水稻冠层叶片SPAD数值变化特征及其在氮素营养诊断中应用.pdf

浙江大学 硕士学位论文 水稻冠层叶片spad数值变化特征及其在氮素营养诊断中的应用 姓名 姜继萍 申请学位级别 硕士 专业 环境工程 指导教师 杨京平 20120304 浙江大学硕士学位论文 摘要 氮素是水稻生长发育的重要限制因子 施氮能有效提高水稻产量 而水稻种 植中过度施用氮肥会导致氮素损失 不仅污染了环境 还增加了成本 减少了产 量 为此 国内外学者开展了许多相关的研究 探寻提高水稻氮肥利用率的途径 实时 实地氮肥管理模式便是其中一种既保证水稻产量又提高氮肥利用率的田间 管理技术 其主要手段是利用叶绿素计对水稻氮素营养状况进行诊断 本研究通过大田试验 主要研究了6 个施氮水平和3 种不同施肥方案下 水 稻生育期内不同施氮量 不同叶位叶片的s p a d 数值特征 及其在氮素营养诊断 中的应用 研究主要得到以下结论 通过对水稻植株整个生长周期叶绿素计读数 s p a d 值 的变化情况以及水稻 分蘖 孕穗和抽穗3 个重要时期主茎顶1 叶至顶4 叶的s p a d 值分布变化特征的 研究 结果表明 水稻整个生长期叶色呈现 黑黄 交替的变化规律 且主茎顶4 叶对氮素供应丰缺的反应最为敏感 可作为诊断水稻n 素营养状况的理想指示叶 此外 对水稻主茎上各个相邻叶位的s p a d 差值与施氮水平之间的相关性进行比 较 发现顶4 叶和顶3 叶的s p a d 差值 s p a d 与施氮水平之间存在明显相关性 随着施氮水平的提高 顶4 叶与顶3 叶间的s p a d 值差异逐渐缩小 且这一结果 不受施肥条件和水稻生长时期的影响 因此 也可以利用s p a d idi3 值作为水稻整 个生育期n 营养状况实时诊断的指标 通过对水稻叶片s p a d 值与单位质量氮含量 n w 单位面积氮含量 n 之 间的关系的研究 结果表明 无论在水稻生长的哪个阶段 叶片的s p a d 值与n w n 之间均存在显著或极显著的线性相关 并且s p a d 值与n w 的相关性要高于s p a d 值与n 的相关性 此外 还研究了不同叶位叶片s p a d 值与n w 的关系之间的差异 发现分蘖期 以水稻主茎功能叶中的顶3 叶的s p a d 值与n w 的相关性最高 适宜作为该时期的 氮营养诊断指示叶 而孕穗期和抽穗期则以顶4 叶对n 素的反应最为敏感 且s p a d 值与n w 的相关性最高 因此在这两个时期可选取顶4 叶作为水稻n 营养诊断的指 示叶 并在上述研究结果的基础上初步确定了水稻不同生育期 氮素营养诊断的 sp a d 标准值范围 也建立了s p a d 值与追肥量之间的关系 为诊断水稻氮素营养 浙江大学硕士学位论文 状况 指导精确施肥提供了重要的应用依据 关键词水稻 冠层 s p 加值 叶片氮含量 叶绿素含量 氮素诊断 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t n i 仃d g e ne l e m e n ti sal i m i t i n gf a c t o rf o rr i c e 咖s 口疗v 口l g r o w 虬a n d n i 仃d g e n 印p l i c a t i o ni sa ni i i l p o r t a n tw a y t 0m c r e 硒er i c ey i e l dp e ru 1 1 i t 龇e a e x c e s s i v e i l i 仃0 9 e n 印p l i c a t i o nt 0r i c ec r o pc a u s e s 印v i r o 锄e n t dp o l l u t i o 玛i n c r e 嬲e st h ec o s t0 f r i c ef 锄i i l g r e d u c e sg r a i n 妒e l do fr i c e 嬲 v e l l b e c a u s eo ft 1 1 a t a1 0 to fr e s e a r c b e r s b o t ha th o m e 锄da b m a dh a v ed e v 0 i t e dm e m s e l v e st om e 殉l d yo fi m p r 0 v i n g l e 1 1 i 们g e n u t i l i z a t i o ne 伍c i e n c y r e a l t h en u t r i e n tm 锄a g e m e n t r 1 n m a n d s i t e s p e c i f i cn u t r i e mm 锄a g e m e n t s s n m a 聆t w om 萄0 rp a d d yf i e l dm 锄a g e m e n t t e c h i l i q u e s 也a tc 趾g u 越a n t e e 笋a i ny i e l da n di m p r o v em en i 们g e nu t i l i z a t i o ne 伍c i e n c y o fr i c em e 锄t i m e l e a fn i 们g e ns t a t u s 1 ia j 卵s e d 晰t ha 