基于SPAD值的烤烟氮素营养诊断研究

2022-07-07边立丽陈玉蓝常乃杰黎昌明冯文强张云贵刘青丽蒋寿安李志宏

中国土壤与肥料 2022年5期

边立丽，艾栋，陈玉蓝，常乃杰，黎昌明，龙潭，冯文强，陈曦，张云贵，刘青丽，蒋寿安，李志宏*

（1．中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2．四川省烟草公司凉山州公司，四川西昌 615000；3．中国烟草总公司四川省公司，四川成都 610041； 4．中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南郑州 450001）

氮素是作物生长的必需元素。在作物生长必需的17种营养元素中，对氮素需求量较大，然而在农业实践中过量的氮肥施用导致的氮流失造成诸多环境问题（富营养化、土壤酸化、温室气体排放、酸雨、地下水污染等），给人类生存带来严峻的挑战[1］。因此，确定合理的施氮量是农业可持续发展的必由之路[2-3］。烟草具有重要的经济价值，合理制定烟草的氮肥施用策略、准确诊断烟草生长期间的营养状态并调控氮素营养，既有利于优质烟叶生产，又有助于农业可持续和环境友好型发展[4-5］。目前，我国烟叶生产中普遍推荐的氮肥用量与烟株生长过程中的氮素需求规律匹配性差，同时缺乏高效的氮素监测手段，导致施氮量偏高，氮肥利用率低[6-8］。

传统的氮素营养诊断通常需要对植株进行破坏性取样，分析测试过程繁琐且结果滞后[9］。随着科技的发展，基于光谱特征的现代营养诊断因其便捷、快速、高效等特点，在作物氮素营养诊断中具有较为广泛的应用前景[10］。在现代作物营养监测手段中，采用叶绿素仪来进行氮素监测最为普遍，常用的叶绿素仪如SPAD-502（Soil plant analysis development）手持叶绿素仪，使用双波长（红光波长650 nm和近红外波长940 nm）LED光源，通过计算这2种波长的密度比值，并对比有无待测样品时光密度的差异来计算得到SPAD值，因为SPAD值和供测样品中叶绿素含量成正相关，可进一步推测植株的氮素营养状况[11］。由于叶绿素仪具有快速、简便、无损等检测特点，其在作物养分快速监测领域的运用已经取得了较好的结果。李刚华等[12］利用便携SPAD仪对水稻进行了氮素营养监测，通过比叶重修或建立不同品种的SPAD值与氮素营养函数关系能够提高利用SPAD仪诊断特定品种氮素水平的精度；蒋阿宁等[13］利用叶绿素计测定冬小麦拔节期倒一叶和倒二叶的SPAD值代替实验室土壤养分测定来制定施肥策略，结果表明，基于SPAD的变量施肥能满足冬小麦生长阶段对氮素的需要。李志宏等[14］应用叶绿素仪监测夏玉米氮素营养状况，结果表明，基于SPAD对玉米生长阶段养分的预测精度达到66.7%。屈卫群等[15］通过研究棉花主茎叶SPAD值的叶位分布，对棉花进行氮素营养诊断，结果表明，利用顶1定型叶与顶4定型叶SPAD值的相对差值，可较精确地诊断棉花的氮素营养水平。利用SPAD对烟草的养分监测方面，也有一些学者做过相关研究，比如在叶绿素、叶片全氮含量定量监测中均具有较好的运用成果[16］，但前人研究主要集中在对烟草特定生育期的SPAD值建立诊断标准，而烟草追肥时间往往超过试验研究的特定生育期，因此，无法对合理产量的适宜施氮量进行计算。不同烟草生育期SPAD值存在差异，建立烟草追肥阶段的SPAD诊断指标，才能真正做到依据SPAD值进行烟草营养诊断，从而优化烟草追肥策略。先前的相关报道中，也没有将肥料和烟叶的收支成本纳入考虑，导致研究结果在生产实践中难以运用。

