張巍 張廣臣 姜奎

（1.吉林農業(yè)大學園藝學院，吉林長春，130118；2.大連沙河口區(qū)億達園林綠化工程有限公司）

馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷研究進展

張巍1張廣臣1姜奎2

（1.吉林農業(yè)大學園藝學院，吉林長春，130118；2.大連沙河口區(qū)億達園林綠化工程有限公司）

從外觀診斷、化學診斷、無損測試技術3個方面，總結了目前馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷的若干方法，對各種方法的應用原理、發(fā)展現狀進行了闡述，同時，對其他可用于馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷，但目前仍未采用的方法進行了簡要的說明和論述。

馬鈴薯 氮素營養(yǎng) 診斷

氮素是植物必需的三大營養(yǎng)元素之一，在土壤、植株快速測試推薦施肥技術體系中，氮肥的推薦是核心[1]。從19世紀開始，到20世紀50年代，植物氮素營養(yǎng)的癥狀診斷和化學診斷在理論和方法上已奠定了一定的基礎。

氮素是影響馬鈴薯葉片生長發(fā)育的重要因素，同時也是決定地下塊莖高產的關鍵，因此尋求對馬鈴薯氮素營養(yǎng)進行快速、準確地診斷的方法，對確保馬鈴薯穩(wěn)產高產具有重要意義。

1 馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷方法

1.1 馬鈴薯氮素營養(yǎng)外觀診斷

①癥狀診斷 癥狀診斷是根據作物表現出的某種特定癥狀，確定其可能缺乏某種元素的一種方法。馬鈴薯缺氮的癥狀為植株生長不良，葉尖卷曲，每片葉子先沿著葉緣褪綠變黃，逐漸向葉中心發(fā)展[2]；馬鈴薯氮素過多的癥狀為貪青晚熟，易倒伏，易受病蟲為害。

癥狀診斷的方法通常在植株僅缺1種營養(yǎng)元素的狀況下有效，而在植株同時缺乏2種或2種以上營養(yǎng)元素或出現非營養(yǎng)因素而引起的癥狀時，易于混淆，從而造成誤診。另外，當植株表現出某種缺素癥狀，表明植物缺素狀況已相當嚴重，此時再采取補救措施為時已晚[3～4]。因此，癥狀診斷方法屬于直觀診斷法，其運用到實際生產中時具有延時性，在實際應用上存在明顯的局限性，在指導生產上意義并不大。

②長勢長相診斷 20世紀60年代，該診斷方法在我國受到廣泛重視，當時主要應用于水稻作物上。它是在總結農民豐產經驗的基礎上發(fā)展起來的。該診斷方法在一定程度上可以診斷植株的氮素營養(yǎng)狀況，馬鈴薯缺氮時長勢長相表現為生長緩慢，莖稈細弱，植株矮小，葉片狹小而稍硬，略呈直立狀，成熟較早，產量低。但是，由于近年來馬鈴薯育種工作的不斷深入，越來越多的優(yōu)質馬鈴薯品種被培育出來，更新?lián)Q代頻繁，所以應用該診斷方法受到一定程度的限制[5]。

③葉色診斷 許多大田作物在缺氮時會表現出一些肉眼可見的癥狀。比如在缺氮脅迫下，作物老葉會失綠；相反，在供氮過量時，作物葉片深綠，并且延遲衰老。通過觀測葉片顏色變化來評價作物氮營養(yǎng)狀況已經在生產中獲得應用[6]。馬鈴薯缺氮時葉片表現為葉色淡，基部葉片變黃，并逐漸向上部葉擴展。迄今為止，通過葉色了解植物氮素營養(yǎng)狀況經歷了4個發(fā)展階段：一是測定光的不同特性；二是采用常規(guī)浸提方法，測定葉綠素的含量；三是利用標準比色卡，比較葉色深淺；四是通過測定光的通過率來了解葉色深淺。但是這些方法或過于繁瑣，或受光線影響較大，所以均不能很好地用于指導馬鈴薯生產，不能成為方便、快捷、準確地反映馬鈴薯氮素營養(yǎng)狀況的方法[6]。

