基于品種和氮肥的棉花葉色值、葉片氮含量及產量估測

印彩霞，張 澤，蘇 維，南小琴，譚 紅，呂 新

(石河子大學農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】針對傳統的棉花產量估測通過在大田進行，且測定步驟復雜耗時，不利于大量測產。以葉色變化作為棉花葉片氮素含量的指標，對氮肥及其敏感，明確棉花葉色值、葉片氮含量在生育時期的變化規律，探討二者對氮肥和品種、生育時期的響應特征，對于不同棉花品種快速測產和指導施肥有重要意義。研究基于葉色和葉氮對氮肥和品種、生育時期的響應特征，綜合考慮不同品種和氮肥處理下的產量估測，為棉花的產量估測提供更準確的理論方法。【前人研究進展】Schepers等[1]通過研究多個品種之間SPAD值變化趨勢，得出不同品種SPAD值有顯著差異。趙全志等[2]通過研究水稻葉色和植株氮含量的相關性，得出水稻葉色和植株氮含量有較好的相關性，可利用葉色信息估測氮含量，宋緒忠等[3-4]在水稻的葉色變化研究中，利用SPAD值代替葉色值進行研究，取得了良好的研究成果。Kropff M J等[5]研究表明，水稻葉色值與葉片氮含量具有極強的相關性。朱新開等[6]在實驗中表明作物不同品種間SPAD值有顯著差異，利用SPAD值可以很好的預測作物產量。蔡紅光等[7]通過試驗表明，棉花葉色值(SPAD)主要受氮肥水平的影響。Smeal D等[8]表明棉花不同生育時期SPAD值有顯著性變化趨勢。Reiter M S等[9]研究表明，棉花倒四葉可作為棉花的功能葉，測定的葉綠素，氮含量等信息可用來估測其它信息。薛向榮等[10]通過試驗研究表明，葉色值和棉花植株氮含量可以達到顯著性正相關，可用來估測棉花等作物的產量。王娟(2006)等在棉花葉色值和含氮量的相關性研究中表明，不同生育時期的葉色值與棉花全氮有較好的相關性，且同一時期不同品種間葉色值變化差異顯著[11]。【本研究切入點】關于葉片氮含量和棉花葉色值、產量之間相關性研究很多，目前為止并沒有系統的研究葉色值和葉片氮含量對棉花品種和氮肥及生育時期的響應特征。研究棉花葉色和葉片氮含量在各生育時期的變化規律。【擬解決的關鍵問題】設置不同施氮量，明確葉色值和葉片氮含量對不同氮肥、不同品種、生育時期的響應特征，實現基于葉色和葉片氮含量的產量監測。綜合品種，氮肥等對產量的影響，為棉花估產提供更精準的理論依據。

1 材料和方法

1.1 材 料

田間試驗于2018年在石河子市143團進行，試驗地連年種植棉花，土質為沙壤土，棉田0～20 cm土層有機質含量19.03 g/kg，堿解氮含量為19.27 mg/kg，速效磷含量為19.52 mg/kg，速效鉀含量為213.57 mg/kg，室內試驗在石河子大學進行。以新陸早45號、新陸早58號、新陸早62號、新陸早50號、魯棉研24號。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗采用兩因素完全隨機區組設計，實驗地棉花種植方式采用地膜覆蓋，東西行向，兩頭設置保護行。設置純氮量為N0(不施氮)、N1(120 kg/hm2)、N2(240 kg/hm2)、N3(360 kg/hm2)4個施氮水平和5個品種，共計20個處理，每個處理重復3次。每個小區面積為75 m2(10 m×2.5 m×3)，膜寬2.05 m，一膜播6行棉花，行距配置為10+66+10+66+10(cm)，株距10.5 cm，播種密度25.06萬株/hm2。全生育期滴水7次，隨水滴肥7次，按不同生育時期棉花的需肥特性設置滴肥權重，確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

