石小虎，蔡煥杰

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基于葉片SPAD估算不同水氮處理下溫室番茄氮營養(yǎng)指數(shù)

石小虎1,2，蔡煥杰2※

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024； 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，楊凌 712100）

為了探討臨界氮稀釋曲線模型在西北地區(qū)溫室番茄不同水分處理下的適用性以及采用SPAD儀快速準(zhǔn)確診斷氮營養(yǎng)狀況，該研究以“麗娜”番茄為材料，2013－2015年在陜西省楊凌區(qū)溫室內(nèi)進行水分和氮素處理試驗，水分處理設(shè)置4個水平，分別為全生育期充分灌水處理、僅苗期虧水50%、苗期開花期連續(xù)虧水50%和全生育期虧水50%；氮素處理設(shè)置3個水平，施氮量分別為0、150和300 kg/hm2，通過2013－2015年試驗數(shù)據(jù)對臨界氮濃度稀釋曲線模型進行率定和驗證，并將該模型參數(shù)與番茄全生育期平均日耗水量建立相關(guān)關(guān)系，提高了臨界氮濃度稀釋模型在不同水分條件下的適用性。結(jié)果表明通過番茄全生育期平均日耗水量和臨界氮濃度稀釋曲線模型估算得到的臨界氮濃度估算值和實際計算值有較好的一致性，其絕對誤差為0.13～0.34 g/(100 g)，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.14～0.39 g/(100 g)，決定系數(shù)為0.94～0.99，因此采用該方法可以對西北地區(qū)溫室番茄不同水分處理下臨界氮濃度稀釋進行準(zhǔn)確估算。通過2013－2015年試驗數(shù)據(jù)分析番茄不同葉位葉片SPAD值和氮營養(yǎng)指數(shù)（nitrogen nutrition index，NNI）之間相關(guān)性，結(jié)果表明番茄中位葉片SPAD值與氮營養(yǎng)指數(shù)（NNI）有良好的線性相關(guān)性（決定系數(shù)為0.77～0.98），且該相關(guān)系數(shù)值與番茄日耗水量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，因此通過番茄日耗水量可以估算出NNI與中位葉片SPAD值之間的線性關(guān)系，估算出NNI=1時的中位葉片SPAD值，并以此SPAD值進行氮營養(yǎng)診斷。該研究可為西北地區(qū)溫室番茄實時氮營養(yǎng)診斷和優(yōu)化氮素管理提供了較好的理論參考。

葉綠素；水分；溫室；番茄；水分處理；臨界氮濃度；氮營養(yǎng)指數(shù)

0 引 言

溫室蔬菜栽培在中國西北地區(qū)種植規(guī)模發(fā)展迅速，番茄作為溫室蔬菜的主要品種，生育期短，在反季節(jié)蔬菜中占有很大比例。傳統(tǒng)的肥大水勤仍然是當(dāng)?shù)刂饕乃使芾矸绞?，氮肥過量施用的現(xiàn)象比較普遍，過量施氮不僅能使蔬菜產(chǎn)量降低，還能導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮積累，引發(fā)土壤次生鹽漬化[1-2]。臨界氮濃度是一定的生長時期內(nèi)獲得最大生物量時的最小氮濃度值[3]。因此明確番茄干物質(zhì)形成過程中不同生育階段的臨界氮濃度是科學(xué)診斷植株氮營養(yǎng)狀況，是實現(xiàn)番茄各生育階段氮肥合理施用的基礎(chǔ)。為了準(zhǔn)確地計算出作物不同生育期階段的臨界氮濃度，Greenwood等[4]在1990年提出了關(guān)于C3、C4作物臨界氮濃度與地上部生物量關(guān)系的通用模型，后經(jīng)Lemaire和Gastal等[5]大量試驗，修正了其中的參數(shù)[6]和參數(shù)[7]，提出了關(guān)于C3、C4作物的新模型，由于模型是基于多個試驗平均得到的結(jié)果，且供試作物不能代表所有作物。近些年國內(nèi)外學(xué)者對不同作物進行臨界氮濃度稀釋模型的研究，主要集中在棉花[8]、小麥[9-10]、番茄[11-13]、高粱[14]、玉米[15-16]等作物，研究均表明臨界氮濃度稀釋曲線模型可較好的描述地上部生物量與氮濃度的關(guān)系，但由于試驗地、供試作物及試驗處理等因素不同，導(dǎo)致了氮濃度稀釋模型參數(shù)和也有較大的差異，因此需要根據(jù)實際情況對模型參數(shù)進行校正。根據(jù)臨界氮濃度稀釋曲線，Lemaire[17]等定義了氮素營養(yǎng)指數(shù)（nitrogen nutrition index，NNI），即地上部實測氮濃度和臨界氮濃度的比值。當(dāng)NNI=1時，表明作物體內(nèi)氮素營養(yǎng)合適，NNI>1表明氮營養(yǎng)過剩，NNI<1表明氮營養(yǎng)不足。強生才等[16]研究表明在不同降雨年型下，所構(gòu)建的夏玉米臨界氮稀釋曲線模型有所不同，降雨量不同導(dǎo)致了模型參數(shù)的不同。楊慧等[12]在不同水分條件下構(gòu)建了溫室盆栽番茄臨界氮稀釋曲線模型，并表現(xiàn)出不同灌水量處理氮濃度稀釋模型參數(shù)不同。因此不同水分處理下臨界氮稀釋曲線模型參數(shù)有較大的差別，需要根據(jù)實際的種植和處理情況進行氮素營養(yǎng)診斷。

