李昌明，周艷麗，龍光強(qiáng)，孫 波

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，昆明 650201)

鎘污染水稻土中水稻氮素營(yíng)養(yǎng)的SPAD診斷①

李昌明1,2，周艷麗1,2，龍光強(qiáng)3，孫 波1*

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，昆明 650201)

治理和安全利用重金屬污染水稻土過(guò)程中，氮素營(yíng)養(yǎng)的快速診斷是制定合理施肥措施的基礎(chǔ)。葉綠素測(cè)定儀SPAD已廣泛應(yīng)用于非污染耕地土壤中玉米、小麥和棉花等作物的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷，然而針對(duì)鎘污染條件下的不同類(lèi)型水稻土，SPAD在診斷水稻氮素營(yíng)養(yǎng)的適應(yīng)性方面仍然缺乏系統(tǒng)研究。本研究采集了我國(guó)水稻主產(chǎn)區(qū)的21種典型水稻土，以德農(nóng)2000為供試水稻品種，設(shè)置無(wú)鎘污染、輕度鎘污染、重度鎘污染處理的水稻盆栽試驗(yàn)，研究水稻葉片SPAD值對(duì)鎘污染水稻土氮素供應(yīng)診斷和水稻產(chǎn)量預(yù)測(cè)的能力。結(jié)果表明：水稻土類(lèi)型影響了水稻葉片SPAD值對(duì)不同水平鎘污染的響應(yīng)，土壤pH是主控因子，其相對(duì)影響的平均值為20%。水稻葉片SPAD值與不同生育期水稻籽粒氮素含量顯著正相關(guān)，其中拔節(jié)期的相關(guān)系數(shù)最大；同時(shí)水稻葉片SPAD值與水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期(苗期至拔節(jié)期)土壤溶液總氮和銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)，且不受鎘污染程度和土壤類(lèi)型的影響?？傮w上，不同生育期(尤其是拔節(jié)期)水稻葉片的SPAD值可以表征鎘污染條件下不同類(lèi)型水稻土氮素養(yǎng)分供應(yīng)對(duì)水稻氮素營(yíng)養(yǎng)的影響。

葉綠素儀(SPAD)；鎘污染；水稻土類(lèi)型；土壤氮素供應(yīng)；氮素營(yíng)養(yǎng)診斷

稻田土壤氮素養(yǎng)分供應(yīng)影響了水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)[1-2]，以高產(chǎn)為目標(biāo)的大水大肥管理方式導(dǎo)致稻田氮素負(fù)荷增加，引起水環(huán)境污染[3-4]。根據(jù)土壤供應(yīng)和作物需求制定精確施氮方案可以有效控制氮肥過(guò)量施用問(wèn)題[5-6]，而氮素的營(yíng)養(yǎng)診斷是制定精確施肥方案的基礎(chǔ)[7]。

作物葉片的葉綠素含量是衡量作物氮素營(yíng)養(yǎng)變化的敏感指標(biāo)[8]，與葉片的光合作用強(qiáng)度和作物產(chǎn)量密切相關(guān)。葉綠素儀(SPAD-502)通過(guò)測(cè)定作物功能葉對(duì)紅波段(波長(zhǎng)約650 nm)的透射強(qiáng)度估算葉綠素含量[9]。葉綠素儀作為監(jiān)測(cè)田間作物氮素營(yíng)養(yǎng)狀況的快速簡(jiǎn)便方法，已廣泛應(yīng)用于指導(dǎo)水稻、玉米、小麥等作物的田間施肥[10-16]。在美國(guó)和巴基斯坦的稻田系統(tǒng)中，研究發(fā)現(xiàn)控制氮肥過(guò)量施用的水稻葉片SPAD閾值分別為40和37.5[17]。2005—2013年對(duì)全國(guó)土壤污染狀況的調(diào)查表明，在所有采樣點(diǎn)(38 393個(gè)土樣)中，中度鎘污染比例占12.7%，中度以上到重度鎘污染的比例占4.6%[18]。一方面，稻田土壤鎘污染對(duì)水稻生長(zhǎng)產(chǎn)生過(guò)氧化脅迫，抑制水稻根系和葉片生長(zhǎng)，降低葉綠素和蛋白質(zhì)含量，破壞營(yíng)養(yǎng)元素離子通道和運(yùn)輸器，導(dǎo)致光合速率降低，最終影響了水稻株高、分蘗、穎花數(shù)和生物量[19-20]。另一方面，土壤鎘污染影響了土壤微生物群落組成和土壤酶活性，從而影響了土壤氮素的轉(zhuǎn)化[22-23]，并最終影響作物對(duì)氮素的吸收[24]。研究表明，水稻葉片SPAD值不僅能表征水稻植株氮素營(yíng)養(yǎng)狀況和籽粒產(chǎn)量，也可反映稻田土壤的氮素供應(yīng)情況[25-26]。然而，葉片總?cè)~綠素或氮含量與葉色之間的定量關(guān)系受到作物種屬[27-28]、生育期[29-30]及其生長(zhǎng)環(huán)境[31-32]的綜合影響。我國(guó)水稻土類(lèi)型多樣，目前對(duì)鎘污染條件下不同水稻土中水稻葉片SPAD值表征土壤氮素供應(yīng)和水稻氮素營(yíng)養(yǎng)的能力及其影響因素，仍缺乏系統(tǒng)研究。