處理Treatment氮肥追施時間和數量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 測定指標

在棉花現蕾期、盛蕾期、花鈴期、鈴期和吐絮期，用日本產的Minolta SPAD- 502葉綠素儀，避開葉脈，測定棉花倒四葉的三個點，取平均值，作為該點棉花的葉色值。每小區取三個點，取平均值為該小區的葉色值；在每個生育時期，每個小區選取長勢均勻的三個點，每個點取三株棉花，每個小區共九株棉花。將綠色葉片全部取下(包括測葉色值的倒四葉)，裝入樣品袋，帶回實驗室放置冰箱，105℃殺青30 min，85℃烘干至恒重，稱重，用粉碎機粉碎干樣，過1 mm篩子后，用Hanon公司生產的K9840凱氏定氮儀測定全氮。

1.3 數據處理

數據采用Microsoft Excel 2003處理和作圖，通過IBM SPASS Statistics 20做相關性分析，Origin 2018制圖。

2 結果與分析

2.1 不同品種和施氮水平對棉花葉色值的影響

2.1.1 棉花葉色值隨生育時期的變化

研究表明,施氮水平對不同時期棉花葉色值有明顯的影響。魯棉研24號、新陸早50號、新陸早45號、新陸早62號、新陸早58號的葉色值在各施氮水平下，隨生育進程的推進呈先降低后升高的趨勢，在盛蕾期值最小，吐絮期值最大，即吐絮期>鈴期>花鈴期>現蕾期>盛蕾期。就全生育期葉色值變化的差異性而言，各品種葉色值在生育期表現差異顯著，此差異及葉色值均隨著氮素的增加而增大，但N2、N3之間差異不大，表明增施氮肥可以顯著提高葉片的葉色值，過量施氮并不利于葉色值的增加。在N3處理下，葉色值最大，可見高氮處理，可以延緩植物葉片的衰老，使其在生育中后期保持較高的葉色值，有利于后期葉片功能的發揮，對產量物質合成有利。表1，表2

2.1.2 棉花葉色值對品種、氮肥、生育時期等的響應特征

研究表明，葉色值對品種、氮肥及生育時期的響應特征顯著。現蕾期，魯棉研24號、新陸早50號在N2、N3處理下差異顯著，新陸早45號在N1、N2、N3處理下差異顯著，新陸早62號，N0與其它各施氮處理間差異顯著，其中N2、N3無顯著性差異，新陸早58號，N0與其它各施氮處理間差異顯著，其中N1、N2無顯著性差異，在現蕾期，魯棉研24號對氮肥敏感性較強，不同品種對氮素的敏感性不同。現蕾期各品種對氮肥的敏感程度表現為新陸早45號>新陸早58號>新陸早62號>新陸早50號=魯棉研24號，同理，盛蕾期各品種葉色值對氮肥的敏感程度表現為新陸早50號=新陸早45號>新陸早58號=魯棉研24號>新陸早62號，花鈴期各品種葉色值對氮肥的敏感性基本一致。鈴期新陸早45號葉色值對氮肥的敏感性較其它品種低，其它品種敏感性基本一致。吐絮期各品種葉色值對氮肥的敏感性基本一致。各個棉花品種葉色值在現蕾期、盛蕾期、花鈴期、鈴期、吐絮期的F值均達到極顯著性相關。各氮素處理下葉色值在棉花現蕾期、盛蕾期、花鈴期、鈴期、吐絮期的F值也達到極顯著性相關。品種和氮肥交互，F值亦是如此。品種、氮肥以及二者的交互效應對葉色值影響顯著。圖1

