張 華，楊樹青，符 鮮，柴慧祥，馬璐瑤

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

氮肥通常被認(rèn)為是對植物生物量生產(chǎn)最重要的影響因子之一。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和玉米生長發(fā)育需氮的內(nèi)在規(guī)律適當(dāng)施氮，可以顯著提高玉米產(chǎn)量。氮肥應(yīng)用不足會導(dǎo)致植株葉面積減小[1]、葉片光合生物量降低[2]，葉綠素含量降低、最終導(dǎo)致玉米產(chǎn)量的下降。由于作物產(chǎn)量與氮肥的使用量直接相關(guān)，為了提高產(chǎn)量，農(nóng)民通常施用大量氮肥，其量遠(yuǎn)超過作物到達(dá)最大產(chǎn)量所需的氮肥量。過多的氮肥施用會直接導(dǎo)致玉米產(chǎn)量下降和成本增加，同時，隨著大量氮肥進(jìn)入各級排水溝及地下水中，導(dǎo)致土壤板結(jié)、耕作質(zhì)量差、肥料利用率低、土壤養(yǎng)分易流失及地下水污染等問題[3]。因此，為了獲得高產(chǎn)及玉米生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，釆用有效的氮肥診斷工具是很有必要的。前人在關(guān)于如何精確診斷植株體內(nèi)氮素供需是否平衡方面做了大量的研究，例如通過測定葉片的葉綠素、對植株根區(qū)養(yǎng)分進(jìn)行監(jiān)測以及應(yīng)用遙感技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用對于優(yōu)化施氮起到了很好的作用。

葉綠素儀可以用來估計作物氮營養(yǎng)狀況，它的優(yōu)點(diǎn)是可以在田間條件下無損傷的進(jìn)行檢測。目前，國際上測定葉綠素一般分為兩種方式，第一種是利用分光光度計法測定葉綠素a、葉綠素b。雖然分光光度計的測定結(jié)果準(zhǔn)確可靠, 但是在測定時需要損傷葉片和組織，不利于對植株的系統(tǒng)研究[4]。第二種是利用葉綠素儀測定的葉色值來反映葉綠素的含量。艾天成[5]等對5種作物的葉色值與葉綠素含量的關(guān)系進(jìn)行研究, 認(rèn)為葉色值與葉綠素含量相關(guān)顯著。目前有兩種葉綠素儀最為常用，一種是日本研發(fā)的SPAD-502，另一種是美國研發(fā)的CCM-200。周小生[6]研究結(jié)果表明，CCI值與葉綠素含量均呈顯著正相關(guān)，其決定系數(shù)分別為單位面積葉綠素a(R2=0.972 8)、b(R2=0.858 6)及總量(R2=0.977 4)。我國學(xué)者王娟[7]研究結(jié)果表明, 棉花葉片的葉綠素含量與SPAD值呈線性相關(guān)。葉綠素儀CCM-200的測量面積是71 mm2，遠(yuǎn)高于SPAD-502的6 mm2，因此，CCM-200一次測定的數(shù)據(jù)更能代表葉綠素的含量[8]。有關(guān)CCI值與葉片含氮量之間關(guān)系的研究已經(jīng)有很多。 Mostafa GHASEMI等[9]研究表明，CCI值和總含氮量之間有積極的線性相關(guān)性(R2=0.76)，說明CCM-200儀可以用在亞洲梨樹葉含氮量的預(yù)測。我國學(xué)者周小生等[7]發(fā)現(xiàn)，CCI值和葉片全氮含量之間呈顯著線相關(guān)性，其R2=0.982 8。說明葉綠素儀 CCM-200 在茶樹葉片葉綠素和氮素含量估算上具較好的適用性。

氮營養(yǎng)指數(shù)(N nutrition index，NNI)作為表征作物氮素營養(yǎng)狀況的一個重要指標(biāo),其特點(diǎn)是科學(xué)準(zhǔn)確，但是氮營養(yǎng)指數(shù)的確定過程較為復(fù)雜，在實(shí)際的應(yīng)用中會有一定的局限性。利用葉綠素和氮營養(yǎng)指數(shù)之間的關(guān)系對作物氮水平進(jìn)行監(jiān)測被認(rèn)為是一種比較新的研究方法。SPAD值與NNI之間的非線性關(guān)系在玉米、小麥、牛茅草，和鴨茅等植物上被證實(shí)，并且，Ziadi[10]和Debarke[11]等同時證實(shí)了玉來和小麥植株葉片相對SPAD值與NNI之間的非線性關(guān)系。但是，前人對于作物植株CCI值與NNI之間相關(guān)性的研究報道很少。

