全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2012, 38(4): 657−664 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(30900867)和北方主要作物抗旱节水综合节水研究与区域示范专项(200903007)经费资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 郭天财, E-mail: tcguo888@sina.com
第一作者联系方式: E-mail: fengwei78@126.com
Received(收稿日期): 2011-09-01; Accepted(接受日期): 2012-01-19; Published online(网络出版日期): 2012-02-13.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20120213.1104.003.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2012.00657
小麦叶绿素荧光参数叶位差异及其与植株氮含量的关系
冯 伟 李 晓 王永华 王晨阳 郭天财*
河南农业大学 / 国家小麦工程技术研究中心, 河南郑州 450002
摘 要: 以中蛋白质含量小麦品种矮抗 58和高蛋白质含量品种郑麦 366为试验材料, 2008—2010年连续 2个生长季
进行了施氮梯度下(0、90、180和 270 kg hm−2)的田间试验。在关键生育时期同步测定叶片荧光参数、叶和茎生物质
量及氮含量, 建立了基于叶位差的小麦植株氮含量荧光估算模型。结果表明, 在小麦旺盛生长的拔节至孕穗期叶绿素
荧光参数 Fm、Fv、Fv/Fm和 Fv/Fo与对应叶片氮含量的相关系数分别为 0.557、0.601、0.619 和 0.633, 均达极显著水
平(P<0.01)。顶三叶间荧光参数差异较小, 随施氮水平提高, 顶部第 4 叶荧光参数与顶三叶间差异逐渐缩小, 说明其
对增施氮肥反应敏感。顶部第 4 叶与顶部第 1 叶间的荧光参数差异(LPD4-1)可较好拟合小麦拔节期植株氮含量变化,
Fv/Fo和 Fv/Fm方程决定系数 R2分别为 0.644 (P<0.001)和 0.651 (P<0.001); 顶部第 4叶与顶部第 2叶间的荧光参数差
异(LPD4-2)方程拟合决定系数有所降低, 分别为 0.626 (P<0.002)和 0.592 (P<0.005); 而顶部第 4叶与顶三叶之间的差
异(LPD4-n)与小麦孕穗期植株氮含量间呈显著线性关系, 其 Fo、Fv和 Fm方程决定系数分别为 0.726 (P<0.001)、0.791
(P<0.001)和 0.784 (P<0.001)。独立数据检验结果表明, 小麦拔节期对 Fv/Fo和 Fv/Fm 的 LPD4-1 预测精度 R2 分别为
0.844( P<0.001)和 0.828 (P<0.001), 相对误差(RE)分别为 13.0%和 16.7%, 而 LPD4-2估算植株氮含量精度有所降低, R2
分别为 0.793 (P<0.001)和 0.813 (P<0.001), RE分别为 16.9%和 18.4%。小麦孕穗期对 Fv和 Fm的 LPD4-n预测方程的
R2分别为 0.831 (P<0.001)和 0.815 (P<0.001), RE分别为 13.2%和 16.4%。比较而言, 小麦拔节期 Fv/Fo的 LPD4-1和孕
穗期 Fv的 LPD4-n可更好地用于评估不同条件下植株氮含量的变化, 为施肥调控提供决策依据。
关键词: 冬小麦; 植株氮含量; 叶位; 荧光参数
Difference of Chlorophyll Fluorescence Parameters in Leaves at Different Posi-
tions and Its Relationship with Nitrogen Content in Winter Wheat Plant
FENG Wei, LI Xiao, WANG Yong-Hua, WANG Chen-Yang, and GUO Tian-Cai*
Henan Agricultural University / National Engineering Research Center for Wheat, Zhengzhou 450002, China
Abstract: For diagnosing nitrogen (N) nutrient status in winter wheat plant based on fluorescence parameters of leaves, two cul-
tivars with Aikang 58 (mid-protein content) and Zhengmai 366 (high-protein content) were used in experiments with N applica-
tion rates of 0, 90, 180, and 270 kg ha−1 in 2008–2009 and 2009–2010 growing seasons. The fluorescence parameters were meas-