注：同一時期不同圖案中不同字母表示鄧肯檢驗達5%水平差異顯著，下同

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

圖1 不同施氮量下對棉花品種葉色值變化
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，不同品種間葉色值在各生育期的差異顯著。各施氮水平下，各品種葉色值在各生育期差異性表現不一。N0處理下，各品種在現蕾期的差異顯著；N1處理下，各品種葉色值在花鈴期差異顯著；N2處理下，各品種葉色值值在現蕾期差異顯著；N3處理下，各品種葉色值在吐絮期差異顯著。施氮量對不同棉花品種葉色值影響時期不同。棉花葉色值對品種、氮肥、生育時期的響應特征明顯。綜合考慮，各品種葉色值在棉花生殖生長階段對氮肥較敏感。在對葉色值的研究中，在蕾期-花鈴期適當增加氮肥，以增大葉色值。純氮用量為240～360 kg/hm2，可以維持較高的葉色值，延緩后期葉片的衰老，利于產量的提高。表2，圖2

表2 基于品種、氮肥的棉花葉色值、葉氮含量及產量方差
Table 2 Variance Analysis of Leaf Color Value, Leaf Nitrogen Content and Yield of Cotton Based on Variety and Nitrogen Fertilizer

品種Varieties施氮水平N level現蕾期Bud盛蕾期Flowering Bud花鈴期Flowering bell鈴期Bell period吐絮期Bubbling period葉色值LCV葉氮量LNC葉色值LCV葉氮量LNC葉色值LCV葉氮量LNC葉色值LCV葉氮含量LNC葉色值LCV葉氮含量LNC產量(kg/ hm2)Y魯棉研24號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新陸早50號 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新陸早45號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新陸早62號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新陸早58號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品種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??品種×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：葉色值，LNC：葉氮含量，Y ：產量。ns 表示P在 0. 05 水平上差異不顯著，*和**表示P在 0. 05 和 0. 01 水平上差異著，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 不同品種和施氮水平對棉花葉片氮含量的影響

2.2.1 棉花葉片氮含量在全生育時期的變化

研究表明,施氮量對不同時期葉片氮含量有顯著影響。各品種棉花葉片氮含量在各施氮水平下隨生育進程的推進呈“緩慢下降—迅速下降—迅速上升”的趨勢。其中，在花鈴期最大，蕾期最小，至吐絮期又開始減小。即表現為花鈴期>鈴期>吐絮期>現蕾期>蕾期。就全生育期葉片氮含量顯著性變化而言，各品種在各生育時期大致表現為顯著性差異，此差異及葉片氮含量隨著氮素的增加增大，但N2、N3之間差異不大，增施氮肥可以顯著提高葉片的氮含量，過量施氮并不利于葉片氮素的積累。在N3處理下，葉片氮含量較其它氮素處理下的值高，可見在高氮處理下，可以增加葉片的氮含量，促進葉綠素的合成，延緩葉片衰老，利于提高后期葉片的光合作用，利于產量物質的合成。圖2

圖2 不同施氮量下棉花品種葉片氮含量變化
Fig. 2 Effects of different nitrogen application rates on leaf nitrogen content of cotton varieties

2.2.2 棉花葉片氮含量對品種、氮肥、生育時期等的響應特征

研究表明，葉片氮含量對品種、氮肥及生育時期的響應特征顯著。現蕾期，魯棉研24號在N1、N2、N3處理下葉片氮含量差異顯著，新陸早50號和新陸早58號在N1、N2、N3處理下葉片氮含量差異顯著，其中N1、N2差異不顯著，新陸早45號在N2、N3處理下葉片氮含量差異顯著，新陸早62號在N1、N2、N3處理下葉片氮含量差異顯著，說明不同品種葉片氮含量對氮肥的敏感時期不同。在相同施氮水平下，不同品種間葉片氮含量在各生育時期的差異顯著。各施氮水平下，各品種葉片氮含量在各生育期差異性表現不一。N0、N1、N2處理下，葉片氮含量在現蕾期的差異顯著；N3處理下，各品種葉片氮含量在盛蕾期差異顯著。綜合考慮，各品種葉片氮含量在蕾期對氮肥都較敏感，在對葉色值的研究中，可考慮在蕾期適當增加氮肥，以增大葉色值。純氮用量為240～360 kg/hm2，可以維持較高的葉片氮含量。

