氮是构成植物体内蛋白质、核酸、叶绿素和多种酶、维生素的主要成分，西瓜生长对氮素营养水平反应比较敏感，过高或过低的氮素养分供给均不利于西瓜的生长及产量和品质的构成^[1]。研究发现，缺氮或氮过量均会对西瓜幼苗的叶绿素荧光特性造成影响，从而引起生物学产量的降低^[2]；西瓜伸蔓期，低的氮素供给不利于营养生长期干物质及养分的积累，导致“源”形成受到限制，而过高的氮素供给，又会导致西瓜营养生长过旺，果实干物质及氮素积累量偏低，“源-库”比例失调，最终影响到产量和品质的形成^[3]；西瓜果实发育期，氮素不足会影响果实的膨大，若氮素过量则大部分糖分被迫用于蛋白质合成，同时还促进蔗糖分解，使苦味酸的含量增加，严重影响西瓜的品质形成^[4-5]。精准施肥对推动我国西瓜产业的提质增效具有重要作用，按需施肥兼顾了作物养分需求时期和需求量的相对精准，但按需施肥需要实时监测作物体内的养分变化动态，通过测定作物叶片全氮含量诊断植株氮素营养状况被认为是比较准确的方法，但需要破坏性取样进行实验测试分析，具有明显的滞后性^[6]。因此，探索一种与西瓜生长状况相匹配的氮素营养快捷、无损伤诊断技术，对指导西瓜生产精准、高效施肥具有重要意义。

随着科技的发展，基于光谱特征的现代营养诊断因其便捷、快速、高效等特点，在作物氮素营养诊断中具有较为广泛的应用前景^[7]。SPAD-502 手持叶绿素仪以叶绿素对红光和近红外光的不同吸收特性为原理来测定植物叶片的叶绿素相对含量^[8]，进而推测植株的氮素营养状况，并进行氮肥推荐。由于叶绿素仪具有快速、简便、无损等检测特点，其在作物养分快速监测领域的运用已经取得了较好的效果，夏文豪等^[9]研究认为硝酸盐反射仪和 SPAD 仪法均可对滴灌玉米进行较好的氮素营养诊断；李银水等^[10]通过比较 SPAD 仪法、硝酸盐反射仪法和光谱仪法在油菜氮素营养快速诊断上的适宜性表明，SPAD 仪法诊断结果稳定，并且具有快速、简便、低耗等优点；朱丽丽等^[11]研究认为叶绿素仪法较硝酸盐反射仪更适合大白菜氮素营养快速诊断。另外，由于实时氮肥管理（RTNM）是根据作物各生长发育阶段的植株对氮素营养的需求不同，实时适量地供给植株养分，因而 RTNM 能最大限度地发挥氮肥对作物的生长调控作用，建立理想的作物健康群体，获得较高的收获产量和产值^[8]。应用 SPAD 仪进行氮素营养诊断及指导氮肥施用已在小麦^[12]、玉米^[13]、水稻^[14]、棉花^[15]等作物上做了大量研究，并且已经作为亚热带地区灌溉水稻诊断追氮的实用方法^[16]。虽然前人对不同施氮水平下西瓜全生育期植株不同部位叶片 SPAD 值变化规律及其与叶片含氮量和产量之间的关系开展了一些前期工作^[17-18]，但系统地建立基于 SPAD 仪对田间西瓜氮素状况的实时诊断及其精准施氮管理模式则缺乏研究。

