楊海龍，楊佳恒，蔡金洋*

(1.嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 水稻育種研究所 浙江 嘉興 314016；2.舟山市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 農(nóng)技推廣中心，浙江 舟山 316300)

水稻是我國(guó)第二大糧食作物[1]，增施氮肥是水稻增產(chǎn)的重要技術(shù)手段，但如何科學(xué)地提高田間氮素管理水平和保障水稻增產(chǎn)是目前研究的重要方向之一[2]。水稻產(chǎn)量形成所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)60%～80%來(lái)自于葉片的光合作用[3]，田間氮肥不足會(huì)導(dǎo)致水稻葉片葉綠素含量降低、葉片光合作用減弱，最終影響水稻產(chǎn)量[4]。因此，研究葉片葉綠素含量與產(chǎn)量的關(guān)系，對(duì)改善水稻田間施肥有重要意義。采用SPAD葉綠素測(cè)量計(jì)(soil plant analysis development)可以快捷、方便和及時(shí)地檢測(cè)水稻葉片相對(duì)葉綠素含量并且判斷氮素營(yíng)養(yǎng)狀況[5]。李剛?cè)A等[6]研究指出，水稻葉片SPAD值與葉片含氮量和植株含氮量都有較好的相關(guān)性，用SPAD儀診斷氮素營(yíng)養(yǎng)測(cè)定誤差較小。蘇云松等[7]研究表明，馬鈴薯葉片SPAD值能作為早期馬鈴薯產(chǎn)量篩選的指標(biāo)，其葉片SPAD值和產(chǎn)量有較好的相關(guān)性。史力超等[8]試驗(yàn)證明，小麥不同生育期葉片SPAD值和產(chǎn)量間表現(xiàn)為二次曲線關(guān)系，在一定范圍內(nèi)小麥產(chǎn)量隨著SPAD值增大而增大，當(dāng)超出一個(gè)閾值之后，產(chǎn)量開(kāi)始增加緩慢或者下降。目前關(guān)于水稻葉片SPAD值與產(chǎn)量的關(guān)系研究較少。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上分析不同施氮水平下水稻生育期內(nèi)冠層葉片SPAD值變化趨勢(shì)和分布規(guī)律，探索水稻各生育期葉片SPAD值與產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的關(guān)系，確定各生育期的葉片SPAD閾值，為田間氮肥合理施用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 處理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年6月—11月在浙江省嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院(120°42′42″E，30°50′20″N)試驗(yàn)田進(jìn)行，前茬作物為水稻，耕作層土壤有機(jī)質(zhì)29.18 g·kg-1，全氮2.27 g·kg-1，速效磷13.42 mg·kg-1，速效鉀55.17 mg·kg-1，pH 6.55。試驗(yàn)水稻品種為秀水134。

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)施氮水平，施肥量分別為0(LN)、200(MN)、400(HN)kg·hm-2。氮肥折合成尿素(含純氮46.4%)，按基肥∶蘗肥∶追肥為4∶3∶3來(lái)施用。在施用基肥時(shí)，磷肥(P2O5)、鉀肥(KCl)一次性施用，施用量分別為42 kg·hm-2和150 kg·hm-2。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積9 m2，每個(gè)小區(qū)四周做成高30 cm、寬30 cm的田埂，并用農(nóng)用PC膜覆蓋田埂，保證各小區(qū)單獨(dú)排灌，供試水稻材料于2019年6月2日播種，7月1日移栽，每穴2株苗，株行距20 cm×17 cm，田間水分、病蟲(chóng)害管理與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培相同。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目

1.2.1 SPAD值

采用SPAD-502葉綠素儀在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、灌漿期、乳熟期和成熟期測(cè)定葉片SPAD值，每個(gè)小區(qū)選擇健康主莖測(cè)定其頂部葉片(成熟期測(cè)頂1～3葉)，測(cè)定時(shí)選擇完全展開(kāi)的葉片上1/3、中部和下1/3的位置，取平均值作為各葉片的SPAD值，取每個(gè)小區(qū)10棵水稻相同葉位的SPAD平均值作為該小區(qū)該葉位的SPAD值。

