邊立麗，艾 棟，陳玉藍(lán)，常乃杰，黎昌明，龍 潭，馮文強(qiáng)， 陳 曦，張?jiān)瀑F，劉青麗，蔣壽安，李志宏*

（1．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2．四川省煙草公司涼山州公司， 四川 西昌 615000；3．中國(guó)煙草總公司四川省公司，四川 成都 610041； 4．中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001）

氮素是作物生長(zhǎng)的必需元素。在作物生長(zhǎng)必需的17種營(yíng)養(yǎng)元素中，對(duì)氮素需求量較大，然而在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中過(guò)量的氮肥施用導(dǎo)致的氮流失造成諸多環(huán)境問(wèn)題（富營(yíng)養(yǎng)化、土壤酸化、溫室氣體排放、酸雨、地下水污染等），給人類(lèi)生存帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1］。 因此，確定合理的施氮量是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路[2-3］。煙草具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，合理制定煙草的氮肥施用策略、準(zhǔn)確診斷煙草生長(zhǎng)期間的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)并調(diào)控氮素營(yíng)養(yǎng)，既有利于優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)，又有助于農(nóng)業(yè)可持續(xù)和環(huán)境友好型發(fā)展[4-5］。目前，我國(guó)煙葉生產(chǎn)中普遍推薦的氮肥用量與煙株生長(zhǎng)過(guò)程中的氮素需求規(guī)律匹配性差，同時(shí)缺乏高效的氮素監(jiān)測(cè)手段，導(dǎo)致施氮量偏高，氮肥利用率低[6-8］。

傳統(tǒng)的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷通常需要對(duì)植株進(jìn)行破壞性取樣，分析測(cè)試過(guò)程繁瑣且結(jié)果滯后[9］。隨著科技的發(fā)展，基于光譜特征的現(xiàn)代營(yíng)養(yǎng)診斷因其便捷、快速、高效等特點(diǎn)，在作物氮素營(yíng)養(yǎng)診斷中具有較為廣泛的應(yīng)用前景[10］。在現(xiàn)代作物營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)手段中，采用葉綠素儀來(lái)進(jìn)行氮素監(jiān)測(cè)最為普遍，常用的葉綠素儀如SPAD-502（Soil plant analysis development）手持葉綠素儀，使用雙波長(zhǎng)（紅光波長(zhǎng)650 nm和近紅外波長(zhǎng)940 nm）LED光源，通過(guò)計(jì)算這2種波長(zhǎng)的密度比值，并對(duì)比有無(wú)待測(cè)樣品時(shí)光密度的差異來(lái)計(jì)算得到SPAD值，因?yàn)镾PAD值和供測(cè)樣品中葉綠素含量成正相關(guān)，可進(jìn)一步推測(cè)植株的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況[11］。由于葉綠素儀具有快速、簡(jiǎn)便、無(wú)損等檢測(cè)特點(diǎn)，其在作物養(yǎng)分快速監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的運(yùn)用已經(jīng)取得了較好的結(jié)果。李剛?cè)A等[12］利用便攜SPAD儀對(duì)水稻進(jìn)行了氮素營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)比葉重修或建立不同品種的SPAD值與氮素營(yíng)養(yǎng)函數(shù)關(guān)系能夠提高利用SPAD儀診斷特定品種氮素水平的精度；蔣阿寧等[13］利用葉綠素計(jì)測(cè)定冬小麥拔節(jié)期倒一葉和倒二葉的SPAD值代替實(shí)驗(yàn)室土壤養(yǎng)分測(cè)定來(lái)制定施肥策略，結(jié)果表明，基于SPAD的變量施肥能滿(mǎn)足冬小麥生長(zhǎng)階段對(duì)氮素的需要。