本研究在我國(guó)東北、長(zhǎng)江流域及東南沿海水稻主產(chǎn)區(qū)采集21種典型水稻土，通過(guò)鎘添加盆栽試驗(yàn)，研究不同水稻生育期中水稻葉片SPAD值的動(dòng)態(tài)變化特征，分析不同鎘污染水平下水稻葉片SPAD值與水稻籽粒氮素含量和產(chǎn)量的關(guān)系，以及與不同水稻土中氮素供應(yīng)的關(guān)系，為治理和安全利用鎘污染水稻土提供水稻氮素營(yíng)養(yǎng)的快速診斷方法。

1 材料與方法

1.1 供試材料

在我國(guó)東北、長(zhǎng)江流域和東南沿海三大優(yōu)勢(shì)水稻主產(chǎn)區(qū)，采集21種典型水稻土，其基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。其中強(qiáng)酸性土(1個(gè)， pH＜5)占5%，中性土(1個(gè)，6.5＜pH＜7.5)占5%，其余均為酸性土壤(5＜pH＜6.5)。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后去除雜物，過(guò)5 mm篩備用。供試水稻品種為雜交稻德農(nóng)2000，全生育期130 d，是前期研究中篩選出來(lái)的對(duì)鎘污染中等敏感的品種[33]。

1.2 盆栽試驗(yàn)

水稻盆栽試驗(yàn)于2011年6—9月在中國(guó)科學(xué)院中山植物園(江蘇省南京市)溫室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)期間氣溫變幅為14 ～ 37°C，日平均氣溫為26.2°C。試驗(yàn)采用PVC盆(口徑35 cm，底徑12.5 cm，高30 cm)，每盆裝土7 kg。針對(duì)21種水稻土類(lèi)型和3個(gè)鎘污染水平設(shè)置雙因素完全隨機(jī)試驗(yàn)，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，共計(jì)63盆。鎘污染處理包括無(wú)鎘污染(Cd0)、輕度鎘污染(Cd1)和重度鎘污染(Cd2)3個(gè)水平。其中，土壤輕度鎘污染的鎘添加量為我國(guó)酸性土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(0.3 mg/kg)，重度鎘污染的鎘添加量為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的2倍(0.6 mg/kg)。將CdSO4·8/3H2O溶液與土壤充分混勻后，保持80% 田間持水量，自然狀態(tài)下老化3個(gè)月，然后在每盆表層土3 ～ 5 cm處安置土壤溶液采集器[34]。水稻移栽前一周除草并淹水3 ～ 5 cm，按0.05 g/kg CO(NH2)2、0.04 g/kg Ca(H2PO4)2、0.10 g/kg K2SO4施入基肥，并于分蘗期和抽穗期各追施CO(NH2)20.05 g/kg，移栽后全生育期保持盆缽?fù)撩嫔? ～ 3 cm 水層。水稻種子室溫浸泡48 h，用H2O2消毒后置于溫室進(jìn)行催芽，發(fā)芽的種子旱床肥育后于三葉一心期進(jìn)行移栽，每盆3穴，每穴3株。

表1 供試水稻土的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of tested paddy soils

