CN106717425B

CN106717425B - 一种利用植株叶片相对spad值对作物进行氮肥推荐的方法

Info

Publication number: CN106717425B
Application number: CN201710051928.6A
Authority: CN
Inventors: 岳现录; 史密舞; 胡云才; 冀宏杰; 张怀志
Original assignee: Institute of Agricultural Resources and Regional Planning of CAAS
Current assignee: Institute of Agricultural Resources and Regional Planning of CAAS
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2020-06-02
Anticipated expiration: 2037-01-20
Also published as: CN106717425A

Abstract

本发明涉及一种利用相对SPAD值对小麦进行氮肥推荐的方法，其步骤包括：1)设置不同施氮水平的田间试验处理(小区)，使得土壤供氮量涵盖从供氮不足到过量的梯度水平；2)测定不同土壤供氮量条件下的小麦产量，根据小麦产量和土壤供氮量的关系计算使小麦产量最大的最佳土壤供氮量；3)测定不同土壤供氮量条件下的叶片SPAD值，并计算相对SPAD值，进而得到相对SPAD值和土壤供氮量的关系模型；4)测定待施氮肥的小麦SPAD值并计算相对SPAD值，根据所述最佳土壤供氮量以及所述相对SPAD值和土壤供氮量的关系模型确定氮肥推荐量。本发明的施肥推荐方法能够精确匹配作物对氮养分的动态需求，提高作物产量和氮肥利用效率。

Description

一种利用植株叶片相对SPAD值对作物进行氮肥推荐的方法

技术领域

本发明属于作物施肥领域，具体涉及一种利用植株叶片相对SPAD值对作物(如冬小麦)追施氮肥量进行推荐的方法。

背景技术

利用植株营养诊断技术进行施肥推荐，能够精确匹配作物对养分的动态需求，提高作物产量和养分利用效率，减少资源浪费，是发展精准农业的重要方法之一。

近年来，植株营养诊断施肥技术得到了广泛关注，在研究和实际应用中都已取得了很大进展。其中，SPAD-502是日本Konica Minolta公司生产的一种便携式叶绿素速测仪，它通过测量植株叶片在550nm和675nm波长的透光系数(或反射系数)来确定叶片叶绿素的相对含量，即SPAD值。由于叶片叶绿素含量与作物氮营养状况存在极显著的相关关系，因此叶片SPAD值也可用于评估作物氮素营养丰缺状况，进而指导作物精准施肥。SPAD-502操作简便、测定快速、对植株无破坏性，已经在小麦、玉米、水稻、棉花等多种农作物上进行广泛研究。

通常，利用SPAD-502进行施肥推荐有两种方法，一种是通过比较氮肥不同用量条件下叶片SPAD值的差异，制定出不同SPAD值等级对应的氮肥适用量范围。比如申请号为201210217173.X的关于一种小麦拔节期实时诊断追施氮肥的方法，就构建了5个SPAD值等级的氮肥推荐范围指标。另一种是已知氮肥最佳推荐量，利用不同生育期氮肥用量对叶片SPAD值的影响及其变化规律，推算SPAD值在作物不同生长期的氮肥追施比例与用量。比如：申请号为200910096969.2的一种茶树氮素营养无损快速测定和控制方法，就是以茶树年施氮量450-500kg N/ha为基准，通过构建施氮量和茶树叶片在春、夏、秋、冬四个季节叶片SPAD值之间的关系，确定氮肥在每个季节的追施量。

