趙 犇，姚 霞，田永超，劉小軍，曹衛(wèi)星，朱 艷

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)/國家信息農(nóng)業(yè)工程技術(shù)中心/江蘇省信息農(nóng)業(yè)高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210095)

氮素是作物生長發(fā)育的主要營養(yǎng)元素，其吸收、同化與運(yùn)轉(zhuǎn)直接影響著作物的生長發(fā)育狀況。通過植株氮營養(yǎng)狀況進(jìn)行合理的氮肥運(yùn)籌能有效提高作物產(chǎn)量并減少環(huán)境污染［1-4］。氮營養(yǎng)指數(shù)(NNI)是基于作物臨界氮濃度稀釋模型，具有合理的生物學(xué)意義，可以定量地反映作物體內(nèi)氮營養(yǎng)狀況，當(dāng)NNI=1，表明作物體內(nèi)氮素營養(yǎng)水平處于最佳狀態(tài);高于1為氮營養(yǎng)過剩;低于1則氮營養(yǎng)不足。但傳統(tǒng)的計(jì)算NNI的方法需要破壞性取樣，獲取作物實(shí)際的生物量，且要進(jìn)行室內(nèi)化學(xué)分析獲取氮濃度，從而計(jì)算臨界氮濃度，一定程度上具有滯后性［5］。葉綠素儀(Soil and plant analyzer development，SPAD-502)具有快速、簡便和無損的特點(diǎn)，常被用來快速無損的監(jiān)測診斷作物氮素營養(yǎng)［6-8］。前人基于作物高產(chǎn)條件下建立的SPAD值與產(chǎn)量的關(guān)系確定了適宜SPAD值［9-12］，但僅能在固定生育時(shí)期進(jìn)行診斷，不具有動態(tài)性。近年來利用SPAD值來估算作物NNI從而快速無損診斷氮素營養(yǎng)狀況已經(jīng)在小麥、玉米、茅草等作物上被應(yīng)用［13-15］，但這種關(guān)系易受到外界環(huán)境和品種特性的影響。Debaeke用小麥頂1葉相對SPAD值(RSPAD)代替SPAD值與NNI建立關(guān)系，以消除環(huán)境的影響，結(jié)果表現(xiàn)比較穩(wěn)定［15］，但RSPAD值的計(jì)算需要高氮處理作為對照，因此在實(shí)際應(yīng)用中具有局限性。目前，國內(nèi)外對于SPAD值和氮營養(yǎng)指數(shù)的關(guān)系研究大多集中在單張葉片水平，而對不同葉位構(gòu)建的歸一化SPAD指數(shù)(Normalized differential SPADij，NDSPADij)與NNI之間關(guān)系研究較少，未見報(bào)道。與RSPAD值相比，計(jì)算NDSPADij更加方便，有實(shí)際應(yīng)用前景。因此，有必要構(gòu)建基于不同葉位SPAD值的NNI估算模型，以簡便、快速、無損診斷氮素營養(yǎng)。

本文旨在2a大田試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于上部4張不同葉位構(gòu)建的歸一化SPAD指數(shù)估算小麥氮營養(yǎng)指數(shù)，以期構(gòu)建普適性較好，準(zhǔn)確性較高的氮營養(yǎng)指數(shù)模型，為精確無損診斷小麥氮素狀況及推薦施肥提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共進(jìn)行了2個(gè)小麥田間試驗(yàn)，涉及到不同年份、品種類型和施氮水平，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)描述如下:

試驗(yàn)1

于2009—2010年在儀征新集試驗(yàn)站(位于儀征市，119°10'，32°16')進(jìn)行。試驗(yàn)田土壤有機(jī)質(zhì)18.9 g/kg，堿解氮100 mg/kg，有效磷34 mg/kg，速效鉀90 mg/kg，供試品種為揚(yáng)麥16(中蛋白含量，約14.9%)和寧麥13(低蛋白含量，約10.2%)，設(shè)置 5 個(gè)施氮水平 0(N0)、75 kg/hm2(N1)、150 kg/hm2(N2)、225 kg/hm2(N3)、300 kg/hm2(N4)，基追比為5∶5，基肥于播種前施入，追肥在拔節(jié)時(shí)施入。播種方式為人工條播，小區(qū)面積為30 m2，行距25 cm，重復(fù)3次，基本苗為180萬株/hm2。結(jié)合整地一次性施用96 kg/hm2P2O5和120 kg/hm2K2O，磷鉀肥全部做基肥。其他栽培管理措施同一般高產(chǎn)田。該試驗(yàn)資料用于小麥臨界氮濃度稀釋模型的檢驗(yàn)。

