棉花SPAD值推薦施氮模型應用與修正

吳湘琳，陳寶燕,2，蒲勝海，李 磐， 馬紅紅,3，牛新湘，楊 濤,3，馬興旺

(1．新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所/農業農村部西北綠洲農業環境重點實驗室，烏魯木齊 830091； 2.烏魯木齊市米東區農產品質量安全檢測中心，烏魯木齊 830011；3．石河子大學農學院資環系，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】2020年新疆棉花播種面積達3 752.85×104/667m2，產量占全國棉花總產量87.3%，總產、單產、種植面積、商品調撥量連續26年位居全國第一。常規方法測定獲得土壤和植株養分含量耗時長，難以在5～10 d的短時間內對膜下滴灌棉花的追氮量進行推薦，而快速診斷施肥方法卻有可行性。【前人研究進展】基于土壤Nmin的土壤氮含量速測推薦施肥方法[1]，基于葉柄硝態氮含量測定的植株氮含量速測推薦施肥方法[2]，基于高光譜的植株NDVI方法[3-4]，以及基于葉片葉綠素含量測定的SPAD值推薦施肥方法[5-7]等多種膜下滴灌棉花生育期追氮量推薦方法。測定SPAD值的葉綠素儀價錢相對便宜、操作簡單，且推薦施肥方法快速，用于膜下滴灌棉花生育期快速推薦施肥有比較優勢。建立該方法過程中，明確了應該測定棉花倒 4 葉的SPAD值以反映棉花的氮素營養狀況[8，9-11]，測定葉尖SPAD值且避開葉片主葉脈[12-14]，SPAD 測定樣本數對SPAD 均值準確性有影響，樣本數為26～60 時樣本數越大SPAD 均值準確性越高，SPAD 均值與葉片含氮量的相關性就越好[15]，建立了SPAD值與追氮量之間的若干模型用于推薦施肥[13,14, 16]。【本研究切入點】通常情況下，推薦施肥模型都是在特定的氣候條件和種植模式下得到的，其應用范圍、條件是否具有普適性還不明確，需要進一步對推薦施肥模型進行田間驗證。研究棉花SPAD值推薦施氮模型應用與修正。【擬解決的關鍵問題】選取2個分別在新疆南疆和北疆建立的SPAD值推薦施肥模型進行田間驗證，進一步優化完善SPAD推薦施肥模型，為新疆棉花精準推薦施氮提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗區位于新疆南疆巴州庫爾勒市包頭湖農場新疆農業科學院基地(E 85°52′,N 41°41′)。該區域地處中緯度地區，屬典型的大陸氣候，植棉規模、技術及產量都在南疆具有代表性。試驗區屬于典型干旱氣候，年平均降雨量為56.20 mm，年平均蒸發量2 497.40 mm，年均日照時數2 878 h，≥10℃的積溫4 252.20℃，無霜期205 d，地下水位2.00～2.50 m。前茬作物均為棉花，供試土壤為砂壤土，屬于中等肥力土壤，耕層土壤0～30 cm土壤有機質為10.24 g/kg，速效氮為48.78 mg/kg，速效磷為20.36 mg/kg，速效鉀為139.00 mg/kg，pH為8.20。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

設3個處理：按照棉花生育時期測定SPAD值推薦施氮(N1)，按照棉花葉齡測定SPAD值推薦施氮(N2)，按當地高產模式進行推薦施氮(N3)；小區面積為4.8×6.9=33.33(m2)，3次重復，隨機排列。

N1處理采用潘薇薇[16]建立的模型(M1)推薦施氮，該模型建立了棉花某一生育時期葉片SPAD測定值與該生育時期推薦施氮量的函數關系。

Nd=Nopt+a/b-SPAD/b. (M1)

其中：Nd為棉花某生育期推薦施氮量；Nopt為棉花全生育期總施氮量，由肥料效應函數計算得到；SPAD為某生育期的SPAD測定值；b為某生育時期的SPAD測定值與施氮量線性方程的回歸系數；a為截距。

把潘薇薇[16]中的Nopt、a、b代入模型M1，得到推薦施肥公式，測定棉花某生育時期葉片SPAD值推算出該時期的氮肥追施量。表1

表1 N1處理推薦施氮公式和推薦施氮量Table 1 Formula and amount of recommended nitrogen application for N1 treatment

N2處理采用楊濤等建立的模型(M2)推薦施氮，該模型原理與M1相同，只是建立的是棉花某一葉齡期葉片SPAD測定值與該葉齡期推薦施氮量的函數關系。

Nd=Nopt+a/b-SPAD/b. (M2)