ured in the first, second, third, and fourth leaves from the top of plant from jointing to maturity stage. The N contents and bio-
masses of leaf and culm were determined through destructive sampling and chemica1 assay. The leaf N contents at different 1eaf
positions were significantlycorrelated with fluorescence parameters from jointing to booting stage (P < 0.01). The correlation
coefficients of N content with Fm, Fv, Fv/Fm, and Fv/Fo were 0.557, 0.601, 0.619, and 0.633, respectively. The fluorescence pa-
rameters of the top three leaves had small differences, which were much higher than those of the fourth leaf from the top. How-
ever, the differences reduced gradually with the increase of N application rate. This indicated a sensitive response of leaf position
to N application. The differences of Fv/Fo and Fv/Fm between the fourth and the first leaves (LPD4-1) were significantly correlated
with N content in plant (PNC) at jointing stage (R2 = 0.644 for Fv/Fo and R2 = 0.651 for Fv/Fm); whereas, the differences of Fv/Fo
and Fv/Fm between the fourth and the second leaves (LPD4-2) had less accurate predictions with smaller R2 values (R2 = 0.626 for
Fv/Fo and R2 = 0.592 for Fv/Fm). At booting stage, linear equations were obtained for Fo, Fv, and Fm differences (LPD4-n) between
658 作 物 学 报 第 38卷

the fourth and the top three leaves (R2 = 0.726 for Fo, R2 = 0.791 for Fv, and R2 = 0.784 for Fm). Using independent datasets to
predict PNC at jointing stage with the LPD4-1 and LPD4-2 equations based on Fv/Fo and Fv/Fm, the R2 values for LPD4-1 were 0.844
and 0.828 with relative errors of 13.0% and 16.7%, respectively; and the R2 values for LPD4-2 were 0.793 and 0.813 with relative
errors of 16.9% and 18.4%, respectively. The result showed that the estimations were reliable. At booting stage, the best predic-
tion of PNC was from the LPD4-n equation based on Fv and Fm, and R2 values were 0.831 and 0.815 with relative errors 13.2% and
16.4%, respectively. In conclusion, the LPD4-1 equation based on Fv/Fo at jointing stage and the LPD4-n model based on Fv at
booting stage are applicable to estimate PNC of wheat.
Keywords: Winter wheat; Nitrogen content in plant; Leaf position; F1uorescence parameters
氮素是小麦生长及影响产量和品质的最主要必
需营养元素之一。随着生长期施氮量增加, 小麦单
产虽有一定程度提高 , 但氮素利用率却明显降低 ,
且加重环境污染[1-2]。过量施氮可能造成植株倒伏、
