李冬梅，呂新，羅宏海，祁立敏，丁怡人，馬金鑫，哈發(fā)都曼，馬露露，張澤*

（1.石河子大學農學院/ 新疆生產建設兵團綠洲生態(tài)農業(yè)重點實驗室，新疆石河子832000；2.新疆生產建設兵團第八師石河子總場, 新疆石河子832000）

新疆是中國棉花主產區(qū)。 據統(tǒng)計，新疆棉花2018 年種植面積達到246.7 多萬公頃，占全國棉花種植面積的74.3%，產量達83.8%，棉花產業(yè)已成為新疆主要支柱產業(yè)之一[1]。 氮肥是新疆棉花增產增效的主要限制因素[2]，適當增施氮肥能夠促進植株生長和產量的增加，但是由于更多地追求高產，許多農戶施用過多氮肥，往往導致氮素供給超過植株本身所需。 最終，不合理的氮肥施用不僅降低了肥料利用效率， 造成肥料浪費，而且還帶來了嚴重的環(huán)境污染問題[3]。因此，實時了解生長過程中植株的氮營養(yǎng)情況，構建高效科學的氮素營養(yǎng)監(jiān)測方法， 進而確定合理的施氮量，對提高氮肥利用效率和控制化肥總量意義重大。植株氮素精確估測是田間施肥管理的基礎。 傳統(tǒng)的植株氮素含量信息獲取是將植株破壞性取樣的實驗室化驗法，費時費力。 近年來，隨著現代信息技術的發(fā)展，遙感、圖像識別以及雷達等技術已被廣泛應用于快速獲取作物的生理、生化及養(yǎng)分豐缺信息[4-6]。 國內外在棉花、玉米、小麥等作物的氮素營養(yǎng)估測方面也取得了一定進展[7-10]。 同時，一些手持式或機載式光譜儀也被運用于大田生產，可以幫助農戶快速獲取作物的冠層光譜反射信息，并得到推薦的相應施肥方案。 目前，利用傳感器監(jiān)測作物的生長狀況和預測產量具有可行性，但所獲取的信息主要為冠層信息，且受地面土壤的背景光譜反射干擾、時效性、分辨率等影響，難以獲得精確的植被信息，因此有待繼續(xù)研究[11]。 葉綠素熒光參數與植物葉片氮素含量密切相關，已成為監(jiān)測植物逆境生長和健康狀況的新技術。 合理施氮能夠提高植物葉片光能轉化率和減少光能的非光化學損耗[12-14]。 隨著施氮水平的提高，小麥葉片非光化學淬滅系數（qN）、最大熒光產量（Fm）以及 PSII 潛在光化學活性（Fv/F0）都逐漸增大，而光化學淬滅系數（qP）呈逐漸減小[15]。 在利用葉綠素熒光參數直接監(jiān)測作物營養(yǎng)含量的研究方面，衡亞蓉等[16]利用葉綠素熒光參數技術準確評價了小麥的光合生產能力和預測小麥產量。Schchtl 等[17]利用激光誘導小麥冠層葉綠素熒光參數來監(jiān)測植株的生物量。 Zivcak 等[18]利用葉綠素熒光指標來評價缺氮對小麥光合能力的影響，得出小麥光化學最大量子產率對氮素處理敏感性較差。 目前葉綠素熒光技術在作物營養(yǎng)監(jiān)測方面的研究大多集中在玉米、小麥等方面，且多與逆境生理有關，但利用葉綠素熒光參數進行滴灌棉花氮素估測的研究鮮有報道。 因此，建立基于葉綠素熒光參數的滴灌棉花氮素快速監(jiān)測模型，對于干旱區(qū)棉花滴灌精準施肥和高產高效具有重要的現實意義。

本研究在滴灌條件下開展不同施氮水平田間試驗，通過分析不同施氮量對葉綠素熒光參數的影響，探明滴灌棉花不同葉位葉片熒光參數變化特征，進而篩選出與棉花氮素相關性較好的熒光參數，最終建立基于葉綠素熒光的滴灌棉花氮素營養(yǎng)估測模型，實現氮素無損、快速監(jiān)測，為促進滴灌棉花合理施氮，提高氮素利用率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018 年在新疆第八師石河子總場花卉市場旁棉花地進行。 該地處中緯度地區(qū)，氣候類型為溫帶大陸性氣候， 無霜期為168～171 d，年降水量為125.0～207.7 mm。 該地區(qū)日照充沛，年日照時間為2 721～2 818 h，≥10 ℃活動積溫為3 570～3 729 ℃。 試驗小區(qū)土壤類型為壤土，40 cm 土層田間持水量 30.6%， 土壤容重為1.53 g·cm－3，土壤有機質含量為 22.13 g·kg－1，堿解氮 51.8 mg·kg－1。

