麦后移栽棉氮素营养诊断与追肥模型

谭京红，吴启侠，朱建强，佘子浩，柯鑫瑶，马泓雨

(湿地生态与农业利用教育部工程研究中心/长江大学农学院，湖北荆州 434025)

0 引 言

【研究意义】江汉平原是湖北省的主要棉产区，棉花种植面积占湖北省棉花种植总面积的70%左右[1]，主要以麦后移栽棉为主。麦后移栽棉，以伏桃和早秋桃为主[2]，其主要配套施肥技术有施足蕾肥和重施花桃肥，即麦后移栽棉总施肥量70%以上集中在蕾期和花铃期，特别是氮肥主要集中在这2个生育期。棉花蕾期、花铃期对氮素需求量大，对氮素敏感，相关氮素营养诊断指标在一定程度上反映了移栽棉体内氮素营养状况，随着生育期的推进，氮素营养诊断指标与施氮量的相关系数有降低趋势[3]。研究麦后移栽棉花蕾期、花铃期适宜氮素营养诊断指标变化，用于指导麦后移栽棉花科学施肥，对麦后移栽棉肥料的减量增效有重要意义。【前人研究进展】氮素营养快速诊断主要有以硝酸盐诊断为代表的传统氮素营养诊断，和以叶绿素仪测量、高光谱遥感为代表的现代无损氮素营养诊断[4-5]。棉花植株叶柄硝态氮含量可以指示棉花氮素营养状况，在新疆棉区建立了基于棉花叶柄硝酸盐含量的氮肥推荐模型[6-8]。SPAD-502能快速测定棉叶的叶绿素含量相对值(SPAD)[9]，且这种关系不受品种和生育时期的影响[10]，已在水稻[11]、小麦[12]、玉米[13]、油菜[14]等作物中开展了利用叶绿素仪进行氮素营养诊断的研究，可以利用SPAD值进行推荐施肥。以棉株倒4叶SPAD值为氮素营养诊断指标建立的氮素推荐模型在新疆棉区得到广泛应用[15-16]。近年来，光谱诊断可以快速、灵敏地反映作物的氮营养状况，推荐施肥用量[17-18]。遥感技术的理论依据是绿色植被指数和绿度归一化植被指数(GNDVI)与叶片氮积累量有较好的相关性[19]。李新伟等[20]建立了北疆棉花各生育期冠层归一化植被指数(NDVI)临界值，并结合氮肥效应函数建立光谱氮素推荐模型。【本研究切入点】基于硝酸盐、叶绿素仪和高光谱遥感的氮素诊断技术在棉花上均有突出表现，但主要集中在新疆棉区，而关于长江流域棉区特别是江汉平原棉区麦后移栽棉氮素营养诊断少有涉及。研究江汉平原麦后移栽棉氮素营养诊断与追肥模型。【拟解决的关键问题】分析棉花倒4叶SPAD值、叶柄硝酸盐含量、高光谱参数与施氮量、产量的关系，研究江汉平原高产棉田麦后移栽棉花的适宜氮素营养诊断指标，结合氮肥效应函数建立氮素追肥推荐模型，为棉花减氮增效生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验地位于长江大学农业科技产业园。该区域属东部季风农业气候大区、北亚热带农业气候带、长江中下游农业气候区，试验时间为2019年5～11月。土壤为中壤，有机质19.00 g/kg，全氮1.62 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾分别为107.25、23.51、106.77 mg/kg，pH 7.5。图1

供试品种为中棉所63号，每个小区88株，行距1.0 m，株距0.5 m。棉花采用营养钵育苗，棉苗达3～4叶时移栽(2019年5月26日)。棉苗成活后(6月1日)开沟施苗肥，沟深15～20 cm，距棉株15～20 cm。2～4台果枝(7月7日)开沟施蕾肥，7月27日开沟施花铃肥。其余管理采用当地常规模式。

试验采用江汉平原推广的麦棉轮作模式，小麦收获时秸秆全量还田，小麦收获后采用旋耕机耕整田块2遍，一次性完成旋耕和起垄作业，确保小麦秸秆还田深度不低于10 cm，厢宽2.2 m，厢沟深0.2～0.3 m。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验采用单因素(氮素用量)随机区组设计，设置6个施氮处理：0、90、180、270、360、450 kg N/hm2，分别记为N0、N90、N180、N270、N360、N450。氮肥按苗肥∶蕾肥∶花铃肥=3∶3∶4的比例施用。各处理磷肥(P2O5)、钾肥(K2O)用量为90、150 kg/hm2，磷肥、钾肥按苗期和蕾期6∶4、3∶7的比例施用。每个小区设置1厢，厢长22 m，厢宽2.2 m。每处理设置3个小区，小区之间起垄包膜，防止厢间串水。