氮素營養(yǎng)指數(shù)（NNI）診斷法作為傳統(tǒng)氮素診斷技術(shù)，這種方法判定準(zhǔn)確、可信度高，但是需要的樣本量較大、并且需要破壞植物樣本，且操作復(fù)雜、費時、不能實時實地得出結(jié)果，限制了這種方法在實際操作中的推廣應(yīng)用[18]，而利用現(xiàn)代儀器氮素診斷技術(shù)則可以快速、便捷和非破壞性的進行作物氮素診斷，如圖像及計算機視覺診斷、高光譜遙感診斷和SPAD儀診斷等。視覺技術(shù)是通過對人的視覺進行計算機計算模擬，通過圖片采集工具對作物冠層葉片的圖像綠光值來判斷植株的氮營養(yǎng)情況[19]，但是存在攜帶不方便，不能進行實時實地的跟蹤觀察測定等缺陷；高光遙感技術(shù)是某一光譜區(qū)域?qū)庾V進行詳細(xì)劃分，進一步得到更多波段的光譜信息，與多波段遙感相比，高光譜遙感光譜分辨率較高，Maderia研究表明水稻葉片中的葉綠素含量高低與光譜特征之間兩者存在相關(guān)性，可以通過光譜檢測植株的氮營養(yǎng)狀況[20]，但該方法存在數(shù)據(jù)獲得需經(jīng)過反復(fù)的轉(zhuǎn)換，影響因素較多，儀器昂貴等缺陷；葉綠素計（SPAD計）是一種便攜式光譜儀，具有攜帶方便、可實時實地進行觀察測定等優(yōu)點，它是以葉綠素對對紅光和近紅外光的差異吸收，根據(jù)透過葉片的透射光特征來表達(dá)葉片的葉綠素相對含量，進而可以根據(jù)葉片葉綠素含量與葉片氮含量的關(guān)系來推算植物的氮營養(yǎng)狀況[21]，Errecart等[22]也通過建立葉片SPAD值與植株NNI值之間的相關(guān)性，利用葉片SPAD值來快速模擬作物NNI值，Yang等[23]比較水稻不同葉位的SPAD值和NNI之間的回歸關(guān)系，表明該擬合關(guān)系在年際間表現(xiàn)穩(wěn)定，推測利用SPAD值可判斷NNI值，用于水稻的氮素營養(yǎng)診斷。本研究為了提高臨界氮濃度稀釋曲線模型在西北地區(qū)溫室番茄不同水分處理的適用性以及確定適當(dāng)葉位葉片SPAD值估算出番茄NNI值進行氮素營養(yǎng)診斷。因此本研究通過2013－2015年2 a不同水分處理處理下3個氮素處理的溫室番茄試驗，率定和驗證了臨界氮稀釋曲線模型在西北地區(qū)溫室番茄不同水分狀況的適用性，篩選出適宜的測定葉位以及根據(jù)葉片SPAD值確定氮營養(yǎng)指數(shù)，旨在為不同水分條件下番茄氮素合理利用、氮營養(yǎng)狀況的診斷及氮素優(yōu)化管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2013－2015年在陜西省楊凌區(qū)溫室內(nèi)進行（34°18′N、108°4′E，海拔521 m）。試驗溫室為非加熱型自然通風(fēng)溫室，主體為鋼架結(jié)構(gòu)，用塑料薄膜覆蓋，南北走向（長×寬×高，50 m×6.5 m×4.6 m），溫室頂部和底部各設(shè) 1 m 寬通風(fēng)口，并配置手動啟閉裝置，當(dāng)溫室內(nèi)溫度＞35 ℃或＜10 ℃時，通過開啟或關(guān)閉通風(fēng)口來調(diào)節(jié)溫室內(nèi)溫度。溫室內(nèi)部番茄為南北方向種植。該地溫室0～60 cm土壤內(nèi)，黏粒（＜2m）為22%，粉粒（2～20m）為56%，砂粒（≥20～2 000m）為22%，有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.44%，容重為1.41 g/cm3，飽和含水率θ為0.41 cm3/cm3，田間持水量θ為0.34 cm3/cm3，凋萎含水量θ為 0.14 cm3/cm3。

1.2 試驗設(shè)計

本研究設(shè)計2個因素：水分和氮素。4個灌水水平：全生育期充分灌水處理（W1）、僅苗期虧水50%（W2）、苗期開花期連續(xù)虧水50%（W3）、全生育期虧水50%（W4）；3個施氮水平，分別為無氮（N0：0）、中氮（N150：150 kg/hm2）和高氮（N300：300 kg/hm2），水分和氮素進行完全組合，如表1所示。各試驗處理進行3次重復(fù)共36個小區(qū)，各小區(qū)面積為6.5 m×2.4 m=15.6 m2，完全隨機布置，小區(qū)之間用埋深60 cm的塑料薄膜隔離，試驗小區(qū)布置如圖1所示。

表1 試驗設(shè)計

注：W1～W4分別為全生育期充分灌水處理、僅苗期虧水50%處理、苗期開花期連續(xù)虧水50%處理和全部虧水50%處理；N0、N150和N300為施氮量為0、150和300 kg·hm-2處理；為灌水量，mm。

Note: W1-W4are full irrigation treatment, deficit of 50% only in seedling stage, deficit of 50% both in seedling stage and flowering stage, deficit of 50% in the whole growth stage; N0, N150and N300are no nitrogen application, nitrogen application rate of 150 kg·hm-2and nitrogen application rate of 300 kg·hm-2, respectively;is irrigation amount, mm.

