岳松華 劉春雨 黃玉芳 葉優(yōu)良河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450002

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豫中地區(qū)冬小麥臨界氮稀釋曲線與氮營養(yǎng)指數(shù)模型的建立

岳松華 劉春雨 黃玉芳 葉優(yōu)良*
河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450002

摘 要：為了驗證小麥臨界氮稀釋曲線在豫中地區(qū)的適用性，選擇大穗型品種周麥16和多穗型品種豫麥49-198進行了連續(xù)3年（2011年10月至2014年6月）的田間定位試驗，設(shè)置5個氮水平（純氮0、120、180、240、360 kg hm-2），分別構(gòu)建了小麥地上部生物量臨界氮濃度稀釋曲線模型和氮營養(yǎng)指數(shù)模型。結(jié)果表明，地上部生物量隨著施氮量增加顯著提高，而后趨于平緩；小麥臨界氮濃度與地上部生物量符合冪函數(shù)關(guān)系，其 R2分別為 0.8203 （豫麥49-198，P＜0.01）和0.7981 （周麥16，P＜0.01），且模型在年度間具有較好的穩(wěn)定性。根據(jù)模型得到的氮營養(yǎng)指數(shù)可以較好地評價小麥植株氮營養(yǎng)狀況，且小麥氮營養(yǎng)指數(shù)和相對莖基部硝酸鹽之間具有顯著的線性相關(guān)。說明本文所構(gòu)建的小麥臨界氮濃度稀釋模型適用于本地區(qū)，且可以用來估測小麥植株氮素盈虧水平。

關(guān)鍵詞：小麥；臨界氮稀釋曲線；氮營養(yǎng)指數(shù)；莖基部硝酸鹽

本研究由國家自然科學(xué)基金項目（31471935）和國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201103003）資助。

This study was supported by the National Natural Science foundation of China （31471935） and the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest （201103003）

第一作者聯(lián)系方式∶ E-mail∶ 1069342241@qq.com

URL∶ http∶//www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160321.1056.008.html

小麥是我國三大糧食作物之一，河南省是我國的主要糧食生產(chǎn)基地，其中豫中地區(qū)的小麥種植面積和產(chǎn)量分別占全省的 37%和45%，是河南省小麥的主產(chǎn)區(qū)［1］。氮是小麥生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，近年來，生產(chǎn)上盲目施肥、過度施氮，導(dǎo)致氮肥利用效率低下，不僅沒有達到預(yù)期增產(chǎn)目標，而且造成環(huán)境污染、生產(chǎn)成本提高等問題［2-3］。研究表明，適量氮肥供應(yīng)能夠調(diào)控小麥生長發(fā)育，改善其光合性能，從而提高小麥產(chǎn)量和品質(zhì)［4］。

明確小麥植株各個生育時期的臨界氮濃度是合理施用氮肥的基礎(chǔ)，臨界氮濃度指作物獲得最大生物量增長所需要的最低氮濃度，即作物獲得最大生物量增長所需要的最少氮素營養(yǎng)［5-6］。Greenwood等［7］的研究表明，作物地上部含氮量（N）與地上部總生物量（W）之間呈冪函數(shù)（N = aW-b）關(guān)系，并提出了C3、C4作物的臨界氮濃度與地上干物質(zhì)間的通用模型，即N = 5.17W-0.5（C3作物）和N = 4.11W-0.5（C4作物）；Lemaire等［8］利用多個試驗結(jié)果的平均值，將上述模型修正為 N = 4.8DM-0.34（C3作物）和N = 3.6DM-0.34（C4作物），式中DM為地上部生物量。但由于供試作物有限，上述模型仍無法代表所有 C3、C4作物，隨后在玉米［5］、棉花［9］、水稻［10］、番茄［11］等作物上分別進行了參數(shù)調(diào)試，并建立了相應(yīng)的模型。在小麥上，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同試驗、不同品種對小麥地上部含氮量與地上部總生物量之間的關(guān)系也進行了大量的研究，并先后構(gòu)建了小麥臨界氮濃度與地上部生物量之間的關(guān)系模型［12-14］，為小麥氮素營養(yǎng)診斷和精確施肥管理提供了理論基礎(chǔ)。

基于臨界氮濃度，氮營養(yǎng)指數(shù)（nitrogen nutrition index）被定義為實際氮濃度與臨界氮濃度的比值，可以作為評價氮營養(yǎng)狀況的一個可靠指標［15-16］。然而，臨界氮濃度與地上部干物重的冪函數(shù)曲線模型的參數(shù)可能因試驗地區(qū)或作物的不同而出現(xiàn)差異［7，12，17］，因此，對于特定作物來說，研究其地區(qū)適應(yīng)性及不同品種之間的差異顯得十分必要。