本文以甘肃河西灌区西瓜主栽品种‘金城 5 号’为材料，研究不同施氮水平下西瓜关键生育期不同叶位及叶片位置的 SPAD 值、叶绿素含量、总氮含量的变化特征及其相关性，并通过关键生育期 SPAD 值与西瓜施氮量、产量、品质的相关性分析，确定出适宜的诊断叶位及 SPAD 阈值范围，进一步验证实时氮肥管理模式对西瓜产量、品质及氮肥利用率的影响，旨在应用 SPAD 仪建立田间西瓜氮素状况实时实地的诊断技术，进而形成精准西瓜氮素养分管理模式，为高产优质西瓜生产氮素养分高效管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验位于甘肃省农业科学院张掖节水试验站，地处典型的绿洲荒漠交错带，地理位置为 38°50′49″N、100°22′51″E，属温带大陆性荒漠气候区，海拔 1555 m，年均气温 6℃，无霜期 165 d，年均降水量 128 mm、蒸发量约 2341 mm，年日照时数约 3300 h。2020 年播前试验区 0～20 cm 土层有机质 21.62 g/kg、全氮 1.04 g/kg、碱解氮 71.98 mg/kg、有效磷 27.70 mg/kg、速效钾 213.01 mg/kg、 pH 8.60、电导率 0.21 mS/cm；2021 年播前试验区 0～20 cm 土层有机质 19.83 g/kg、全氮 0.97 g/kg、碱解氮 69.77 mg/kg、有效磷 26.81 mg/kg、速效钾 201.65 mg/kg、pH 8.54、电导率 0.20 mS/cm。

1.2 试验材料

西瓜品种为中晚熟品种‘金城 5 号’；氮肥为尿素（N 46%）、磷肥为重过磷酸钙（P₂O₅ 44%）、钾肥为硫酸钾（K₂O 50%）。

1.3 试验设计

2020 年：试验设置 0、80、160、240、320、400 kg/hm² 6 个氮肥水平，分别用 N₀、N₈₀、N₁₆₀、N₂₄₀、 N₃₂₀、N₄₀₀ 表示，P₂O₅ 135 kg/hm²、K₂O 75 kg/hm²。小区面积 19 m×2.5 m=47.5 m²，各处理随机排列，3 次重复。西瓜采用膜下滴灌平畦栽培，畦宽 70 cm，畦间距 180 cm，每畦种植两排，株距 50 cm，种植密度 16000 株 /hm²。30% 氮肥、100% 磷肥和 100% 钾肥于西瓜苗定植前作为基肥在瓜行条施，其余氮肥在西瓜伸蔓期和果实膨大期分别以 30% 和 40% 比例随水追施。西瓜全生育期灌水量控制在田间持水量的 85%，西瓜采用三蔓整枝，每株在第 12 节位只留 1 个果实。西瓜于 4 月 25 日定植， 8 月 2 日收获。

2021 年：根据 2020 年的试验结果，建立灌区膜下滴灌西瓜 RTNM 模式，进行 RTNM 模式生产性验证试验。试验设不施氮肥对照（N₀）、传统施氮（N_t）和 RTNM 施肥法（N_r）3 个处理，3 次重复，小区面积 19 m×10 m=190 m²，随机区组排列。RTNM 施肥法不施基肥氮，西瓜各生育期依据特定叶片的 SPAD 测定值与 SPAD 临界值相比较，当 SPAD 测定值低于 SPAD 临界值时，依据以下公式追施氮肥，否则不施氮肥。传统施肥法氮肥总施用量为 240 kg/hm²，西瓜定植前、伸蔓期、膨果期的基追肥比例为 40%、30%、30%。试验所有处理的磷、钾肥施用量均一致，即：P₂O₅ 135 kg/hm²、K₂O 75 kg/hm²。西瓜于 5 月 6 日定植，8 月 12 日收获。其他田间管理措施与 2020 年一致。

${\mathrm{N}}_{\mathrm{r}}=\left({\mathrm{S}\mathrm{P}\mathrm{A}\mathrm{D}}_1-{\mathrm{S}\mathrm{P}\mathrm{A}\mathrm{D}}_0\right)\times {\mathrm{N}}_{\mathrm{S}\mathrm{P}\mathrm{A}\mathrm{D}}\left[9\right]$

式中，N_r 为各生育阶段追氮量，SPRD₁ 为 SPAD 临界值，SPRD₀ 为 SPAD 实测值，N_SPAD 为各生育期 SPAD 值变动 1 个单位的氮肥施用量。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 SPAD 值测定