李志宏等[14］應(yīng)用葉綠素儀監(jiān)測(cè)夏玉米氮素營(yíng)養(yǎng)狀況，結(jié)果表明，基于SPAD對(duì)玉米生長(zhǎng)階段養(yǎng)分的預(yù)測(cè)精度達(dá)到66.7%。屈衛(wèi)群等[15］通過(guò)研究棉花主莖葉SPAD值的葉位分布，對(duì)棉花進(jìn)行氮素營(yíng)養(yǎng)診斷，結(jié)果表明，利用頂1定型葉與頂4定型葉SPAD值的相對(duì)差值，可較精確地診斷棉花的氮素營(yíng)養(yǎng)水平。利用SPAD對(duì)煙草的養(yǎng)分監(jiān)測(cè)方面，也有一些學(xué)者做過(guò)相關(guān)研究，比如在葉綠素、葉片全氮含量定量監(jiān)測(cè)中均具有較好的運(yùn)用成 果[16］，但前人研究主要集中在對(duì)煙草特定生育期的SPAD值建立診斷標(biāo)準(zhǔn)，而煙草追肥時(shí)間往往超過(guò)試驗(yàn)研究的特定生育期，因此，無(wú)法對(duì)合理產(chǎn)量的適宜施氮量進(jìn)行計(jì)算。不同煙草生育期SPAD值存在差異，建立煙草追肥階段的SPAD診斷指標(biāo)，才能真正做到依據(jù)SPAD值進(jìn)行煙草營(yíng)養(yǎng)診斷，從而優(yōu)化煙草追肥策略。先前的相關(guān)報(bào)道中，也沒(méi)有將肥料和煙葉的收支成本納入考慮，導(dǎo)致研究結(jié)果在生產(chǎn)實(shí)踐中難以運(yùn)用。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究以烤煙為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)置氮肥梯度田間試驗(yàn)，定期測(cè)試葉片SPAD值與植株的氮素含量，試圖構(gòu)建營(yíng)養(yǎng)正常的烤煙在移栽后每天的SPAD適宜值范圍以及弱苗、旺苗SPAD值診斷標(biāo)準(zhǔn)，為烤煙生產(chǎn)的追肥推薦提供判別依據(jù)，賦力煙草農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020年在四川省冕寧縣回萍鄉(xiāng)橫路村（28°31′9.2″ N，102°08′12.7″ E）進(jìn)行，海拔高度1842 m。地處四川省西南部涼山州東北部，氣候溫和、雨熱同季、雨量充沛、日照充足，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)年平均氣溫14.1℃，年均日照時(shí)數(shù)1957.2 h，年均降水量為1106.8 mm[17］。供試土壤為典型紅壤沖積的泥沙土，主要化學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土壤化學(xué)性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置N0（0 kg/hm2）、N1（37.5 kg/hm2）、N2（75 kg/hm2）、N3（112.5 kg/hm2）、N4（150 kg/hm2）、N5（187.5 kg/hm2）6個(gè)氮肥處理水平，采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3次重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為36 m2，小區(qū)之間過(guò)道為0.45 m，四周設(shè)保護(hù)行。供試烤煙品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N“云煙100”。4月26日施用基肥并人工移栽，株距為0.55 m，行距為1.2 m，移栽后25和35 d追肥，基追比為81∶19，供試肥料有煙草專(zhuān)用肥（10-15-20）、硝銨磷（32-4-0）、磷酸一銨（12-60-0）、硫酸鉀（0-0-50）、硝酸鉀（13.5-0-44.5）、普鈣（0-14-0），各小區(qū)養(yǎng)分投入詳見(jiàn)表2。其它管理措施按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范要求 進(jìn)行。