試驗(yàn)2

于2010—2011年在儀征新集試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)田土壤有機(jī)質(zhì)13.5 g/kg，堿解氮66 mg/kg，有效磷43 mg/kg、速效鉀82 mg/kg，供試品種為揚(yáng)麥16和寧麥13，設(shè)置6個(gè)施氮水平0(N0)、75 kg/hm2(N1)、150 kg/hm2(N2)、225 kg/hm2(N3)、300 kg/hm2(N4)、375 kg/hm2(N5)，基追比為5∶5，基肥在播種前施入，追肥在拔節(jié)時(shí)施入。播種方式為人工條播，小區(qū)面積為30m2，行距25cm，重復(fù)3次，基本苗為240萬株/hm2。結(jié)合整地一次性施用96 kg/hm2P2O5和120 kg/hm2K2O，磷鉀肥全部做基肥。其他栽培管理措施同一般高產(chǎn)田。該試驗(yàn)資料用于小麥臨界氮濃度稀釋模型的建立。

1.2 SPAD值測定和計(jì)算方法

在拔節(jié)期、孕穗和開花期每個(gè)小區(qū)取代表性植株20株，測量20個(gè)主莖頂1葉到頂4葉的SPAD值，每張葉片測定3個(gè)位置(葉尖、中部和根部)，計(jì)算3個(gè)位置的平均值作為該葉的SPAD值。不同葉位的歸一化SPAD指數(shù)(NDSPADij)的計(jì)算公式為:

式中，SPADi和SPADj分別代表小麥主莖頂1葉到頂4葉中第i葉位和j葉位的SPAD值，i和j的值為1到4，且 i＜ j。

1.3 小麥植株氮含量的測定

與葉位SPAD值測量同步，在小麥生長各關(guān)鍵時(shí)期每小區(qū)取代表性植株20株，按器官分離，105℃殺青30 min，80℃烘干后稱重，粉碎后使用半微量凱氏定氮法測定小麥植株不同組織器官(莖、葉、穗)全氮含量(%)。各器官氮積累量(kg/hm2)=器官含氮量(%)×干物重(kg/hm2)。所有器官氮積累量相加得到地上部植株氮積累量。植株氮含量(%)=植株氮積累量(kg/hm2)/植株干物重(kg/hm2)。

1.4 小麥氮營養(yǎng)指數(shù)的計(jì)算方法

根據(jù)臨界氮濃度稀釋曲線，Lemaire等人建立了氮素營養(yǎng)指數(shù)(NNI)的模型［16］:

式中，Na為作物地上部氮濃度的實(shí)測值(%);Ncnc為以相同地上部干物重根據(jù)臨界氮濃度模型求得的臨界氮濃度值(%)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel軟件完成全部數(shù)據(jù)處理和作圖，SPSS11.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.6 小麥氮營養(yǎng)指數(shù)回歸檢測

使用GenStat軟件的簡單分組線性回歸［14］來檢測不同葉位SPAD值和歸一化SPAD指數(shù)(NDSPADij)與氮營養(yǎng)指數(shù)(NNI)之間擬合曲線在不同年份或品種之間差異是否顯著。曲線擬合的方程為:

式中，Y為反應(yīng)變量(NNI)，X為解釋變量(單葉SPAD和歸一化SPAD指數(shù)NDSPADij)，a和b是待估參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥植株氮營養(yǎng)指數(shù)的確定

作物體內(nèi)的氮濃度隨地上干物重的增長而降低，作物地上部分的含氮量N與地上干物重DM間的關(guān)系可用冪函數(shù)方程N(yùn)=aDM－b表示，獲得最大地上干物重所需的最低氮濃度值為臨界氮濃度。根據(jù)Justes等人提出的計(jì)算臨界氮濃度稀釋曲線方法［17］，本文利用試驗(yàn)1和2的數(shù)據(jù)分別構(gòu)建了揚(yáng)麥16和寧麥13的臨界氮濃度稀釋曲線模型(圖1)，并通過簡單線性分組分析，發(fā)現(xiàn)臨界氮濃度稀釋模型在不同年份之間保持穩(wěn)定(表1)，但品種間有明顯差異，因此可以使用同一形式的曲線分別擬合揚(yáng)麥16和寧麥13臨界氮濃度稀釋模型。

