玉米叶绿素CCI值及氮营养指数在氮诊断中的研究与应用

张 华，杨树青，符 鲜，柴慧祥，马璐瑶

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

氮肥通常被认为是对植物生物量生产最重要的影响因子之一。根据当地的气候条件和玉米生长发育需氮的内在规律适当施氮，可以显著提高玉米产量。氮肥应用不足会导致植株叶面积减小[1]、叶片光合生物量降低[2]，叶绿素含量降低、最终导致玉米产量的下降。由于作物产量与氮肥的使用量直接相关，为了提高产量，农民通常施用大量氮肥，其量远超过作物到达最大产量所需的氮肥量。过多的氮肥施用会直接导致玉米产量下降和成本增加，同时，随着大量氮肥进入各级排水沟及地下水中，导致土壤板结、耕作质量差、肥料利用率低、土壤养分易流失及地下水污染等问题[3]。因此，为了获得高产及玉米生产的可持续发展，釆用有效的氮肥诊断工具是很有必要的。前人在关于如何精确诊断植株体内氮素供需是否平衡方面做了大量的研究，例如通过测定叶片的叶绿素、对植株根区养分进行监测以及应用遥感技术，这些技术的应用对于优化施氮起到了很好的作用。

叶绿素仪可以用来估计作物氮营养状况，它的优点是可以在田间条件下无损伤的进行检测。目前，国际上测定叶绿素一般分为两种方式，第一种是利用分光光度计法测定叶绿素a、叶绿素b。虽然分光光度计的测定结果准确可靠, 但是在测定时需要损伤叶片和组织，不利于对植株的系统研究[4]。第二种是利用叶绿素仪测定的叶色值来反映叶绿素的含量。艾天成[5]等对5种作物的叶色值与叶绿素含量的关系进行研究, 认为叶色值与叶绿素含量相关显著。目前有两种叶绿素仪最为常用，一种是日本研发的SPAD-502，另一种是美国研发的CCM-200。周小生[6]研究结果表明，CCI值与叶绿素含量均呈显著正相关，其决定系数分别为单位面积叶绿素a(R2=0.972 8)、b(R2=0.858 6)及总量(R2=0.977 4)。我国学者王娟[7]研究结果表明, 棉花叶片的叶绿素含量与SPAD值呈线性相关。叶绿素仪CCM-200的测量面积是71 mm2，远高于SPAD-502的6 mm2，因此，CCM-200一次测定的数据更能代表叶绿素的含量[8]。有关CCI值与叶片含氮量之间关系的研究已经有很多。 Mostafa GHASEMI等[9]研究表明，CCI值和总含氮量之间有积极的线性相关性(R2=0.76)，说明CCM-200仪可以用在亚洲梨树叶含氮量的预测。我国学者周小生等[7]发现，CCI值和叶片全氮含量之间呈显著线相关性，其R2=0.982 8。说明叶绿素仪 CCM-200 在茶树叶片叶绿素和氮素含量估算上具较好的适用性。

氮营养指数(N nutrition index，NNI)作为表征作物氮素营养状况的一个重要指标,其特点是科学准确，但是氮营养指数的确定过程较为复杂，在实际的应用中会有一定的局限性。利用叶绿素和氮营养指数之间的关系对作物氮水平进行监测被认为是一种比较新的研究方法。SPAD值与NNI之间的非线性关系在玉米、小麦、牛茅草，和鸭茅等植物上被证实，并且，Ziadi[10]和Debarke[11]等同时证实了玉来和小麦植株叶片相对SPAD值与NNI之间的非线性关系。但是，前人对于作物植株CCI值与NNI之间相关性的研究报道很少。

本研究在内蒙古河套灌区盐渍化耕地进行玉米试验，根据玉米主要生育阶段对氮素的需求，建立玉米临界氮稀释曲线及氮营养指数模型。通过分析玉米不同生育期叶绿素CCI值与施氮量、氮素营养指数和相对产量之间的相关性，探究叶绿素CCI值在氮营养诊断上的合理性。最终，利用氮营养指数模型的精准性，结合叶绿素仪方便快捷的特性对河套灌区玉米进行氮诊断，以期能够准确、简便、快捷的评价植株氮素营养状况，为河套灌区玉米合理施氮提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 试验区基本情况

