摘 要：【目的】分析监测滴灌冬小麦关键生育期内氮素营养状况实时动态，为氮肥科学合理施用提供参考。【方法】利用叶绿素仪SPAD-502获取不同氮梯度滴灌冬小麦拔节期、孕穗期、扬花期、灌浆期和乳熟期叶片SPAD值，分析冬小麦叶片SPAD值、施氮量和产量三者之间的关系，建立基于SPAD值的冬小麦各关键生育期氮肥推荐模型。【结果】滴灌冬小麦叶片SPAD值从拔节期至孕穗期缓慢下降，从孕穗到灌浆期均快速增大，进入灌浆期后开始减小，除乳熟期外各生育期不同氮处理间SPAD值差异显著；拔节期、孕穗期、扬花期和灌浆期叶片SPAD值与施氮量之间呈极显著线性相关，相关系数在0.826以上；产量和施氮量为二次函数关系，关系表达式为Y = -0.034 5X2+19.494X+6 035，最高产量8 789 kg/hm2，对应的施氮量为282.52 kg/hm2，施氮量为268.67 kg/hm2可实现最佳经济产量8 782.12 kg/hm2；拔节期、孕穗期、扬花期和灌浆期临界SPAD值分别为43.07、42.09、49.35和52.07。【结论】根据各生育时期SPAD值与施氮量的关系建立了氮肥推荐模型，基于冬小麦叶片SPAD值建立的关键生育期氮肥推荐模型可以实现营养诊断和指导分期施肥。
关键词：滴灌冬小麦；SPAD值；施氮量；氮肥推荐模型
中图分类号：S512 文献标志码：A 文章编号：1001-4330（2024）10-2366-08
收稿日期（Received）：2024-03-22
基金项目：农业科技创新稳定支持专项（xjnkywdzc-2022002）;新疆维吾尔自治区重大科技专项项目（2022A02011-2）;新疆农业科学院自主培育专项（xjnkycxzx-2022004）
作者简介：孙法福（1997-），男，山东人，硕士研究生，研究方向为农业资源环境，（E-mail）18253289263@163.com
通讯作者：陈署晃（1973-），女，湖南人，研究员，硕士，研究方向为土壤肥料与农业信息技术，（E-mail）chensh66@ 163.com
0 引 言
【研究意义】氮素是作物生长的必需元素，决定作物产量高低和品质优劣，当氮素供应不足时，作物生长发育缓慢，植株矮小瘦弱，茎秆纤细，叶片薄而小，呈黄绿色，易干枯老化，分蘖少，提早成熟，果实小而不充实，千粒重降低，产量低［1，2］; 当氮素供应过量，则会导致小麦贪青徒长，形成大量无效分蘖，易倒伏，收获滞后，影响产量和品质，肥料效益不佳，同时增加成本，造成氮肥损失和污染环境等一系列问题［3-6］。因此合理施氮肥是作物增产稳产和保证品质的关键。新疆是我国小麦优势产区［7］。近年来，新疆大力推广滴灌水肥一体化技术，冬小麦滴灌栽培面积不断增大［8-9］，有效提高了水肥利用效率，小麦增产潜力得到进一步释放，然而由于缺乏有效的分期施肥指导，依靠经验施肥用量和时期不能满足有效耦合小麦生长发育需求，研究滴灌条件下冬小麦生育期实时准确的氮营养诊断，对指导滴灌冬小麦种子施肥有重要意义。【前人研究进展】传统的作物氮素营养诊断要对作物进行破坏性取样，虽然准确度高，但是操作繁琐，而且还存在一定的滞后性，无法实时指导施肥［10］。在现代作物营养监测手段中，SPAD值叶绿素仪因其快速、准确、操作方便和间接反映植株氮素状况而被广泛使用。蒋阿宁等［11］基于冬小麦拔节期倒一叶和倒二叶的归一化SPAD值建立了京冬8号小麦变量施肥模型，该模型可以减少氮肥施用的同时提高小麦产量和籽粒蛋白质含量。史力超等［12］基于新疆滴灌春小麦叶片中部SPAD值建立了各生育期氮肥施用模型，并给出最适SPAD值和临界值SPAD值，实现节肥增效的目的。