式中，Ncnc為小麥臨界氮濃度(%)，DM為地上部干物重(t/hm2)。

利用臨界氮濃度稀釋模型(式4，式5)計(jì)算了2個(gè)品種不同氮素水平下氮營養(yǎng)指數(shù)動態(tài)變化(圖2)，結(jié)果顯示，隨著施氮水平的提高，氮營養(yǎng)指數(shù)不斷上升，其值范圍在0.37—1.28之間，其中 2010年 N2處理(150 kg/hm2)和2011年N3處理(225 kg/hm2)氮營養(yǎng)指數(shù)在1附近變化，可以認(rèn)為此時(shí)施氮量較為適宜。而N0處理下，由于小麥沒有追施氮肥，小麥返青以后氮營養(yǎng)指數(shù)逐漸下降，在開花期到達(dá)最低值。在低氮處理下(N1處理)小麥在返青期已經(jīng)表現(xiàn)出氮素不足，在返青和拔節(jié)之間追施氮肥后，小麥在拔節(jié)期后氮營養(yǎng)指數(shù)會有所提高，但由于追氮量較少，氮素供應(yīng)不足，氮營養(yǎng)指數(shù)在孕穗和開花后再又慢慢下降。而在高氮和適宜氮肥處理下(2009—2010年N3處理和2010—2011年N2處理)，在返青期基本上沒有出現(xiàn)氮虧缺，所以追施氮肥以后氮營養(yǎng)指數(shù)都大于或等于1，且隨生育進(jìn)程出現(xiàn)輕微的上下波動，說明這些小區(qū)的氮肥充足，甚至過量。綜上，氮營養(yǎng)指數(shù)是一個(gè)較好小麥植株氮營養(yǎng)狀況診斷的指標(biāo)。

圖1 小麥地上部干物重臨界氮濃度稀釋曲線Fig.1 The critical nitrogen concentration dilution curve in the above-ground dry matter of wheat

表1 臨界氮濃度稀釋曲線的簡單分組線性分析Table 1 Simple grouping linear analysis of the dilution curves for critical nitrogen concentration

2.2 小麥上部不同葉位SPAD值及歸一化SPAD指數(shù)變化規(guī)律

2.2.1 小麥上部不同葉位SPAD值變化規(guī)律

以試驗(yàn)1和2為例，綜合分析了小麥上部4張單葉不同葉位SPAD值的隨年份、氮肥水平和品種的變化規(guī)律。結(jié)果表明(表2)，相同生育期內(nèi)小麥葉片SPAD值在不同年份之間差異不顯著，而且均在孕穗期小麥SPAD值到達(dá)最大值;在拔節(jié)期2個(gè)品種之間SPAD值有顯著差異，而在孕穗和開花期差異不顯著，表明用葉片SPAD值評價(jià)小麥氮的營養(yǎng)狀況可能需要因品種而異;隨著氮肥水平的提高，小麥葉片SPAD值逐漸增大，但在較高水平氮肥處理之間變化較小或者無變化，說明施氮有利于提高SPAD值，但過量施用氮肥會導(dǎo)致葉片SPAD值達(dá)到飽和;小麥拔節(jié)到開花期頂1葉到頂4葉SPAD差值從8.1升高到15.5，呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，這是由于開花期小麥頂4葉逐漸衰老，葉片中氮含量轉(zhuǎn)移到頂部3張葉片中。

2.2.2 小麥不同葉位歸一化SPAD指數(shù)變化規(guī)律

以試驗(yàn)1和2為例，綜合分析了不同葉位歸一化SPAD指數(shù)NDSPADij隨年份、氮肥水平和品種的變化規(guī)律。結(jié)果表明(表3)，相同生育期內(nèi)小麥NDSPADij在不同年份之間差異顯著，2011年顯著高于2010年，從拔節(jié)到開花 NDSPADij逐漸增大，2009—2010年增加了60%，而2010—2011年增加了 71.4%;在品種之間NDSPADij變化不大;隨著施氮量提高NDSPADij逐漸縮小，說明增施氮肥縮小了小麥頂部4張葉片SPAD值的差距;在各生育期不同葉位之間以NDSPAD14最高，NDSPAD12和NDSPAD23最低，說明頂1葉與頂4葉SPAD值差異最大，小麥上層3張葉片SPAD值相比頂4葉變化較小，這與表1的不同葉位SPAD值變化規(guī)律結(jié)果相同。

圖2 不同氮肥水平下小麥氮營養(yǎng)指數(shù)動態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of the nitrogen nutrient index under different nitrogen fertilizer levels in wheat

