李杰　馮躍華　王旭　許桂玲　麻井彪　吳彥利　李香玲　葉勇　黃佑崗　牟桂婷

摘要：【目的】探明水稻葉片SPAD值分布特征及其與施氮量的關(guān)系，為構(gòu)建基于SPAD值的水稻施氮管理線性模型提供參考依據(jù)?！痉椒ā吭囼灢捎昧褏^(qū)設(shè)計，主處理設(shè)2個不同品種（Q優(yōu)6號和準兩優(yōu)527），副處理設(shè)6種不同施氮量水平（0、75 、150、 225、300和375 kg/ha，以純N計），測定不同施氮水平下水稻重要生育時期的葉片SPAD值，并分析稻葉SPAD值分布特征及其與施氮量的關(guān)系?！窘Y(jié)果】Q優(yōu)6號在不同施氮處理下的產(chǎn)量排序為300 kg/ha>225 kg/ha>150 kg/ha>375 kg/ha>75 kg/ha>0 kg/ha，準兩優(yōu)527產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加；準兩優(yōu)527的有效穗數(shù)和千粒重顯著高于Q優(yōu)6號。兩個水稻品種不同施氮水平間SPAD值的動態(tài)變化趨勢相似，但SPAD值最高值出現(xiàn)的時間和幅度略有差別。兩個水稻品種SPAD值與施氮量在拔節(jié)期、抽穗期和成熟期均呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），擬合方程斜率均較低。不同測定時期SPAD值存在品種間和葉位間的差異。各SPAD值次級指標與施氮量的一元二次多項式擬合結(jié)果表明，下部葉片SPAD值（L3和L4）與施氮量的曲線擬合度高于上部葉片SPAD值（L1和L2），兩次追肥時期的SPADL4×L3/mean值可作為氮素營養(yǎng)實時診斷的理想指標?！窘Y(jié)論】水稻葉片SPADL4×L3/mean與施氮量具有較好的擬合關(guān)系，且這一關(guān)系不受時間和品種的影響，可作為構(gòu)建基于SPAD值水稻變量施氮模型時的理想?yún)?shù)。

關(guān)鍵詞： 水稻；SPAD值；動態(tài)變化；氮素診斷

中圖分類號： S511.01 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）01-0038-08

Abstract：【Objective】The present study explored distribution characteristics of SPAD value in rice leaves and its relationship with nitrogen application rate， in order to provide reference for establishing linear model of rice nitrogen application rate management based on SPAD value. 【Method】Split plot design was adopted in this experiment， having two rice varieties（Qyou 6 and Zhunliangyou 527） in main plot and six different nitrogen application rates（0， 75， 150， 225， 300 and 375 kg/ha， calculated based on pure nitrogen） in subplot. Leaf SPAD values in different nitrogen treatments at important growth stages and relationship between distribution characteristics of SPAD value and nitrogen application rate were studied. 【Result】Results showed that the order of Qyou 6 rice yield in different nitrogen applications was as follows： 300 kg/ha>225 kg/ha>150 kg/ha>375 kg/ha>75 kg/ha>0 kg/ha，and rice yield of Zhunliangyou 527 increased with the increase of nitrogen application rate. Effective panicle number and 1000-grain weight of Zhunliangyou 527 were significantly higher than those of Qyou 6. The dynamic changes of SPAD value of Qyou 6 and Zhunliangyou 527 at different nitrogen levels were similar，but the time of peak SPAD value and change amplitude of SPAD value had slight difference. SPAD value and nitrogen application rate showed significant positive correlation at jointing stage，heading stage and maturity stage in Qyou 6 and Zhunliangyou 527（P<0.01），but the slope of fitted equation was low. SPAD values of different determination time varied between different varieties and leaves at different positions. The results of one variable quadratic polynomial fitting between secondary indexes of SPAD value and nitrogen application rate showed that cure fitting degree between SPAD value of lower leaf（L3 and L4） and nitrogen application rate was higher than the degree between upper leaf（L1 and L2） and nitrogen application rate. The SPADL4×L3/mean value at two fertilizing stages could be used as an ideal indicator for nitrogen nutrition diagnosis. 【Conclusion】The fitting relationship between SPADL4×L3/mean value of rice leaf and nitrogen application rate was obvious， which is not affected by time and variety. So SPADL4×L3/mean value can be an ideal parameter for SPAD-value-based nitrogen application rate model with rice as variable.