1.2 試驗設計

設置 4 個施氮量處理， 分別為 0（N0）、120（N1）、240（N2）、360（N3）kg·hm－2純氮，其中 N0為對照組。 采用隨機區(qū)組設計，重復3 次，小區(qū)面積為60 m2。 試驗棉花品種為新陸早58 號，采用膜下滴灌種植，1 膜3 管 6 行精量播種， 株距10 cm， 行距配置為10 cm＋66 cm， 種植密度為21 萬株·hm－2。 棉花于 2018 年 4 月 22 日播種，4月30 日出苗，9 月30 日收獲。施肥方式為滴灌隨水施肥，基追比為3∶7，灌水量為當地滴灌棉田一般灌溉量，全田施肥時間和灌水時間及其他田間管理均按當地高產栽培要求進行。

1.3 測定內容及方法

1.3.1熒光參數的測定。在棉花出苗后70 d、80 d、100 d、110 d、115 d 和 120 d 測定頂 2 至頂 5葉的葉綠素熒光參數。 測試儀器為PAM-2100 便攜式調制式葉綠素熒光儀。在施肥灌水5 d 后，選擇晴朗無云或少云的天氣，采用3 人配合測定光適應及暗適應熒光參數。 每個小區(qū)隨機選擇長勢一致的植株3 株， 測定前將選好的單株綁上紅繩，并掛上序號牌，各植株按序號依次測暗適應下熒光和光適應下熒光測定葉片為頂2 至頂5葉（從棉花頂部開始往下數，第一片葉為頂1 葉，第二片葉為頂2 葉， 依次至第5 片葉即頂5 葉，分別用 L2～L5 表示）。在 12:00―16:00 期間測定光適應下最大熒光 （Fm'）、光適應下初始熒光（F0'），光適應下穩(wěn)態(tài)熒光（Ft'），并于當 天 夜晚22:30―24:00 期間測定白天已測植株（完成光適應下熒光測定的植株）暗適應下最小熒光（F0）、最大熒光（Fm）、暗適應下穩(wěn)態(tài)熒光（Ft）。 根據大田測定的熒光參數計算可變熒光（Fv）、光適應下可變熒光 （Fv'）、PSII 潛在最大光化學效率（Fv/Fm）PSII最大光化學效率（Fv'/Fm'）和PSII 實際光化學效率（ΦPSII），計算公式如下：Fv＝Fm－F0；Fv'＝Fm'－F0'；Fv/Fm＝（Fm－F0）/Fm；Fv'/Fm'＝ （Fm'－F0'）/Fm'；ΦPSII＝（Fm'-Ft'）/Fm'。

1.3.2葉片氮素含量測定。葉綠素熒光參數測定完成后，采集所測植株，按頂2 葉至頂5 葉分開，稱其鮮物質質量，在105 ℃下殺青30 min，然后在85 ℃下烘干至恒重，記錄其干物質質量。 采用H2SO4-H2O2消煮法消煮，凱氏定氮法測定頂2 至頂5 葉的全氮含量。

1.3.3數據處理與分析。使用Excel 2016 軟件對數據進行初步處理和作圖，用Spss 19.0 軟件進行數據的相關和回歸分析。 用均方根誤差（Root mean square error，RMSE） 和標準化均方根誤差（n-RMSE）對所建立的模型進行驗證。 計算公式如 下式中xi為模擬值；yi為實際值；n為可供驗證的樣本數量。