通过叶片SPAD值构建的氮肥推荐指标，通常都会有4-6个等级组成，每个等级的SPAD值及其对应的氮肥推荐量均为一个范围，有些指标的范围很大，在应用时容易产生较大偏差。同时，叶片SPAD值受干旱、温度等气象条件的影响显著，在作物不同生育期、不同年份间有显著变化；因此，采用叶片SPAD值进行氮肥推荐可能与作物的实际需求存在较大差异。为此，一些研究人员提出了相对SPAD值概念，它是指“当前”被测定植株叶片SPAD值和足量施用氮肥植株叶片SPAD值之比。P.Debaeke等(2006)发表在《Journal of PlantNutrition》的文章“Relationship Between the Normalized SPAD Index and theNitrogen Nutrition Index:Application to Durum Wheat”指出，叶片相对SPAD值去诊断小麦氮营养指数，在不同生育期和不同年度间没有显著差异。如果相对SPAD值和土壤供氮量或氮肥施用量的关系也不受生育期和年度气候变化的影响，采用叶片相对SPAD值进行施肥推荐的可靠性可大幅提高。然而，利用叶片相对SPAD值进行施肥推荐的方案目前还未见报道。

发明内容

本发明提供一种利用叶片相对SPAD值对作物进行氮肥推荐的方法，能够克服按照叶片SPAD值等级推荐氮肥适用量范围带来的误差、以及叶片SPAD值因受生育期和年度气候变化的影响导致推荐结果不准确的问题，对作物施用氮肥量进行精准推荐，满足作物对养分的动态需求。

本发明采用的技术方案如下：

一种利用叶片相对SPAD值对作物进行氮肥推荐的方法，其步骤包括：

1)测定不同土壤供氮量条件下的作物产量，根据作物产量和土壤供氮量的关系计算使作物产量最大的最佳土壤供氮量；所述不同土壤供氮量条件是指通过设置一系列不同施氮水平的田间试验处理(小区)，使得土壤供氮量涵盖从供氮不足到过量的梯度水平；

2)测定不同土壤供氮量条件下作物叶片的SPAD值，根据SPAD值计算相对SPAD值，进而得到相对SPAD值和土壤供氮量的关系模型；

3)根据步骤1)所述最佳土壤供氮量以及步骤2)所述相对SPAD值和土壤供氮量的关系模型，确定作物达到最大产量所需的氮肥推荐量与叶片相对SPAD值的关系模型；

4)测定待施氮肥的作物的SPAD值并计算相对SPAD值，根据步骤3)所述作物达到最大产量所需的氮肥推荐量与叶片相对SPAD值的关系模型，确定氮肥推荐量。

进一步地，步骤1)所述土壤供氮量包括土壤矿质氮和氮肥用量。

进一步地，步骤2)根据最佳土壤供氮量确定相对SPAD的阈值；步骤4)中待施氮肥的作物的相对SPAD值大于所述阈值时，不需追施氮肥，小于所述阈值时，需追施氮肥。

进一步地，步骤4)用最佳土壤供氮量减去待施氮肥的作物的相对SPAD值所对应的土壤供氮量，即为所述氮肥推荐量。

本发明的有益效果如下：

本发明采用叶片相对SPAD值对作物施氮量进行推荐，叶片相对SPAD值和土壤供氮量的关系在不同生育期和不同年度间没有显著差异，能够克服按照叶片SPAD值等级推荐氮肥适用范围带来的误差、以及叶片SPAD值受生育期和年度气候变化的影响导致推荐结果不准确的问题，因此可提高施肥推荐可靠性；采用本发明的方法进行施肥推荐，能够精确匹配氮肥用量以满足作物的动态需求，提高作物产量和养分利用效率，减少资源浪费。

附图说明

图1是叶片SPAD值、相对SPAD值与小麦返青期土壤供氮量的关系曲线图。

图2是小麦产量与小麦生长期土壤供氮量的关系曲线图。

图3是相对SPAD值与小麦生长期土壤供氮量的关系曲线图。

图4是施肥推荐用量与相对SPAD值的关系曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

一、定义：

土壤供氮量＝土壤矿质氮(Nmin)+氮肥用量

最佳土壤供氮量：小麦高产所需的土壤供氮量

相对SPAD值：被测定植株叶片SPAD值和足量施氮植株叶片SPAD值之比。

二、试验材料与方法：

试验布置在中国农业科学院廊坊高科技试验园区，设置8个土壤供氮量处理，每个处理设置4个重复，共由32个试验小区组成。每个小区面积30平方米。各小区在秋季耕地时统一施入等量基肥。其中：氮肥施用量为30kg N/ha(不施氮小区除外)，品种为尿素；磷肥用量为80kg P₂O₅/ha，品种为普通过磷酸钙；钾肥用量为100kg K₂O/ha，品种为氯化钾。说明：磷、钾肥用量在不同农田是可变的，以确保施入的磷钾肥量能满足小麦的需求即可。