表2 各試驗(yàn)處理的養(yǎng)分投入量 （kg/hm2）

1.3 樣品采集與測(cè)試

烤煙生長(zhǎng)期葉片共采樣9次，分別在移栽后10、20、30、40、50、60、80、100、120 d，葉 片采樣后將其洗凈烘干并磨碎保留樣品，采用凱氏定氮法測(cè)定烤煙葉片全氮含量；SPAD值采用SPAD-502葉綠素儀測(cè)定，根據(jù)查苗情況，每個(gè)處理選擇代表性煙株10株，測(cè)定時(shí)間為移栽后的10、20、30、40、50、60、70、80、90 d，測(cè)定的部位分別為葉尖、葉中、葉基，并分別記錄SPAD讀數(shù)，取均值作為相應(yīng)葉片的SPAD值，測(cè)定時(shí)需避開(kāi)葉脈和葉片邊緣，為保證數(shù)據(jù)的可比性，測(cè)定條件盡可能一致，選擇晴朗無(wú)風(fēng)或者風(fēng)力不大的天氣；田間試驗(yàn)煙葉按小區(qū)掛牌采烤、分級(jí)稱(chēng)重，并計(jì)算各小區(qū)產(chǎn)量。

1.4 邊際產(chǎn)量計(jì)算公式

邊際產(chǎn)量是指每增加1單位可變資源所引起的總產(chǎn)量增加（或減少）額。當(dāng)邊際產(chǎn)量等于施氮量與烤煙的價(jià)格比時(shí)，邊際利潤(rùn)等于0，單位面積的施肥利潤(rùn)最大，此時(shí)的施氮量為最大利潤(rùn)（經(jīng)濟(jì)最佳）的施氮量。本試驗(yàn)中涉及的氮肥價(jià)格為Px=4.77元/kg，假設(shè)每個(gè)小區(qū)的烤煙價(jià)格與當(dāng)?shù)仄骄鶅r(jià)格水平一樣，為Py=27.97元/kg。

1.5 數(shù)據(jù)分析與作圖

采用Sigma Plot 14.0繪圖，用SPSS 20.0和Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 烤煙葉片氮含量和SPAD值

烤煙的葉片SPAD值和氮含量相關(guān)關(guān)系見(jiàn)表3，從移栽到移栽后60 d，烤煙葉片SPAD值波動(dòng)范圍為39.5～52.3，其均值的最大值和最小值分別出現(xiàn)在移栽后20 d（52.3）和移栽后30 d（39.5）。表3中分別體現(xiàn)了烤煙葉片葉尖、葉中、葉基以及三者均值的回歸模型以及相關(guān)系數(shù)，若取3點(diǎn)的平均值作為煙株的SPAD代表值，其各個(gè)時(shí)期的相關(guān)系 數(shù) 分 別 為0.64、0.49、0.52、0.73、0.77、0.62，遠(yuǎn)大于各個(gè)部位SPAD與氮含量的相關(guān)系數(shù)，所以取3個(gè)部位的平均值作為烤煙葉片SPAD更具代表性。從變異系數(shù)中可以看出，各個(gè)部位的變異系數(shù)均大于其3點(diǎn)平均值的變異系數(shù)，說(shuō)明取平均值后數(shù)據(jù)更具穩(wěn)定性，更進(jìn)一步說(shuō)明了取3個(gè)部位平均值作為煙株SPAD值更具代表性和普 適性。

表3 烤煙葉片SPAD及與對(duì)應(yīng)時(shí)期氮含量的相關(guān)關(guān)系

根據(jù)3點(diǎn)均值作為煙株SPAD代表值，做出了烤煙生育期不同氮肥水平的SPAD值，可以看出SPAD值在整個(gè)生育期呈先上升后下降的趨勢(shì)。不同施氮水平間SPAD值的動(dòng)態(tài)變化相似，烤煙葉片SPAD值隨生育期呈先增加后降低的趨勢(shì)，移栽后前10 d，SPAD值迅速增加，在20 d達(dá)到最大值，隨后下降，這可能是因?yàn)榍捌诳緹熤饕M(jìn)行營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，光合作用強(qiáng)烈，葉綠素含量高，因此葉片SPAD值不斷上升。在35 d追肥之后，烤煙SPAD值又緩慢上升，在第2次追肥之后SPAD值上升不明顯，這可能是因?yàn)榭緹熀笃谥饕M(jìn)行生殖生長(zhǎng)，SPAD稍有下降。不同氮處理烤煙葉片的SPAD值在生育期變化趨勢(shì)一致，各處理在前期（團(tuán)棵期）差異較大，上升時(shí)高氮處理（N≥7.5）上升速度較快，低氮處理（N≤7.5）上升速度較慢，在20 d后下降時(shí)不同氮處理下降速度與前期上升速度一致。

2.2 烤煙葉片SPAD值與施氮量、移栽后天數(shù)的關(guān)系

為了定量表述SPAD值與施氮量、移栽后天數(shù)的關(guān)系，對(duì)SPAD值與移栽后天數(shù)、施氮量進(jìn)行了多元擬合，不同移栽天數(shù)下施氮量與SPAD關(guān)系擬合方程為SPAD=-0.0002x2-0.0059y2+0.0519x+ 0.4914y+37.3546，方程決定系數(shù)為R2=0.6306（P＜0.01），其中，x為施氮量，y為移栽后天數(shù)。三維表達(dá)圖形如圖2所示?？緹熑~片SPAD值與氮肥用量、移栽后天數(shù)均呈二次方程關(guān)系，即隨著氮肥用量增加，SPAD值表現(xiàn)為先增加后降低的關(guān)系；隨著移栽后天數(shù)的增加，SPAD值也呈先增加后降低的關(guān)系。SPAD值隨移栽后天數(shù)的變化與圖1的直接表述存在偏差，原因在于直接表述時(shí)追肥的影響直接反映在圖形上，而模擬結(jié)果則忽略了這種追肥可能對(duì)葉片SPAD值的影響，用于追肥指導(dǎo)時(shí)，往往在追肥前進(jìn)行測(cè)試，所以模擬結(jié)果更有利于確定SPAD作為烤煙氮素營(yíng)養(yǎng)診斷 指標(biāo)。