珊o r o p h y l lm e t e r s p a d i sa n h n p o r t a mm e a n so fi 洲m a i l ds s n mf o rr i c ep r o d u c t i o n h lt h i sr e s e a r c 也ap a d d yf i e l d e x p e r i m e n tw 嬲c a r r i e do u ta t s i x i l i 仃0 9 e n 印p l i c a t i o nl e v e l s 觚dt h r d i f f e r e n tf e r t i i i z a t i o np r o 蓼锄s i n0 r d e rt 0 咖d yt l l e c 1 1 a r a c 耐s t i c so fs p a dv a l u eo fd i 虢r e n tp o s i 缸o nl e a v e s 岫d e rd i 髓r e n ti l i 仰g e n 印p l i c a t i o nl e v e l s 锄di t sa p p l i c a t i o ni l l1 1 i 仰g e nn u n 诟0 nd i 孵1 0 s i si l lr i c e t h e 就i i i l c o n c l u s i 优强e m e 玛i i 培f 如mt h es t u d ya r e 勰f o l l o w s u g hm e 咖d yo f 恤d y n 锄i c 幽 删e r i s t i c so fs p a dr e a d 她 n gg r o w m m 唔eo fr i c ea n d 仕屺印a t i a ld i s t r i b u t i o no fs p a dv a l u eo ff o u rl e a v e s 盘o mn l et o p t 0 f 0 u m ll e a fp o s i t i o n0 nm 咖s t e mo fr i c e as p a dv 山e 糯m e a s e db yu s i l l gm e c l l l o r o p h 姐lm e t e ra tt i l l e r i i 培鼬唱e b o o t i n gs t a g e 舡l d 丘l l i r 培s t a g eo fr i c e t h er e 驯d t s s h o w e dm a tt h eg r e e m l e s so fr i c el e a fw 舔r e g i d a r l yc h a n g e d 弱 b l a c k y e l l o 1 7 a l t e m a t i o np a t t e n l st l l r o u 曲t 1 1 ew h o l eg r o w 吐lp e d o do fr i c e 髓dt h es e 璐i t i v i t o ft l l e f o u r c hl e a f 丘d mm et o pt on w 嬲l l i 曲e 鸭西v i n gi t 弱t h em o s ti d e a li n d i c a t o ro fr i c e l e a fp o s i t i o nw h e nu s 迦s p a d 砌u et od i 孵1 0 ns t a t u s f u 吡e n n o r e 也ed i f r e r e n c e o fs p a dv a l u e sb 鲡 e e n 廿l e 删a c e n tl e a fa n di l i n o g e n 印p l i c a t i o nr a t e ss l l o w e dm a t v a l u eo fs p a d l 4 s p a d l 3 s p a d l 4 l 3 w 舔l l i 曲l yr e l a t e dt ot h en i t r o g e nc 0 n t to f l e a f 趾dp l 锄t w 池m ei n c 尬捌n gi l i 仃o g e nc o m e n t m ed i m r e n c eb e t 飘忙e ns p a dv a l u c o ft l l ef 0 u r ml e a fa n dm e 吐l i r dl e a fd e c r e a s e d r e g a r d l e s so f 触i l i z e ra p p l i c 撕0 n c o n d i t i o n 趾dd e v e l o p m e n ts t a g e m s s p a d i 3v a l u ec o u l db eu s e d 弱a 嘶t a b l e i n d i c a t o rf o rr i c ep la i l tm 碰t i o ns 咖c u sa tw h o l es t a g e 1 kr e l a t i o 枷pb e 研e e nc l l l o r o p h y um e t e rr e a d i n g s s p