1.2.2 测定指标

7月7日(施蕾肥前)、7月27日(施花铃肥前)09：00～12:00于各小区选取长势一致的棉株10株，采用ASD FieldSpec Hand-Held 2便携式高光谱仪测定其冠层光谱反射率，该仪器波长范围为325～1 075 nm，采样间隔为1.4 nm，光谱分辨率为<3 nm@700 nm，视场角25°，所有观测均选择在晴朗无风天气。测量时，光谱仪传感器探头垂直向下，距冠层顶部垂直高度约1.0 m，测量前进行标准白板校正(标准白板反射率为1，测得目标物体光谱是无量纲的相对反射率)。

采用SPAD-502型手持式叶绿素仪测定该10株棉花倒4叶SPAD值，1片叶片测量3个点(测定时避开叶脉)，取其平均值作为该叶片的SPAD值。

测完SPAD值后将该倒4叶的叶柄带回实验室，用水杨酸法测定叶柄硝酸盐(Nitrate，NIT)含量。

1.2.3 计算

参照李岚涛[41]在油菜上的分级标准，将基于线性加平台计算出产量潜力的95%(4 429.40 kg/hm2)作为临界值，低于该值即为缺乏，高于该值即为丰富，确定麦后移栽棉氮素诊断指标各生育期临界值。采用线性加平台模型拟合最佳氮肥用量：

线性加平台肥效模型：Y=a+bN(N≤C)；

Y=P(N>C)。

(1)

式中，Y为棉花产量(kg/hm2)，x为氮肥用量(kg/hm2)，a为截距，b为回归系数，C为直线与平台的交点，P为平台产量(kg/hm2)。

1.3 数据处理

相关24个光谱参数，分析光谱参数与施氮量的相关性，筛选出江汉平原麦后移栽棉氮素营养诊断指标的光谱参数。采用决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)判断适宜氮素诊断指标与前期施氮量的关系模型的适用性。其中R2用以判断模型拟合优度，RMSE用于检验模型的估测可靠程度。试验数据利用DPS对试验所得数据进行方差分析，其中多重比较借助最小显著差异法(LSD法)，显著水平P<0.05。采用Microsoft Excel对数据进处理作图。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平下棉花SPAD、NIT及冠层光谱反射率

研究表明，不同氮肥处理间移栽棉倒4叶SPAD值、倒4叶叶柄NIT含量及冠层光谱反射率差异较大。随施氮量增大，蕾期、花铃期期倒4叶SPAD值均呈增加趋势(蕾期N450处理除外)；随施氮量增加蕾期倒4叶叶柄NIT含量显著增加，当施氮量高达360 kg/hm2时花铃期倒4叶叶柄NIT含量不再显著增加。

不同施氮水平下移栽棉冠层高光谱反射率变化特征基本相似，在400～500 nm的蓝紫光波段与620～700 nm的红光波段，由于叶绿素强烈吸收辐射能进行光合作用而形成2个吸收谷；在这2个吸收谷之间，即绿光波段(510～560 nm)，吸收较少，形成反射峰；700 nm后进入近红外波段，反射率急剧增加，形成一个高的反射平台。图2

2.2 氮素诊断指标与前期施氮量关系

研究表明，蕾期、花铃期倒4叶SPAD值、叶柄NIT含量与前期施氮量均呈极显著相关，其相关系数(r)均大于0.9，可敏感反应麦后移栽棉氮素丰缺状况。在24个高光谱参数中，蕾期、花铃期与前期施氮量均呈极显著相关性的有GNDVI、RVI-1、RVI-5、RVI-7、VOG、CIgreen、SR705、mND705、NDSI、RSI、DCNI、ND705共12个高光谱参数，除RVI-5、CIgreen、DCNI外其余相关系数(r)均大于0.8，可敏感反应麦后移栽棉氮素丰缺状况。表1

表1 氮素诊断指标与前期施氮量相关性Table 1 The correlation between the nitrogen application amount and the N diagnostic index

采用一元二次方程较好拟合各适宜氮素诊断指标与前期施氮量的关系，蕾期各决定系数(R2)分别为0.890、0.975、0.901和0.914，花铃期分别为0.935、0.942、0.892和0.902。图3

2.3 适宜氮素诊断指标各生育期临界值

研究表明，拟合得出江汉平原麦后移栽棉最适宜施氮量，为310.64 kg/hm2，产量潜力为4 662.53 kg/hm2。图4

研究表明，蕾期麦后移栽棉倒4叶SPAD值、叶柄NIT含量、冠层RSI和mND705临界值分别为34.802、2.307、1.526和0.549，花铃期各氮素诊断指标临界值分别为34.841、4.174、1.589和0.619。表2

表2 适宜氮素诊断指标各生育期临界值Table 2 The critical value of the appropriate nitrogen diagnostic index at various growth stages of cotton

2.4 氮肥追肥模型构建

研究表明，蕾期、花铃期各氮素诊断指标值和Ncon(前期氮肥用量)之间具有一元二次回归关系为

(2)

各生育期阶段追肥量Nd为：

Nd=Nopt-Ncon.