表2 小麥不同葉位SPAD值變化規(guī)律Table 2 Changes of SPAD value at different leaf position in wheat

表3 小麥不同葉位歸一化SPAD指數(shù)變化規(guī)律Table 3 Changes of Normalized differential SPADijat different leaf position in wheat

2.3 小麥上部不同葉位的SPAD值及歸一化SPAD指數(shù)與植株氮營養(yǎng)指數(shù)關(guān)系

2.3.1 小麥不同葉位SPAD值與植株氮營養(yǎng)指數(shù)的定量關(guān)系

以2009—2011的試驗(yàn)資料為例，定量分析從拔節(jié)到開花小麥上部4張單葉的SPAD值與NNI之間的關(guān)系(表4)。結(jié)果表明，不同葉位的SPAD值與NNI之間呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)(R)在0.666—0.823之間，其中以頂1葉的SPAD值與NNI之間的相關(guān)系數(shù)最為顯著，其次為頂3葉和頂4葉的，頂2葉的相關(guān)性最差。

表4 小麥不同葉位的SPAD值與NNI的定量關(guān)系Table 4 The quantitative relationship between SPAD value at different leaf position and nitroen nutrition indes in wheat

對不同葉位單葉SPA值與NNI擬合曲線進(jìn)行簡單分組線性回歸，分組因子為年份和品種，以檢驗(yàn)不同葉位SPAD值與NNI之間的關(guān)系在不同年份或不同品種之間是否存在差異(表5)。結(jié)果顯示，頂1葉，頂2葉和頂4葉SPAD值與NNI的擬合曲線截距b在不同年份之間差異顯著(P＜0.05)，頂3葉SPAD值與NNI的擬合曲線斜率a在年份之間差異顯著(P＜0.05)，說明在不同年份之間頂1葉到頂4葉SPAD值與NNI之間的關(guān)系具有不穩(wěn)定性，因此，使用單葉的SPAD值來估算小麥植株氮素營養(yǎng)狀況可能存在風(fēng)險(xiǎn)。

表5 小麥不同葉位SPAD值與NNI擬合曲線的簡單分組線性回歸Table 5 Simple linear regression with groups of the fitted curve between SPAD value at different leaf position and nitrogen nutrition index in wheat

2.3.2 小麥不同葉位歸一化SPAD指數(shù)(NDSPADij)與植株氮營養(yǎng)指數(shù)關(guān)系

以2009—2011的2年試驗(yàn)資料為例，定量分析不同葉位歸一化SPAD指數(shù)(NDSPADij)與NNI之間的關(guān)系(表6)。結(jié)果表明，除了NDSPAD12與NNI之間關(guān)系差異不顯著外，其他葉位組合NDSPADij與NNI之間關(guān)系都顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.01—0.849之間，其中尤其以NDSPAD14與NNI之間相關(guān)系數(shù)最為突出(圖3)。

表6 小麥不同葉位NDSPADij與NNI的定量關(guān)系Table 6 The quantitative relationship between Normalized differential SPADijat different leaf position and nitrogen nutrition index in wheat

對NDSPADij與NNI擬合曲線進(jìn)行簡單分組線性回歸，分組因子為年份和品種，檢驗(yàn)NDSPADij與NNI之間關(guān)系在不同年份或不同品種之間是否存在差異(表7)。結(jié)果表明，NDSPAD14與NNI擬合曲線參數(shù)(a、b)在不同品種和年份之間差異不顯著，其他葉位組合擬合曲線參數(shù)都存在不同年份之間差異顯著(P＜0.05)，說明NDSPAD14與NNI之間關(guān)系在不同年份和品種之間表現(xiàn)穩(wěn)定，因此，可以使用NDSPAD14估算小麥植株氮素營養(yǎng)狀況。

表7 小麥不同葉位NDSPADij與NNI擬合曲線的簡單分組線性回歸分析Table 7 Simple linear regression with groups of the fitted curve between Normalized differential SPADijat different leaf position and nitrogen nutrition index in wheat

圖3 小麥NDSPAD14與NNI的定量關(guān)系Fig 3 Quantitative Relationship between nitrogen nutrition index and Normalizad differential SPAD14in wheat