2 結果與分析

2.1 施氮對棉花葉片氮素含量的影響

棉花葉片氮素含量是體現群體生長的重要生理指標。 由圖1 可知，各葉片氮素含量在出苗后70～100 d 逐漸下降，在出苗后110～120 d 呈上升后下降的趨勢。 其中在出苗后70～80 d、80～100 d、100～110 d 和 115～120 d，葉片氮含量分別下降為 10.28%～23.20% 、16.43%～38.55%、17.89%～35.94%和6.91%～15.29%。在出苗后70～100 d 棉花葉片中氮素含量下降時期， 棉花葉片中的氮素向棉鈴運輸和轉化的能力逐漸增強，并隨著棉鈴的逐漸成熟，對氮素的需求明顯降低， 使得葉片中的氮素含量變化幅度減小。 對不同施氮處理下葉片氮素含量進行比較，N2 處理下最高，其中 N2 與 N0 相比，在出苗后 100～110 d、110～115 d 和 115～120 d 的時候，N2 處理下葉片氮含量分別提高了11.65%～15.45%、18.34%～22.59%和24.73%～25.96%。在適宜施肥水平下， 不同葉位棉花葉片氮素含量變化明顯， 在出苗后70～80 d 時總體表現為頂 3＞頂 2＞頂4＞頂5 葉， 隨后表現為頂2＞頂3＞頂4＞頂5 葉。

圖1 不同施氮處理下L2～L5 氮素含量動態(tài)Fig.1 Dynamic of nitrogen content of L2～L5 with different nitrogen applications

2.2 不同施氮處理對棉花葉片葉綠素熒光參數的影響

2.2.1對Fv/F0 和Fv/Fm 的影響。在葉綠素熒光測試中，植株葉片充分暗適應后，葉綠素熒光參數Fv/F0代表PSII 潛在光化學活性；Fv/Fm反應了植物葉片將吸收的光能轉化為化學能的最大潛在效率，是光抑制的重要指標。Fv/Fm越高，植物葉片的光抑制程度越低。 從圖2 可以看出，棉花出苗后 70～120 d， 葉片熒光參數Fv/F0呈 “快 - 慢 -快” 的下降趨勢。 各氮素處理下葉片熒光參數Fv/F0均在出苗后70～80 d 下降最快，平均下降率達到26.14%，隨后下降較緩（出苗后80～110 d）；出苗后 110 ～120 d 葉片Fv/F0平均下降率達14.25%。 熒光參數Fv/Fm隨生育期的變化與Fv/F0相似，表明隨著棉花生育期的后移，葉片潛在光化學活性和轉化光能的潛力逐漸減弱。 另外，對不同施氮量下葉片熒光參數Fv/F0、Fv/Fm進行分析，得出 N2 處理下Fv/F0、Fv/Fm最大，但各施氮處理間差異不顯著。 其中，出苗后 70～100 d，N2 處理下不同葉位葉片的Fv/Fm較N0 處理分別增加了 4.21%、3.15%、3.08%和 2.54%；Fv/F0分別平均增加了28.99%、21.55%、20.64%和 16.45%。 出苗后110～120 d，N2 處理下不同葉位葉片的Fv/Fm較 N0 分別平均增加了 4.42%、3.85%、3.18%和4.21%；Fv/F0分別平均增加了 33.01%、21.21%、20.71%和21.95%。 表明適當施氮有利于提高PSII 的活性，減小棉花生育后期光抑制程度。

2.2.2對ΦPSII 的影響。通過分析棉花葉片熒光參數ΦPSII隨生育期的動態(tài)變化規(guī)律表明（圖3），葉片熒光參數ΦPSII在出苗后70～110 d 下降較緩；出苗后110～120 d 下降最快，平均下降率達16.27%。 此外還發(fā)現在棉花出苗后70～120 d 過程中，N0 處理下葉片熒光參數ΦPSII的下降幅度較 N2 處理高，在出苗后 110 ～120 d，N0 處理較N2 處理下ΦPSII高4.74%， 表明施氮處理有利于緩解棉花生育后期實際光化學效率下降。 對不同施氮處理下葉片熒光參數ΦPSII進行分析可得，葉片ΦPSII值在不同氮素處理間差異不顯著， 但N2處理大于其他處理。其中在出苗后70～110 d，N2處理下葉片熒光參數ΦPSII較N0 處理僅平均增加了 3.54%， 但在出苗后 115～120 d，N2 處理下葉片熒光參數ΦPSII明顯高于N0 處理， 提高了8.06%， 表明提高施氮量有利于增大葉片PSII 的開放程度，提高實際光化學效率。