其中：Nd為棉花某葉齡期推薦施氮量；Nopt為棉花全生育期總施氮量，由肥料效應函數計算得到；SPAD為某葉齡期的SPAD測定值；b為某葉齡期的SPAD測定值與施氮量線性方程的回歸系數；a為截距。

把Nopt、a、b代入模型M2，得到推薦施肥公式，測定棉花某葉齡期葉片SPAD值即可推算出該時期的氮肥追施量。表2

表2 N2處理推薦施氮公式和推薦施氮量Table 2 Formula and amount of recommended nitrogen application for N2 treatment

氮肥選用尿素(尿素含N 46.4%)，所有處理施純P2O5186 kg/hm2(選重過磷酸鈣，含P2O546%)，K2O為68 kg/hm2(選硫酸鉀，含K2O 為40%)。所有處理全部磷肥和鉀肥作基肥，磷肥和鉀肥混勻后于播前撒施翻入土壤，氮肥的40%作為基肥，60%作為追肥進行施用。供試棉花品種為新陸中66號，采用覆膜種植，種植行距(10+66+10+66+10)cm，株距10 cm，1膜6行精量播種。其他農事管理同當地常規水平。

1.2.2 測定指標

棉花葉片SPAD值的測定[12-14]：用日本產的Minolta SPAD-502葉綠素儀[18]測定。選擇晴好天氣，在10：00～14：00測定。測定之前用SPAD儀校準卡進行儀器校準，達到儀器精度要求。每小區隨機測定60個葉片，即60個SPAD值樣本數。打頂之前測定倒四葉片葉尖SPAD值，打頂之后測定倒一葉片葉尖SPAD 值，測定時避開葉片主葉脈，每個葉片的SPAD值為棉花功能葉上4個位點測定值的平均值。

棉花產量的測定[19]：棉花吐絮期調查小區總鈴數、總株數，計算單株鈴數和公頃收獲株數；各小區分3次隨機取棉株上、中、下部位各50朵，測定單鈴重。公頃籽棉產量=公頃收獲株數×單鈴重×單株鈴數來計算籽棉產量。

1.3 數據處理

數據采用Microsoft Excel、SPSS.19.0等軟件對數據進行整理分析、均值比較、方差分析以及t檢驗分析、相關性及擬合分析、概率分析等。

2 結果與分析

2.1 不同處理追施氮肥量與SPAD 值相關性

研究表明，N1、N2處理的追氮量與SPAD 值的相關性均呈線性關系，N1處理與SPAD值關系式為y=0.090 3x+46.618,R2=0.855；N2處理與SPAD值關系式為y=0.108 6x+48.666，R2=0.765。N1處理的追氮量與SPAD值的相關性要高于N2處理。圖1，圖2

2.2 不同處理對棉花產量構成的影響

研究表明，N1與N2處理籽棉產量、衣分差異不顯著，單鈴重差異達到顯著水平。M1推薦的N1處理追氮量與M2推薦的N2處理追氮量對產量的影響差異不顯著。表3

表3 不同模型推薦施肥的棉花產量構成因素Table 3 The components of cotton yield recommended by different models

2.3 不同推薦施氮模式處理的施氮量

2.3.1 不同推薦施氮模式處理的施氮量

研究表明，N1的追氮量417.45 kg/hm2高于當地高產的追氮量，N2的285.40 kg/hm2低于當地高產的追氮量，但是N1和N2的產量均明顯低于當地高產產量。表4

表4 不同推薦施氮模式處理施氮量 Table 4 Nitrogen application rate under different recommended nitrogen application modes(kg/hm2)

2.3.2 N1與N2施氮量趨勢比較

研究表明，在棉花各個生育時期，N1與N2的追肥量與棉花需肥量趨勢基本一致，N1,N2在7月20日均達到施肥高峰。總體趨勢分析：各時期N1的追肥量高于N2的追肥量，總體追氮范圍在0～160 kg/hm2。圖3

