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        基于葉片SPAD值的華南雙季早稻氮肥推薦模型的研究

        2023-12-29 00:00:00紀(jì)明亮趙津瑤韋佳楊文依張悅張彬陳青春
        湖南農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023年6期

        摘 要:研究于2021—2022年以合美占和粵晶絲苗2號為供試水稻品種進(jìn)行了不同氮肥水平(0、60、120、180、240 kg/hm2)的田間試驗(yàn),分別在水稻分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、乳熟期建立基于葉片SPAD值的雙季早稻氮肥推薦模型,并對模型推薦的施肥量進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:隨著生育期推移,早稻葉片SPAD值呈下降的趨勢;同一生育時期,早稻葉片SPAD值隨著氮肥用量的增加呈遞增的趨勢;各生育期水稻產(chǎn)量與葉片SPAD值、施氮量具有顯著相關(guān)性;以最高產(chǎn)量的 90%~95% 作為臨界值,推知水稻分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、乳熟期的臨界SPAD值分別為41.2、40.1、33.6、23.5;根據(jù)臨界SPAD值,計(jì)算出基肥、分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、乳熟期的氮肥推薦施用量分別為90、27.2、12.7、21.5、6.4 kg/hm2,比常規(guī)施氮量減少了37.2 kg/hm2,節(jié)省了19%的氮肥,產(chǎn)量比常規(guī)施肥稍有增加,但差異未達(dá)顯著水平。該研究建立的基于葉片SPAD值的早稻氮肥推薦模型可以為水稻全生育期氮素診斷提供參考。

        關(guān)鍵詞:水稻;產(chǎn)量;SPAD值;氮肥推薦模型

        中圖分類號:S511.310.62 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-060X(2023)06-0020-06

        Abstract: From 2021 to 2022, a field experiment of five nitrogen levels (0, 60, 120, 180 and 240 kg/hm2) was conducted with two rice varieties (Hemeizhan and Yuejingsimiao 2) as tested materials. A recommendation model of nitrogen fertilizer application in double-season early rice was established based on leaf SPAD values respectively at four growth stages (namely, rice tillering, jointing, booting and milky ripe stages). Furthermore, the fertilization amount recommended by the model was verified practically. The results showed that the leaf SPAD value of early rice presented a downward tendency as the growth period was delayed. At the same growth period, leaf SPAD value of early rice showed an increasing trend with the increase of nitrogen application amount. Rice yield was significantly correlated with leaf SPAD value and/or nitrogen application rate at each growth stage. Taking 90%-95% of the highest yield as the critical value, it was inferred that the critical values of leaf SPAD at tillering, jointing, booting and milky ripe stages were 41.2, 40.1, 33.6 and 23.5, respectively. Thereafter, according to the critical SPAD value, the recommended application rates of nitrogen fertilizer for base fertilizer, tillering stage, jointing stage, booting stage and milky ripe stage were calculated to be 90, 27.2, 12.7, 21.5 and 6.4 kg/hm2, respectively, 37.2 kg/hm2 less than that of conventional fertilization, which would save 19% of nitrogen fertilizer and result in a slight increase of grain yield without significant differences. The recommendation model of early rice nitrogen fertilizer based on leaf SPAD value established in this study can provide reference for nitrogen diagnosis in the whole growth period of rice.