每小区选择长势一致的植株 30 株，在西瓜主蔓上分别于苗期选择顶部第 1 片（顶一叶）完全展开叶，伸蔓期第 1 片、第 2 片、第 3 片（顶一叶、顶二叶、顶三叶）完全展开叶，果实膨大期第 1 片、第 2 片、第 3 片完全展开叶（顶一叶、顶二叶、顶三叶）和留果节位即第 12 片叶（功能叶），用 SPAD-502 测定叶片尖端、中部和基部位点的 SPAD 值。将不同生育时期 30 株植株不同叶位和测定位点的平均值分别作为该处理的 SPAD 值。

1.4.2 叶绿素含量

测完 SPAD 值的叶片进行田间取样，叶片室内清洗后平均分两份，其中一份采用丙酮乙醇混合液法^[19]测定叶绿素含量。

1.4.3 叶片全氮含量

另一份叶片样品装于牛皮纸信封放于恒温鼓风干燥机内 105℃杀青 30 min，再 70℃烘干至恒重，磨细，用凯氏定氮法^[20]测定全氮含量，所用凯氏定氮仪型号为 KDN-04A。

1.4.4 西瓜产量与品质

西瓜产量的测定：西瓜成熟期，每小区选取具有代表性的 10 个瓜称量单瓜重，然后统计产量。

可溶性固形物含量：称量完单瓜重后，将果实沿纵向切开，分别在其中心位置和距果皮 1 cm 处用手持式折光仪（PAL-1）测定可溶性固形物含量。

1.4.5 氮肥利用率

西瓜收获期，各小区选取生长一致的西瓜 5 株，茎、叶、果实分离，进行杀青、烘干、称重，磨细后用凯氏定氮法^[20]测定全氮含量。

氮肥当季利用率（%）=（施氮处理西瓜氮积累量 – 不施氮处理西瓜氮积累量）/ 氮肥养分投入量 ×100。

1.5 数据处理

试验数据采用 Excel 2010 进行分析，采用 SPSS 19.0 进行单因素方差分析和 LSD 法多重比较 （a=0.05）。

变异系数 =（标准偏差 / 平均值）×100%。变异系数是衡量各观测值变异程度的一个统计量，文中用变异系数表征不同氮营养水平下西瓜叶片不同位点 SPAD 值的变化程度。

2 结果与分析

2.1 西瓜不同叶位 SPAD 值分布特点及与叶绿素、全氮含量的相关性分析

2.1.1 苗期不同叶位 SPAD 值分布特点及与叶绿素、全氮含量的相关性分析

西瓜苗期由于完全展开叶片较少，因此 2020 年只选择植株顶部完全展开的第 1 片叶测定 SPAD 值（表1），从叶片不同部位的 SPAD 值来看，叶尖 >叶中 >叶基，且不同处理叶片 SPAD 平均值随着施氮量的增加表现出先增加后降低的变化趋势，其中以 N₂₄₀ 处理的叶片 SPAD 值最高。叶片叶绿素和全氮含量也表现出与 SPAD 值相似的变化趋势，施氮量≥ 160 kg/hm² 处理的西瓜叶片叶绿素和全氮含量均显著高于不施氮处理，其中叶绿素含量提高了 8.51%～16.31%，全氮含量提高了 16.30%～22.12%。从不同处理叶片不同部位 SPAD 值与叶绿素、全氮含量的相关性分析来看，叶尖部位的 SPAD 值与叶绿素和全氮含量的相关性均达到显著水平。

2.1.2 伸蔓期不同叶位 SPAD 值分布特点及与叶绿素、全氮含量的相关性分析

从表2 可以看出，2020 年西瓜伸蔓期叶片 SPAD 值在不同叶位的表现为顶三叶 >顶二叶 >顶一叶，同一叶位的不同测定位置为叶尖 >叶中 >叶基。叶片叶绿素含量和全氮含量均表现出随施氮量增加而增加的变化趋势，施氮量≥ 160 kg/hm² 处理的西瓜叶片叶绿素和全氮含量均显著高于不施氮处理，其中叶绿素含量提高了 8.04%～18.30%，全氮含量提高了 24.82%～41.13%。从 SPAD 值与叶绿素、全氮含量的相关性分析来看，顶三叶叶中和叶基部位的 SPAD 值均与叶绿素和全氮含量的相关性达到显著水平。