圖1 溫室番茄試驗小區(qū)處理布置

本研究采用膜下滴灌灌溉方式，灌水從定植后15d開始，各水分處理灌水周期為7 d左右，設(shè)置充分灌溉處理（W1）灌水上限為田間持水率的90%[24]。石小虎[25]研究表明番茄根系在0～60 cm土層內(nèi)分布，因此本研究設(shè)置計劃濕潤層深度為60 cm。根據(jù)王峰等[24]研究，計算出充分灌水處理（W1）各生育期灌水量，其他水分處理僅在灌水量上進行減少，灌水時間和次數(shù)均與W1處理相同；根據(jù)石小虎[25]研究將高氮水平（N300）定為300 Kg/hm2（以N計），N0和N150處理只在施氮量上進行減少。氮肥選用尿素（含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù) 46%），定植之前基施 40%，剩余60%分別在定植后（days after transferring，DAT）70、90和110 d溶化到水中隨滴灌平均施入。

試驗用品種為番茄“麗娜”，番茄生育期劃分為緩苗期（2013-08-10－08-31、2014-08-15－09-08），苗期（2013-09-01－10-05、2014-09-09－10-12），開花期（2013-10-06－12-05、2014-10-13－12-12）和成熟期（2013-12-06－2014-01-10、2014-12-13－2015-01-21）。種植方式為當(dāng)?shù)氐湫偷钠饓鸥材ぴ耘嗄Ｊ?，壟?0 cm、壟寬80 cm，番茄幼苗按單穴單株定植在壟的兩側(cè)，其寬行距為80 cm，跨溝窄行距為40 cm，株距為40 cm，種植密度為4.2株/m2。定植前在溫室內(nèi)均勻施入等量的磷肥200 kg/hm2（以P計）和鉀肥300 kg/hm2（以K計）。定植時灌定植水20 mm，定植后14 d內(nèi)不灌水，以利于蹲苗，待番茄幼苗成活后再進行試驗處理。定植當(dāng)天沿溫室南北走向鋪設(shè)寬1.2 m，厚0.005 mm地膜，番茄開花后用細(xì)繩將番茄懸吊在溫室上方的鐵絲上，并每3 d人工授粉1次，同時進行噴藥等農(nóng)作管理。全生育期內(nèi)，每株番茄留3穗果后摘心，每穗留4～5個番茄。番茄成熟后每2 d進行采摘1次，其他農(nóng)作管理按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)進行。

1.3 觀測項目與方法

1）土壤含水率

將Trime系列土壤水分測量儀（IMKO Corp., Germany）埋設(shè)在距離植株 20 cm 位置處，分別測定各小區(qū)寬行、窄行和株間的土壤含水率，灌水前后各測1次，從表層到 60 cm 深每隔15 cm測量1次，計算時取其平均值。

2）充分灌水處理灌水量

灌水從定植后15 d開始，充分灌水處理灌水上限為田間持水量（FC）的90%，其灌水量（mm）為

=10(0.9FC?i)Z（1）

式中θ為灌水前的土壤含水量，cm3/cm3；Z為計劃濕潤層深度，cm，本文取60 cm。

3）番茄日耗水量

由于溫室內(nèi)地勢平坦，沒有地表徑流；當(dāng)?shù)氐叵滤裨O(shè)較深，地下水對番茄的補給可以忽略；溫室可以阻隔降雨的進入，因此降雨量可以忽略；根據(jù)溫室內(nèi)自制的滲透儀可以得到60 cm土層處沒有深層滲漏。因此水量平衡公式可簡化為

ET=(I+Δ)/（2）

式中ET為天內(nèi)平均日耗水量，mm/d；I為天內(nèi)的灌水量，mm；Δ為天內(nèi)土壤含水量的變化量，mm。

4）番茄地上部生物量

定苗后每隔20 d左右進行破壞性取樣，每次均取3株。每次取樣稱量番茄地上部莖、葉、果鮮質(zhì)量，在105 ℃下烘15 min殺青，72 ℃下烘至恒質(zhì)量，計算其生物量。

5）植株各器官含氮量測定

將各處理的干物質(zhì)分器官粉碎后過篩，用H2SO4-H2O2消煮法和凱氏定氮儀（FOSS 2300 型）測定各器官全氮含量，并計算植株全氮含量。各器官氮累積量(kg/hm2)=器官含氮量(%)×器官生物量(kg/hm2)，所有器官氮累積量相加得到地上部植株氮累積量。植株含氮量(%)=植株氮累積量(kg/hm2)/植株生物量(kg/hm2)。

