磷素營養(yǎng)診斷技術(shù)的發(fā)展及其在馬鈴薯生產(chǎn)中的應(yīng)用前景

孔 碩，樊明壽，秦永林*，賈立國，陳 楊，于 靜

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011）

磷素是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，磷肥的施用是作物增產(chǎn)的重要保證，但施入土壤的磷肥不能完全被植株吸收，大部分磷肥被土壤固定而無效化，多數(shù)農(nóng)作物的當(dāng)季磷肥利用率僅有10%～20%[1]，另一方面，磷肥來源于開采磷礦資源，而中國高品質(zhì)磷礦資源可開采年度不超過10 年[2]。與此同時(shí)，磷素是地表水體污染及營養(yǎng)化的決定因子[3]，土壤中不斷大量累積的磷素，容易造成磷素的淋溶與徑流損失而進(jìn)入水體，成為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染問題。因此，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的磷肥利用率是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境安全的必然要求，此舉不僅具有戰(zhàn)略意義，更有現(xiàn)實(shí)意義。

磷素營養(yǎng)診斷是通過對(duì)土壤或者作物進(jìn)行磷素營養(yǎng)狀況的直接或間接評(píng)價(jià)，籍此確定作物體系是否需要施用磷肥以及需要多少，是實(shí)現(xiàn)磷肥高效利用的重要途徑。本文從外觀診斷法、土壤分析診斷法、無損測試法、植物組織分析診斷法、生理生化分析法以及其他診斷方法分別總結(jié)了磷素營養(yǎng)診斷技術(shù)的原理、特點(diǎn)及其發(fā)展，重點(diǎn)分析了磷素營養(yǎng)診斷在馬鈴薯生產(chǎn)中應(yīng)用的意義以及需要解決的研究問題，旨在為馬鈴薯的磷肥高效管理提供參考。

1 磷素營養(yǎng)診斷方法的原理與應(yīng)用

磷素的營養(yǎng)診斷方法主要有外觀診斷法、土壤分析診斷法、無損測試法、植物組織分析診斷法、生理生化分析以及其他診斷方法，分別介紹其原理、優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用。

1.1 植株外觀診斷法

外觀診斷法是依據(jù)植株表型判斷是否缺磷的方法。由于作物生物學(xué)特性的差異，磷素缺乏后會(huì)有不同癥狀。馬鈴薯對(duì)磷素的需求少于氮、鉀礦質(zhì)元素，但磷素缺乏后，生育初期癥狀明顯，植株生長緩慢，矮小或細(xì)弱僵立，缺乏彈性，分枝減少，葉片和葉柄均向上豎立，葉片變小而細(xì)長，葉緣向上卷曲，葉色暗綠而無光澤；嚴(yán)重缺磷時(shí)，植株基部小葉的葉尖首先退綠變褐，并逐漸向全葉發(fā)展，最后整個(gè)葉片枯萎脫落，癥狀從基部葉片開始出現(xiàn)，逐漸向植株頂部擴(kuò)展。缺磷還會(huì)使根系和匍匐莖數(shù)量減少，根系長度變短，塊莖內(nèi)部發(fā)生銹褐色的刨痕，刨痕隨著缺磷程度的加重，分布亦隨之?dāng)U展[4]。

外觀診斷的優(yōu)點(diǎn)是簡單、方便和直觀，在田間可隨時(shí)進(jìn)行診斷并給予施肥指導(dǎo)。但此方法只有在作物表現(xiàn)出明顯缺素癥狀后才能做出判斷，時(shí)效性差，不能發(fā)揮預(yù)防的功能；同時(shí)此診斷方法主要是憑借經(jīng)驗(yàn)，判定的結(jié)果多為定性，因人而異，難以保證準(zhǔn)確性。除此之外，外觀診斷有時(shí)容易與非營養(yǎng)因素引起的癥狀混淆，尤其當(dāng)兩種或兩種以上元素盈缺出現(xiàn)相似癥狀時(shí)，大大增加了做出正確診斷的難度，故此方法在實(shí)際應(yīng)用中有著嚴(yán)重的局限性。