圖1 不同氮水平SPAD值動(dòng)態(tài)變化

圖2 葉片SPAD值與施氮量、移栽后 天數(shù)的回歸關(guān)系

2.3 不同施氮量對(duì)烤煙產(chǎn)量的影響

由圖3可知，在一定施氮量的范圍內(nèi)（0～200 kg/hm2），烤煙的產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加；當(dāng)施氮量達(dá)到112.5 kg/hm2后，產(chǎn)量增加不明顯；當(dāng)施氮量達(dá)到最大（200 kg/hm2）時(shí)，產(chǎn)量有所下降。在大田不同氮肥處理?xiàng)l件下，烤煙產(chǎn)量在施氮量為129.0 kg/hm2時(shí)最高，用一元二次方程對(duì)烤煙全生育期不同施氮量總的氮肥效應(yīng)進(jìn)行擬合，得出全生育期總施氮量（X）與烤煙產(chǎn)量（Y）的定量關(guān)系（圖3）。對(duì)方程Y=-0.07X2+18.07X+2165.34求偏導(dǎo)，得到最高產(chǎn)量為3331.9 kg/hm2，而其對(duì)應(yīng)的施肥量為129.0 kg/hm2，因此，可以將129.0 kg/hm2作為全生育期總施氮量，也可作為追肥總量的參考；最大利潤(rùn)施肥量為124.5 kg/hm2，最佳產(chǎn)量為3330.4 kg/hm2。

圖3 煙葉產(chǎn)量與施氮量的回歸關(guān)系

2.4 烤煙葉片SPAD值診斷氮肥推薦標(biāo)準(zhǔn)的建立

通過(guò)閾值模型設(shè)置SPAD臨界值或閾值范圍，建立合理施肥標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測(cè)SPAD值與該臨界值或閾值范圍進(jìn)行比較，低則追施氮肥，接近則不施氮肥或少施氮肥，高則不施氮肥，這種采用閾值的模型是目前氮肥管理研究中應(yīng)用最多的方法。依據(jù)施氮量與烤煙葉片SPAD值的二元二次方程關(guān)系以及施氮量與產(chǎn)量的擬合方程，可以建立SPAD值診斷推薦施肥 標(biāo)準(zhǔn)。

前文求出了SPAD與施氮量和移栽天數(shù)的關(guān)系方程，將最佳經(jīng)濟(jì)施肥量124.5 kg/hm2代入SPAD= -0.0002x2-0.0059y2+0.0519x+0.4914y+37.3546中得出 SPAD的最適值，由此可根據(jù)該方程求出不同時(shí)期的最佳SPAD值，將最大產(chǎn)量的施肥量代入得出SPAD的臨界值，由于最佳經(jīng)濟(jì)施肥量和最大產(chǎn)量相差很小，所以SPAD的最適值和臨界值也相差不大，本文取SPAD的最適值作為SPAD診斷施肥標(biāo)準(zhǔn) （表4）。

表4 烤煙各生育時(shí)期SPAD最適值

3 討論

本文不同施氮量與烤煙產(chǎn)量的關(guān)系研究表明，在一定施氮量范圍內(nèi)，產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，當(dāng)施氮量增加到一定程度時(shí)，產(chǎn)量有稍微下降的趨勢(shì)。候雪坤等[18］設(shè)置不同氮素水平對(duì)烤煙產(chǎn)量的影響，得出在氮肥處理中，隨用量增加烤煙生長(zhǎng)旺盛，而高氮處理則由于氮素用量過(guò)多，造成煙株徒長(zhǎng)，發(fā)病率過(guò)高，進(jìn)而影響了烤煙生長(zhǎng)，這與本試驗(yàn)的研究結(jié)果一致。王維等[6］在烤煙氮素營(yíng)養(yǎng)診斷及精準(zhǔn)施肥模式研究中也有類(lèi)似結(jié)論。但是，不同研究之間得出的最佳施氮量差異明顯，本試驗(yàn)為124.02 kg/hm2，王維等[6］和侯雪坤等[18］研究的最佳施氮量分別是163.11和52.5 kg/hm2，造成這種差異的原因可能與當(dāng)?shù)赝寥婪柿涂緹熎贩N等因素有關(guān)。