6）葉片SPAD值

各處理取整齊一致的3株植株，分別對不同節(jié)位葉片（由下向上依次為5、6、7、8、9、10、11、12節(jié)位）SPAD值采用SPAD-502儀測定，將第5、6和7節(jié)位所測數(shù)據(jù)平均后作為下位葉SPAD值，第8、9和10節(jié)位所測數(shù)據(jù)平均后作為中位葉SPAD值，第11和12節(jié)位所測數(shù)據(jù)平均后作為上位葉SPAD值。

1.4 模型描述

1.4.1 臨界氮稀釋曲線模型

根據(jù) Justes等[26]1994年提出的臨界氮濃度的定義及計算方法，綜合薛曉萍[27]、梁效貴等[28]、王新等[11]和楊慧等[12]關(guān)于棉花、夏玉米和番茄臨界氮濃度稀釋曲線模型的建模思路。本文臨界氮濃度稀釋曲線模型的構(gòu)建方法如下：

1）對比分析不同氮水平下每次取樣地上部生物量及相對應(yīng)的氮濃度值，通過方差分析對作物生長受氮素營養(yǎng)限制與否的氮素水平進行分類；2）對于施氮量不能滿足作物生長需求的試驗資料，其地上部生物量與氮濃度值間的關(guān)系以線性曲線擬合；3）對于作物生長不受氮素影響的施氮水平，其地上部生物量的平均值用以代表生物量的最大值；4）每次取樣日的理論臨界氮濃度由上述線性曲線與以最大生物量為橫坐標(biāo)的垂線的交點的縱坐標(biāo)決定。

依據(jù)Lemaire和Salette等[29]提出的臨界氮濃度與地上部生物量關(guān)系的方程式，臨界氮濃度稀釋曲線模型為：

N=·DW-b（3）

式中N為臨界氮濃度值，g/(100 g)；參數(shù)為作物地上部生物量為103kg/hm2時植株的臨界氮濃度；DW為作物地上部生物量的最大值，103kg/hm2；為決定臨界氮濃度稀釋曲線斜率的統(tǒng)計學(xué)參數(shù)。

1.4.2 氮營養(yǎng)指數(shù)

為了進一步明確作物的氮素營養(yǎng)狀況，Lemaire等[29]提出了氮營養(yǎng)指數(shù)（nitrogen nutrition index，NNI）的概念，可用式（4）來表示。

NNI=N/N（4）

式中NNI為氮營養(yǎng)指數(shù)；N為地上部生物量氮濃度的實測值，g/(100 g)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用 Microsoft Excel 2007和DPS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行整理和分析，使用 Origin Pro 8.5軟件作圖。為了評價模型的精度，根據(jù)文獻(xiàn)[30-32]計算模型模擬值和計算值之間的決定系數(shù)（2）、絕對誤差指標(biāo)（mean absolute error，MAE）和標(biāo)準(zhǔn)誤差（root mean square error，RMSE）。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄地上部生物量與氮濃度值分析

不同水分和氮肥處理下番茄地上部生物量和植株氮素含量隨定植后天數(shù)變化過程如表2所示。由表2可以得知，番茄地上部生物量隨時間的推進呈逐漸增大的趨勢，而番茄植株氮素含量隨時間推進呈逐漸減小的趨勢，在番茄拉秧時（DAT=150 d）番茄地上部干物質(zhì)量達(dá)到最大值，為7.38×103～11.12×103kg/hm2，而植株氮素含量達(dá)到最小值，為1.43～1.96 g/(100 g)。充分灌水（W1）時，番茄地上部生物量和植株氮素含量均隨施氮量的增加呈顯著增加的趨勢；與充分灌水處理相比，僅苗期虧水（W2）時不會顯著影響拉秧時番茄地上部生物量和植株氮素含量，隨著虧水天數(shù)的增加，番茄地上部生物量和植株氮素含量減少量逐漸增加，全生育期虧水（W4）時，地上部生物量和植株氮素含量減少到最低。表明充分灌水時，增加施氮量有顯著的增加地上部干物質(zhì)和植株氮素含量的效應(yīng)，而非充分灌水時，施氮量增加到一定量（150 kg/hm2）繼續(xù)增加施氮量時不會顯著增加番茄地上部生物量。

表2 2013－2015年不同水分和氮素處理對番茄地上部生物量的影響

注：W1～W4分別為全生育期充分灌水處理、僅苗期虧水50%處理、苗期開花期連續(xù)虧水50%處理和全部虧水50%處理；N0、N150和N300為施氮量為0、150和300 kg·hm-2處理；表中數(shù)據(jù)為各重復(fù)平均值，同一行數(shù)據(jù)具有相同字母的表示與同一年處理間沒有達(dá)到顯著性檢驗（<0.05），下同。

Note: W1-W4are full irrigation treatment, deficit of 50% only in seedling stage, deficit of 50% both in seedling stage and flowering stage, deficit of 50% in the whole growth stage; N0, N150and N300are no nitrogen application, nitrogen application rate of 150 kg·hm-2and nitrogen application rate of 300 kg·hm-2, respectively; Data of the table represent average value and those with the same letters are not significantly different (<0.05), same as below.