1.2 土壤分析診斷法

土壤分析診斷法是通過采集土壤樣品和標(biāo)準(zhǔn)化制備處理，再用化學(xué)方法或儀器分析等方法測定土壤樣品中的營養(yǎng)元素含量，通過土壤與植株之間的營養(yǎng)元素吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和代謝規(guī)律分析，判斷出所生長的環(huán)境能否夠提供植株健康生長發(fā)育所必須的營養(yǎng)條件，間接診斷出植株?duì)I養(yǎng)水平的方法。磷素在土壤中存在的形式有多種，對(duì)植株的有效性也不同，植株能夠吸收利用土壤中的磷主要是速效磷[5]，速效磷是限制作物生長的主要因子。目前磷肥推薦主要依據(jù)土壤速效磷含量進(jìn)行[6-8]，但是土壤速效磷含量的測定結(jié)果受很多因素影響，如土壤pH、提取溫度、提取劑等，因此，常因測定者使用不同測定方法而使結(jié)果不具可比性。

1.3 植株無損測試法

1.3.1 高光譜診斷

高光譜診斷技術(shù)利用農(nóng)作物對(duì)某些特定波段光譜吸收與反應(yīng)特征[9]，進(jìn)而反演出植株的屬性[10]。Al-Abbas 等[11]開始將光譜技術(shù)應(yīng)用到磷素診斷之后，很多學(xué)者在不同作物上研究了磷素營養(yǎng)與光譜的關(guān)系，在玉米、小麥、大豆等作物上取得了一定成果[12-20]。本文總結(jié)了表征不同作物磷素營養(yǎng)狀況的敏感光譜波段（表1），從表1中可看出，敏感波段主要集中在可見光和近紅外光，然而迄今尚未見到基于光譜診斷的磷肥推薦報(bào)道。將光譜診斷技術(shù)應(yīng)用作物磷肥管理實(shí)踐尚有一段距離。

1.3.2 數(shù)字圖像處理技術(shù)

數(shù)字圖像處理是將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)、除噪、分割、復(fù)原、編碼、壓縮、提取特征的過程。數(shù)字圖像具有再現(xiàn)性好、處理精度高、適用面寬、靈活性高的優(yōu)點(diǎn)。借助于數(shù)字圖像處理技術(shù)可以快速、經(jīng)濟(jì)、可靠的對(duì)植物進(jìn)行病害識(shí)別、植物營養(yǎng)診斷、農(nóng)作物長勢預(yù)測[21-26]。

與氮素營養(yǎng)相比，磷素營養(yǎng)診斷的數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究尚處于起步階段，僅在水稻、油菜上有報(bào)道[27-29]，如陳利蘇[27]掃描獲取水稻葉片、葉鞘的圖像后，利用機(jī)器視覺技術(shù)提取水稻葉片和葉鞘的特征，并根據(jù)所獲得的特征與水稻氮磷鉀營養(yǎng)狀況間的關(guān)系，篩選出符合植物營養(yǎng)機(jī)理且具有特異性的特征組合來建立識(shí)別規(guī)則與診斷模型。

1.4 植物組織分析診斷法

作物體內(nèi)的養(yǎng)分情況直接反映其營養(yǎng)水平，所以作物某一組織或器官的養(yǎng)分含量常被用來作為推薦施肥的指標(biāo)。目前關(guān)于植物組織磷素營養(yǎng)診斷指標(biāo)主要有植株全磷含量[30,31]、葉片全磷含量[32-34]、植物組織液含磷量[35-37]。3 種方法皆對(duì)植株具有破壞性，其中測定植株或葉片全磷操作繁瑣，工程量大，相對(duì)時(shí)效性差；植物組織液測定能夠快速在田間獲得結(jié)果，但其測定濃度不僅會(huì)隨土壤肥力變化，而且還會(huì)因植物生育期、品種、取樣的植物部位和環(huán)境而變化。因此，基于測試作物組織液濃度的磷肥推薦，必須篩選作物對(duì)磷素敏感的器官或部位，才能建立基于該測試部位的磷素營養(yǎng)診斷指標(biāo)體系，同時(shí)進(jìn)一步研究消除品種與地域差異的方法，擴(kuò)大基于組織液磷濃度測試推薦施肥的應(yīng)用范圍。

表1 不同作物的磷素營養(yǎng)敏感光譜波段Table 1 Sensitive spectral bands of phosphorus nutrition in different crops