1.2 馬鈴薯氮素營養(yǎng)化學診斷

植物體的養(yǎng)分狀況是土壤養(yǎng)分供應、植物對養(yǎng)分需求和吸收能力的綜合反映。因此，通過對植物體內養(yǎng)分狀況進行診斷可以反映其當時的營養(yǎng)狀況，并以此進行施肥決策和田間管理。植物氮素營養(yǎng)化學診斷是指利用化學分析的手段，找到不同植株器官的氮素營養(yǎng)臨界濃度的診斷方法[5]。

①植株全氮診斷 最早植株氮營養(yǎng)診斷推薦施肥技術的診斷指標是植株全氮。植株全氮含量可以很好地反映作物氮素狀況[8]，與作物產量也有很好的相關性，是一個很好的診斷指標。植物全氮診斷主要有凱氏消煮法、靛酚藍比色法、半微量凱氏法、氫氟酸修正凱氏法、高錳酸鉀-還原性鐵修正凱氏法。其中前3種為比較常用的方法，而且，對前2種方法進行分析比較，發(fā)現靛酚藍比色法比凱氏消煮法快捷，但是二者測定結果差異并不顯著[9]。

自20世紀90年代以來，我國關于馬鈴薯營養(yǎng)與施肥方面的研究比較全面而細致，其中包括各種營養(yǎng)元素在馬鈴薯植株中的分配、吸收、利用、轉化規(guī)律、推薦施肥模型等。在各種研究中，都或多或少的涉及到植株全氮的測定，而關于全氮的測定方法也是多種多樣的。1992年，大崎滿等[10]在施氮對馬鈴薯各器官生長的影響研究中采用了半微量凱氏法測定植株全氮；王季春[11]采用半微量凱氏法測定不同施氮量處理下馬鈴薯葉片中全氮的含量；楊暹等[12]也在研究氮鉀互作對馬鈴薯產量、品質與氮磷鉀吸收試驗中，采用了半微量凱氏定氮法對氮素含量進行測定。另外也有李永清[13]在馬鈴薯測土施用氮磷化肥的研究中，采用了凱氏消煮法測定全氮；張寶林[14]對馬鈴薯氮素的吸收、積累和分配規(guī)律進行了研究，其中全氮的測定采用靛酚藍比色法。另外，還有應用儀器對植物全氮進行診斷的方法，如Sharma等[15]用Technican自動分析儀測定馬鈴薯植株樣本的含氮量。

雖然植株全氮含量是一個很好的植物氮素營養(yǎng)診斷指標，但是全氮分析操作繁瑣、工作量較大、推廣應用仍有一定困難。

②植株硝酸鹽快速診斷 硝態(tài)氮作為非代謝物質以一種半儲備狀態(tài)存在于植物體內，所以當輕微缺氮時作物對硝態(tài)氮庫的需求迅速增加，此時全氮庫沒有發(fā)生明顯變化，而硝態(tài)氮庫已發(fā)生明顯變化；當供氮超過作物需求時，硝態(tài)氮也比全氮庫有較大幅度的增加。植物組織中硝態(tài)氮含量的相對變化要遠遠大于全氮，因此，硝態(tài)氮含量能靈敏地反映作物對氮的需求，可以用硝態(tài)氮代替全氮作為氮素營養(yǎng)診斷指標，來估計植株氮素營養(yǎng)狀況，并且進行追肥推薦[16]。

植株硝酸鹽診斷推薦施肥技術20世紀80年代已在英國、德國、澳大利亞、美國用來指導農業(yè)生產。目前國內外應用較廣泛的植株體內硝酸鹽快速診斷主要有二苯胺法和反射儀法。反射儀法測定結果較二苯胺法準確，在精度要求不高的條件下可以作為一種常規(guī)的測定方法[17]，同時儀器體積小，采用電池驅動，穩(wěn)定性也較好，非常適宜田間條件下進行氮素診斷。

