馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷研究進(jìn)展

張巍 張廣臣 姜奎

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，吉林長春，130118；2.大連沙河口區(qū)億達(dá)園林綠化工程有限公司）

馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷研究進(jìn)展

張巍1張廣臣1姜奎2

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，吉林長春，130118；2.大連沙河口區(qū)億達(dá)園林綠化工程有限公司）

從外觀診斷、化學(xué)診斷、無損測試技術(shù)3個方面，總結(jié)了目前馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷的若干方法，對各種方法的應(yīng)用原理、發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，同時，對其他可用于馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷，但目前仍未采用的方法進(jìn)行了簡要的說明和論述。

馬鈴薯 氮素營養(yǎng) 診斷

氮素是植物必需的三大營養(yǎng)元素之一，在土壤、植株快速測試推薦施肥技術(shù)體系中，氮肥的推薦是核心[1]。從19世紀(jì)開始，到20世紀(jì)50年代，植物氮素營養(yǎng)的癥狀診斷和化學(xué)診斷在理論和方法上已奠定了一定的基礎(chǔ)。

氮素是影響馬鈴薯葉片生長發(fā)育的重要因素，同時也是決定地下塊莖高產(chǎn)的關(guān)鍵，因此尋求對馬鈴薯氮素營養(yǎng)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地診斷的方法，對確保馬鈴薯穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)具有重要意義。

1 馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷方法

1.1 馬鈴薯氮素營養(yǎng)外觀診斷

①癥狀診斷 癥狀診斷是根據(jù)作物表現(xiàn)出的某種特定癥狀，確定其可能缺乏某種元素的一種方法。馬鈴薯缺氮的癥狀為植株生長不良，葉尖卷曲，每片葉子先沿著葉緣褪綠變黃，逐漸向葉中心發(fā)展[2]；馬鈴薯氮素過多的癥狀為貪青晚熟，易倒伏，易受病蟲為害。

癥狀診斷的方法通常在植株僅缺1種營養(yǎng)元素的狀況下有效，而在植株同時缺乏2種或2種以上營養(yǎng)元素或出現(xiàn)非營養(yǎng)因素而引起的癥狀時，易于混淆，從而造成誤診。另外，當(dāng)植株表現(xiàn)出某種缺素癥狀，表明植物缺素狀況已相當(dāng)嚴(yán)重，此時再采取補救措施為時已晚[3～4]。因此，癥狀診斷方法屬于直觀診斷法，其運用到實際生產(chǎn)中時具有延時性，在實際應(yīng)用上存在明顯的局限性，在指導(dǎo)生產(chǎn)上意義并不大。

②長勢長相診斷 20世紀(jì)60年代，該診斷方法在我國受到廣泛重視，當(dāng)時主要應(yīng)用于水稻作物上。它是在總結(jié)農(nóng)民豐產(chǎn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該診斷方法在一定程度上可以診斷植株的氮素營養(yǎng)狀況，馬鈴薯缺氮時長勢長相表現(xiàn)為生長緩慢，莖稈細(xì)弱，植株矮小，葉片狹小而稍硬，略呈直立狀，成熟較早，產(chǎn)量低。但是，由于近年來馬鈴薯育種工作的不斷深入，越來越多的優(yōu)質(zhì)馬鈴薯品種被培育出來，更新?lián)Q代頻繁，所以應(yīng)用該診斷方法受到一定程度的限制[5]。

③葉色診斷 許多大田作物在缺氮時會表現(xiàn)出一些肉眼可見的癥狀。比如在缺氮脅迫下，作物老葉會失綠；相反，在供氮過量時，作物葉片深綠，并且延遲衰老。通過觀測葉片顏色變化來評價作物氮營養(yǎng)狀況已經(jīng)在生產(chǎn)中獲得應(yīng)用[6]。馬鈴薯缺氮時葉片表現(xiàn)為葉色淡，基部葉片變黃，并逐漸向上部葉擴(kuò)展。迄今為止，通過葉色了解植物氮素營養(yǎng)狀況經(jīng)歷了4個發(fā)展階段：一是測定光的不同特性；二是采用常規(guī)浸提方法，測定葉綠素的含量；三是利用標(biāo)準(zhǔn)比色卡，比較葉色深淺；四是通過測定光的通過率來了解葉色深淺。但是這些方法或過于繁瑣，或受光線影響較大，所以均不能很好地用于指導(dǎo)馬鈴薯生產(chǎn)，不能成為方便、快捷、準(zhǔn)確地反映馬鈴薯氮素營養(yǎng)狀況的方法[6]。