2.1.3 膨果期不同叶位 SPAD 值分布特点及与叶绿素、全氮含量的相关性分析

由表3 可以看出，2020 年西瓜膨果期不同叶位的 SPAD 值总体表现为功能叶 >顶三叶 >顶二叶 >顶一叶，叶片 SPAD 值、叶绿素含量和全氮含量均表现出随施氮量增加而增加的变化趋势，施氮量≥ 160 kg/hm² 处理的西瓜叶片叶绿素和全氮含量均显著高于不施氮处理，其中叶绿素含量提高了 11.37%～18.43%，全氮含量提高了 26.23%～35.58%。从 SPAD 值与叶绿素、全氮含量的相关性分析来看，顶一叶叶尖和叶中、顶二叶叶中、顶三叶叶尖、叶中和叶基及功能叶叶尖、叶中和叶基部位的 SPAD 值均与叶绿素和全氮含量的相关性达到显著水平。

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异达到显著水平（P<0.05）。* 表示 P<0.05，** 表示 <0.01。下同。

2.2 SPAD 仪诊断西瓜氮素的叶位选择

2020 年西瓜不同生育时期不同叶位的 SPAD 值列于表4（氮肥施用量为 240 kg/hm² 的处理）。由表4 可知，同一时期不同叶位各叶片不同测定位置的 SPAD 值及其变异系数存在明显差异，各生育时段 SPAD 值的变异系数表现为功能叶 <顶三叶 <顶二叶 <顶一叶，同一叶片不同测定位置上 SPAD 值的变异系数表现为伸蔓期叶尖 <叶中 <叶基，膨果期叶中 <叶尖 <叶基。其他施氮处理不同叶位上 SPAD 值的分布特点、变异系数与氮肥施用量为 240 kg/hm² 的处理相类似（数据未列出）。结合表1～4，从观测的稳定性和各指标的相关性分析考虑，应用 SPAD 仪进行西瓜全生育期氮素营养诊断的最佳测定位置为苗期顶一叶的叶尖、伸蔓期顶三叶的叶中、膨果期功能叶叶中。

2.3 西瓜关键生育时期适宜 SPAD 阈值范围的确定

对 2020 年西瓜苗期顶一叶叶尖、伸蔓期顶三叶叶中、膨果期功能叶叶中的 SPAD 值与果实产量、可溶性固形物含量的相关分析表明（图1、 2），在不同生育时期相应 SPAD 值与果实产量、可溶性固形物含量均呈二次曲线关系。依据曲线方程可求得西瓜产量超过 60000 kg/hm² 的 SPAD 阈值范围为苗期 49.1～51.0、伸蔓期 60.3～64.1、膨果期 64.8～67.5；西瓜果实可溶性固形物含量超过 11.5% 的 SPAD 阈值范围为苗期 49.0～50.5、伸蔓期 59.8～63.6、膨果期 64.0～66.5。综合分析得出，西瓜产量超过 60000 kg/hm²、可溶性固形物含量超过 11.5% 的 SPAD 阈值范围为苗期 49.1～50.5、伸蔓期 60.3～63.6、膨果期 64.8～66.5。

根据 2020 年滴灌西瓜关键生育时期的叶片SPAD 值与施氮量的线性关系（图3），可以计算出各生育期 SPAD 值每变动 1 个单位的氮肥施用量为苗期 30.96 kg/hm²、伸蔓期 31.95 kg/hm²、膨果期 50.51 kg/hm²。

