立的模型的决定系数较其他参数高（表3），因此本研究选择顶2 和顶5 叶氮素估测模型做模型的模拟值与实测值的1∶1 直方图，如图 5 所示，顶 2 叶和顶 5 叶氮素含量与荧光参数Fv'/Fm' 所构建模型的n-RMSE为12.70%和15.05%，与荧光参数Fv所构建模型的n-RMSE最小，分别为8.42%和7.75%。综上所述，构建的棉花不同叶位氮素含量估测模型具有一定的可行性，可以根据不同叶位择优选取估测模型，本研究确定滴灌棉花顶2 和顶5 叶与荧光参数Fv'/Fm' 和Fv所建的模型的精确度和拟合效果较好。

2.3 不同施氮对棉花产量的影响

由表5 可知，施氮处理下棉花产量明显高于对照处理。 与 N0 相比，N1、N2 和 N3 处理分别提高了8.35%、21.90%和16.98%， 表明棉花产量随着施氮量增加呈先上升后下降的趋施。 进一步对不同施氮下棉花产量差异显著性进行分析，得出N2、N3 处理与对照组间差异显著， 但各施氮处理间产量差异不显著，表明在本试验中，N2 处理为较适宜的施氮水平。 此外，上述结果得出在N2 处理下棉花叶片氮素含量最高， 说明植株叶片氮素含量与产量提升密切相关，适当施肥促进了植株叶片的生长，为最终产量形成提供充足的物质来源。

3 讨论

3.1 施氮对棉花叶片氮素含量及产量的影响

施氮处理下棉花叶片的氮素含量较对照处理高， 其中N2 处理下叶片氮素含量最高，N3 处理的叶片氮素含量与N1 和N2 处理的叶片氮素含量之间的差异较小，说明在本试验中，N3 处理会影响植株对肥料的吸收效率， 造成肥料的浪费，属于过量施肥。 在棉花出苗后110～115 d，叶片氮素含量有所上升，这与雷耀湖等[19]发现的棉花叶片在盛铃期后吸氮量增加的结论相符。 N2处理下棉花叶片的氮素含量与N0 处理下的差异随着生育期的后移逐渐增大， 在出苗后120 d 时最大，达到20%以上，表明了适当施氮有利于棉花生育后期维持较高的叶片氮素含量，为顶部尚未完全成熟的铃的继续生长发育提供较足够的物质基础，这对防止棉花早衰，提高棉花最终产量具有重要意义。 此外，N2 处理下棉花产量较其他处理高，表明在本试验地中，N2 处理为较适宜的施氮水平，该水平与前人的研究结果相似[20]。

3.2 施氮对棉花叶片叶绿素荧光参数的影响

图5 氮素营养估测模型的验证Fig.5 Validation of nitrogen estimation Model

表5 不同施氮处理对棉花产量的影响Table 5 Effects of different nitrogen levels on cotton yield

适当施氮有利于提高各叶片的PSII 的电子传递最大潜力和光照条件下的光化学效率，改善叶片的光合能力[21-22]；而过量施氮和缺氮都在一定程度上抑制了植物PSII 活性，降低了光能转换率，影响光合作用。该结论与骆永丽等[23]得出的小麦花后PSII 潜在最大光化学效率Fv/Fm和实际光化学效率ΦPSII随着供氮水平的降低而逐渐降低的结论相符，与鲁珊等[24]得出的叶绿素荧光参数值的变化不与施氮水平呈正比，仅在一定范围内表现为随着施氮水平的增加而增加的结论相符。这可能是由于棉花出苗70 d 前过量施氮，植株生长旺盛，群体内部通风、光照等条件逐渐恶化，使得生育后期PSII 的潜在光合活性和光合效率降低，这些差异都为荧光定量反演棉花叶片氮含量的提供了依据。 此外，在出苗后120 d，N2 处理下叶片荧光参数Fv'/Fm'和Fv与N0 处理下的差异较出苗115 d 前大， 表明合理施氮可以提高棉铃成熟后期主茎功能叶的光能捕获效率和电子传递效率。 随着生育期的推进，棉花上部叶片氮素含量和各荧光参数值均表现为逐渐下降，该结论与吉彪等[25]的研究结果相符。

3.3 基于叶绿素荧光的滴灌棉花氮素估测模型的建立与验证

棉花叶片氮素营养状况是决定高产的关键因素，叶绿素荧光是植物光合作用的有效探针[26]。本试验通过分析棉花不同叶片氮素含量与叶绿素荧光参数的关系，发现各荧光参数与叶片氮素含量呈不同的指数函数和线性相关关系，且各叶片的氮素营养估测模型差异较大。 基于荧光参数Fv'/Fm' 与Fv建立的回归方程中顶5 叶的荧光参数Fv与其氮素含量之间建立的线性模型的精确度和模拟性能最好。董合忠等[27]研究指出大田棉花顶5 叶的净光合速率最高， 且同一光温条件下，上部叶片的净光合速率较下部叶片的净光合速率低。 余渝等[28]提出棉花打顶后顶2 叶光合速率最大。 以上结论表明，顶部叶龄越高的叶片其光合能力越强，荧光参数Fv反演叶片氮素水平越好，因此，顶5 叶可作为荧光监测棉花氮素含量的主要功能叶。 此外，本研究建立的模型与马吉峰等[29]建立的麦稻氮素含量与荧光参数Fv/F0、Fv/Fm、Fm、Fv和F0的幂指数函数模型有差异。说明在不同作物间，叶绿素荧光参数与氮素含量存在不同程度的相关关系，利用叶绿素荧光参数监测作物叶片氮素水平具有可行性。

叶绿素荧光参数的测定易受测定温度、光照等条件的影响，同时野外测定可能会影响荧光参数对叶片氮素含量的反演精度。 目前利用叶绿素荧光参数监测棉花氮素营养方面的研究较少，因此，今后还需要在不同地区、不同试验条件下对本试验的结论进行检验和评价，以提高本研究的广适性和可靠性。

4 结论

构建并验证了基于叶绿素荧光参数的滴灌棉花氮素估测模型。 通过对模型的检验，得出棉花顶5 叶荧光参数Fv与氮素含量构建的模型：y＝0.002 2x＋1.6243 的模拟效果较好，决定系数达到0.928，呈极显著相关关系。 因此，利用叶绿素荧光参数估测棉花叶片氮素含量具有可行性。适当施氮能够提高棉花叶片PSII 反应中心潜在最大光化学效率（Fv/Fm）、潜在光化学活性（Fv/F0）、电子传递效率（Fv）和最大光能捕获效率（Fv'/Fm'），缓解棉花始絮期叶片光合能力下降，这对防止棉花早衰具有重要意义。

棉花出苗70 d 后，叶片氮含量随植株生育进程逐渐降低，适当施氮有利于提高棉花叶片氮素含量和产量，延缓叶片的衰老进程，从而促进增产增效。