植物氮素营养诊断的进展与展望

Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ＆ Ｄｅｓｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂａｔ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ， １０００８３ ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｎｉｔｒｏｇｅｎ， ｍａｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｎ － ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ， ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ， ｍｅｒｉｔｓ， ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｉｔｒａｔｅ ｑｕｉｃｋ ｔｅｓｔ， ｔｈｅ ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ ｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｃｒｏｐ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ａｔ ｌａｓｔ， ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ ｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ， ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ｔｈｅ ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｎｉｔｒｏｇｅｎ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｅｓｔ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｈｅａｌｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｂｙ ｔｈｅ ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｎｉｔｒｏｇｅｎ， ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｎｉｔｒｏｇｅｎ， Ｎｉｔｒａｔｅ ｑｕｉｃｋ ｔｅｓｔ， Ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ ｍｅｔｅｒ， Ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ， Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｎｄ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ
植物体的养分状况是土壤养分供应、植物对养分需 求和吸收能力的综合反映。因此，通过对植物体内养分 状况进行诊断完全可以反映其当时的营养状况，并以此 进行施肥决策和田间管理。所谓植物氮素营养化学诊断 （Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ），是指利用化学分析的手段找到不 同植株器官的氮素营养临界浓度的诊断方法［５］。 １．１ 植株全氮诊断
植株硝酸盐快速诊断简单、方便，适合于在田间条 件下进行操作。二苯胺法操作简单、价格低廉，但在高 浓度区反应不敏感，测定值偏低；反射仪法较二苯胺法 准确，但试纸需要进口，费用较高，同时受植株汁液某 些成分干扰，测定值偏高。 ２ 无损测试技术
所谓无损测试技术（Ｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ） 是在不破坏植物组织结构的基础上，利用各种手段对植 物的生长、营养状况进行监测［３］。传统的氮素营养诊断无 损测试方法主要有肥料窗口法和叶色诊断法。随着相关 领域科技水平的不断提高，叶绿素仪和遥感技术成为研 究的热点，部分成熟技术已进入推广应用阶段。 ２．１ 肥料窗口法
３ 水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京林业大学，北京 １０００８３）
摘 要： 根据植物氮素营养诊断的发展脉络， 总结了化学诊断和无损测试技术的主要内容， 重点阐述 了 植 株 硝 酸 盐 快 速 诊 断 、叶 绿 素 仪 和 遥 感 技 术 在 作 物 氮 素 营 养 诊 断 及 氮 肥 推 荐 中 的 应 用 原 理 、优 缺 点以及发展现状， 提出可将叶绿素仪和遥感技术结合使用、利用叶绿素荧光技术诊断植物氮素营养 以及将植物氮素营养诊断技术应用于森林生态系统健康和生态系统服务功能的评估。 关键词： 植物氮素营养诊断； 硝酸盐快速诊断； 叶绿素仪； 遥感； 进展与展望 中图分类号： Ｓ１５８．３ 文献标识码： Ａ
２０ 世纪 ８０ 年代，Ｗｅｈｒｍａｎｎ［１２］和 Ｅｌｌｉｏｔｔ 利 ［１３］ 用植 株硝酸盐快速诊断测定了小麦茎基部 ＮＯ３－－Ｎ 含量，证 实其与植株体内 ＮＯ３－ 浓度有很好的相关性。目前，植 株硝酸盐快速诊断在国外已经成功用于指导棉花［１４］、 小麦［１５］、玉米［１６］等多种作物的生产。中国从 ２０ 世纪 ７０ 年代开始对植株硝酸盐快速诊断进行研究，目前已成 功确定了春小麦［１７］、冬小麦［１８］、夏玉米［１９］、马铃薯［２０］等作 物氮素营养诊断的硝酸盐临界值，并建立了追肥推荐 体系。
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Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ Ｖｏｌ．２２ Ｎｏ． １２ ２００６ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃａｓｂ．ｏｒｇ．ｃｎ