        Key words:rice; yield; SPAD values; nitrogen recommendation model

        作為世界上三大糧食作物之一,水稻(Oryza sativa L.)產(chǎn)量一直是全人類較為關(guān)心的問題,全球50 %以上人口以其為主食[1-2]。增施氮肥是水稻獲得高產(chǎn)的重要手段之一,但氮肥用量過低或過高都不利于水稻產(chǎn)量的形成[3]。目前,許多學(xué)者構(gòu)建了基于葉面積指數(shù)、地上部生物量、冠層NDVI值等參數(shù)的氮素臨界值模型,涉及作物包括玉米、馬鈴薯、小麥、油菜、水稻等。李嵐?jié)齕4]運(yùn)用高光譜遙感監(jiān)測法確定了油菜氮素臨界參數(shù),并構(gòu)建了高光譜診斷模型;于靜[5]運(yùn)用主動作物傳感器GreenSeeker方法對馬鈴薯進(jìn)行了氮素營養(yǎng)診斷,為馬鈴薯高效栽培提供新的技術(shù)支撐;黃夢婷等[6]利用無人機(jī)多光譜遙感技術(shù)對水稻冠層SPAD進(jìn)行反演,構(gòu)建了水稻SPAD的反演模型,決定系數(shù)為0.782;沈若川等[7]運(yùn)用養(yǎng)分專家系統(tǒng)對北方馬鈴薯氮素施肥管理進(jìn)行了驗(yàn)證,證實(shí)推薦施肥方案能降低氮素?fù)p失風(fēng)險;李佳佳等[8]探究了高溫脅迫下不同氮素水平對番茄的響應(yīng)機(jī)制,獲得了較高的氮肥利用率和經(jīng)濟(jì)收益;蘇雨婷等[9]運(yùn)用不同氮肥運(yùn)籌方式對雜交稻產(chǎn)量與抗倒伏進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明基蘗肥比例在50%~60%時雜交稻植株的抗倒伏能力最好。

        葉片是水稻進(jìn)行光合作用的主要功能器官,SPAD-502 葉綠素儀能快速測定葉片葉綠素含量。近年來國內(nèi)外許多學(xué)者利用SPAD值來確定田間氮肥用量。潘薇薇等[10]利用葉綠素儀(SPAD-502)在膜下滴灌條件下對棉花進(jìn)行氮肥推薦,發(fā)現(xiàn)SPAD值與植株吸氮量、葉片含氮量有顯著相關(guān)性;李杰等[11]研究表明,水稻抽穗期SPAD值與田間供氮量擬合度較高;郭建華等[12]通過SPAD儀與GreenSeeker儀對小麥群體進(jìn)行了氮素診斷,發(fā)現(xiàn)返青拔節(jié)期間葉綠素值與氮肥施用量相關(guān)性最顯著,在施肥量小于300 kg/hm2的范圍內(nèi)氮肥利用率較高。

        基于SPAD儀,研究者在氮素營養(yǎng)診斷和推薦施肥方面進(jìn)行了大量的研究[13-14],但在雙季稻關(guān)鍵施肥期關(guān)于葉片SPAD值動態(tài)變化及相關(guān)數(shù)學(xué)模型的研究卻罕見報道。筆者基于前人已有的研究思路,利用SPAD-502葉綠素儀獲取不同氮素水平下各生育期水稻葉片的SPAD值,研究了不同生育期水稻葉片SPAD值與籽粒產(chǎn)量、氮肥水平之間的相關(guān)關(guān)系,再依據(jù)臨界SPAD值建立各生育期的氮肥推薦模型,為華南地區(qū)早稻精準(zhǔn)施肥和產(chǎn)量評估提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)于2021—2022年的3—7月在廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院白云基地進(jìn)行,供試水稻品種為合美占(C1)和粵晶絲苗2號(C2)。試驗(yàn)田主要養(yǎng)分含量:有機(jī)質(zhì)36.3 g/kg,全氮1.22 g/kg,速效磷 0.36 g/kg,速效鉀 9.50 g/kg。

        1.2 試驗(yàn)方法

        2021年,設(shè)置5個施氮水平,分別施氮0(N0)、60(N1)、120(N2)、180(N3)、240(N4)kg/hm2,其中基肥占氮肥總量的50 %,分蘗期20 %、拔節(jié)期10 %、孕穗期15 %、乳熟期5 %。2022年,設(shè)置3個施氮水平,分別為:不施氮肥(N0)、常規(guī)施肥(Nc,施氮量為180 kg/hm2)、按模型施肥(Nd)。每個處理重復(fù)3次,隨機(jī)區(qū)組排列,小區(qū)面積為30 m2,其中灌排水溝為0.5 m,埂為0.3 m,保護(hù)行為1.5 m左右,小區(qū)之間以埂相隔。田間管理同大田栽培。