后期贪青迟熟、加重病虫害发生和籽粒品质变劣[3-4]。
为合理进行氮肥运筹, 需要适时掌握作物长势和氮
素状况, 及时作出氮素诊断和施肥调控。传统的氮
肥管理建立在田间作物形态诊断和室内测试分析基
础上, 不仅取样测定和数据分析需要耗费大量的人
力和物力, 而且时效性差。快捷、无损和准确的小
麦植株氮素营养监测与诊断技术将有助于指导小麦
氮肥的精确施用和动态调控。
近年来, 无损测试技术在作物氮营养诊断及氮
肥推荐中得到了广泛的关注, 极有发展前途。吴良
欢等[5]提出按品种和地点等因子分别建立 SPAD 值
与稻株含氮量的回归方程, 但适宜的诊断在叶位选
择上还存在差异 [6-7]。Feng 等 [8]利用冠层光谱指数
mND705和 FD742有效监测小麦叶片氮素营养状况;
姚霞等[9]在单叶光谱层次上, 构建了基于 691 nm和
711 nm导数光谱比值指数估算小麦叶层全氮含量。
鱼欢等[10]试验表明, 利用 Dualex仪能够诊断玉米的
氮素营养状况 , Dualex 值随追氮量增加而降低。
Graeff 等[11-12]采用数码相机测定玉米和花椰菜的叶
片反射率, L*a*b*颜色系统的色差 ΔEb、b*参数分别
与玉米和花椰菜的叶片氮素含量显著相关。因此 ,
通过快速监测作物生长特征, 有助于田间推荐施肥,
增加产量 , 改善品质 , 减少肥料用量 , 减轻环境污
染。叶片叶绿素荧光参数可反映作物内在特性, 已
作为主动式遥感技术被成功用于监测植物的健康和
生长状况。随施氮量增加, 小麦叶绿素荧光参数呈
规律性变化, 且与叶片氮含量和产量关系密切[13]。
大田条件下, 玉米叶片的荧光比值 F440/F685、F440/
F740、F525/F685和 F740/F685可以显著区分玉米的不同
施氮水平[14], 激光诱导的荧光参数比率 S690/S730 在
识别小麦氮素吸收差异方面也取得了较好效果[15]。
然而, 有关小麦不同叶位叶片的荧光参数变化特征
及其与植株氮含量的定量关系却鲜有报道。本文以
不同施氮水平和品种类型的田间试验为基础, 利用
OS5-FL型调制式叶绿素荧光测定仪, 综合分析小麦
不同叶位叶片荧光参数时空差异及其与植株氮含量
间定量关系, 从而为探索小麦植株氮素状况的诊断
理论与技术奠定基础。
1 材料与方法
1.1 试验设计
2008—2010 年连续 2 个小麦生长季, 在河南农
业大学科教园区(郑州)进行田间试验, 土壤为壤质
潮土, 供试品种为矮抗 58 (蛋白质含量 13.0%~14.5%)
和郑麦 366 (蛋白质含量 15.0%~16.0%)。小区随机排
列, 3次重复, 小区面积 2.9 m × 7.0 m = 20.3 m2, 按
高产栽培技术进行田间管理。
2008—2009 年度前茬为玉米, 0~20 cm 土层含
有机质 20.12 g kg−1、碱解氮 127.81 mg kg−1、速效磷
60.22 mg kg−1、速效钾 92.67 mg kg−1, pH 7.83。设 4
个施氮水平, 分别施纯氮 0 (N0)、90 (N1)、180 (N2)
和 270 kg hm−2 (N3), 其中 50％作基肥, 50%于拔节
期追肥。所有处理均基施 P2O5 150 kg hm−2 和 K2O
90 kg hm−2。基本苗 1.8 ×106株 hm−2, 行距 20 cm。
于拔节期(50%植株主茎基部第 1 节间伸长 1.5~2.0
cm)、孕穗期(50%植株旗叶叶片全部伸出叶鞘)、开
花期、灌浆前期、灌浆中期、灌浆后期和成熟期测
试田间荧光参数。
2009—2010 年度小麦播前田菁掩底, 0~20 cm
土壤含有机质 12.7 g kg−1、碱解氮 50.85 mg kg−1、速
效磷 84 mg kg−1、速效钾 74.8 mg kg−1, pH 8.21。设
同样用量的 4 个氮处理, 50%作基肥, 50%为拔节期
追肥。基施 P2O5 120 kg hm−2和 K2O 150 kg hm−2。
基本苗 2.1×106株 hm−2, 行距 20 cm。分别于拔节期、
孕穗期、开花期、灌浆中期和成熟期测定小麦叶片
荧光参数。
1.2 叶片荧光参数测定方法
于晴朗无云或少云的上午 (9:30~12:00), 用
OS5-FL 型调制式叶绿素荧光分析仪 (OPTI-SCI-
ENCES, 美国)测定光适应下的荧光参数初始荧光
第 4期 冯 伟等: 小麦叶绿素荧光参数叶位差异及其与植株氮含量的关系 659


(Fo)、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、PSII 潜在活性
(Fv/Fo)和最大光化学速率(Fv/Fm), 以及暗适应参数
荧光光化学猝灭系数(qP)、非光化学猝灭系数(qN)、
PSII 量子效率(ΦPSII)和电子传递速率(ETR)。取每处
理各小区植株完全展开的顶部第 1、第 2、第 3和第
4 叶, 因开花后期部分处理小麦的顶部叶衰老枯亡,
所以灌浆期测定上部 3 张叶片。测定时先用夹子固
定小麦叶片 , 使各叶位叶片受光一致 , 交叉测量 ,
避免辐射对不同处理的影响, 每小区每个叶位测定
5~8片叶。测定暗适应荧光参数前, 将叶片充分暗适
应 20 min。
1.3 植株氮含量测定方法
与荧光参数测量同步, 每小区取 20 株, 孕穗期
取 50 个单茎, 将植株分离为叶片(从上到下第 1~4
