冬小麦氮平衡指数与籽粒蛋白质含量空间结构及关系.pdf

第 29 卷 第 15 期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 No.15 2013 年 8 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Aug. 2013 91 冬小麦氮平衡指数与籽粒蛋白质含量空间结构及关系 宋森楠 1，宋晓宇2,3，陈立平2,3，杨贵军2,3， 崔 贝 2,3，金秀良1，谭昌伟1，郭文善1 （1. 扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/农业部长江中下游作物生理生态与栽培重点开放实验室，扬州 225009； 2. 国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097； 3. 农业部农业信息技术重点实验室，北京 100097） 摘 要：氮素的吸收对其最终籽粒蛋白质含量具有重要的影响。该研究以冬小麦为研究对象，运用地质统计学方 法研究分析了冬小麦胁迫荧光参数氮平衡指数（nitrogen balance index，NBI）与籽粒蛋白质的空间结构并且建立 了半方差函数。采用指示值等值线法分析了 4 个生育阶段的综合氮平衡指数（NBI）与籽粒蛋白质含量的关系。 研究结果表明：氮平衡指数（NBI）与籽粒蛋白质含量数据符合正态分布；具有明显的区域化变量特征和较好的 空间结构;冬小麦各生育期胁迫荧光参数氮平衡指数（NBI）与籽粒蛋白质含量的相关系数均表现较好，在灌浆中 后期达到最大值（r=0.828） ；适宜氮平衡指数维持较长时间有利于较高籽粒蛋白质含量的形成，且综合氮平衡指 数与籽粒蛋白质含量表现出相同的空间分布。该研究确定的冬小麦氮平衡指数（NBI）与籽粒蛋白质含量的空间 结构和关系为作物大田氮肥管理、籽粒蛋白质预测等提供参考。 关键词：蛋白质，氮，正态分布，冬小麦，氮平衡指数，空间变异性，指示值等值线 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.15.012 中图分类号：S512.1 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-15-0091-07 宋森楠，宋晓宇，陈立平，等. 冬小麦氮平衡指数与籽粒蛋白质含量空间结构及关系J. 农业工程学报，2013， 29(15)：9197. Song Sennan, Song Xiaoyu, Chen Liping, et al. Spatial structure and relationships of nitrogen balance index and protein content of grain in winter wheatJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(15): 9197. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 小麦是世界上主要的粮食作物，全球有三分之 一的人口以此为主要食粮。不仅给人类提供热量， 也是蛋白质的主要来源。大量研究表明，籽粒蛋白 质含量和植株含氮量之间有很强的相关性。鞠昌华 等1通过开花期叶片氮含量对作物籽粒蛋白质进行 了可靠的估测，获得了良好的效果。王纪华等2研 究认为小麦的叶片含氮量可以估算其他生化组分 及干物质指标含量，且开花期叶片含氮量可用来估 测籽粒蛋白质和干面筋等品质指标含量。李映雪等 3研究结果表明不同小麦品种籽粒蛋白质含量与不 同时期的叶片氮含量均呈正相关关系，并且大部分 生育期都达到显著水平。增施氮肥可有效地调控小 收稿日期：2013-02-27 修订日期：2013-07-13 基金项目：国家自然科学基金项目（41201326，31071324） ，国家 973 计划项目（2011CB311806） ，国家 863 计划项目（2013AA102303） ，公 益性行业（农业）科技专项（201303109-8）资助。 作者简介：宋森楠（1989） ，男（汉） ，江苏盐城人，研究方向为农业 信息技术。北京 国家农业信息化工程技术研究中心，100097。 Email: jjwozc 通信作者：郭文善（1961） ，男（汉） ，江苏姜堰人，教授，博士， 研究方向为作物栽培生理与信息农业。 扬州 扬州大学江苏省作物遗传 生理重点实验室，225009。Email: guows 麦籽粒和面粉品质4，因此中国氮肥投入量逐年增 加。然而随着氮肥施用的大量增加，不仅氮肥利用 效率逐渐降低， 污染环境， 而且降低了农民的收益， 给农业生产带来不可估量的损失。因此，了解和实 时监测作物氮素状况，并据此确定科学的施肥管理 措施，对提高氮素利用效率，合理利用资源，提高 作物产量、改善品质以及保护环境都有重要意义。 氮平衡指数（nitrogen balance index，NBI）是重 要的胁迫荧光参数，也是反映作物长势的重要指标。 