本研究發(fā)現(xiàn)SPAD值與葉片氮含量具有良好的線(xiàn)性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)最高達(dá)0.77，兩者具有較高的協(xié)同性，這與李佛琳等[19］和徐照麗等[20］研究結(jié)果一致。如何選擇SPAD的適宜測(cè)定部位，是決定研究準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。李佛琳等[19］研究結(jié)果表明，應(yīng)用葉綠素監(jiān)測(cè)烤煙葉片的最佳測(cè)定部位為完全展開(kāi)葉的中部，而徐照麗等[20］認(rèn)為葉綠素儀測(cè)定烤煙葉綠素的最佳部位為葉基部。葉綠素讀數(shù)測(cè)定值因年份、地點(diǎn)、施氮水平、葉位、同一葉片的不同部位而異，但從本研究來(lái)看，同一葉片的不同部位取平均值比單獨(dú)的某個(gè)部位更具代表性，能夠更好地監(jiān)測(cè)烤煙氮素水平。

采用SPAD閾值的方法雖然取得了一定的應(yīng)用效果，但不同品種，不同地理環(huán)境下SPAD值與烤煙產(chǎn)量、含氮量等關(guān)系不同，本文得到的生育期最適SPAD范圍在37.11～46.06之間，王維等[6］測(cè)定倒三葉SPAD得出了當(dāng)SPAD閾值在40.5～43范圍時(shí)，能夠獲得烤煙較高的產(chǎn)量和質(zhì)量。賀帆 等[21］在對(duì)水稻適宜SPAD的研究中發(fā)現(xiàn)，兩優(yōu)培九和汕優(yōu)63品種水稻的SPAD閾值范圍分別為38～39和35～37，能獲得較高的產(chǎn)量和部分的品質(zhì)改善。賀廣生等[22］研究了K326品種烤煙的SPAD，發(fā)現(xiàn)K326的SPAD設(shè)定閾值為40.5～43，相應(yīng)的氮肥用量以75～110 kg/hm2為宜。因此，可以看出，不同作物和不同品種之間SPAD閾值都不盡相同，從前文可知，即便是同一作物同一品種，當(dāng)選擇的監(jiān)測(cè)葉位不同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致適宜范圍上的差異。

本文通過(guò)設(shè)置氮肥梯度試驗(yàn)，分析了施氮量和煙葉產(chǎn)量之間的關(guān)系，并基于SPAD值與煙葉氮素養(yǎng)分之間的定量關(guān)系，確定了基于SPAD值的氮肥推薦施用量，這一結(jié)果對(duì)科學(xué)了解烤煙生長(zhǎng)具有重要意義。然而，本文仍存在諸多限制，主要有以下幾方面：（1）氮肥梯度設(shè)置合理性。本文設(shè)置了6個(gè)氮肥梯度，但能否準(zhǔn)確捕捉到氮肥梯度對(duì)煙葉養(yǎng)分和產(chǎn)量的影響仍有很大不確定性；（2）氣象因素干擾。烤煙的生長(zhǎng)受到當(dāng)季生育期氣象因素的影響，僅討論氮肥使用和煙葉氮素之間的關(guān)系，難以反映烤煙在生長(zhǎng)階段的限制因素；（3）試驗(yàn)?zāi)晗?。本文只探討了一年的試?yàn)情況，隨著施肥年限增加，氮肥對(duì)煙葉養(yǎng)分和產(chǎn)量的影響是否具有持續(xù)性仍有待研究；（4）新的技術(shù)方法對(duì)比。目前基于光譜圖像數(shù)據(jù)的氮素監(jiān)測(cè)也得到了廣泛運(yùn)用，本文沒(méi)有對(duì)SPAD便攜設(shè)備和光譜圖像設(shè)備監(jiān)測(cè)烤煙氮素之間的優(yōu)劣進(jìn)行比較，在未來(lái)的研究中可以考慮分析比較不同煙葉氮素速檢方法在便捷性、精確性等方面的優(yōu)劣。

4 結(jié)論

通過(guò)本研究得出主要結(jié)論如下：

（1）烤煙葉片的SPAD值與葉片氮含量有較好的相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明可以利用SPAD值作為氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的指標(biāo)。

（2）煙葉產(chǎn)量與施氮量之間呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系式Y(jié)=-0.07X2+18.07X+2165.34，煙葉最佳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量為3330.4 kg/hm2，最佳施肥量為124.5 kg/hm2。

（3）通過(guò)SPAD值與施氮量、煙葉產(chǎn)量之間的耦合關(guān)系可知，移栽各時(shí)期SPAD的最適范圍在37.11～46.06之間。