1.2 馬鈴薯氮素營養(yǎng)化學(xué)診斷

植物體的養(yǎng)分狀況是土壤養(yǎng)分供應(yīng)、植物對養(yǎng)分需求和吸收能力的綜合反映。因此，通過對植物體內(nèi)養(yǎng)分狀況進(jìn)行診斷可以反映其當(dāng)時的營養(yǎng)狀況，并以此進(jìn)行施肥決策和田間管理。植物氮素營養(yǎng)化學(xué)診斷是指利用化學(xué)分析的手段，找到不同植株器官的氮素營養(yǎng)臨界濃度的診斷方法[5]。

①植株全氮診斷 最早植株氮營養(yǎng)診斷推薦施肥技術(shù)的診斷指標(biāo)是植株全氮。植株全氮含量可以很好地反映作物氮素狀況[8]，與作物產(chǎn)量也有很好的相關(guān)性，是一個很好的診斷指標(biāo)。植物全氮診斷主要有凱氏消煮法、靛酚藍(lán)比色法、半微量凱氏法、氫氟酸修正凱氏法、高錳酸鉀-還原性鐵修正凱氏法。其中前3種為比較常用的方法，而且，對前2種方法進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)靛酚藍(lán)比色法比凱氏消煮法快捷，但是二者測定結(jié)果差異并不顯著[9]。

自20世紀(jì)90年代以來，我國關(guān)于馬鈴薯營養(yǎng)與施肥方面的研究比較全面而細(xì)致，其中包括各種營養(yǎng)元素在馬鈴薯植株中的分配、吸收、利用、轉(zhuǎn)化規(guī)律、推薦施肥模型等。在各種研究中，都或多或少的涉及到植株全氮的測定，而關(guān)于全氮的測定方法也是多種多樣的。1992年，大崎滿等[10]在施氮對馬鈴薯各器官生長的影響研究中采用了半微量凱氏法測定植株全氮；王季春[11]采用半微量凱氏法測定不同施氮量處理下馬鈴薯葉片中全氮的含量；楊暹等[12]也在研究氮鉀互作對馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)與氮磷鉀吸收試驗中，采用了半微量凱氏定氮法對氮素含量進(jìn)行測定。另外也有李永清[13]在馬鈴薯測土施用氮磷化肥的研究中，采用了凱氏消煮法測定全氮；張寶林[14]對馬鈴薯氮素的吸收、積累和分配規(guī)律進(jìn)行了研究，其中全氮的測定采用靛酚藍(lán)比色法。另外，還有應(yīng)用儀器對植物全氮進(jìn)行診斷的方法，如Sharma等[15]用Technican自動分析儀測定馬鈴薯植株樣本的含氮量。

雖然植株全氮含量是一個很好的植物氮素營養(yǎng)診斷指標(biāo)，但是全氮分析操作繁瑣、工作量較大、推廣應(yīng)用仍有一定困難。

②植株硝酸鹽快速診斷 硝態(tài)氮作為非代謝物質(zhì)以一種半儲備狀態(tài)存在于植物體內(nèi)，所以當(dāng)輕微缺氮時作物對硝態(tài)氮庫的需求迅速增加，此時全氮庫沒有發(fā)生明顯變化，而硝態(tài)氮庫已發(fā)生明顯變化；當(dāng)供氮超過作物需求時，硝態(tài)氮也比全氮庫有較大幅度的增加。植物組織中硝態(tài)氮含量的相對變化要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于全氮，因此，硝態(tài)氮含量能靈敏地反映作物對氮的需求，可以用硝態(tài)氮代替全氮作為氮素營養(yǎng)診斷指標(biāo)，來估計植株氮素營養(yǎng)狀況，并且進(jìn)行追肥推薦[16]。

植株硝酸鹽診斷推薦施肥技術(shù)20世紀(jì)80年代已在英國、德國、澳大利亞、美國用來指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。目前國內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的植株體內(nèi)硝酸鹽快速診斷主要有二苯胺法和反射儀法。反射儀法測定結(jié)果較二苯胺法準(zhǔn)確，在精度要求不高的條件下可以作為一種常規(guī)的測定方法[17]，同時儀器體積小，采用電池驅(qū)動，穩(wěn)定性也較好，非常適宜田間條件下進(jìn)行氮素診斷。