针对上述问题，本研究以烤烟为研究对象，通过设置氮肥梯度田间试验，定期测试叶片SPAD值与植株的氮素含量，试图构建营养正常的烤烟在移栽后每天的SPAD适宜值范围以及弱苗、旺苗SPAD值诊断标准，为烤烟生产的追肥推荐提供判别依据，赋力烟草农业可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年在四川省冕宁县回萍乡横路村（28°31′9.2″ N，102°08′12.7″ E）进行，海拔高度1842 m。地处四川省西南部凉山州东北部，气候温和、雨热同季、雨量充沛、日照充足，属于亚热带季风气候。试验区内年平均气温14.1℃，年均日照时数1957.2 h，年均降水量为1106.8 mm[17］。供试土壤为典型红壤冲积的泥沙土，主要化学指标见表1。

表1 土壤化学性状

1.2 试验设计

试验设置N0（0 kg/hm2）、N1（37.5 kg/hm2）、N2（75 kg/hm2）、N3（112.5 kg/hm2）、N4（150 kg/hm2）、N5（187.5 kg/hm2）6个氮肥处理水平，采用完全随机区组试验设计，每个处理3次重复，共18个小区，小区面积为36 m2，小区之间过道为0.45 m，四周设保护行。供试烤烟品种为当地主栽品种“云烟100”。4月26日施用基肥并人工移栽，株距为0.55 m，行距为1.2 m，移栽后25和35 d追肥，基追比为81∶19，供试肥料有烟草专用肥（10-15-20）、硝铵磷（32-4-0）、磷酸一铵（12-60-0）、硫酸钾（0-0-50）、硝酸钾（13.5-0-44.5）、普钙（0-14-0），各小区养分投入详见表2。其它管理措施按当地优质烤烟生产技术规范要求进行。

表2 各试验处理的养分投入量（kg/hm2）

1.3 样品采集与测试

烤烟生长期叶片共采样9次，分别在移栽后10、20、30、40、50、60、80、100、120 d，叶片采样后将其洗净烘干并磨碎保留样品，采用凯氏定氮法测定烤烟叶片全氮含量；SPAD值采用SPAD-502叶绿素仪测定，根据查苗情况，每个处理选择代表性烟株10株，测定时间为移栽后的10、20、30、40、50、60、70、80、90 d，测定的部位分别为叶尖、叶中、叶基，并分别记录SPAD读数，取均值作为相应叶片的SPAD值，测定时需避开叶脉和叶片边缘，为保证数据的可比性，测定条件尽可能一致，选择晴朗无风或者风力不大的天气；田间试验烟叶按小区挂牌采烤、分级称重，并计算各小区产量。

1.4 边际产量计算公式

边际产量是指每增加1单位可变资源所引起的总产量增加（或减少）额。当边际产量等于施氮量与烤烟的价格比时，边际利润等于0，单位面积的施肥利润最大，此时的施氮量为最大利润（经济最佳）的施氮量。本试验中涉及的氮肥价格为Px=4.77元/kg，假设每个小区的烤烟价格与当地平均价格水平一样，为Py=27.97元/kg。

1.5 数据分析与作图

采用Sigma Plot 14.0绘图，用SPSS 20.0和Excel 2010进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 烤烟叶片氮含量和SPAD值

烤烟的叶片SPAD值和氮含量相关关系见表3，从移栽到移栽后60 d，烤烟叶片SPAD值波动范围为39.5～52.3，其均值的最大值和最小值分别出现在移栽后20 d（52.3）和移栽后30 d（39.5）。表3中分别体现了烤烟叶片叶尖、叶中、叶基以及三者均值的回归模型以及相关系数，若取3点的平均值作为烟株的SPAD代表值，其各个时期的相关系数分别为0.64、0.49、0.52、0.73、0.77、0.62，远大于各个部位SPAD与氮含量的相关系数，所以取3个部位的平均值作为烤烟叶片SPAD更具代表性。从变异系数中可以看出，各个部位的变异系数均大于其3点平均值的变异系数，说明取平均值后数据更具稳定性，更进一步说明了取3个部位平均值作为烟株SPAD值更具代表性和普适性。

