基于叶片SPAD的棉花氮营养指数估算研究

哈发都曼，马露露,2，印彩霞,2，苏 维,2，李冬梅，丁怡人，吕 新,2，张 泽,2

（1石河子大学农学院，新疆石河子832003；2新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子832003)

0 引言

新疆是中国最主要的植棉区，棉花的种植面积占全国的76.08%，总产量占全国的84.94%。在棉花的栽培管理过程中，不合理的施用氮肥不仅降低肥料利用效率，造成肥料浪费，而且带来了严重的环境污染问题。因此，实时掌握生长过程中棉花植株的氮营养状况，构建高效科学的氮素监测与诊断方法，对确定合理施氮量，提高氮肥利用效率意义重大。

近年来，相关学者围绕番茄、赣花、水稻、玉米[1-4]等作物营养监测与诊断开展了研究。在SPAD研究方面，李鹏程等[5]研究发现棉花主茎功能叶的SPAD值可以作为衡量棉花衰老的标准之一；陈宝燕等[6]通过试验发现充足的氮供应显著影响蕾期后棉叶的SPAD值；赵犇等[7]发现小麦不同叶位SPAD值、NNI与氮水平呈正相关关系。在临界氮浓度研究方面，国内外在小麦[8]，马铃薯[9-10]，向日葵[11]等不同作物开展了相关研究，马露露等[12]通过建立棉花临界氮浓度稀释模型确定NNI，实现对滴灌棉花的氮营养诊断；薛向荣等[13]采用水培的试验方法确定了棉花叶片不同部位的SPAD值与氮营养之间的关系；邱才飞[14]发现不同氮肥施用策略与赣花叶片的SPAD值、叶片氮素水平之间呈显著线性关系，尤以主茎倒三叶最显著。综上，研究者对作物氮素养分进行快速监测和诊断的间接方法中，以SPAD仪的应用最为广泛，相关结果对快速、精准测定作物叶绿素含量及利用SPAD值来估算作物NNI具有重要意义。

氮肥是滴灌棉花施用量最大的肥料品种，其中70%～80%作为追肥随水滴施，对滴灌棉花的生长起着关键性作用，高效精准的确定作物营养需求状况是肥料合理投入的关键。本研究以滴灌棉花为研究对象，在探究不同施氮对棉叶SPAD和氮营养影响规律的基础上，构建叶片SPAD与NNI的相关关系，为棉花精准施氮提供模型与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

本研究于2017—2018在新疆生产建设兵团八师石河子总场进行，全年日照时长达2721～2818 h，年平均气温为5℃，≥10℃有效积温3570℃～3729℃，无霜期168～171天左右。试验点的土壤质地是沙壤土，0～20 cm耕地层土壤的有机物含量为19.2 g/kg，碱解氮为50.7 mg/kg，速效磷(P2O5)为19.7 mg/kg，速效钾为(K2O)160.0 mg/kg，田间持水量为29.5 g/m3，耕层土壤的重度是1.42 g/m3，田间的试验均是一年一熟种植。

供试的棉花品种为‘新陆早45号’，棉花于4月22日开始进行播种，先覆膜后人工播种。试验设置5个氮素水平：0、120、240、360、480 kg/hm2，分别以N0、N1、N2、N3、N4表示。试验设3次重复，按照随机区组的方式安排。试验采用膜下滴灌的方法，N肥（含氮量为46%）的施肥时间与当地农田一致。测试区的面积为25 m2(2.5 m×10 m)，棉花种植的模式为“1膜6行”种植，膜宽2.05 m，株距10 cm，行距配置为10 cm+66 cm，种植密度为19.0万株/hm2。试验地点是棉花的连续播种，东西方向，并设置了保护行。滴加出苗水，并根据当地高产栽培要求采取其他田间管理措施。

图1 试验小区田间布置图

1.2 测定内容与方法

1.2.1 数据采集 采样从棉花出苗后开始，到棉花吐絮期结束。2017—2018年的施肥日期和施氮比例见表1。施肥后5～8天进行采样，2017年采样时间为出苗后的第48、61、74、86、96、106、116、125天；2018年的采样时间为出苗后的第47、57、77、88、98、108、118天。采集及计算指标包括：棉花叶片SPAD值、不同器官的氮素含量、地上部生物量、临界氮浓度、NNI值。