        1.3 樣品采集與數(shù)據(jù)分析

        用SPAD-502葉綠素儀(日本)分別在水稻生長的分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、乳熟期,分上中下3個葉位點(diǎn)測定植株頂部4片功能葉的SPAD值,每個處理重復(fù)3次并計(jì)算平均SPAD值。采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 15.0 軟件處理和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù),采用Origin Pro 2021軟件作圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同施氮水平下早稻葉片SPAD值的變化

        不同施氮水平下早稻葉片SPAD值均隨生育期推移呈遞減趨勢,其最大值出現(xiàn)在分蘗期(圖1)。同一生育時期,隨著氮素水平的提高葉片SPAD值均呈遞增趨勢,但相同氮素水平下不同品種間的葉片SPAD值差異性較小。整體來看,N0和N1氮素水平下SPAD值明顯低于N3、N4、N5處理,低氮肥處理與高氮肥處理間差異性顯著。

        2.2 不同生育時期施氮量與早稻葉片SPAD值的相關(guān)關(guān)系

        由圖2可知,在分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、乳熟期,早稻葉片SPAD值與施氮量均呈顯著正相關(guān),隨施氮量的增加呈近似線性增長的變化趨勢;其中,以分蘗期和拔節(jié)期決定系數(shù)較高,孕穗期和乳熟期決定系數(shù)較低,但相關(guān)性都達(dá)到極顯著水平,說明擬合效果較好。同一時期不同氮肥處理間SPAD值穩(wěn)定性較好。

        2.3 不同氮素水平下水稻產(chǎn)量的變化

        由圖3可知,早稻產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢。利用一元二次方程對施氮量與產(chǎn)量進(jìn)行非線性擬合,決定系數(shù)達(dá)0.942 3,擬合效果較好。根據(jù)方程y =-0.073x2+27.827x+5 119.82可推知,得到最高產(chǎn)量為 8 094.2 kg/hm2,對應(yīng)的最佳施氮量為 189 kg/hm2。此施氮量為全生育期的總施氮量,可為氮肥推薦模型施氮總量提供參考。

        2.4 水稻不同生育時期葉片SPAD與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

        由圖4可知,利用一元二次方程對葉片SPAD值與產(chǎn)量進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)在不同生育期早稻產(chǎn)量隨SPAD值遞增均呈先上升后下降的趨勢。其中,以分蘗期、孕穗期、乳熟期決定系數(shù)較高,拔節(jié)期決定系數(shù)較低,但相關(guān)性都達(dá)到極顯著水平,說明擬合效果較好。

        根據(jù)葉片SPAD值與產(chǎn)量的回歸關(guān)系,可為氮素推薦模型中最高產(chǎn)量計(jì)算出最適SPAD值以及臨界SPAD值(表1)。以最高產(chǎn)量對應(yīng)的SPAD值為最適值,根據(jù)葉片SPAD值與產(chǎn)量的回歸方程推知,在分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、乳熟期最適SPAD值分別為42.8±1.6、38.7±1.8、35.3±2.1、21.6±1.4;以最高產(chǎn)量的 90%~95% 作為臨界值,根據(jù)葉片SPAD值與產(chǎn)量的回歸方程推知,在分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、乳熟期臨界SPAD值分別為41.2、40.1、33.6、23.5。

        2.5 基于葉片SPAD值的早稻氮肥推薦模型的建立

        根據(jù)早稻葉片SPAD值與施氮量的相關(guān)關(guān)系以及臨界SPAD值,可以建立SPAD值預(yù)測追肥模型。設(shè)Nfer為某生育時期測定SPAD值前的一次氮肥水平,Nd為該生育時期階段推薦施氮量,計(jì)算公式如下。