a dv a l u e s 锄d e i g h t b 舔e d n w a 1 1 da r e a b 嬲e d n a l e a fn c o n c e n 臼眦i o n e r ea l s o 觚a l y z e di nn l i s r e s e a r c h t h er e s u n ss h o w e d 哦t l l e r ew e r es i 叫f i c 趾t 妒 0 0 5 o rh i 削ys i 鲥丘c 觚t i 浙江大学硕士学位论文 妒 o 01 l i n e a rr e l a t i o i l s l l i p sb 咖e 饥s p a dv a l u e s 锄dl e a fnc o n c e 曲眦i o nb o t l l w e i g h t b 勰e d n w 觚da r e a b a s e d n a a te a c hg r o w ms t a g e t h er e l a t i o n s 螂b e t w e e n n i 仃o g e nc o n c e m r a t i o n 舭ds p ai w 弱s t r o n g e rw h e nm 仰g e nw 嬲e x p r e s s e do nal e a f w e i g h tr 砒e r t l l 觚0 n a l e a f a r e a b 弱e d n f u r t h e m o r e m es t u d yo f 血er e l a t i o i l s b e 眦e i ls p a dv a l u e s 觚dn wo f d i 触嘶p o s i o nl c a v e ss h o w e dt h a tt h et i 蝴l e a f 舶m 也et o p l 3 w 嬲恤嘶诅b l e l e a f w h e nl l s i n gs p a dv 2 l l u et od i a g n 0 ns 咖sa tt i l l 商n gs t a g eo f r i c e b e c a u s eo f i t s s p a dv a l u e sc o 玎e l a t e d l i m 卜kb e 吮r 姗o t l l e r1 e a v e s b o ma tb o o t i n gs t a g e 姐d h e a d i n gs t a g e t t l ef o u r ml e a f 盘 o mt l l et o p l 4 w 舔m em o s ti d e a li l l d i c 纰0 rw h e nu s i i l g s p a dv 山et od i a g n o ns t a t i l s n l cr e 嬲o nw 嬲l 4e x l l i b i t e d t i v ec h a i 培e s 埘t 1 1 v 撕a t i o no fp l a l l t1 1 i 加g e ns t a t 潞 锄d 吐l er e l a t i o n s h i pb e 柳e e ns p a dv m u e sa n dn wo f l 4w a st h em o s tr e l e v a i l t a c c o r d i i l gt om ea b o v er e s e a r c hr e s m t s l e 砌g eo fc r i t e r i ao fs p a dv a l u e sa t e a c h 啦g ew a sd e t e n i l i n e dp r i m a r i l y 趾d 恤r e l 撕0 n s 螂b e 帆e ns p a d 砌u e s 锄d 也e 锄o u n to ft o pd r e s s i i 培w a se s t a b l i s h e dm e 觚t i m e w m c hc o u l db eu s e da sai i l p o r t a n t r e f e r e n c ef o rp r e c i s i o nf 宅n i l i z a t i o no fr i c ep r o d u c t i o n k e y w o r d sr i c e c a n o p y s n 岫v a l u e s l e a fnc o n c e n 臼觚o n l e a fc l d o r o p h y l l n i 仃o g e nd i 孵l o s i s 致谢 本论文是在导师杨京平教授的悉心指导下完成的 从论文的选题 试验方案 设计到开展试验和撰写论文 导师自始至终倾注了大量的心血和精力 导师渊博 的学识 严谨的治学态度 勇于创新的学术思想 认真的工作态度和严于律己 宽于待人的作风为我树立了学习的榜样 在学业上 导师关心我的试验进展 积 极协助我解决试验时遇到的困难 耐心指导我的论文写作 给了我许多的帮助 在工作上 导师将实验室日常管理工作交给我 不仅提高了我处理事情的能力 也教会我怎样合理安排时间 为我以后走上工作岗位奠定了基础 两年多来 杨 老师对我的指导和帮助我都铭记于心 