1.2.2 葉綠素降解速率

根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]計(jì)算抽穗期后葉綠素降解速率。葉綠素降解速率(V)=(Si-Si+1)/S×100%，其中i表示水稻物候期，i+1表示第i個(gè)物候期之后的一個(gè)物候期，Si表示該物候期葉片SPAD值。

1.2.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

成熟期每小區(qū)選定1 m2作為測(cè)產(chǎn)小區(qū)，單獨(dú)脫粒烘干后測(cè)定水稻產(chǎn)量。每個(gè)小區(qū)選擇3穴稻株進(jìn)行考種，主要分析穗長(zhǎng)、有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重、總粒數(shù)等。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPSv7.05和Microsoft Excel 2007進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平下水稻整個(gè)生育期內(nèi)葉片SPAD值變化特點(diǎn)

表1表明，秀水134在不同施氮水平下SPAD值均出現(xiàn)了2次升降現(xiàn)象，表現(xiàn)在葉片顏色會(huì)出現(xiàn)2次黑-黃交替。在拔節(jié)期至孕穗期SPAD值開(kāi)始下降，孕穗期至抽穗期SPAD值上升并在抽穗期達(dá)到最高值，在灌漿期至成熟期，SPAD值又下降。相同葉位，高氮(HN)和中氮(MN)處理的葉片SPAD值均會(huì)比不施氮(LN)處理高。

表1 不同施氮水平下水稻不同葉位的SPAD值

同一物候期冠層4張葉片SPAD值均在差異。不同施氮水平下，拔節(jié)期和孕穗期冠層4張葉片SPAD值由大到小表現(xiàn)為D4葉>D3葉>D2葉>D1葉，且LN條件下冠層4張葉片SPAD值間差異顯著。在MN處理下，拔節(jié)期D1葉SPAD值與其余各葉位SPAD值存在顯著差異，但D2葉、D3葉和D4葉之間SPAD值差異并不顯著，孕穗期D4葉SPAD值與D1葉、D2葉、D3葉SPAD值存在顯著差異；HN處理下，拔節(jié)期D1葉SPAD值與其余各葉位SPAD值存在顯著差異，但D2葉、D3葉和D4葉之間SPAD值差異并不顯著，孕穗期D1葉SPAD值與D3葉和D4葉SPAD值存在顯著差異。說(shuō)明增加氮肥施用可以降低營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段各葉位SPAD值的差異。水稻抽穗后冠層4張葉片SPAD值存在明顯差異，其中SPAD值以D1葉為最高，由大到小具體表現(xiàn)為D1葉>D2葉>D3葉>D4葉。研究發(fā)現(xiàn)，在抽穗期LN處理各葉位的SPAD差值比MN和HN處理各葉位差值大。進(jìn)入灌漿期，不同氮肥水平下各葉位SPAD值均開(kāi)始下降，但LN條件下葉片SPAD值下降的更加明顯。在成熟期LN處理D4葉大部分衰老變黃，無(wú)法測(cè)量，其余葉位SPAD值也不高。

2.2 不同施氮水平下水稻抽穗期后各葉位葉綠素降解速率

由表2可知，不同施氮水平下水稻在不同生育階段的葉綠素降解速率不同。LN條件下D1到D4葉位的葉綠素降解速率逐漸增加，抽穗至灌漿期，D1葉的葉綠素降解速率最低為9.2%，D2葉、D3葉和D4葉分別為11.1%、11.2%和12.3%；隨著生育期的推進(jìn)，各葉位的葉片葉綠素降解速率開(kāi)始加快，在灌漿至乳熟期D4葉葉綠素的降解速率發(fā)生劇增，D1葉、D2葉和D3葉分別為33.8%、36.6%和38.7%；乳熟至成熟期，D1葉、D2葉和D3葉的降解速率提高到39.1%、53.5%和58.6%。MN和HN處理各葉位葉綠素降解速率的變化趨勢(shì)與LN處理不同，葉綠素降解速率隨著生育期的推進(jìn)表現(xiàn)為先增加后降低，MN處理D4葉和D3葉分別在灌漿至乳熟期、乳熟至成熟期葉綠素降解速率出現(xiàn)急劇下降。但HN處理隨著時(shí)間的推移不僅沒(méi)有觀測(cè)到D4葉和D3葉在上述時(shí)期發(fā)生葉綠素急速劇變的情況，還發(fā)現(xiàn)降解速率有減緩的趨勢(shì)。

