基于品种和氮肥的棉花叶色值、叶片氮含量及产量估测

印彩霞，张 泽，苏 维，南小琴，谭 红，吕 新

(石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】针对传统的棉花产量估测通过在大田进行，且测定步骤复杂耗时，不利于大量测产。以叶色变化作为棉花叶片氮素含量的指标，对氮肥及其敏感，明确棉花叶色值、叶片氮含量在生育时期的变化规律，探讨二者对氮肥和品种、生育时期的响应特征，对于不同棉花品种快速测产和指导施肥有重要意义。研究基于叶色和叶氮对氮肥和品种、生育时期的响应特征，综合考虑不同品种和氮肥处理下的产量估测，为棉花的产量估测提供更准确的理论方法。【前人研究进展】Schepers等[1]通过研究多个品种之间SPAD值变化趋势，得出不同品种SPAD值有显著差异。赵全志等[2]通过研究水稻叶色和植株氮含量的相关性，得出水稻叶色和植株氮含量有较好的相关性，可利用叶色信息估测氮含量，宋绪忠等[3-4]在水稻的叶色变化研究中，利用SPAD值代替叶色值进行研究，取得了良好的研究成果。Kropff M J等[5]研究表明，水稻叶色值与叶片氮含量具有极强的相关性。朱新开等[6]在实验中表明作物不同品种间SPAD值有显著差异，利用SPAD值可以很好的预测作物产量。蔡红光等[7]通过试验表明，棉花叶色值(SPAD)主要受氮肥水平的影响。Smeal D等[8]表明棉花不同生育时期SPAD值有显著性变化趋势。Reiter M S等[9]研究表明，棉花倒四叶可作为棉花的功能叶，测定的叶绿素，氮含量等信息可用来估测其它信息。薛向荣等[10]通过试验研究表明，叶色值和棉花植株氮含量可以达到显著性正相关，可用来估测棉花等作物的产量。王娟(2006)等在棉花叶色值和含氮量的相关性研究中表明，不同生育时期的叶色值与棉花全氮有较好的相关性，且同一时期不同品种间叶色值变化差异显著[11]。【本研究切入点】关于叶片氮含量和棉花叶色值、产量之间相关性研究很多，目前为止并没有系统的研究叶色值和叶片氮含量对棉花品种和氮肥及生育时期的响应特征。研究棉花叶色和叶片氮含量在各生育时期的变化规律。【拟解决的关键问题】设置不同施氮量，明确叶色值和叶片氮含量对不同氮肥、不同品种、生育时期的响应特征，实现基于叶色和叶片氮含量的产量监测。综合品种，氮肥等对产量的影响，为棉花估产提供更精准的理论依据。

1 材料和方法

1.1 材 料

田间试验于2018年在石河子市143团进行，试验地连年种植棉花，土质为沙壤土，棉田0～20 cm土层有机质含量19.03 g/kg，碱解氮含量为19.27 mg/kg，速效磷含量为19.52 mg/kg，速效钾含量为213.57 mg/kg，室内试验在石河子大学进行。以新陆早45号、新陆早58号、新陆早62号、新陆早50号、鲁棉研24号。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验采用两因素完全随机区组设计，实验地棉花种植方式采用地膜覆盖，东西行向，两头设置保护行。设置纯氮量为N0(不施氮)、N1(120 kg/hm2)、N2(240 kg/hm2)、N3(360 kg/hm2)4个施氮水平和5个品种，共计20个处理，每个处理重复3次。每个小区面积为75 m2(10 m×2.5 m×3)，膜宽2.05 m，一膜播6行棉花，行距配置为10+66+10+66+10(cm)，株距10.5 cm，播种密度25.06万株/hm2。全生育期滴水7次，随水滴肥7次，按不同生育时期棉花的需肥特性设置滴肥权重，确定各次的滴施氮肥量。表1

表1 各生育期尿素施用量分配Table 1 Nitrogen application rate allocation
Table in each growth period

处理Treatment氮肥追施时间和数量Top dressing (kg/hm2)基肥6.136.237.147.258.508.16N00000000N178.2620.8720.8726.0931.3039.1344.35N2156.5241.7441.7452.1762.6178.2688.70N3234.7862.6162.6178.2693.91117.39133.04