试验区位于河套灌区上游巴彦淖尔市磴口县，东经107′05″，北纬40′13″，海拔1 080 m。地下水以潜水为主，灌水期的潜水变化主要取决于灌溉，灌溉期埋深1.0～1.5 m，秋浇期(10-11月)埋深在0.5 m左右，土壤封冻期埋深2.5 m左右。全年降水稀少、蒸发量大，日照时间长达2 190 h，年均降水量198 mm，年均蒸发量2 460 mm，是典型的内陆干旱地区。供试土壤为粉砂壤土，表层20 cm土壤养分含量：有机质为15.1 g/kg，总氮为1.1 g/kg，总磷为1.6 g/kg，速效磷为5.6 mg/kg。

1.2 试验设计

试验在内蒙古河套灌区磴口县坝楞试验区选择具有代表性的轻度盐渍化(EC值介于0.7～1.24 mS/cm)耕地布置田间试验，种植作物为玉米。本研究采取田间肥料定位实验，玉米在全生育期内灌四水。施用肥料采用尿素(46%N)和磷酸二铵(18%N，46%P2O5)，试验设置4个氮肥处理，即0(N0)、135 kg/hm2(N135)、180 kg/hm2(N180)、225 kg/hm2(N225)、280 kg/hm2(N280)。试验中60%的氮肥及全部的磷、钾肥在播种前基施，剩余氮肥的20%、20%分别在三水、四水追施。试验采用完全随机区组试验，小区面积为45.5 m2(7 m×6.5 m)，四周用埋深1.2 m的聚乙烯塑料膜隔开，顶部留30 cm，防止各小区肥水互窜，田间管理与当地农户管理一致。

2015年4月28日播种，9月25日收获。玉米膜宽1.1 m，一膜2行，每穴播3粒，株距约45 cm，行距35 cm，玉米种植密度为6万株/hm2。

1.3 测定指标与方法

分别在玉米的主要生育期，即拔节期、抽雄期、灌浆期取样，每小区选取长势良好并具有代表性的植株3株，将玉米地上部植株按器官分开，在烘箱中105 ℃杀青30 min后，调至80 ℃烘干至恒重，称量地上部干物质重，把样品粉碎过筛，通过H2SO4-H2O2消煮，用凯氏定氮法测定全氮含量，并计算植株全氮含量。

采用CCM-200叶绿素仪在拔节期、抽雄期和灌浆期测定叶绿素含量(CCI值)，每个生育期测定一次。在每个小区内随机选取无损伤且长势均匀的玉米植株3株，测定位置为：拔节期到抽雄前测定最上部完全展开叶中间部位,灌浆期测定穗位叶,在叶缘和叶脉中间部位测定。

2 结果与分析

2.1 叶绿素仪测定值与施氮量之间的相关性

5种氮肥处理试验结果都表明，玉米主要生育期的叶绿素测定值(CCI值)和施氮量之间的关系可以用线性方程表示。从表1可以看出，施氮肥可以提高玉米叶片叶绿素CCI值，并在拔节期以后施氮量对叶片CCI值影响逐渐加大。这是由于施氮肥会增加叶片含氮量和叶绿素含量，因此，CCI值也随之增加。但是CCM-200读数不会随着氮肥的增加而无限增大，当玉米处于氮盈余状态时，CCI值的变化范围逐渐减小，其值趋于稳定。以N0，N135和N180比较为例，其CCI值最大增加了8.1，最小增加了2.4；比较N225和N280可知CCI值最大增加了2.1，最小增加了1，由此说明增加施氮量可以使叶片叶绿素含量增多，CCI值增大；当施氮量为280 kg/hm2时，CCI值的变化幅度变缓，其值趋于稳定。

表1 玉米主要生育期叶绿素仪测定值与不同施氮量的影响 kg/hm2Tab.1 The effect of N amount on the CCM readingof main growth stages of maize

2.2 河套灌区玉米临界氮稀释曲线模拟模型及氮营养指数的建立

根据临界氮浓度的定义及建立方法[12]，将玉米临界氮浓度值与对应的最大干物质量进行拟合，构建了河套灌区的玉米临界氮稀释曲线模型：Nc=34.51W0.25。此模型能够用于诊断内蒙古盐渍化灌区玉米的氮营养状况(图1)。