從調控效應(F值)上看，在各品種間，葉氮含量在棉花現蕾期、盛蕾期、花鈴期、鈴期達極顯著水平(P<0.01)，吐絮期差異不顯著(P>0.05)，葉氮含量在鈴期對品種的敏感性降低，在吐絮期不受品種影響。各氮素處理下葉氮含量在棉花現蕾期、盛蕾期、花鈴期、鈴期、吐絮期達到顯著水平(P<0.01)。品種和氮肥交互達顯著以上水平(P<0.01)。綜上所述，葉氮含量對氮肥，以及氮肥和品種的交互效應響應顯著，對品種的敏感性較小。表2，圖2

2.3 棉花葉色值、葉片氮含量、產量之間相關性

研究表明，棉花葉色值、葉片氮含量、產量均呈線性相關，其中棉花葉色值與葉片氮含量呈顯著性正相關，R2達0.37**，二者之間的關系式為y=0.223 7x+15.741。葉色值與產量呈顯著性正相關，R2達0.56**，二者之間的關系式為y=86.414x-1 219.6。葉片氮含量與產量達顯著性相關，R2達0.61**，二者之間的關系式為y=237.5x-2 770.3。圖3

圖3 葉色值、葉片氮含量產量三者的相關性
Fig.3 Correlation between leaf color value, leaf nitrogen content, and yield

2.4 基于棉花葉色值、葉片氮含量實現產量估測與驗證

2.4.1 棉花產量對品種、氮肥的響應特征

研究表明，棉花產量對品種和氮肥的響應特征顯著。同一品種處理下，各氮肥間產量差異顯著。隨著氮肥的增加，產量逐漸增大。且各品種產量在不同氮肥處理下均出現顯著性差異。可見產量對氮肥的響應極顯著。同一氮肥處理下，不同品種間產量差異有所不同。N0處理下，雜交棉24號、新陸早50號、新陸早45號、新陸早58號、新陸早62號的產量均無顯著差異；N1、N2、N3處理下，雜交棉24、新陸早50號二者的產量均無顯著差異，新陸早45號、新陸早58號、新陸早62號的產量有差異但不顯著。從產量調控效應(F值)上看，產量在品種間差異達顯著水平(P<0.01)，氮素達極顯著水平(P<0.05)，其互作效應達顯著水平(P<0.01)。產量對品種的敏感性較小，但仍然具有敏感性，對氮肥具有很高的敏感性。就產量高低而言，N3處理下產量最高，但與N2處理差異不大，施氮量過高對產量提高并不明顯。即氮肥量為240～360 kg/hm2，具可獲得較高的產量。

2.4.2 基于葉色值和葉片氮含量的產量估測與驗證

研究表明，基于葉色值和葉片含氮量、產量之間的關系，可實現產量的估測。基于葉色值的產量估測最佳時期為鈴期，估測方程為：Y=1.097 7S2-0.102 9S-359.05，R2達顯著水平(P<0.01)。基于葉片氮含量實現產量估測的適宜時期依次為鈴期、吐絮期、盛蕾期、花鈴期，其中花鈴期最佳估測方程為Y=77.592N2-4 320.2N+63 508，R2達極顯著水平(P<0.01)；基于棉花葉色值與葉片氮含量的產量估測適宜時期依次為現蕾期、鈴期、吐絮期、盛蕾期、花鈴期。其中鈴期最佳估測方程為Y=363.48-65.175×S+274.079×N，R2達極顯著水平(P<0.05)。并對比估測值與大田實測值，得出較基于葉色值實現產量估測或基于葉片氮含量實現產量估測，基于葉色值和葉片氮含量的產量估測值和實測值在各個生育時期具有更好的擬合性。表3

表3 棉花葉色值(S)、葉氮含量(N)、產量(Y)之間的回歸關系
Table 3 Regression relationship between cotton leaf color value (S), leaf nitrogen content (N), yield (Y)

時期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現蕾期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?花鈴期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?鈴期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 討 論