1.2.2 测定指标

在棉花现蕾期、盛蕾期、花铃期、铃期和吐絮期，用日本产的Minolta SPAD- 502叶绿素仪，避开叶脉，测定棉花倒四叶的三个点，取平均值，作为该点棉花的叶色值。每小区取三个点，取平均值为该小区的叶色值；在每个生育时期，每个小区选取长势均匀的三个点，每个点取三株棉花，每个小区共九株棉花。将绿色叶片全部取下(包括测叶色值的倒四叶)，装入样品袋，带回实验室放置冰箱，105℃杀青30 min，85℃烘干至恒重，称重，用粉碎机粉碎干样，过1 mm筛子后，用Hanon公司生产的K9840凯氏定氮仪测定全氮。

1.3 数据处理

数据采用Microsoft Excel 2003处理和作图，通过IBM SPASS Statistics 20做相关性分析，Origin 2018制图。

2 结果与分析

2.1 不同品种和施氮水平对棉花叶色值的影响

2.1.1 棉花叶色值随生育时期的变化

研究表明,施氮水平对不同时期棉花叶色值有明显的影响。鲁棉研24号、新陆早50号、新陆早45号、新陆早62号、新陆早58号的叶色值在各施氮水平下，随生育进程的推进呈先降低后升高的趋势，在盛蕾期值最小，吐絮期值最大，即吐絮期>铃期>花铃期>现蕾期>盛蕾期。就全生育期叶色值变化的差异性而言，各品种叶色值在生育期表现差异显著，此差异及叶色值均随着氮素的增加而增大，但N2、N3之间差异不大，表明增施氮肥可以显著提高叶片的叶色值，过量施氮并不利于叶色值的增加。在N3处理下，叶色值最大，可见高氮处理，可以延缓植物叶片的衰老，使其在生育中后期保持较高的叶色值，有利于后期叶片功能的发挥，对产量物质合成有利。表1，表2

2.1.2 棉花叶色值对品种、氮肥、生育时期等的响应特征

研究表明，叶色值对品种、氮肥及生育时期的响应特征显著。现蕾期，鲁棉研24号、新陆早50号在N2、N3处理下差异显著，新陆早45号在N1、N2、N3处理下差异显著，新陆早62号，N0与其它各施氮处理间差异显著，其中N2、N3无显著性差异，新陆早58号，N0与其它各施氮处理间差异显著，其中N1、N2无显著性差异，在现蕾期，鲁棉研24号对氮肥敏感性较强，不同品种对氮素的敏感性不同。现蕾期各品种对氮肥的敏感程度表现为新陆早45号>新陆早58号>新陆早62号>新陆早50号=鲁棉研24号，同理，盛蕾期各品种叶色值对氮肥的敏感程度表现为新陆早50号=新陆早45号>新陆早58号=鲁棉研24号>新陆早62号，花铃期各品种叶色值对氮肥的敏感性基本一致。铃期新陆早45号叶色值对氮肥的敏感性较其它品种低，其它品种敏感性基本一致。吐絮期各品种叶色值对氮肥的敏感性基本一致。各个棉花品种叶色值在现蕾期、盛蕾期、花铃期、铃期、吐絮期的F值均达到极显著性相关。各氮素处理下叶色值在棉花现蕾期、盛蕾期、花铃期、铃期、吐絮期的F值也达到极显著性相关。品种和氮肥交互，F值亦是如此。品种、氮肥以及二者的交互效应对叶色值影响显著。图1

注：同一时期不同图案中不同字母表示邓肯检验达5%水平差异显著，下同

Note:Different pattern with different letters indicate significant differences in Duncan test atP< 0.05. The same as below

图1 不同施氮量下对棉花品种叶色值变化
Fig.1 Effects of different nitrogen application rates on leaf colour value of cotton varieties In same stage

