学术研究报告：棉花主茎叶SPAD值与氮素营养诊断研究

作者及机构
本研究由屈卫群、王绍华、陈兵林、王友华和周治国（通讯作者）合作完成，研究团队来自南京农业大学农业部作物生长调控重点开放实验室及江苏省信息农业高技术研究重点实验室。研究成果发表于《作物学报》（Acta Agronomica Sinica）2007年第33卷第6期（页码1010—1017），ISSN 0496—3490。

学术背景
氮素是作物生长发育的关键养分，但其田间施用量难以精准调控，传统化学分析法耗时且破坏植株。基于叶绿素浓度与叶片光谱特性的相关性，手持式叶绿素计（SPAD仪）通过测量叶片绿色度（SPAD值）可实现无损、快速的氮素诊断。然而，SPAD值受品种、生育期等因素影响，普适性不足。本研究以叶色差异显著的美棉33B（深叶色）和泗棉3号（浅叶色）为对象，探究棉花主茎叶SPAD值的叶位分布规律，提出基于叶位差异的氮素诊断新指标，旨在解决现有方法的局限性。

研究流程与方法
1. 试验设计
- 地点与时间：2004—2005年在江苏农业科学院试验农场进行，土壤为黄棕壤（pH 7.50，有机质2.45%）。
- 材料与处理：设置5个施氮水平（0、120、240、360、480 kg·hm⁻²），代表从严重缺氮到氮过剩梯度。氮肥分基肥（50%）和花铃肥（50%）施用。采用二裂区设计，主区为施氮量，副区为品种，小区面积18 m²，3次重复。

1. 数据采集

   • SPAD值测定：使用Minolta SPAD-502叶绿素计，在始花至吐絮期每15天测定主茎可见叶（顶1至顶4定型叶及未定型叶）的SPAD值，每叶取5点均值。
     
   • 植株氮含量（PNC）分析：采集全部绿色叶片，烘干粉碎后通过半微量凯氏定氮法测定全氮含量。
     

2. 分析方法

   • 统计工具：SPSS 11.0进行方差分析（Duncan新复极差法检验）和回归分析。
     
   • 创新指标：提出叶位差异指数（PDI，Positional Difference Index），计算公式为：
     [ PDI = \frac{SPAD{顶1叶} - SPAD{顶4叶}}{SPAD_{顶4叶}} ]
     

主要结果
1. 施氮对SPAD值叶位分布的影响
- 低氮条件下，顶4定型叶（SL4）SPAD值最高，向顶1叶（SL1）递减；高氮条件下，SL1值最高，向SL4递减（图1、2）。
- SL1叶对氮响应最敏感，其SPAD值在480 kg·hm⁻²处理下较无氮处理提高33.0%（美棉33B）和39.7%（泗棉3号），而SL4叶仅提高12.8%和20.3%（表2）。

1. PDI与氮营养诊断
   
   • PDI与PNC呈显著线性正相关（R²=0.82，P<0.01），且不受品种和生育期影响（图4）。例如，美棉33B在盛花期PDI从无氮处理的-0.13升至480 kg·hm⁻²处理的0.08。
     
   • PDI能清晰区分施氮梯度（图5），如7月21日测定中，PDI随施氮量增加呈线性上升趋势（斜率0.021，P<0.001）。
     

结论与价值
1. 科学价值：首次揭示棉花主茎叶SPAD值的叶位分布规律，提出PDI作为普适性氮诊断指标，克服了传统SPAD值依赖品种和生育期的缺陷。
2. 应用价值：为棉花田间氮肥精准管理提供无损、快速的技术支持，尤其适用于大面积生产中的实时监测。

研究亮点
- 创新指标：PDI通过相对差值消除品种和生育期干扰，较单一SPAD值更具鲁棒性。
- 方法学贡献：结合动态叶位分析，明确了顶1叶为敏感诊断位点，顶4叶为稳定参照。
- 跨品种验证：在遗传差异显著的美棉33B和泗棉3号中均验证了PDI的普适性。

其他发现
- 打顶后主茎叶SPAD值差异逐渐缩小，但PDI仍能有效反映氮水平（图2）。
- 植株氮含量在盛花期达峰值，与SPAD值变化同步（表1），进一步支持光谱诊断的生理基础。

（注：全文数据均基于两年重复试验，标准差线未重叠表明结果稳健。）