表2 不同施氮水平下水稻抽穗后各葉位葉綠素平均降解速率 單位：%

2.3 不同施氮水平對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

不同施氮水平會(huì)影響水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素。表3表明，HN和MN處理水稻產(chǎn)量分別比LN處理顯著(P<0.05)增加了37.7%和24.7%，有效穗數(shù)分別增加了66.7%和27.8%(P<0.05)；千粒重分別增加1.8%和1.2%(P<0.05)，但不同施氮水平下結(jié)實(shí)率并沒(méi)有顯著變化，而HN處理每穗實(shí)粒數(shù)分別比MN和LN處理下降了11.00%和10.65%，但差異不顯著(表3)。有研究發(fā)現(xiàn)施氮會(huì)促進(jìn)水稻分蘗的增加，是否是因?yàn)樗編?kù)容量一定，過(guò)量施氮引起的無(wú)效分蘗增加而最終影響結(jié)實(shí)率還需要進(jìn)一步研究。

表3 不同施氮水平對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

2.4 不同生育期冠層葉片SPAD均值與產(chǎn)量擬合關(guān)系

如圖1所示，水稻整個(gè)生育期內(nèi)冠層4張葉片的SPAD均值與產(chǎn)量之間呈二次曲線關(guān)系，這表明在一定范圍內(nèi)水稻預(yù)測(cè)產(chǎn)量隨著SPAD值增加而增加，但超過(guò)一定閾值后產(chǎn)量增加速度減緩或者開(kāi)始下降。各物候期冠層葉片SPAD均值與產(chǎn)量都具有較好的擬合效果，其中拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、灌漿期、乳熟期和整個(gè)生育期葉片SPAD均值和產(chǎn)量的決定系數(shù)(R2)分別是0.82、0.70、0.79、0.87、0.94和0.90，葉片SPAD值和產(chǎn)量隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)擬合程度逐漸提高。一般將達(dá)到作物最大產(chǎn)量的SPAD均值稱為最適值，產(chǎn)量90%～95%的葉片SPAD值作為測(cè)量的臨界值[8]。因此，由表3的方程可以確定拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、灌漿期、乳熟期和整個(gè)生育期水稻4張葉片SPAD均值的最適值和臨界值分別為48.7和42.6、43.9和40.0、46.0和43.3、43.5和39.8、32.1和26.8、42.0和38.9。

圖1 水稻各生育時(shí)期葉片SPAD值與產(chǎn)量的關(guān)系

2.5 不同葉位SPAD值與產(chǎn)量擬合關(guān)系分析

由表4可知，水稻各物候期不同葉位與產(chǎn)量的擬合效果不同。拔節(jié)期，SPADmean、SPADD3與產(chǎn)量的擬合關(guān)系較好(決定系數(shù)R2分別是0.82和0.78)，各葉位的擬合效果由大到小是Dmean>D3>D1>D4>D2。孕穗期，D2葉與產(chǎn)量的擬合方程決定系數(shù)仍是最低，D1葉決定系數(shù)最高，其決定系數(shù)由大到小是D1>D3=Dmean>D4>D2。抽穗期D3葉決定系數(shù)最高，D2葉決定系數(shù)有所提高，但仍是最低。灌漿期冠層4張葉片的擬合效果都比較好，但D4葉SPAD值的決定系數(shù)降至最低，不同葉位決定系數(shù)由大到小是Dmean>D3>D1>D2>D4，乳熟期則是Dmean=D1>D3>D2>D4，其中D4葉SPAD值的擬合效果較差?？v觀整個(gè)生育期，可以用SPADmean值變化趨勢(shì)來(lái)對(duì)收獲產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表4 不同時(shí)期水稻葉片SPAD值與產(chǎn)量擬合關(guān)系