1.3 水稻葉片SPAD值測(cè)定及土壤溶液樣品分析

分別于5個(gè)水稻生育期(苗期、分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期)利用葉綠素儀(SPAD-502, Minolta Camera Co., Ltd., Japan)測(cè)定水稻植株最上一片全展葉SPAD值，每葉選取葉片中部、距葉鞘和葉尖各1/3 處3個(gè)部位測(cè)定。每盆選3穴，每穴選3株水稻，每盆共計(jì)測(cè)定27個(gè)SPAD值，求取平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。同時(shí)在5個(gè)生育期利用土壤溶液采集器收集土壤溶液，分析NH4+-N含量，表征水稻土供氮能力。所采集的土壤溶液樣品立即帶回實(shí)驗(yàn)室，用0.45 μm濾膜過(guò)濾，濾液裝入15 ml聚丙烯離心管，保存于4 ℃冰箱中待測(cè)。土壤溶液NH4+-N和全氮含量用連續(xù)流動(dòng)分析儀(BRAN+LUEBBE AA3)測(cè)定。土壤理化性質(zhì)按《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[35]進(jìn)行分析，其中土壤pH按水土比2.5∶1電位法測(cè)定，土壤顆粒組成采用吸管法測(cè)定，土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)用1 mol/L乙酸銨(pH 7.0)交換法測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)采用重鎘酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

為了比較不同水稻土類(lèi)型中葉片SPAD值的變化特征，根據(jù)土壤基本理化性質(zhì)，采用主成分分析將21種水稻土分為3類(lèi)(圖1)。第一和第二主成分解釋了土壤屬性變異的71.2%，其中第一主成分表征CEC(相關(guān)系數(shù)r = 0.72)、SOM(r = 0.65)及土壤黏粒含量(r = 0.82)，第二主成分表征土壤pH(r = 0.73)和總氮(r = -0.67)。

圖1 基于土壤性質(zhì)的主成分分析對(duì)水稻土的分組Fig. 1 Grouping of tested paddy soils based on PCA of soil properties

第一類(lèi)水稻土(I)特征是較低的CEC和pH，包括：重慶黃泥田(CQ-YP)、廣州紅泥田(GZ-RP)、清遠(yuǎn)黃泥田(QY-YP)、常德紫泥田(CD-PP)、鷹潭紅黏性水稻土(YT-RCP)。第二類(lèi)水稻土(II)特征是較高的CEC和pH值，包括：海倫黑砂壤性水稻土(HL-BSP)、南寧黃沙泥田(NN-YSP)、鹽城紅砂壤性水稻土(YC-RLP)、武漢石灰泥田(WH-LP)、揚(yáng)州馬肝土田(YZ-HLP)、雞西黑黏壤性水稻土(JX-BCP)、宣城沙泥田(XC-SP)、?？谧丶t壤性水稻土(HK-BRP)、沈陽(yáng)棕壤性水稻土(SY-BP)、常熟黃泥土田(CS-YP)。第三類(lèi)水稻土(III)特征是較高的SOM和全氮，包括：常德紅砂泥田(CD-RSP)、宣城黃白土田(XC-YWP)、武漢棕紅泥田(WH-BRP)、南寧紫泥田(NN-PP)、漳州青府灰泥田(ZZ-GP)、嘉興黃泥田(JX-YP)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0及R軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用聚類(lèi)推進(jìn)樹(shù)分析(aggregated boot tree analysis)計(jì)算土壤屬性對(duì)水稻葉片SPAD值變異的解釋量[36]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水稻土和鎘污染條件下水稻葉片SPAD值的動(dòng)態(tài)變化特征

圖2和表2說(shuō)明，成熟期以前，大部分水稻土中水稻葉片SPAD值隨鎘污染水平增加而下降。在輕度和重度鎘污染條件下，常德紅砂泥田(CD-RSP)、漳州青府灰泥田(ZZ-GP)、武漢石灰泥田(WH-LP)、南寧紫泥田(NN-PP)、宣城黃白土田(XC-YWP)、嘉興黃泥田(JX-YP)、海倫黑砂壤性水稻土(HL-BSP)、鹽城紅砂壤性水稻土(YC-RLP)中的水稻葉片SPAD值高于無(wú)鎘污染處理；而沈陽(yáng)棕壤性水稻土(SY-BP)、廣州紅泥田(GZ-RP)、重慶黃泥田(CQ-YP)、揚(yáng)州馬肝土田(YZ-HLP)中的SPAD值低于無(wú)鎘污染處理。這些水稻土類(lèi)型中葉片SPAD值的分異與單一土壤性質(zhì)之間沒(méi)有顯著的線(xiàn)性相關(guān)性，說(shuō)明水稻土的理化性質(zhì)共同影響了水稻葉片SPAD值對(duì)鎘污染的響應(yīng)特征。

