不同施氮水平下水稻葉片SPAD變化趨勢及其與產量的關系

楊海龍，楊佳恒，蔡金洋*

(1.嘉興市農業科學研究院 水稻育種研究所 浙江 嘉興 314016；2.舟山市農業農村局 農技推廣中心，浙江 舟山 316300)

水稻是我國第二大糧食作物[1]，增施氮肥是水稻增產的重要技術手段，但如何科學地提高田間氮素管理水平和保障水稻增產是目前研究的重要方向之一[2]。水稻產量形成所需的營養物質60%～80%來自于葉片的光合作用[3]，田間氮肥不足會導致水稻葉片葉綠素含量降低、葉片光合作用減弱，最終影響水稻產量[4]。因此，研究葉片葉綠素含量與產量的關系，對改善水稻田間施肥有重要意義。采用SPAD葉綠素測量計(soil plant analysis development)可以快捷、方便和及時地檢測水稻葉片相對葉綠素含量并且判斷氮素營養狀況[5]。李剛華等[6]研究指出，水稻葉片SPAD值與葉片含氮量和植株含氮量都有較好的相關性，用SPAD儀診斷氮素營養測定誤差較小。蘇云松等[7]研究表明，馬鈴薯葉片SPAD值能作為早期馬鈴薯產量篩選的指標，其葉片SPAD值和產量有較好的相關性。史力超等[8]試驗證明，小麥不同生育期葉片SPAD值和產量間表現為二次曲線關系，在一定范圍內小麥產量隨著SPAD值增大而增大，當超出一個閾值之后，產量開始增加緩慢或者下降。目前關于水稻葉片SPAD值與產量的關系研究較少。因此，本文在前人研究的基礎上分析不同施氮水平下水稻生育期內冠層葉片SPAD值變化趨勢和分布規律，探索水稻各生育期葉片SPAD值與產量及其構成因素的關系，確定各生育期的葉片SPAD閾值，為田間氮肥合理施用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 處理設計

試驗于2019年6月—11月在浙江省嘉興市農業科學研究院(120°42′42″E，30°50′20″N)試驗田進行，前茬作物為水稻，耕作層土壤有機質29.18 g·kg-1，全氮2.27 g·kg-1，速效磷13.42 mg·kg-1，速效鉀55.17 mg·kg-1，pH 6.55。試驗水稻品種為秀水134。

試驗設置3個施氮水平，施肥量分別為0(LN)、200(MN)、400(HN)kg·hm-2。氮肥折合成尿素(含純氮46.4%)，按基肥∶蘗肥∶追肥為4∶3∶3來施用。在施用基肥時，磷肥(P2O5)、鉀肥(KCl)一次性施用，施用量分別為42 kg·hm-2和150 kg·hm-2。每個處理3個重復，小區面積9 m2，每個小區四周做成高30 cm、寬30 cm的田埂，并用農用PC膜覆蓋田埂，保證各小區單獨排灌，供試水稻材料于2019年6月2日播種，7月1日移栽，每穴2株苗，株行距20 cm×17 cm，田間水分、病蟲害管理與當地常規栽培相同。

1.2 測定項目

1.2.1 SPAD值

采用SPAD-502葉綠素儀在拔節期、孕穗期、抽穗期、灌漿期、乳熟期和成熟期測定葉片SPAD值，每個小區選擇健康主莖測定其頂部葉片(成熟期測頂1～3葉)，測定時選擇完全展開的葉片上1/3、中部和下1/3的位置，取平均值作為各葉片的SPAD值，取每個小區10棵水稻相同葉位的SPAD平均值作為該小區該葉位的SPAD值。

1.2.2 葉綠素降解速率

根據參考文獻[3]計算抽穗期后葉綠素降解速率。葉綠素降解速率(V)=(Si-Si+1)/S×100%，其中i表示水稻物候期，i+1表示第i個物候期之后的一個物候期，Si表示該物候期葉片SPAD值。

1.2.3 產量及其構成因素

成熟期每小區選定1 m2作為測產小區，單獨脫粒烘干后測定水稻產量。每個小區選擇3穴稻株進行考種，主要分析穗長、有效穗數、結實率、千粒重、總粒數等。

1.2.4 數據分析

田間試驗數據采用DPSv7.05和Microsoft Excel 2007進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同施氮水平下水稻整個生育期內葉片SPAD值變化特點

表1表明，秀水134在不同施氮水平下SPAD值均出現了2次升降現象，表現在葉片顏色會出現2次黑-黃交替。在拔節期至孕穗期SPAD值開始下降，孕穗期至抽穗期SPAD值上升并在抽穗期達到最高值，在灌漿期至成熟期，SPAD值又下降。相同葉位，高氮(HN)和中氮(MN)處理的葉片SPAD值均會比不施氮(LN)處理高。