3 小結(jié)與討論

本研究表明，水稻冠層葉片SPAD值在生育期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)“黑黃”交替的現(xiàn)象，增施氮肥會(huì)降低葉綠素降解速率。冠層葉片SPADmean和產(chǎn)量之間可以用二次函數(shù)進(jìn)行擬合，隨著生育期的進(jìn)行，擬合程度會(huì)越來(lái)越高，拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、灌漿期、乳熟期和整個(gè)生育期葉片的SPAD最適值和臨界值分別為48.7和42.6、43.9和40.0、46.0和43.3、43.5和39.8、32.1和26.8、42.0和38.9。

不同施氮水平下水稻葉片均會(huì)出現(xiàn)SPAD值2次變化態(tài)勢(shì)，即SPAD值從拔節(jié)期至孕穗期下降，進(jìn)入抽穗期后開(kāi)始上升，隨著生育期的推進(jìn)又開(kāi)始降低，不同施氮水平都改變不了這種“黑黃”交替現(xiàn)象。這種生育期內(nèi)出現(xiàn)的葉片SPAD值變化趨勢(shì)與前人研究結(jié)果相同[2,5,9]。不同葉位SPAD值在不同生育期的分布規(guī)律不同，主要表現(xiàn)在冠層4張葉片SPAD值差異不同，尤其在低氮條件下，冠層4張葉片的SPAD值差異較大，但隨著施氮水平的提高，差值減少。李剛?cè)A等[6]也發(fā)現(xiàn)，增加施氮量可以減少葉位間SPAD值的差異，俞敏祎等[10]推測(cè)氮素供應(yīng)充足條件下，不僅可以滿足水稻下部葉片的氮素營(yíng)養(yǎng)也能滿足上部新葉的生長(zhǎng)。本次研究表明，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段水稻D4葉和D3葉的SPAD值大于D1葉和D2葉，這可能是因?yàn)榈貜幕客线\(yùn)輸，靠近根部的SPAD值較大[10]；進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段，上部D1葉和D2葉的SPAD值會(huì)大于D3葉和D4葉。水稻抽穗后D1葉、D2葉、D3葉和D4葉的葉綠素降解速率會(huì)劇增，降解趨勢(shì)與前人研究相同[3]，但增施氮肥會(huì)減緩葉綠素降解速率。也有研究表明，抽穗后D1葉的含氮量會(huì)大于D2葉、D3葉和D4葉，說(shuō)明其他因素會(huì)影響抽穗后各葉位的SPAD值[5]。

本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水稻產(chǎn)量隨著施氮水平的增加而增加，這主要是因?yàn)橛行霐?shù)的顯著提高。也有研究表明，一定氮肥范圍內(nèi)，施氮量增加對(duì)產(chǎn)量有正效應(yīng)，但過(guò)度施氮會(huì)造成增幅減緩或者下降[11-12]。水稻各物候期內(nèi)的冠層4張葉片SPAD值與產(chǎn)量會(huì)呈現(xiàn)二次回歸曲線關(guān)系，即隨著SPAD值增加產(chǎn)量表現(xiàn)出先增加后稍稍降低的趨勢(shì)。史力超等[8]和楊虎[11]分別在小麥和水稻上發(fā)現(xiàn)了葉片SPAD值與產(chǎn)量呈現(xiàn)這種二次回歸曲線關(guān)系，楊虎[11]認(rèn)為可以通過(guò)生育期內(nèi)葉片SPAD值對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。歐陽(yáng)杰等[3]研究表明，水稻葉片SPAD值與產(chǎn)量有直接關(guān)系，且灌漿期葉片葉綠素濃度與穗粒重有較好的相關(guān)性。Blackmer等[13]研究指出，作物在氮肥供應(yīng)充足或者不足的情況下，其葉片SPAD值與產(chǎn)量都有很好的相關(guān)性，本研究結(jié)果與此相似。本研究基于葉片SPAD值與產(chǎn)量的二次曲線關(guān)系上確定了不同生育時(shí)期冠層葉片SPAD值最適值和臨界值，以期在保證水稻產(chǎn)量的情況下為提高田間氮肥利用效率提供建議。