黄瓜叶片上SPAD值的空间分布及氮素诊断的位点选择

胡 静，毛罕平，左志宇，李青林

(1.江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏镇江 212013;2.苏州工业职业技术学院，江苏苏州 215104)

从世界范围看，在所有必需营养中，氮是限制植物生长和形成产量的首要因素.氮是叶绿素的主要成分，也是和叶绿素合成相关的酶的一部分，叶肉中高达75%的氮位于叶绿体中［1-2］.传统的氮素营养诊断多以化学分析为主，但这种方法需要耗费大量的人力、物力和财力，不利于推广应用［3-7］.叶绿素计(SPAD)具有操作简便、快捷、非破坏性地监测植物氮素营养水平等优点［8］，近年来在大豆、水稻、生菜和花生等多种植物上得到广泛应用［9-17］，并显示出叶绿素计值和植物氮含量之间具有强烈的相关关系.叶片是植物进行光合作用的最主要器官，绿色植物的叶片有赖于叶绿素进行光合作用，因此作物的氮素营养状况会在叶片上有所反映.屈卫群等［3］通过研究棉花主茎顶部4张定型叶片SPAD值的叶位分布及其对施氮水平反应的敏感程度，认为顶1定型叶时空变异最大，顶4定型叶最稳定.张延丽等［18］的研究结果显示，随施氮量的增加，黄瓜各叶位叶片SPAD值均有所增加，但不同叶位叶片SPAD值增长的幅度明显不同，并得出结论认为黄瓜幼苗期和开花期的第3叶、结果期的第7叶对施氮水平的反应最敏感，可以作为黄瓜氮素缺乏诊断的最佳部位.可见作物氮素营养状况在不同叶位间存在明显的空间差异.李岚涛等［19］综合分析认为，应用SPAD仪监测油菜氮素营养状况的最佳测试叶位和位点为主茎顶4片完全展开叶中部，该部位SPAD值与叶绿素含量、叶片含氮量和植株全氮含量之间的相关性均达到显著或极显著水平，满足氮素营养快速诊断的要求.祝锦霞等［20］用机器视觉图像发现，水稻叶片的不同位点其颜色特征和叶位一样也会随着氮素水平的差异发生变化，只是不同位点的颜色特征参量变异系数都较小，叶尖和叶基没有显著性差异，因此可以选择整个叶片作为氮素诊断的指示叶.S.C.Chapman等［21］的研究结果也显示，作物叶片的氮素营养状况在同一张叶片的不同位点上的分布有显著的空间差异.因此，寻找最能代表作物叶片氮素营养状况的敏感部位是精确诊断氮素营养的前提.

文中通过探索黄瓜叶片不同位点SPAD值的变化规律，分析叶片SPAD值与叶片含氮量之间的相关性，从而确定黄瓜叶片氮素营养诊断的叶片敏感位点，为黄瓜氮素的营养诊断提供最佳的参考测定位点.

1 材料与方法

1.1 试验设计

供试黄瓜品种为津优1号，在20～25℃的湿纱布上催芽黄瓜种子4 d后，把大小一致的苗移栽到盆里，盆的开口直径为22 cm，高度20 cm，种植基质为珍珠岩.黄瓜苗生长在江苏大学农业装备工程学院Venlo型的温室里，保持湿度(70±10)%，用山崎配方种植黄瓜.黄瓜长到四叶一心(幼苗期)时开始氮处理，分别在七叶一心(开花期)和十一叶一心(结果期)时测定数据.黄瓜分成4组进行氮处理试验:N0为严重氮缺乏处理;N20为中等氮缺乏处理;N100为正常氮处理;N200为氮过量处理.正常氮处理(N100)为完全的山崎配方，包含3.5 mmol·L-1Ca(NO3)2·4H2O，6 mmol·L-1KNO3，1 mmol·L-1NH4H2PO4和 2 mmol·L-1MgSO4·7H2O，加上微量元素，调节pH为5.8～6.0.缺氮组的营养液去掉Ca(NO3)2·4H2O和KNO3，分别用CaCl2和KC1来补钙和钾，过量氮组用NaNO3来添加氮.

1.2 数据采集与分析

1.2.1 SPAD值的取样方法和测定

用SPAD-502分别测定开花期的正三叶和结果期的正七叶(从下往上数为正一叶、正二叶……以此类推)叶片各个位点的SPAD值.每张叶片分成如图1所示的78个位置点，叶片主脉两侧对称，避开叶脉，测定每个点的SPAD值.每个处理测定8张叶片，取平均值.