3 討論

3.1 小麥不同葉位SPAD值變化

SPAD值代表了作物葉片葉綠素的相對含量，其與作物氮素含量的高低密切相關(guān)，本研究表明，2個(gè)品種單葉SPAD值隨施氮水平提高而提高，但在高氮處理之間差異不顯著，說明過量施氮使得葉片中SPAD值達(dá)到飽和，這與前人在水稻［18］、小麥［15］和棉花［19］等作物的研究結(jié)果相同。2個(gè)品種不同葉位NDSPADij值隨施氮水平提高而下降，這是因?yàn)樵诘偷獥l件下，小麥生理上較年輕的上三葉從生理上較老的頂4葉奪得氮素，頂4葉失氮葉色褪淡，形成較大的葉色差異。而在高氮條件下，小麥冠層上三葉氮素營養(yǎng)得到滿足，對頂4葉的競爭減少，頂4葉得到了積累氮素的機(jī)會，與上三葉的葉色差異縮?。?0］，王紹華和屈衛(wèi)群分別在水稻［20］和棉花［21］上也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律。

3.2 小麥氮營養(yǎng)指數(shù)(NNI)變化

由Lemaire等人提出的NNI，是基于作物臨界氮濃度構(gòu)建的能動態(tài)描述作物氮營養(yǎng)狀況的指標(biāo)。國外STICE和CERES-Rape等模型利用氮營養(yǎng)指數(shù)定量計(jì)算作物體內(nèi)氮素虧缺大小，以模擬氮素對作物生長過程的影響(光合作用、葉面積指數(shù)、分蘗)［22-23］;Colnenne等進(jìn)一步建立了NNI與油菜的生長速率、葉面積指數(shù)、氮素利用率以及產(chǎn)量的定量關(guān)系，從而定量診斷因氮營養(yǎng)脅迫對作物各項(xiàng)生長指標(biāo)造成的損失［24］。本研究中NNI的范圍為0.37—1.25，隨著施氮量的提高，NNI總體上上升，說明NNI可以反映作物體內(nèi)氮素狀態(tài);隨著生育期的推移，在氮肥不足的情況下小麥的NNI呈逐漸下降的趨勢，說明小麥生長過程中氮素需求增加導(dǎo)致氮虧缺程度加重;而在氮肥充足的環(huán)境里小麥NNI均大于或等于1，說明小麥生長氮素供應(yīng)充足并不存在氮虧缺現(xiàn)象，但由于NNI在大田環(huán)境中不容易直接得到，需要破壞性取樣且進(jìn)行室內(nèi)分析測試才能計(jì)算得到，因此，本文發(fā)展了一種快速計(jì)算NNI從而診斷作物氮素營養(yǎng)狀態(tài)的方法。

3.3 小麥不同葉位SPAD值和歸一化SPAD指數(shù)(NDSPADij)與植株氮營養(yǎng)指數(shù)的關(guān)系

本文建立了不同葉位SPAD值和歸一化SPAD指數(shù)(NDSPADij)與NNI之間的關(guān)系，通過簡單分組線性分析結(jié)果表明，小麥上部不同葉位SPAD值與NNI之間都呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R的范圍在0.666—0.823，其中以頂1葉SPAD值與NNI的相關(guān)系數(shù)R最高，但是這種關(guān)系在不同年份或品種間表現(xiàn)不穩(wěn)定，不能被用來診斷小麥氮素營養(yǎng)狀態(tài)，這與Debaeke和Rozbicki等人在不同地區(qū)對小麥單葉SPAD值與NNI之間關(guān)系的研究結(jié)果相同［15，25］。為了減輕品種和環(huán)境對SPAD值與NNI關(guān)系的影響，本文構(gòu)建了歸一化SPAD指數(shù)(NDSPADij)與NNI之間關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者之間呈顯著負(fù)相關(guān)(除NDSPAD12外)，相關(guān)系數(shù)R的范圍在－0.849—0.01，以 NDSPAD14與 NNI的相關(guān)系數(shù) R 最高表現(xiàn)最佳(NNI= －2.019NDSPAD14+1.18，R 為 －0.849)，且不受品種和環(huán)境的影響，因此，可以用NDSPAD14來估算小麥植株NNI。相比前人利用作物上層葉片氮含量［26-28］，SPAD值［29］和遙感［30］等方法估算NNI，本文僅測量小麥植株主莖頂1葉和頂4葉SPAD值，計(jì)算NDSPAD14估算小麥植株NNI，避免了植株破壞性取樣，且不受品種、土壤和天氣等因素的影響，方法簡單快捷準(zhǔn)確。但需要指出的是，本研究結(jié)果是在同一個(gè)生態(tài)點(diǎn)兩年的試驗(yàn)基礎(chǔ)上得出的，還需要利用不同生態(tài)區(qū)和不同品種的數(shù)據(jù)加以進(jìn)一步測試和檢驗(yàn)。

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