圖2 不同鎘污染水平下21種水稻土中水稻葉片SPAD值隨生育期的變化Fig. 2 SPAD values of rice leaves in different rice growing seasons in tested paddy soils under different Cd pollution levels

方差分析表明(表3)，土壤類(lèi)型及其與鎘污染處理的交互作用顯著影響了水稻全生育期的葉片SPAD值；鎘污染處理在水稻苗期到抽穗期顯著影響了葉片SPAD值，但在水稻成熟期影響不顯著。整體而言，水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期(苗期、分蘗期和拔節(jié)期)葉片SPAD值受土壤類(lèi)型和鎘污染的影響程度大于生殖生長(zhǎng)期(抽穗期以后)。

聚類(lèi)推進(jìn)樹(shù)分析表明(表4)，土壤pH、SOM和CEC對(duì)水稻葉片SPAD值相對(duì)影響的平均值分別為20.0%、16.3% 和13.4%，較大，在水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期間(苗期至拔節(jié)期)，土壤pH對(duì)水稻葉片SPAD值的相對(duì)影響最大(平均為21.5%)。

2.2 不同水稻土和鎘污染條件下水稻葉片SPAD值與水稻籽粒及土壤溶液氮素含量之間的相關(guān)性

相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(表5)，不同鎘污染水平下的不同水稻土中，水稻葉片SPAD值與籽粒氮素濃度之間大多呈顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)在拔節(jié)期最高(在0.57以上)；而水稻葉片SPAD值與籽粒生物量之間的相關(guān)性大多不顯著。這說(shuō)明水稻葉片SPAD值對(duì)鎘污染水稻土中水稻籽粒氮素濃度的預(yù)測(cè)能力強(qiáng)，但對(duì)水稻產(chǎn)量的預(yù)測(cè)能力較差。

表2 水稻土類(lèi)型對(duì)不同生育期葉片SPAD值響應(yīng)鎘污染特征的影響Table 2 Effects of paddy soil types on responses of rice leaf SPAD values to different Cd pollution levels during rice growing seasons

表3 水稻土類(lèi)型和鎘污染處理對(duì)水稻葉片SPAD值影響的方差分析Table 3 Variance analysis of effects of soil types and Cd pollution treatments on rice leaf SPAD values

表4 聚類(lèi)推進(jìn)樹(shù)分析土壤性質(zhì)對(duì)水稻各生育期SPAD值的相對(duì)影響Table 4 Relative influences of soil properties on variations of SPAD values evaluated by aggregated boosted tree

水稻苗期至拔節(jié)期，葉片SPAD值與土壤溶液銨態(tài)氮(NH4+-N)和全氮(TN)含量顯著正相關(guān)，但在抽穗期和成熟期其相關(guān)性不顯著(表6)。在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，所有處理下水稻葉片SPAD值與土壤溶液全氮以及銨態(tài)氮含量的相關(guān)系數(shù)(r)達(dá)到0.31以上；在輕度和重度鎘污染處理下，葉片SPAD值與土壤溶液氮含量的平均相關(guān)系數(shù)也高于無(wú)污染處理，其中拔節(jié)期的相關(guān)系數(shù)最大，這說(shuō)明水稻葉片SPAD值能較好地表征水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，特別是拔節(jié)期污染水稻土的氮素供應(yīng)狀況。

2.3 不同鎘污染水平下水稻拔節(jié)期葉片SPAD值與水稻籽粒氮素含量及土壤全氮的相關(guān)性

線(xiàn)性回歸分析表明，在水稻拔節(jié)期，不同鎘污染水平下葉片SPAD值與籽粒氮素濃度極顯著相關(guān)(P＜0.01)，決定系數(shù)(R2)為0.45 ～ 0.58(圖3)；而葉片SPAD值的對(duì)數(shù)與土壤溶液全氮含量極顯著相關(guān)(P＜0.01)，R2為0.20 ～ 0.30(圖4)。