1996年，我國開始了用反射儀法進行植物硝酸鹽診斷推薦氮肥用量的技術研究。2000年開始，陸續(xù)有研究者將這種氮素營養(yǎng)診斷技術應用到馬鈴薯上。2001年，江華等[18]針對青海省馬鈴薯植株進行了NO3-診斷推薦施肥初步研究，研究分析了青海省大西洋馬鈴薯氮水平與植株NO3-診斷值的關系，以及相應的推薦施肥模型。通過試驗研究得到了大西洋塊莖形成期和塊莖膨大期植株NO3-診斷推薦施肥模型，以及植株診斷臨界值。2004年，周娜娜等[19]采用該種方法在馬鈴薯塊莖膨大期和塊莖形成期對氮素營養(yǎng)進行診斷研究，田間試驗結果表明：塊莖形成期和塊莖增長期植株NO3-含量的臨界值分別為6331.4 mg/kg，4112.9 mg/kg。這2個時期可以作為馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷的最佳時期，并根據植株硝酸鹽診斷，建立了推薦追肥模型。2004年，張學軍等[20]在不同滴灌量和施氮量對馬鈴薯硝酸鹽累積影響的試驗中，采用了此種方法。試驗于馬鈴薯現蕾期和塊莖膨大期，測定葉柄硝酸鹽含量，得出葉柄硝酸鹽濃度與產量之間有很好的相關性；確定此種氮素診斷方法能夠很好的反映馬鈴薯中氮素營養(yǎng)情況，具有一定指導生產的意義。

目前該方法的缺陷是所用儀器設備及測試用紙在我國尚無生產，而從國外進口費用較高，因而不能夠大面積應用。二苯胺法由于操作簡單，價格低廉，所以適宜于在基層生產單位推廣應用，但只適用于診斷含氮水平不高的植株。

我國從20世紀70年代開始對植株硝酸鹽快速診斷進行研究，目前已成功確定馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷的硝酸鹽臨界值，并建立了追肥推薦體系。

1.3 馬鈴薯氮素營養(yǎng)無損傷測試技術

隨著數字圖像技術的不斷發(fā)展，應用數字圖像處理技術對作物生長狀況和營養(yǎng)狀況進行診斷的方法成為研究的熱點。植株的冠層顏色與其氮素營養(yǎng)狀況緊密相關，缺氮的植物比施氮的植物在整個可見光波段反射的光要多[21～22]，因此，冠層的光反射可以被用來評價作物的氮素營養(yǎng)狀況。

傳統(tǒng)的判斷作物營養(yǎng)狀況是通過肉眼對作物綠色深淺進行判斷，而隨著計算機圖像處理技術的發(fā)展，利用代替人眼的圖像傳感器獲取物體的圖像，將圖像轉換成數字圖像，并利用計算機模擬人的判別準則去理解和識別圖像，達到分析圖像和作出結論的目的成為可能。

數碼相機就是應用這一原理研制的。數碼相機實質上是傳統(tǒng)相機和電子計算機相融合的產物，它對圖像的獲取是通過CCD的陣列平面對光線的吸收形成的。加裝了不同濾光鏡的CCD陣列吸收了反射進入鏡頭內的可見光，并將此光信號轉換為電信號，并經過運算和插值形成數字信息存入數碼相機的存儲器中。通過RGB加色原理進行成像的，每個像素由R、G、B即紅、綠、藍3種顏色生成。

作物冠層綠色狀況通常情況下與葉片葉綠素含量相關，而葉綠素與植株的全氮含量具有顯著的相關關系，其含量的變化影響葉片冠層光的吸收或反射，因此作物營養(yǎng)狀況的變化直接影響著作物的冠層顏色。由于葉綠素對可見光的有效吸收，在可見光波段的冠層的光反射隨著植株缺氮狀況的增加而增強。所以，應用數字圖像技術可以用來在田間評價作物的氮營養(yǎng)狀況。

