李鵬程，鄭蒼松，孫淼，王國平，董合林

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所／棉花生物學(xué)國家重點實驗室，河南安陽455000）

氮肥優(yōu)化管理對于提高作物產(chǎn)量和氮肥利用效率，減少肥料浪費和環(huán)境風(fēng)險，增加農(nóng)民收入具有重要的意義。棉花推薦施氮主要以施氮的產(chǎn)量效應(yīng)函數(shù)為理論指導(dǎo)，通過土壤養(yǎng)分狀況和棉花長勢監(jiān)測，分階段進行氮肥施用推薦，以達到較理想的效果。目前國內(nèi)有關(guān)棉花氮營養(yǎng)診斷和推薦施氮的研究主要包括以下幾個方面：

1 土壤礦質(zhì)氮測定

我國將土壤礦質(zhì)氮作為推薦施肥的診斷指標(biāo)始于20世紀80年代[1]，該方法考慮作物根系深度和作物殘留量對土壤無機氮的影響，在淋溶不太強烈、施氮量較高的地區(qū)尤其適宜。張永帥[1]報道北疆滴灌棉田0～60 cm 土層無機氮能夠較好地代表棉田土壤供氮能力，可在不同生育時期追肥推薦時作為參考值，并提出0～20 cm 土壤硝態(tài)氮含量低于30 kg·hm-2時，蕾期、花期、鈴期的推薦施氮量分別高于21、124、76 kg·hm-2；0～20 cm 土壤硝態(tài)氮高于30 kg·hm-2時，蕾期可減少施氮量，高于60 kg·hm-2時，蕾期可不施氮。陳志超等[2]報道南疆滴灌棉田距地面不超過40 cm 土層無機氮可以表征土壤供氮能力，提出0～20 cm 土壤無機氮含量低于20 kg·hm-2時，蕾期、花期、鈴期的推薦施氮量分別高于83、92、123 kg·hm-2，土壤無機氮含量在20～120 kg·hm-2時，可逐漸減少蕾期氮肥用量，土壤無機氮含量高于120 kg·hm-2時，蕾期可不施氮。危常州等[3]在地理信息系統(tǒng)（Geographic information system，GIS）基礎(chǔ)上整合了綜合肥料效應(yīng)模型、專家知識庫，構(gòu)建了計算機推薦施肥系統(tǒng)，可根據(jù)土壤質(zhì)地（砂土、壤土、黏土）、土壤肥力和產(chǎn)量水平、栽培模式等實際情況進行精準推薦施肥，該推薦施肥系統(tǒng)在新疆兵團農(nóng)六師芳草湖農(nóng)場得到了較好應(yīng)用。

2 葉綠素儀速測

葉綠素儀可以快速測定棉葉的葉綠素含量相對值（SPAD），作為棉花氮素養(yǎng)分狀況的參考[4-5]。屈衛(wèi)群等[6]發(fā)現(xiàn)棉花主莖倒數(shù)第1 定型葉與第4 定型葉SPAD 值的差值與棉花施氮水平存在較好的線性相關(guān)，而且這種相關(guān)性不受品種和生育時期的影響；羅新寧[7]也有相同的研究結(jié)果。Wu 等[8]提出初花期、盛花期、結(jié)鈴期、吐絮初期、吐絮期棉花倒4葉SPAD 值臨界值分別為32.4、33.1、35.0、43.55、39.7，當(dāng)實測SPAD 值低于該臨界值1 個單位時，需要施氮24.2～25.0 kg·hm-2。葉綠素儀測定的葉片部位對測定結(jié)果有一定影響。潘薇薇等[9]以棉花倒4 葉的葉尖部位作測試部位，提出了北疆滴灌條件下盛蕾期、初花期、盛花期和鈴期棉葉SPAD 值的臨界值，分別為60.5、60.0、60.8、59.1，并提出了4個時期實測SPAD 值低于該時期SPAD 值臨界值1 個單位時的實際推薦施氮量分別為10.81、8.46、13.42、6.29 kg·hm-2。當(dāng)實測的棉葉SPAD 值高于臨界值時不需要施氮。Wu 等與潘薇薇等報道的棉葉不同生育時期SPAD 臨界值差異較大，可能與品種和栽培方式不同有關(guān)[8-9]。