1.5 植株生理化學(xué)分析

早在1952年，Brown和Hendricks[38]已經(jīng)開始用酶活性的強(qiáng)弱作為一種植株?duì)I養(yǎng)診斷的指標(biāo)，之后很多學(xué)者也研究發(fā)現(xiàn)植物酸性磷酸酶活性與植物的磷營養(yǎng)狀況有密切關(guān)系，可以將該酶用于檢測植株缺磷[39-41]。現(xiàn)已在番茄[42,43]，柑桔[44]，玉米[45]，小麥[46]上嘗試運(yùn)用磷酸酶活性來進(jìn)行磷素缺失的診斷。雖然研究表明葉片酸性磷酸酶測定值與植物缺磷值相近，是一種較好的測定方法，但會(huì)受植株生育期和水分的影響，并且在植株初期和中度缺磷時(shí)表現(xiàn)不敏感，該技術(shù)還未能成熟地應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)中，仍需要進(jìn)一步建立一整套完備體系。

1.6 其他診斷方法

除上述提到的磷素診斷方法外，Li等[47]還證實(shí)了電阻抗法檢測番茄缺磷的可行性，并嘗試建立了全磷值與電阻抗之間的回歸模型；通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)，Li等[48]將從花椰菜中分離出的一個(gè)可以用來檢測植物磷素狀態(tài)的紫色基因（Pr）轉(zhuǎn)入到煙草中，利用高光譜傳感技術(shù)建立了基于顏色的視覺報(bào)告系統(tǒng)。

2 馬鈴薯生產(chǎn)中磷素營養(yǎng)診斷技術(shù)的應(yīng)用前景

2.1 開展磷素營養(yǎng)診斷的意義

中國是世界上最大的馬鈴薯生產(chǎn)國，但馬鈴薯養(yǎng)分管理技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美發(fā)達(dá)國家，加之馬鈴薯是典型的淺根系作物，吸磷能力弱，是實(shí)現(xiàn)馬鈴薯高產(chǎn)高效的限制性短板。因此提高馬鈴薯磷肥利用率是目前馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的重要任務(wù)。

在玉米[49]、棉花[50]上的研究表明，借助磷素營養(yǎng)診斷可增加磷肥供應(yīng)與植株磷素需求的匹配度，大幅度提高磷肥利用率。但關(guān)于馬鈴薯磷素營養(yǎng)診斷的研究目前尚為空白。因此，根據(jù)馬鈴薯磷素營養(yǎng)特點(diǎn)，建立適合馬鈴薯的磷素營養(yǎng)診斷指標(biāo)體系，成為磷肥精準(zhǔn)施用而大幅提高馬鈴薯磷肥利用效率的突破口。

2.2 馬鈴薯磷素營養(yǎng)診斷亟待解決的問題

2.2.1 診斷方式的選擇

綜合考慮營養(yǎng)診斷對(duì)時(shí)效性、準(zhǔn)確性、操作簡便性等方面的要求，比較以上各種磷素營養(yǎng)診斷法，植物組織液的測試有望成為馬鈴薯磷素營養(yǎng)診斷方法。

2.2.2 組織液測試時(shí)間和測試部位的確立

植物組織液測定的濃度不僅會(huì)隨土壤肥力變化，而且還會(huì)因植物生育期、品種、取樣的植物部位和環(huán)境而變化，因此必須確定植株最佳測試時(shí)間和部位。He等[51]曾通過水培番茄發(fā)現(xiàn)葉柄的磷素養(yǎng)分濃度在一天中變化極小，且?guī)缀醪皇芴鞖庾兓绊懀隈R鈴薯上是否如此還不得而知。馬鈴薯倒4葉是完全展開葉，且其葉柄已被廣泛用于氮素營養(yǎng)診斷，基于此，Vos[52]以及Reid和Bieleski[39]認(rèn)為倒4葉柄是進(jìn)行磷素診斷的最佳部位，但葉柄含磷量的穩(wěn)定性如何？對(duì)土壤及肥料磷反應(yīng)的敏感性如何？其與植株磷素吸收的關(guān)系以及與植株生育、產(chǎn)量的關(guān)系如何？這些均為馬鈴薯磷素營養(yǎng)診斷亟待解決的問題。