2.2 臨界氮濃度稀釋模型構(gòu)建及驗證

由于2013－2014年試驗中在定植30 d時的各處理地上部生物量均小于1×103kg /hm2，生物量較小，粉碎后的樣品無法測定氮含量，故舍去此數(shù)據(jù)。利用Justes等[26]所描述的方法，分別將2013－2014年不同灌水條件下不同氮肥處理番茄地上部生物量和對應(yīng)的氮濃度進行計算，得到各取樣日的臨界氮濃度。根據(jù)地上部生物量及對應(yīng)的臨界氮濃度，建立番茄臨界氮稀釋曲線，如圖2a所示。由圖2a可以看出不同水分處理臨界氮稀釋曲線的決定系數(shù)（2）為別為0.92～0.98，其擬合度均達(dá)到極顯著水平（＜0.01），表明該模型在不同水分處理下均可以較好的反映番茄臨界氮濃度和地上部生物量之間的關(guān)系。

圖2 不同水分處理下番茄氮濃度稀釋曲線構(gòu)建和驗證

不同水分處理時臨界氮稀釋曲線參數(shù)、均不同，因此采用2013－2014年不同水分處理番茄全生育期平均日耗水量與對應(yīng)處理臨界氮稀釋曲線參數(shù)、進行擬合，得到臨界氮稀釋曲線系數(shù)、與番茄全生育期平均日耗水量的相關(guān)關(guān)系，如圖3所示，番茄全生育期平均日耗水量如表3所示。

注：a和b為不同水分處理經(jīng)驗系數(shù)；ET為不同水分處理番茄全生育期日耗水量。

表3 2013－2015年不同水氮處理番茄耗水量

運用2014－2015年試驗數(shù)據(jù)對擬合得到臨界氮濃度稀釋曲線和圖3中的經(jīng)驗公式的可行性進行驗證，其步驟為：通過2014－2015年不同水分處理下番茄全生育期平均日耗水量、全生育期地上部生物量、式（3）和圖3中的經(jīng)驗公式擬合得到的臨界氮濃度稀釋計算臨界氮含量模擬值，將臨界氮濃度模擬值與計算值進行比較，結(jié)果如圖2b所示。由圖2b可以看出通過番茄生育期平均日耗水量、全生育期地上部生物量、式（3）和圖3中的經(jīng)驗公式模擬得到的臨界氮濃度與計算值之間有較好的一致性，其MAE為0.13～0.34 g/(100 g)，RMSE為0.14～0.39 g/(100 g)，2為0.94～0.99，因此可以運用不同灌水處理氮濃度稀釋曲線和番茄全生育期平均日耗水量模擬番茄臨界氮濃度，提高了氮濃度稀釋曲線模型在溫室番茄的適用性。

2.3 不同水分處理下番茄氮素營養(yǎng)指數(shù)變化分析

氮素營養(yǎng)指數(shù)（NNI）作為實際植株含氮量與臨界含氮量的比值，可以直觀的反映作物體內(nèi)氮素的營養(yǎng)狀況，當(dāng)NNI=1，氮素營養(yǎng)狀況最為適宜；當(dāng)NNI>1，表現(xiàn)為氮素營養(yǎng)過剩；當(dāng)NNI<1，表現(xiàn)為氮素營養(yǎng)虧缺。圖4為根據(jù)公式（4）計算所得的不同水分和氮素處理下番茄氮營養(yǎng)指數(shù)（NNI）的動態(tài)變化。由圖4可以看出不同灌水量時，NNI隨施氮量的增加而增加，其值范圍為0.66～1.19。定植后70 d后番茄開始開花，此時營養(yǎng)生長和生殖生長旺盛，植株對氮素的需求量較大，不同處理NNI的差距增大，此時開始追施氮肥來滿足植株氮素的需求，充分灌水處理（W1）和僅苗期虧水（W2）時，N0和N150處理全生育期NNI始終小于1，不能滿足植株對氮素的需求，N300處理NNI在1附近波動，因此充分灌水和僅苗期虧水適宜的施氮量為N300；苗期開花期連續(xù)虧水（W3）和全生育期虧水（W4）時，N0處理全生育期NNI均小于1，隨著追施氮素的增加，N150和N300在定植90 d后NNI均大于1，且N150處理的NNI較為接近1，表明苗期開花期連續(xù)虧水和全生育期虧水處理時，N0和N300處理因為氮素不足或者氮素太多會抑制植株的生長，最適宜的施氮量為N150。

圖4 2013－2015年不同水氮處理番茄氮素營養(yǎng)指標(biāo)（NNI）動態(tài)變化

2.4 不同水氮處理番茄葉片SPAD值動態(tài)變化

不同水氮處理下番茄不同葉位SPAD值隨定植后天數(shù)變化如表4所示。由表4可以得知，番茄不同葉位SPAD均值隨定植天數(shù)表現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢，在DAT=110 d時各處理不同葉位SPAD值均達(dá)到最大值，分別為42.8～70.3，隨后番茄葉片開始老化，不同葉位SPAD值開始下降。