它是叶绿素（SFR）和类黄酮（FLAV）的比值5。利 用 NBI 来评估叶片氮素营养状况时， 避免了传统方 法中的延迟效应6，叶绿素与类黄酮稍有变化，即 可检测出植物的氮肥状况。Lejealle 等7研究表明 Multiplex 3测量的NBI与足球场草坪叶片氮素含量 的相关性优于叶绿素。 Cartelat A 等8研究表明 NBI 的空间分布与小麦产量空间分布较为相似，可以使 用 NBI 来预测作物的产量。Zhang 等 9利用 Multiplex 测量了玉米的叶绿素、花青素等参数，结 果表明这些参数对氮肥状态较为敏感，可作为指示 参数使用。 故推断 NBI 与籽粒蛋白质存在一定的相 关性。 地质统计学理论是以区域化变量、随机函数和 农业工程学报 2013 年 92 平稳性假设等概念为基础，以变差函数为核心，以 克立格插值为手段，分析研究自然现象的空间变异 问题。近年来，关于地质统计学原理应用于作物产 量或者其他生长指标与土壤特性空间变异性已有 报道10-12，但是关于作物籽粒蛋白质含量和其他生 育特性之间的空间变异关系的研究较少。本文基于 地统计学方法对籽粒蛋白质信息和 NBI 的空间结 构及其关系进行了初步的分析研究。 1 材料与方法 1.1 试验区域概况 试验于 20112012 年在国家农业信息化工程 技术研究中心精准农业试验基地进行，该基地位于 北京市昌平区， 小汤山镇， 地处 4010N， 11626E。 试验地土壤为潮土， 土壤中 00.3 m 土层全氮质量 分数 0.940.98 g/kg，有机质 15.315.8 g/kg，硝 态氮3.0015.04 mg/kg， 有效磷2.202.118 mg/kg， 速效钾 106.96132.77 mg/kg13。播种时底施磷酸 二铵 337.5 kg/hm2；尿素 150 kg/hm2。播种期 2011 年 9 月 2326 日，试验品种为京冬 22。试验地采 用常规均一管理方式。 1.2 田间信息获取 试验区域南北长 200 m，东西长 70 m，划分为 10 m10 m 共 110 个小区 （如图 1 所示为各小区中 心点）。使用 Multiplex 3 荧光式植物生理/胁迫测 量仪在拔节期 （2012 年 4 月 25 日） 、 抽穗期 （2012 年 5 月 8 日）、灌浆初期（2012 年 5 月 23 日）、 灌浆中后期（2012 年 6 月 5 日）各测一次每个小区 中心点的胁迫荧光参数（1 m 直径内测量 5 次减少 测量误差，即中心点的胁迫荧光参数为 1 m 直径内 图 1 采样点布置 Fig.1 Layout of sampling points 的平均值）；冬小麦成熟期，围绕各中心点，收取 1 m2面积上的冬小麦，自然风干后用近红外分析仪 （NIR）（foss1241 型，Foss Tecator，Sewden）测量 冬小麦籽粒蛋白质含量。 1.3 研究方法 地质统计学理论以区域化变量为基础，以半方 差函数为工具，成为变量的空间变异性与分布结构 特征规律及多变量空间关系的有效手段。本文运用 Matheron 传统计算公式， 即试验半方差函数公式14 ( ) *2 1 1 ( ) ( )() 2( ) ii N h i hZ xZ xh N h = =+ （1） 式中， *(h)为半方差函数； h 为两观测点的间隔 （滞 后距）；Z(xi)，Z(xi+h)为采样点 xi与 xi+h 的观测值； N(h)为间隔为 h 的点对数。根据实际点的特征拟合 模型。常见模型包括：指数模型、球形模型、高斯 模型、线性模型等。 1.4 数据处理 由于数据中特异值的存在，影响数据的正态分 布。 采用估计领域法 （ENM） 15识别和处理特异值。 可疑值是否为特异值的统计量公式如下15： 2 2 () (1) n GM I n = + （2） 式中，G 为有待识别的测量值，M 为不包括可疑值 G 的领域内其他样品测量值的算术平均值；n 为不 包括 G 的领域内样品数； 2为领域内观测值的平均 方差；I 为识别特异质的统计量；I 服从自由度为 1 和的 F 分布，当 I3.84 时，可疑值 G 在 95%置 信区间被确定为特异值。 本文应用 SPSS 18.0 软件进行数据统计分析。 冬小麦胁迫荧光参数与籽粒蛋白质数据的空间变 异性利用 GS+7.0（geostatistics for the environment science）软件进行半变异函数的计算与拟合。冬小 麦3个生育期的综合NBI指示值与籽粒蛋白质含量 的等值线图利用 Surfer8.0 软件进行克里金空间最 优无偏插值后绘制而成。 2 结果与分析 2.1 经典统计分析 表1为各生育期NBI与籽粒蛋白质数据的统计 特征值。NBI 的变异系数 Cv 在在 0.080.14 之间， 属于中等偏弱变异性16。籽粒蛋白质含量变异系数 小于 0.08，属较弱变异性。各生育期氮平衡指数的 偏度都较小，且中值与均值极为接近，可认为符合 正态分布。NBI 在所选生育期内呈现下降趋势，这 主要是由于拔节期处于冬小麦营养生长的旺盛时 期叶片氮素含氮量相对较高，拔节期后叶片氮素含 量逐渐下降17。