本研究在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽漬化耕地進(jìn)行玉米試驗(yàn)，根據(jù)玉米主要生育階段對氮素的需求，建立玉米臨界氮稀釋曲線及氮營養(yǎng)指數(shù)模型。通過分析玉米不同生育期葉綠素CCI值與施氮量、氮素營養(yǎng)指數(shù)和相對產(chǎn)量之間的相關(guān)性，探究葉綠素CCI值在氮營養(yǎng)診斷上的合理性。最終，利用氮營養(yǎng)指數(shù)模型的精準(zhǔn)性，結(jié)合葉綠素儀方便快捷的特性對河套灌區(qū)玉米進(jìn)行氮診斷，以期能夠準(zhǔn)確、簡便、快捷的評價植株氮素營養(yǎng)狀況，為河套灌區(qū)玉米合理施氮提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

試驗(yàn)區(qū)位于河套灌區(qū)上游巴彥淖爾市磴口縣，東經(jīng)107′05″，北緯40′13″，海拔1 080 m。地下水以潛水為主，灌水期的潛水變化主要取決于灌溉，灌溉期埋深1.0～1.5 m，秋澆期(10-11月)埋深在0.5 m左右，土壤封凍期埋深2.5 m左右。全年降水稀少、蒸發(fā)量大，日照時間長達(dá)2 190 h，年均降水量198 mm，年均蒸發(fā)量2 460 mm，是典型的內(nèi)陸干旱地區(qū)。供試土壤為粉砂壤土，表層20 cm土壤養(yǎng)分含量：有機(jī)質(zhì)為15.1 g/kg，總氮為1.1 g/kg，總磷為1.6 g/kg，速效磷為5.6 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)磴口縣壩楞試驗(yàn)區(qū)選擇具有代表性的輕度鹽漬化(EC值介于0.7～1.24 mS/cm)耕地布置田間試驗(yàn)，種植作物為玉米。本研究采取田間肥料定位實(shí)驗(yàn)，玉米在全生育期內(nèi)灌四水。施用肥料采用尿素(46%N)和磷酸二銨(18%N，46%P2O5)，試驗(yàn)設(shè)置4個氮肥處理，即0(N0)、135 kg/hm2(N135)、180 kg/hm2(N180)、225 kg/hm2(N225)、280 kg/hm2(N280)。試驗(yàn)中60%的氮肥及全部的磷、鉀肥在播種前基施，剩余氮肥的20%、20%分別在三水、四水追施。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，小區(qū)面積為45.5 m2(7 m×6.5 m)，四周用埋深1.2 m的聚乙烯塑料膜隔開，頂部留30 cm，防止各小區(qū)肥水互竄，田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶管理一致。

2015年4月28日播種，9月25日收獲。玉米膜寬1.1 m，一膜2行，每穴播3粒，株距約45 cm，行距35 cm，玉米種植密度為6萬株/hm2。

1.3 測定指標(biāo)與方法

分別在玉米的主要生育期，即拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期取樣，每小區(qū)選取長勢良好并具有代表性的植株3株，將玉米地上部植株按器官分開，在烘箱中105 ℃殺青30 min后，調(diào)至80 ℃烘干至恒重，稱量地上部干物質(zhì)重，把樣品粉碎過篩，通過H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮法測定全氮含量，并計算植株全氮含量。

采用CCM-200葉綠素儀在拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期測定葉綠素含量(CCI值)，每個生育期測定一次。在每個小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取無損傷且長勢均勻的玉米植株3株，測定位置為：拔節(jié)期到抽雄前測定最上部完全展開葉中間部位,灌漿期測定穗位葉,在葉緣和葉脈中間部位測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉綠素儀測定值與施氮量之間的相關(guān)性