完全展开叶)和茎鞘 , 并自灌浆开始从穗部剥离籽
粒。将各部分样品在 105℃下杀青 20 min, 80℃烘干,
然后称重。样品经粉碎后, 采用凯氏定氮法, 测定叶
片、茎鞘、颖壳和籽粒等部位的全氮含量(%)。各器官
的氮素积累量(g m−2)＝氮含量(%)×干物质重(g m−2)。
植株氮含量为所有绿叶片和茎鞘氮总积累量与对应
总干物质量的比值(%)。
1.4 产量性状调查
成熟前每小区测定 1 m双行 3个样点折算出单
位面积穗数, 收获后取 20 株室内考种, 统计每穗粒
数、千粒重和穗粒重。每小区实收 4 m2, 换算出单
位面积籽粒产量(kg hm−2)。
1.5 统计分析
采用 Microsoft Excel 2003和 SPSS10.0软件处
理数据及作图, 不同处理之间多重比较采用 Duncan
新复极差方法。
2 结果与分析
2.1 不同叶位的叶片荧光参数差异
以 2008—2009生长季小麦 Fv (图 1)和 Fv/Fo (图
2)为例, 拔节期和孕穗期叶片荧光参数随叶位降低
而降低, 各叶位荧光参数均随施氮水平提高而增加,
但不同处理和品种间存在一定差异。总体上, 郑麦
366各叶位荧光参数低于矮抗58。在缺氮(N0)条件下,
顶三叶的荧光参数差异较小, Fv和 Fv/Fo变异系数为
1.6%~4.1%, 郑麦 366的变异相对大于矮抗 58, 而顶
部第 4叶的荧光参数则显著低于顶三叶的荧光参数,
Fv和 Fv/Fo下降幅度为 13.3%~53.2%, 郑麦 366的下
降幅度大于矮抗58。随氮素营养的改善, 叶片荧光参
数逐渐提高, 但顶三叶的荧光参数增加缓慢, 而第 4
叶的荧光参数增加相对迅速 , 进一步缩小其差异 ,
尤其在氮素充足(N2)条件下更如此。顶三叶 Fv 和
Fv/Fo变异系数在 N1 条件下为 2.8%~6.9%, N2条件
下为 2.3%~8.8%; 第 4 叶的荧光参数较顶三叶的下
降幅度在 N1 条件下为 10.8%~40.2%, N2 条件下为
7.2%~32.3%, 两品种间差异与前述 N0处理相同。说
明顶三叶是小麦生长中心, 而第 4 叶在生长进程中
处于竞争劣势, 缺氮条件下更加剧下部叶片生长竞
争劣势, 但随着氮素营养等生长条件改善, 顶三叶
生长依次处于相对饱和状态, 使第 4 叶有氮素持续
输入, 从而缩小了与顶三叶的差距, 增施氮肥明显
影响了第 4叶与顶三叶叶绿素荧光参数的差异。
2.2 小麦叶绿素荧光参数与叶片氮含量的相关
分析
2008—2009 年度两品种数据综合相关分析显示,
除顶部第 4 叶 Fo外, 不同叶位叶片叶绿素荧光参数
与对应叶片氮含量相关均显著(表 1), 尤以 Fm和 Fv


图 1 不同氮素水平下小麦不同叶位叶片的 Fv变化(2008–2009生长季)
Fig. 1 Variations of Fv in top leaves at different positions under various N application levels in wheat (2008–2009 growing season)
A: 拔节期; B: 孕穗期。N0、N1和 N2分别表示施氮 0、90和 180 kg hm−2。L1、L2、L3和 L4分别表示顶部第 1、第 2、第 3和第 4叶。
数据为 3次重复的平均值±标准误。
A: Jointing stage; B: Booting stage. N0, N1, and N2 denote the nitrogen application rates of 0, 90, and 180 kg hm−2, respectively. L1, L2, L3,
and L4 represent the first, second, third, and fourth leaf from the top, respectively. Data are shown in mean ± SE of three replicates.
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图 2 不同氮素水平下小麦不同叶位叶片的 Fv/Fo变化(2008–2009生长季)
Fig. 2 Variations of Fv/Fo in top leaves at different leaf positions under different N application levels in wheat (2008–2009 growing season)
A: 拔节期; B: 孕穗期。N0、N1和 N2分别表示施氮 0、90和 180 kg hm−2。L1、L2、L3和 L4分别表示顶部第 1、第 2、第 3和第 4
叶。数据为 3次重复的平均值±标准误。
A: Jointing stage; B: Booting stage. N0, N1, and N2 denote the nitrogen application rates of 0, 90, and 180 kg hm−2, respectively. L1, L2, L3,
and L4 represent the first, second, third, and fourth leaf from the top, respectively. Data are shown in mean ± SE of three replicates.