值此论文完成之际 要特别感谢导师的授 业之恩 在此谨向我的导师表达我最崇高的敬意和最真挚的谢意 同时 衷心感谢李金文 刘宗岸 杨虎 汪华师兄对我的照顾和帮助 感谢 杨正超 邹俊良两位师弟辅助本人试验的辛苦付出 还特别感谢浙江大学 9 8 5 农业生物平台的毛黎娟老师在样品分析上给予的指导 以及杭州市农科院作物所 戈长水师傅及其他工作人员对本试验田间管理工作的认真负责 最后感谢我的家人 是他们身体力行教会我要认真地对待每一件事 不怕吃 苦 支撑我坚持完成两年辛苦的田问试验 也是他们全心全意 不计回报的付出 和支持换来我今天的顺利完成学业 感谢所有关心 帮助和支持我的老师 同学 和朋友们 姜继萍 2 0 1 2 年1 月于浙大紫金港 浙江大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 引言 人口增长过快 土地资源有限 使得人均耕地面积不断减少 因此人们试图 采取施用化肥等手段来提高土地利用率和单位面积的粮食产量 我国不但是世界 上最大的化肥施用国 农药的施用量也相当之大 农民为了追求农业生产经济效 益最大化而投入大量的化肥和农药 据统计 我国每年的化肥施用量从1 9 8 5 年的 1 7 7 5 8 万t 增长到2 0 1 0 年的6 0 7 6 万t 其中氮肥的施用量所占比例最大并且还呈 逐年递增趋势 石梓涵 2 0 1 1 我国1 0 以上的耕地受化肥 农药的污染 程度 较重的已达1 3 3 万h l n 2 由于化肥大量使用 我国大部分土地的有机质含量已从 建国初期的7 降至现在的3 4 水平 有些甚至降到了1 5 的水平 化肥利用 率也仅为3 0 4 0 章力建与朱立志 2 0 0 5 林晓华与唐久芳 2 0 1 1 同时 南京土壤研究所的相关研究表明 化肥中的氮有1 1 1 3 2 会氨挥发到空气中 而在利于氨挥发的条件下 氨挥发损失率可高达4 0 5 0 朱兆良 2 0 0 0 过量的氮投入 不仅污染了大气 还对农田邻近地表和地下水造成污染 流失到水 中的氮 磷造成了河流 湖泊等严重的富营养化 水稻 蛳舭 作为我国第一大粮食作物 其总产量占全国粮食总产 量的1 2 其种植面积占世界的l 5 稻田生态系统是人工的生态系统 它的自我 调节能力不如自然生态系统 在养分供给方面 也不像自然生态系统那样可以自 然延续 需要靠人为控制 因此 不合理的人类活动会对稻田生态系统造成不利 影响 鲁如坤等 1 9 9 8 氮素是水稻生长最重要的因子之一 施氮的确有利于 水稻的生长和发育 但随着育种技术和栽培技术的不断提高 水稻产量大幅提高 的同时却带来了氮肥施用过量和利用率降低的问题 导致了生产成本增加 环境 污染加剧等不良后果 p e i 唱a n db u r e s hc ta 1 2 0 1 0 氮肥施用过量还会造成水稻 易倒 p h 锄a i l da b ee ta 1 2 0 0 4 和病虫害加重 c u 觚dm e w e ta 1 1 9 9 6 等危险 影响水稻自身的品质 因此 稻田的施肥管理对水稻本身和周边环境都及其重要 1 2 稻田氮肥利用现状分析 1 2 1 稻田氮肥施用量和氮肥利用率现状 据世界粮农组织统计 白1 9 6 1 年至1 9 9 9 年 全球氮肥用量 以纯n 计 从 1 1 6 1 0 6 t 增加到8 5 5 1 0 6t 氮肥用量增加了6 4 倍 而我国在同期内氮肥用量 1 浙江大学硕士学位论文 增加了4 3 8 倍 目前 中国水稻氮肥用量占全球水稻氮肥总用量的3 7 为世 界第一消费大国 f a o 2 0 0 1 中国稻田单季水稻氮肥施用量平均为1 8 0 埏岫 2 这一用量比世界稻田氮肥单位面积平均用量高7 5 左右 贺帆 2 0 0 6 而稻田氮 肥利用效率的平均水平为3 0 左右 低于世界平均水平 比美国 日本等发达国 家低1 0 1 5 王光火与张奇春等 2 0 0 3 李荣刚 2 0 0 0 研究表明 江苏省水 稻的氮肥吸收利用率仅为1 9 9 明显低于全国平均水平 1 2 2 稻田氮肥利用率低的原因分析 尽管前人在减少氮素损失和提高氮肥利用效率方面做了大量的工作 但由于 氮肥施用量的持续增加 以及新方法和新技术的推广 应用不及时 导致了实际 稻田的氮肥利用率提高不明显 分析我国稻田氮肥利用率低的原因主要有以下几个方面 首先 我国土壤背 景氮含量过高 当氮肥施用量大时就会导致氮肥的农学利用率降低 黄见良 2 0 0 3 认为 培肥土壤要达到高背景氮水平往往需消耗大量的有机和无机氮肥 而水稻 在土壤低背景氮条件下 对氮肥的反应更为敏感 利用效率就会越高 其次 氮 肥施入时期对水稻氮肥利用率高低的影响 我国的农民通常将氮肥总量的5 5 一 8 5 作为基肥和移栽后1 0 天内的追施肥 虽然水稻生长前期供氨充足利于返青 和分蘖 但过量的氮肥在水稻根系尚未形成时施入 使得氮素停留在水和土壤中 的时间加长 浓度加大 因而导致氮素损失严重 马群与李国业等 2 0 1 0 再次 人们长期以来养成的中期晒田的习惯可能造成氮素利用率低下 徐华等 1 9 9 9 报道 晒田会导致n 2 0 的排放量增加 使氮损失加剧 如果在水稻生长前期施 入适量的氮肥 保障水稻不出现过多的无效分蘖和过大的叶面积系数 则可尽量 避免实施中期晒田的措施 使得水稻的氮素利用率有所提高 