3 植株硝酸鹽含量測定

在作物生長季節(jié)，測定植株硝酸鹽含量并用于追肥推薦，是歐洲普遍采用的技術(shù)[10]。我國在小麥、玉米等作物上相關(guān)應(yīng)用較多，但在棉花上相關(guān)應(yīng)用較少，而且主要集中在新疆棉區(qū)。危常州等[11]報道棉花蕾期倒4 葉葉柄硝酸鹽含量與產(chǎn)量顯著相關(guān)，可以靈敏地指示棉花氮素營養(yǎng)狀況，并提出在籽棉目標(biāo)產(chǎn)量高于5 250 kg·hm-2、 蕾期棉花倒4 葉葉柄硝酸鹽含量低于4 500 mg·kg-1時，氮肥推薦用量高于130.1 kg·hm-2；隨著葉柄硝酸鹽含量增加，蕾期推薦施氮量逐漸下降，當(dāng)硝酸鹽含量在10 500～12 000 mg·kg-1時，氮肥推薦用量為18.5 kg·hm-2。劉宏平等[12]報道南疆尉犁縣棉花盛蕾期、初花期、 盛花期和初鈴期葉柄硝酸鹽臨界值分別為5 710、9 450、6 885 和7 729 mg·kg-1，采用一元二次模型對氮肥效應(yīng)進行模擬，純氮用量為229.5 kg·hm-2時可獲得皮棉2 728.8 kg·hm-2的高產(chǎn)。王曉靜等[13]建立了初花期、花鈴期、結(jié)鈴期基于棉花葉柄硝酸鹽含量的氮肥線性推薦模型，提出南疆畦灌條件下棉花花期和鈴期葉柄硝酸鹽含量臨界值分別為10 463 和6 901 mg·kg-1，花期、鈴期葉柄硝酸鹽含量高于該時期臨界值時可以不施氮，并提出了該灌溉條件下經(jīng)濟施氮量為304 kg·hm-2。蔡利華等[14]提出滴灌中產(chǎn)棉田棉花現(xiàn)蕾初期、盛蕾期、初花期、花鈴期、結(jié)鈴期葉柄硝酸鹽含量臨界值分別為9 500、7 500、6 500、8 000、5 000 mg·kg-1，低于該值時就要考慮施氮。姜益娟等[15]提出海島棉蕾期葉柄硝酸鹽含量在1 000 mg·kg-1以上，開花期、花鈴期、鈴期一般在500～600 mg·kg-1之間，并提出蕾期、初花期、花鈴期、結(jié)鈴期葉柄硝酸鹽含量臨界值分別為1 750、1 500、1 000、600 mg·kg-1。伍素輝等[16]報道長江流域棉區(qū)籽棉產(chǎn)量4 500 kg·hm-2以上時，蕾期葉柄硝態(tài)氮含量為20 000 mg·kg-1左右，花期7 000 mg·kg-1左右。以上學(xué)者在棉花相同生育時期得到的葉柄硝酸鹽含量結(jié)果差異較大，可能與栽培品種、灌溉模式、產(chǎn)量水平不一致有很大關(guān)系。因此，有必要在不同棉區(qū)開展不同土壤肥力條件、不同灌溉模式、不同產(chǎn)量水平下棉葉葉柄硝酸鹽含量監(jiān)測研究，以便科學(xué)指導(dǎo)生產(chǎn)。