表 1 叶绿素荧光参数与叶片氮含量间相关系数(2008–2009生长季)
Table 1 Correlation coefficients between chlorophyll fluorescence parameter and leaf N content in wheat (2008–2009 growing season)
叶位 Leaf position from the top 生育时期 Growth stage 荧光参数
Chlorophyll
fluorescence
parameter
第 1叶
1st leaf
第 2叶
2nd leaf
第 3叶
3rd leaf
第 4叶
4th leaf
拔节期
Jointing
孕穗期
Booting
开花期
Anthesis
灌浆前期
Early
filling
灌浆中期
Middle
filling
拔节至孕穗
Jointing to
booting
拔节至开花
Jointing to
anthesis
全生育期
Whole
growing
period
Fo 0.603** 0.624** 0.369** 0.108 0.472** 0.266 0.255 0.236 0.028 0.062 0.012 0.348**
Fm 0.690** 0.775** 0.632** 0.398* 0.537** 0.554** 0.072 0.130 0.153 0.557** 0.422** 0.512**
Fv 0.689** 0.777** 0.643** 0.384* 0.535** 0.647** 0.138 0.096 0.196 0.601** 0.464** 0.543**
Fv/Fm 0.661** 0.645** 0.432** 0.380* 0.355* 0.788** 0.502** 0.414* 0.366* 0.619** 0.561** 0.576**
Fv/Fo 0.635** 0.676** 0.524** 0.423** 0.329* 0.812** 0.456** 0.432** 0.426** 0.633** 0.547** 0.600**
*P<0.05; **P<0.01.

表现较好。叶片氮含量与叶绿素荧光参数间相关性
在不同生育期存在较大差异, 在旺盛生长的拔节期
至开花期相关性较好, 尤其孕穗期 Fv、Fv/Fm和 Fv/Fo
相关系数分别为 0.647 (P<0.01)、0.788 (P<0.01)和
0.812 (P<0.01), 开花期以后相关系数降低。综合不
同生育时期数据分析, 荧光参数间差异表现为Fv/Fm
和 Fv/Fo与叶片氮含量间相关性最好。将拔节期和孕
穗期综合, 与 Fv/Fm和 Fv/Fo相关系数分别为 0.619
(P<0.01)和 0.633 (P<0.01), 与 Fm和 Fv相关系数分别
为 0.557 (P<0.01)和 0.601 (P<0.01), 与 Fo相关不显
著; 而将拔节期至开花期数据综合分析, 除 Fo 外荧
光参数与叶片氮含量间相关依然达显著水平, 但较
拔节期至孕穗期相关性显著下降。
2.3 植株氮含量与籽粒产量间关系
综合两年度两品种试验数据, 拔节期和开花期
植株氮含量与产量间拟合方程呈抛物线型, 决定系
数 R2均高于 0.80, 表明过量施氮仅能增加氮素奢侈
吸收, 并不利于产量的进一步提高。拔节期植株适
宜氮含量以低肥力田(2009—2010 年度)低于中高肥
力田(2008—2009 年度), 而开花期植株适宜氮含量
在两种肥力田块间差异较小。拔节期不同肥力田块
拟合方程的参数差异较小, 可用统一方程表达植株
氮含量和产量间关系, R2为 0.860 (P<0.001), 而开花
期不同肥力田块拟合方程的参数差异较大, 需用不
同类型方程拟合。孕穗期植株氮含量与产量间关系
与拔节期和开花期不同, 拟合方程呈线性, 中高肥
田和低肥田决定系数 R2 分别为 0.724 (P<0.001)和
0.920 (P<0.001), 相同植株氮含量条件下高肥田较
低肥田产量相差 3 000 kg hm−2左右(图 3)。结果表明,
旺盛生长的孕穗期对氮肥反应敏感, 应在此前施肥
调控, 增加孕穗期植株氮含量, 为提高产量打下基
础。籽粒产量与拔节期至开花期植株氮含量显著相
关, 可利用植株氮含量诊断氮素营养状况, 指导氮
肥管理。