进入生殖生长为主的阶段后，灌浆 初期与灌浆中后期较抽穗期分别下降了 29.1%和 49.5%， 这可能与其叶片中氮素较多转移至籽粒有关。 第 15 期 宋森楠等：冬小麦氮平衡指数与籽粒蛋白质含量空间结构及关系 93 表 1 冬小麦各生育期 NBI 与籽粒蛋白质含量统计特征值 Table 1 Summary of statistics for the stage of winter wheat NBI and grain protein content 均值 Average 标准差 Standard deviation 中值 Median 变异系数 Coefficient of variation 偏度 Skewness 峰度 Kurtosis 拔节期 NBI NBI at jointing stage 2.787 0.387 2.797 0.139 -0.072 -0.823 抽穗期 NBI NBI at heading stage 1.234 0.162 1.227 0.131 -0.064 -0.197 灌浆初期 NBI NBI at the early stage of filling 0.874 0.08 0.872 0.091 0.276 -0.606 灌浆中后期 NBI NBI at the middle and late stage of filling 0.623 0.052 0.623 0.083 0.144 -0.598 籽粒蛋白质 Grain protein content 14.32% 1.12% 14.28% 0.078 -0.129 -0.314 2.2 各生育期 NBI 与籽粒蛋白质的空间结构分析 变程 a 能够反映变量相关程度的范围。各生育 期 NBI 与籽粒蛋白质的变程均大于采样尺度 （10 m），表明该采样尺度条件下能够满足本试验 的要求。基台值（C+C0）表示区域化变量在研究范 围内变异的强度，块金常数（C0）反映了区域化变 量内部随机性的可能程度。C/(C0+C)是放映变量空 间异质性程度的重要指标。 各生育期中的 NBI 与籽 粒蛋白质表现出很强的空间相关性（64%96%）。 至灌浆中后期 NBI 的变程虽然较大 32.8 m， 但是空 间相关程度下降明显（C/(C0+C)=64%）。籽粒蛋白 质具有较强的空间相关性 （C/(C0+C)=94.5%） 。 NBI 空间相关距离（变程）在拔节期较小，总变异最大， 且几乎全部由随机部分引起，空间相关性很小。 表 2 冬小麦生育期 NBI 与籽粒蛋白质含量变异函数模型及其相关参数 Table 2 Semivarlogram theoretical models of the stages of winter wheat NBI and grain protein content and corresponding parameters 变量 Variable 生育期 Growth stage 模型 Model 块金值 Nugget 基台值 Sill 变程 Range/m 基低效应 Nugget/Sill 决定系数 R2 拔节期 Jointing stage 指数模型 Exponential model 0 0.1412 15.9 1 0.172 氮平衡指数 Nitrogen balance index 抽穗期 Heading stage 指数模型 Exponential model 0.00077 0.02554 25.8 0.969 0.683 灌浆初期 Early stage of filling 高斯模型 Gaussian model 0.00039 0.00643 10.4 0.939 0.539 灌浆中后期 Middle and late stage of filling 指数模型 Exponential model 0.00101 0.00279 32.8 0.64 0.634 籽粒蛋白质 Grain protein content 球形模型 Spherical model 0.073 1.332 28.2 0.945 0.683 2.3 各生育期 NBI 与籽粒蛋白质的关系 2.3.1 各生育期 NBI 与籽粒蛋白质相关性分析 为了阐明不同生育时期 NBI 与籽粒蛋白质密 切关系，对其进行了相关分析（表 3）。各生育期 NBI 之间及与籽粒蛋白质均呈现极显著的正相关， 其中两相邻生育期 NBI 一般优于两不相邻生育期 NBI。故各生育期的 NBI 与籽粒蛋白质含量具有较 好的相关性。随着小麦生育进程，不同生育期 NBI 与籽粒蛋白质的相关系数呈上升趋势，至灌浆中后 期达到 0.828，表明利用灌浆中后期 NBI 可较为准 确预测冬小麦籽粒蛋白质含量。 