边立丽等［13］利用便携式叶绿素仪对烤烟进行了氮营养监测，烤烟叶片各个部位SPAD值与氮含量的相关系数远小于叶尖、叶中、叶基三个部位SPAD值均值与氮含量的相关性。李志宏等［14］利用叶绿素仪对冬小麦进行氮营养监测发现最佳测量部位是完全展开叶的中部，且SPAD值与植株全氮、施氮量和产量间相关性均较高。朱丽丽等［15］基于SPAD-502建立了3个品种大白菜不同生育时期的氮肥推荐施肥模型，依据每个生育时期的临界SPAD值进行指导施肥。屈卫群等［16］通过研究棉花不同叶位SPAD值与施氮量的关系发现顶1定型叶与顶4定型叶的相对差值建立的营养诊诊断模型精度最高。夏文豪等［17］通过对比夏玉米叶片SPAD值和叶鞘NO-3含量与施氮量的关系，发现两者与施氮量均有较高相关性，且均在拔节期相关性最高。【本研究切入点】利用SPAD值对作物进行营养诊断已有报道，但是对滴灌冬小麦多个生育期进行氮营养诊断、确定临界SPAD值和建立分期施肥推荐模型报道较少。【拟解决的关键问题】研究不同量氮肥处理下的冬小麦关键生育期叶片SPAD值、施氮量、产量三者之间的关系，分析关键生育期的SPAD临界值和分期追肥推荐模型，为滴灌冬小麦分期追肥提供判断依据和实现小麦减肥增效提供依据。
新疆农业科学第61卷 第10期孙法福等：基于SPAD值的滴灌冬小麦氮肥推荐模型分析
1 材料与方法
1.1 材 料
试验点位于新疆昌吉回族自治州奇台县新疆农业科学院奇台麦类试验站（89°44′48″E，43°59′6″N），海拔831 m，年平均气温5.5 ℃，年均日照时数2 280～3 230 h，年平均降水量269.4 mm，属于中温带大陆性半荒漠干旱性气候。试验区土壤灰漠土pH值8.12、盐分1.46 g/kg、有机质16.61 g/kg、全氮0.94 g/kg、速效磷19.31 mg/kg、速效钾272 mg/kg。
冬小麦品种为新冬22号，分别于2016年9月22日和2017年9月27日播种，播种量为345 kg/hm2，于2017年7月10日和2018年7月13日收获。
1.2 方 法
1.2.1 试验设计
于2016～2017年进行2年定点试验，共设置5个氮肥梯度，每个梯度3次重复：N0（0 kg/hm2）、N1（120 kg/hm2）、N2（240 kg/hm2）、N3（360 kg/hm2）和N4（480 kg/hm2），小区面积为10 m×4.8 m = 48 m2，随机区组排列，土地平整。氮肥为普通尿素，基追比为3∶7，返青期、孕穗期、扬花期和灌浆期施氮量占总施氮量比例为20%、10%、15%、15%和10%，全部的磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）播前基施P2O5 150 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。总滴溉量为4 050 m3/hm2，出苗水和各生育期灌水量占总灌溉11%，冬灌量占22%，滴灌带田间配置方式为1管4行（4行小麦1根滴灌带，小麦行距约15 cm）。小区种植与管理方式和当地大田相同。
1.2.2 测定指标
在冬小麦关键生育期（拔节、孕穗、扬花、灌浆和乳熟期），每个试验小区选取具有代表性的20株小麦，采用便携式叶绿素仪SPAD-502测定最上部完全展开叶的上中下3个部位，取其平均值作为该叶片的SPAD值。小麦成熟时每个小区选择具有代表性的1 m2样方测产，同时产量换算成12.5%的标准含水量产量，计算单位面积的籽粒产量。