表5 不同類(lèi)型水稻土和鎘污染水平下水稻葉片SPAD值與水稻籽粒氮素含量和籽粒生物量的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients between SPAD values of rice leaves and rice grain biomass and nitrogen concentrations in different paddy soils and under different Cd pollution levels

表6 不同類(lèi)型水稻土和鎘污染水平下水稻葉片SPAD值與土壤溶液氮素含量的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficients between SPAD values of rice leaves and nitrogen concentrations in soil solutions in different paddy soils and under different Cd pollution levels

圖3 不同鎘污染水平下水稻拔節(jié)期葉片SPAD值與籽粒氮素含量的相關(guān)性Fig. 3 Relationship between SPAD values of rice leaves and nitrogen concentrations in rice grains at rice joint stage under different Cd pollution levels

3 討論

3.1 鎘污染對(duì)水稻葉片SPAD值的影響

圖4 不同鎘污染水平下水稻拔節(jié)期葉片SPAD值與土壤溶液全氮含量的相關(guān)性Fig. 4 Relationship between SPAD values of rice leaves and total nitrogen concentrations in soil solutions at rice joint stage under different Cd pollution levels

葉綠素測(cè)定儀(SPAD)提供了簡(jiǎn)單、快速和無(wú)損估測(cè)葉片含氮量的方法，作物氮素營(yíng)養(yǎng)缺乏導(dǎo)致的葉綠素含量下降可以被SPAD值所表征[37]。從水稻的苗期到成熟期，鎘污染條件導(dǎo)致水稻葉片SPAD值下降(圖3)。在輕度和重度鎘污染水平下，從苗期到拔節(jié)期(水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期)，水稻葉片SPAD值比無(wú)鎘污染水平分別下降了2.84 ～ 5.90和3.43 ～ 5.90；從抽穗期到成熟期(水稻生殖生長(zhǎng)期)，水稻葉片SPAD值分別下降了0.32 ～ 1.05和0.83 ～ 1.45，說(shuō)明鎘污染導(dǎo)致的葉片SPAD值降幅隨著水稻生育期而減少。本研究結(jié)果與Liu等[38]的研究不同，他們發(fā)現(xiàn)水稻生殖生長(zhǎng)比營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)對(duì)重金屬污染的敏感性更強(qiáng)，這可能與本研究采用了對(duì)鎘污染中等敏感的水稻品種有關(guān)。土壤鎘污染能夠引起植物膜脂過(guò)氧化、酶活性減弱，從而抑制植物的光合作用[39]，同時(shí)植物吸收的鎘能引起植物體內(nèi)葉綠素的分解而導(dǎo)致葉片黃化[40]，因此土壤鎘污染降低了水稻葉片的SPAD值。在本研究中，雖然大多數(shù)水稻土類(lèi)型在重度鎘污染水平下葉片SPAD值的降幅大于輕度鎘污染水平，但也有部分水稻土類(lèi)型在鎘污染條件下葉片SPAD值高于無(wú)鎘污染條件(圖3)。植物受到鎘脅迫時(shí)，首先分泌植物螯合素(Phytochelatins)類(lèi)物質(zhì)，通過(guò)絡(luò)合鎘降低其毒性；然后在根內(nèi)形成抗壓蛋白、抗氧化物酶系以及水楊酸，形成固定和排除鎘機(jī)制[41]。本研究中，在輕度鎘污染水平下，可能未達(dá)到激發(fā)水稻啟動(dòng)防御鎘脅迫系統(tǒng)的閾值濃度；而在重度鎘污染水平學(xué)下，水稻開(kāi)啟了防御鎘脅迫的系統(tǒng)，從而降低了鎘對(duì)水稻植株生長(zhǎng)的危害，從而提高了水稻植株的光合作用。