试验于2009年10月5日布置，2011年6月结束，共种植两季小麦，播量为300kg/ha。

在2010年、2011年春季小麦返青之前，每个小区按S型选取3个点位，采集0-90cm土样。采用RQflex返射计和硝酸盐试纸测定土壤矿质氮(Nmin)含量，用烘干法计算土壤含水量。注：土壤矿质氮含量也可以用其它方法测定，如比色法、流动分析仪等。

根据土壤Nmin量，分别在返青期、开花前期追施等量氮肥(尿素)，使得各处理土壤供氮量(0-90cm土壤Nmin和2次追肥用量之和)分别达到0、90、120、180、240、300、360、420kgN/ha。因2010年春季0-90cm土壤Nmin最小值为62kg N/ha，因此该年度土壤供氮量的最小值是62kg N/ha而非0kg N/ha。

叶片SPAD值在小麦起身期、拔节期、开花后期测定。每个小区选择有代表性的20株小麦，测定最上部完全展开叶的叶片中部位置，测定时间为上午8-10点。小区叶片SPAD值为20个测定数据的平均值。相对SPAD值＝测定小区的叶片SPAD值/土壤供氮量为420kg N/ha小区的SPAD值。

三、计算步骤：

1)检验作物生长期和不同年度对叶片相对SPAD值和土壤供氮量关系的影响。

数据如下面表1所示：

表1.2010、2011年小麦返青期土壤供氮量和小麦起身期、拔节期SPAD测定数据

根据表1获得的试验数据，以小麦返青期土壤供氮量(0-90cm土壤Nmin+第1次氮肥追施量)为横坐标，分别以叶片SPAD值、相对叶片SPAD值为纵坐标，将2010和2011年小麦起身期、拔节期的测定数据放在一起进行方程拟合。从图1可看出，叶片SPAD值与小麦返青期土壤供氮量呈幂指数关系，叶片SPAD值沿曲线分布比较分散，决定系数R²＝0.84。而叶片相对SPAD值与小麦返青期土壤供氮量呈幂指数关系，相对SPAD值沿拟合曲线的分布比较集中，决定系数R²则明显高于前者，达到0.93，相关关系达到显著水平。这些关系的比较表明：叶片相对SPAD值在反映土壤供氮量方面不受作物生长期和年分间(气候变化)的影响，具有显著的稳定性，可进一步用于氮肥推荐。

2)通过构建小麦产量和土壤供氮量的关系模型，计算能够使小麦产量最大的“最佳土壤供氮量”。

数据如下面表2所示：

表2.2011年小麦开花后期的SPAD数据和小麦产量

在本试验中，以土壤供氮量为横坐标，作物产量为纵坐标，用SAS软件得到的最佳拟合方程为“线性加平台”，如图1所示，其中R²表示决定系数。

由该线性加平台的方程可计算出，小麦达到高产所需要的最佳土壤供氮量为150kg N/ha。

3)构建相对SPAD值和土壤供氮量的关系模型。

根据表2的试验数据，以横坐标为土壤供氮量，纵坐标为相对SPAD值，得到两者的关系曲线图，如图2所示，并拟合出指数模型：

y＝0.9948－0.452e^(-0.0139x)。

图中的虚线代表最佳土壤供氮量(150kg N/ha)，此时相对SPAD的阈值为0.95。换句话说，当相对SPAD值大于或等于0.95时，小麦不缺氮素，不需要追施氮肥；当相对SPAD值小于0.95时，土壤供氮量不能满足小麦的需求，需要追施氮肥。