(3)

将式(2)带入式(3)，结合棉花施氮肥实际，得到基于各氮素诊断指标的追肥模型：

(4)

式中，RNx为各氮素诊断指标值，Nopt为总施氮量，310.64 kg/hm2，a为各氮素诊断指标与前期施氮量抛物线方程二次项系数，b为一次项系数，c为常数。将a、b、c值带入式(4)，得到蕾期、花铃期氮肥推荐追施模型。表3

表3 各生育期氮肥追肥模型Table 3 Recommended nitrogen application model at various growth stages of cotton

3 讨 论

倒4叶叶柄硝酸盐含量可作为江汉平原麦后移栽棉蕾期、花铃期氮素诊断指标，其蕾期、花铃期临界值分别为2.357、4.098 mg/g。刘宏平等[42]报道新疆南疆尉犁县棉花盛蕾期、初花期、盛花期和初铃期叶柄硝酸盐临界值分别为5 710、9 450、6 885和7 729 mg/kg；王晓静等[7]提出新疆南疆畦灌条件下棉花花期和铃期叶柄硝酸盐含量临界值分别为10 463和6 901 mg/kg。棉花相同生育时期叶柄硝酸盐含量临界值结果差异较大，可能与取样部位、品种、栽培模式等因素不一致有很大关系。

叶绿素仪进行氮素营养诊断简单、方便、快捷、非破坏性，其应用越来越广泛。已有在水稻[11]、小麦[12]、玉米[13]、油菜[14]等作物中，开展了利用叶绿素仪进行氮素营养诊断的研究，研究结果均表明，可以利用SPAD值进行推荐施肥。在棉花上亦有相关研究，潘薇薇等[15]提出了新疆北疆滴灌条件下盛蕾期、初花期、盛花期和铃期棉叶SPAD值的临界值分别为60.5、60.0、60.8、59.1；罗新宁[16]提出新疆南疆塔里木绿洲棉花开花期、花铃期、铃期SPAD值的临界值分别为61.8、61.3、62.9，研究提出蕾期、花铃期倒4叶SPAD值临界值分别为34.872、34.528，2个生育期SPAD值相对比较稳定，这与Wu等[43]提出的临界值接近。这些临界值的差异可能跟品种和栽培方式不同有关。用SPAD叶绿素仪诊断棉花各个生育时期氮素营养其准确性与观测样本数[44]、测定叶片位点[2]有关，在田间测量SPAD值时要保证一定量的观测样本数和定位测定叶片位点。

蕾期、花铃期与前期施氮量均呈极显著相关性的有GNDVI、RVI-1、RVI-5、RVI-7、VOG、CIgreen、SR705、mND705、NDSI、RSI、DCNI、ND705共12个高光谱参数。其中RVI-1、RVI-5、RVI-7、VOG、SR705和RSI形式均为比值植被指数，6个比值植被指数中RSI与前期施氮量蕾期、花铃期相关性均是最高，同时不同施氮量间RSI值差值较大(几个处理间最大差值为0.265(蕾期)、0.309(花铃期))，而处理间RSI值标准差很小(0.010～0.041(蕾期)、0.010～0.056(花铃期))，结合这几个因素在6个比值植被指数中选取RSI为麦后移栽棉适宜氮素营养诊断指标；其余6个高光谱参数中相比较而言mND705、NDSI与前期施氮量的相关性要优于其余4个参数，有研究表明，mND705对小麦[45]、玉米[46]叶片氮积累量较为敏感，同时mND705与叶绿素含量紧密相关[47]，具有较好的应用性，故选择mND705为麦后移栽棉适宜氮素营养诊断指标。选择RSI、mND705 2个高光谱参数为江汉平原麦后移栽棉适宜氮素营养诊断指标。

研究只针对单一品种棉花下进行了研究，还应依赖于土壤供氮量、氮肥利用率等的精确估算[20]，追肥推荐模型的精确性和适用性还有待进一步的研究。

4 结 论

4.1麦后移栽棉蕾期、花铃期倒4叶SPAD值、叶柄NIT含量及冠层12个高光谱参数(GNDVI、RVI-1、RVI-5、RVI-7、VOG、CIgreen、SR705、mND705、NDSI、RSI、DCNI、ND705)与前期施氮量均呈极显著相关性，选取倒4叶SPAD值、叶柄NIT含量和冠层高光谱参数RSI和mND705 4个指标为江汉平原麦后移栽棉氮素营养诊断指标。

4.2不同施氮水平下移栽棉冠层光谱反射率也存在一定差异，最大差异是施氮量增加绿光波段形成的反射峰变缓，其主要原因是随施氮量增加叶片中叶绿素含量增加，导致叶绿素吸收辐射能进行光合作用的能力升高，以反射的形式损失掉的部分减少。麦后移栽棉最适宜施氮量为310.64 kg/hm2，产量潜力为4 662.53 kg/hm2。以产量潜力的95%为临界值，蕾期倒4叶SPAD值、叶柄NIT含量、冠层RSI和mND705临界值分别为34.802、2.307、1.526和0.549，花铃期相应为34.841、4.174、1.589和0.619。

4.3根据棉花各生育期适宜氮素诊断指标与前期施氮量的一元二次关系及全生育期总施氮量，建立了基于各适宜氮素诊断指标的蕾肥、花铃肥追肥推荐模型。