研究利用棉花葉片氮含量、葉色值對生育時期、不同氮肥處理、不同品種等的敏感特征，在不同氮肥和品種處理下對葉色值，葉片氮含量和產量進行動態測量，研究兩兩相關性，實現基于葉色值和葉片氮含量的產量預測。王紹華等[12]在研究中表明，利用葉色值和葉片氮含量實現產量的估測是可行的。

3.1 關于棉花葉色值、葉片氮含量在全生育時期的變化趨勢

研究葉色值和葉片氮含量的動態變化特征，對于診斷植株的生理狀況，指導施肥有很大的意義。研究結果表明，葉色值在全生育期均呈先下降再升高的趨勢，在盛蕾期呈現最低值，吐絮期呈現最高值，即吐絮期>鈴期>花鈴期>蕾期>現蕾期，這和王娟等[11]的研究結果一致。同時汪玲等[13]還指出，這可能是因為棉花在此時從營養生長轉向生殖生長，葉片的葉綠素含量降低，從而影響到葉片的顏色。葉片氮含量在全生育期呈“緩慢下降—迅速下降—再迅速上升”的趨勢。其中現蕾花鈴期呈現全生育時期最大值，在蕾期達到最低值，至吐絮期又開始減小。即花鈴期>鈴期>吐絮期>現蕾期>蕾期。這和羅新寧等[14]的研究相一致。

3.2 關于葉色值、葉片氮含量及產量關系

研究結果表明，葉色值、葉片含氮量、產量兩兩之間均有較好的相關性，這與李志宏等[15]的研究一致。氮肥用量在240～360 kg/hm2時，可以維持較高的葉色值和葉片氮含量，這與李伶俐等[16]的研究基本一致。在產量對氮肥和品種的敏感性研究中得出產量對氮肥敏感性很強，對品種敏感性較差，這和曹勝男等[17]的研究結果一致。試驗中，棉花葉色值與葉片氮含量呈顯著性正相關，且隨著氮肥的增加，葉色值與葉片含氮量均增大，這與羅新寧等的研究結果一致。葉色值、葉片氮含量對品種和生育階段有很高的敏感性，因此，考慮產量估測研究中，不同品種和生育階段分別建立二者與產量的回歸關系，會增加產量估測的準確性。再者試驗僅以生育時期之內的某1 d采取的葉色值代替整個生育時期葉色，是比較粗陋的，后期應該在生育時期內多測幾次。

試驗在SPAD值監測中，只測定了功能葉片的三個葉位，但經過前人證明，棉花葉色值不同葉位相差較大。在棉花生育后期，植株的養分開始向棉鈴轉移，對棉花主莖上部葉以及上部果枝棉鈴對位葉多次測定，并進行多重比較，以確定各生育時期最能代表葉色值的最佳葉片和最佳葉位。同時在葉片氮含量的測定中，棉花生育前期各部位養分含量不一致，測定功能葉片氮含量以代表所有葉片氮含量也是不全面的。在進行三者的相關性研究中，相關系數并沒有那么高，可能是因為各生育時期相關性不同，在棉花打頂前葉色值和葉片氮含量具有較好的相關性。在以后的研究中，應該更偏向于試驗測定天數的設置，以及棉花在哪個特定時期相關性最好，預測產量最好。

4 結 論

在各生育期，棉花葉色值大小順序依次為吐絮期>鈴期>花鈴期>蕾期>現蕾期，這可能與棉花由營養生長向生殖生長的轉化有關，而棉花葉片氮含量大小順序依次為花鈴期>鈴期>吐絮期>現蕾期>蕾期，這可能是與葉片氮含量向蕾鈴部位的轉運、分配有關。不同品種、不同生育時期棉花葉色值差異顯著，且在蕾期對氮肥較敏感。葉片氮含量對氮肥和生育時期敏感性較強，對品種敏感性較差。施氮處理對棉花產量的影響較大，品種對棉花的影響較小。通過葉色值和葉片氮含量可在棉花各生育期對產量進行預估，鈴期預估效果最好，估測方程為Y=363.48-65.175*S+274.079*N，R2可達0.69。