马铃薯氮素营养诊断研究进展

张巍 张广臣 姜奎

（1.吉林农业大学园艺学院，吉林长春，130118；2.大连沙河口区亿达园林绿化工程有限公司）

马铃薯氮素营养诊断研究进展

张巍1张广臣1姜奎2

（1.吉林农业大学园艺学院，吉林长春，130118；2.大连沙河口区亿达园林绿化工程有限公司）

从外观诊断、化学诊断、无损测试技术3个方面，总结了目前马铃薯氮素营养诊断的若干方法，对各种方法的应用原理、发展现状进行了阐述，同时，对其他可用于马铃薯氮素营养诊断，但目前仍未采用的方法进行了简要的说明和论述。

马铃薯 氮素营养 诊断

氮素是植物必需的三大营养元素之一，在土壤、植株快速测试推荐施肥技术体系中，氮肥的推荐是核心[1]。从19世纪开始，到20世纪50年代，植物氮素营养的症状诊断和化学诊断在理论和方法上已奠定了一定的基础。

氮素是影响马铃薯叶片生长发育的重要因素，同时也是决定地下块茎高产的关键，因此寻求对马铃薯氮素营养进行快速、准确地诊断的方法，对确保马铃薯稳产高产具有重要意义。

1 马铃薯氮素营养诊断方法

1.1 马铃薯氮素营养外观诊断

①症状诊断 症状诊断是根据作物表现出的某种特定症状，确定其可能缺乏某种元素的一种方法。马铃薯缺氮的症状为植株生长不良，叶尖卷曲，每片叶子先沿着叶缘褪绿变黄，逐渐向叶中心发展[2]；马铃薯氮素过多的症状为贪青晚熟，易倒伏，易受病虫为害。

症状诊断的方法通常在植株仅缺1种营养元素的状况下有效，而在植株同时缺乏2种或2种以上营养元素或出现非营养因素而引起的症状时，易于混淆，从而造成误诊。另外，当植株表现出某种缺素症状，表明植物缺素状况已相当严重，此时再采取补救措施为时已晚[3～4]。因此，症状诊断方法属于直观诊断法，其运用到实际生产中时具有延时性，在实际应用上存在明显的局限性，在指导生产上意义并不大。

②长势长相诊断 20世纪60年代，该诊断方法在我国受到广泛重视，当时主要应用于水稻作物上。它是在总结农民丰产经验的基础上发展起来的。该诊断方法在一定程度上可以诊断植株的氮素营养状况，马铃薯缺氮时长势长相表现为生长缓慢，茎秆细弱，植株矮小，叶片狭小而稍硬，略呈直立状，成熟较早，产量低。但是，由于近年来马铃薯育种工作的不断深入，越来越多的优质马铃薯品种被培育出来，更新换代频繁，所以应用该诊断方法受到一定程度的限制[5]。

③叶色诊断 许多大田作物在缺氮时会表现出一些肉眼可见的症状。比如在缺氮胁迫下，作物老叶会失绿；相反，在供氮过量时，作物叶片深绿，并且延迟衰老。通过观测叶片颜色变化来评价作物氮营养状况已经在生产中获得应用[6]。马铃薯缺氮时叶片表现为叶色淡，基部叶片变黄，并逐渐向上部叶扩展。迄今为止，通过叶色了解植物氮素营养状况经历了4个发展阶段：一是测定光的不同特性；二是采用常规浸提方法，测定叶绿素的含量；三是利用标准比色卡，比较叶色深浅；四是通过测定光的通过率来了解叶色深浅。但是这些方法或过于繁琐，或受光线影响较大，所以均不能很好地用于指导马铃薯生产，不能成为方便、快捷、准确地反映马铃薯氮素营养状况的方法[6]。

1.2 马铃薯氮素营养化学诊断

植物体的养分状况是土壤养分供应、植物对养分需求和吸收能力的综合反映。因此，通过对植物体内养分状况进行诊断可以反映其当时的营养状况，并以此进行施肥决策和田间管理。植物氮素营养化学诊断是指利用化学分析的手段，找到不同植株器官的氮素营养临界浓度的诊断方法[5]。

