摘 要：【目的】分析監(jiān)測滴灌冬小麥關鍵生育期內氮素營養(yǎng)狀況實時動態(tài)，為氮肥科學合理施用提供參考?！痉椒ā坷萌~綠素儀SPAD-502獲取不同氮梯度滴灌冬小麥拔節(jié)期、孕穗期、揚花期、灌漿期和乳熟期葉片SPAD值，分析冬小麥葉片SPAD值、施氮量和產量三者之間的關系，建立基于SPAD值的冬小麥各關鍵生育期氮肥推薦模型。【結果】滴灌冬小麥葉片SPAD值從拔節(jié)期至孕穗期緩慢下降，從孕穗到灌漿期均快速增大，進入灌漿期后開始減小，除乳熟期外各生育期不同氮處理間SPAD值差異顯著；拔節(jié)期、孕穗期、揚花期和灌漿期葉片SPAD值與施氮量之間呈極顯著線性相關，相關系數(shù)在0.826以上；產量和施氮量為二次函數(shù)關系，關系表達式為Y = -0.034 5X²+19.494X+6 035，最高產量8 789 kg/hm²，對應的施氮量為282.52 kg/hm²，施氮量為268.67 kg/hm²可實現(xiàn)最佳經濟產量8 782.12 kg/hm²；拔節(jié)期、孕穗期、揚花期和灌漿期臨界SPAD值分別為43.07、42.09、49.35和52.07?！窘Y論】根據(jù)各生育時期SPAD值與施氮量的關系建立了氮肥推薦模型，基于冬小麥葉片SPAD值建立的關鍵生育期氮肥推薦模型可以實現(xiàn)營養(yǎng)診斷和指導分期施肥。

關鍵詞：滴灌冬小麥；SPAD值；施氮量；氮肥推薦模型

中圖分類號：S512 文獻標志碼：A 文章編號：1001-4330（2024）10-2366-08

收稿日期（Received）：2024-03-22

基金項目：農業(yè)科技創(chuàng)新穩(wěn)定支持專項（xjnkywdzc-2022002）;新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專項項目（2022A02011-2）;新疆農業(yè)科學院自主培育專項（xjnkycxzx-2022004）