本试验在开花后期测定SPAD值，是因为该时期在第2次追施氮肥10天之后，氮肥肥效在植株叶片上能充分反应出来，并且叶片还处在生理旺盛期，而叶衰老则会严重影响测定结果。

4)根据第2)步计算的“最佳土壤供氮量”和第3)步确定的“相对SPAD值和土壤供氮量的关系模型”，确定氮肥推荐模型。由于土壤供氮量＝土壤矿质氮(Nmin)+氮肥用量，因此，用最佳土壤供氮量减去相对SPAD值所对应的土壤供氮量，即为相对SPAD值条件下需要补充的氮肥量，也就是氮肥推荐量。把这些计算重新构建成一个方程，其规律符合幂函数：

y＝151.8－205.8875x^5.4066(0.55<x<0.95)

y代表施肥推荐用量(土壤/植株缺氮量)，x代表相对SPAD值。

该函数的曲线如图4所示。当x>0.95时，不需要追施氮肥，推荐量是0，当x<0.55时，氮肥推荐量为150kg N/ha。

通过该函数，即可根据叶片相对SPAD值，对冬小麦进行施肥推荐。比如：当相对SPAD值为0.80时，氮肥推荐量＝151.8－205.8875*0.80^5.4066＝90(kg N/ha)；当相对SPAD值为0.90时，氮肥推荐量＝151.8－205.8875*0.90^5.4066＝35(kg N/ha)。

在实际应用时，在起身期、拔节期、开花期都可以测定叶片SPAD值并计算相对SPAD值进行氮肥推荐。

四、应用实施例：

1)地块A种植冬小麦，面积2亩，2015年10月3日播种，2016年6月12日收获。播种前施入基肥氮、磷、钾用量分别为50kg N/ha，90kg P₂O₅/ha，100K₂O/ha；肥料品种分别为尿素、普通过磷酸钙、氯化钾。在进行追肥管理时，把地块分为CK、N2两个区，每个区面积1亩。CK区采用农民习惯追肥方式，在小麦返青前一次性追施氮肥250kg N/ha，生育期内不再施肥；N2区在小麦返青前追施尿素氮60kg N/ha。在小麦拔节后期，在CK、N2区分别选择有代表性的20株小麦，测定最上部完全展开叶的叶片中部位置，测定时间为上午8-10点，小区叶片SPAD值为20个测定数据的平均值。N1区小麦叶片SPAD值为53.5，N2区小麦叶片SPAD值为48.5，以已足量施氮的CK区作为对照，N2区小麦叶片相对SPAD值＝48.5/53.5＝0.907；将相对SPAD值代入本发明的施肥推荐公式，可计算出：氮肥推荐量＝151.8－205.8875*0.907^5.4066＝30(kg N/ha)。因此，在小麦开花前期，在N2区再追施氮肥30kg N/ha。其它管理措施与CK区均相同。

小麦收获后测产，CK区小麦产量6316kg/ha；N2区小麦产量6355kg/ha。

CK区氮肥总用量为300kg N/ha，而N2区氮肥总用量仅为140kg N/ha。N2区氮肥用量减少了160kg N/ha，产量却与CK区基本持平。

2)地块B种植冬小麦，面积3亩，2015年10月5日播种，2016年6月14日收获。播种前施入基肥氮、磷、钾用量分别为40kg N/ha，70kg P₂O₅/ha，110K₂O/ha；肥料品种分别为尿素、普通过磷酸钙、氯化钾。在进行追肥管理时，留出4×4米小区空间(CK)，采用农民习惯追肥方式，在小麦返青前一次性追施氮肥220kg N/ha，生育期内不再施肥；其它区域(S区)在小麦返青前追施尿素氮55kg N/ha。在小麦拔节后期，在CK、S区分别选择有代表性的20株小麦，测定最上部完全展开叶的叶片中部位置，测定时间为上午8-10点，小区叶片SPAD值为20个测定数据的平均值。CK区小麦叶片SPAD值为56.4，S区小麦叶片SPAD值为47.6，以已足量施氮的CK区作为对照，S区小麦叶片相对SPAD值＝49.6/56.4＝0.844；将相对SPAD值代入本发明的施肥推荐公式，可计算出：氮肥推荐量＝151.8－205.8875*0.907^5.4066＝69.5(kg N/ha)。因此，在小麦开花前期，在N2区再追施氮肥69.5kg N/ha。其它管理措施CK、S区均相同。