①植株全氮诊断 最早植株氮营养诊断推荐施肥技术的诊断指标是植株全氮。植株全氮含量可以很好地反映作物氮素状况[8]，与作物产量也有很好的相关性，是一个很好的诊断指标。植物全氮诊断主要有凯氏消煮法、靛酚蓝比色法、半微量凯氏法、氢氟酸修正凯氏法、高锰酸钾-还原性铁修正凯氏法。其中前3种为比较常用的方法，而且，对前2种方法进行分析比较，发现靛酚蓝比色法比凯氏消煮法快捷，但是二者测定结果差异并不显著[9]。

自20世纪90年代以来，我国关于马铃薯营养与施肥方面的研究比较全面而细致，其中包括各种营养元素在马铃薯植株中的分配、吸收、利用、转化规律、推荐施肥模型等。在各种研究中，都或多或少的涉及到植株全氮的测定，而关于全氮的测定方法也是多种多样的。1992年，大崎满等[10]在施氮对马铃薯各器官生长的影响研究中采用了半微量凯氏法测定植株全氮；王季春[11]采用半微量凯氏法测定不同施氮量处理下马铃薯叶片中全氮的含量；杨暹等[12]也在研究氮钾互作对马铃薯产量、品质与氮磷钾吸收试验中，采用了半微量凯氏定氮法对氮素含量进行测定。另外也有李永清[13]在马铃薯测土施用氮磷化肥的研究中，采用了凯氏消煮法测定全氮；张宝林[14]对马铃薯氮素的吸收、积累和分配规律进行了研究，其中全氮的测定采用靛酚蓝比色法。另外，还有应用仪器对植物全氮进行诊断的方法，如Sharma等[15]用Technican自动分析仪测定马铃薯植株样本的含氮量。

虽然植株全氮含量是一个很好的植物氮素营养诊断指标，但是全氮分析操作繁琐、工作量较大、推广应用仍有一定困难。

②植株硝酸盐快速诊断 硝态氮作为非代谢物质以一种半储备状态存在于植物体内，所以当轻微缺氮时作物对硝态氮库的需求迅速增加，此时全氮库没有发生明显变化，而硝态氮库已发生明显变化；当供氮超过作物需求时，硝态氮也比全氮库有较大幅度的增加。植物组织中硝态氮含量的相对变化要远远大于全氮，因此，硝态氮含量能灵敏地反映作物对氮的需求，可以用硝态氮代替全氮作为氮素营养诊断指标，来估计植株氮素营养状况，并且进行追肥推荐[16]。

植株硝酸盐诊断推荐施肥技术20世纪80年代已在英国、德国、澳大利亚、美国用来指导农业生产。目前国内外应用较广泛的植株体内硝酸盐快速诊断主要有二苯胺法和反射仪法。反射仪法测定结果较二苯胺法准确，在精度要求不高的条件下可以作为一种常规的测定方法[17]，同时仪器体积小，采用电池驱动，稳定性也较好，非常适宜田间条件下进行氮素诊断。

1996年，我国开始了用反射仪法进行植物硝酸盐诊断推荐氮肥用量的技术研究。2000年开始，陆续有研究者将这种氮素营养诊断技术应用到马铃薯上。2001年，江华等[18]针对青海省马铃薯植株进行了NO3-诊断推荐施肥初步研究，研究分析了青海省大西洋马铃薯氮水平与植株NO3-诊断值的关系，以及相应的推荐施肥模型。通过试验研究得到了大西洋块茎形成期和块茎膨大期植株NO3-诊断推荐施肥模型，以及植株诊断临界值。2004年，周娜娜等[19]采用该种方法在马铃薯块茎膨大期和块茎形成期对氮素营养进行诊断研究，田间试验结果表明：块茎形成期和块茎增长期植株NO3-含量的临界值分别为6331.4 mg/kg，4112.9 mg/kg。这2个时期可以作为马铃薯氮素营养诊断的最佳时期，并根据植株硝酸盐诊断，建立了推荐追肥模型。2004年，张学军等[20]在不同滴灌量和施氮量对马铃薯硝酸盐累积影响的试验中，采用了此种方法。试验于马铃薯现蕾期和块茎膨大期，测定叶柄硝酸盐含量，得出叶柄硝酸盐浓度与产量之间有很好的相关性；确定此种氮素诊断方法能够很好的反映马铃薯中氮素营养情况，具有一定指导生产的意义。

目前该方法的缺陷是所用仪器设备及测试用纸在我国尚无生产，而从国外进口费用较高，因而不能够大面积应用。二苯胺法由于操作简单，价格低廉，所以适宜于在基层生产单位推广应用，但只适用于诊断含氮水平不高的植株。