表1 2017—2018年施氮灌水日期及施氮比例

1.2.2 棉叶SPAD值的测定 于每个试验小区中选择3株有代表性的棉花，采用SPAD-502型叶绿素仪分别对棉花叶片的底部、中部和上部进行测量（避开叶脉），最后将3次测量的平均数值作为该叶片的SPAD值。

1.2.3 不同器官的氮素含量和地上部生物量的测定 每次采样测定完棉花叶片的SPAD值后，将同一棉花植株取地上部分按茎、叶、蕾、铃不同器官分样，称量各部分的鲜重后，于105℃下杀青30 min，然后放在80℃的烘箱中使各器官干燥至恒重，并称量其干物质的重量。用粉碎机进行粉碎后，使用H2SO4-H2O2消煮-凯氏定氮法求出棉花各器官的总氮素含量，并计算单株棉花的氮浓度。成熟后分小区收获、测产。

1.2.4 棉花临界氮素浓度曲线模型的计算 临界氮素浓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浓度[15]。临界氮浓度模型见公式(1)。

式中，Nc，临界氮浓度，g/(100 g)；a，当地上棉花作物的生物量是1 t/hm2时棉株的临界氮素含量；Wmax，棉花地上部最大生物量，t/hm2；b，确定临界氮素浓度稀释曲线斜率的参数。

1.2.5 棉花NNI的计算NNI是棉花地上部氮素的实际含量与临界氮含量之比，用于确定植物的氮素营养状况。根据Lemaire[16]等总结得出的关于NNI的概念，其计算见公式(2)。

式中Ni，植株地上部分实际测得的氮素浓度，g/(100 g)，如果NNI=1，则说明植物的体内氮素营养水平合适，NNI＞1说明植株体内具有过多的氮素营养，NNI＜1表明植株体内氮营养缺乏。

1.3 数据处理与分析

数据处理及制图采用Excel 2016，显著性分析用SPSS19.0软件中的Duncan和LSD(Least-Significant Difference)进行。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理对棉花叶片SPAD的影响

图2显示了不同施氮条件下棉花叶片的SPAD随着棉花出苗时间的变化规律。分析发现，施氮对棉叶SPAD值的含量有明显影响，叶片SPAD值随氮肥施用量增加而增加。在出苗后101～113天各处理下的叶片SPAD值达到最大值，其中2017年为65.3～71.2，2018年为57.0～62.5，不同年份均在N4处理下SPAD值最大。棉花出苗后66天左右棉花SPAD值降至最低，主要是由于棉花由营养生长转为生殖生长，叶片绿度不断下降，施氮量仅为8%无法充分满足棉花对氮素的需求，而在出苗后97天施用氮肥比例为17%，在棉花的整个生育时期施氮量达到最大，棉花在该生长期的SPAD值也达到最大值，棉花出苗后104～123天，叶片SPAD值迅速下降，主要是由于棉花进入吐絮期，生殖生长逐渐减慢，营养生长逐步趋于停止，棉花对肥水的需求减少，棉花叶片养分不断减少导致叶片SPAD值降低。

图2 不同施氮处理下棉叶的SPAD值的变化趋势

2.2 不同生育时期棉叶SPAD值与氮浓度的关系

由表2可知，棉花氮浓度与叶片SPAD值呈现正相关关系，氮浓度随着SPAD值的增大而增大，通过拟合不同生育时期的氮浓度与叶片SPAD值的相关关系表明，出苗后100天的SPAD值与氮浓度间的线性方程拟合度最高，R2达到0.89；出苗后115天时拟合度最低，R2仅为0.49。由此说明，棉花叶片SPAD值可以反映棉花氮素含量水平，可以作为棉花地上部氮浓度的快速监测指标。

表2 不同生育时期SPAD值与氮浓度的关系

2.3 不同施氮处理对棉花NNI的影响

2.3.1 滴灌棉花地上部生物量和氮浓度的关系及临界氮浓度稀释模型的建立 由图3可知，滴灌棉花生物量与氮浓度呈负相关关系，地上部生物量随施氮增加而降低，且两者呈现幂函数关系。出苗后60～121天内，棉花地上部的生物量范围为2～30 t/hm2。在不同的施氮处理下分析实际测得的试验数据，发现相同的地上部分生物量其相对应的氮浓度值存在差异。根据Justes[18]、薛晓萍[19]、马露露等[12]建立临界氮浓度稀释模型的方法，计算得到本研究的临界氮素浓度的稀释模型为Nc=3.02Wmax-0.24。