在相同施氮水平下，不同品种间叶色值在各生育期的差异显著。各施氮水平下，各品种叶色值在各生育期差异性表现不一。N0处理下，各品种在现蕾期的差异显著；N1处理下，各品种叶色值在花铃期差异显著；N2处理下，各品种叶色值值在现蕾期差异显著；N3处理下，各品种叶色值在吐絮期差异显著。施氮量对不同棉花品种叶色值影响时期不同。棉花叶色值对品种、氮肥、生育时期的响应特征明显。综合考虑，各品种叶色值在棉花生殖生长阶段对氮肥较敏感。在对叶色值的研究中，在蕾期-花铃期适当增加氮肥，以增大叶色值。纯氮用量为240～360 kg/hm2，可以维持较高的叶色值，延缓后期叶片的衰老，利于产量的提高。表2，图2

表2 基于品种、氮肥的棉花叶色值、叶氮含量及产量方差
Table 2 Variance Analysis of Leaf Color Value, Leaf Nitrogen Content and Yield of Cotton Based on Variety and Nitrogen Fertilizer

品种Varieties施氮水平N level现蕾期Bud盛蕾期Flowering Bud花铃期Flowering bell铃期Bell period吐絮期Bubbling period叶色值LCV叶氮量LNC叶色值LCV叶氮量LNC叶色值LCV叶氮量LNC叶色值LCV叶氮含量LNC叶色值LCV叶氮含量LNC产量(kg/ hm2)Y鲁棉研24号Lu Mianyan 24N053.85ij25.50h52.43fg24.58h61.20e30.23hi62.65fg29.12hi67.30f28.63e3 048.00ijN154.55i26.32g53.90e25.98f63.50d31.62e64.10e29.53gh68.90cd29.64d3 184.50ijN256.30h27.14f54.07e25.99f65.30bc32.14d66.60bc30.05f69.65b30.02c3 750.00fgN357.67ef28.14de56.67b28.77c66.87a32.55cd67.25a32.13ab71.45a31.59a4 264.50d新陆早50号 Xin Luzao50N068.30c27.63ef51.07i25.80fg57.45h29.02k60.00ij28.87ij62.45l27.09h2 893.50jN168.90c28.64bcd51.63h28.08d60.8ef30.14i62.60g29.76fg64.00j28.78e3 334.50hiN269.65b29.02b52.60f29.66a64.5c31.28ef65.05d30.59e65.75h29.63d3 771.00fgN371.45a30.59a53.97e29.90a66.4a33.16b67.10ab31.54cd69.30bc30.24c4 240.50de新陆早45号Xin Luzao45N056.55gh24.59i54.70d25.43g58.05h29.49jk60.45i28.08k62.20l26.81h3 600.00ghN157.07fg25.04hi55.33c25.55fg61.25e30.09i63.00fg29.11hi64.07j27.53g3 856.50efgN258.25e26.27g56.67b27.56e64.83c31.29ef66.30c30.72e67.13f30.24c4 870.50bN359.53d28.18de57.40a29.11bc65.65b33.82a66.87abc32.43a68.10e31.71a4 894.50b新陆早62号Xin Luzao62N052.27lm25.20h50.92i25.87fg51.10k29.88ij59.60j30.71e63.95j28.26f3 873.00efgN153.45jk26.33g51.90gh27.09e53.63j30.3hi63.17f31.27d65.17i29.50d4 881.00bN254.40i28.23de52.40fg28.67c60.35fg31.10efg64.60de32.24ab66.40g30.12c5 256.00aN355.45hi30.15a53.65e29.95a65.05bc33.00bc66.78abc32.19ab68.56d31.41a5 515.50a新陆早58号Xin Luzao58N051.93m26.50g50.93i26.07f56.27i30.72gh58.95k28.58j61.30m26.23i3 807.00fgN153.23kl29.57cd51.67h28.97c60.00g31.02fg61.37h30.10f63.23k29.57d4 125.00defN253.40jk28.87bc52.20fgh29.51ab63.70d32.69bc64.70d31.86bc66.03gh30.61b4 453.50cdN354.35i30.05a53.67e29.93a65.07bc33.00bc66.80abc32.20ab68.57d31.41a4 641bcF品种Varieties3527.44∗∗146.05∗∗337.96∗∗134.80∗∗381.83∗∗23.02∗∗8.09∗∗4.69∗563.71∗∗1.67ns81.81∗施氮量N level152.60∗∗283.31∗∗239.05∗∗510.07∗∗1247.50∗∗350.35∗∗128.20∗∗25.63∗∗1 320..03∗∗27.77∗∗103.56∗∗品种×施氮量Varieties×N level3.54∗∗5.92∗∗3.45∗∗14.54∗∗7.17∗∗10.71∗∗11.98∗∗15.77∗∗24.23∗∗45.15∗∗2.67∗