Key words： rice； SAPD value； dynamic change； nitrogen diagnosis

0 引言

【研究意義】基于SPAD值實施作物氮肥管理是近20多年來的研究重點，已在多種作物特別是水稻上進行了大量研究和應(yīng)用（李剛?cè)A等，2005；戈長水等，2014；趙黎明等，2015）。施氮是水稻種植過程中最重要的管理措施，水稻植株本身的氮素營養(yǎng)狀況是決定追肥量的主要依據(jù)。通過測定水稻葉片或植株全氮含量可較準確地診斷水稻氮素營養(yǎng)狀況，但該方法需破壞性取樣后再進行實驗室分析，存在明顯的滯后性（賈良良等，2001）。SPAD葉綠素計能夠快速、無損地診斷作物氮素營養(yǎng)狀況（張金恒等，2003），因此，分析水稻冠層葉片SPAD值的分布特征，并建立其與施氮量和水稻產(chǎn)量間的關(guān)系，對實現(xiàn)水稻適時變量按需追施氮肥具有重要的指導(dǎo)意義?！厩叭搜芯窟M展】前人已在水稻SPAD閾值模型應(yīng)用、水稻冠層SPAD值分布特征和測定葉位選擇等方面開展了廣泛研究。在SPAD閾值（臨界值）模型應(yīng)用方面，Peng等（1995）研究指出，當選用35作為水稻品種IR72的SPAD臨界值指導(dǎo)氮肥追施時，水稻產(chǎn)量能達最高產(chǎn)量的93%～100%，同時氮肥的農(nóng)學(xué)利用效率顯著提高，以37作為SPAD臨界值則不能達到提高氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的目的；賀帆（2006）研究表明，在實時氮肥管理模式下，兩優(yōu)培九的SPAD閾值為39～41（氮肥用量155～165 kg/ha）時指導(dǎo)施肥效果最佳，而汕優(yōu)63的SPAD閾值為36～37（氮肥用量120～165 kg/ha）時指導(dǎo)施肥效果最佳；趙天成等（2008）研究表明，水稻劍葉SPAD值在第1次（5月18日左右）追施氮肥后應(yīng)控制在44～45，在第2次（6月4日左右）追施氮肥后應(yīng)控制在46～47，第3次（7月7日左右）追施氮肥后水稻逐步進入穗分化期，即進入營養(yǎng)生長和生殖生長并進階段，此期植株逐漸褪綠而變黃，水稻劍葉SPAD值應(yīng)控制在41～43，超過此范圍可視為施氮過量。在水稻冠層SPAD值分布特征和測定葉位選擇方面，早期主要選擇測定水稻最頂上兩片葉片，隨后也有研究認為選擇下部兩片更合適，如王紹華等（2002）研究表明，頂4葉與頂3葉的葉色差與稻株含氮量關(guān)系密切，且不受品種和生育進程影響，采用頂4葉與頂3葉的葉色差診斷水稻氮素營養(yǎng)狀況具有普適性；李剛?cè)A等（2007）研究表明，以某一特定葉片的SPAD值或以葉色差的大小來診斷水稻氮素營養(yǎng)狀況和推薦水稻穗肥施用時，頂3葉是較理想的指示葉和參照葉；張耀鴻等（2008）研究指出，頂3葉SPAD值在不同氮肥水平下變化最明顯，不受品種的影響，且與水稻總?cè)~片含氮量及植株含氮量呈極顯著的相關(guān)性；姜繼萍等（2012）研究表明，可利用SPADL4-L3作為水稻整個生育期氮素營養(yǎng)狀況的實時診斷指標；但陳曉陽等（2013）研究表明，隨著施氮量的增加，抽穗期SPAD值表現(xiàn)為頂1葉>頂2葉>頂3葉>頂4葉，冠層4片葉片與施氮量的相關(guān)性順序為頂1葉>頂3葉>頂2葉>頂4葉；此外，何俊俊等（2014）認為在正常光照下宜選用SPADL3-L2指示水稻整個生育期氮素營養(yǎng)狀況，而在日照較弱的季節(jié)或受林木遮光影響較大的田塊，宜選擇SPADL4-L3作為診斷指標?！颈狙芯壳腥朦c】現(xiàn)有研究主要涉及SPAD值與水稻植株含氮量的關(guān)系及閾值模型的施氮應(yīng)用等方面，有關(guān)水稻葉片SPAD值與施氮量和產(chǎn)量關(guān)系的分析及定量化線性模型構(gòu)建的研究鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】在前人研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索不同水稻品種在不同施氮條件下冠層葉片SPAD值的分布特征，研究重要生育時期和追肥時期水稻葉片SPAD值和施氮量間的關(guān)系，以期為嘗試構(gòu)建基于SPAD值的水稻施氮管理線性模型提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試水稻品種為Q優(yōu)6號和準兩優(yōu)527，前者葉片顏色較深，后者葉片顏色較淺。