我国从20世纪70年代开始对植株硝酸盐快速诊断进行研究，目前已成功确定马铃薯氮素营养诊断的硝酸盐临界值，并建立了追肥推荐体系。

1.3 马铃薯氮素营养无损伤测试技术

随着数字图像技术的不断发展，应用数字图像处理技术对作物生长状况和营养状况进行诊断的方法成为研究的热点。植株的冠层颜色与其氮素营养状况紧密相关，缺氮的植物比施氮的植物在整个可见光波段反射的光要多[21～22]，因此，冠层的光反射可以被用来评价作物的氮素营养状况。

传统的判断作物营养状况是通过肉眼对作物绿色深浅进行判断，而随着计算机图像处理技术的发展，利用代替人眼的图像传感器获取物体的图像，将图像转换成数字图像，并利用计算机模拟人的判别准则去理解和识别图像，达到分析图像和作出结论的目的成为可能。

数码相机就是应用这一原理研制的。数码相机实质上是传统相机和电子计算机相融合的产物，它对图像的获取是通过CCD的阵列平面对光线的吸收形成的。加装了不同滤光镜的CCD阵列吸收了反射进入镜头内的可见光，并将此光信号转换为电信号，并经过运算和插值形成数字信息存入数码相机的存储器中。通过RGB加色原理进行成像的，每个像素由R、G、B即红、绿、蓝3种颜色生成。

作物冠层绿色状况通常情况下与叶片叶绿素含量相关，而叶绿素与植株的全氮含量具有显著的相关关系，其含量的变化影响叶片冠层光的吸收或反射，因此作物营养状况的变化直接影响着作物的冠层颜色。由于叶绿素对可见光的有效吸收，在可见光波段的冠层的光反射随着植株缺氮状况的增加而增强。所以，应用数字图像技术可以用来在田间评价作物的氮营养状况。

目前，应用数字图像进行作物氮素营养诊断的研究主要是针对玉米、小麦等大田作物，而在马铃薯上的研究相对较少。李井会等[23]应用此项技术对块茎形成期和膨大期的马铃薯进行了氮素营养诊断。研究表明，数码相机获取的数字图像分析得到的马铃薯冠层绿光与蓝光比值与其他描述马铃薯氮素营养状况的指标如土壤无机氮、植株全氮含量、叶柄硝酸盐浓度、叶绿素仪读数均有良好的负相关关系。这证明数字图像技术是无损伤地进行马铃薯氮素营养诊断的良好方法。

但是数字图像的获取工具以及数字信息分析方式精度不同，多种多样，这就要求科研工作者们通过大量细致的试验，完善其在氮素诊断数字图像技术体系。

2 可用于马铃薯氮素营养诊断上的其他方法

2.1 土壤氮素测试

土壤中氮素含量的多少能有效的反映马铃薯的氮素营养状况，通过测定土壤中全氮、碱解氮、无机氮来进行氮素营养诊断也是可行方法之一。国外对此种方法的研究起步较早，19世纪70年代便有此方面的研究，Lorenz等[24]、Scharpf等[25]、Magdoff等[26]考虑了不同作物根系深度和作物残留量对土壤无机氮的影响，建立了“KNS”系统，后又有学者在“KNS”系统基础上提出了PSNT，不断完善着准确表征土壤无机氮和产量关系的方法。而我国在这方面的研究起步较晚，邵则瑶[27]在20世纪80年代已对华北地区冬小麦土壤剖面无机氮与小麦产量的关系进行了研究，陈新平等[28]近年来在大量田间试验的基础上，建立了利用土壤无机氮测试技术进行冬小麦氮肥推荐的方法。由于土壤中全氮的测定操作费时、繁琐，不适合应用于生产，而碱解氮与土壤供氮量的相关性大多不显著。

2.2 叶绿素仪氮素营养诊断

叶绿素仪法是将植物叶片插入叶绿素计测定部位，感光后读出叶绿素值（叶色值），根据叶绿素值与植株含氮量的关系确定氮素营养诊断的叶色值。叶绿素仪体积小，质量轻，携带方便，测定方法简单，所得数据准确，适用于各种作物及林木氮素营养诊断。近年来，一些研究表明，手持叶绿素仪可以用来估计作物氮素营养状况，并且进行氮肥推荐。它可以在田间条件下无损伤检测植物叶片叶绿素的相对含量[29]。