表4 2013－2015年不同水氮處理番茄不同葉位SPAD值

充分灌水（W1）時，番茄不同葉位葉SPAD值變化范圍為21.0～70.3，番茄不同葉位SPAD值隨施氮量的增加呈顯著增加的趨勢；苗期虧水（W2）、苗期開花期虧水（W3）和全生育期虧水（W4）時，虧水時間內(nèi)番茄不同葉位SPAD值隨施氮量的增加呈顯著增加的趨勢，且N150和N300處理之間不同葉位SPAD值無顯著性差異；與充分灌水處理相比，僅苗期虧水（W2）時不會顯著影響復(fù)水后番茄不同葉位SPAD值，隨著虧水天數(shù)的增加，苗期開花期連續(xù)虧水成熟期復(fù)水后（W3）不同葉位SPAD值仍顯著低于充分灌水處理（W1）；全生育期虧水（W4）時，不同生育期葉片不同葉位SPAD值均顯著低于充分灌水處理。表明充分灌水時，增加施氮量有顯著的增加不同葉位SPAD值的效應(yīng)，而非充分灌水時，施氮量增加到一定量（150 kg/hm2）繼續(xù)增加施氮時不會顯著增加番茄不同葉位SPAD值。施氮量相同時，充分灌水處理番茄不同葉位SPAD值顯著高于非充分灌水處理番茄不同葉位SPAD值，表明增加灌水量可以增加番茄SPAD值，且各處理中位葉SPAD值高于上位葉和下位葉SPAD值。

2.5 不同葉位SPAD和氮營養(yǎng)指數(shù)（NNI）之間的關(guān)系

圖5為2013－2015年不同水氮處理不同葉位（上、中、下葉位）SPAD值與對應(yīng)處理的NNI之間的相關(guān)關(guān)系。由圖5可以看出，不同水氮處理上位葉和下位葉SPAD值和NNI之間決定系數(shù)（2）為0.05～0.93，上位葉和下位葉SPAD值和NNI之間的回歸關(guān)系受不同處理影響較大，除W3處理DAT=90d外，SPAD值與之間無顯著線性關(guān)系；而中位葉SPAD值和NNI之間有良好的相關(guān)性，決定系數(shù)（2）為0.77～0.98，除W3和W4處理DAT=30 d外，其他均達(dá)到顯著水平以上，表明番茄中位葉SPAD值和NNI之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，NNI隨著SPAD的增加而增加，且擬合關(guān)系表現(xiàn)比較穩(wěn)定、密切，因此在不同水分處理時可以利用中位葉SPAD值對NNI進行估算，這樣結(jié)合SPAD值監(jiān)測方便、快捷和NNI預(yù)測精度高的優(yōu)點可以對番茄植株氮含量進行更加快捷精準(zhǔn)的估算。

圖5 2013－2015年番茄不同葉位SPAD值與NNI之間的關(guān)系

將2013－2015年不同水分處理不同定植后天數(shù)番茄NNI和中位葉SPAD值進行擬合（圖5），由圖5可以看出不同水分處理番茄NNI和中位葉SPAD值的相關(guān)關(guān)系不同，其擬合的形式為

NNI=·SPAD+（5）

式中NNI為不同處理氮素營養(yǎng)指數(shù)；SPAD為不同處理中位葉SPAD值；、為擬合公式參數(shù)，不同水分處理擬合得到的參數(shù)、如圖5所示。

不同水分處理番茄中位葉SPAD與NNI之間的關(guān)系不同，因此采用2013－2015年試驗數(shù)據(jù)對不同水分處理不同定植后天數(shù)番茄平均日耗水量與參數(shù)、進行擬合，得到參數(shù)、與番茄日耗水量（表3）的擬合關(guān)系，如圖6所示。由圖6可以看出番茄中位葉SPAD與NNI之間擬合關(guān)系參數(shù)、與對應(yīng)番茄日耗水量有顯著的關(guān)系，因此可以采用不同處理日耗水量得到參數(shù)、，進而得到番茄中位葉SPAD與NNI的線性關(guān)系，進而根據(jù)番茄中位葉SPAD值估算得到番茄NNI進行氮營養(yǎng)診斷。將NNI=1作為適宜施氮量的標(biāo)準(zhǔn)，NNI＞1或NNI＜1，表明氮素施加過量或不足營養(yǎng)，因此運用該方法模擬得到不同水分處理的NNI，進一步為氮營養(yǎng)診斷提供指導(dǎo)。