1996年，我國開始了用反射儀法進(jìn)行植物硝酸鹽診斷推薦氮肥用量的技術(shù)研究。2000年開始，陸續(xù)有研究者將這種氮素營養(yǎng)診斷技術(shù)應(yīng)用到馬鈴薯上。2001年，江華等[18]針對青海省馬鈴薯植株進(jìn)行了NO3-診斷推薦施肥初步研究，研究分析了青海省大西洋馬鈴薯氮水平與植株NO3-診斷值的關(guān)系，以及相應(yīng)的推薦施肥模型。通過試驗研究得到了大西洋塊莖形成期和塊莖膨大期植株NO3-診斷推薦施肥模型，以及植株診斷臨界值。2004年，周娜娜等[19]采用該種方法在馬鈴薯塊莖膨大期和塊莖形成期對氮素營養(yǎng)進(jìn)行診斷研究，田間試驗結(jié)果表明：塊莖形成期和塊莖增長期植株NO3-含量的臨界值分別為6331.4 mg/kg，4112.9 mg/kg。這2個時期可以作為馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷的最佳時期，并根據(jù)植株硝酸鹽診斷，建立了推薦追肥模型。2004年，張學(xué)軍等[20]在不同滴灌量和施氮量對馬鈴薯硝酸鹽累積影響的試驗中，采用了此種方法。試驗于馬鈴薯現(xiàn)蕾期和塊莖膨大期，測定葉柄硝酸鹽含量，得出葉柄硝酸鹽濃度與產(chǎn)量之間有很好的相關(guān)性；確定此種氮素診斷方法能夠很好的反映馬鈴薯中氮素營養(yǎng)情況，具有一定指導(dǎo)生產(chǎn)的意義。

目前該方法的缺陷是所用儀器設(shè)備及測試用紙在我國尚無生產(chǎn)，而從國外進(jìn)口費用較高，因而不能夠大面積應(yīng)用。二苯胺法由于操作簡單，價格低廉，所以適宜于在基層生產(chǎn)單位推廣應(yīng)用，但只適用于診斷含氮水平不高的植株。

我國從20世紀(jì)70年代開始對植株硝酸鹽快速診斷進(jìn)行研究，目前已成功確定馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷的硝酸鹽臨界值，并建立了追肥推薦體系。

1.3 馬鈴薯氮素營養(yǎng)無損傷測試技術(shù)

隨著數(shù)字圖像技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對作物生長狀況和營養(yǎng)狀況進(jìn)行診斷的方法成為研究的熱點。植株的冠層顏色與其氮素營養(yǎng)狀況緊密相關(guān)，缺氮的植物比施氮的植物在整個可見光波段反射的光要多[21～22]，因此，冠層的光反射可以被用來評價作物的氮素營養(yǎng)狀況。

傳統(tǒng)的判斷作物營養(yǎng)狀況是通過肉眼對作物綠色深淺進(jìn)行判斷，而隨著計算機圖像處理技術(shù)的發(fā)展，利用代替人眼的圖像傳感器獲取物體的圖像，將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，并利用計算機模擬人的判別準(zhǔn)則去理解和識別圖像，達(dá)到分析圖像和作出結(jié)論的目的成為可能。

數(shù)碼相機就是應(yīng)用這一原理研制的。數(shù)碼相機實質(zhì)上是傳統(tǒng)相機和電子計算機相融合的產(chǎn)物，它對圖像的獲取是通過CCD的陣列平面對光線的吸收形成的。加裝了不同濾光鏡的CCD陣列吸收了反射進(jìn)入鏡頭內(nèi)的可見光，并將此光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)過運算和插值形成數(shù)字信息存入數(shù)碼相機的存儲器中。通過RGB加色原理進(jìn)行成像的，每個像素由R、G、B即紅、綠、藍(lán)3種顏色生成。

作物冠層綠色狀況通常情況下與葉片葉綠素含量相關(guān)，而葉綠素與植株的全氮含量具有顯著的相關(guān)關(guān)系，其含量的變化影響葉片冠層光的吸收或反射，因此作物營養(yǎng)狀況的變化直接影響著作物的冠層顏色。由于葉綠素對可見光的有效吸收，在可見光波段的冠層的光反射隨著植株缺氮狀況的增加而增強。所以，應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)可以用來在田間評價作物的氮營養(yǎng)狀況。