表3 烤烟叶片SPAD及与对应时期氮含量的相关关系

根据3点均值作为烟株SPAD代表值，做出了烤烟生育期不同氮肥水平的SPAD值，可以看出SPAD值在整个生育期呈先上升后下降的趋势。不同施氮水平间SPAD值的动态变化相似，烤烟叶片SPAD值随生育期呈先增加后降低的趋势，移栽后前10 d，SPAD值迅速增加，在20 d达到最大值，随后下降，这可能是因为前期烤烟主要进行营养生长，光合作用强烈，叶绿素含量高，因此叶片SPAD值不断上升。在35 d追肥之后，烤烟SPAD值又缓慢上升，在第2次追肥之后SPAD值上升不明显，这可能是因为烤烟后期主要进行生殖生长，SPAD稍有下降。不同氮处理烤烟叶片的SPAD值在生育期变化趋势一致，各处理在前期（团棵期）差异较大，上升时高氮处理（N≥7.5）上升速度较快，低氮处理（N≤7.5）上升速度较慢，在20 d后下降时不同氮处理下降速度与前期上升速度一致。

2.2 烤烟叶片SPAD值与施氮量、移栽后天数的关系

为了定量表述SPAD值与施氮量、移栽后天数的关系，对SPAD值与移栽后天数、施氮量进行了多元拟合，不同移栽天数下施氮量与SPAD关系拟合方程为SPAD=-0.0002x2-0.0059y2+0.0519x+ 0.4914y+37.3546，方程决定系数为R2=0.6306（P＜0.01），其中，x为施氮量，y为移栽后天数。三维表达图形如图2所示。烤烟叶片SPAD值与氮肥用量、移栽后天数均呈二次方程关系，即随着氮肥用量增加，SPAD值表现为先增加后降低的关系；随着移栽后天数的增加，SPAD值也呈先增加后降低的关系。SPAD值随移栽后天数的变化与图1的直接表述存在偏差，原因在于直接表述时追肥的影响直接反映在图形上，而模拟结果则忽略了这种追肥可能对叶片SPAD值的影响，用于追肥指导时，往往在追肥前进行测试，所以模拟结果更有利于确定SPAD作为烤烟氮素营养诊断指标。

图1 不同氮水平SPAD值动态变化

图2 叶片SPAD值与施氮量、移栽后天数的回归关系

2.3 不同施氮量对烤烟产量的影响

由图3可知，在一定施氮量的范围内（0～200 kg/hm2），烤烟的产量随着施氮量的增加而增加；当施氮量达到112.5 kg/hm2后，产量增加不明显；当施氮量达到最大（200 kg/hm2）时，产量有所下降。在大田不同氮肥处理条件下，烤烟产量在施氮量为129.0 kg/hm2时最高，用一元二次方程对烤烟全生育期不同施氮量总的氮肥效应进行拟合，得出全生育期总施氮量（X）与烤烟产量（Y）的定量关系（图3）。对方程Y=-0.07X2+18.07X+2165.34求偏导，得到最高产量为3331.9 kg/hm2，而其对应的施肥量为129.0 kg/hm2，因此，可以将129.0 kg/hm2作为全生育期总施氮量，也可作为追肥总量的参考；最大利润施肥量为124.5 kg/hm2，最佳产量为3330.4 kg/hm2。

图3 烟叶产量与施氮量的回归关系

2.4 烤烟叶片SPAD值诊断氮肥推荐标准的建立

通过阈值模型设置SPAD临界值或阈值范围，建立合理施肥标准，实测SPAD值与该临界值或阈值范围进行比较，低则追施氮肥，接近则不施氮肥或少施氮肥，高则不施氮肥，这种采用阈值的模型是目前氮肥管理研究中应用最多的方法。依据施氮量与烤烟叶片SPAD值的二元二次方程关系以及施氮量与产量的拟合方程，可以建立SPAD值诊断推荐施肥标准。

