不同施氮水平下水稻叶片SPAD变化趋势及其与产量的关系

杨海龙，杨佳恒，蔡金洋*

(1.嘉兴市农业科学研究院 水稻育种研究所 浙江 嘉兴 314016；2.舟山市农业农村局 农技推广中心，浙江 舟山 316300)

水稻是我国第二大粮食作物[1]，增施氮肥是水稻增产的重要技术手段，但如何科学地提高田间氮素管理水平和保障水稻增产是目前研究的重要方向之一[2]。水稻产量形成所需的营养物质60%～80%来自于叶片的光合作用[3]，田间氮肥不足会导致水稻叶片叶绿素含量降低、叶片光合作用减弱，最终影响水稻产量[4]。因此，研究叶片叶绿素含量与产量的关系，对改善水稻田间施肥有重要意义。采用SPAD叶绿素测量计(soil plant analysis development)可以快捷、方便和及时地检测水稻叶片相对叶绿素含量并且判断氮素营养状况[5]。李刚华等[6]研究指出，水稻叶片SPAD值与叶片含氮量和植株含氮量都有较好的相关性，用SPAD仪诊断氮素营养测定误差较小。苏云松等[7]研究表明，马铃薯叶片SPAD值能作为早期马铃薯产量筛选的指标，其叶片SPAD值和产量有较好的相关性。史力超等[8]试验证明，小麦不同生育期叶片SPAD值和产量间表现为二次曲线关系，在一定范围内小麦产量随着SPAD值增大而增大，当超出一个阈值之后，产量开始增加缓慢或者下降。目前关于水稻叶片SPAD值与产量的关系研究较少。因此，本文在前人研究的基础上分析不同施氮水平下水稻生育期内冠层叶片SPAD值变化趋势和分布规律，探索水稻各生育期叶片SPAD值与产量及其构成因素的关系，确定各生育期的叶片SPAD阈值，为田间氮肥合理施用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 处理设计

试验于2019年6月—11月在浙江省嘉兴市农业科学研究院(120°42′42″E，30°50′20″N)试验田进行，前茬作物为水稻，耕作层土壤有机质29.18 g·kg-1，全氮2.27 g·kg-1，速效磷13.42 mg·kg-1，速效钾55.17 mg·kg-1，pH 6.55。试验水稻品种为秀水134。

试验设置3个施氮水平，施肥量分别为0(LN)、200(MN)、400(HN)kg·hm-2。氮肥折合成尿素(含纯氮46.4%)，按基肥∶蘖肥∶追肥为4∶3∶3来施用。在施用基肥时，磷肥(P2O5)、钾肥(KCl)一次性施用，施用量分别为42 kg·hm-2和150 kg·hm-2。每个处理3个重复，小区面积9 m2，每个小区四周做成高30 cm、宽30 cm的田埂，并用农用PC膜覆盖田埂，保证各小区单独排灌，供试水稻材料于2019年6月2日播种，7月1日移栽，每穴2株苗，株行距20 cm×17 cm，田间水分、病虫害管理与当地常规栽培相同。

1.2 测定项目

1.2.1 SPAD值

采用SPAD-502叶绿素仪在拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期、乳熟期和成熟期测定叶片SPAD值，每个小区选择健康主茎测定其顶部叶片(成熟期测顶1～3叶)，测定时选择完全展开的叶片上1/3、中部和下1/3的位置，取平均值作为各叶片的SPAD值，取每个小区10棵水稻相同叶位的SPAD平均值作为该小区该叶位的SPAD值。

1.2.2 叶绿素降解速率

根据参考文献[3]计算抽穗期后叶绿素降解速率。叶绿素降解速率(V)=(Si-Si+1)/S×100%，其中i表示水稻物候期，i+1表示第i个物候期之后的一个物候期，Si表示该物候期叶片SPAD值。

1.2.3 产量及其构成因素

成熟期每小区选定1 m2作为测产小区，单独脱粒烘干后测定水稻产量。每个小区选择3穴稻株进行考种，主要分析穗长、有效穗数、结实率、千粒重、总粒数等。

1.2.4 数据分析

田间试验数据采用DPSv7.05和Microsoft Excel 2007进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平下水稻整个生育期内叶片SPAD值变化特点

表1表明，秀水134在不同施氮水平下SPAD值均出现了2次升降现象，表现在叶片颜色会出现2次黑-黄交替。在拔节期至孕穗期SPAD值开始下降，孕穗期至抽穗期SPAD值上升并在抽穗期达到最高值，在灌浆期至成熟期，SPAD值又下降。相同叶位，高氮(HN)和中氮(MN)处理的叶片SPAD值均会比不施氮(LN)处理高。