图1 叶片取样方法

1.2.2 叶片取样方法和氮含量的测定

开花期的正三叶叶长为(23.2±0.8)cm，叶宽为(27.8±0.6)cm，用长28 cm，宽30 cm的自制带圆孔的薄铁板切割叶片;结果期的正七叶叶长为(24.4±0.9)cm，叶宽为(29.6±0.9)cm，用长 30 cm，宽30 cm的自制带圆孔薄铁板切割叶片.自制的带圆孔薄铁板沿长度、宽度各10等分，共100个孔，放到充分展开的正三叶叶片上面(见图2)，对照带方孔薄铁板上的孔隙切割叶片，取样后把残留在取样片上的支脉剔除.归类时把主脉两侧对称叶片放在一起，每个处理测定8张叶片，取平均值.按照图1所示编号放入信封，105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重，称干质量，磨碎称取适量，经H2SO4-H2O2消煮后，用凯氏定氮法测定叶片含氮量.

图2 自制带孔薄铁板

1.2.3 数据分析

用Origin 8.0软件作数据分析，变异系数CV=(标准偏差/平均值)×100%.变异系数是衡量各观测值变异程度的一个统计量，文中用变异系数表征不同氮营养水平下黄瓜叶片不同位点SPAD值的变化程度大小.在这里变异系数越大，指的是不同氮营养水平下SPAD值的差异性越大，说明该位点对氮营养水平的变化越敏感;反之，变异系数越小，指的是不同氮营养水平下SPAD值的差异性越小，说明该位点对氮营养水平的变化敏感性越差.

2 结果与分析

2.1 开花期黄瓜SPAD值的叶片分布规律

黄瓜开花期的第三完全展开叶上不同位点的SPAD值存在显著的分布差异，如图3，4所示.

由图3可知，从主叶脉到叶边缘位置，SPAD值显示逐渐下降的变化趋势，靠近主脉部分的SPAD值显著高于叶片边缘部位，且缺氮越严重，这一变化趋势越明显.图4显示从叶基部到叶尖部分，SPAD值显示先上升后下降的变化趋势，从叶基部开始40%～80%的区域的SPAD值较高，变异最小，而叶基部和叶尖的SPAD值更小一些.这个结果与文献［21-22］在玉米和小麦上的测定结果相类似.由此可知，不同氮素水平下的SPAD值有显著的差异，且叶片不同位点的SPAD值也有很大差异，随着氮胁迫的加剧，不同位点的SPAD值的差异也越来越大.

图3 主脉到边缘不同距离下的测定结果

图4 叶基部到叶尖不同距离下的测定结果

2.2 开花期SPAD值变异系数分析

开花期施氮水平对黄瓜正三叶不同位点SPAD值的影响如表1所示，由表可知不同位点的SPAD值的变异系数有明显的差别.这与黄瓜缺氮时，叶片表现为均匀的黄化现象是不一致的，而是与不同位点的SPAD值的显著不同这一现象相一致.由表1的数据可得出，整个叶片的SPAD值的变异系数平均值为17.8%，而紧靠主脉两侧(图5中的黄色和绿色区域)相对距离0～60%范围内，即4A，4B，5B，5C，6A，6B和6C等的SPAD值的变异系数平均值为15.6%，说明这一区域对氮素的变化不敏感.叶边缘与离叶边缘的相对距离40%之间的这一区域(图5中的橙色区域)的SPAD值的变异系数平均为18.1%，此区域的变异系数普遍比较高，说明从叶边缘到叶片中间大概6 cm的距离内的叶片区域对不同氮素水平变化的敏感性普遍比较高.整个叶片最高的SPAD值的变异系数主要位于叶片尖部的三角部位(图5中的红色区域)，即10A，9A和9B位点处的变异系数分别为20.5%，20.3%和20.7%，变异系数平均值高达20.5%.这一结果表明了在开花期，对不同氮素水平变化最敏感的位点是叶尖周围.因此，从整张叶片来看，基本上在离叶尖部的相对距离20%与叶边缘之间的叶尖顶三角区域为氮素的最敏感区域(图5中的红色区域)，最容易反映氮素营养的变化情况.