注：LCV：叶色值，LNC：叶氮含量，Y ：产量。ns 表示P在 0. 05 水平上差异不显著，*和**表示P在 0. 05 和 0. 01 水平上差异著，下同

Note: LCV: leaf color value, LNC leaf nitrogen content, Y: yield. ns meansPis not significant at 0. 05 level,*and**meansPis different at 0. 05 and 0.01 level, the same as below

2.2 不同品种和施氮水平对棉花叶片氮含量的影响

2.2.1 棉花叶片氮含量在全生育时期的变化

研究表明,施氮量对不同时期叶片氮含量有显著影响。各品种棉花叶片氮含量在各施氮水平下随生育进程的推进呈“缓慢下降—迅速下降—迅速上升”的趋势。其中，在花铃期最大，蕾期最小，至吐絮期又开始减小。即表现为花铃期>铃期>吐絮期>现蕾期>蕾期。就全生育期叶片氮含量显著性变化而言，各品种在各生育时期大致表现为显著性差异，此差异及叶片氮含量随着氮素的增加增大，但N2、N3之间差异不大，增施氮肥可以显著提高叶片的氮含量，过量施氮并不利于叶片氮素的积累。在N3处理下，叶片氮含量较其它氮素处理下的值高，可见在高氮处理下，可以增加叶片的氮含量，促进叶绿素的合成，延缓叶片衰老，利于提高后期叶片的光合作用，利于产量物质的合成。图2

图2 不同施氮量下棉花品种叶片氮含量变化
Fig. 2 Effects of different nitrogen application rates on leaf nitrogen content of cotton varieties

2.2.2 棉花叶片氮含量对品种、氮肥、生育时期等的响应特征

研究表明，叶片氮含量对品种、氮肥及生育时期的响应特征显著。现蕾期，鲁棉研24号在N1、N2、N3处理下叶片氮含量差异显著，新陆早50号和新陆早58号在N1、N2、N3处理下叶片氮含量差异显著，其中N1、N2差异不显著，新陆早45号在N2、N3处理下叶片氮含量差异显著，新陆早62号在N1、N2、N3处理下叶片氮含量差异显著，说明不同品种叶片氮含量对氮肥的敏感时期不同。在相同施氮水平下，不同品种间叶片氮含量在各生育时期的差异显著。各施氮水平下，各品种叶片氮含量在各生育期差异性表现不一。N0、N1、N2处理下，叶片氮含量在现蕾期的差异显著；N3处理下，各品种叶片氮含量在盛蕾期差异显著。综合考虑，各品种叶片氮含量在蕾期对氮肥都较敏感，在对叶色值的研究中，可考虑在蕾期适当增加氮肥，以增大叶色值。纯氮用量为240～360 kg/hm2，可以维持较高的叶片氮含量。

从调控效应(F值)上看，在各品种间，叶氮含量在棉花现蕾期、盛蕾期、花铃期、铃期达极显著水平(P<0.01)，吐絮期差异不显著(P>0.05)，叶氮含量在铃期对品种的敏感性降低，在吐絮期不受品种影响。各氮素处理下叶氮含量在棉花现蕾期、盛蕾期、花铃期、铃期、吐絮期达到显著水平(P<0.01)。品种和氮肥交互达显著以上水平(P<0.01)。综上所述，叶氮含量对氮肥，以及氮肥和品种的交互效应响应显著，对品种的敏感性较小。表2，图2

2.3 棉花叶色值、叶片氮含量、产量之间相关性

研究表明，棉花叶色值、叶片氮含量、产量均呈线性相关，其中棉花叶色值与叶片氮含量呈显著性正相关，R2达0.37**，二者之间的关系式为y=0.223 7x+15.741。叶色值与产量呈显著性正相关，R2达0.56**，二者之间的关系式为y=86.414x-1 219.6。叶片氮含量与产量达显著性相关，R2达0.61**，二者之间的关系式为y=237.5x-2 770.3。图3