3.2 水稻土性質(zhì)對(duì)水稻葉片SPAD值的影響

本研究采集了我國(guó)水稻主產(chǎn)區(qū)21種水稻土進(jìn)行水稻盆栽試驗(yàn)，方差分析結(jié)果顯示土壤類(lèi)型對(duì)各生育期水稻葉片的SPAD值存在顯著影響(表2)。不同水稻土類(lèi)型中，葉片SPAD值在不同生育期對(duì)鎘污染的響應(yīng)方式不同，多數(shù)水稻土中水稻葉片SPAD值隨鎘污染的降幅在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期高于生殖生長(zhǎng)期，但有部分水稻土在抽穗和成熟期表現(xiàn)出葉片SPAD值在鎘污染處理下升高(表3)。由于不同水稻土中有機(jī)質(zhì)含量和pH不同，影響了土壤對(duì)鎘污染的緩沖作用，同時(shí)水稻對(duì)鎘污染的抗性和耐性也隨生育期而變化，導(dǎo)致不同土壤在不同生育期水稻葉片SPAD值響應(yīng)鎘污染的變化[42]。聚類(lèi)推進(jìn)樹(shù)(ABT)分析表明(表3)，土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量和陽(yáng)離子交換量是影響葉片SPAD值的主要因子，其中土壤pH的影響最大(平均解釋率為 20% ± 0.02%)并主要表現(xiàn)在水稻的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段。一方面，土壤pH顯著影響了土壤溶液中養(yǎng)分的離子活性變化和植物吸收過(guò)程[43-44]；另一方面，在鎘污染條件下土壤pH顯著影響了銨態(tài)氮含量和土壤氮素供應(yīng)狀況[45]。在水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，作物對(duì)氮素養(yǎng)分需求旺盛，因此土壤pH對(duì)水稻葉片SPAD值的影響更為顯著，這也說(shuō)明需要在水稻苗期到拔節(jié)期加強(qiáng)對(duì)污染水稻土酸度的調(diào)控，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)。

3.3 水稻葉片SPAD值與籽粒氮素含量和土壤供氮能力的關(guān)系

葉片SPAD值可用于監(jiān)測(cè)小麥、玉米、水稻、煙草生長(zhǎng)過(guò)程中植株體內(nèi)氮素營(yíng)養(yǎng)[46-51]。本研究發(fā)現(xiàn)不同水稻土類(lèi)型和不同鎘污染水平下，不同水稻生育期的葉片SPAD值可以預(yù)測(cè)水稻籽粒氮素濃度(表4)。不同作物中，利用SPAD值進(jìn)行氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的適宜時(shí)期不同，張麗等[47]發(fā)現(xiàn)玉米葉片SPAD差值可預(yù)測(cè)成熟期玉米籽粒蛋白質(zhì)含量，而Carreres等[52]發(fā)現(xiàn)只有在水稻分蘗中期可以利用SPAD值預(yù)測(cè)水稻氮素含量并指導(dǎo)氮肥施用量。本研究發(fā)現(xiàn)，在水稻拔節(jié)期，葉片SPAD值與籽粒氮素濃度的相關(guān)系數(shù)最高(表4)，這是預(yù)測(cè)水稻籽粒氮素含量的最佳時(shí)期(圖4)。

水稻葉色反映了其含氮化合物的含量狀況，因此土壤溶液供氮狀況通過(guò)影響水稻對(duì)氮素的吸收和轉(zhuǎn)化最終影響了葉片SPAD值的變化[53]。本研究發(fā)現(xiàn)，在水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段(苗期、分蘗期、拔節(jié)期)水稻葉片SPAD值與土壤溶液銨態(tài)氮和全氮含量顯著正相關(guān)，而在生殖生長(zhǎng)階段(抽穗期、成熟期)SPAD值與土壤氮素供應(yīng)的相關(guān)性下降(表5)。這是由于水稻在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，根系吸收的氮素主要供應(yīng)轉(zhuǎn)化為水稻植株上部3張葉片的含氮化合物，而在抽穗期以后，根系吸收的氮素主要用于形成籽粒[53]。本研究還表明，水稻葉片SPAD值對(duì)土壤氮素供應(yīng)狀況的預(yù)測(cè)能力不受水稻土類(lèi)型和鎘污染水平的影響，而且拔節(jié)期預(yù)測(cè)的相關(guān)性在5個(gè)生育期中最高(表6，圖5)。在水稻拔節(jié)期葉片SPAD值通常最高[48]，此時(shí)也是水稻從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的過(guò)渡期，因此需要加強(qiáng)對(duì)土壤供氮能力的監(jiān)測(cè)，及時(shí)追肥保障水稻生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

