基于上部叶片SPAD值估算小麦氮营养指数

赵 犇，姚 霞，田永超，刘小军，曹卫星，朱 艳

(南京农业大学/国家信息农业工程技术中心/江苏省信息农业高技术研究重点实验室，南京 210095)

氮素是作物生长发育的主要营养元素，其吸收、同化与运转直接影响着作物的生长发育状况。通过植株氮营养状况进行合理的氮肥运筹能有效提高作物产量并减少环境污染［1-4］。氮营养指数(NNI)是基于作物临界氮浓度稀释模型，具有合理的生物学意义，可以定量地反映作物体内氮营养状况，当NNI=1，表明作物体内氮素营养水平处于最佳状态;高于1为氮营养过剩;低于1则氮营养不足。但传统的计算NNI的方法需要破坏性取样，获取作物实际的生物量，且要进行室内化学分析获取氮浓度，从而计算临界氮浓度，一定程度上具有滞后性［5］。叶绿素仪(Soil and plant analyzer development，SPAD-502)具有快速、简便和无损的特点，常被用来快速无损的监测诊断作物氮素营养［6-8］。前人基于作物高产条件下建立的SPAD值与产量的关系确定了适宜SPAD值［9-12］，但仅能在固定生育时期进行诊断，不具有动态性。近年来利用SPAD值来估算作物NNI从而快速无损诊断氮素营养状况已经在小麦、玉米、茅草等作物上被应用［13-15］，但这种关系易受到外界环境和品种特性的影响。Debaeke用小麦顶1叶相对SPAD值(RSPAD)代替SPAD值与NNI建立关系，以消除环境的影响，结果表现比较稳定［15］，但RSPAD值的计算需要高氮处理作为对照，因此在实际应用中具有局限性。目前，国内外对于SPAD值和氮营养指数的关系研究大多集中在单张叶片水平，而对不同叶位构建的归一化SPAD指数(Normalized differential SPADij，NDSPADij)与NNI之间关系研究较少，未见报道。与RSPAD值相比，计算NDSPADij更加方便，有实际应用前景。因此，有必要构建基于不同叶位SPAD值的NNI估算模型，以简便、快速、无损诊断氮素营养。

本文旨在2a大田试验的基础上，基于上部4张不同叶位构建的归一化SPAD指数估算小麦氮营养指数，以期构建普适性较好，准确性较高的氮营养指数模型，为精确无损诊断小麦氮素状况及推荐施肥提供技术支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本研究共进行了2个小麦田间试验，涉及到不同年份、品种类型和施氮水平，具体试验设计描述如下:

试验1

于2009—2010年在仪征新集试验站(位于仪征市，119°10'，32°16')进行。试验田土壤有机质18.9 g/kg，碱解氮100 mg/kg，有效磷34 mg/kg，速效钾90 mg/kg，供试品种为扬麦16(中蛋白含量，约14.9%)和宁麦13(低蛋白含量，约10.2%)，设置 5 个施氮水平 0(N0)、75 kg/hm2(N1)、150 kg/hm2(N2)、225 kg/hm2(N3)、300 kg/hm2(N4)，基追比为5∶5，基肥于播种前施入，追肥在拔节时施入。播种方式为人工条播，小区面积为30 m2，行距25 cm，重复3次，基本苗为180万株/hm2。结合整地一次性施用96 kg/hm2P2O5和120 kg/hm2K2O，磷钾肥全部做基肥。其他栽培管理措施同一般高产田。该试验资料用于小麦临界氮浓度稀释模型的检验。

试验2

于2010—2011年在仪征新集试验站进行。试验田土壤有机质13.5 g/kg，碱解氮66 mg/kg，有效磷43 mg/kg、速效钾82 mg/kg，供试品种为扬麦16和宁麦13，设置6个施氮水平0(N0)、75 kg/hm2(N1)、150 kg/hm2(N2)、225 kg/hm2(N3)、300 kg/hm2(N4)、375 kg/hm2(N5)，基追比为5∶5，基肥在播种前施入，追肥在拔节时施入。播种方式为人工条播，小区面积为30m2，行距25cm，重复3次，基本苗为240万株/hm2。结合整地一次性施用96 kg/hm2P2O5和120 kg/hm2K2O，磷钾肥全部做基肥。其他栽培管理措施同一般高产田。该试验资料用于小麦临界氮浓度稀释模型的建立。

1.2 SPAD值测定和计算方法

在拔节期、孕穗和开花期每个小区取代表性植株20株，测量20个主茎顶1叶到顶4叶的SPAD值，每张叶片测定3个位置(叶尖、中部和根部)，计算3个位置的平均值作为该叶的SPAD值。不同叶位的归一化SPAD指数(NDSPADij)的计算公式为:

式中，SPADi和SPADj分别代表小麦主茎顶1叶到顶4叶中第i叶位和j叶位的SPAD值，i和j的值为1到4，且 i＜ j。

1.3 小麦植株氮含量的测定

与叶位SPAD值测量同步，在小麦生长各关键时期每小区取代表性植株20株，按器官分离，105℃杀青30 min，80℃烘干后称重，粉碎后使用半微量凯氏定氮法测定小麦植株不同组织器官(茎、叶、穗)全氮含量(%)。各器官氮积累量(kg/hm2)=器官含氮量(%)×干物重(kg/hm2)。所有器官氮积累量相加得到地上部植株氮积累量。植株氮含量(%)=植株氮积累量(kg/hm2)/植株干物重(kg/hm2)。

1.4 小麦氮营养指数的计算方法

根据临界氮浓度稀释曲线，Lemaire等人建立了氮素营养指数(NNI)的模型［16］:

式中，Na为作物地上部氮浓度的实测值(%);Ncnc为以相同地上部干物重根据临界氮浓度模型求得的临界氮浓度值(%)。

1.5 数据分析

采用Excel软件完成全部数据处理和作图，SPSS11.0统计软件进行统计分析。

1.6 小麦氮营养指数回归检测

使用GenStat软件的简单分组线性回归［14］来检测不同叶位SPAD值和归一化SPAD指数(NDSPADij)与氮营养指数(NNI)之间拟合曲线在不同年份或品种之间差异是否显著。曲线拟合的方程为:

式中，Y为反应变量(NNI)，X为解释变量(单叶SPAD和归一化SPAD指数NDSPADij)，a和b是待估参数。

2 结果与分析

2.1 小麦植株氮营养指数的确定

作物体内的氮浓度随地上干物重的增长而降低，作物地上部分的含氮量N与地上干物重DM间的关系可用幂函数方程N=aDM－b表示，获得最大地上干物重所需的最低氮浓度值为临界氮浓度。根据Justes等人提出的计算临界氮浓度稀释曲线方法［17］，本文利用试验1和2的数据分别构建了扬麦16和宁麦13的临界氮浓度稀释曲线模型(图1)，并通过简单线性分组分析，发现临界氮浓度稀释模型在不同年份之间保持稳定(表1)，但品种间有明显差异，因此可以使用同一形式的曲线分别拟合扬麦16和宁麦13临界氮浓度稀释模型。

式中，Ncnc为小麦临界氮浓度(%)，DM为地上部干物重(t/hm2)。

利用临界氮浓度稀释模型(式4，式5)计算了2个品种不同氮素水平下氮营养指数动态变化(图2)，结果显示，随着施氮水平的提高，氮营养指数不断上升，其值范围在0.37—1.28之间，其中 2010年 N2处理(150 kg/hm2)和2011年N3处理(225 kg/hm2)氮营养指数在1附近变化，可以认为此时施氮量较为适宜。而N0处理下，由于小麦没有追施氮肥，小麦返青以后氮营养指数逐渐下降，在开花期到达最低值。在低氮处理下(N1处理)小麦在返青期已经表现出氮素不足，在返青和拔节之间追施氮肥后，小麦在拔节期后氮营养指数会有所提高，但由于追氮量较少，氮素供应不足，氮营养指数在孕穗和开花后再又慢慢下降。而在高氮和适宜氮肥处理下(2009—2010年N3处理和2010—2011年N2处理)，在返青期基本上没有出现氮亏缺，所以追施氮肥以后氮营养指数都大于或等于1，且随生育进程出现轻微的上下波动，说明这些小区的氮肥充足，甚至过量。综上，氮营养指数是一个较好小麦植株氮营养状况诊断的指标。

图1 小麦地上部干物重临界氮浓度稀释曲线Fig.1 The critical nitrogen concentration dilution curve in the above-ground dry matter of wheat

表1 临界氮浓度稀释曲线的简单分组线性分析Table 1 Simple grouping linear analysis of the dilution curves for critical nitrogen concentration

