棉花SPAD值推荐施氮模型应用与修正

吴湘琳，陈宝燕,2，蒲胜海，李 磐， 马红红,3，牛新湘，杨 涛,3，马兴旺

(1．新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所/农业农村部西北绿洲农业环境重点实验室，乌鲁木齐 830091； 2.乌鲁木齐市米东区农产品质量安全检测中心，乌鲁木齐 830011；3．石河子大学农学院资环系，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】2020年新疆棉花播种面积达3 752.85×104/667m2，产量占全国棉花总产量87.3%，总产、单产、种植面积、商品调拨量连续26年位居全国第一。常规方法测定获得土壤和植株养分含量耗时长，难以在5～10 d的短时间内对膜下滴灌棉花的追氮量进行推荐，而快速诊断施肥方法却有可行性。【前人研究进展】基于土壤Nmin的土壤氮含量速测推荐施肥方法[1]，基于叶柄硝态氮含量测定的植株氮含量速测推荐施肥方法[2]，基于高光谱的植株NDVI方法[3-4]，以及基于叶片叶绿素含量测定的SPAD值推荐施肥方法[5-7]等多种膜下滴灌棉花生育期追氮量推荐方法。测定SPAD值的叶绿素仪价钱相对便宜、操作简单，且推荐施肥方法快速，用于膜下滴灌棉花生育期快速推荐施肥有比较优势。建立该方法过程中，明确了应该测定棉花倒 4 叶的SPAD值以反映棉花的氮素营养状况[8，9-11]，测定叶尖SPAD值且避开叶片主叶脉[12-14]，SPAD 测定样本数对SPAD 均值准确性有影响，样本数为26～60 时样本数越大SPAD 均值准确性越高，SPAD 均值与叶片含氮量的相关性就越好[15]，建立了SPAD值与追氮量之间的若干模型用于推荐施肥[13,14, 16]。【本研究切入点】通常情况下，推荐施肥模型都是在特定的气候条件和种植模式下得到的，其应用范围、条件是否具有普适性还不明确，需要进一步对推荐施肥模型进行田间验证。研究棉花SPAD值推荐施氮模型应用与修正。【拟解决的关键问题】选取2个分别在新疆南疆和北疆建立的SPAD值推荐施肥模型进行田间验证，进一步优化完善SPAD推荐施肥模型，为新疆棉花精准推荐施氮提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验区位于新疆南疆巴州库尔勒市包头湖农场新疆农业科学院基地(E 85°52′,N 41°41′)。该区域地处中纬度地区，属典型的大陆气候，植棉规模、技术及产量都在南疆具有代表性。试验区属于典型干旱气候，年平均降雨量为56.20 mm，年平均蒸发量2 497.40 mm，年均日照时数2 878 h，≥10℃的积温4 252.20℃，无霜期205 d，地下水位2.00～2.50 m。前茬作物均为棉花，供试土壤为砂壤土，属于中等肥力土壤，耕层土壤0～30 cm土壤有机质为10.24 g/kg，速效氮为48.78 mg/kg，速效磷为20.36 mg/kg，速效钾为139.00 mg/kg，pH为8.20。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设3个处理：按照棉花生育时期测定SPAD值推荐施氮(N1)，按照棉花叶龄测定SPAD值推荐施氮(N2)，按当地高产模式进行推荐施氮(N3)；小区面积为4.8×6.9=33.33(m2)，3次重复，随机排列。

N1处理采用潘薇薇[16]建立的模型(M1)推荐施氮，该模型建立了棉花某一生育时期叶片SPAD测定值与该生育时期推荐施氮量的函数关系。

Nd=Nopt+a/b-SPAD/b. (M1)

其中：Nd为棉花某生育期推荐施氮量；Nopt为棉花全生育期总施氮量，由肥料效应函数计算得到；SPAD为某生育期的SPAD测定值；b为某生育时期的SPAD测定值与施氮量线性方程的回归系数；a为截距。

把潘薇薇[16]中的Nopt、a、b代入模型M1，得到推荐施肥公式，测定棉花某生育时期叶片SPAD值推算出该时期的氮肥追施量。表1

表1 N1处理推荐施氮公式和推荐施氮量Table 1 Formula and amount of recommended nitrogen application for N1 treatment

N2处理采用杨涛等建立的模型(M2)推荐施氮，该模型原理与M1相同，只是建立的是棉花某一叶龄期叶片SPAD测定值与该叶龄期推荐施氮量的函数关系。

Nd=Nopt+a/b-SPAD/b. (M2)