本研究選擇兩種類型的小麥主栽品種，通過 3年定位試驗，以探討利用小麥臨界氮濃度稀釋曲線來估測小麥植株氮素盈虧水平和診斷小麥氮素營養(yǎng)的可行性，為小麥氮肥精確管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

河南省禹州市順店鎮(zhèn)康城村（34°27′ N，113°34′E）屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)季候，土壤類型為潮土，質(zhì)地黏壤，播前耕層土壤（0～20 cm） pH值為8.2，含全氮1.04 g kg-1、有機質(zhì)20.5 g kg-1、速效鉀142 mg kg-1、速效磷20 mg kg-1；0～30 cm土層中無機氮（Nmin）為58 kg hm-2，耕層土壤容重為1.45 g cm-3。

1.2 試驗設(shè)計

2011年10月至2014年6月連續(xù)3個小麥生長季，選用多穗型品種豫麥49-198和大穗型品種周麥16，設(shè)5個施氮（尿素，含純氮46%）水平，純氮量分別為0 （N0）、120 （N120）、180 （N180）、240 （N240）和360 kg hm-2（N360），1/2在播前施入，1/2在拔節(jié)期追施；播前隨氮肥同時施入P2O5和K2O各90 kg hm-2，其中磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）。小區(qū)長8 m，寬6 m，重復(fù)3次，隨機區(qū)組排列。兩個小麥品種的播量均為150 kg hm-2。

于同一地塊定位試驗，種植模式為小麥-玉米一年二熟制。2011—2012年度于 2011年 10月 17日播種，10月26日出苗，2012年6月5日收獲；2012 —2013年度于2012年10月12日播種，10月19日出苗，2013年6月5日收獲；2013—2014年度于2013 年10月13日播種，10月22日出苗，2014年6月1日收獲。為保證不同氮水平對土壤造成的差異一致，玉米季氮、磷、鉀肥總用量與小麥季相同，即也設(shè)同樣5個氮水平，但1/3氮肥在播前施入，2/3在大喇叭口期追施，而磷、鉀肥全部在播種前一次性施入。

1.3 地上部生物量和植株氮含量的測定

在小麥播后68 d （越冬期）、132～137 d （返青期）、156～165 d （拔節(jié)期）、196～198 d （開花期）、232～236 d（成熟期），取每小區(qū)1 m雙行植株樣，105℃殺青，75℃烘干后稱取重量。

從上述各生育期所取植株樣品中選擇代表性的10株（開花期和成熟期為10個單莖），105℃殺青，75℃烘干后粉碎，充分混勻，用凱氏定氮法測定小麥整株的全氮含量，利用反射儀（RQ-flex）以比色法直接測定植株莖基部的硝酸鹽含量［18］。

1.4 小麥臨界氮濃度稀釋曲線

綜合 Justes等［12］和薛曉萍等［9］提出的臨界氮濃度稀釋曲線的計算方法，主要包括4個步驟∶ （1）對比分析不同氮素水平試驗下每次取樣的地上部干物質(zhì)重及相應(yīng)的植株氮濃度值，用方差分析對作物生長受氮素營養(yǎng)限制與否的施氮水平進行分類；（2）對施氮量不能滿足作物最大生長需求的試驗資料，其地上干物質(zhì)與氮濃度值的關(guān)系以線性曲線擬合；（3）對作物生長不受氮素影響的施氮水平，用其地上部干物質(zhì)的平均值代表最大干物質(zhì)；（4）每個取樣日的理論臨界氮濃度由上述線性曲線與橫坐標上最大干物質(zhì)垂線的相交點的縱坐標決定。小麥臨界氮濃度稀釋曲線通用模型為Nc= aDM-b，式中，Nc為地上部臨界氮濃度值（%），DM 為地上最大干物質(zhì)積累量（t hm-2），a和b為參數(shù)，a為地上部干物質(zhì)為1 Mg hm-2時的氮濃度，b為控制該曲線斜率的統(tǒng)計參數(shù)。

1.5 模型的檢驗

采用回歸估計標準誤差（RMSE）分析模擬值和真實值之間的符合度，RMSE值越小，模擬值與真實值的一致性越好，偏差越小，即模型的預(yù)測精度越高；同時，用模擬值與真實值之間1∶1直方圖來直觀顯示模型的擬合度和可靠性［19］。

式中Pi為實測值，Oi為對應(yīng)的模擬值，N為樣本量。

本文用2011—2012和2012—2013年度數(shù)據(jù)分別曲線擬合建立模型，將2013—2014年度試驗數(shù)據(jù)帶入所建模型中，計算出2013—2014年度各個取樣日的臨界氮濃度值，為模擬值；根據(jù)臨界氮濃度稀釋曲線的計算方法，計算2013—2014年度各個取樣日的實際臨界氮濃度值，為真實值，利用公式對模型進行檢驗。