        式中:Nd表示各生育階段追氮量,Nopt表示總施氮量,a表示SPAD值與施氮量線性方程的回歸系數(shù),b表示SPAD值與施氮量線性方程的截距。

        將 Nopt=189 kg/hm2以及a、b 值代入公式(3),可以得到各生育期推薦追肥模型(表2)。根據(jù)氮肥推薦模型計(jì)算出各生育期所需要的施肥量,并依據(jù)此進(jìn)行氮肥推薦。

        2.6 氮肥推薦模型驗(yàn)證分析

        由表3可知,與不施肥的空白對照相比,常規(guī)施肥、按模型施肥的產(chǎn)量分別提高了39.4%、40.0%,增產(chǎn)幅度顯著。與常規(guī)施肥相比,按模型施肥的產(chǎn)量增加不顯著,但總施氮量減少了37.2 kg/hm2,節(jié)省約19%的氮肥。

        3 結(jié)論與討論

        該研究利用SPAD-502葉綠素儀獲取不同氮素水平下各生育期水稻葉片的SPAD值,研究了不同生育期水稻葉片SPAD值與籽粒產(chǎn)量、氮肥水平之間的相關(guān)關(guān)系,以最高產(chǎn)量的 90%~95% 作為臨界值,推知水稻分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、乳熟期的臨界SPAD值分別為41.2、40.1、33.6、23.5,再依據(jù)臨界SPAD值建立各生育期的氮肥推薦模型,該模型可以較好地估計(jì)水稻的氮素狀況,減少施肥量,提高肥料利用率,為華南地區(qū)早稻精準(zhǔn)施肥和產(chǎn)量評估提供參考。

        通過對不同生育期水稻葉片SPAD值的統(tǒng)計(jì)分析,研究發(fā)現(xiàn)合美占和粵晶絲苗2號這2個水稻品種的葉片SPAD值均隨生育期推移逐漸下降,不同生育期間差異顯著,這與Yang等[15]的研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)殡S著生育期的推移,水稻葉片葉綠素含量不斷下降所致;由于不同生育期對氮素的需求量不同,植株體內(nèi)的葉綠素含量也不同,因此導(dǎo)致不同時期葉片的SPAD值差異較大。戈長水等[16]通過對頂3葉、頂4葉氮素分布規(guī)律、變化特征的分析,發(fā)現(xiàn)相同生育期水稻葉片SPAD值隨施氮量的增加呈遞增趨勢,筆者的研究結(jié)果與之相似。該研究中,通過施氮量與SPAD的線性回歸方程推知,SPAD值隨施氮量的增加呈近似線性增長的變化趨勢,二者之間的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平,說明增加氮肥有利于延緩葉片葉綠素的降解。劉路廣等[17]研究認(rèn)為,在不同氮素水平下水稻葉片SPAD值呈先增后降的趨勢;楊海龍等[18]研究表明,不同氮素水平下水稻葉片SPAD值會出現(xiàn)2次變化,拔節(jié)期至孕穗期SPAD值呈下降趨勢,進(jìn)入抽穗期后開始上升,隨著生育期的推進(jìn)又開始降低。這與筆者的研究結(jié)果不一致,可能是因?yàn)樗┑蕽舛炔煌约皽y定的葉位不同所致。