其中：Nd为棉花某叶龄期推荐施氮量；Nopt为棉花全生育期总施氮量，由肥料效应函数计算得到；SPAD为某叶龄期的SPAD测定值；b为某叶龄期的SPAD测定值与施氮量线性方程的回归系数；a为截距。

把Nopt、a、b代入模型M2，得到推荐施肥公式，测定棉花某叶龄期叶片SPAD值即可推算出该时期的氮肥追施量。表2

表2 N2处理推荐施氮公式和推荐施氮量Table 2 Formula and amount of recommended nitrogen application for N2 treatment

氮肥选用尿素(尿素含N 46.4%)，所有处理施纯P2O5186 kg/hm2(选重过磷酸钙，含P2O546%)，K2O为68 kg/hm2(选硫酸钾，含K2O 为40%)。所有处理全部磷肥和钾肥作基肥，磷肥和钾肥混匀后于播前撒施翻入土壤，氮肥的40%作为基肥，60%作为追肥进行施用。供试棉花品种为新陆中66号，采用覆膜种植，种植行距(10+66+10+66+10)cm，株距10 cm，1膜6行精量播种。其他农事管理同当地常规水平。

1.2.2 测定指标

棉花叶片SPAD值的测定[12-14]：用日本产的Minolta SPAD-502叶绿素仪[18]测定。选择晴好天气，在10：00～14：00测定。测定之前用SPAD仪校准卡进行仪器校准，达到仪器精度要求。每小区随机测定60个叶片，即60个SPAD值样本数。打顶之前测定倒四叶片叶尖SPAD值，打顶之后测定倒一叶片叶尖SPAD 值，测定时避开叶片主叶脉，每个叶片的SPAD值为棉花功能叶上4个位点测定值的平均值。

棉花产量的测定[19]：棉花吐絮期调查小区总铃数、总株数，计算单株铃数和公顷收获株数；各小区分3次随机取棉株上、中、下部位各50朵，测定单铃重。公顷籽棉产量=公顷收获株数×单铃重×单株铃数来计算籽棉产量。

1.3 数据处理

数据采用Microsoft Excel、SPSS.19.0等软件对数据进行整理分析、均值比较、方差分析以及t检验分析、相关性及拟合分析、概率分析等。

2 结果与分析

2.1 不同处理追施氮肥量与SPAD 值相关性

研究表明，N1、N2处理的追氮量与SPAD 值的相关性均呈线性关系，N1处理与SPAD值关系式为y=0.090 3x+46.618,R2=0.855；N2处理与SPAD值关系式为y=0.108 6x+48.666，R2=0.765。N1处理的追氮量与SPAD值的相关性要高于N2处理。图1，图2

2.2 不同处理对棉花产量构成的影响

研究表明，N1与N2处理籽棉产量、衣分差异不显著，单铃重差异达到显著水平。M1推荐的N1处理追氮量与M2推荐的N2处理追氮量对产量的影响差异不显著。表3

表3 不同模型推荐施肥的棉花产量构成因素Table 3 The components of cotton yield recommended by different models

2.3 不同推荐施氮模式处理的施氮量

2.3.1 不同推荐施氮模式处理的施氮量

研究表明，N1的追氮量417.45 kg/hm2高于当地高产的追氮量，N2的285.40 kg/hm2低于当地高产的追氮量，但是N1和N2的产量均明显低于当地高产产量。表4

表4 不同推荐施氮模式处理施氮量 Table 4 Nitrogen application rate under different recommended nitrogen application modes(kg/hm2)

2.3.2 N1与N2施氮量趋势比较

研究表明，在棉花各个生育时期，N1与N2的追肥量与棉花需肥量趋势基本一致，N1,N2在7月20日均达到施肥高峰。总体趋势分析：各时期N1的追肥量高于N2的追肥量，总体追氮范围在0～160 kg/hm2。图3