2.4 基于荧光参数的叶位差与植株氮含量间关系
在小麦拔节至孕穗的旺盛生长阶段, 单叶片荧
光参数与对应叶片氮含量相关显著, 但方程决定系
数偏低, 同时, 利用单叶片营养状况进行施肥调控
第 4期 冯 伟等: 小麦叶绿素荧光参数叶位差异及其与植株氮含量的关系 661





图 3 小麦籽粒产量与拔节期(A)、孕穗期(B)及开花期(C)植株氮含量的回归曲线
Fig. 3 Regression curves between grain yield and nitrogen content in plant at jointing (A), booting (B), and anthesis (C) stages in wheat
y1: 2008−2009; y2: 2009−2010

的代表性差, 误差较大。由于不同叶位叶片对施氮
的反应存在差异 , 顶部第 4 叶与顶三叶的差异
(LPD4-n)对增施氮肥反应更敏感, 通过计算荧光参数
的叶位差值, 以减少生育时期和品种间差异。利用
2008—2009年度两品种叶片荧光参数 Fo、Fm、Fv、
Fv/Fo和Fv/Fm, 计算其LPD4-n值, 并与对应植株氮含
量进行回归分析(图 4和图 5)。LPD值与植株氮含量
的关系随生育时期、叶位和荧光参数的不同而不同。
拔节期基于 Fv/Fo和 Fv/Fm的顶部第 1和第 2叶与顶
部第 4叶间的差值(LPD4-1和 LPD4-2)与植株氮含量关
系显著, 其中, 基于 Fv/Fo或 Fv/Fm的 LPD4-1方程决
定系数 R2分别为 0.644 (P<0.001)和 0.651 (P<0.001),
而 LPD4-2 方程决定系数有所降低 , 分别为 0.626
(P<0.002)和 0.592 (P<0.005); Fo、Fm和 Fv的叶位差
值与植株氮含量的相关性均较差。孕穗期基于 Fo、
Fm和 Fv的顶三叶与第 4叶间的差值能较好地反映植
株氮含量变化, 且 LPD4-1、LPD4-2和 LPD4-3与植株
氮含量的关系具有统一的回归方程, 基于 Fv、Fm和
Fo的回归方程决定系数分别为 0.791、0.784和 0.726,
其 P值均小于 0.001, 而基于 Fv/Fo和 Fv/Fm的叶位间
差值与植株氮含量关系较差。开花期基于荧光参数
的不同叶位差与植株氮含量间关系均较差, 这是小
麦此期冠层结构异质性增加和顶四叶衰老进程差异
造成的。
2.5 基于叶位差的荧光估算模型的检验
为了考察上述定量关系的可靠性和普适性, 利
用 2009—2010年度数据对优选方程分别验证, 采用
均方根差(RMSE)和平均相对误差(RE) 2个指标进行
检验, 并作模拟值与观测值 1︰1关系图直观展示模
型的预测能力(图 6)。拔节期基于 Fo/Fv或 Fv/Fm的
LPD4-1和 LPD4-2值建立的植株氮含量预测模型有较
好结果 ; 基于 LPD4-1 值方程的模拟结果好于基于
LPD4-2值的方程, 其决定系数 R2分别为 0.844 (Fo/Fv)
和 0.828 (Fv/Fm), 均方根差 RMSE 分别为 0.266
(Fo/Fv)和 0.353 (Fv/Fm), 相对误差 RE分别为 13.0%
(Fo/Fv)和 16.7% (Fv/Fm)。孕穗期多个叶绿素荧光参
数在叶位间的差值均可较好地预测植株氮含量, 其
中最好的是基于不同叶位 Fv差值建立模型, 模拟值
与观测值间拟合决定系数 R2为 0.831, RMSE 和 RE
分别为 0.260 和 13.2%; 其次为基于不同叶位 Fm差
值的模型, 其 R2 为 0.815, RMSE 为 0.309, RE 为
16.4%; 而基于不同叶位 Fo差值建立的模型, 其 R2、
RMSE和 RE分别为 0.620、0.365和 20.4%, 表明该
模型对植株氮含量反演敏感性降低, 误差偏大。总
体而言, 基于荧光参数叶位差估算方程的模拟值低
于观察值, 拔节期较孕穗期更明显, 这可能是建模
试验与验证试验地力差异所致。
3 讨论
叶绿素荧光技术在测定叶片光合作用光系统对
光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的
作用, 通过植物光合过程中荧光特性的探测可以了
解植物的生长、病害及受胁迫等生理状态。以往的
研究多侧重于利用叶绿素荧光参数定性评价植物生
长, 如郭天财等[13]研究表明, 适当增施氮肥可增强