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广应用［４］。在这一背景下，一系列快速、简单、更加准确 的测试技术应运而生，在农作物生产中得到了广泛的 应用。笔者阐述了植株硝酸盐快速诊断、叶绿素仪和遥 感技术在作物氮素营养诊断及氮肥推荐中的应用原 理、优缺点以及发展现状，并提出了完善植物氮素营养 诊断方法以及拓展诊断内容的建议。 １ 化学诊断
肥料窗口法（Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｗｉｎｄｏｗ）是一种简单实用 的氮肥调控方法，其做法是在大田中留出微区，微区中 的施氮水平比大田整体稍少，在作物生长过程中当微 区表现出缺氮的症状，如叶色变浅，表明大田作物处于 缺氮边缘［２１］。该法可以在土壤变异不显著的区域对下 一次追肥做出判断，但是要对追肥量进行量化，还需要 常规测试。 ２．２ 叶色诊断法
当植株全氮含量超过某一阈值时，植物开始累积 硝态氮，在根、茎和叶中都有类似的趋势［９］。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，其 相对变化要远远大于全氮。当植物轻微缺氮时，对硝态 氮库的需求迅速增加，此时全氮库还没有明显变化；当 供氮超过植物需求时，硝态氮也比全氮有较大幅度的 增加［１０］。可见，植株硝态氮含量能灵敏地反映植物对氮 的需求状况，可以用其代替全氮含量作为植物氮素营 养诊断的指标。
叶色是植物氮素营养状况的外在表现，其变化基 本能反映植物的氮营养水平。中国农民素有看植物叶 色施追肥的传统经验，从 ３００ 多年前的《沈氏农书》关 于对水稻进行叶色诊断追肥到现在，叶色诊断氮素营 养的方法已逐渐发展成熟［５］。陶勤南［２２］在电子计算机控 制 下 用 电 子 分 色 仪 研 制 出 水 稻 标 准 叶 色 卡（ｃｏｌｏｒ ｃａｒｄ），并利用它通过田间比色来诊断水稻氮素营养的 丰缺状况和确定合理的施氮量。然而，叶色诊断属于半 定量的方法，不够精确，不但要排除磷、钾、锌等元素不 足造成异常叶色的障碍［１］，还要排除品种、植被密度、 植物胁迫等因素的影响［２３］。 ２．３ 叶绿素仪法
基 金 项 目 ： 国家“９７３”项目“森林植被对农业生态系统的影响及调控研究”（２００２ＣＢ１１１５０６）。 第 一 作 者 简 介 ： 焦雯珺，女，１９８３ 年出生，硕士。研究方向：资源生态与环境安全。 Ｅ－ｍａｉｌ： ｅｆｆｉｅ７６９＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ。 通 讯 作 者 ： 闵庆文，男，１９６３ 年出生，博士，研究员。研究方向：资源生态、生态系统服务功能与区域可持续发展。Ｔｅｌ：０１０－６４８８９００７，Ｅ－ｍａｉｌ： ｍｉｎｑｗ＠ｉｇｓｎｒｒ． ａｃ．ｃｎ，通信地址：１００１０１ 中国科学院地理科学与资源研究所。 收 稿 日 期 ： ２００６－０９－０４，修回日期：２００６－０９－２０。
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中国农学通报 第 ２２ 卷 第 １２ 期 ２００６ 年 １２ 月 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃａｓｂ．ｏｒｇ．ｃｎ
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植物氮素营养诊断的进展与展望
焦雯珺 １，２， 闵庆文 １， 林 焜 ３， 朱清科 ３， 张建军 ３ （１ 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 １００１０１；２ 中国科学院研究生院，北京 １０００４９；
氮素是植物最重要的营养元素之一，为植物光合 作用和生态系统生产力提供着重要支持，对植物的生 长、产量和品质有着极为显著的影响。然而，作为有限 的资源，氮素在农业、林业、牧业生产中，缺乏的现象普 遍存在。当植株缺氮时，蛋白质合成减少、细胞分裂减 慢、早熟低产等；而当植株氮素过剩时，蛋白质合成增 加、碳水化合物大量消耗、徒长减产等［１］。同时，由于氮 在土壤中的淋洗作用，过多地施用氮肥容易造成地下 水的污染［２］。因此，准确、迅速、经济地判断植物的氮素
在植物氮素营养化学诊断中，植株全氮诊断研究 的最早、最充分。植株全氮含量可以很好地反映作物氮 素状况［６］，与作物产量也有很好的相关性［７］，是一个很 好的诊断指标。植株全氮诊断 （Ｐｌａｎｔ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ） 主 要 有 凯 氏 — ——蒸 馏 法（Ｋｊｅｌｄａｈｌ－ｓｔｅａｍ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）和靛酚 兰 比 色 法（Ｉｎｄｏｐｈｅｎｏｌ ｂｌｕｅ ｃｏｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃ ｍｅｔｈｏｄ）。对这两种方法进行分析比较，发 现靛酚兰比色法比蒸馏法快捷，但是二者测定结果差 异并不显著［８］。虽然植株全氮含量是一个很好的植物 氮素营养诊断指标，但是全氮分析操作繁琐、工作量较 大、在推广应用中有一定困难。 １．２ 植株硝酸盐快速诊断
植株硝酸盐快速诊断（Ｎｉｔｒａｔｅ ｑｕｉｃｋ ｔｅｓｔ）主要有二 苯胺法 （Ｄｉｐｈｅｎｙｌａｍｉｎｅ ｍｅｔｈｏｄ） 和反射仪法（Ｎｉｔｒａｔｅ ｔｅｓｔ ｓｔｒｉｐ）：二苯胺法是在酸性条件下，让 ＮＯ３－－Ｎ 与二 苯胺和浓硫酸作用，生成蓝色的醌型联苯胺，其显色强 度与 ＮＯ３－－Ｎ 浓度之间符合朗伯 － 比尔定律，可以通过 比色法确定 ＮＯ３－－Ｎ 的浓度，找到氮素营养诊断值；反 射仪法是根据 ＮＯ３－－Ｎ 的偶氮反应原理生成红色染料， 通过比色法由反射仪直接读出 ＮＯ３－－Ｎ 的浓度，然后找 到氮素营养诊断值［１１］。
Ｐｒ ｏｇｒ ｅｓｓ ａｎｄ Ｐｅｒ ｓｐｅｃｔｉｖｅ ｏｎ Ｎｕｔｒ ｉｔｉｏｎ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｎｉｔｒ ｏｇｅｎ Ｊｉａｏ Ｗｅｎｊｕｎ１，２， Ｍｉｎ Ｑｉｎｇｗｅｎ１， Ｌｉｎ Ｋｕｎ３， Ｚｈｕ Ｑｉｎｇｋｅ３， Ｚｈａｎｇ Ｊｉａｎｊｕｎ３