表1 不同施氮水平下水稻不同葉位的SPAD值

同一物候期冠層4張葉片SPAD值均在差異。不同施氮水平下，拔節期和孕穗期冠層4張葉片SPAD值由大到小表現為D4葉>D3葉>D2葉>D1葉，且LN條件下冠層4張葉片SPAD值間差異顯著。在MN處理下，拔節期D1葉SPAD值與其余各葉位SPAD值存在顯著差異，但D2葉、D3葉和D4葉之間SPAD值差異并不顯著，孕穗期D4葉SPAD值與D1葉、D2葉、D3葉SPAD值存在顯著差異；HN處理下，拔節期D1葉SPAD值與其余各葉位SPAD值存在顯著差異，但D2葉、D3葉和D4葉之間SPAD值差異并不顯著，孕穗期D1葉SPAD值與D3葉和D4葉SPAD值存在顯著差異。說明增加氮肥施用可以降低營養生長階段各葉位SPAD值的差異。水稻抽穗后冠層4張葉片SPAD值存在明顯差異，其中SPAD值以D1葉為最高，由大到小具體表現為D1葉>D2葉>D3葉>D4葉。研究發現，在抽穗期LN處理各葉位的SPAD差值比MN和HN處理各葉位差值大。進入灌漿期，不同氮肥水平下各葉位SPAD值均開始下降，但LN條件下葉片SPAD值下降的更加明顯。在成熟期LN處理D4葉大部分衰老變黃，無法測量，其余葉位SPAD值也不高。

2.2 不同施氮水平下水稻抽穗期后各葉位葉綠素降解速率

由表2可知，不同施氮水平下水稻在不同生育階段的葉綠素降解速率不同。LN條件下D1到D4葉位的葉綠素降解速率逐漸增加，抽穗至灌漿期，D1葉的葉綠素降解速率最低為9.2%，D2葉、D3葉和D4葉分別為11.1%、11.2%和12.3%；隨著生育期的推進，各葉位的葉片葉綠素降解速率開始加快，在灌漿至乳熟期D4葉葉綠素的降解速率發生劇增，D1葉、D2葉和D3葉分別為33.8%、36.6%和38.7%；乳熟至成熟期，D1葉、D2葉和D3葉的降解速率提高到39.1%、53.5%和58.6%。MN和HN處理各葉位葉綠素降解速率的變化趨勢與LN處理不同，葉綠素降解速率隨著生育期的推進表現為先增加后降低，MN處理D4葉和D3葉分別在灌漿至乳熟期、乳熟至成熟期葉綠素降解速率出現急劇下降。但HN處理隨著時間的推移不僅沒有觀測到D4葉和D3葉在上述時期發生葉綠素急速劇變的情況，還發現降解速率有減緩的趨勢。

表2 不同施氮水平下水稻抽穗后各葉位葉綠素平均降解速率 單位：%

2.3 不同施氮水平對水稻產量及其構成因素的影響

不同施氮水平會影響水稻產量及其構成因素。表3表明，HN和MN處理水稻產量分別比LN處理顯著(P<0.05)增加了37.7%和24.7%，有效穗數分別增加了66.7%和27.8%(P<0.05)；千粒重分別增加1.8%和1.2%(P<0.05)，但不同施氮水平下結實率并沒有顯著變化，而HN處理每穗實粒數分別比MN和LN處理下降了11.00%和10.65%，但差異不顯著(表3)。有研究發現施氮會促進水稻分蘗的增加，是否是因為水稻庫容量一定，過量施氮引起的無效分蘗增加而最終影響結實率還需要進一步研究。

表3 不同施氮水平對水稻產量及其構成因素的影響

2.4 不同生育期冠層葉片SPAD均值與產量擬合關系

如圖1所示，水稻整個生育期內冠層4張葉片的SPAD均值與產量之間呈二次曲線關系，這表明在一定范圍內水稻預測產量隨著SPAD值增加而增加，但超過一定閾值后產量增加速度減緩或者開始下降。各物候期冠層葉片SPAD均值與產量都具有較好的擬合效果，其中拔節期、孕穗期、抽穗期、灌漿期、乳熟期和整個生育期葉片SPAD均值和產量的決定系數(R2)分別是0.82、0.70、0.79、0.87、0.94和0.90，葉片SPAD值和產量隨著生育進程的推進擬合程度逐漸提高。一般將達到作物最大產量的SPAD均值稱為最適值，產量90%～95%的葉片SPAD值作為測量的臨界值[8]。因此，由表3的方程可以確定拔節期、孕穗期、抽穗期、灌漿期、乳熟期和整個生育期水稻4張葉片SPAD均值的最適值和臨界值分別為48.7和42.6、43.9和40.0、46.0和43.3、43.5和39.8、32.1和26.8、42.0和38.9。