2.2 小麦上部不同叶位SPAD值及归一化SPAD指数变化规律

2.2.1 小麦上部不同叶位SPAD值变化规律

以试验1和2为例，综合分析了小麦上部4张单叶不同叶位SPAD值的随年份、氮肥水平和品种的变化规律。结果表明(表2)，相同生育期内小麦叶片SPAD值在不同年份之间差异不显著，而且均在孕穗期小麦SPAD值到达最大值;在拔节期2个品种之间SPAD值有显著差异，而在孕穗和开花期差异不显著，表明用叶片SPAD值评价小麦氮的营养状况可能需要因品种而异;随着氮肥水平的提高，小麦叶片SPAD值逐渐增大，但在较高水平氮肥处理之间变化较小或者无变化，说明施氮有利于提高SPAD值，但过量施用氮肥会导致叶片SPAD值达到饱和;小麦拔节到开花期顶1叶到顶4叶SPAD差值从8.1升高到15.5，呈现逐渐增大的趋势，这是由于开花期小麦顶4叶逐渐衰老，叶片中氮含量转移到顶部3张叶片中。

2.2.2 小麦不同叶位归一化SPAD指数变化规律

以试验1和2为例，综合分析了不同叶位归一化SPAD指数NDSPADij随年份、氮肥水平和品种的变化规律。结果表明(表3)，相同生育期内小麦NDSPADij在不同年份之间差异显著，2011年显著高于2010年，从拔节到开花 NDSPADij逐渐增大，2009—2010年增加了60%，而2010—2011年增加了 71.4%;在品种之间NDSPADij变化不大;随着施氮量提高NDSPADij逐渐缩小，说明增施氮肥缩小了小麦顶部4张叶片SPAD值的差距;在各生育期不同叶位之间以NDSPAD14最高，NDSPAD12和NDSPAD23最低，说明顶1叶与顶4叶SPAD值差异最大，小麦上层3张叶片SPAD值相比顶4叶变化较小，这与表1的不同叶位SPAD值变化规律结果相同。

图2 不同氮肥水平下小麦氮营养指数动态变化Fig.2 Dynamic change of the nitrogen nutrient index under different nitrogen fertilizer levels in wheat

表2 小麦不同叶位SPAD值变化规律Table 2 Changes of SPAD value at different leaf position in wheat

表3 小麦不同叶位归一化SPAD指数变化规律Table 3 Changes of Normalized differential SPADijat different leaf position in wheat

2.3 小麦上部不同叶位的SPAD值及归一化SPAD指数与植株氮营养指数关系

2.3.1 小麦不同叶位SPAD值与植株氮营养指数的定量关系

以2009—2011的试验资料为例，定量分析从拔节到开花小麦上部4张单叶的SPAD值与NNI之间的关系(表4)。结果表明，不同叶位的SPAD值与NNI之间呈显著正相关，相关系数(R)在0.666—0.823之间，其中以顶1叶的SPAD值与NNI之间的相关系数最为显著，其次为顶3叶和顶4叶的，顶2叶的相关性最差。

表4 小麦不同叶位的SPAD值与NNI的定量关系Table 4 The quantitative relationship between SPAD value at different leaf position and nitroen nutrition indes in wheat

对不同叶位单叶SPA值与NNI拟合曲线进行简单分组线性回归，分组因子为年份和品种，以检验不同叶位SPAD值与NNI之间的关系在不同年份或不同品种之间是否存在差异(表5)。结果显示，顶1叶，顶2叶和顶4叶SPAD值与NNI的拟合曲线截距b在不同年份之间差异显著(P＜0.05)，顶3叶SPAD值与NNI的拟合曲线斜率a在年份之间差异显著(P＜0.05)，说明在不同年份之间顶1叶到顶4叶SPAD值与NNI之间的关系具有不稳定性，因此，使用单叶的SPAD值来估算小麦植株氮素营养状况可能存在风险。

表5 小麦不同叶位SPAD值与NNI拟合曲线的简单分组线性回归Table 5 Simple linear regression with groups of the fitted curve between SPAD value at different leaf position and nitrogen nutrition index in wheat

2.3.2 小麦不同叶位归一化SPAD指数(NDSPADij)与植株氮营养指数关系

以2009—2011的2年试验资料为例，定量分析不同叶位归一化SPAD指数(NDSPADij)与NNI之间的关系(表6)。结果表明，除了NDSPAD12与NNI之间关系差异不显著外，其他叶位组合NDSPADij与NNI之间关系都显著负相关，相关系数在0.01—0.849之间，其中尤其以NDSPAD14与NNI之间相关系数最为突出(图3)。

表6 小麦不同叶位NDSPADij与NNI的定量关系Table 6 The quantitative relationship between Normalized differential SPADijat different leaf position and nitrogen nutrition index in wheat