图3 滴灌棉花地上部分的生物量与氮浓度之间的关系

2.3.2 基于NNI的滴灌棉花氮营养诊断 由图4可知，不同施氮处理下棉花的NNI总体呈现先增加后降低再增加的趋势，其值范围为0.75～1.16。出苗后45天各处理的NNI均小于1，主要是因为棉花苗期施氮比例仅为8%，且棉株对氮素的吸收量较少导致；出苗后76天不同氮处理下NNI值范围介于1.09～1.21之间，其中N3处理最高达到1.21，N4次之。在棉花出苗后87～97天整体呈下降趋势且NNI值均低于1（除出苗后97天的N4）主要是由于蕾铃期棉花营养生长与生殖生长并重，对氮素的需求较多，而施氮比例不足不能充分满足棉花的生长需求，故NNI值低于1；花铃期后NNI值又呈明显增加，主要是由于此时期以生殖生长为主，对养分的需求较少，而由于施氮比例较高引起的氮营养过剩现象。

图4 不同施氮处理下棉花氮营养指数变化分析

2.3 基于SPAD的棉叶临界氮营养诊断研究

本文采用2018年的数据分析棉花叶片SPAD值与NNI的关系，由图5可知，SPAD值和NNI呈正相关关系，SPAD值与NNI之间的相关性顺序为：97天＞117天＞87天＞57天＞76天＞66天，出苗后97天的相关性最好(R2=0.7395)，66天的相关性最差(R2=0.0513)，说明不同的生育时期SPAD值与NNI之间的相关性存在差，且随生育进程的推进和施氮量而变化。

图5 2018年滴灌棉花SPAD值与NNI的关系

2.4 滴灌棉花临界氮浓度稀释曲线模型的验证

采用2017年的数据对模型进行验证，通过2018年不同施氮处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)得到临界氮含量的模拟值，将临界氮浓度模拟值与计算值进行比较，结果如表3所示。模拟值和实测值的R2为0.18～0.76，均方根误差RMSE为0.058～0.217，说明模型的模拟性能较好，可以用于滴灌棉花的氮素营养诊断。

表3 滴灌棉花临界氮浓度稀释曲线模型的验证

3 讨论与结论

SPAD值是指植物叶片中叶绿素的相对含量，而氮素作为棉花增产增效的关键因素与SPAD值之间有着密切的关系。通过测定不同施氮处理下棉叶的SPAD值，对棉花的临界氮营养指数变化情况进行模拟，从而建立棉叶SPAD与NNI的关系模型，为棉花的氮素营养精确快速诊断提供理论支持。

从研究结果来看，棉叶的SPAD值与施氮量间存在较好的相关关系，这与前人研究结果一致[20-21]。其中，马宗斌等[22]的研究表明棉叶的SPAD值与缩节胺(DPC)之间也存在关系，随着棉叶厚度的不断增加，叶的颜色也逐渐加深，从而导致SPAD值增加，这与本文的研究结果一致，本研究发现在喷施DPC后，棉叶SPAD值增加。临界氮浓度稀释模型可以作为诊断棉花氮素营养变化的指标之一，本研究建立的棉花稀释模型为Nc=3.02Wmax-0.24，模型参数a与马露露等[12]的研究结果存在差异，说明模型的参数和土壤及环境气候有关，这与薛晓平等[19]的研究结果一致。值得注意的是，在用SPAD值监测棉花的氮素营养状况时不同叶位及测定位置的选择是影响试验结果的关键因素[23]，但本文在数据采集时未考虑到叶位对SPAD值的影响，故而研究结果与大田实际情况存在差异，因此还需进一步探讨不同叶位、不同测量位置对棉叶SPAD值的影响。

综上所述，在本试验条件下随着棉花施氮水平的不断增加，棉叶的SPAD值呈现逐渐增加的趋势，两年均是N4处理的SPAD值最大，2017年SPAD最大值为71.2，2018年则为59.8；在不同的氮素处理下，棉花地上部分的生物量随着施氮量的增加而增加，而氮浓度随着棉花的生长发育而降低；通过线性拟合分析，棉花叶片SPAD值与NNI之间呈较显著的正相关关系，其R2值最高达到0.74。本研究结果是在同一个生态点连续两年种植棉花的试验基础上得出的，还需要利用不同生态区和不同品种的数据加以进一步测试和检验。