表1 不同施氮水平下水稻不同叶位的SPAD值

同一物候期冠层4张叶片SPAD值均在差异。不同施氮水平下，拔节期和孕穗期冠层4张叶片SPAD值由大到小表现为D4叶>D3叶>D2叶>D1叶，且LN条件下冠层4张叶片SPAD值间差异显著。在MN处理下，拔节期D1叶SPAD值与其余各叶位SPAD值存在显著差异，但D2叶、D3叶和D4叶之间SPAD值差异并不显著，孕穗期D4叶SPAD值与D1叶、D2叶、D3叶SPAD值存在显著差异；HN处理下，拔节期D1叶SPAD值与其余各叶位SPAD值存在显著差异，但D2叶、D3叶和D4叶之间SPAD值差异并不显著，孕穗期D1叶SPAD值与D3叶和D4叶SPAD值存在显著差异。说明增加氮肥施用可以降低营养生长阶段各叶位SPAD值的差异。水稻抽穗后冠层4张叶片SPAD值存在明显差异，其中SPAD值以D1叶为最高，由大到小具体表现为D1叶>D2叶>D3叶>D4叶。研究发现，在抽穗期LN处理各叶位的SPAD差值比MN和HN处理各叶位差值大。进入灌浆期，不同氮肥水平下各叶位SPAD值均开始下降，但LN条件下叶片SPAD值下降的更加明显。在成熟期LN处理D4叶大部分衰老变黄，无法测量，其余叶位SPAD值也不高。

2.2 不同施氮水平下水稻抽穗期后各叶位叶绿素降解速率

由表2可知，不同施氮水平下水稻在不同生育阶段的叶绿素降解速率不同。LN条件下D1到D4叶位的叶绿素降解速率逐渐增加，抽穗至灌浆期，D1叶的叶绿素降解速率最低为9.2%，D2叶、D3叶和D4叶分别为11.1%、11.2%和12.3%；随着生育期的推进，各叶位的叶片叶绿素降解速率开始加快，在灌浆至乳熟期D4叶叶绿素的降解速率发生剧增，D1叶、D2叶和D3叶分别为33.8%、36.6%和38.7%；乳熟至成熟期，D1叶、D2叶和D3叶的降解速率提高到39.1%、53.5%和58.6%。MN和HN处理各叶位叶绿素降解速率的变化趋势与LN处理不同，叶绿素降解速率随着生育期的推进表现为先增加后降低，MN处理D4叶和D3叶分别在灌浆至乳熟期、乳熟至成熟期叶绿素降解速率出现急剧下降。但HN处理随着时间的推移不仅没有观测到D4叶和D3叶在上述时期发生叶绿素急速剧变的情况，还发现降解速率有减缓的趋势。

表2 不同施氮水平下水稻抽穗后各叶位叶绿素平均降解速率 单位：%

2.3 不同施氮水平对水稻产量及其构成因素的影响

不同施氮水平会影响水稻产量及其构成因素。表3表明，HN和MN处理水稻产量分别比LN处理显著(P<0.05)增加了37.7%和24.7%，有效穗数分别增加了66.7%和27.8%(P<0.05)；千粒重分别增加1.8%和1.2%(P<0.05)，但不同施氮水平下结实率并没有显著变化，而HN处理每穗实粒数分别比MN和LN处理下降了11.00%和10.65%，但差异不显著(表3)。有研究发现施氮会促进水稻分蘖的增加，是否是因为水稻库容量一定，过量施氮引起的无效分蘖增加而最终影响结实率还需要进一步研究。

表3 不同施氮水平对水稻产量及其构成因素的影响

2.4 不同生育期冠层叶片SPAD均值与产量拟合关系

如图1所示，水稻整个生育期内冠层4张叶片的SPAD均值与产量之间呈二次曲线关系，这表明在一定范围内水稻预测产量随着SPAD值增加而增加，但超过一定阈值后产量增加速度减缓或者开始下降。各物候期冠层叶片SPAD均值与产量都具有较好的拟合效果，其中拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期、乳熟期和整个生育期叶片SPAD均值和产量的决定系数(R2)分别是0.82、0.70、0.79、0.87、0.94和0.90，叶片SPAD值和产量随着生育进程的推进拟合程度逐渐提高。一般将达到作物最大产量的SPAD均值称为最适值，产量90%～95%的叶片SPAD值作为测量的临界值[8]。因此，由表3的方程可以确定拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期、乳熟期和整个生育期水稻4张叶片SPAD均值的最适值和临界值分别为48.7和42.6、43.9和40.0、46.0和43.3、43.5和39.8、32.1和26.8、42.0和38.9。