目前，應(yīng)用數(shù)字圖像進(jìn)行作物氮素營養(yǎng)診斷的研究主要是針對玉米、小麥等大田作物，而在馬鈴薯上的研究相對較少。李井會等[23]應(yīng)用此項技術(shù)對塊莖形成期和膨大期的馬鈴薯進(jìn)行了氮素營養(yǎng)診斷。研究表明，數(shù)碼相機獲取的數(shù)字圖像分析得到的馬鈴薯冠層綠光與藍(lán)光比值與其他描述馬鈴薯氮素營養(yǎng)狀況的指標(biāo)如土壤無機氮、植株全氮含量、葉柄硝酸鹽濃度、葉綠素儀讀數(shù)均有良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這證明數(shù)字圖像技術(shù)是無損傷地進(jìn)行馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷的良好方法。

但是數(shù)字圖像的獲取工具以及數(shù)字信息分析方式精度不同，多種多樣，這就要求科研工作者們通過大量細(xì)致的試驗，完善其在氮素診斷數(shù)字圖像技術(shù)體系。

2 可用于馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷上的其他方法

2.1 土壤氮素測試

土壤中氮素含量的多少能有效的反映馬鈴薯的氮素營養(yǎng)狀況，通過測定土壤中全氮、堿解氮、無機氮來進(jìn)行氮素營養(yǎng)診斷也是可行方法之一。國外對此種方法的研究起步較早，19世紀(jì)70年代便有此方面的研究，Lorenz等[24]、Scharpf等[25]、Magdoff等[26]考慮了不同作物根系深度和作物殘留量對土壤無機氮的影響，建立了“KNS”系統(tǒng)，后又有學(xué)者在“KNS”系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出了PSNT，不斷完善著準(zhǔn)確表征土壤無機氮和產(chǎn)量關(guān)系的方法。而我國在這方面的研究起步較晚，邵則瑤[27]在20世紀(jì)80年代已對華北地區(qū)冬小麥土壤剖面無機氮與小麥產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行了研究，陳新平等[28]近年來在大量田間試驗的基礎(chǔ)上，建立了利用土壤無機氮測試技術(shù)進(jìn)行冬小麥氮肥推薦的方法。由于土壤中全氮的測定操作費時、繁瑣，不適合應(yīng)用于生產(chǎn)，而堿解氮與土壤供氮量的相關(guān)性大多不顯著。

2.2 葉綠素儀氮素營養(yǎng)診斷

葉綠素儀法是將植物葉片插入葉綠素計測定部位，感光后讀出葉綠素值（葉色值），根據(jù)葉綠素值與植株含氮量的關(guān)系確定氮素營養(yǎng)診斷的葉色值。葉綠素儀體積小，質(zhì)量輕，攜帶方便，測定方法簡單，所得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，適用于各種作物及林木氮素營養(yǎng)診斷。近年來，一些研究表明，手持葉綠素儀可以用來估計作物氮素營養(yǎng)狀況，并且進(jìn)行氮肥推薦。它可以在田間條件下無損傷檢測植物葉片葉綠素的相對含量[29]。

有研究表明，最上部完全展開葉的葉綠素儀測定值和施氮量（基肥用量）之間的關(guān)系可以用線性加平臺模型表示，即在施氮量較低時，葉綠素儀測定值隨底肥中氮用量的增加而增加，但是當(dāng)施量氮達(dá)到一定量后，再增加施氮量則冬小麥葉片葉綠素儀測定值變化不大。這個結(jié)果與Blackmer等[30]的研究結(jié)果相同，即當(dāng)作物處于奢侈吸收狀態(tài)時，葉綠素含量不再隨施氮量增加而增加。因此，葉綠素儀氮素營養(yǎng)診斷法可以很好地診斷作物缺氮狀況。