表 3 各生育期 NBI 与籽粒蛋白质含量之间的相关性 Table 3 Correlation of the stages of winter wheat NBI and grain protein content 籽粒蛋白质含量 Grain protein content 拔节期 NBI NBI at jointing stage 抽穗期 NBI NBI at heading stage 灌浆初期 NBI NBI at the early stage of filling 灌浆中后期 NBI NBI at the middle and late stage of filling 籽粒蛋白质含量 Grain protein content 1 0.611* 0.709* 0.771* 0.828* 拔节期 NBI NBI at jointing stage 1 0.720* 0.587* 0.627* 抽穗期 NBI NBI at heading stage 1 0.752* 0.773* 灌浆初期 NBI NBI at the early stage of filling 1 0.883* 灌浆中后期 NBI NBI at the middle and late stage of filling 1 注：“*”表示在 0.01 水平下显著。 Note: “* *” mean significant at 0.01 level. 农业工程学报 2013 年 94 2.3.2 各生育期 NBI 与籽粒蛋白质含量空间关系 冬小麦籽粒蛋白质的形成与氮素吸收、转运、 同化密切相关。孙振元等18研究表明生育前期贮藏 在营养器官中氮素在开花后不久即开始向外转移, 运往发育中的穗部或籽粒。成熟时穗部氮含量占植 株总氮的 82%。 张庆江等19研究表明小麦籽粒积累 的氮素主要来自前期营养器官储存氮素的再分配， 其比例占籽粒氮的 53.0%80.5%。 故冬小麦籽粒蛋 白质形成受生育前期物质的积累与花后氮素再分 配的共同作用。 为研究冬小麦 NBI 随时间的动态变化与籽粒 蛋白质的关系，本文采用“指示值分布法”20实现 同时比较冬小麦拔节期、抽穗期、灌浆初期和灌浆 中后期4个生育时期的综合NBI与籽粒蛋白质含量 的空间分布关系：1）以表 1 所列各生育期 NBI 的 中值作为为阈值，获得各采样点的指示值；具体做 法是：根据相关性分析，各生育期 NBI 与籽粒蛋白 质含量的相关系数大小依次为：拔节期抽穗期 灌浆初期灌浆中后期。 故指定当拔节期 NBI 大于 等于阈值时， 指示值 P=1， 否则为 0； 当抽穗期 NBI 大于等于阈值时，指示值 P=2，否则为 0；当灌浆 初期 NBI 大于等于阈值时， 指示值 P=4， 否则为 0； 当灌浆中后期 NBI 大于等于阈值时，指示值 P=8， 否则为 0；最后综合 NBI 为各采样点 4 个生育期 NBI 的累加值；2）绘制指示值的等值线分布图（图 2），其中指示值只是标志没有大小区别；3）对籽 粒蛋白质进行克里格插值，得蛋白质等值线分布图 （图 3）；4）比较图 2 和图 3。 图 2 冬小麦 NBI 指示值等值线图 Fig.2 Contour lines of indicator value for winter wheat NBI 图 3 冬小麦籽粒蛋白质含量等值线图 Fig.3 Contour lines of winter wheat grain protein content 通过比较图 2 和图 3，可得出以下结论：1）综 合 NBI 的空间分布与籽粒蛋白质的空间分布较为 相似，可以使用综合 NBI 来预测籽粒蛋白质含量； 2）指示值较高的区域（图 2 中 P11 的区域），亦 即较大 NBI 持续较长的区域籽粒蛋白质含量较高 （均在 15.6%以上）；3）较大 NBI 持续时间较短时 （指示值 P 小于 10 大于 1） ， 籽粒蛋白大多较低； 4） NBI 在 4 个生育期均较小 （图 2 中指示值 P=0 的区 域），其籽粒蛋白质含量亦偏低（小于 12.6%）， 且籽粒蛋白质含量的最低值位于该区域；5）籽粒 蛋白质含量最高值出现在 NBI 在 4 个生育期较大 （图 2 中指示值 P=15）时，说明适宜的 NBI 维持较 长时间，且平稳变化有利于较高籽粒蛋白值形成； 3 结论与讨论 1）冬小麦各生育期氮平衡指数与籽粒蛋白质 数据符合正态分布，且在一定的区域范围内均具有 空间结构特征，特别是抽穗期、灌浆期与灌浆中后 期的 NBI 具有很强的空间自相关性。 两者的空间变 异性属于中等偏弱，同时 10 m 的采样尺度能够满 足本试验的试验要求。该理论能够弥补单纯采用经 典概率统计法分析的片面性。 2）相关性分析表明，冬小麦各生育期 NBI 与 籽粒蛋白质相关性均达到了极显著水平，说明利用 各生育期 NBI 可预测籽粒蛋白质含量， 其中灌浆中 后期最为准确。 为了研究冬小麦 NBI 空间发展动态 与籽粒蛋白质空间分布的关系。本文采用指示值等 值线法， 对比分析 4 个生育期的综合 NBI 和籽粒蛋 第 15 期 宋森楠等：冬小麦氮平衡指数与籽粒蛋白质含量空间结构及关系 95 白质的空间分布关系， 结果表明： 综合 NBI 与籽粒蛋 白质空间分布较为一致。 冬小麦从拔节期至抽穗期是小麦一生中生长发育 最旺盛的时期，满足这一时期的养分供应对提高籽粒 蛋白质含量具有重要意义。对于NBI值较小，叶色偏 淡，叶面积较小的群体，应该较早施用拔节肥，提高 分蘖成穗率，力争穗多，穗大。对于NBI值正常生长 健壮的麦苗，由于群体适宜，穗数一般有保证，主要 应攻大穗，拔节期应该适当控制肥水，防止倒伏；对 于NBI值较大，群体大，叶面积过大，叶片浓绿的旺 苗，应该少施或者不施拔节肥。