圖2 不同施氮處理下L2～L5 葉Fv/F0 和Fv/Fm 動態(tài)Fig.2 Dynamic of Fv/F0 and Fv/Fm of L2~L5 with different nitrogen levels

圖3 不同施氮條件下L2~L5 的ΦPSII 動態(tài)Fig.3 Dynamic of ΦPSII of L2~L5 underdifferent nitrogen levels

2.2.3對Fv'/Fm' 和Fv 的影響。 植物葉片光適應下，PSII 最大光化學效率Fv'/Fm' 反應了PSII 反應中心完全開放時的最大光能捕獲效率，也稱為最大天線轉換效率。 由表1 可知， 葉片光適應下PSII 最大光能捕獲效率Fv'/Fm'隨著生育期推進呈逐漸降低趨勢。 出苗后 70～100 d，頂 2 至頂 5 葉各處理下Fv'/Fm' 分別下降了19.56%～29.91%、23.84%～35.67%、13.73%～37.85%和 18.73%～46.89%；出苗后110～120 d 分別下降了30.98%～73.98% 、33.13% ～76.68% 、31.44% ～64.39% 和29.79～61.61%。出苗后 70～120 d，葉片Fv'/Fm'下降率逐漸增大，且在出苗后110～120 d 下降率最大，說明棉花吐絮期初期（出苗后120 d），葉片最大光能捕獲效率下降較快，這可能是由于該時期葉片的衰老和施氮量的減少使得葉片光合作用受到較大抑制。 對不同施氮量下葉片熒光參數Fv'/Fm' 分析，發(fā)現出苗后70～110 d，未施氮處理下葉片熒光參數Fv'/Fm' 與施氮處理間差異明顯，總體呈N2＞N3＞N1＞N0 的變化規(guī)律， 而且N2與N0 處理下葉片Fv'/Fm' 的差異隨著生育期的推進逐漸增大，如在出苗后115 d 和120 d，N2 處理較N0 處理分別提高了32.45%和63.21%， 說明各葉片最大光能捕獲效率對施氮量的變化較敏感，適量提高施肥量有利于提高葉片光能捕獲效率。

由表2 可知，葉片熒光參數Fv在不同生育時期上的變化表現為先迅速下降后緩慢下降。 棉花出苗后 70～80 d，頂 2、頂 3、頂 4 和頂 5 葉Fv降幅 分 別 平 均 為 36.81% 、34.02% 、26.82% 和50.66%；出苗后100 d，降幅分別為出苗后80 d 的1.28、1.57、2.02 和 1.38 倍；出苗后 100～110 d，葉片Fv下降幅度為3.45%～7.81%。 說明在盛鈴期（出苗后80 d 左右）葉片光合電子傳遞效率較高，這對促進棉鈴的生長發(fā)育具有重要意義。 而在出苗后115～120 d 葉片Fv下降率達24.61%， 表明始絮期（出苗后120 d），營養(yǎng)生長和生殖生長逐漸趨于停止， 使得葉片光合能力也呈現迅速下降趨勢。 不同氮肥處理下葉片Fv值均表現為施氮處理顯著高于對照處理，其中N2 處理下Fv值最大。

表1 不同施氮處理下L2~L5 葉綠素熒光參數Fv'/Fm'動態(tài)Table 1 Dynamic of chlorophyll fluorescence parameters Fv'/Fm'of L2~L5 under different nitrogen levels

2.2.4基于葉綠素熒光參數的滴灌棉葉片氮素估測模型構建。將葉片氮素含量與熒光參數進行相關分析（表3）發(fā)現，各葉位葉片氮素含量與不同熒光參數之間均呈極顯著的相關關系，其中與熒光參數Fv、Fv'/Fm' 之間相關性較其他熒光參數好，相關系數均達到0.8 以上。進一步以棉花主莖頂2 至頂5 葉氮素含量為因變量，各熒光參數為自變量， 構建了基于熒光參數的氮素估測模型，結果表明不同葉位葉片氮素含量與熒光參數ΦPSII和Fv'/Fm' 都呈較好的指數函數關系，與熒光參數Fv、Fv/Fm、Fv/F0呈良好的線性函數關系。以決定系數R2越接近于1 則構建得模型的模擬效果越好為標準， 得出各葉片氮素含量與熒光參數Fv、Fv'/Fm' 構建的模型的模擬效果較好，各葉片氮素含量與熒光參數Fv'/Fm'所建的模型的決定系數在0.7 以上， 與Fv所建的模型的決定系數在0.9左右。