        水稻產(chǎn)量與SPAD值、施氮量的相關(guān)關(guān)系表明,SPAD值能夠較好地反映出水稻植株的氮素營養(yǎng)情況。歐陽杰等[19]通過比較5個品種葉綠素含量與產(chǎn)量的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)高葉綠素含量和較長的葉綠素含量相對穩(wěn)定期與產(chǎn)量有直接關(guān)系;俞敏祎等[20]的研究發(fā)現(xiàn),在氮素供應(yīng)不足與充足的情況下,SPAD值與產(chǎn)量都有較好的相關(guān)性,水稻各物候期內(nèi)葉片SPAD值與產(chǎn)量會呈現(xiàn)二次回歸曲線關(guān)系,即產(chǎn)量隨著SPAD值增加表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,這與筆者的研究結(jié)論一致。該研究通過試驗(yàn)證實(shí)水稻葉片平均SPAD值和產(chǎn)量之間可以用二次函數(shù)進(jìn)行擬合,分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、乳熟期最適值和臨界值分別為42.8和38.7、35.3和21.6、42.2和40.2、33.6和23.5。比較最佳施氮量的計(jì)算過程發(fā)現(xiàn),如果計(jì)算中采用的標(biāo)準(zhǔn)不同(最適值或者臨界值),計(jì)算出的最佳施氮量范圍將會有很大的差異。例如:彭顯龍等[21]的研究表明,施氮量與稻谷產(chǎn)量、精米產(chǎn)量均呈二次曲線關(guān)系,依據(jù)施氮量與稻谷產(chǎn)量效應(yīng)函數(shù),確定最佳施氮量為96.4~123.7 kg/hm2;肖春芳等[22]研究低氮、中氮、高氮對氮利用率的影響,結(jié)果表明過量施氮反而會導(dǎo)致產(chǎn)量和肥料利用率下降。該研究中,對產(chǎn)量在不同氮素水平下進(jìn)行了非線性擬合,根據(jù)方程y=-0.073x2+27.827x+5 119.82可推知,最佳施氮量為 189 kg/hm2,為下一步氮素推薦模型關(guān)鍵參數(shù)提供了參考。

        趙考誠等[23]對4種水稻花后葉綠素含量與不同供氮水平進(jìn)行相關(guān)性分析,構(gòu)建了基于臨界特征參數(shù)的倒Logistic數(shù)學(xué)模型,得出水稻后3葉SPAD值變化曲線均呈倒“S”形分布,其中倒3葉對氮素供應(yīng)最為敏感;袁召鋒[24]研究建立了可定量化的基于SPAD值的NFOA和NNI追氮調(diào)控方法,明確了SPAD值在水稻上最佳測試位置和關(guān)鍵診斷調(diào)控期氮素模型,R2分別達(dá)到0.730和0.767。Wu等[25]通過為期4 a的田間試驗(yàn),建立了一種基于FTIR-PAS的水稻葉片酰胺I和酰胺II含量測定方法,可用于水稻植株氮素狀況的快速監(jiān)測。該研究中,筆者根據(jù)臨界SPAD值構(gòu)建了氮素推薦模型,該模型較好地擬合了各生育期的氮肥施用量。通過田間對比試驗(yàn)表明,該模型在保證產(chǎn)量的前提下,可以節(jié)約肥料,提高氮肥利用率;按模型施肥比未施氮肥產(chǎn)量提高了40.0%,增產(chǎn)顯著;與常規(guī)施肥相比,按模型施肥的產(chǎn)量稍有增加,雖未達(dá)顯著水平,但總施氮量減少了37.2 kg/hm2,節(jié)省了19%的氮肥。該研究中的氮肥分期推薦模型彌補(bǔ)了單一生育期氮素診斷模型的不足,為田間精準(zhǔn)施肥提供了技術(shù)參考。

        該研究僅初步解析了不同氮素水平下水稻SPAD值與產(chǎn)量的動態(tài)關(guān)系,并對該關(guān)系進(jìn)行定量分析,但水稻葉片生長還受水分、其他營養(yǎng)元素、播期等栽培措施的影響,這種綜合因子驅(qū)動的氮肥推薦模型是今后需要進(jìn)一步研究與探討的內(nèi)容。

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        (責(zé)任編輯:張煥裕)

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