1 2 3 提高水稻氮肥利用率的新途径 前人的大量研究探索出了很多提高水稻氮肥利用率的途径 主要包括施用新 型肥料 如缓释肥 包膜肥 种植氮素利用率高的新品种 采用新的施肥方式 如水肥混施 氮肥深施 以及新的田间肥料管理模式等方面 1 2 3 1 新型肥料施用 目前新型肥料主要有添加硝化抑制剂和脲酶抑制剂的氮肥和改变了化肥原 本物理化学性状的缓释肥等 2 浙江大学硕士学位论文 前者在普通氮肥中添加硝化抑制剂和脲酶抑制剂 脲酶抑制剂抑制脲酶的活 性 减缓尿素态氮转化为铵态氮 减少因铵态氮浓度过大而造成的氨挥发 同时 硝化抑制剂抑制硝化细菌活性 减少硝态氮的产生 减弱硝化一反硝化过程 提 高土壤中铵态氮的含量 提高土壤保肥性 可见脲酶抑制剂和硝化抑制剂能有效 减少硝态氮的淋溶 n 2 0 和n h 3 向大气的排放 从而提高肥料的利用率 俞巧钢 与陈英旭等 2 0 0 6 目前脲酶抑制剂已经有一百多种 其中应用较为广泛的是 氢醌 h q 和n 丁基硫代磷酰三胺 n b p t 较常见的硝化抑制剂有双氰胺 d c d 和2 一氯一6 三氯甲基 吡啶 简称n i 脚如n 两类抑制剂协同使用 对减少 氮素损失的效果更好 闫湘等 2 0 0 8 研究表明 h q d c d 组合应用于稻田生 态系统 n 2 0 和c h 4 排放量比分别使用h q 和d c d 减少1 3 和1 2 缓释肥是对化学肥料本身进行改性而开发出的更适合作物生长的新型肥料 现有的化学肥料利用率低 特别是氮肥中的氮素不能被作物充分利用的一个重要 原因是化学肥料溶解过快 无法与作物吸肥规律同步 因此 改变现有化肥的物 理化学特性 减缓 控制肥料的溶解和释放速率 使它尽可能的与作物各生育阶 段的养分需求同步 是提高肥料利用率重要的技术手段 s h a v i v 1 9 9 6 认为 控释氮肥在水中溶解8 0 养分所需的时间并不能提供足够信息以调控氮素营养 从而减少氮素损失对环境的影响 应该把肥料在水中溶出率和在水 土壤中的溶 出曲线结合起来评价 理想的溶出曲线应该是直线和 s 型曲线的结合型 这 样的释放模式不存在释放开始时的 爆裂式释放 b u r s t 和释放后期 拖尾作 用 鼢l i n ge 彘c t 且与植物吸收养分的模式吻合 杜建军与廖宗文等 2 0 0 3 目前 缓释肥受到了发达国家的广泛青睐 从1 9 8 3 年至2 0 0 5 年的2 2 年间 美 国缓 控释肥料使用量平均年增长率为4 2 西欧发达国家的年平均增长率为 2 8 2 0 0 5 年世界缓 控释肥料的消费量约为7 2 8 万t 美国消费了4 9 5 万t 约占世界总用量的6 8 但由于缓释肥价格较高 因此在农业推广应用中还存在 较大困难 1 2 3 2 氮肥利用率高的新品种的种植 大量的实验研究证明 水稻籼粳亚种间 常规稻与杂交稻间及同一亚种内不 同品种间的氮素利用效率差异是普遍存在的 且差异范围较大 l a d h aa n d 鼬r ke t a 1 1 9 9 8 一般来说 籼稻比粳稻对氮肥反应更灵敏 此外 育种专家为了提 3 浙江大学硕士学位论文 高水稻的抗倒性 往往在高施氮水平的育种田中选择耐肥性强的材料 却较少考 虑该品种对氮肥的敏感性 因此 大多数新育成的品种或杂交组合即使在氮肥用 量很高的情况下也不会倒 对氮肥反应不敏感 这也一定程度上造成了水稻氮肥 利用率低 彭少兵等 2 0 0 2 认为 在高施氮水平下育种得到的水稻品种其氮素 利用率不如在中施氮水平下选育的品种 所以 应该选取适合的育种环境 培育 出对氮肥反应敏感且氮素利用率高的品种进行种植推广 1 2 3 3 新的施肥方式 氮肥深施有利于减少氨挥发和径流损失 是目前提出的各种方法中 效果最 大且较稳定的一种 根据华北的试验结果 碳铵或尿素深施8 1 0c m 可比表施 的肥效高一倍左右 在水稻上 碳铵粒肥深施时 利用率平均达到6 4 8 比 粉肥表施时的利用率平均值高4 2 5 个百分点 朱兆良 2 0 0 0 氮肥深施 稻田无 水层混施和 以水带氮 以及旱地上表施氮肥 特别是尿素 后随即适量灌水 在旱作上可显著降低氨挥发 在稻田中还可降低硝化一反硝化损失 作物根系对 土壤中矿质氮的竞争性吸收 不仅可以显著提高氮肥利用率 而且还因降低了土 壤中矿质氮的浓度而减少氮肥损失 因此 尽可能提高根系的竞争性吸收能力 以及尽可能在根系吸收能力强的时期施用氮肥等应是合理施用氮肥的原则之一 朱兆良 2 0 0 8 1 2 3 4 新型的田间肥料管理模式 2 0 世纪6 0 年代以来 随着系统分析方法的逐渐完善和计算机技术的迅速发展 作物生产的模拟技术得到了长足的进展 早在1 9 4 3 年 国外就有学者通过大量实 验提出了水稻最佳氮肥管理措施 b m p s 即表现最大产量或最大氮肥利用率的 处理为最适氮肥管理措施 o r y z a o 模型 s t 0 1a n dr o u s ee ta 1 1 9 9 2 t e nb e 唱e a n dw o p e r e i se t a 1 1 9 9 4 氮肥管理优化系统m a n a g e n t c nb e r g ea n d m y a g a 删a i l e ta 1 1 9 9 7 c e r e s 鼬c e 美国c e r e s 作物模拟模型中的水稻模型 