作者簡介：孫法福（1997-），男，山東人，碩士研究生，研究方向為農業(yè)資源環(huán)境，（E-mail）18253289263@163.com

通訊作者：陳署晃（1973-），女，湖南人，研究員，碩士，研究方向為土壤肥料與農業(yè)信息技術，（E-mail）chensh66@ 163.com

0 引 言

【研究意義】氮素是作物生長的必需元素，決定作物產量高低和品質優(yōu)劣，當?shù)毓蛔銜r，作物生長發(fā)育緩慢，植株矮小瘦弱，莖稈纖細，葉片薄而小，呈黃綠色，易干枯老化，分蘗少，提早成熟，果實小而不充實，千粒重降低，產量低^{［1，2］}; 當?shù)毓^量，則會導致小麥貪青徒長，形成大量無效分蘗，易倒伏，收獲滯后，影響產量和品質，肥料效益不佳，同時增加成本，造成氮肥損失和污染環(huán)境等一系列問題^［3-6］。因此合理施氮肥是作物增產穩(wěn)產和保證品質的關鍵。新疆是我國小麥優(yōu)勢產區(qū)^［7］。近年來，新疆大力推廣滴灌水肥一體化技術，冬小麥滴灌栽培面積不斷增大^［8-9］，有效提高了水肥利用效率，小麥增產潛力得到進一步釋放，然而由于缺乏有效的分期施肥指導，依靠經驗施肥用量和時期不能滿足有效耦合小麥生長發(fā)育需求，研究滴灌條件下冬小麥生育期實時準確的氮營養(yǎng)診斷，對指導滴灌冬小麥種子施肥有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】傳統(tǒng)的作物氮素營養(yǎng)診斷要對作物進行破壞性取樣，雖然準確度高，但是操作繁瑣，而且還存在一定的滯后性，無法實時指導施肥^［10］。在現(xiàn)代作物營養(yǎng)監(jiān)測手段中，SPAD值葉綠素儀因其快速、準確、操作方便和間接反映植株氮素狀況而被廣泛使用。蔣阿寧等^［11］基于冬小麥拔節(jié)期倒一葉和倒二葉的歸一化SPAD值建立了京冬8號小麥變量施肥模型，該模型可以減少氮肥施用的同時提高小麥產量和籽粒蛋白質含量。史力超等^［12］基于新疆滴灌春小麥葉片中部SPAD值建立了各生育期氮肥施用模型，并給出最適SPAD值和臨界值SPAD值，實現(xiàn)節(jié)肥增效的目的。邊立麗等^［13］利用便攜式葉綠素儀對烤煙進行了氮營養(yǎng)監(jiān)測，烤煙葉片各個部位SPAD值與氮含量的相關系數(shù)遠小于葉尖、葉中、葉基三個部位SPAD值均值與氮含量的相關性。李志宏等^［14］利用葉綠素儀對冬小麥進行氮營養(yǎng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)最佳測量部位是完全展開葉的中部，且SPAD值與植株全氮、施氮量和產量間相關性均較高。朱麗麗等^［15］基于SPAD-502建立了3個品種大白菜不同生育時期的氮肥推薦施肥模型，依據(jù)每個生育時期的臨界SPAD值進行指導施肥。屈衛(wèi)群等^［16］通過研究棉花不同葉位SPAD值與施氮量的關系發(fā)現(xiàn)頂1定型葉與頂4定型葉的相對差值建立的營養(yǎng)診診斷模型精度最高。夏文豪等^［17］通過對比夏玉米葉片SPAD值和葉鞘NO^-₃含量與施氮量的關系，發(fā)現(xiàn)兩者與施氮量均有較高相關性，且均在拔節(jié)期相關性最高。【本研究切入點】利用SPAD值對作物進行營養(yǎng)診斷已有報道，但是對滴灌冬小麥多個生育期進行氮營養(yǎng)診斷、確定臨界SPAD值和建立分期施肥推薦模型報道較少。【擬解決的關鍵問題】研究不同量氮肥處理下的冬小麥關鍵生育期葉片SPAD值、施氮量、產量三者之間的關系，分析關鍵生育期的SPAD臨界值和分期追肥推薦模型，為滴灌冬小麥分期追肥提供判斷依據(jù)和實現(xiàn)小麥減肥增效提供依據(jù)。

新疆農業(yè)科學第61卷 第10期孫法福等：基于SPAD值的滴灌冬小麥氮肥推薦模型分析

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗點位于新疆昌吉回族自治州奇臺縣新疆農業(yè)科學院奇臺麥類試驗站（89°44′48″E，43°59′6″N），海拔831 m，年平均氣溫5.5 ℃，年均日照時數(shù)2 280～3 230 h，年平均降水量269.4 mm，屬于中溫帶大陸性半荒漠干旱性氣候。試驗區(qū)土壤灰漠土pH值8.12、鹽分1.46 g/kg、有機質16.61 g/kg、全氮0.94 g/kg、速效磷19.31 mg/kg、速效鉀272 mg/kg。

冬小麥品種為新冬22號，分別于2016年9月22日和2017年9月27日播種，播種量為345 kg/hm²，于2017年7月10日和2018年7月13日收獲。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

于2016～2017年進行2年定點試驗，共設置5個氮肥梯度，每個梯度3次重復：N₀（0 kg/hm²）、N₁（120 kg/hm²）、N₂（240 kg/hm²）、N₃（360 kg/hm²）和N₄（480 kg/hm²），小區(qū)面積為10 m×4.8 m = 48 m²，隨機區(qū)組排列，土地平整。氮肥為普通尿素，基追比為3∶7，返青期、孕穗期、揚花期和灌漿期施氮量占總施氮量比例為20%、10%、15%、15%和10%，全部的磷肥（P₂O₅）和鉀肥（K₂O）播前基施P₂O₅ 150 kg/hm²、K₂O 75 kg/hm²?？偟胃攘繛? 050 m³/hm²，出苗水和各生育期灌水量占總灌溉11%，冬灌量占22%，滴灌帶田間配置方式為1管4行（4行小麥1根滴灌帶，小麥行距約15 cm）。小區(qū)種植與管理方式和當?shù)卮筇锵嗤?/p>