4 數(shù)字圖像分析

數(shù)字圖像分析技術(shù)以光譜學(xué)原理為依據(jù)，主要過程包括圖像采集、圖像預(yù)處理、特征值提取與優(yōu)化、分類識別4 個環(huán)節(jié)[17]，通過獲取作物冠層數(shù)碼照片，分析圖像紅（R）、綠（G）、藍（B）等光譜參數(shù)，與棉花氮營養(yǎng)指標(biāo)進行相關(guān)分析，實現(xiàn)快速診斷[18]。劉偉等[19]報道棉 葉R、G、G/（R＋B）、B/（R＋G）、G/B、R/B等光譜參數(shù)與棉葉氮含量存在顯著相關(guān)關(guān)系，可作為氮素營養(yǎng)診斷的指標(biāo)。王娟等[20]發(fā)現(xiàn)盛蕾期棉花植株和棉葉全氮含量與光譜參數(shù)的相關(guān)性較好，在盛花期棉花葉片含氮量與光譜參數(shù)的相關(guān)系數(shù)最高，且不同生育時期綠光標(biāo)準化值G/（G＋R＋B）與棉葉含氮量相關(guān)性優(yōu)于其他參數(shù)，可作為棉花氮素營養(yǎng)診斷的指標(biāo)。王曉靜等[21]報道棉花鈴期棉葉G和G/R參數(shù)值與葉柄硝酸鹽含量、植株全氮和地上部生物量之間均存在較大的相關(guān)性，可作為氮素營養(yǎng)診斷指標(biāo)；紅光標(biāo)準化值R/（R＋G＋B）與施氮量、產(chǎn)量間為負相關(guān)關(guān)系，而藍光標(biāo)準化值B/（R＋G＋B）與施氮量、產(chǎn)量之間成正相關(guān)關(guān)系。徐新風(fēng)等[22]認為（G-R）參數(shù)是棉株全氮含量的最佳氮營養(yǎng)診斷參數(shù)，可用其預(yù)測棉株全氮含量，預(yù)測模型為N（%）＝0.264 5＋0.154 5（G-R）-0.001 5（G-R）2；王方永等[23]也得到了相似的結(jié)果。陳敏等[24]報道棉花倒3 葉、倒4 葉硝態(tài)氮含量與紅光標(biāo)準化值R/（R＋G＋B）均有較好的相關(guān)性，其中棉花倒3 葉的相關(guān)性較好。雷詠雯等[25]認為棉花冠層顏色參數(shù)B/（R＋G）與棉花施氮量之間相關(guān)性很強，可作為棉花氮營養(yǎng)診斷的特征值，該特征值受土壤背景值和拍攝時光照強度的影響不大，但受攝影角度的影響較大，固定30°拍攝角度效果最佳。以上相關(guān)研究報道用于棉花氮營養(yǎng)診斷的顏色參數(shù)不盡相同，可能與圖像獲取時間、供試棉花品種和栽培方式不一樣有關(guān)。賈彪等[26]發(fā)現(xiàn)棉花冠層覆蓋度（Canopy cover，Cc）與棉株地上部總含氮量（YN）間存在函數(shù)關(guān)系：YN＝0.619e4.262Cc（0＜Cc≤1），Cc是指棉花群體（包括莖、葉、蕾、鈴、枝等）在單位面積內(nèi)的垂直投影面積占單位占地面積的百分比[27]。這種方法應(yīng)用數(shù)碼相機獲取冠層圖像，提取Cc，監(jiān)測棉花氮素營養(yǎng)狀況并對氮肥管理做出決策，具有快速無損的特點；但也有一定的局限性，理論上Cc的取值從0 到1，當(dāng)Cc達到1 后不再增大，而棉花的含氮量還會繼續(xù)增大，因此Cc達到最大值1 后，就無法準確評價棉花氮素營養(yǎng)狀態(tài)。

5 遙感與光譜分析

遙感的理論依據(jù)是綠色植被指數(shù)（GVI）和綠度歸一化植被指數(shù)（GNDVI）與葉片氮積累量有較好的相關(guān)性[28]。吳華兵等[29]利用高光譜地物光譜儀，找到了不同棉花品種葉片氮積累量的敏感光譜波段主要表現(xiàn)在波長600～700 nm 的紅光波段和波長750～900 nm 的近紅外波段，葉片氮積累量與波長672 nm 時的光譜指數(shù)NVD（歸一化吸收深度）有密切的定量關(guān)系，且不同品種可以用統(tǒng)一的冪函數(shù)方程來描述，與蔣桂英等[30]得出的棉花葉片氮敏感波段 （波長630～690 nm，760～900 nm）比較接近。溫鵬飛[31]利用Geeenseeker 主動遙感光譜儀獲得冠層歸一化植被指數(shù)（NDVI），估測棉葉氮營養(yǎng)診斷相關(guān)參數(shù)，建立了基于Android 系統(tǒng)平臺的棉花營養(yǎng)診斷系統(tǒng)，可利用冠層NDVI值估測棉花干物質(zhì)、群體葉面積指數(shù)、棉葉葉綠素含量、棉葉氮含量、棉花產(chǎn)量。棉花冠層NDVI值與棉花群體葉面積指數(shù)、干物質(zhì)量、棉葉葉綠素含量、棉葉氮含量間存在一元線性關(guān)系，與棉花產(chǎn)量呈現(xiàn)二次曲線函數(shù)關(guān)系。石宏剛等[32-33]報道利用冠層NDVI值在盛花期和花鈴期能估測棉花葉片氮素含量，預(yù)測棉株氮素積累速率。李新偉等[34-35]通過NDVI與產(chǎn)量的二次函數(shù)關(guān)系確定了北疆棉花盛蕾期、 花期、盛鈴期和初絮期NDVI臨界值，分別為0.695、0.833、0.881 和0.809，通過追肥模型得到盛蕾期、花期、盛鈴期和初絮期實測NDVI值比該時期臨界值減少0.001 單位所需的實際施氮量分別為0.24、0.91、1.11 和0.16 kg·hm-2。王方永[36]利用MSI200 多光譜成像測色系統(tǒng)估測棉花冠層和單葉的氮素營養(yǎng)狀況，選擇最常用的RGB（紅、綠、藍）模型和HIS（色調(diào)、飽和度和亮度值）顏色模型量化棉花冠層圖像信息，發(fā)現(xiàn)顏色參數(shù)中的色調(diào)H與棉花冠層葉片含氮量極顯著正相關(guān)，棉花冠層葉片含氮量與紅光波段反射值R之間存在極顯著負相關(guān)，而與G、B之間不存在顯著相關(guān)。差值指數(shù)DI（R580，R680）＝R580-R680（波長為580 nm、680 nm 時紅光反射值R的差值）是MSI200 估測棉花葉片含氮量的最佳指標(biāo)，而（G-R）是數(shù)碼相機估測棉花葉片含氮量的最佳指標(biāo)。