等都是计算机决策支持系统指导水稻氮肥管理的模拟模型 谢文霞与赵全升等 2 0 0 9 而目前国内外研究较广的水稻氮营养管理方式则是实地氮肥管理模式和 实时氮肥管理模式 实地氮肥管理模式 s i t e s p e c i f i cn u 臼i e n tm a l l a g e n l e n t s s 田是依据土壤养 分的有效供给量和水稻目标产量的需肥量来确定经济施肥量 在水稻生育期内 4 浙江大学硕士学位论文 依据叶绿素值 s p a d 值 或叶色卡值 l c c 值 来确定氮肥的追施量 使氮 肥的施用量和施用时期与水稻的需氮相吻合的一种氮肥管理技术 f e r g u s o n 锄d h e r g e r te ta 1 2 0 0 2 彭少兵与黄建良等 2 0 0 2 实地氮肥管理技术有利于合理 的控制氮肥的施用时期和施氮量 提高氮肥的利用效率 在实际水稻生产中有较 大的应用价值 我国各地区开展的试验研究结果都支持这一观点 范立春与彭显 龙等 2 0 0 5 陈新红与叶玉秀等 2 0 1 1 范乐乐与冯跃华等 2 0 1 1 实时氮肥管理模式 r c a l t 硫m l t r i e n t m a n a g e m e n t r 1 附m 利用叶绿素计或 叶色卡从秧苗移栽返青后至抽穗期每隔7 天左右测定水稻主茎最靠上的一片全 展叶的s p a d 或l c c 值 将该实时测定值与预先设定的s p 加或l c c 阈值进行 比较 从而判断是否需要施用氮肥 贺帆与黄见良等 2 0 0 8 实时氮肥管理也强 调施肥时间和氮肥施用量与作物对氮素的需求相一致 p e n ga n dg a r c i ae ta 1 1 9 9 6 许多研究结果表明 实时氮肥管理比传统的施肥技术的氮肥农学利用率 显著提高 p e n g 姐d 缸c i ae ta 1 1 9 9 6 h u s s 血a n db r 0 璐o ne ta 1 2 0 0 0 在水稻种 植中 采用实时氮肥管理的产量和氮肥利用率均高于稻农习惯施肥法 w a n g 趾d d o b e 坷蚴e ta 1 2 0 0 1 与传统的氮肥管理方法相比 实时实地氮肥管理技术较大幅度地降低了基肥 和水稻生长前期氮肥用量 增加中后期氮肥用量 贺帆与黄见良等 2 0 0 7 该模 式在许多国家得到了大范围的推广 许多研究结果表明这一模式能增加作物的产 量 减少肥料的投入 提高肥料的利用率 刘立军等 2 0 0 3 研究表明 在产量不 降低甚至有所增加的前提下 实时 实地氮肥管理可以减少氮肥施用量 较大幅度 地提高水稻氮肥利用率 且实时 实地氮肥管理还可以降低稻米的垩白率和垩白 度 改善稻米的外观品质 何佳芳等 2 0 1 0 研究表明 实时 实地管理下的水稻 产量显著高于常规水平 氮肥生物利用率 农学利用率和氮收获指数均最高 与 常规施氮水平之间存在显著差异 贺帆等 贺帆与黄见良等 2 0 0 7 贺帆与黄见 良等 2 0 0 8 开展的试验也得到了同样的研究结果 1 3 水稻氮素营养诊断的方法 近年来 国内外专家主要从2 个方面进行水稻生产过程中推荐施肥的研究 1 通过施肥调控 调整土壤中的养分含量到适宜的水平 既保证产量 同时保护 环境 2 借助作物自身 即植株 进行营养诊断指导施肥 孙玉焕与杨志海 2 0 0 8 浙江大学硕士学位论文 水稻植株营养诊断能比土壤诊断更深入的了解水稻生长过程中体内养分的吸收 转运 相互影响和肥料效果 因此受到了广泛关注 1 3 1 传统水稻氮营养诊断方法 传统的氮营养诊断方法一般从观察植株形态或通过对植株进行化学分析来 判断它的氮营养状况 1 3 1 1 植株外观形态的诊断 从植株外观来判断 水稻缺氮时 其叶片与主茎 的夹角会小于4 5 0 叶片直立 植株矮小 植株下部叶片出现黄化或有红色斑点 刘芷宇 1 9 8 2 氮肥施入过多 则会出现植株徒长 节间长 无效分蘖多 叶片面积过大 易倒 叶片嫩绿 贪青晚熟等症状 这种诊断方法虽然比较直观 且容易判断 但当植株出现这些症状时表明其缺氮或氮素供给过多的情况已经比 较严重 不容易逆转 因而具有明显的诊断滞后性 加上受各水稻品种形态特征 不同的影响 在实际应用中存在明显的局限性 1 3 1 2 植株营养的化学分析 通过化学分析诊断植株氮营养状况是最可靠的诊 断方法之一 也是其他诊断方法发展的基础 它具有测定准确 能排除其他因素 干扰等优点 但同时也存在操作复杂 费时费力 分析结果适时性差 要破坏作 物植株等缺点 化学分析诊断是通过测定植株体内的氮素含量水平 通过与正常 或异常的植株标本进行直接比较而做出的丰缺判断 浙江农业大学 1 9 9 9 根 据氮素在植株体内存在的不同形态 可以分为全氮诊断 硝酸盐诊断和氨基态氮 诊断等方法 1 植株全氮诊断是研究最早 最充分的作物化学诊断方法 大多数作物不同 生育期和不同部位器官的氮素诊断临界浓度已基本清楚 李俊华与董志新等 2 0 0 3 郭建华与赵春江等 2 0 0 8 一般情况下 水稻根内含氮量需在1 5 干 重 以上 根系才能不断发育 叶片含氮量要高于2 5 新叶才能伸长 稻苗氮 含量低于2 5 时分蘖会停止生长 而含氮量高于3 0 时才能使分蘖迅速进行 孙 玉焕与杨志海 2 0 0 8 传统的全氮营养诊断方法主要是基于植物组织的实验室 化学分析 