3 讨 论

3.1 SPAD值推荐施肥误差的来源

用叶绿素仪测定SPAD值来反映作物的氮素状况已经有很长的研究历史[7]，并且在玉米[17]、水稻、棉花[5，6，16]、苹果[18]等推荐施氮肥时得到应用。

研究2个推荐施肥模型是在试验基础上得到的，但换个地方应用时推荐施肥量高于或低于高产施肥模式的施肥量，产量却低于高产施肥模式的产量，可能的原因有：(1)M1和M2模型中的参数Nopt、a和b需要根据品种、土壤、气候条件修正。(2)所测定叶片的代表性不够。N1处理是把一个生育时期作为推荐施肥时段，棉花各生育时期的时间长短不一，有的时期包括了几个叶龄期，N2处理是按叶龄推荐施肥，但同一地块棉花个体即使在同一叶龄期其叶片发育程度也会不同，虽然是选择倒四叶测定，但SPAD值差异会比较大[9.10]。(3)叶片的测定部位不同。叶片不同部位测定的SPAD值差异较大[12]，研究是测定叶尖部位的SPAD值，但操作时测定点位总会有差异。(4)一个地块上测定的SPAD值的数量。SPAD值的样本数越大，其均值与叶片含氮量的相关性就越好[13]。

研究采用了优化的棉花叶片SPAD值测定方法，尽可能增大了SPAD测定值与棉花氮营养的相关性，而应用模型的地块与建立模型的地块不同，Nopt、a和b3个参数的偏离是导致模型应用结果不理想的主要原因。

3.2 SPAD推荐施肥模型的修正与应用

在应用推荐施肥模型时，因农作物品种、气候、土壤等条件的变化，模型参数需要进行一些修正[20]。

研究的M1和M2模型的推荐施肥原理、建立过程都是相同的，只是M1模型是在北疆石河子地区建立的，M2是在南疆库尔勒地区建立的；M1模型是推荐某生育时期的施氮量，而M2模型是推荐某叶龄期的施氮量。针对2个模型应用时存在偏差的问题，应该从2方面对模型进行修正[5-7]：(1)对SPAD值的测定方法进行优化，使用于推荐施肥的SPAD值与整块地棉花氮素营养状况的相关性最高。包括优化测定叶位、叶片上的测定点位、一块地上测定的叶片数量等，从棉花个体对这些方面的研究较多[9，10，12，16]，下一步就是从田块应用的角度对方法进行优化、规范。(2)对模型中的Nopt、a、b3个参数进行修正。这3个参数都是通过田间试验获得的，模型在一个地区应用时最理想的方式当然是做田间试验、获得参数、推荐施肥，但是时间周期长、成本高，有必要探索一种简单的模型修正方法。

表5 修正的M2模型推荐施氮公式Table 5 Optimization of M2 recommended nitrogen application model

以M2模型的修正为例。表2中用于叶龄期推荐施肥的公式是Nopt、a、b3个参数值代入M2得到，公式中的2个常数在某一叶龄期是常量，但从棉花整个生育期看在不同叶龄期是变量。从推荐施肥的原理和出发点考虑，可以认为试验区连续多年的棉花高产施肥方式下的施肥量(高产推荐施氮量)近似于理想条件下用SPAD值推荐的施氮量。首先，用已有的推荐施肥公式算出某一叶龄期实际推荐施氮量，及其与高产推荐施氮量的差值；第二步，假定该叶龄期推荐施肥公式中的2个常数为未知数；第三步，以此叶龄期的若干实测SPAD值、以及该差值与相应SPAD值的推荐施氮量之和(理论推荐施氮量)组成一组数据，若干组数据代入表2中的公式，计算出2个未知数，得到某一叶龄期修正后推荐施氮公式；第四步，得到M2模型各叶龄期修正后的推荐施氮公式。

4 结 论

4.1增大SPAD值与施氮量相关性需要在土壤、气候、管理模式变化时，对棉花SPAD推荐施肥模型中的Nopt、a、b3个参数进行修正；优化棉花叶片SPAD值的测定方法。

4.2修正SPAD值推荐施氮模型时可以利用原有模型的推荐施肥量、当地多年高产施肥量，通过反推快速得到当年就能使用的新推荐施肥公式。研究修正后的推荐施氮肥公式为：Nd=1 135.87-SPAD/0.082 6(5叶龄期，第1次追肥)；Nd=1 123.44-SPAD/0.087 3(7叶龄期，第2次追肥)；Nd=1 005.47-SPAD/0.098 7(9叶龄期，第3次追肥)；Nd=997.23-SPAD/0.097 6(11叶龄期，第4次追肥)；Nd=901.55-SPAD/0.048 3(13叶龄期，第5次追肥)；Nd=712.23.26-SPAD/0.927 0(15叶龄期，第6次追肥)。