对NDSPADij与NNI拟合曲线进行简单分组线性回归，分组因子为年份和品种，检验NDSPADij与NNI之间关系在不同年份或不同品种之间是否存在差异(表7)。结果表明，NDSPAD14与NNI拟合曲线参数(a、b)在不同品种和年份之间差异不显著，其他叶位组合拟合曲线参数都存在不同年份之间差异显著(P＜0.05)，说明NDSPAD14与NNI之间关系在不同年份和品种之间表现稳定，因此，可以使用NDSPAD14估算小麦植株氮素营养状况。

表7 小麦不同叶位NDSPADij与NNI拟合曲线的简单分组线性回归分析Table 7 Simple linear regression with groups of the fitted curve between Normalized differential SPADijat different leaf position and nitrogen nutrition index in wheat

图3 小麦NDSPAD14与NNI的定量关系Fig 3 Quantitative Relationship between nitrogen nutrition index and Normalizad differential SPAD14in wheat

3 讨论

3.1 小麦不同叶位SPAD值变化

SPAD值代表了作物叶片叶绿素的相对含量，其与作物氮素含量的高低密切相关，本研究表明，2个品种单叶SPAD值随施氮水平提高而提高，但在高氮处理之间差异不显著，说明过量施氮使得叶片中SPAD值达到饱和，这与前人在水稻［18］、小麦［15］和棉花［19］等作物的研究结果相同。2个品种不同叶位NDSPADij值随施氮水平提高而下降，这是因为在低氮条件下，小麦生理上较年轻的上三叶从生理上较老的顶4叶夺得氮素，顶4叶失氮叶色褪淡，形成较大的叶色差异。而在高氮条件下，小麦冠层上三叶氮素营养得到满足，对顶4叶的竞争减少，顶4叶得到了积累氮素的机会，与上三叶的叶色差异缩小［20］，王绍华和屈卫群分别在水稻［20］和棉花［21］上也发现了类似的规律。

3.2 小麦氮营养指数(NNI)变化

由Lemaire等人提出的NNI，是基于作物临界氮浓度构建的能动态描述作物氮营养状况的指标。国外STICE和CERES-Rape等模型利用氮营养指数定量计算作物体内氮素亏缺大小，以模拟氮素对作物生长过程的影响(光合作用、叶面积指数、分蘖)［22-23］;Colnenne等进一步建立了NNI与油菜的生长速率、叶面积指数、氮素利用率以及产量的定量关系，从而定量诊断因氮营养胁迫对作物各项生长指标造成的损失［24］。本研究中NNI的范围为0.37—1.25，随着施氮量的提高，NNI总体上上升，说明NNI可以反映作物体内氮素状态;随着生育期的推移，在氮肥不足的情况下小麦的NNI呈逐渐下降的趋势，说明小麦生长过程中氮素需求增加导致氮亏缺程度加重;而在氮肥充足的环境里小麦NNI均大于或等于1，说明小麦生长氮素供应充足并不存在氮亏缺现象，但由于NNI在大田环境中不容易直接得到，需要破坏性取样且进行室内分析测试才能计算得到，因此，本文发展了一种快速计算NNI从而诊断作物氮素营养状态的方法。

3.3 小麦不同叶位SPAD值和归一化SPAD指数(NDSPADij)与植株氮营养指数的关系

本文建立了不同叶位SPAD值和归一化SPAD指数(NDSPADij)与NNI之间的关系，通过简单分组线性分析结果表明，小麦上部不同叶位SPAD值与NNI之间都呈显著正相关，相关系数R的范围在0.666—0.823，其中以顶1叶SPAD值与NNI的相关系数R最高，但是这种关系在不同年份或品种间表现不稳定，不能被用来诊断小麦氮素营养状态，这与Debaeke和Rozbicki等人在不同地区对小麦单叶SPAD值与NNI之间关系的研究结果相同［15，25］。为了减轻品种和环境对SPAD值与NNI关系的影响，本文构建了归一化SPAD指数(NDSPADij)与NNI之间关系，结果发现两者之间呈显著负相关(除NDSPAD12外)，相关系数R的范围在－0.849—0.01，以 NDSPAD14与 NNI的相关系数 R 最高表现最佳(NNI= －2.019NDSPAD14+1.18，R 为 －0.849)，且不受品种和环境的影响，因此，可以用NDSPAD14来估算小麦植株NNI。相比前人利用作物上层叶片氮含量［26-28］，SPAD值［29］和遥感［30］等方法估算NNI，本文仅测量小麦植株主茎顶1叶和顶4叶SPAD值，计算NDSPAD14估算小麦植株NNI，避免了植株破坏性取样，且不受品种、土壤和天气等因素的影响，方法简单快捷准确。但需要指出的是，本研究结果是在同一个生态点两年的试验基础上得出的，还需要利用不同生态区和不同品种的数据加以进一步测试和检验。

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