主要的方法包括凯氏定氮法和d 啪a s 燃烧法 凯氏定氮法是最常用的 测定总氮含量的方法 但是它存在操作危险 耗时较长 污染环境等缺点 d 啪嬲 燃烧法则是利用一系列适当的吸收剂吸收样品在9 0 0 1 2 0 0 高温下燃烧过程 中产生的混合气体里的干扰成分 使得混合气体中的氮氧化物被全部还原成分子 6 浙江大学硕士学位论文 氮 然后检测出样品中的全氮含量 该方法操作简单安全 但测定所需的仪器及 耗材费用较高 所以在应用推广上存在一定困难 2 硝酸盐快速诊断是以简易方法测定植物某一组织鲜样中硝态氮含量来反 映植物的养分状况 属于半定量性分析 郭建华与赵春江等 2 0 0 8 由于硝态氮 作为非代谢物质 以一种半储备状态存在于植物体内 当作物有轻微缺氮时对硝 态氮库的需求会迅速增加 硝态氮库发生明显变化 而此时全氮库还无明显变化 当供氮超出作物的需求时 硝态氮也比全氮有更大幅度的增加 植株体内硝态氮 含量的相对变化要远大于全氨的 且硝态氮含量能更敏感地反映作物对氮素的需 求 因此 可以用硝态氮代替全氮作为氮营养诊断指标来估计檀株氮素营养状况 和进行追肥推荐 w o o d s o n 锄db o o d l e y 1 9 8 3 2 0 世纪7 0 年代以来 利用硝酸 盐快速诊断来判断作物氮营养状况的方法成功应用于棉花 曾庆芳 1 9 8 9 小麦 曹洪生与黄德明等 1 9 9 0 帅修富与王兴仁等 1 9 9 5 等作物上 在水稻方面还 鲜有报道 目前主要运用的方法为二苯胺比色法和直接使用德国生产的便携式硝 酸盐反射仪 3 氨基酸及天门冬酰胺法诊断的原理是水稻吸收的铵态氮在合成蛋白质之 前均以游离氨基酸及酰胺形态存在 氮素营养丰富时 吸收速度大于合成速度则 体内出现氨基酸及酰胺的积累 多余的n h 4 会与天门冬氨酸相结合 形成天门 冬酰胺 从而避免毒害作用 因此 可以通过检测植株内有无天门冬酰胺来判断 水稻是否缺氮 孙玉焕与杨志海 2 0 0 8 但这种诊断方法需要采样后立即进行测 定 否则结果就不准确 并且黑暗时间加长时天门冬酰胺的含量也会增加 导致 不能确切反映水稻真实的氮营养状况 因此在应用上有一定的局限性 有研究表 明 在一定施氮范围内 施氮量与棉花的蕾花铃期功能叶片的全氮和叶柄基部硝 态氮含量显著相关 当叶片的全氨和叶柄基部硝态氮含量高时 氨基态氮也高 反之亦然 且氨基氮与叶片的全氮呈显著正相关 据此认为 氨基氮可作为棉花 氮营养的诊断指标 并给出初步诊断值 伍素辉与程见尧等 1 9 9 1 水稻中也有 类似现象 1 3 1 3 叶色诊断追肥 我国农民素有看作物叶色追施肥料的经验 从3 0 0 多年 前的 沈氏农书 关于对水稻进行叶色诊断追施孕穗肥至今 叶色诊断氮营养状 况的方法已逐渐成熟 李俊华与董志新等 2 0 0 3 并为其他新的氮营养诊断技术 7 浙江大学硕士学位论文 奠定了基础 陶勤南等 1 9 9 0 研究认为 叶色是水稻内在氮素养分的外在表现 用叶色卡 1 e a f c o l o rc h a 吒l c c 判定水稻叶色级可作为诊断氨营养水平高低的 指标 并根据空间均匀颜色和色差公式研制了水稻标准叶色卡 当水稻叶色超出 标准叶色级时 则表明氨素过剩 当水稻叶色低于标准叶色级时 则表示水稻氮 素营养不足 需要追施肥 通常叶色级每低0 1 级 表示可追施尿素3 7 5 7 5 堍 1 1 i n 砣 且遵循生长前期取上限 后期取下限的追施原则 其他应用较多的叶 色卡分别是国际水稻研究所研制的6 个叶色级的l c c 和美国加利福尼亚d a v i s 研 制的8 叶色级l c c l i u 等 2 0 0 3 对l c c 应用于水稻氮营养诊断指导施肥的效果进 行了试验 分别采取农民传统施肥 f f p 实时氮肥管理 r t n m 和实地氮肥 管理 s 洲 3 种氮肥管理方式 结果表明 后2 种方案通过l c c 方法进行氮肥 管理 水稻产量和氮肥利用率均有显著提高 1 3 1 4 肥料窗口法 该方法是在大田中留出施氮水平稍低的微区 当微区中作 物表现出缺氮症状时 则表明大田处在缺氮边缘 张金恒与王珂等 2 0 0 3 这种 方法简单实用 可对土壤变化不显著区域的下一次追肥做出判断 但不能量化追 施肥量 还需进行常规测试 1 3 2 现代水稻氮营养诊断技术 传统的氮营养诊断技术或多或少存在这样那样的缺点 有的取样繁琐又有破 坏性 有的化学分析复杂 危险 有的诊断滞后 还不能精确定量的指导肥料施 用 而新型的氮营养诊断技术则可以快速 便捷和无损的进行作物氮营养诊断 主要有图像及计算机视觉技术 高光谱遥感诊断 叶绿素荧光诊断和叶绿素计诊 断等 1 3 2 1 图像及机器视觉技术 作物在不同的氮营养状况下会表现出不同的茎叶 颜色和形态 这是表征作物长势的重要信息 运用图像处理技术和机器视觉技术 进行作物营养状况的诊断主要是通过田间获取数字图像 运用数字图像处理 模 式识别 景物分析和图像理解等技术从图像中获取作物的外部信息 用机器代替 人眼来做测量和判断 了解作物的生长及氮素状况 用计算机处理 分类识别和 决策做出诊断 贾良良等 2 0 0 9 使用数码相机获取水稻冠层图像并进行色彩分析 研究了利用可见光遥感技术手段进行水稻冠层的氮营养诊断的可行性 并对表 征水稻氮营养状况的可见光光谱诊断指标进行了探索 结果表明 数字图像红光 