1.6 小麥氮營養(yǎng)指數(shù)

為了更精確地反映小麥植株含氮量是否適宜，氮營養(yǎng)指數(shù)模型被用來定量評估小麥體內(nèi)的氮素狀況［20］。NNI = Na/Nc，式中NNI為氮營養(yǎng)指數(shù)，Na為小麥地上部氮濃度的實測值，Nc為根據(jù)臨界氮濃度稀釋模型求得的臨界氮濃度值。NNI = 1表明小麥體內(nèi)氮素營養(yǎng)水平處于最佳狀態(tài)，NNI ＞ 1表明氮營養(yǎng)過剩，NNI ＜ 1表明氮營養(yǎng)不足［21］。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS20.0處理試驗數(shù)據(jù)，用 Duncan's法進行處理間多重比較；采用OriginPro 8.1繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對小麥地上部生物量累積的影響

3年試驗結(jié)果表明，地上部生物量均隨著施氮量的增加而增加，N180、N240和N360處理間差異不顯著，但都顯著高于 N0和 N120處理（表 1）。根據(jù)前人報道的臨界氮濃度稀釋曲線模型計算方法［9，12］，分別對比分析豫麥49-198和周麥16的地上部生物量，均滿足統(tǒng)計意義上的不等式DM0＜ DM120＜ DM180= DM240= DM360。

2.2 小麥植株臨界氮濃度稀釋曲線模型的建立

以2011—2012和2012—2013年度數(shù)據(jù)擬合模型，發(fā)現(xiàn)隨地上部生物量的增長，小麥臨界氮濃度（Nc）呈逐漸下降的趨勢，兩品種的模型結(jié)構(gòu)相同，但臨界氮稀釋曲線斜率有明顯差異，因此分別對兩品種進行臨界氮濃度稀釋曲線擬合，方程的決定系數(shù)分別為0.8203和0.7981，均達極顯著水平（圖1）。說明這 2個方程可以用來表征小麥植株氮含量與地上部生物量的關(guān)系。

兩個小麥品種臨界氮濃度模型（Nc= aDM-b）中的參數(shù)b有一定的差異，但變化范圍較小；而參數(shù)a的變化范圍較大，在3.756～4.103之間，說明在相同干物質(zhì)情況下，豫麥49-198的臨界氮濃度值高于周麥16。

2.3 臨界氮濃度稀釋曲線模型的驗證

利用 2013—2014年度數(shù)據(jù)對上述模型驗證可以看出，兩品種的 5個取樣期的臨界氮濃度模擬值與真實值的誤差分別為-0.32%～0.64%和-0.21%～0.60%，按公式（1）求得兩品種臨界氮濃度的 RMSE值分別為0.38和0.35 （表2）。由圖2可知，模擬值與真實值之間擬合度達到極顯著水平，二者之間基本符合y = x的1∶1線性關(guān)系，說明模擬值與真實值之間具有較高的吻合度，模擬精度較高。由此可見，臨界氮濃度稀釋曲線模擬模型在年度間具有較好的穩(wěn)定性，可作為氮營養(yǎng)診斷曲線。

2.4 小麥植株地上部氮素營養(yǎng)指數(shù)模擬模型的建立

為了驗證本文建立的小麥臨界氮稀釋曲線的合理性，進一步建立了小麥植株地上部氮素營養(yǎng)指數(shù)模擬模型。兩品種的氮營養(yǎng)指數(shù)隨著施氮量的增加而上升，隨小麥生育時期的推進呈波動狀態(tài)，且 3年變化趨勢基本一致（圖3）。N0處理由于沒有施用氮肥，小麥氮營養(yǎng)指數(shù)從返青期到成熟期逐漸下降；而其他處理的氮素營養(yǎng)指數(shù)在拔節(jié)期有明顯的下降趨勢，表明拔節(jié)期對氮素需求量比較大，追施氮肥后，氮素營養(yǎng)指數(shù)明顯升高。在小麥整個生育時期，N0、N120處理的氮素營養(yǎng)指數(shù)均低于 1，表明植株受氮素的制約；N240、N360處理的氮素營養(yǎng)指數(shù)均大于 1，表明氮素供應(yīng)充足；而 N180處理的氮素營養(yǎng)指數(shù)一直在1附近波動，表明施氮量適宜。由此可見，氮營養(yǎng)指數(shù)是一個較好的小麥植株氮營養(yǎng)狀況診斷指標。