1.2.2 測定指標

在冬小麥關鍵生育期（拔節(jié)、孕穗、揚花、灌漿和乳熟期），每個試驗小區(qū)選取具有代表性的20株小麥，采用便攜式葉綠素儀SPAD-502測定最上部完全展開葉的上中下3個部位，取其平均值作為該葉片的SPAD值。小麥成熟時每個小區(qū)選擇具有代表性的1 m²樣方測產，同時產量換算成12.5%的標準含水量產量，計算單位面積的籽粒產量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)整理和制圖，IBM SPSS Statistics25.0回歸分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同施氮水平下滴灌冬小麥葉片SPAD值的變化特征

研究表明，冬小麥葉片SPAD值在不同生育期間呈現(xiàn)“減小-增大-減小”的變化趨勢，從拔節(jié)期到孕穗期葉片SPAD值略微下降，從孕穗期到灌漿期，滴灌冬小麥SPAD值均表現(xiàn)增大的趨勢，進入乳熟期，葉片SPAD值下降。同一生育期內不同氮處理下的冬小麥SPAD值存在顯著性差異（Plt;0.05），其中各關鍵生育期高氮處理（N₃、N₄）的葉片SPAD值均大于低氮處理（N₀、N₁），乳熟期N₂、N₃、N₄處理的葉片SPAD值間差異不顯著。除乳熟期外，SPAD值可作為滴灌冬小麥氮素營養(yǎng)診斷的指標和依據(jù)。圖1

2.2 不同生育期滴灌冬小麥葉片SPAD值與施氮量之間的關系

研究表明，在冬小麥拔節(jié)期、孕穗期、揚花期、灌漿期，其SPAD值均隨施氮量的增加而增大，小麥SPAD值均呈線性增加趨勢，各生育時期SPAD值與施氮量均呈極顯著正相關，拔節(jié)期SPAD值與施氮量擬合決定系數(shù)為0.897最大，均方根誤差為0.795最?。辉兴肫跀M合模型R²為0.85，RMSE為0.877；揚花期R²為0.868，RMSE為0.859；灌漿期R²和RMSE分別為0.826和0.815，其中拔節(jié)期SPAD值與施氮量的線性擬合模型精度最佳，灌漿期擬合模型精度最差。圖2

2.3 不同施氮量與滴灌冬小麥產量間相關性

研究表明，隨著施氮量的增大，小麥產量先增加后降低，不同氮處理下以N₂處理下產量最高，繼續(xù)增施氮肥會導致小麥減產，通過一元二次方程對冬小麥產量和總施氮量進行擬合分析，得出總施氮量（X）和產量（Y）的定量關系：Y= -0.034 5X²+19.494X+6 035。當方程施氮量為282.52 kg/hm²時可獲得最高產量8 789 kg/hm²。以新疆2023年小麥2.60元/kg、尿素2.48元/kg計算，經濟效益和施氮量間的函數(shù)關系為Y=-0.087 9X+48.2X+15 691，當施氮量為268.67 kg/hm²時，小麥可達到最大經濟效益，對應的最佳經濟產量為8 782.12 kg/hm²。圖3

2.4 滴灌冬小麥不同生育時期葉片臨界SPAD值的確定

研究表明，滴灌冬小麥各關鍵生育期內葉片SPAD值與產量均呈極顯著相關性。在一定范圍內，小麥的產量隨著SPAD值的增加而增大，但當SPAD值增大到一定范圍后，產量緩慢降低，通過回歸分析，葉片SPAD值和產量間一元二次函數(shù)關系最好。各關鍵生育期中，揚花期SPAD值與產量間的擬合關系最好，R²為0.863，其次是拔節(jié)期，灌漿期擬合關系最差。達到最高產量時，拔節(jié)期、孕穗期、揚花期和灌漿期最適SPAD值分別為43.83、43.00、50.30和53.16。確定達到最佳經濟產量8 782.12 kg/hm²時拔節(jié)期、孕穗期、揚花期和灌漿期臨界SPAD值分別為43.07、42.09、49.35和52.07。當測定值低于臨界SPAD值時即需補充氮肥，否則表明該時期不用追施氮肥。圖4