2.4 基于 SPAD 仪的西瓜 RTNM 模式生产性验证

2021 年，依据 RTNM 模式开展了基于 SPAD 值进行膜下滴灌西瓜氮素营养诊断与推荐施肥的田间验证试验。从两种施肥模式下西瓜全生育期的氮肥施用总量来看（图4），RTNM 施肥方式较传统施肥在氮肥用量减少 15.29% 的情况下，西瓜产量、品质、植株和果实氮素吸收量虽然差异不显著，但均有所提高，而由于施肥量的减少导致西瓜氮肥利用率显著增加，RTNM 施肥方式较传统施肥显著提高了 30.53%（表5）。由此可见，RTNM 施肥方式在化肥减施增效方面具有重要作用。

3 讨论

SPAD 氮素营养诊断是利用植物体内叶绿素含量与氮素营养的密切相关关系来进行诊断的，这几乎在所有相关研究中均得到了证实。在 22 种植物叶片^[21]和 6 个玉米杂交种^[22]上采集的大量 SPAD 数据分析发现 SPAD 值与叶绿素浓度存在显著的线性相关关系，在小麦^[23-24]、玉米^[25-26]、水稻^[27]、果树^[28]及其他作物^[29-30]上的研究表明植物叶片 SPAD 值与全氮含量呈正相关性。另外，在棉花^[31]、黄瓜^[32-33]和甜瓜^[34]上还表现出随施氮水平的提高，作物不同时期叶片 SPAD 值、全氮及叶绿素含量均逐渐增加。本文研究结果也表明，西瓜苗期顶一叶的叶尖，伸蔓期顶三叶的叶中和叶基，膨果期顶一叶叶尖和叶中、顶二叶的叶中、顶三叶和功能叶所有部位的 SPAD 值都与全氮和叶绿素含量呈显著相关性，且西瓜伸蔓期和膨果期的叶片 SPAD 值、叶绿素和全氮含量均表现出随施氮量增加而增加的变化趋势。同样也可以看出，在不同生育时期由于测定叶位及位点的不同而存在的时空差异，这反映了作物体内氮和叶绿素的分配与运转情况，而筛选出最能代表植株营养状况的测试叶位和位点是精准诊断的前提，对快速、准确判断作物氮素营养状况及确定氮肥施用意义重大^[14，35-36]。前人在瓜类水果上的研究表明，甜瓜各生育期顶三叶 SPAD 值变异系数最低，且与植株含氮量相关性最高，可作为甜瓜氮素营养诊断的指示叶^[34]；洪娟等^[18]指出西瓜苗期上部叶和伸蔓期下部叶 SPAD 值与叶片含氮量相关性显著，可以作为氮营养诊断的敏感叶位；而管鹏鹏等^[17]认为西瓜中部叶位的 SPAD 值变化比较平稳且变异系数较小，可作为氮素营养诊断的参照叶。以上研究均未涉及到相应位点的影响。本文通过西瓜关键生育时期不同叶位、位点 SPAD 值与全氮、叶绿素含量的相关性分析及变异系数的比较，提出苗期顶一叶的叶尖、伸蔓期顶三叶的叶中、膨果期功能叶的叶中为西瓜氮素营养诊断的适宜测定部位。以上研究结果的差异主要与品种、土壤质地、测定叶位及位点、生态环境等因素的影响有关^[37]，罗新宁等^[31]认为同一作物不同品种间 SPAD 值相差很大，甚至超过了不同施氮水平的差异；土壤质地会影响氮素的运移和有效性，进而影响作物对氮素的吸收，姜瑛等^[38]研究表明 2 个冬小麦品种同一时期同一施氮水平相同叶位叶片的 SPAD 值在壤质潮土上均大于砂质潮土； 叶位是作物研究中最容易精准定位的目标之一，由于氮素在作物体内的移动性很大，其在叶片间由下而上移动，并总是优先供应新生叶片，因此科学家们测定不同叶位 SPAD 值主要集中在顶部四片叶^[39]。另外，叶片的观测位点对 SPAD 值的稳定性及其与氮含量的相关性至关重要，多数研究表明，叶片中部位置的 SPAD 值与叶绿素含量、叶片含氮量和植株全氮含量之间的相关性最好^{[8，26，36，40-43]}，满足氮素营养快速诊断的要求。