叶片对光能的捕获能力, 提高 PSII 活性、光化学效
率及 PSII 反应中心开放部分的比例, 而降低非辐射
能量的热耗散 ; 张其德等 [ 1 6 ]发现 , 植物生境中的
CO2浓度倍增可有效地提高 qP和 PSII值; 李霞等[17]
认为, 荧光参数 Fv/Fm和 ETR 与水稻产量存在稳定
的极显著相关关系。目前, 利用叶绿素荧光技术定量
评价植物生长及营养状况的研究相对薄弱。Gitelson
662 作 物 学 报 第 38卷



图 4 小麦拔节期 Fv/Fo(A)和 Fv/Fm(B)不同叶位差值与植株氮含量的回归关系(2008–2009生长季)
Fig 4 Regressive relationship between nitrogen content in plant and differences of Fv/Fo (A) and Fv/Fm (B) among leaf positions
(LPD) at jointing stage of wheat (2008–2009 growing season)
y1: LPD4-1; y2: LPD4-2; y3: LPD4-3



图 5 小麦孕穗期 Fv (A)、Fm (B)和 Fo (C)不同叶位差值与植株氮含量的关系(2008–2009生长季)
Fig. 5 Regressive relationship between nitrogen content in plant and differences of Fv (A), Fm (B), and Fo (C) among leaf positions
(LPD) at booting stage of wheat ( 2008–2009 growing season )



图 6 小麦植株氮含量的实测值与预测值比较
Fig. 6 Comparison of predicted and observed plant N content in wheat
A: 小麦拔节期基于 Fv/Fo不同叶位差值预测模型检验; B: 小麦拔节期基于 Fv/Fm不同叶位差值预测模型检验; C: 小麦孕穗期基于 Fv
和 Fm不同叶位差值预测模型检验。PNC: 植株氮含量; LPD: 叶位差。
A: Test of PNC prediction model based on Fv/Fo in leaves at different positions at jointing stage of wheat; B: Test of PNC prediction model
based on Fv/Fm in leaves at different positions at jointing stage of wheat; C: Test of PNC prediction model based on Fv and Fm in leaves at
different positions at booting stage of wheat. PNC: Plant nitrogen content; LPD: Differences among leaf positions.
y1: LPD4-1—Fv/Fo; y2: LPD4-2—Fv/Fo; y3: LPD4-1—Fv/Fm; y4: LPD4-2—Fv/Fo; y5: LPD4-n—Fv; y6: LPD4-n—Fm.
第 4期 冯 伟等: 小麦叶绿素荧光参数叶位差异及其与植株氮含量的关系 663


等[18]曾利用荧光比率 F735/F700 预测山毛榉树叶片
的叶绿素含量; 李绍长等[19]发现玉米叶片 Fv/Fm 和
磷含量之间存在极显著指数函数关系, 且给出了影
响 Fv/Fm 的磷含量阈值; 马吉锋等[20]指出, 不同蛋
白质含量小麦品种顶部 2张叶片氮含量随 Fv/Fo变化
的模式可用统一的回归方程来描述。本研究结果显
示, 小麦叶片氮含量和荧光参数在不同施氮水平处
理间均有明显差异, 这些差异为小麦植株氮含量的
荧光反演提供了丰富的资料来源和理论基础。叶片
氮含量和荧光参数间存在极显著相关关系, 顶部第
1和第 2叶较第 3叶表现更好, 且以拔节至孕穗的旺
盛生长期的相关性最好; 但是, 模拟方程精度整体
偏低, 表明基于单叶荧光测试来估算对应叶片氮含
量的影响因素多, 估算误差偏大, 这也是导致单叶