1.3 数据处理
Microsoft Excel 2019进行数据整理和制图，IBM SPSS Statistics25.0回归分析和显著性检验。
2 结果与分析
2.1 不同施氮水平下滴灌冬小麦叶片SPAD值的变化特征
研究表明，冬小麦叶片SPAD值在不同生育期间呈现“减小-增大-减小”的变化趋势，从拔节期到孕穗期叶片SPAD值略微下降，从孕穗期到灌浆期，滴灌冬小麦SPAD值均表现增大的趋势，进入乳熟期，叶片SPAD值下降。同一生育期内不同氮处理下的冬小麦SPAD值存在显著性差异（Plt;0.05），其中各关键生育期高氮处理（N3、N4）的叶片SPAD值均大于低氮处理（N0、N1），乳熟期N2、N3、N4处理的叶片SPAD值间差异不显著。除乳熟期外，SPAD值可作为滴灌冬小麦氮素营养诊断的指标和依据。图1
2.2 不同生育期滴灌冬小麦叶片SPAD值与施氮量之间的关系
研究表明，在冬小麦拔节期、孕穗期、扬花期、灌浆期，其SPAD值均随施氮量的增加而增大，小麦SPAD值均呈线性增加趋势，各生育时期SPAD值与施氮量均呈极显著正相关，拔节期SPAD值与施氮量拟合决定系数为0.897最大，均方根误差为0.795最小；孕穗期拟合模型R2为0.85，RMSE为0.877；扬花期R2为0.868，RMSE为0.859；灌浆期R2和RMSE分别为0.826和0.815，其中拔节期SPAD值与施氮量的线性拟合模型精度最佳，灌浆期拟合模型精度最差。图2
2.3 不同施氮量与滴灌冬小麦产量间相关性
研究表明，随着施氮量的增大，小麦产量先增加后降低，不同氮处理下以N2处理下产量最高，继续增施氮肥会导致小麦减产，通过一元二次方程对冬小麦产量和总施氮量进行拟合分析，得出总施氮量（X）和产量（Y）的定量关系：Y= -0.034 5X2+19.494X+6 035。当方程施氮量为282.52 kg/hm2时可获得最高产量8 789 kg/hm2。以新疆2023年小麦2.60元/kg、尿素2.48元/kg计算，经济效益和施氮量间的函数关系为Y=-0.087 9X+48.2X+15 691，当施氮量为268.67 kg/hm2时，小麦可达到最大经济效益，对应的最佳经济产量为8 782.12 kg/hm2。图3
2.4 滴灌冬小麦不同生育时期叶片临界SPAD值的确定
研究表明，滴灌冬小麦各关键生育期内叶片SPAD值与产量均呈极显著相关性。在一定范围内，小麦的产量随着SPAD值的增加而增大，但当SPAD值增大到一定范围后，产量缓慢降低，通过回归分析，叶片SPAD值和产量间一元二次函数关系最好。各关键生育期中，扬花期SPAD值与产量间的拟合关系最好，R2为0.863，其次是拔节期，灌浆期拟合关系最差。达到最高产量时，拔节期、孕穗期、扬花期和灌浆期最适SPAD值分别为43.83、43.00、50.30和53.16。确定达到最佳经济产量8 782.12 kg/hm2时拔节期、孕穗期、扬花期和灌浆期临界SPAD值分别为43.07、42.09、49.35和52.07。当测定值低于临界SPAD值时即需补充氮肥，否则表明该时期不用追施氮肥。图4
2.5 基于叶片SPAD值的滴灌冬小麦氮肥推荐模型的建立
研究表明，根据施氮量与产量的拟合方程和施氮量与滴灌冬小麦叶片SPAD值的线性关系，能够建立基于叶片SPAD值的滴灌冬小麦关键生育期氮营养诊断和分期施肥推荐模型。施氮量和SPAD值相关关系中的各生育期测定SPAD值前一次的施氮量为Nfer，全生育时期总施氮量为Nopt，则各生育时期追施氮肥量Nd：