注：m和k為不同水分處理經(jīng)驗系數(shù)；ETi為不同水分處理番茄i天內(nèi)平均日耗水量。

3 討 論

3.1 臨界氮濃度稀釋曲線模型在西北地區(qū)溫室番茄的適用性

水分和氮素作為影響植株生長的重要因素，不同水分和氮素處理影響作物發(fā)育和干物質(zhì)累計[27]，進而影響植株對氮素的吸收[28]。楊慧等[12]在研究盆栽番茄表明不同水分處理下臨界施氮量有所不同，高水處理下植株的臨界氮濃度較大，灌水可以促進植株對氮素的吸收。本研究也表明增加灌水量和施氮量可以增加番茄植株的臨界氮濃度，通過擬合臨界氮稀釋曲線得到不同水分處理番茄臨界氮稀釋曲線參數(shù)和參數(shù)。不同因素對臨界氮稀釋曲線參數(shù)和參數(shù)的影響有所不同，趙犇等[33]研究表明由于品種不同植株吸收和同化氮的能力不同，參數(shù)與品種蛋白質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系；向友珍等[34]研究氮濃度稀釋模型在溫室辣椒的適用性，得到臨界氮稀釋曲線參數(shù)與灌水量呈先增加后降低的趨勢，參數(shù)不隨灌水量的變化而顯著變化；強生才等[16]在研究大田作物時表明，參數(shù)具有較好的穩(wěn)定性，不會隨降雨年型的改變而改變，且降水量較多時可以增加植株對土壤氮素的利用，從而減緩了植株氮含量的稀釋過程，最終導(dǎo)致參數(shù)明顯偏小。不同作物品種對水分和氮素的敏感性不同，溫室番茄和辣椒對水分和氮素的敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大田玉米，水分和氮素影響著植株對氮素的吸收和植株地上部的生長，進而影響植株氮素的吸收和稀釋。本研究表明臨界氮稀釋曲線參數(shù)和參數(shù)均隨番茄全生育期平均日耗水量增加呈現(xiàn)出先降低后增加，番茄全生育期耗水量較低時植株吸收氮素的速率高于植株生長的速率，減緩了植株氮含量的稀釋速率，降低了植株臨界氮濃度值；當(dāng)耗水量高于某一值時，繼續(xù)增加耗水量時，植株吸收氮素的速率低于植株生長的速率，加快了植株氮含量的稀釋速率，增大植株臨界氮濃度值，提高番茄植株對氮素營養(yǎng)的容納能力，促進植株生長。本文建立的基于全生育期平均日耗水量的不同水分處理臨界氮稀釋模型可以較為有效的估算出不同水分處理下植株臨界氮濃度，與計算值相比，其絕對誤差（MAE）為0.13～0.34 g/(100 g)，標(biāo)準(zhǔn)誤差（RMSE）為0.14～0.39 g/(100 g)，絕對系數(shù)（2）為0.94～0.99，因此可以通過該方法準(zhǔn)確估算不同水分處理的植株臨界氮濃度，提高了臨界氮稀釋曲線在溫室番茄不同水分處理的適用性。

3.2 基于不同葉位SPAD值的氮營養(yǎng)指數(shù)估算方法

SPAD儀具有攜帶方便、可實時實地進行測定等優(yōu)點，被普遍用于監(jiān)測棉花[35]、小麥[36]和玉米[37]等多種作物的施氮水平。葉片SPAD值與NNI之間的相關(guān)關(guān)系在玉米[38]和小麥[39]等植物上被證實，且Ziadi等[38]和 Prost and Jeuffroy[39]研究表明玉米和小麥葉片相對SPAD值與NNI之間的非線性關(guān)系，Debaeke等[36]研究表明小麥葉片相對SPAD值與NNI之間的非線性關(guān)系受年份、品種和生育時期影響不顯著。Yang 等[23]研究表明作物不同葉位SPAD值和NNI表現(xiàn)出不同的線性關(guān)系，且不同葉位的穩(wěn)定性不同，其中某一葉位葉片SPAD值和NNI擬合度較高，穩(wěn)定性較好，可以作為診斷氮素的理想葉位。本研究也表明番茄不同水分處理不同葉位葉片SPAD和NNI之間呈線性相關(guān)關(guān)系，其中上位葉片和下位葉片SPAD值與NNI之間擬合度較差，擬合度受年份和處理的影響較大，穩(wěn)定性較差，而中位葉片SPAD值和NNI之間呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系，穩(wěn)定性較好，因此可以將番茄中位葉片作為適宜的診斷葉片進行氮素診斷。且番茄中位葉片SPAD值和NNI之間擬合參數(shù)與番茄平均耗水量呈顯著非線性相關(guān)關(guān)系，因此通過不同水分處理日耗水量得到番茄中位葉片SPAD值與NNI之間的線性關(guān)系，并以NNI=1作為理想施氮營養(yǎng)狀態(tài)指標(biāo)，根據(jù)番茄不同耗水量得到NNI=1時的SPAD值，并以此SPAD值作為適宜值進行氮素營養(yǎng)診斷。當(dāng)試驗處理中位葉片SPAD值大于適宜SPAD值時，表明該處理氮素施加過量應(yīng)該適當(dāng)減少，當(dāng)試驗處理中位葉片SPAD值小于適宜SPAD值時，表明該處理氮素施加較少應(yīng)該適當(dāng)增加施氮量。因此可以通過比較不同處理SPAD值與適宜SPAD值來準(zhǔn)確判斷氮營養(yǎng)狀況，來及時調(diào)整施氮量。

4 結(jié) 論

本研究依據(jù)2 a溫室番茄不同水分處理下3個氮素水平的試驗數(shù)據(jù)，率定和驗證臨界氮濃度稀釋曲線模型在西北地區(qū)溫室番茄不同水分處理下的適用性，并利用不同葉位葉片SPAD值對溫室番茄氮營養(yǎng)指數(shù)進行估算，并進一步進行氮營養(yǎng)診斷，結(jié)果表明：