目前，應用數字圖像進行作物氮素營養(yǎng)診斷的研究主要是針對玉米、小麥等大田作物，而在馬鈴薯上的研究相對較少。李井會等[23]應用此項技術對塊莖形成期和膨大期的馬鈴薯進行了氮素營養(yǎng)診斷。研究表明，數碼相機獲取的數字圖像分析得到的馬鈴薯冠層綠光與藍光比值與其他描述馬鈴薯氮素營養(yǎng)狀況的指標如土壤無機氮、植株全氮含量、葉柄硝酸鹽濃度、葉綠素儀讀數均有良好的負相關關系。這證明數字圖像技術是無損傷地進行馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷的良好方法。

但是數字圖像的獲取工具以及數字信息分析方式精度不同，多種多樣，這就要求科研工作者們通過大量細致的試驗，完善其在氮素診斷數字圖像技術體系。

2 可用于馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷上的其他方法

2.1 土壤氮素測試

土壤中氮素含量的多少能有效的反映馬鈴薯的氮素營養(yǎng)狀況，通過測定土壤中全氮、堿解氮、無機氮來進行氮素營養(yǎng)診斷也是可行方法之一。國外對此種方法的研究起步較早，19世紀70年代便有此方面的研究，Lorenz等[24]、Scharpf等[25]、Magdoff等[26]考慮了不同作物根系深度和作物殘留量對土壤無機氮的影響，建立了“KNS”系統(tǒng)，后又有學者在“KNS”系統(tǒng)基礎上提出了PSNT，不斷完善著準確表征土壤無機氮和產量關系的方法。而我國在這方面的研究起步較晚，邵則瑤[27]在20世紀80年代已對華北地區(qū)冬小麥土壤剖面無機氮與小麥產量的關系進行了研究，陳新平等[28]近年來在大量田間試驗的基礎上，建立了利用土壤無機氮測試技術進行冬小麥氮肥推薦的方法。由于土壤中全氮的測定操作費時、繁瑣，不適合應用于生產，而堿解氮與土壤供氮量的相關性大多不顯著。

2.2 葉綠素儀氮素營養(yǎng)診斷

葉綠素儀法是將植物葉片插入葉綠素計測定部位，感光后讀出葉綠素值（葉色值），根據葉綠素值與植株含氮量的關系確定氮素營養(yǎng)診斷的葉色值。葉綠素儀體積小，質量輕，攜帶方便，測定方法簡單，所得數據準確，適用于各種作物及林木氮素營養(yǎng)診斷。近年來，一些研究表明，手持葉綠素儀可以用來估計作物氮素營養(yǎng)狀況，并且進行氮肥推薦。它可以在田間條件下無損傷檢測植物葉片葉綠素的相對含量[29]。

有研究表明，最上部完全展開葉的葉綠素儀測定值和施氮量（基肥用量）之間的關系可以用線性加平臺模型表示，即在施氮量較低時，葉綠素儀測定值隨底肥中氮用量的增加而增加，但是當施量氮達到一定量后，再增加施氮量則冬小麥葉片葉綠素儀測定值變化不大。這個結果與Blackmer等[30]的研究結果相同，即當作物處于奢侈吸收狀態(tài)時，葉綠素含量不再隨施氮量增加而增加。因此，葉綠素儀氮素營養(yǎng)診斷法可以很好地診斷作物缺氮狀況。