2.5 基于葉片SPAD值的滴灌冬小麥氮肥推薦模型的建立

研究表明，根據(jù)施氮量與產量的擬合方程和施氮量與滴灌冬小麥葉片SPAD值的線性關系，能夠建立基于葉片SPAD值的滴灌冬小麥關鍵生育期氮營養(yǎng)診斷和分期施肥推薦模型。施氮量和SPAD值相關關系中的各生育期測定SPAD值前一次的施氮量為N_fer，全生育時期總施氮量為N_opt，則各生育時期追施氮肥量N_d：

N_d=N_ovt-N_fer.（1）

N_fer=（SPAD-a）/d.（2）

將（2）式代入（1）式，得到基于葉片SPAD值的關鍵生育期氮肥推薦模型：

N_d=N_ovt-SPAD/b+a/b.（3）

式中，a為SPAD值和施氮量線性方程的截距，b為方程回歸系數(shù)。將該試驗中得到的最佳經濟施氮量268.67 kg/hm²、確定的a、b值代入（3），得到滴灌冬小麥主要生育時期的氮肥追肥推薦模型，分期追施氮肥。依據(jù)每個生育期氮肥追施比例，可以基于SPAD值構建各關鍵生育期內氮肥追施推薦表。表1，表2

3 討 論

3.1 研究中，滴灌冬小麥拔節(jié)期到乳熟期葉片SPAD值呈“減小-增大-減小”的變化趨勢，其因為可能是小麥進入孕穗期，營養(yǎng)物質往穗部轉移，干物質迅速積累，葉片葉綠素含量相對降低，導致葉片SPAD值降低^［18］，從孕穗期到灌漿期，由于干物質比較穩(wěn)定，小麥葉面積快速增大和葉綠素含量逐漸積累增加，所以SPAD值快速增大，可能是因為進入灌漿期以后，小麥植株基本停止生長，葉片和莖稈養(yǎng)分逐漸向籽粒運移，葉片葉綠素含量逐漸降低，葉片葉逐漸枯萎變黃^［19］，與前人研究結論基本一致^{［12，20-22］}；而胡昊等^［23］研究得出冬麥保豐104葉片中部SPAD值隨生育期呈“增大-減小”的變化趨勢，與試驗結論研究結果不同，其原因可能是小麥品種、測量部位和地區(qū)差異。試驗研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥各關鍵生育期葉片SPAD值與施氮量呈線性極顯著正相關，與潘薇薇等^［23］、胡昊等^［22］和史力超等^［12］的研究結果一致，其中拔節(jié)期相關性最好、擬合精度最大，R²為0.897，RMSE為0.795。產量和施氮量的相關分析表明，在一定施氮范圍內，產量隨著施氮量的增加而增大，當施肥量達到一定數(shù)值后，產量將會下降，產量與施氮量為一元二次函數(shù)關系，與前人研究結論一致^{［12，21-22，24］}，試驗求得新冬22小麥最佳經濟施氮量為268.67kg/hm²，與前人研究得出結果差異不顯著^{［12，20，22，25］}。研究應用葉綠素儀得出冬小麥拔節(jié)期、孕穗期、揚花期和灌漿期的臨界SPAD值分別為43.07、42.09、49.35和52.07，與史力超等^［8］研究得出新春35臨界SPAD值42.4、39.4、41.8、51.4存在一定差異，小麥品種、SPAD測量位置和土壤肥力差異等原因均會導致葉片SPAD值存在較大差異^［25-28］。