1）番茄臨界氮濃度與采樣日地上部最大生物量之間符合冪指數(shù)關(guān)系（N=DW-b），其中參數(shù)為2.84～3.44，參數(shù)為0.22～0.35，參數(shù)、與番茄全生育期平均日耗水量之間存在顯著的非線性相關(guān)關(guān)系，因此可以通過不同水分處理全生育期平均日耗水量估算參數(shù)和參數(shù)，進而準(zhǔn)確估算不同水分處理的植株臨界氮濃度，提高了臨界氮稀釋曲線在西北地區(qū)溫室番茄不同水分處理的適用性。

2）利用不同葉片SPAD值進行番茄氮營養(yǎng)診斷表明，氮營養(yǎng)診斷理想葉位是中位葉片。番茄中位葉片SPAD值與氮素營養(yǎng)指數(shù)NNI有良好的線性關(guān)系（NNI=·SPAD+），且參數(shù)、與番茄日耗水量有顯著的非線性相關(guān)關(guān)系，因此可以通過不同水分處理日耗水量估算出參數(shù)、，進而模擬出不同定植后天數(shù)NNI=1時的SPAD值，并以此SPAD值作為判斷氮素營養(yǎng)狀況的標(biāo)準(zhǔn)來及時精準(zhǔn)診斷植株氮營養(yǎng)狀態(tài)。

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Estimation of nitrogen nutrition index of greenhouse tomato under different water and nitrogen fertilizer treatments based on leaf SPAD

Shi Xiaohu1,2, Cai Huanjie2※

(1.,030024,; 2.,,712100,)

Water and nitrogen have great influences on the production of tomato in greenhouses. This study aims to determine the applicability of the critical nitrogen concentration dilution curve model in different water conditions, and to suggest a rapid and accurate method of identifying the nitrogen condition of tomato. Greenhouse experiments with different water-nitrogen combinations were conducted in 2013-2015 in Yangling, Shaanxi. Four water treatments were investigated, i.e., full irrigation through the whole life span of tomato, deficit of 50% at seedling stage, deficit of 50% at flowering stage, and deficit of 50% through the whole life span. Three nitrogen treatments were investigated, i.e., 0, 150, and 300 kg/hm2. We validated and verified the critical nitrogen concentration dilution curve model with the data in 2013-2015. We verified the applicability of the model under different water treatments of greenhouse tomato in Northwest China. We built relationship between the model parameters and the average daily water consumption of tomato during the whole growth stage, and improved the applicability of the critical nitrogen concentration dilution curve model under different water treatments. Both the parameter a and the parameter b of the critical nitrogen concentration dilution curve model decreased first and then increased with the increase of the average daily water consumption during the whole growth period of the tomato.We analyzed the relationship between SPAD (soil and plant analyzer development) values and nitrogen nutrition index (NNI) at different leaf positions with the test data in 2013-2015. There was a linear correlation between SPAD and NNI at different leaf positions of tomato under different water treatments. The fitting relationship between the SPAD values and the NNI of the upper and lower leaves was poor, and the degree of fitting was greatly affected by the year and the treatment. The fitting relationship between the median leaf’s SPAD value and NNI was a significant linear positive correlation relationship and had good stability. Therefore, the tomato median leaf can be used as a suitable diagnostic leaf for nitrogen diagnosis. The results showed that: 1) The model could well estimate the critical nitrogen concentration of tomato with the absolute error of 0.13-0.34 g/ 100 g, the standard error of 0.14-0.39 g/ 100 g, and the decisive factor (2) of 0.94-0.99. 2) At the median position of canopy, there was a good linear correlation between the SPAD value and NNI, and the SAPD values of the middle leaves can be used to determine the nitrogen conditions of tomato. 3) The SPAD values of middle leaves at the NNI of 1 can be the indicators for appropriate nitrogen fertilizing. When the SPAD value of the median leaf in the different treatments is greater than the appropriate SPAD value, it indicates that the application of nitrogen in the treatment is excessive and should be appropriately reduced. When the SPAD value of the medial leaf in the test treatment is less than the appropriate SPAD value, it indicates that the application of nitrogen should be appropriately increased. Therefore, we have determined and validated the applicability of the critical nitrogen concentration dilution curve model under different water treatments of greenhouse tomato in Northwest China and constructed a nitrogen nutrition diagnosis method based on the daily water consumption of tomato, which can support nitrogen diagnosis and nitrogen management of tomato in greenhouses in this region.

chlorophyll; water; greenhouse; tomato; water treatments; critical nitrogen concentration; nitrogen nutrition index

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.016

S152.7

A

1002-6819(2018)-17-0116-11

2018-03-24

2018-07-27

國家科技支撐計劃（2011BAD29B01）；國家自然基金（51179162）；2011年度高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助課題（20110204130004）

石小虎，博士，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水理論研究。 Email：shixiaohu2006@126.com

蔡煥杰，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水與水資源高效利用研究。Email：caih j@nwsuaf.edu.cn

石小虎，蔡煥杰. 基于葉片SPAD估算不同水氮處理下溫室番茄氮營養(yǎng)指數(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(17)：116－126. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.016 http://www.tcsae.org

Shi Xiaohu, Cai Huanjie. Estimation of nitrogen nutrition index of greenhouse tomato under different water and nitrogen fertilizer treatments based on leaf SPAD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 116－126. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.016 http://www.tcsae.org