8 浙江大学硕士学位论文 值 鼬 绿光值 g 和红光标准化值 n r d 与水稻氮营养状况常规诊断指标植株 全氮含量 生物量和地上部分吸氮量等都呈显著的线性反相关关系 而绿光标准 化值则与上述指标呈显著正相关关系 因此可以认为 数字图像色彩分析技术具 有发展成为新一代作物氮营养诊断手段的潜力 发达国家和地区已在农业计算机 视觉方面进行了广泛深入的研究 如农业种质资源管理 获取作物生长状态信息 农产品自动化收获 农产品品质鉴定 土地资源调查等方面 郭建华与赵春江等 2 0 0 8 但中国大部分地区农业信息化程度不高 因此在实际应用推广上还存在 许多问题 1 3 2 2 光谱遥感技术 利用遥感数据能进行作物长势监测和营养诊断 并以此 进行变量施肥决策 除了化学诊断方法外 其他诊断方法本质上也是利用光谱来 诊断水稻的氮素营养状况 只不过工具是人眼 随着现代科技的发展 农业遥感 技术沿着单一波段一一多光谱一一高光谱的方向不断进步 诊断工具和方法也不 断改善 大大提高了诊断的准确性 孙玉焕与杨志海 2 0 0 8 国际遥感界将光谱 分别率达纳米 1 m 数量级范围内的遥感技术称为高光谱 h 渺s p e c 臼m 遥 感 用高光谱遥感能估计叶片的化学组分 牛铮与陈永华等 2 0 0 0 还有研究表 明 叶片叶绿素含量与其光谱特性之间存在正相关性 m a d e r i a 锄dm e n d o n c ae t a 1 2 0 0 0 而叶片氮含量与叶绿素之间有相似的变化趋势 因此可以通过光谱特 性来监测植株的氮素营养状况 1 3 2 3 叶绿素荧光分析技术 叶绿素荧光参数f 加m 是光化学效率的指标 非 环境胁迫条件下这种荧光参数变化极小 且不受物种和生长条件的影响 通常在 0 8 左右 只有在遭受光抑制后 叶片的f v f m 会明显下降 范燕萍等 2 0 0 0 研究 表明 氮素胁迫条件下 氮素不足或过剩 作物的叶绿素荧光诱导动力学参数 和光合速率一样都会下降 因此可以作为植物对营养环境适宜度的灵敏指标 还 有研究发现 叶绿素荧光参数f f m 与叶片n 含量之间呈极显著正相关 聂磊与 李淑仪等 1 9 9 9 马吉锋等 2 0 0 7 研究表明 小麦各叶位叶片氮含量与荧光参数 f 胛m 和f 伊 都呈极显著正相关 且顶部2 张叶片的相关性最好 对于低 中 高蛋白质含量的小麦品种类型 可以利用统一的幂函数回归方程来描述顶部2 张叶片氮含量随f 佰 的变化模式 这些初步的研究结果表明 叶绿素荧光技术 也可作为作物氮营养诊断的一个方法 9 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 4 叶绿素计诊断技术 叶绿素计 s o i lp l a n t 锄 a l y s i sd e v e l o p m e n t s p a d 是利用叶绿素对不同波长的光吸收率不同 其吸收峰在红光和蓝光区域 而绿光 区域是吸收低谷 在近红外区域则几乎没有吸收 在此基础上选择红光和近红外 区域测得叶片的 绿色度 由于这个 绿色度 与植株叶片的叶绿素含量呈显 著正相关 因此便可由s p a d 值间接测得叶片中的叶绿素含量 陈防与鲁剑巍 1 9 9 6 张金恒与王珂等 2 0 0 3 而叶片叶绿素含量又与叶片含氮量之间有相似 的变化趋势 e v a i l s 1 9 8 9 因此 可以通过测定叶绿素含量来反映叶片的氮含 量 也就是说 可以通过叶绿素计来监测植株的氮素营养状况 叶绿素计是一种 简单 便捷又无损的氮营养诊断工具 也是实时 实地氮肥管理模式中的重要内 容 利用它能实现原位测定水稻氮素状况 确定施氮肥的适时性 这方面的研究 在国内外已经开展了2 0 多年 取得了一些进展 并在水稻氮素营养诊断中加以应 用 1 4 叶绿素计在作物氮营养诊断中的应用研究现状 叶绿素计的种类较多 如水下叶绿素计s f l 美国的a q u a f l u o r 手持式荧光 测定仪 手持式叶绿素计c c m 2 0 0 叶绿素测定仪e c a 0 5 1 以及应用最广的日本 m i n 0 产的叶绿素计s p a d 5 0 2 等 随着实时 实地氮肥管理技术越来越受到人 们的重视 叶绿素计在作物氮营养诊断中的应用也受到了越来越多的国内外学者 的关注和研究 在过去的2 0 年内 叶绿素计作为田间实时快速测定水稻叶绿素及 n 素状况 提高氮素利用率的有效方法得到了广泛应用 朱新开与盛海君等 2 0 0 5 k h l 黝n a 锄db i j a y s i n 曲e ta 1 2 0 0 7 h 啪g 锄dh ee ta 1 2 0 0 8 利用叶绿素计预 测叶片叶绿素和氮含量 从而进行作物氮素营养诊断的研究早期在小麦 李志宏 与刘宏斌等 2 0 0 3 朱新开与盛海君等 2 0 0 5 李映雪与徐德福等 2 0 0 9 棉 花 w ua n d w u e ta 1 1 9 9 8 罗新宁与陈冰等 2 0 0 9 水稻 p e n g 锄d g 粼i ae ta 1 1 9 9 3 吴良欢与陶南勤 1 9 9 9 b a l a s u b r a m a m a i la i l dm o r a l e se ta 1 2 0 0 0 艾天成 与李方敏等 2 0 0 0 l i na l l dq i ue ta 1