3 討 論

3.1 SPAD值推薦施肥誤差的來源

用葉綠素儀測定SPAD值來反映作物的氮素狀況已經有很長的研究歷史[7]，并且在玉米[17]、水稻、棉花[5，6，16]、蘋果[18]等推薦施氮肥時得到應用。

研究2個推薦施肥模型是在試驗基礎上得到的，但換個地方應用時推薦施肥量高于或低于高產施肥模式的施肥量，產量卻低于高產施肥模式的產量，可能的原因有：(1)M1和M2模型中的參數Nopt、a和b需要根據品種、土壤、氣候條件修正。(2)所測定葉片的代表性不夠。N1處理是把一個生育時期作為推薦施肥時段，棉花各生育時期的時間長短不一，有的時期包括了幾個葉齡期，N2處理是按葉齡推薦施肥，但同一地塊棉花個體即使在同一葉齡期其葉片發育程度也會不同，雖然是選擇倒四葉測定，但SPAD值差異會比較大[9.10]。(3)葉片的測定部位不同。葉片不同部位測定的SPAD值差異較大[12]，研究是測定葉尖部位的SPAD值，但操作時測定點位總會有差異。(4)一個地塊上測定的SPAD值的數量。SPAD值的樣本數越大，其均值與葉片含氮量的相關性就越好[13]。

研究采用了優化的棉花葉片SPAD值測定方法，盡可能增大了SPAD測定值與棉花氮營養的相關性，而應用模型的地塊與建立模型的地塊不同，Nopt、a和b3個參數的偏離是導致模型應用結果不理想的主要原因。

3.2 SPAD推薦施肥模型的修正與應用

在應用推薦施肥模型時，因農作物品種、氣候、土壤等條件的變化，模型參數需要進行一些修正[20]。

研究的M1和M2模型的推薦施肥原理、建立過程都是相同的，只是M1模型是在北疆石河子地區建立的，M2是在南疆庫爾勒地區建立的；M1模型是推薦某生育時期的施氮量，而M2模型是推薦某葉齡期的施氮量。針對2個模型應用時存在偏差的問題，應該從2方面對模型進行修正[5-7]：(1)對SPAD值的測定方法進行優化，使用于推薦施肥的SPAD值與整塊地棉花氮素營養狀況的相關性最高。包括優化測定葉位、葉片上的測定點位、一塊地上測定的葉片數量等，從棉花個體對這些方面的研究較多[9，10，12，16]，下一步就是從田塊應用的角度對方法進行優化、規范。(2)對模型中的Nopt、a、b3個參數進行修正。這3個參數都是通過田間試驗獲得的，模型在一個地區應用時最理想的方式當然是做田間試驗、獲得參數、推薦施肥，但是時間周期長、成本高，有必要探索一種簡單的模型修正方法。

表5 修正的M2模型推薦施氮公式Table 5 Optimization of M2 recommended nitrogen application model

以M2模型的修正為例。表2中用于葉齡期推薦施肥的公式是Nopt、a、b3個參數值代入M2得到，公式中的2個常數在某一葉齡期是常量，但從棉花整個生育期看在不同葉齡期是變量。從推薦施肥的原理和出發點考慮，可以認為試驗區連續多年的棉花高產施肥方式下的施肥量(高產推薦施氮量)近似于理想條件下用SPAD值推薦的施氮量。首先，用已有的推薦施肥公式算出某一葉齡期實際推薦施氮量，及其與高產推薦施氮量的差值；第二步，假定該葉齡期推薦施肥公式中的2個常數為未知數；第三步，以此葉齡期的若干實測SPAD值、以及該差值與相應SPAD值的推薦施氮量之和(理論推薦施氮量)組成一組數據，若干組數據代入表2中的公式，計算出2個未知數，得到某一葉齡期修正后推薦施氮公式；第四步，得到M2模型各葉齡期修正后的推薦施氮公式。

4 結 論

4.1增大SPAD值與施氮量相關性需要在土壤、氣候、管理模式變化時，對棉花SPAD推薦施肥模型中的Nopt、a、b3個參數進行修正；優化棉花葉片SPAD值的測定方法。

4.2修正SPAD值推薦施氮模型時可以利用原有模型的推薦施肥量、當地多年高產施肥量，通過反推快速得到當年就能使用的新推薦施肥公式。研究修正后的推薦施氮肥公式為：Nd=1 135.87-SPAD/0.082 6(5葉齡期，第1次追肥)；Nd=1 123.44-SPAD/0.087 3(7葉齡期，第2次追肥)；Nd=1 005.47-SPAD/0.098 7(9葉齡期，第3次追肥)；Nd=997.23-SPAD/0.097 6(11葉齡期，第4次追肥)；Nd=901.55-SPAD/0.048 3(13葉齡期，第5次追肥)；Nd=712.23.26-SPAD/0.927 0(15葉齡期，第6次追肥)。