圖1 水稻各生育時期葉片SPAD值與產量的關系

2.5 不同葉位SPAD值與產量擬合關系分析

由表4可知，水稻各物候期不同葉位與產量的擬合效果不同。拔節期，SPADmean、SPADD3與產量的擬合關系較好(決定系數R2分別是0.82和0.78)，各葉位的擬合效果由大到小是Dmean>D3>D1>D4>D2。孕穗期，D2葉與產量的擬合方程決定系數仍是最低，D1葉決定系數最高，其決定系數由大到小是D1>D3=Dmean>D4>D2。抽穗期D3葉決定系數最高，D2葉決定系數有所提高，但仍是最低。灌漿期冠層4張葉片的擬合效果都比較好，但D4葉SPAD值的決定系數降至最低，不同葉位決定系數由大到小是Dmean>D3>D1>D2>D4，乳熟期則是Dmean=D1>D3>D2>D4，其中D4葉SPAD值的擬合效果較差。縱觀整個生育期，可以用SPADmean值變化趨勢來對收獲產量進行預測。

表4 不同時期水稻葉片SPAD值與產量擬合關系

3 小結與討論

本研究表明，水稻冠層葉片SPAD值在生育期內會出現“黑黃”交替的現象，增施氮肥會降低葉綠素降解速率。冠層葉片SPADmean和產量之間可以用二次函數進行擬合，隨著生育期的進行，擬合程度會越來越高，拔節期、孕穗期、抽穗期、灌漿期、乳熟期和整個生育期葉片的SPAD最適值和臨界值分別為48.7和42.6、43.9和40.0、46.0和43.3、43.5和39.8、32.1和26.8、42.0和38.9。

不同施氮水平下水稻葉片均會出現SPAD值2次變化態勢，即SPAD值從拔節期至孕穗期下降，進入抽穗期后開始上升，隨著生育期的推進又開始降低，不同施氮水平都改變不了這種“黑黃”交替現象。這種生育期內出現的葉片SPAD值變化趨勢與前人研究結果相同[2,5,9]。不同葉位SPAD值在不同生育期的分布規律不同，主要表現在冠層4張葉片SPAD值差異不同，尤其在低氮條件下，冠層4張葉片的SPAD值差異較大，但隨著施氮水平的提高，差值減少。李剛華等[6]也發現，增加施氮量可以減少葉位間SPAD值的差異，俞敏祎等[10]推測氮素供應充足條件下，不僅可以滿足水稻下部葉片的氮素營養也能滿足上部新葉的生長。本次研究表明，營養生長階段水稻D4葉和D3葉的SPAD值大于D1葉和D2葉，這可能是因為氮素從基部往上運輸，靠近根部的SPAD值較大[10]；進入生殖生長階段，上部D1葉和D2葉的SPAD值會大于D3葉和D4葉。水稻抽穗后D1葉、D2葉、D3葉和D4葉的葉綠素降解速率會劇增，降解趨勢與前人研究相同[3]，但增施氮肥會減緩葉綠素降解速率。也有研究表明，抽穗后D1葉的含氮量會大于D2葉、D3葉和D4葉，說明其他因素會影響抽穗后各葉位的SPAD值[5]。

本次試驗發現水稻產量隨著施氮水平的增加而增加，這主要是因為有效穗數的顯著提高。也有研究表明，一定氮肥范圍內，施氮量增加對產量有正效應，但過度施氮會造成增幅減緩或者下降[11-12]。水稻各物候期內的冠層4張葉片SPAD值與產量會呈現二次回歸曲線關系，即隨著SPAD值增加產量表現出先增加后稍稍降低的趨勢。史力超等[8]和楊虎[11]分別在小麥和水稻上發現了葉片SPAD值與產量呈現這種二次回歸曲線關系，楊虎[11]認為可以通過生育期內葉片SPAD值對產量進行預測。歐陽杰等[3]研究表明，水稻葉片SPAD值與產量有直接關系，且灌漿期葉片葉綠素濃度與穗粒重有較好的相關性。Blackmer等[13]研究指出，作物在氮肥供應充足或者不足的情況下，其葉片SPAD值與產量都有很好的相關性，本研究結果與此相似。本研究基于葉片SPAD值與產量的二次曲線關系上確定了不同生育時期冠層葉片SPAD值最適值和臨界值，以期在保證水稻產量的情況下為提高田間氮肥利用效率提供建議。