1. 2 試驗方法

試驗于2015年在貴州省安順市西秀區(qū)舊州鎮(zhèn)文星村進行，試驗田土壤肥力狀況為：pH 6.18，有機質(zhì)27.12 g/kg，全氮0.40 g/kg，全磷0.59 g/kg，全鉀8.84 g/kg，堿解氮151.48 mg/kg，速效磷3.83 mg/kg，速效鉀40.80 mg/kg。

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，設(shè)品種（V）和施氮量（N）兩個因素。主處理設(shè)2個不同品種，分別為V1：Q優(yōu)6號；V2：準兩優(yōu)527。副處理設(shè)6種不同施氮量水平，分別為N0：0 kg/ha，以純N計，下同；N1：75 kg/ha；N2：150 kg/ha；N3：225 kg/ha；N4：300 kg/ha和N5：375 kg/ha。每種施氮量處理采用分次施肥法，基肥、分蘗肥、促花肥和?；ǚ实氖┑糠謩e占總施氮量的35%、20%、30%和15%。磷肥、鉀肥各處理施肥情況一致，磷肥作基肥一次性施用，P2O5施用量為96 kg/ha，鉀肥基肥和穗肥各施50%，K2O總施用量為135 kg/ha。氮、磷、鉀肥分別采用尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為19.5 m2，每小區(qū)四周做成高30 cm、寬20 cm的田埂包膜，包膜壓深至地下30 cm，防止水肥滲透，重復(fù)間留50 cm走道，以便田間操作及調(diào)查。2015年4月育秧，6月1日移栽，行株距為30.0 cm×16.5 cm，每穴1苗。

1. 3 測定項目及方法

1. 3. 1 葉片SPAD值 SPAD值采用SPAD-502葉綠素計進行測定。抽穗期前每隔7～10 d、抽穗期后每隔11～13 d測定1次SPAD值，一直測定至成熟期，每小區(qū)隨機測定5株主莖頂上的葉片（撥節(jié)期前測定2～3片，成熟期時測定1～2片），最多時測定4片葉片，即頂1葉（L1）、頂2葉（L2）、頂3葉（L3）和頂4葉（L4），測定時選擇水稻全展或半展葉片測定1/2處及其上下3 cm、葉寬1/4或3/4的位置。每小區(qū)對應(yīng)葉位SPAD值的平均值作為該小區(qū)該葉位的SPAD值，每株各測定葉位SPAD值的平均值作為該稻株的SPAD值，每小區(qū)5株稻株SPAD值的平均值作為該小區(qū)的SPAD值。