图1 玉米植株临界氮稀释曲线Fig.1 Maize plant critical nitrogen dilution curve

基于临界氮浓度稀释曲线模型，引进了氮营养指数(NNI)作为评价植株对氮素的指标，其值的变化范围为0.63～1.16。由图2分析可知，当施氮量处于N225水平时，NNI介于0.96～1.003之间，接近于1，说明此时氮素供应可以基本满足玉米植株的正常生长，接近供需平衡状态。综合考虑全生育周期氮营养状况，可知施氮量在225～280 kg/hm2较适宜。

图2 不同施氮处理玉米主要生育时期的植株氮营养指数Fig.2 N nutrition index(NNI) at main stages under different N-fertilizer levels

2.3 玉米叶片CCI值与NNI之间的拟合关系研究

由图2分析结果表明，NNI与CCI值之间呈正相关变化趋势，这种正相关关系在玉米3个主要生育期可以用线性回归方程表示。图3表明了NNI值与CCI值之间的线性关系，决定系数R2为0.836～0.956，相关系数分别为0.977、0.914、0.958，均达到显著水平。杨虎[13]以水稻为材料研究表明，NNI对作物氮水平进行评估是一个可靠地参数指标。由图3可以看出，NNI与叶绿素仪测定值CCI值之间的相关性显著，玉米植株可以利用氮营养指数NNI进行氮诊断，因此，我们可以在考虑试用CCI值对玉米植株进行氮诊断并预测玉米植株适宜施氮量。

图3 玉米主要生育期叶绿素仪CCI值与氮营养指数(NNI)的相关性Fig.3 The relationship between CCI reading and NNI in main stages

2.4 叶绿素CCI值与玉米相对产量之间的关系

通过对叶绿素CCI值与玉米相对产量之间关系的分析，可以发现叶片叶绿素仪的读数和玉米的相对产量的相关性达到极显著水平(R2=0.828)，并且符合线性加平台模型。由图4可知，平台处产量为最大产量的0.924，对应的叶绿素CCI值为53.94。由于在线性平台模型中，平台产量及为最佳产量，则其对应的叶绿素CCI值可以被认为是产量最大时的叶绿素值。综上所述，可以用叶绿素CCI值对产量及施氮量进行预测。但是，相对产量和CCI值之间的相关关系也会受到玉米品种，生育期与叶位的影响，只是收到的影响有所降低。上述研究表明，利用CCI值与NNI之间的相关性，不仅有效地克服了NNI检测破坏性取样问题，而且通过分析氮营养指数与叶绿素的关系也提高了CCI值对玉米植株氮营养状况预测的准确性。

图4 玉米主要生育期叶绿素仪CCI值与相对产量的相关性Fig.4The relationship between CCI reading and relative yield in main stages

2.5 叶绿素CCI值在玉米推荐施肥中的应用

玉米的品种和生长环境都会对叶绿素CCI值有较大的影响，因此在建立玉米推荐施肥诊断指标时，采用相对CCI值的方法来消除这种影响。分析方法参照李占成等[14]的研究，具体的方法是：将作物供氮量处于奢侈状态的处理作为对照区。其他处理叶绿素测定值与对照区相比大于95%时，可以不追肥或者追少量肥；反之，需要根据测定结果推荐不同追肥量[15]。依据此法，本研究将施氮量280 kg/hm2作为对照区，从图5可以看出，N0水平虽然在抽雄期追肥后相对CCI值达到0.9左右，但是随着玉米进入营养生殖期对氮肥的需求量加大，相对CCI值有了明显的下降，灌浆期的平均值只在0.825左右，说明此时氮素不足。同理可知N135和N180也出现玉米供氮不足的情况。当玉米施氮量N225水平时，灌浆期的相对CCI值随略低于抽雄期，但是也达到了供氮丰盈状态，说明N225在整个生育期内都满足了玉米对氮肥的需求。因此可以确定本试验玉米适宜施氮量为225 kg/hm2。

图5 玉米主要生育期不同施氮量的相对盈缺状况Fig.5 The condition of surplus and deficiency in different nitrogen levels in main corn growth period