片荧光探测技术多用于定性评价植物生长状况而较
少应用于定量评估的主要原因。为此, Schächtl等[15]
与公司合作开发了能够探测植株冠层的荧光测定仪器,
且构建了比值指数与小麦植株氮素吸收间的定量关
系, 但该仪器稳定性及模型适应性还需更大范围的
测试和检验。
传统的小麦氮素营养诊断方法主要有反射仪法
和 Nmin法、植株硝酸盐法、二苯胺法和叶片硝酸还
原酶法等, 但在生产上应用受广适性和时效性差等
因素限制。近年来, 有学者尝试基于不同叶位叶片
氮含量差异的研究, 如李刚华等[7]和江立庚等[21]分
析发现, 以顶部第 1 叶作为氮素营养诊断部位既不
科学, 普适性也较差, 顶部第 2 叶对植株氮含量反
应不够敏感, 顶部第 3 叶则是水稻氮素营养诊断的
理想叶位; 秦晓东等[22]研究表明, 小麦拔节期后顶
部叶片的叶氮差(LND)变化较大, 且规律性不明显,
难以反映植株氮素营养状况, 只有拔节期 LND4-2和
LND4-1 可以较可靠地预测小麦植株氮素营养状况,
但回归方程精度偏低。Wang 等[23]计算了顶部第 4
叶与第 3 叶间叶片氮含量差值, 能够很好反映植株
氮含量, 克服了单叶片营养指示不稳定的缺点, 但
该方法依然不能满足现代农业生产无损、快速监测
诊断的技术需求。基于上述叶位差营养学理论, 王
绍华等[24]利用 SPAD仪测算顶部第 3叶与第 4叶相
对色差值, 建立了籼稻和粳稻植株氮素营养的叶色
诊断回归方程, 通过构建叶位差值弱化了品种、生
育时期及土壤等对叶色诊断技术的影响, 增强了普
适性。目前, 针对作物叶绿素荧光参数叶位差异及
其调控效应的研究较少。本研究结果显示, 在低氮
条件下, 植株生理上较年轻的顶三叶从较早抽出的
顶部第 4 叶夺得氮素, 使第 4 叶因失氮生理功能减
弱导致荧光参数在叶位间差异较大, 而当小麦氮素
营养水平较高时, 上三叶氮素营养处于奢侈吸收状
态, 顶部第 1和第 2叶, 甚至第 3叶的氮含量随植株
氮水平提高的变化很小, 上三叶对第 4 叶的竞争压
力减弱, 因而第 4 叶迅速积累氮素, 其生理功能恢
复, 其荧光参数与上三叶的差距缩小。因此, 以顶部
第 4 叶为参照叶位, 计算其与顶三叶之间的差异将
大大增强对增施氮肥反应的敏感性。考虑到顶部第
4 叶自开花期开始衰老, 并受群体密度及冠层微环
境显著影响, 而该叶片往往在个体间差异较大, 因
此, 我们认为基于叶位差理论进行小麦氮素营养诊
断, 适宜时期为拔节至孕穗阶段, 这一时期氮素需
求量大, 且反应敏感。
前人利用冠层光谱技术快速无损监测作物生长
状况取得了显著进展, 且已在作物精确管理中较好
应用, 但冠层光谱技术属被动式遥感, 受测试环境
影响很大, 且难以探测冠层中下部生长状况, 进而
限制了监测精度的进一步提高。目前, 叶绿素荧光
探测技术成熟 , 仪器测试稳定 , 测定速度快 , 且对
植株生理状态反应敏感, 本文充分利用叶绿素荧光
技术的“内在性”和主动式遥感受环境因素影响较
小的优势, 结合小麦叶位差营养学规律, 实现了小
麦旺盛生长期氮素监测与诊断。结果表明, 小麦拔
节期采用荧光参数 Fv/Fo和 Fv/Fm分别计算顶部第 4
叶与第 1 和第 2 叶相对差值, 可较好地反演小麦植
株氮含量。比较而言, 第 4与第 1叶位的 Fv/Fo差值
(LPD4-1)对估算植株氮含量精度更高, 误差更小。小
麦孕穗期通过计算荧光参数 Fv和 Fm的顶部第 4 叶
与顶三叶相对差值, 能够较好估算小麦植株氮含量,
尤其基于 Fv的反演精度高、误差小。这为小麦生产
氮素营养诊断与管理提供了可靠的关键技术, 对于
指导生育中后期田块精确施肥具有重要参考价值。
当然, 本文的小麦植株氮含量荧光估算模型是在一
个试验区 2 年大田试验资料上构建和测试的, 若能
通过不同试验条件下的广泛检验和评价, 实现模型
的估测精度和普适性的有效统一, 将在小麦氮肥高
效管理调控中具有更大应用价值。
4 结论
建立了基于小麦叶片荧光参数叶位差值的植株
氮含量估算方程。拔节期 Fv/Fo顶部第 4与第 1叶的
664 作 物 学 报 第 38卷

差值和孕穗期 Fv顶部第 4叶与顶三叶的差值可作为
指导用于评估不同条件下植株氮含量的变化, 估算
模型具有较好的准确性和普适性。
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