5種氮肥處理試驗(yàn)結(jié)果都表明，玉米主要生育期的葉綠素測定值(CCI值)和施氮量之間的關(guān)系可以用線性方程表示。從表1可以看出，施氮肥可以提高玉米葉片葉綠素CCI值，并在拔節(jié)期以后施氮量對葉片CCI值影響逐漸加大。這是由于施氮肥會增加葉片含氮量和葉綠素含量，因此，CCI值也隨之增加。但是CCM-200讀數(shù)不會隨著氮肥的增加而無限增大，當(dāng)玉米處于氮盈余狀態(tài)時，CCI值的變化范圍逐漸減小，其值趨于穩(wěn)定。以N0，N135和N180比較為例，其CCI值最大增加了8.1，最小增加了2.4；比較N225和N280可知CCI值最大增加了2.1，最小增加了1，由此說明增加施氮量可以使葉片葉綠素含量增多，CCI值增大；當(dāng)施氮量為280 kg/hm2時，CCI值的變化幅度變緩，其值趨于穩(wěn)定。

表1 玉米主要生育期葉綠素儀測定值與不同施氮量的影響 kg/hm2Tab.1 The effect of N amount on the CCM readingof main growth stages of maize

2.2 河套灌區(qū)玉米臨界氮稀釋曲線模擬模型及氮營養(yǎng)指數(shù)的建立

根據(jù)臨界氮濃度的定義及建立方法[12]，將玉米臨界氮濃度值與對應(yīng)的最大干物質(zhì)量進(jìn)行擬合，構(gòu)建了河套灌區(qū)的玉米臨界氮稀釋曲線模型：Nc=34.51W0.25。此模型能夠用于診斷內(nèi)蒙古鹽漬化灌區(qū)玉米的氮營養(yǎng)狀況(圖1)。

圖1 玉米植株臨界氮稀釋曲線Fig.1 Maize plant critical nitrogen dilution curve

基于臨界氮濃度稀釋曲線模型，引進(jìn)了氮營養(yǎng)指數(shù)(NNI)作為評價植株對氮素的指標(biāo)，其值的變化范圍為0.63～1.16。由圖2分析可知，當(dāng)施氮量處于N225水平時，NNI介于0.96～1.003之間，接近于1，說明此時氮素供應(yīng)可以基本滿足玉米植株的正常生長，接近供需平衡狀態(tài)。綜合考慮全生育周期氮營養(yǎng)狀況，可知施氮量在225～280 kg/hm2較適宜。

圖2 不同施氮處理玉米主要生育時期的植株氮營養(yǎng)指數(shù)Fig.2 N nutrition index(NNI) at main stages under different N-fertilizer levels

2.3 玉米葉片CCI值與NNI之間的擬合關(guān)系研究

由圖2分析結(jié)果表明，NNI與CCI值之間呈正相關(guān)變化趨勢，這種正相關(guān)關(guān)系在玉米3個主要生育期可以用線性回歸方程表示。圖3表明了NNI值與CCI值之間的線性關(guān)系，決定系數(shù)R2為0.836～0.956，相關(guān)系數(shù)分別為0.977、0.914、0.958，均達(dá)到顯著水平。楊虎[13]以水稻為材料研究表明，NNI對作物氮水平進(jìn)行評估是一個可靠地參數(shù)指標(biāo)。由圖3可以看出，NNI與葉綠素儀測定值CCI值之間的相關(guān)性顯著，玉米植株可以利用氮營養(yǎng)指數(shù)NNI進(jìn)行氮診斷，因此，我們可以在考慮試用CCI值對玉米植株進(jìn)行氮診斷并預(yù)測玉米植株適宜施氮量。

圖3 玉米主要生育期葉綠素儀CCI值與氮營養(yǎng)指數(shù)(NNI)的相關(guān)性Fig.3 The relationship between CCI reading and NNI in main stages

2.4 葉綠素CCI值與玉米相對產(chǎn)量之間的關(guān)系

通過對葉綠素CCI值與玉米相對產(chǎn)量之間關(guān)系的分析，可以發(fā)現(xiàn)葉片葉綠素儀的讀數(shù)和玉米的相對產(chǎn)量的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(R2=0.828)，并且符合線性加平臺模型。由圖4可知，平臺處產(chǎn)量為最大產(chǎn)量的0.924，對應(yīng)的葉綠素CCI值為53.94。由于在線性平臺模型中，平臺產(chǎn)量及為最佳產(chǎn)量，則其對應(yīng)的葉綠素CCI值可以被認(rèn)為是產(chǎn)量最大時的葉綠素值。綜上所述，可以用葉綠素CCI值對產(chǎn)量及施氮量進(jìn)行預(yù)測。但是，相對產(chǎn)量和CCI值之間的相關(guān)關(guān)系也會受到玉米品種，生育期與葉位的影響，只是收到的影響有所降低。上述研究表明，利用CCI值與NNI之間的相關(guān)性，不僅有效地克服了NNI檢測破壞性取樣問題，而且通過分析氮營養(yǎng)指數(shù)與葉綠素的關(guān)系也提高了CCI值對玉米植株氮營養(yǎng)狀況預(yù)測的準(zhǔn)確性。