小麦收获后测产，CK区小麦产量5925kg/ha；S区小麦产量6075kg/ha。

CK区氮肥总用量为260kg N/ha，而S区氮肥总用量仅为168.5kg N/ha。S区氮肥用量减少了91.5kg N/ha，产量比农民习惯施肥的CK区略多出150kg/ha。

本发明包括的2年田间试验，是为了证实检小麦生长期和不同年度对叶片相对SPAD值和土壤供氮量关系无显著影响。实际应用中，该步骤可省略，1年田间试验即可；也可布置多年田间试验检验不同年度对叶片相对SPAD值和土壤供氮量关系无显著影响。

本发明的名称为“对小麦进行氮肥推荐的方法”，除小麦以外，该方法也适用于其它作物。

本发明设置的土壤供氮量、试验处理(小区)个数，是可变化的。每个小区的面积也是可变的。

上述计算公式中，公式形式及其参数均可以变化，本发明仅以设置在中国农业科学院廊坊高科技试验园区的田间试验，列出了其中的一种。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims

1.一种利用叶片相对SPAD值对作物进行氮肥推荐的方法，其步骤包括：

1)建立氮肥推荐量和相对SPAD值的关系模型，所述氮肥推荐量和相对SPAD值的关系模型为以下幂函数关系模型；

y＝151.8－205.8875x^5.4066 (0.55<x<0.95)，

其中y代表氮肥推荐量，x代表相对SPAD值；所述相对SPAD值是指被测定植株叶片SPAD值和足量施氮植株叶片SPAD值之比；

所述氮肥推荐量和相对SPAD值的关系模型通过步骤2)～步骤5)得以实现；

2)测定不同土壤供氮量条件下的作物产量，根据作物产量和土壤供氮量的关系计算使作物产量最大的最佳土壤供氮量；所述不同土壤供氮量条件是指通过设置一系列不同施氮水平的田间试验小区，使得土壤供氮量涵盖从供氮不足到过量的梯度水平；所述土壤供氮量包括土壤矿质氮和氮肥用量；所述作物为小麦，作物产量即小麦产量和土壤供氮量的关系为：

其中，y为小麦产量，单位为t/ha，x为土壤供氮量，单位为kg N/ha；

3)测定不同土壤供氮量条件下作物叶片的SPAD值，根据SPAD值计算相对SPAD值，进而得到相对SPAD值和土壤供氮量的关系模型；

所述相对SPAD值和土壤供氮量的关系模型为：

y＝0.9948－0.452e^(-0.0139x)，

其中，y为相对SPAD值，x为土壤供氮量；

4)根据步骤2)所述最佳土壤供氮量以及步骤3)所述相对SPAD值和土壤供氮量的关系模型，确定作物达到最大产量所需的氮肥推荐量与叶片相对SPAD值的关系模型；用最佳土壤供氮量减去待施氮肥的作物的相对SPAD值所对应的土壤供氮量，即为所述氮肥推荐量；

5)测定待施氮肥的作物的SPAD值并计算相对SPAD值，根据步骤4)所述作物达到最大产量所需的氮肥推荐量与叶片相对SPAD值的关系模型，确定氮肥推荐量；根据最佳土壤供氮量确定相对SPAD的阈值，待施氮肥的作物的相对SPAD值大于所述阈值时，不需追施氮肥，小于所述阈值时，需追施氮肥。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相对SPAD值的阈值为0.95；当相对SPAD值>0.95时，不需要追施氮肥，推荐量是0，当相对SPAD值<0.55时，氮肥推荐量为150kg N/ha。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在小麦起身期、拔节期、开花后期测定SPAD值。