但不同研究者建立的葉綠素診斷臨界值有一定的差異，可能是由于一些環(huán)境因子，如土壤氮有效性、土壤水分狀況、種植密度以及作物基因型[31]、葉位等因素對測定結(jié)果有較大影響所致。一些研究者建議采用在田間設(shè)立對照帶的方法來解決這個問題。具體方法是在田間種植一條供氮量對于作物而言處于奢侈吸收狀態(tài)的對照區(qū)，通過對比大田和對照區(qū)作物葉綠素儀測定值來確定大田作物氮營養(yǎng)狀態(tài)，采用對照區(qū)葉綠素儀測定值的95%來區(qū)分供氮充足與否。當(dāng)某一田塊作物葉綠素儀測定值與對照區(qū)相比大于95%時，可以不追肥或追施少量氮肥；反之，則需要根據(jù)測定結(jié)果推薦不同追肥量。

2.3 遙感技術(shù)在馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷上的應(yīng)用

植物缺肥會引起葉片顏色、厚度、水分含量及形態(tài)結(jié)構(gòu)等發(fā)生一系列變化，從而引起光譜反射特性的變化。因此，基于物體光譜反射特征識別物體的遙感技術(shù)成為植物氮素實時監(jiān)測和快速診斷的可能手段。植物在缺氮條件下冠層水平的可見光波段反射率會增加，其中對氮含量變化最敏感的波段在530～560 nm區(qū)域，通過光譜測定及其變量的運算可以區(qū)分不同氮素營養(yǎng)水平[32]。在明確了植物的氮素敏感波段后，許多學(xué)者便可以通過各種統(tǒng)計方法來尋求含氮量與光譜反射率或其衍生量的關(guān)系，并建立模型來估算作物的氮素含量。

由于脅迫狀態(tài)下植物體內(nèi)發(fā)生的大多數(shù)生理變化，只引起某些特定窄波段的反射光譜發(fā)生變化，所以，用傳統(tǒng)的多波段反射光譜所計算出來的植被指數(shù)，因其分辨率低而使預(yù)測植物化學(xué)組分含量的效果較差。近年來，隨著高光譜遙感的興起，越來越多的學(xué)者利用微分光譜（一階、二階和高階微分光譜）和紅邊（植物反射曲線上斜率最大時所對應(yīng)的波長）特性等來預(yù)測植物的氮素狀況。

與傳統(tǒng)的診斷方法相比，遙感能獲取更大量的信息且更為快速和省時省力，但是，冠層光譜反射特征受到植株葉片水分含量、冠層幾何結(jié)構(gòu)、土壤覆蓋度、大氣對光譜的吸收等因素的影響[33]，極大地限制了利用遙感進(jìn)行作物氮素診斷的可靠性和普及性。一些學(xué)者通過對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行相對變換以及構(gòu)造植被指數(shù)來提高估計精度，但仍然不能完全消除干擾因子的影響。關(guān)于這方面的研究還有待于進(jìn)一步深入。

3 結(jié)語

氮素營養(yǎng)診斷是植物營養(yǎng)診斷的核心，是科學(xué)合理施用氮肥的主要依據(jù)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，馬鈴薯氮素營養(yǎng)診斷將會越來越完善，新測試手段必將會不斷被人們發(fā)現(xiàn)或研制出來。我們應(yīng)使現(xiàn)有的方法在應(yīng)用上達(dá)到定量和準(zhǔn)確，結(jié)合我國農(nóng)作物栽培區(qū)劃，制定各區(qū)域的統(tǒng)一診斷方法、診斷指標(biāo)，推廣已成熟的快速診斷方法，研制和引用新的測試手段，特別是可用于田間速測的儀器和方法，如高光譜遙感法、葉綠素?zé)晒庠\斷法等。

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Research Progress on the Diagnosis of N Nutrition in Potato

ZHANG Wei1,ZHANG Guangchen1,JIANG Kui2
(1.College of Horticulture,Jilin Agricultural University,Changchun 130118;2.Yida Landscaping Engineering Limited Company)

Based on three aspects of appearance diagnosis,Chemical diagnosis,and nondestructive testing technique,the methods of diagnosis were summarized in potato.Application principle and current situation were discussed,meanwhile, other methods that can be adapted to diagnosis of nitrogen nutrition but not used at present was also discussed briefly in potato.

Potato;Nitrogen nutrition;Diagnosis

10.3865/j.issn.1001-3547.2009.14.001

張?。?982-），女，碩士，研究方向為蔬菜栽培生理，電話：13596403503。E-mail：yuzainali@sohu.com

張廣臣，通信作者，教授，電話：0431-84533144

2009-01-20