图3 叶色值、叶片氮含量产量三者的相关性
Fig.3 Correlation between leaf color value, leaf nitrogen content, and yield

2.4 基于棉花叶色值、叶片氮含量实现产量估测与验证

2.4.1 棉花产量对品种、氮肥的响应特征

研究表明，棉花产量对品种和氮肥的响应特征显著。同一品种处理下，各氮肥间产量差异显著。随着氮肥的增加，产量逐渐增大。且各品种产量在不同氮肥处理下均出现显著性差异。可见产量对氮肥的响应极显著。同一氮肥处理下，不同品种间产量差异有所不同。N0处理下，杂交棉24号、新陆早50号、新陆早45号、新陆早58号、新陆早62号的产量均无显著差异；N1、N2、N3处理下，杂交棉24、新陆早50号二者的产量均无显著差异，新陆早45号、新陆早58号、新陆早62号的产量有差异但不显著。从产量调控效应(F值)上看，产量在品种间差异达显著水平(P<0.01)，氮素达极显著水平(P<0.05)，其互作效应达显著水平(P<0.01)。产量对品种的敏感性较小，但仍然具有敏感性，对氮肥具有很高的敏感性。就产量高低而言，N3处理下产量最高，但与N2处理差异不大，施氮量过高对产量提高并不明显。即氮肥量为240～360 kg/hm2，具可获得较高的产量。

2.4.2 基于叶色值和叶片氮含量的产量估测与验证

研究表明，基于叶色值和叶片含氮量、产量之间的关系，可实现产量的估测。基于叶色值的产量估测最佳时期为铃期，估测方程为：Y=1.097 7S2-0.102 9S-359.05，R2达显著水平(P<0.01)。基于叶片氮含量实现产量估测的适宜时期依次为铃期、吐絮期、盛蕾期、花铃期，其中花铃期最佳估测方程为Y=77.592N2-4 320.2N+63 508，R2达极显著水平(P<0.01)；基于棉花叶色值与叶片氮含量的产量估测适宜时期依次为现蕾期、铃期、吐絮期、盛蕾期、花铃期。其中铃期最佳估测方程为Y=363.48-65.175×S+274.079×N，R2达极显著水平(P<0.05)。并对比估测值与大田实测值，得出较基于叶色值实现产量估测或基于叶片氮含量实现产量估测，基于叶色值和叶片氮含量的产量估测值和实测值在各个生育时期具有更好的拟合性。表3

表3 棉花叶色值(S)、叶氮含量(N)、产量(Y)之间的回归关系
Table 3 Regression relationship between cotton leaf color value (S), leaf nitrogen content (N), yield (Y)

时期Period方程Equations (S and N)R2方程Equations(S and Y)R2方程Equations (Yand N)R2方程Equations (S、N and Y)R2现蕾期BudN=0.012 1S2-1.371 6x+ 65.80.24nsY=-4.553 9S2+528.69S-11 0600.11nsY=-1.894 7N2+271.51N-1 913.10.15nsY=363.48-65.175S+274.079N0.41∗盛蕾期Flowering budN=-0.026 9S2+3.014 8S- 56.4470.02nsY=2.645 5S2-176.53S+ 5 990.80.09nsY=-59.543N2+3 534.5N-47 9000.43∗Y=-7 122.143+81.75S+248.795N0.45∗花铃期Flowering bellN=0.024 3S2-2.663 3S+ 102.880.72∗∗Y=7.390 5S2-849.72S+ 28 2900.08nsY=-77.997x2+5 188.8N-81 7470.31∗Y=-6 339.557-83.283S+497.984N0.38∗铃期Bell periodN=0.009 2S2-0.787 2S+ 43.2550.50∗Y=1.097 7S2-0.102 9S- 359.050.26∗Y =77.592N2-4 320.2N+ 63 5080.71∗∗Y=-7 930.193-37.339S+471.699N0.69∗∗吐絮期Bubbling periodN=-0.053S2+7.497 3S- 234.020.73∗∗Y=-27.791S2+3 759.6S-122 7680.19Y=60.412N2-3 230.4N+46 6850.50∗∗Y=-210.899-169.705S+527.709N0.59∗∗