3 结果与讨论

近几年来，国内外利用玉米叶片叶绿素读数与植株氮营养指数之间相关性的报道逐渐增多。理论依据是：玉米叶片的含氮量与叶绿素含量呈正相关，叶绿素的含量越多，玉米光合作用的能力越强，对玉米接下来的生长发育及籽粒的产量有较大的影响。玉米氮素的盈缺状态可以从玉米叶片的叶绿素指数上反映出来，同时氮营养指数也是反映玉米氮素盈缺的重要指标。因此，研究叶绿素CCI值与NNI值之间的相关性可以将叶绿素仪的便捷性与氮营养指数的科学准确性结合起来，为今后玉米的氮营养诊断提供科学依据。目前，关于叶绿素仪的研究主要还存在着几点问题：①作物品种不同测定的叶绿素值的差异较大；②测定的生育期不同叶绿素仪测定结果存在差异；③测定玉米叶位不同叶绿素值存在差异[14]。

本试验结果表明，叶绿素CCI值与施氮量之间呈显著相关性，且随着施氮量的增加而增加。在玉米的主要生育期内，叶绿素CCI值与氮营养指数NNI之间呈正相关变化趋势，且CCI值与氮肥施用量及玉米的相对产量之间有很好的相关性，因此，在田间可以考虑利用叶绿素仪CCM-200测定的CCI值方便快捷的评价玉米植株体内氮素的盈亏状况，同时综合本研究的试验条件推荐适宜施氮量为225 kg/hm2，可略大于225 kg/hm2。但是，在利用它们之间的关系的时候应该考虑到品种、生育期和叶位等因素对它们的影响。

[1] Faure J D, Meyer C, Caboehe M.Nitrate assimilation: nitrate and nitrate reductases [M]∥ Nitrogen Assimilation by plants, 2001:33-52.

[2] Zhao DL, Oosterhuis D M.Nitrogenapplication effect on leaf photosynthesis,nonstructural carbohydrate concentrations and yield of field-grown cotton[C]∥ 2000 Cotton Research Meeting HELENA, AR. 2000: 69-71.

[3] 刘德平.基于盐渍化灌区水土环境安全的优化施肥模式研究[D]. 呼和浩特：内蒙古农业大学,2014:1-3.

[4] 王爱玉,张春庆,吴承来,等.玉米叶绿素含量快速测定方法研究[J].玉米科学,2008,16(2):97-100.

[5] 艾天成,李方敏,周治安.作物叶片叶绿素含量与SPAD值相关性研究[J].湖北农学院学报, 2000,(1):6- 8.

[6] 周小生,周月琴,庞 磊,等.叶绿素仪CCM-200在测定茶树叶片叶绿素和氮素含量上的应用[J].安徽农业大学学报, 2012,39(1):150-153.

[7] 王 娟,韩登武,任 岗,等. SPAD值与棉花叶绿素和含氮量关系的研究[J].新疆农业科学, 2006,43(3):167-170.

[8] Nick K,Bruce B. A comparison of opti-sciences CCM-200 chlorophyll meter and the Minolta SPAD-502 chlorophyll meter[EB/OL]. http:∥www.optisci. com/ data-sheet/ccmvsspad.pdf.

[9] Mostafa Chasemi, Kazem Arzani,el al. Estimata of leaf chlorophyll and nitrogen content in Aisan pear by CCM-200[J]. Notulae Scientia Biologicae,2011,3(1):91-94.

[10] Ziadi N M, Brassard G, Belanger A. Chlorophyll measurements and nitrogen nutrition index for the evaluation of com nitrogen status[J]. Agronomy Journal.,2001,100(5):1 264-1 273.

[11] Debaeke P, Rouet P, Justes E. Relationship between the normalized SPAD index and thenitrogen nutrition index: application to durum wheat[J]. Journal of Plant Nutrition, 2006,29(1):75-92.

[12] Justes E, Mary B, Meynard J M, et al. Determination of a critical nitrogen dilution curve for winter wheat crops [J]. Annals of Botany,1994,74(4):397-407.

[13] 杨 虎.水稻冠层叶片氮素分布变化及氮营养状况快速诊断[D]. 杭州：浙江大学,2014:58-63.

[14] 李占成,李 玮,梁秀枝,等.叶绿素仪在玉米氮营养诊断及推荐施肥中的研究与应用[J].作物杂志,2011,4(17):58-62.

[15] 李志宏,张云贵,刘宏斌,等.叶绿素仪在玉米氮营养诊断中的应用[J].植物营养与肥料学报,2005,11(6):764-768.