赵广才等21研究表明 小麦生长后期追肥有利于提高籽粒蛋白质含量。小麦 生长后期根系吸收能力较差， 叶面追肥更加直接有效。 对于灌浆期NBI值较小， 叶片发黄的群体在早上08:00 点前、 下午 17:00 点后或阴天进行喷施 0.5%2.0% 之间的尿素。 对于NBI值正常或者较大没有出现早衰 现象的群体，不要喷施氮肥。本研究试验未包括各生 育期的数据，但所采集的四个生育期数据既包括开花前 又包括开花后，能够大致反映出小麦氮素营养状况。因 此，通过NBI 指导大田养分管理，可以在一定区域范围 内提高冬小麦籽粒品质。 参 考 文 献 1 鞠昌华. 利用地_空高光谱遥感监测小麦氮素状况与生 长特征D. 南京农业大学，2008. 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Key Laboratory for Information Technologies in Agriculture, the Ministry of Agriculture 100097, China） Abstract: Wheat is one of three major food crops in China, not only it is a source of calories, but also an important source of protein. With the improvement of peoples living standards, the demand for high-quality food products also rose rapidly. However, the number of high-quality wheat was far from being able to meet domestic demand with largely dependence on foreign imports. The development of large-scale production of high-quality wheat became the trend of Chinas wheat production. Grain protein content was an important quality character in wheat, which was closely related to nitrogen absorption, transport and assimilation. Many studies showed that the status of leaf nitrogen content had significant correlation with grain protein content, thus rapid nitrogen diagnosis had great significance for guiding crop production. Multiplex is the latest hand-held optical fluorescence sensor 第 15 期 宋森楠等：冬小麦氮平衡指数与籽粒蛋白质含量空间结构及关系 97 introduced to the non-destructive measurement of various parameter representatives of plant nitrogen status. This instrument generates fluorescence in the plant tissues using light sources (LED) generating four wavelengths: UV_A (375 nm, UV); blue (450 nm, B); green (530 nm, G); and red (630 nm, R). The present research focused on the winter wheat of the National Experimental Station for Precision Agriculture of China. Based on griding sampling, nitrogen balance index (NBI) was conducted with Multiplex 3 from jointing stage to middle and late filling stages. The spatial structure between winter wheat stress fluorescent parameter nitrogen balance index (NBI) and grain protein content were analyzed using geostatistical methods, and their s