圖4 玉米主要生育期葉綠素儀CCI值與相對產(chǎn)量的相關(guān)性Fig.4The relationship between CCI reading and relative yield in main stages

2.5 葉綠素CCI值在玉米推薦施肥中的應(yīng)用

玉米的品種和生長環(huán)境都會對葉綠素CCI值有較大的影響，因此在建立玉米推薦施肥診斷指標(biāo)時，采用相對CCI值的方法來消除這種影響。分析方法參照李占成等[14]的研究，具體的方法是：將作物供氮量處于奢侈狀態(tài)的處理作為對照區(qū)。其他處理葉綠素測定值與對照區(qū)相比大于95%時，可以不追肥或者追少量肥；反之，需要根據(jù)測定結(jié)果推薦不同追肥量[15]。依據(jù)此法，本研究將施氮量280 kg/hm2作為對照區(qū)，從圖5可以看出，N0水平雖然在抽雄期追肥后相對CCI值達(dá)到0.9左右，但是隨著玉米進(jìn)入營養(yǎng)生殖期對氮肥的需求量加大，相對CCI值有了明顯的下降，灌漿期的平均值只在0.825左右，說明此時氮素不足。同理可知N135和N180也出現(xiàn)玉米供氮不足的情況。當(dāng)玉米施氮量N225水平時，灌漿期的相對CCI值隨略低于抽雄期，但是也達(dá)到了供氮豐盈狀態(tài)，說明N225在整個生育期內(nèi)都滿足了玉米對氮肥的需求。因此可以確定本試驗(yàn)玉米適宜施氮量為225 kg/hm2。

圖5 玉米主要生育期不同施氮量的相對盈缺狀況Fig.5 The condition of surplus and deficiency in different nitrogen levels in main corn growth period

3 結(jié)果與討論

近幾年來，國內(nèi)外利用玉米葉片葉綠素讀數(shù)與植株氮營養(yǎng)指數(shù)之間相關(guān)性的報道逐漸增多。理論依據(jù)是：玉米葉片的含氮量與葉綠素含量呈正相關(guān)，葉綠素的含量越多，玉米光合作用的能力越強(qiáng)，對玉米接下來的生長發(fā)育及籽粒的產(chǎn)量有較大的影響。玉米氮素的盈缺狀態(tài)可以從玉米葉片的葉綠素指數(shù)上反映出來，同時氮營養(yǎng)指數(shù)也是反映玉米氮素盈缺的重要指標(biāo)。因此，研究葉綠素CCI值與NNI值之間的相關(guān)性可以將葉綠素儀的便捷性與氮營養(yǎng)指數(shù)的科學(xué)準(zhǔn)確性結(jié)合起來，為今后玉米的氮營養(yǎng)診斷提供科學(xué)依據(jù)。目前，關(guān)于葉綠素儀的研究主要還存在著幾點(diǎn)問題：①作物品種不同測定的葉綠素值的差異較大；②測定的生育期不同葉綠素儀測定結(jié)果存在差異；③測定玉米葉位不同葉綠素值存在差異[14]。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，葉綠素CCI值與施氮量之間呈顯著相關(guān)性，且隨著施氮量的增加而增加。在玉米的主要生育期內(nèi)，葉綠素CCI值與氮營養(yǎng)指數(shù)NNI之間呈正相關(guān)變化趨勢，且CCI值與氮肥施用量及玉米的相對產(chǎn)量之間有很好的相關(guān)性，因此，在田間可以考慮利用葉綠素儀CCM-200測定的CCI值方便快捷的評價玉米植株體內(nèi)氮素的盈虧狀況，同時綜合本研究的試驗(yàn)條件推薦適宜施氮量為225 kg/hm2，可略大于225 kg/hm2。但是，在利用它們之間的關(guān)系的時候應(yīng)該考慮到品種、生育期和葉位等因素對它們的影響。

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