由于遙感研究使用的光譜儀不盡相同，研究結(jié)果一致性較差，而且不易相互印證，此類研究結(jié)果需要與其他土壤和植株測試方法結(jié)合加以驗證。

6 氮臨界濃度稀釋模型

“氮臨界濃度”這一概念，由Lemaire 和Salette于20世紀80年代提出，是指作物獲得最大生物量時作物所需要的最低氮濃度，在作物全生育期的任何時間點均存在一個氮臨界濃度值。作物地上部的氮濃度與地上總干物質(zhì)質(zhì)量間可用冪函數(shù)方程表示：Nc＝aW-b，其中Nc（%）為地上生物量的氮濃度，W（1 000 kg·hm-2）代表地上總干物質(zhì)質(zhì)量，a、b 為系數(shù)。由此方程模擬的曲線稱為臨界曲線，在臨界曲線以下，表示作物缺乏氮營養(yǎng)，在臨界曲線以上，表示作物氮營養(yǎng)盈余，而臨界曲線上的氮濃度值最適宜[37]。Xue 等[38]建立了長江中下游棉區(qū)和華北棉區(qū)氮臨界濃度稀釋模型（南京，Nc＝2.858W-0.131；安陽，Nc＝3.387W-0.131），提出南京點的適宜施氮量為240 kg·hm-2，安陽點的適宜施氮量為240～360 kg·hm-2。王子勝等[39]建立了東北特早熟棉區(qū)棉花的氮臨界濃度稀釋曲線模型（Nc＝4.377W-0.252），提出了該棉區(qū)最佳種植密度9.75 萬株·hm-2條件下最佳施氮量為240 kg·hm-2。鄒芳剛[40]建立了濱海鹽土條件下棉花的氮臨界濃度稀釋模型 （大豐，Nc＝2.477W-0.149），提出濱海鹽土較適宜的施氮量為300～375 kg·hm-2。馬露露等[41]建立了北疆棉區(qū)滴灌棉花的氮臨界濃度稀釋模型 （瑪納斯，Nc＝4.45W-0.22），基于氮臨界濃度建立的氮素營養(yǎng)指數(shù)模型 （NNI＝Ni/Nc，Ni為地上部實測氮濃度，Nc為氮臨界濃度） 可作為滴灌棉花氮素營養(yǎng)的診斷指標(biāo)，若NNI＝1，表明作物氮素營養(yǎng)水平正合適，高于1 為氮營養(yǎng)過量，低于1 則氮營養(yǎng)虧缺。由氮營養(yǎng)指數(shù)得到北疆滴灌棉花的適宜施氮量為240～360 kg·hm-2。氮臨界濃度稀釋模型建立需要實時測定棉花的氮濃度，而且需要進行不同氮梯度的大田試驗，比較費工費時，但試驗結(jié)果具有合理的生物學(xué)意義。

綜上所述，國內(nèi)棉花氮營養(yǎng)診斷和推薦施氮的研究文獻報道以新疆棉區(qū)居多，內(nèi)地棉區(qū)相關(guān)研究有待加強[42]，學(xué)者們運用不同的氮營養(yǎng)診斷方法在各自的大田試驗得出了較理想的結(jié)果，為當(dāng)?shù)氐拿藁ǖ獱I養(yǎng)診斷和氮肥推薦管理提供了有效指導(dǎo)。但該項技術(shù)缺乏大面積的實踐驗證，有必要在大范圍內(nèi)如在南疆、北疆開展氮營養(yǎng)診斷與推薦施氮技術(shù)的驗證和推廣，以真正服務(wù)于棉花生產(chǎn)，實現(xiàn)減氮增效，提高棉農(nóng)收入。