3.2 試驗通過探究SPAD值、施氮量、產量三者間的定量關系，建立了基于葉片SPAD值的分期氮肥推薦模型，對小麥肥料減施增效具有重要意義。研究只是基于單一品種新冬22號得到的推薦施肥模型，并未考慮土壤養(yǎng)分狀況、葉片測量位置、測定時間和地區(qū)差異等因素。雖然進行2年定點試驗，但是未對試驗結果進一步驗證。因此，今后應在葉片不同測量位置、不同土壤肥力、多種品種、多區(qū)域下開展進一步探索，并且對模型的普適性和穩(wěn)定性進一步研究。

4 結 論

4.1 冬小麥關鍵生育期葉片的SPAD值與施氮量呈極顯著相關性，拔節(jié)期擬合模型最優(yōu)，SPAD值可以作為氮素營養(yǎng)診斷的指標。

4.2 冬小麥產量與施氮量之間呈二次函數(shù)關系，Y=-0.034 5X²+19.494X+6 035，小麥最佳經濟產量為8 782.12 kg/hm²，對應最佳經濟施氮量為268.67 kg/hm²。

4.3 小麥拔節(jié)期、孕穗期、揚花期和灌漿期臨界SPAD值為43.07、42.09、49.35和52.07。當實際SPAD值低于臨界值，需要追施氮肥，高于臨界值時根據(jù)分期推薦施肥模型定量追施氮肥。

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Study on recommended nitrogen fertilizer quota for winter

wheat under drip irrigation based on SPAD value

SUN Fafu¹， LAI Ning²， GENG Qinglong²， LI Yongfu²，

LYU Caixia²， XIN Huinan²， LI Na²， CHEN Shuhuang²

（1.College of Resources and Environmental Sciences， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China; 2. Research Institute of Soil， Fertilizer and Agricultural Water Conservation/Agricultural Remote Sensing Center， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences，Urumqi 830091，China）

Abstract：【Objective】 To provide a reference for the real-time monitoring of nitrogen nutrition and the scientific and rational application of nitrogen fertilizer during the key growth period of winter wheat under drip irrigation.【Methods】 The leaf SPAD values of winter wheat under drip irrigation with different nitrogen gradients were obtained by using chlorophyll analyzer SPAD-502， the relationship among leaf SPAD value， nitrogen application amount and yield was analyzed， and the recommended nitrogen fertilizer model of winter wheat at each key growth stage based on SPAD value was established.【Results】 Leaf SPAD value of drip irrigation winter wheat decreased slowly from jointing stage to booting stage， increased rapidly from booting stage to filling stage， and began to decrease after entering filling stage. The SPAD values of different nitrogen treatments were significantly different at different growth stages excluding milk maturity stage. There was a significant linear correlation between leaf SPAD and nitrogen application at jointing stage， booting stage， flowering stage and filling stage， and the correlation coefficient was above 0.826; The relationship between yield and nitrogen application was quadratic function，Y= -0.034，5X²+19.494X+6，035；The highest yield was 8，789 kg/hm²， and the corresponding nitrogen application was 282.52 kg/hm²， In order to obtain the optimal economic yield of 8，782.12 kg/hm²， the nitrogen application amount was 268.67 kg/hm²; The critical SPAD values at jointing， booting， flowering and filling stages were 43.07、42.09、49.35 and 52.07， respectively. 【Conclusion】 A ideal nitrogen recommendation model was established according to the relationship between SPAD value and nitrogen application amount in each growth period.The recommended nitrogen fertilizer model based on SPAD value of wheat leaves can realize nutrient diagnosis and guide phased fertilization.

Key words：drip-irrigated winter wheat; SPAD value; nitrogen application rate; nitrogen fertilizer recommendation of topdressing

Fund projects：Agricultural Science and Technology Innovation and Stability Support Project （xjnkywdzc-2022002）; Major Science and Technology Special Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region（2022A02011-2）; Independent Cultivation Project of Xinjiang Academy of Agricultural Sciences （xjnkycxzx-2022004）

Correspondence author： CHEN Shuhuang（1973 -） ， female，from Hunan，researcher，research direction： soil fertilizer and agricultural information technology， （E-mail） chensh66@163.com