确定合适的 SPAD 预设值范围是解决利用 SPAD 仪指导作物精准氮肥管理的另一个关键问题^[14]。以往研究确定出油菜六叶期、蕾薹期、初花期和盛花期最高产量下的最适 SPAD 值分别为 44.8、57.7、64.7 和 59.6^[42]；籼稻分蘖盛期和幼穗分化期的标准 SPAD 值分别为 43.4 和 44.3，粳稻分别为 45.5 和 46.7^[16]；烤烟团棵期和旺长期氮素营养诊断的最适 SPAD 值范围为 37.11～46.06^[44]；新春 35 号小麦在拔节期、孕穗期、抽穗扬花期、乳熟期利用 SPAD 值进行氮素营养诊断的临界值分别为 42.4、39.4、41.8、54.1^[45]； 大白菜莲座期和结球期，叶片 SPAD 临界值分别为 38.57 和 40.36^[11]。本研究通过西瓜不同生育期所选定的诊断叶片 SPAD 值与果实产量、品质指标的相关回归分析得出，西瓜高产优质的 SPAD 值范围为苗期 49.1～50.5、伸蔓期 60.3～63.6、膨果期 64.8～66.5。由此可见，不同作物和不同品种之间 SPAD 阈值都不尽相同，但总体趋势表现出随着生育期的推移，SPAD 阈值逐渐增大，这主要与作物的氮素吸收积累规律有关。

氮素营养无损诊断的核心是建立推荐追肥体系，并以此进行氮肥推荐^[46]，因此，利用叶绿素计对作物氮含量的估算或者诊断是第一步，如何根据 SPAD 值对氮含量的估算和诊断进行氮肥精准管理是研究的最终目的。已有研究证实水稻产量与关键生育期的叶片 SPAD 值存在显著相关关系^[47-48]；棉叶 SPAD 值与氮肥施用量之间的关系可以用线性方程拟合，与产量可用二次曲线拟合，以此可以建立 SPAD 诊断氮素推荐模型^[31]；小麦关键生育时期的 SPAD 值与施氮水平呈极显著的线性相关关系，与产量呈极显著的二次曲线相关关系，采用 SPAD 推荐施肥与传统施肥相比，可以在保证小麦产量的前提下，肥料利用率提高 4.2 个百分点，肥料用量降低 N 18 kg/hm^2[45]；烟草 SPAD 推荐施肥与农民习惯施肥模式相比较，氮肥减施 34.45%，氮肥农学利用率和吸收利用率分别提高 53.0% 和 46.5%，产值提高了 7.4%^[49]。本文研究结果也表明，西瓜关键生育期所筛选的特定叶位及位点的 SPAD 值与施氮量呈显著线性相关性，而与果实产量和品质呈二次曲线关系，采用 SPAD 仪进行氮素诊断与推荐施肥较传统施肥在西瓜产量、品质不受影响的情况下，氮肥减施 15.29%，氮肥利用率显著提高了 30.53%。由此可见，基于 SPAD 值的作物氮素营养诊断与推荐施肥模式可以根据作物生长发育阶段的植株对氮素营养的需求，实时适量地供给植株养分，最大限度地发挥氮肥对作物的生长调控作用，从而减少田间氮肥施用的盲目性，有效提高氮肥的利用效率。

4 结论

西瓜氮素营养诊断较为理想的指示叶为苗期顶一叶叶尖、伸蔓期顶三叶叶中、膨果期功能叶叶中，其对应的 SPAD 阈值范围分别为 49.1～50.5、 60.3～63.6、64.8～66.5。生产性示范验证表明，与当地传统施肥模式相比较，利用 SPAD 仪诊断推荐施肥模式西瓜产量有所增加，品质也得到了改善，氮肥减施 15.29%，氮肥利用率显著提高了 30.53%。本研究结果对于西瓜生产利用 SPAD 仪建立田间氮素营养实时诊断技术，开发西瓜精准氮素养分管理模式具有重要的理论参考价值。

参考文献