1. 3. 2 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成 成熟期每小區(qū)選定5.0 m2作為測產(chǎn)小區(qū)，單打單收，曬干后測定稻谷質(zhì)量和含水量，然后折合成含水量13.5%記為實收產(chǎn)量。每小區(qū)選擇6蔸（分蘗數(shù)為該小區(qū)平均分蘗數(shù)或分蘗數(shù)±1）計算有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重，并分析產(chǎn)量構(gòu)成因素。

1. 3. 3 SPAD值次級指標 由水稻冠層4張葉片的SPAD值通過數(shù)學(xué)關(guān)系處理而得，如：SPADL4-L3=頂4葉SPAD值-頂3葉SPAD值，SPAD（L3-L4）/L3=（頂3葉SPAD值-頂4葉SPAD值）/頂3葉SPAD值，SPADL3×L4/mean=頂3葉SPAD值×頂4葉SPAD值/4張葉片平均SPAD值。其余指標同理計算。

1. 4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用SAS 9.0進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 兩個水稻品種的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

由表1可知，Q優(yōu)6號在不同施氮處理下的產(chǎn)量排序為N4>N3>N2>N5>N1>N0，其中N4處理產(chǎn)量顯著高于N0、N1、N5和N2處理（P<0.05，下同），但與N3處理產(chǎn)量無顯著差異（P>0.05，下同）；準兩優(yōu)527的產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，N5處理產(chǎn)量最高，顯著高于N0處理，但與N1、N2、N3和N4處理間產(chǎn)量差異均不顯著。在產(chǎn)量構(gòu)成方面，兩品種有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)各處理間差異均不顯著，準兩優(yōu)527的有效穗數(shù)整體上高于Q優(yōu)6號；Q優(yōu)6號N0處理結(jié)實率顯著高于N4和N5處理，準兩優(yōu)527各施氮處理間的結(jié)實率無顯著差異，但準兩優(yōu)527的結(jié)實率整體上高于Q優(yōu)6號；兩個水稻品種千粒重隨施氮量的增加整體呈降低趨勢。此外，經(jīng)方差分析可知，準兩優(yōu)527有效穗數(shù)和千粒重的平均值顯著高于Q優(yōu)6號，說明品種和施氮處理不同造成的產(chǎn)量差異主要表現(xiàn)在有效穗數(shù)和千粒重。

2. 2 稻株生長期SPAD值的特征表現(xiàn)

2. 2. 1 稻株生長期SPAD值動態(tài)變化情況 從圖1可看出，兩個水稻品種不同施氮水平間SPAD值的動態(tài)變化趨勢相似，只是SPAD值最高值出現(xiàn)的時間和幅度略有差別。在測定時期內(nèi)，Q優(yōu)6號SPAD最高值出現(xiàn)在8月16日，其他兩次波動較大值分別出現(xiàn)在7月2日和8月2日；準兩優(yōu)527的SPAD最高值出現(xiàn)在8月10日，其他兩次波動較大值分別出現(xiàn)在7月2日和9月10日。兩品種在7月27日和9月23日測定的SPAD值均處于低谷。

2. 2. 2 水稻生長期SPAD值與施氮量的關(guān)系 SPAD值反映葉綠素相對含量，而氮素是葉綠素的重要組成部分。將兩個水稻品種整個生長期測定的SAPD值與施氮量進行線性擬合，結(jié)果表明SPAD值與施氮量存在密切的正相關(guān)（表2）。

由表2可知，Q優(yōu)6號除7月27日和8月2日外，其他測定日期擬合方程相關(guān)系數(shù)均達顯著或極顯著水平（P<0.01，下同）；準兩優(yōu)527整個生長期的SPAD值與施氮水平間均存在顯著或極顯著正相關(guān)；兩個水稻品種的SPAD值與施氮量在拔節(jié)期、抽穗期和成熟期均呈極顯著正相關(guān)。各線性擬合方程的斜率均較低，最大斜率為準兩優(yōu)527成熟期時的0.0264。從擬合方程系數(shù)（R2）也可看出，生育后期特別是成熟期時施氮造成稻株葉片SPAD值的變化大于生育前期，生育后期氮素向穗部轉(zhuǎn)運，施氮量高時留在稻葉中的氮相對較多。