表1 开花期施氮水平对黄瓜正三叶不同位点SPAD值的影响

图5 开花期SPAD值的变异系数分布图

2.3 开花期SPAD值与氮素指标的相关性分析

开花期不同位点SPAD值与叶片含氮量的相关性如表2所示(*表示在0.05上有显著意义;＊＊表示在0.01上有显著意义).由表可知，在开花期黄瓜叶片各位点的SPAD值与叶片含氮量均存在很好的相关关系.虽然叶片主脉两侧位点的SPAD值与叶片含氮量的相关系数普遍高于叶片边缘部位及叶片尖部，但叶片边缘及尖部的SPAD值与叶片含氮量仍达到显著水平.

综合分析开花期不同位点的SPAD值与叶片含氮量的相关性和不同氮营养水平下的SPAD值的变异系数，结果表明在开花期黄瓜叶片离叶尖部相对距离20%与叶边缘之间的叶尖顶三角区域(图5中的红色区域)为氮素的最敏感区域.

表2 开花期不同位点SPAD值与叶片含氮量的相关系数(r)

2.4 结果期SPAD值变异系数分析

图6为结果期不同位点SPAD值变异系数分布图.比较结果期不同氮素营养下的黄瓜叶片第七完全展开叶在不同位点SPAD值的变异系数，不同位点的SPAD值的变异系数有明显的差别(图6)，这与开花期不同位点SPAD值变异系数的变化相类似.图6显示在结果期，紧靠主脉两侧(图6中的黄色区域)相对距离0～40%范围内SPAD值的变异系数最小，说明这一区域对氮素的变化不敏感.叶边缘与离叶边缘的相对距离60%之间的这一区域(图6中的橙色区域)的SPAD值的变异系数普遍比较高，说明从叶边缘到叶片中间大概9 cm的距离内的叶片区域对不同氮素水平变化的敏感性普遍比较高.整个叶片最高的SPAD值的变异系数主要位于叶片尖部的三角部位和叶边缘尖部(图6中的红色区域).这一结果表明在结果期，黄瓜叶片离叶尖部相对距离30%与叶边缘之间的叶尖顶三角区域(图6中的红色区域)为氮素的最敏感区域.

与开花期相比较，在结果期叶主脉两侧的黄色区域越来越小，即SPAD值的变异系数最小的范围越来越小，而叶尖部周围的红色三角区域越来越大(图5和6)，即SPAD值的变异系数最大的范围越来越大.可见随着植物的生长，植物对氮素变化的敏感区域越来越大，表明植物对氮素的需求越来越旺盛.可能的原因是结果期植物对氮素的需求要远远高于开花期.在开花期，植物吸收的氮素主要满足植物营养生长的需要，而在结果期，营养中心转移到果实中，吸收的氮素不仅要满足植物营养生长的需要，更要满足植物生殖生长的需要，一部分的氮素积累在果实中.

图6 结果期SPAD值的变异系数分布图

3 结论

黄瓜叶片的SPAD值与叶片含氮量有强烈的相关性，分析叶片不同位点SPAD值的分布情况，发现不同位点之间的SPAD值差异比较大，且氮胁迫越严重，这一差异越明显，说明可用SPAD值作为不同位点氮素变化的敏感性诊断.不同位点的SPAD值的变异系数有显著差异，这与黄瓜叶片缺氮素时肉眼可见的整体黄化特性是不一致的.不论是在开花期还是在结果期，除叶尖部以外的紧靠主脉两侧区域的SPAD值的变异系数最小，表明这一区域位点对氮素的变化最不敏感;叶片边缘往中部6 cm这一区域的SPAD值的变异系数普遍比较大，且数值相对差异小，比较稳定，表明这一区域位点对氮素的变化均比较敏感;而黄瓜叶片的离叶尖部的相对距离20%与叶边缘之间的叶尖顶三角区域的SPAD值的变异系数在整张叶片中最高，表明此三角区域在氮素供给发生变化时要比叶片其他区域反应更快更敏感，最能代表整张叶片的氮素营养状况，因而是黄瓜叶片氮素营养诊断的最理想区域.通过研究黄瓜叶片不同位点SPAD值的变化规律，从而确定黄瓜叶片氮素诊断最佳测定位点的方法同样适用于其他作物，但由于不同作物的叶片形状和叶片营养分布规律均有很大差异，因而不同作物对氮素变化的最敏感位点仍需进一步的试验研究.

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