表2 不同施氮處理下L1～L5 葉綠素熒光參數Fv 的動態(tài)變化Table 2 Dynamic changes of chlorophyll fluorescence parameters Fv of L2~L5 under different nitrogenlevels

2.2.5基于葉綠素熒光的滴灌棉花氮素估測模型的驗證。利用24 個檢驗樣本數據對模型進行擬合分析，采用均方根誤差（RMSE）和標準化均方根誤差（n-RMSE）來評價模型的精準度。從表4可以看出，各熒光參數建立的棉花葉片氮素含量模型的標準化均方根誤差（n-RMSE）總體較小，說明各模型的模擬性能均較好，利用不同葉位葉片熒光參數監(jiān)測滴灌棉花氮素營養(yǎng)狀況具有一定的可行性。 同時，頂2 葉和頂5 葉氮素含量與熒光參數Fv和Fv'/Fm' 建立的模型的n-RMSE值較其他參數好（表4），且建立的模型的決定系數較其他參數高（表3），因此本研究選擇頂2 和頂5 葉氮素估測模型做模型的模擬值與實測值的1∶1 直方圖，如圖 5 所示，頂 2 葉和頂 5 葉氮素含量與熒光參數Fv'/Fm' 所構建模型的n-RMSE為12.70%和15.05%，與熒光參數Fv所構建模型的n-RMSE最小，分別為8.42%和7.75%。綜上所述，構建的棉花不同葉位氮素含量估測模型具有一定的可行性，可以根據不同葉位擇優(yōu)選取估測模型，本研究確定滴灌棉花頂2 和頂5 葉與熒光參數Fv'/Fm' 和Fv所建的模型的精確度和擬合效果較好。

2.3 不同施氮對棉花產量的影響

由表5 可知，施氮處理下棉花產量明顯高于對照處理。 與 N0 相比，N1、N2 和 N3 處理分別提高了8.35%、21.90%和16.98%， 表明棉花產量隨著施氮量增加呈先上升后下降的趨施。 進一步對不同施氮下棉花產量差異顯著性進行分析，得出N2、N3 處理與對照組間差異顯著， 但各施氮處理間產量差異不顯著，表明在本試驗中，N2 處理為較適宜的施氮水平。 此外，上述結果得出在N2 處理下棉花葉片氮素含量最高， 說明植株葉片氮素含量與產量提升密切相關，適當施肥促進了植株葉片的生長，為最終產量形成提供充足的物質來源。

3 討論

3.1 施氮對棉花葉片氮素含量及產量的影響

施氮處理下棉花葉片的氮素含量較對照處理高， 其中N2 處理下葉片氮素含量最高，N3 處理的葉片氮素含量與N1 和N2 處理的葉片氮素含量之間的差異較小，說明在本試驗中，N3 處理會影響植株對肥料的吸收效率， 造成肥料的浪費，屬于過量施肥。 在棉花出苗后110～115 d，葉片氮素含量有所上升，這與雷耀湖等[19]發(fā)現的棉花葉片在盛鈴期后吸氮量增加的結論相符。 N2處理下棉花葉片的氮素含量與N0 處理下的差異隨著生育期的后移逐漸增大， 在出苗后120 d 時最大，達到20%以上，表明了適當施氮有利于棉花生育后期維持較高的葉片氮素含量，為頂部尚未完全成熟的鈴的繼續(xù)生長發(fā)育提供較足夠的物質基礎，這對防止棉花早衰，提高棉花最終產量具有重要意義。 此外，N2 處理下棉花產量較其他處理高，表明在本試驗地中，N2 處理為較適宜的施氮水平，該水平與前人的研究結果相似[20]。