有研究表明，最上部完全展开叶的叶绿素仪测定值和施氮量（基肥用量）之间的关系可以用线性加平台模型表示，即在施氮量较低时，叶绿素仪测定值随底肥中氮用量的增加而增加，但是当施量氮达到一定量后，再增加施氮量则冬小麦叶片叶绿素仪测定值变化不大。这个结果与Blackmer等[30]的研究结果相同，即当作物处于奢侈吸收状态时，叶绿素含量不再随施氮量增加而增加。因此，叶绿素仪氮素营养诊断法可以很好地诊断作物缺氮状况。

但不同研究者建立的叶绿素诊断临界值有一定的差异，可能是由于一些环境因子，如土壤氮有效性、土壤水分状况、种植密度以及作物基因型[31]、叶位等因素对测定结果有较大影响所致。一些研究者建议采用在田间设立对照带的方法来解决这个问题。具体方法是在田间种植一条供氮量对于作物而言处于奢侈吸收状态的对照区，通过对比大田和对照区作物叶绿素仪测定值来确定大田作物氮营养状态，采用对照区叶绿素仪测定值的95%来区分供氮充足与否。当某一田块作物叶绿素仪测定值与对照区相比大于95%时，可以不追肥或追施少量氮肥；反之，则需要根据测定结果推荐不同追肥量。

2.3 遥感技术在马铃薯氮素营养诊断上的应用

植物缺肥会引起叶片颜色、厚度、水分含量及形态结构等发生一系列变化，从而引起光谱反射特性的变化。因此，基于物体光谱反射特征识别物体的遥感技术成为植物氮素实时监测和快速诊断的可能手段。植物在缺氮条件下冠层水平的可见光波段反射率会增加，其中对氮含量变化最敏感的波段在530～560 nm区域，通过光谱测定及其变量的运算可以区分不同氮素营养水平[32]。在明确了植物的氮素敏感波段后，许多学者便可以通过各种统计方法来寻求含氮量与光谱反射率或其衍生量的关系，并建立模型来估算作物的氮素含量。

由于胁迫状态下植物体内发生的大多数生理变化，只引起某些特定窄波段的反射光谱发生变化，所以，用传统的多波段反射光谱所计算出来的植被指数，因其分辨率低而使预测植物化学组分含量的效果较差。近年来，随着高光谱遥感的兴起，越来越多的学者利用微分光谱（一阶、二阶和高阶微分光谱）和红边（植物反射曲线上斜率最大时所对应的波长）特性等来预测植物的氮素状况。

与传统的诊断方法相比，遥感能获取更大量的信息且更为快速和省时省力，但是，冠层光谱反射特征受到植株叶片水分含量、冠层几何结构、土壤覆盖度、大气对光谱的吸收等因素的影响[33]，极大地限制了利用遥感进行作物氮素诊断的可靠性和普及性。一些学者通过对光谱数据进行相对变换以及构造植被指数来提高估计精度，但仍然不能完全消除干扰因子的影响。关于这方面的研究还有待于进一步深入。

3 结语

氮素营养诊断是植物营养诊断的核心，是科学合理施用氮肥的主要依据。随着现代科学技术的发展，马铃薯氮素营养诊断将会越来越完善，新测试手段必将会不断被人们发现或研制出来。我们应使现有的方法在应用上达到定量和准确，结合我国农作物栽培区划，制定各区域的统一诊断方法、诊断指标，推广已成熟的快速诊断方法，研制和引用新的测试手段，特别是可用于田间速测的仪器和方法，如高光谱遥感法、叶绿素荧光诊断法等。

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Research Progress on the Diagnosis of N Nutrition in Potato

ZHANG Wei1,ZHANG Guangchen1,JIANG Kui2
(1.College of Horticulture,Jilin Agricultural University,Changchun 130118;2.Yida Landscaping Engineering Limited Company)

Based on three aspects of appearance diagnosis,Chemical diagnosis,and nondestructive testing technique,the methods of diagnosis were summarized in potato.Application principle and current situation were discussed,meanwhile, other methods that can be adapted to diagnosis of nitrogen nutrition but not used at present was also discussed briefly in potato.

Potato;Nitrogen nutrition;Diagnosis

10.3865/j.issn.1001-3547.2009.14.001

张巍（1982-），女，硕士，研究方向为蔬菜栽培生理，电话：13596403503。E-mail：yuzainali@sohu.com

张广臣，通信作者，教授，电话：0431-84533144

2009-01-20