但不同研究者建立的葉綠素診斷臨界值有一定的差異，可能是由于一些環(huán)境因子，如土壤氮有效性、土壤水分狀況、種植密度以及作物基因型[31]、葉位等因素對測定結果有較大影響所致。一些研究者建議采用在田間設立對照帶的方法來解決這個問題。具體方法是在田間種植一條供氮量對于作物而言處于奢侈吸收狀態(tài)的對照區(qū)，通過對比大田和對照區(qū)作物葉綠素儀測定值來確定大田作物氮營養(yǎng)狀態(tài)，采用對照區(qū)葉綠素儀測定值的95%來區(qū)分供氮充足與否。當某一田塊作物葉綠素儀測定值與對照區(qū)相比大于95%時，可以不追肥或追施少量氮肥；反之，則需要根據測定結果推薦不同追肥量。

2.3 遙感技術在馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷上的應用

植物缺肥會引起葉片顏色、厚度、水分含量及形態(tài)結構等發(fā)生一系列變化，從而引起光譜反射特性的變化。因此，基于物體光譜反射特征識別物體的遙感技術成為植物氮素實時監(jiān)測和快速診斷的可能手段。植物在缺氮條件下冠層水平的可見光波段反射率會增加，其中對氮含量變化最敏感的波段在530～560 nm區(qū)域，通過光譜測定及其變量的運算可以區(qū)分不同氮素營養(yǎng)水平[32]。在明確了植物的氮素敏感波段后，許多學者便可以通過各種統(tǒng)計方法來尋求含氮量與光譜反射率或其衍生量的關系，并建立模型來估算作物的氮素含量。

由于脅迫狀態(tài)下植物體內發(fā)生的大多數生理變化，只引起某些特定窄波段的反射光譜發(fā)生變化，所以，用傳統(tǒng)的多波段反射光譜所計算出來的植被指數，因其分辨率低而使預測植物化學組分含量的效果較差。近年來，隨著高光譜遙感的興起，越來越多的學者利用微分光譜（一階、二階和高階微分光譜）和紅邊（植物反射曲線上斜率最大時所對應的波長）特性等來預測植物的氮素狀況。

與傳統(tǒng)的診斷方法相比，遙感能獲取更大量的信息且更為快速和省時省力，但是，冠層光譜反射特征受到植株葉片水分含量、冠層幾何結構、土壤覆蓋度、大氣對光譜的吸收等因素的影響[33]，極大地限制了利用遙感進行作物氮素診斷的可靠性和普及性。一些學者通過對光譜數據進行相對變換以及構造植被指數來提高估計精度，但仍然不能完全消除干擾因子的影響。關于這方面的研究還有待于進一步深入。

3 結語

氮素營養(yǎng)診斷是植物營養(yǎng)診斷的核心，是科學合理施用氮肥的主要依據。隨著現代科學技術的發(fā)展，馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷將會越來越完善，新測試手段必將會不斷被人們發(fā)現或研制出來。我們應使現有的方法在應用上達到定量和準確，結合我國農作物栽培區(qū)劃，制定各區(qū)域的統(tǒng)一診斷方法、診斷指標，推廣已成熟的快速診斷方法，研制和引用新的測試手段，特別是可用于田間速測的儀器和方法，如高光譜遙感法、葉綠素熒光診斷法等。

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Research Progress on the Diagnosis of N Nutrition in Potato

ZHANG Wei1,ZHANG Guangchen1,JIANG Kui2
(1.College of Horticulture,Jilin Agricultural University,Changchun 130118;2.Yida Landscaping Engineering Limited Company)

Based on three aspects of appearance diagnosis,Chemical diagnosis,and nondestructive testing technique,the methods of diagnosis were summarized in potato.Application principle and current situation were discussed,meanwhile, other methods that can be adapted to diagnosis of nitrogen nutrition but not used at present was also discussed briefly in potato.

Potato;Nitrogen nutrition;Diagnosis

10.3865/j.issn.1001-3547.2009.14.001

張巍（1982-），女，碩士，研究方向為蔬菜栽培生理，電話：13596403503。E-mail：yuzainali@sohu.com

張廣臣，通信作者，教授，電話：0431-84533144

2009-01-20