2. 3 水稻重要生長時期葉片SPAD值分布特征

圖2～圖4分別為水稻拔節(jié)期（施促花肥）、孕穗期（施?；ǚ剩┘俺樗肫诠趯?張葉片SPAD值與施氮水平的關(guān)系。

拔節(jié)期（圖2），Q優(yōu)6號在不同施氮水平下以L3葉SPAD值均最大，N0、N1處理L2葉SPAD值略高于L4葉，N2～N5處理L2葉SPAD值低于L4葉；準兩優(yōu)527除N1處理外，其他施氮水平下葉片SPAD值均表現(xiàn)為L3>L4>L2>L1。孕穗期（圖3），對于Q優(yōu)6號低氮（N0、N1）水平下，上部葉片SPAD值高于下部葉片，中氮（N2、N3）水平下，4張葉片SPAD值較接近，高氮（N4、N5）水平下，下部葉片SPAD值高于上部葉片；準兩優(yōu)527各施氮水平下葉片SPAD值均表現(xiàn)為L4>L3>L2> L1，且同一葉位的SPAD值隨施氮量的增加而增大。抽穗期（圖4），兩個水稻品種劍葉L1葉已全展開處于成熟狀態(tài)，是水稻最主要最旺盛的功能葉，對產(chǎn)量形成起關(guān)鍵作用，此時Q優(yōu)6號上部葉片SPAD值高于下部葉片，各施氮水平下L4葉的SPAD值最低，其與L3葉的SPAD差值隨施氮量的增加而減??；準兩優(yōu)527的SPAD值變化與Q優(yōu)6號相似。整體來看，Q優(yōu)6號的SPAD值高于準兩優(yōu)527。同一日期測定的SPAD值，除了由于供氮量的不同導(dǎo)致同一葉位SPAD值的差異外，還存在不同處理內(nèi)4張葉片SPAD值大小順序不同的情況，可能與供氮量導(dǎo)致葉片成長進程和狀態(tài)的不同有關(guān)。

2. 4 追氮時期水稻葉片SPAD值與施氮量的關(guān)系

表3反映了兩個水稻品種在兩次追施氮肥時，各SPAD值次級指標與施氮量進行一元二次多項式擬合的情況。從表3可知，下部葉片（L3和L4）SPAD值與施氮量的曲線擬合度高于上部葉片（L1和L2），且兩個品種在兩次追肥下，采用下部葉片SPAD值的處理均能顯著地與施氮量進行擬合，說明下部葉片能更好地診斷水稻氮素營養(yǎng)狀況。另外，從單張葉片與施氮量的擬合度來看，L4均達極顯著水平，Q優(yōu)6號L1未達顯著水平。從單張葉片參與的SPAD值次級指標來看，L4參與的擬合度較L3高，其次是L2，最后是L1，表明水稻頂部4張葉片指示稻株氮素營養(yǎng)狀況的能力為L4>L3>

L2>L1。從表3還可看出，SPADL4、SPADL4+L3、SAPDL4×L3、SPADL4×L3/mean、SPADL4×L4/mean等SPAD值次級指標與施氮量的二次曲線擬合均達極顯著水平，其中SPADL4和SPADL4×L3/mean的R2均在0.9000以上。由于SPADL4只涉及一片葉片，而SPADL4×L3/mean涉及到整個冠層的葉片，加上后者R2值較前者高，因此選擇SPADL4×L3/mean作為與施氮量曲線擬合的指標。