前文求出了SPAD与施氮量和移栽天数的关系方程，将最佳经济施肥量124.5 kg/hm2代入SPAD= -0.0002x2-0.0059y2+0.0519x+0.4914y+37.3546中得出 SPAD的最适值，由此可根据该方程求出不同时期的最佳SPAD值，将最大产量的施肥量代入得出SPAD的临界值，由于最佳经济施肥量和最大产量相差很小，所以SPAD的最适值和临界值也相差不大，本文取SPAD的最适值作为SPAD诊断施肥标准（表4）。

表4 烤烟各生育时期SPAD最适值

3 讨论

本文不同施氮量与烤烟产量的关系研究表明，在一定施氮量范围内，产量随着施氮量的增加而增加，当施氮量增加到一定程度时，产量有稍微下降的趋势。候雪坤等[18］设置不同氮素水平对烤烟产量的影响，得出在氮肥处理中，随用量增加烤烟生长旺盛，而高氮处理则由于氮素用量过多，造成烟株徒长，发病率过高，进而影响了烤烟生长，这与本试验的研究结果一致。王维等[6］在烤烟氮素营养诊断及精准施肥模式研究中也有类似结论。但是，不同研究之间得出的最佳施氮量差异明显，本试验为124.02 kg/hm2，王维等[6］和侯雪坤等[18］研究的最佳施氮量分别是163.11和52.5 kg/hm2，造成这种差异的原因可能与当地土壤肥力和烤烟品种等因素有关。

本研究发现SPAD值与叶片氮含量具有良好的线性关系，相关系数最高达0.77，两者具有较高的协同性，这与李佛琳等[19］和徐照丽等[20］研究结果一致。如何选择SPAD的适宜测定部位，是决定研究准确性的基础。李佛琳等[19］研究结果表明，应用叶绿素监测烤烟叶片的最佳测定部位为完全展开叶的中部，而徐照丽等[20］认为叶绿素仪测定烤烟叶绿素的最佳部位为叶基部。叶绿素读数测定值因年份、地点、施氮水平、叶位、同一叶片的不同部位而异，但从本研究来看，同一叶片的不同部位取平均值比单独的某个部位更具代表性，能够更好地监测烤烟氮素水平。

采用SPAD阈值的方法虽然取得了一定的应用效果，但不同品种，不同地理环境下SPAD值与烤烟产量、含氮量等关系不同，本文得到的生育期最适SPAD范围在37.11～46.06之间，王维等[6］测定倒三叶SPAD得出了当SPAD阈值在40.5～43范围时，能够获得烤烟较高的产量和质量。贺帆等[21］在对水稻适宜SPAD的研究中发现，两优培九和汕优63品种水稻的SPAD阈值范围分别为38～39和35～37，能获得较高的产量和部分的品质改善。贺广生等[22］研究了K326品种烤烟的SPAD，发现K326的SPAD设定阈值为40.5～43，相应的氮肥用量以75～110 kg/hm2为宜。因此，可以看出，不同作物和不同品种之间SPAD阈值都不尽相同，从前文可知，即便是同一作物同一品种，当选择的监测叶位不同时，也会导致适宜范围上的差异。

本文通过设置氮肥梯度试验，分析了施氮量和烟叶产量之间的关系，并基于SPAD值与烟叶氮素养分之间的定量关系，确定了基于SPAD值的氮肥推荐施用量，这一结果对科学了解烤烟生长具有重要意义。然而，本文仍存在诸多限制，主要有以下几方面：（1）氮肥梯度设置合理性。本文设置了6个氮肥梯度，但能否准确捕捉到氮肥梯度对烟叶养分和产量的影响仍有很大不确定性；（2）气象因素干扰。烤烟的生长受到当季生育期气象因素的影响，仅讨论氮肥使用和烟叶氮素之间的关系，难以反映烤烟在生长阶段的限制因素；（3）试验年限。本文只探讨了一年的试验情况，随着施肥年限增加，氮肥对烟叶养分和产量的影响是否具有持续性仍有待研究；（4）新的技术方法对比。目前基于光谱图像数据的氮素监测也得到了广泛运用，本文没有对SPAD便携设备和光谱图像设备监测烤烟氮素之间的优劣进行比较，在未来的研究中可以考虑分析比较不同烟叶氮素速检方法在便捷性、精确性等方面的优劣。