图1 水稻各生育时期叶片SPAD值与产量的关系

2.5 不同叶位SPAD值与产量拟合关系分析

由表4可知，水稻各物候期不同叶位与产量的拟合效果不同。拔节期，SPADmean、SPADD3与产量的拟合关系较好(决定系数R2分别是0.82和0.78)，各叶位的拟合效果由大到小是Dmean>D3>D1>D4>D2。孕穗期，D2叶与产量的拟合方程决定系数仍是最低，D1叶决定系数最高，其决定系数由大到小是D1>D3=Dmean>D4>D2。抽穗期D3叶决定系数最高，D2叶决定系数有所提高，但仍是最低。灌浆期冠层4张叶片的拟合效果都比较好，但D4叶SPAD值的决定系数降至最低，不同叶位决定系数由大到小是Dmean>D3>D1>D2>D4，乳熟期则是Dmean=D1>D3>D2>D4，其中D4叶SPAD值的拟合效果较差。纵观整个生育期，可以用SPADmean值变化趋势来对收获产量进行预测。

表4 不同时期水稻叶片SPAD值与产量拟合关系

3 小结与讨论

本研究表明，水稻冠层叶片SPAD值在生育期内会出现“黑黄”交替的现象，增施氮肥会降低叶绿素降解速率。冠层叶片SPADmean和产量之间可以用二次函数进行拟合，随着生育期的进行，拟合程度会越来越高，拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期、乳熟期和整个生育期叶片的SPAD最适值和临界值分别为48.7和42.6、43.9和40.0、46.0和43.3、43.5和39.8、32.1和26.8、42.0和38.9。

不同施氮水平下水稻叶片均会出现SPAD值2次变化态势，即SPAD值从拔节期至孕穗期下降，进入抽穗期后开始上升，随着生育期的推进又开始降低，不同施氮水平都改变不了这种“黑黄”交替现象。这种生育期内出现的叶片SPAD值变化趋势与前人研究结果相同[2,5,9]。不同叶位SPAD值在不同生育期的分布规律不同，主要表现在冠层4张叶片SPAD值差异不同，尤其在低氮条件下，冠层4张叶片的SPAD值差异较大，但随着施氮水平的提高，差值减少。李刚华等[6]也发现，增加施氮量可以减少叶位间SPAD值的差异，俞敏祎等[10]推测氮素供应充足条件下，不仅可以满足水稻下部叶片的氮素营养也能满足上部新叶的生长。本次研究表明，营养生长阶段水稻D4叶和D3叶的SPAD值大于D1叶和D2叶，这可能是因为氮素从基部往上运输，靠近根部的SPAD值较大[10]；进入生殖生长阶段，上部D1叶和D2叶的SPAD值会大于D3叶和D4叶。水稻抽穗后D1叶、D2叶、D3叶和D4叶的叶绿素降解速率会剧增，降解趋势与前人研究相同[3]，但增施氮肥会减缓叶绿素降解速率。也有研究表明，抽穗后D1叶的含氮量会大于D2叶、D3叶和D4叶，说明其他因素会影响抽穗后各叶位的SPAD值[5]。

本次试验发现水稻产量随着施氮水平的增加而增加，这主要是因为有效穗数的显著提高。也有研究表明，一定氮肥范围内，施氮量增加对产量有正效应，但过度施氮会造成增幅减缓或者下降[11-12]。水稻各物候期内的冠层4张叶片SPAD值与产量会呈现二次回归曲线关系，即随着SPAD值增加产量表现出先增加后稍稍降低的趋势。史力超等[8]和杨虎[11]分别在小麦和水稻上发现了叶片SPAD值与产量呈现这种二次回归曲线关系，杨虎[11]认为可以通过生育期内叶片SPAD值对产量进行预测。欧阳杰等[3]研究表明，水稻叶片SPAD值与产量有直接关系，且灌浆期叶片叶绿素浓度与穗粒重有较好的相关性。Blackmer等[13]研究指出，作物在氮肥供应充足或者不足的情况下，其叶片SPAD值与产量都有很好的相关性，本研究结果与此相似。本研究基于叶片SPAD值与产量的二次曲线关系上确定了不同生育时期冠层叶片SPAD值最适值和临界值，以期在保证水稻产量的情况下为提高田间氮肥利用效率提供建议。