3 討論

基于SPAD葉綠素計實施氮肥管理，涉及到基于SPAD值的水稻氮素營養(yǎng)狀況診斷及施氮模型構(gòu)建。已有研究表明（陳永康，1960；趙全志等，2006），水稻生長過程中群體葉色存在“黑黃”變化規(guī)律，葉色“黑”時，葉片內(nèi)含氮化合物較多，光合作用強，對新生器官有促進作用；葉色“黃”時，葉片內(nèi)含氮化合物較少，對新生器官有一定的抑制作用；“黑黃”交替有利于調(diào)節(jié)植株碳氮營養(yǎng)供給，實現(xiàn)不同發(fā)育階段的物質(zhì)分配中心轉(zhuǎn)化，也表明葉片SPAD值與葉片氮含量存在正相關(guān)（王紹華等，2002）。因此，可利用SPAD葉綠素計診斷稻株的氮素營養(yǎng)豐缺狀況。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，探討了水稻冠層SPAD值的分布特征，重點分析了不同水稻品種整個生長期、追施氮肥時期及重要生育時期的SPAD值表現(xiàn)及其與施氮量的關(guān)系，結(jié)果表明，兩個水稻品種整個生長期出現(xiàn)的SPAD值增減動態(tài)變化情況與姜繼萍等（2012）、汪華等（2013）、何俊俊等（2014）和戈長水等（2016）等的研究結(jié)果相似，且SPAD最大值出現(xiàn)在抽穗期或抽穗期之前。另外，Q優(yōu)6號和準兩優(yōu)527生長期SPAD值增減動態(tài)變化存在差異，說明其葉片“黑黃”出現(xiàn)時間的早晚除與肥水管理相關(guān)外，還與水稻品種本身的生育時期相關(guān)，同時表明稻株生長期SPAD值的動態(tài)變化可作為水稻品種的一種特征加以描述，對水稻育種及研究施肥方式具有一定的意義。此外，Q優(yōu)6號在N5條件下的產(chǎn)量只略高于N1，遠低于N4，從其生長期的SPAD值動態(tài)變化可知，生長后期Q優(yōu)6號N5處理的葉片較其他施氮條件下的葉片仍保有較高的SPAD值，稻株貪青影響生殖器官生長，從而導(dǎo)致大幅減產(chǎn)。

氮素屬可移動元素，當植株缺氮時會從老葉轉(zhuǎn)移到新葉，優(yōu)先滿足新葉的生長需求。較多研究表明，水稻下部葉片較上部葉片更適合作為診斷稻株氮素營養(yǎng)的指示葉，且SPAD值次級指標與作物含氮量（王紹華等，2002）、施氮水平（姜繼萍等，2012）和產(chǎn)量（蔣阿寧等，2007）的擬合比單張葉片更好。王紹華等（2002）和姜繼萍等（2012）研究表明，水稻頂4葉是反映水稻氮素的理想指示葉位和最佳測定葉位，同時得出采用（SPADL3-SPADL4）/SPADL3×100處理方法所得的相對色差（RSPAD）與稻株含氮量關(guān)系密切，SPADL4-L3與施氮水平間存在明顯的相關(guān)性。本研究結(jié)果也表明，水稻下部葉片與施氮量的擬合度高，頂部4片葉片的指示作用排序為L4>L3>L2>L1，而多個SPAD值次級指標與施氮量也均具有較高的擬合，其中以SPADL4×L3/mean最理想。

本研究結(jié)果表明，無論是稻株葉片SPAD值的平均值還是SPAD值次級指標均與施氮量存在極顯著的相關(guān)性，但其擬合方程的系數(shù)特別小，即較大的施氮量只能引起較小的SPAD值變化。本研究條件下，最小SPAD平均值為準兩優(yōu)527 N0處理下的32.0，最大SPAD平均值為Q優(yōu)6號N5處理下的45.2，兩者相差13.2，而施氮量相差370 kg/ha。以此計算，一個單位的SPAD值對應(yīng)28 kg/ha的施氮量，對精準測定獲取SPAD值提出了極高的要求。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，水稻葉片SPADL4×L3/mean與施氮量具有較好的擬合關(guān)系，且這一關(guān)系不受時間和品種的影響，在構(gòu)建基于SPAD值水稻變量施氮模型時可作為理想的參數(shù)參與建模。

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（責(zé)任編輯 王 暉）