Nd=Novt-Nfer.（1）
Nfer=（SPAD-a）/d.（2）
将（2）式代入（1）式，得到基于叶片SPAD值的关键生育期氮肥推荐模型：
Nd=Novt-SPAD/b+a/b.（3）
式中，a为SPAD值和施氮量线性方程的截距，b为方程回归系数。将该试验中得到的最佳经济施氮量268.67 kg/hm2、确定的a、b值代入（3），得到滴灌冬小麦主要生育时期的氮肥追肥推荐模型，分期追施氮肥。依据每个生育期氮肥追施比例，可以基于SPAD值构建各关键生育期内氮肥追施推荐表。表1，表2
3 讨 论
3.1 研究中，滴灌冬小麦拔节期到乳熟期叶片SPAD值呈“减小-增大-减小”的变化趋势，其因为可能是小麦进入孕穗期，营养物质往穗部转移，干物质迅速积累，叶片叶绿素含量相对降低，导致叶片SPAD值降低［18］，从孕穗期到灌浆期，由于干物质比较稳定，小麦叶面积快速增大和叶绿素含量逐渐积累增加，所以SPAD值快速增大，可能是因为进入灌浆期以后，小麦植株基本停止生长，叶片和茎秆养分逐渐向籽粒运移，叶片叶绿素含量逐渐降低，叶片叶逐渐枯萎变黄［19］，与前人研究结论基本一致［12，20-22］；而胡昊等［23］研究得出冬麦保丰104叶片中部SPAD值随生育期呈“增大-减小”的变化趋势，与试验结论研究结果不同，其原因可能是小麦品种、测量部位和地区差异。试验研究发现，冬小麦各关键生育期叶片SPAD值与施氮量呈线性极显著正相关，与潘薇薇等［23］、胡昊等［22］和史力超等［12］的研究结果一致，其中拔节期相关性最好、拟合精度最大，R2为0.897，RMSE为0.795。产量和施氮量的相关分析表明，在一定施氮范围内，产量随着施氮量的增加而增大，当施肥量达到一定数值后，产量将会下降，产量与施氮量为一元二次函数关系，与前人研究结论一致［12，21-22，24］，试验求得新冬22小麦最佳经济施氮量为268.67kg/hm2，与前人研究得出结果差异不显著［12，20，22，25］。研究应用叶绿素仪得出冬小麦拔节期、孕穗期、扬花期和灌浆期的临界SPAD值分别为43.07、42.09、49.35和52.07，与史力超等［8］研究得出新春35临界SPAD值42.4、39.4、41.8、51.4存在一定差异，小麦品种、SPAD测量位置和土壤肥力差异等原因均会导致叶片SPAD值存在较大差异［25-28］。
3.2 试验通过探究SPAD值、施氮量、产量三者间的定量关系，建立了基于叶片SPAD值的分期氮肥推荐模型，对小麦肥料减施增效具有重要意义。研究只是基于单一品种新冬22号得到的推荐施肥模型，并未考虑土壤养分状况、叶片测量位置、测定时间和地区差异等因素。虽然进行2年定点试验，但是未对试验结果进一步验证。因此，今后应在叶片不同测量位置、不同土壤肥力、多种品种、多区域下开展进一步探索，并且对模型的普适性和稳定性进一步研究。
4 结 论
4.1 冬小麦关键生育期叶片的SPAD值与施氮量呈极显著相关性，拔节期拟合模型最优，SPAD值可以作为氮素营养诊断的指标。
4.2 冬小麦产量与施氮量之间呈二次函数关系，Y=-0.034 5X2+19.494X+6 035，小麦最佳经济产量为8 782.12 kg/hm2，对应最佳经济施氮量为268.67 kg/hm2。
4.3 小麦拔节期、孕穗期、扬花期和灌浆期临界SPAD值为43.07、42.09、49.35和52.07。当实际SPAD值低于临界值，需要追施氮肥，高于临界值时根据分期推荐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