3 讨 论

研究利用棉花叶片氮含量、叶色值对生育时期、不同氮肥处理、不同品种等的敏感特征，在不同氮肥和品种处理下对叶色值，叶片氮含量和产量进行动态测量，研究两两相关性，实现基于叶色值和叶片氮含量的产量预测。王绍华等[12]在研究中表明，利用叶色值和叶片氮含量实现产量的估测是可行的。

3.1 关于棉花叶色值、叶片氮含量在全生育时期的变化趋势

研究叶色值和叶片氮含量的动态变化特征，对于诊断植株的生理状况，指导施肥有很大的意义。研究结果表明，叶色值在全生育期均呈先下降再升高的趋势，在盛蕾期呈现最低值，吐絮期呈现最高值，即吐絮期>铃期>花铃期>蕾期>现蕾期，这和王娟等[11]的研究结果一致。同时汪玲等[13]还指出，这可能是因为棉花在此时从营养生长转向生殖生长，叶片的叶绿素含量降低，从而影响到叶片的颜色。叶片氮含量在全生育期呈“缓慢下降—迅速下降—再迅速上升”的趋势。其中现蕾花铃期呈现全生育时期最大值，在蕾期达到最低值，至吐絮期又开始减小。即花铃期>铃期>吐絮期>现蕾期>蕾期。这和罗新宁等[14]的研究相一致。

3.2 关于叶色值、叶片氮含量及产量关系

研究结果表明，叶色值、叶片含氮量、产量两两之间均有较好的相关性，这与李志宏等[15]的研究一致。氮肥用量在240～360 kg/hm2时，可以维持较高的叶色值和叶片氮含量，这与李伶俐等[16]的研究基本一致。在产量对氮肥和品种的敏感性研究中得出产量对氮肥敏感性很强，对品种敏感性较差，这和曹胜男等[17]的研究结果一致。试验中，棉花叶色值与叶片氮含量呈显著性正相关，且随着氮肥的增加，叶色值与叶片含氮量均增大，这与罗新宁等的研究结果一致。叶色值、叶片氮含量对品种和生育阶段有很高的敏感性，因此，考虑产量估测研究中，不同品种和生育阶段分别建立二者与产量的回归关系，会增加产量估测的准确性。再者试验仅以生育时期之内的某1 d采取的叶色值代替整个生育时期叶色，是比较粗陋的，后期应该在生育时期内多测几次。

试验在SPAD值监测中，只测定了功能叶片的三个叶位，但经过前人证明，棉花叶色值不同叶位相差较大。在棉花生育后期，植株的养分开始向棉铃转移，对棉花主茎上部叶以及上部果枝棉铃对位叶多次测定，并进行多重比较，以确定各生育时期最能代表叶色值的最佳叶片和最佳叶位。同时在叶片氮含量的测定中，棉花生育前期各部位养分含量不一致，测定功能叶片氮含量以代表所有叶片氮含量也是不全面的。在进行三者的相关性研究中，相关系数并没有那么高，可能是因为各生育时期相关性不同，在棉花打顶前叶色值和叶片氮含量具有较好的相关性。在以后的研究中，应该更偏向于试验测定天数的设置，以及棉花在哪个特定时期相关性最好，预测产量最好。

4 结 论

在各生育期，棉花叶色值大小顺序依次为吐絮期>铃期>花铃期>蕾期>现蕾期，这可能与棉花由营养生长向生殖生长的转化有关，而棉花叶片氮含量大小顺序依次为花铃期>铃期>吐絮期>现蕾期>蕾期，这可能是与叶片氮含量向蕾铃部位的转运、分配有关。不同品种、不同生育时期棉花叶色值差异显著，且在蕾期对氮肥较敏感。叶片氮含量对氮肥和生育时期敏感性较强，对品种敏感性较差。施氮处理对棉花产量的影响较大，品种对棉花的影响较小。通过叶色值和叶片氮含量可在棉花各生育期对产量进行预估，铃期预估效果最好，估测方程为Y=363.48-65.175*S+274.079*N，R2可达0.69。