3.2 施氮對棉花葉片葉綠素熒光參數的影響

圖5 氮素營養(yǎng)估測模型的驗證Fig.5 Validation of nitrogen estimation Model

表5 不同施氮處理對棉花產量的影響Table 5 Effects of different nitrogen levels on cotton yield

適當施氮有利于提高各葉片的PSII 的電子傳遞最大潛力和光照條件下的光化學效率，改善葉片的光合能力[21-22]；而過量施氮和缺氮都在一定程度上抑制了植物PSII 活性，降低了光能轉換率，影響光合作用。該結論與駱永麗等[23]得出的小麥花后PSII 潛在最大光化學效率Fv/Fm和實際光化學效率ΦPSII隨著供氮水平的降低而逐漸降低的結論相符，與魯珊等[24]得出的葉綠素熒光參數值的變化不與施氮水平呈正比，僅在一定范圍內表現為隨著施氮水平的增加而增加的結論相符。這可能是由于棉花出苗70 d 前過量施氮，植株生長旺盛，群體內部通風、光照等條件逐漸惡化，使得生育后期PSII 的潛在光合活性和光合效率降低，這些差異都為熒光定量反演棉花葉片氮含量的提供了依據。 此外，在出苗后120 d，N2 處理下葉片熒光參數Fv'/Fm'和Fv與N0 處理下的差異較出苗115 d 前大， 表明合理施氮可以提高棉鈴成熟后期主莖功能葉的光能捕獲效率和電子傳遞效率。 隨著生育期的推進，棉花上部葉片氮素含量和各熒光參數值均表現為逐漸下降，該結論與吉彪等[25]的研究結果相符。

3.3 基于葉綠素熒光的滴灌棉花氮素估測模型的建立與驗證

棉花葉片氮素營養(yǎng)狀況是決定高產的關鍵因素，葉綠素熒光是植物光合作用的有效探針[26]。本試驗通過分析棉花不同葉片氮素含量與葉綠素熒光參數的關系，發(fā)現各熒光參數與葉片氮素含量呈不同的指數函數和線性相關關系，且各葉片的氮素營養(yǎng)估測模型差異較大。 基于熒光參數Fv'/Fm' 與Fv建立的回歸方程中頂5 葉的熒光參數Fv與其氮素含量之間建立的線性模型的精確度和模擬性能最好。董合忠等[27]研究指出大田棉花頂5 葉的凈光合速率最高， 且同一光溫條件下，上部葉片的凈光合速率較下部葉片的凈光合速率低。 余渝等[28]提出棉花打頂后頂2 葉光合速率最大。 以上結論表明，頂部葉齡越高的葉片其光合能力越強，熒光參數Fv反演葉片氮素水平越好，因此，頂5 葉可作為熒光監(jiān)測棉花氮素含量的主要功能葉。 此外，本研究建立的模型與馬吉峰等[29]建立的麥稻氮素含量與熒光參數Fv/F0、Fv/Fm、Fm、Fv和F0的冪指數函數模型有差異。說明在不同作物間，葉綠素熒光參數與氮素含量存在不同程度的相關關系，利用葉綠素熒光參數監(jiān)測作物葉片氮素水平具有可行性。

葉綠素熒光參數的測定易受測定溫度、光照等條件的影響，同時野外測定可能會影響熒光參數對葉片氮素含量的反演精度。 目前利用葉綠素熒光參數監(jiān)測棉花氮素營養(yǎng)方面的研究較少，因此，今后還需要在不同地區(qū)、不同試驗條件下對本試驗的結論進行檢驗和評價，以提高本研究的廣適性和可靠性。

4 結論

構建并驗證了基于葉綠素熒光參數的滴灌棉花氮素估測模型。 通過對模型的檢驗，得出棉花頂5 葉熒光參數Fv與氮素含量構建的模型：y＝0.002 2x＋1.6243 的模擬效果較好，決定系數達到0.928，呈極顯著相關關系。 因此，利用葉綠素熒光參數估測棉花葉片氮素含量具有可行性。適當施氮能夠提高棉花葉片PSII 反應中心潛在最大光化學效率（Fv/Fm）、潛在光化學活性（Fv/F0）、電子傳遞效率（Fv）和最大光能捕獲效率（Fv'/Fm'），緩解棉花始絮期葉片光合能力下降，這對防止棉花早衰具有重要意義。

棉花出苗70 d 后，葉片氮含量隨植株生育進程逐漸降低，適當施氮有利于提高棉花葉片氮素含量和產量，延緩葉片的衰老進程，從而促進增產增效。