本研究針對(duì)我國(guó)水稻主產(chǎn)區(qū)(東北地區(qū)、長(zhǎng)江流域及東部南部沿海地區(qū))的21種典型水稻土，開(kāi)展了不同鎘污染水平的水稻盆栽試驗(yàn)，以對(duì)鎘脅迫中等敏感的德農(nóng)2000為供試水稻品種，研究了水稻葉片SPAD值對(duì)鎘污染水稻土氮素供應(yīng)診斷和水稻產(chǎn)量預(yù)測(cè)的能力。研究發(fā)現(xiàn)與無(wú)鎘污染水平相比，21種水稻土在鎘污染條件下水稻葉片SPAD平均值下降，存在鎘污染與土壤類(lèi)型、水稻生育期的交互影響。其中，水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期間(苗期、分蘗期、拔節(jié)期)葉片SPAD值對(duì)鎘污染的響應(yīng)較生殖生長(zhǎng)期間(抽穗期、成熟期)更為敏感，土壤pH是影響水稻葉片SPAD值變化的主要土壤因子。在不同的水稻土類(lèi)型和不同鎘污染水平下，水稻葉片SPAD值可以用于預(yù)測(cè)水稻氮素營(yíng)養(yǎng)，特別是在水稻拔節(jié)期，這種預(yù)測(cè)的相關(guān)性最高，這也是水稻高產(chǎn)種植管理中追肥的關(guān)鍵時(shí)期。由于本研究基于溫室盆栽試驗(yàn)，需要進(jìn)一步開(kāi)展水稻土類(lèi)型、水稻品種、鎘污染水平以及施肥水平的多因素田間試驗(yàn)，驗(yàn)證水稻葉片SPAD值對(duì)重金屬污染的響應(yīng)關(guān)系和對(duì)土壤氮素供應(yīng)的預(yù)測(cè)關(guān)系，為合理施肥、安全利用鎘污染水稻土提供快速監(jiān)測(cè)方法。

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Diagnosis of Nitrogen Nutrition in Rice Plant by SPAD Chlorophyll Meter for Paddy Soils Under Cd Pollution

LI Changming1,2, ZHOU Yanli1,2, LONG Guangqiang3, SUN Bo1*
(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3 College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

A rapid diagnosis of nitrogen nutrition status in the soil is fundamental for precise fertilization during the remediation and safe use of heavy metal polluted paddy soils. Determination of leaf chlorophyll content using the SPAD (soil and plant analyzer development) Chlorophyll Meter has been widely used as nitrogen nutrition diagnosis for corn, wheat and cotton.However, its applicability in rice plant is unclear for the different types of paddy soils under cadmium (Cd) pollution. In this study,twenty-one types of paddy soils collected in the main rice-planting regions of China were used for a pot experiment with a rice variety (DN 2000). Three Cd pollution treatments were established： without Cd addition (no Cd pollution), low dose Cd addition(slight Cd pollution), and high dose Cd addition (severe Cd pollution). Rice leaf SPAD values and nitrogen concentrations in soil solutions were measured at seedling, tillering, jointing, heading and mature stages. The results showed that soil type had a significant impact on the response of rice leaf SPAD value to Cd pollution, and soil pH played an important role (with an average relative contribution of 20%) on the variation of SPAD value. SPAD values were significantly correlated to rice grain nitrogen concentrations, with the highest correlation coefficient in the jointing stage. At the same time, SPAD values were significantly correlated with the total nitrogen and ammonium nitrogen concentrations in soil solutions at seedling and tillering stages, which was independent of Cd pollution level and soil type. In general, rice leaf SPAD value during rice growth season, especially at the jointing stage, could characterize the impact of soil nitrogen supply on nitrogen nutrition status of rice plant in different paddy soils under Cd pollution.

SPAD (Soil and plant analyzer development); Cd pollution; Paddy soil type; Soil nitrogen supply; Nitrogen nutrition diagnosis

S154；Q958

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.013

國(guó)家綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS-22-G-14)、國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200300)和中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃項(xiàng)目(KFJ-SW-STS-142)資助。

* 通訊作者(bsun@issas.ac.cn)

李昌明(1987—)，男，甘肅蘭州人，博士研究生，主要從事土壤環(huán)境生態(tài)學(xué)方面的研究。E-mail：churmi@163.cn