2.5 氮營養(yǎng)指數(shù)與植株相對莖基部硝酸鹽之間的關(guān)系

小麥植株莖基部硝酸鹽含量與植株全氮有密切的關(guān)系，當(dāng)作物輕微缺氮時，植株全氮還未發(fā)生變化，而植株莖基部硝酸鹽已發(fā)生明顯的變化，當(dāng)供氮超過作物需求時，莖基部硝酸鹽也會比全氮有大幅度的提高，通過莖基部硝酸鹽能夠更快、更易判斷冬小麥氮素營養(yǎng)狀況［25］。為了驗證本文所求氮營養(yǎng)指數(shù)在評價植株氮素營養(yǎng)上的準確性，分別分析了2個小麥品種氮營養(yǎng)指數(shù)與相對莖基部硝酸鹽之間的關(guān)系。圖4和圖5顯示，兩品種的相對莖基部硝酸鹽均隨著氮素營養(yǎng)指數(shù)的增加而增加，并呈線性關(guān)系，除豫麥49-198越冬期相對莖基部硝酸鹽與氮素營養(yǎng)指數(shù)方程的決定系數(shù)較小、擬合度不顯著外，其他均達到極顯著水平。可見，氮營養(yǎng)指數(shù)與相對莖基部硝酸鹽之間關(guān)系密切，利用氮營養(yǎng)指數(shù)來評價小麥植株氮素營養(yǎng)狀況的方法是準確的。

表1 不同施氮量對小麥地上部生物量累積的影響Table 1 Effect of nitrogen application rate on shoot biomass accumulation in wheat （t hm-2）

圖1 小麥地上部生物量臨界氮濃度稀釋曲線Fig. 1 Critical nitrogen concentration dilution curve in shoot biomass of wheat

表2 小麥臨界氮濃度（CNC）模擬值與真實值Table 2 Simulated and observed critical nitrogen concentrations （CNC） of wheat

圖2 小麥臨界氮濃度模擬值與真實值的關(guān)系Fig. 2 Relationship between simulated and observed critical nitrogen concentrations of wheat

圖3 不同氮肥處理對小麥不同生育時期植株氮營養(yǎng)指數(shù)（NNI）的影響Fig. 3 Effects of different nutrition fertilizer treatments on nitrogen nutrition index （NNI） in different growth stages of wheat

3 討論

為解決目前小麥生產(chǎn)上過量施氮的普遍問題，亟需加強作物的氮素營養(yǎng)診斷研究，建立快速有效的技術(shù)方法，而明確小麥主要生育階段的臨界氮濃度是科學(xué)診斷植株氮營養(yǎng)狀況，指導(dǎo)合理施氮的基礎(chǔ)［22］。研究表明，作物在生長過程中體內(nèi)氮濃度與其生物量的關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系，但作物種類和品種、種植環(huán)境等均影響模型參數(shù)，因此國內(nèi)外眾多學(xué)者先后建立和修正了多個臨界氮濃度稀釋模型。如 Justes等［12］構(gòu)建的高蛋白小麥 Nc模型（Nc= 5.35DM-0.44），薛曉萍等［9］在安陽和南京構(gòu)建的 2個棉花Nc模型（Nc= 3.387DM-0.131和Nc= 2.858DM-0.131），梁效貴等［5］構(gòu)建的華北夏玉米 Nc模型（Nc= 34.914DM-0.4134），Colnenne等［23］建立的油菜Nc模型（Nc= 4.48DM-0.25），Tei等［24］構(gòu)建的馬鈴薯Nc模型（Nc= 3.90DM-0.27），這些研究所得到的模型形式與 Greenwood等提出的模型一致，但參數(shù)不同。在小麥上，與 Justes等［12］的模型相比，Yue等［13］建立的中國華北平原小麥Nc模型（Nc= 4.15DM-0.38）和趙犇等［14］利用揚麥16和寧麥13構(gòu)建的模型（Nc= 4.65DM-0.44和 Nc= 4.33DM-0.45），其參數(shù)相差較大；而本研究針對豫麥49-198和周麥16擬合的兩個方程（Nc= 4.103DM-0.435和Nc= 3.756DM-0.388）與Yue等［13］和趙犇等［14］的模型參數(shù)差異相對較小。

圖4 豫麥49-198氮營養(yǎng)指數(shù)（NNI）與相對莖基部硝酸鹽的關(guān)系Fig. 4 Relationship between nitrogen nutrition index （NNI） and nitrate concentration in stem base of Yumai 49-198

圖5 周麥16氮營養(yǎng)指數(shù)（NNI）與相對莖基部硝酸鹽的關(guān)系Fig. 5 Relationship between nitrogen nutrition index （NNI） and nitrate concentration in stem base of Zhoumai 16

本研究利用 3年5個氮水平的數(shù)據(jù)，構(gòu)建豫中地區(qū)兩個主要小麥品種臨界氮濃度稀釋模型，通過回歸估計標準誤差及模擬值與真實值之間 1︰1的直方圖驗證可知，這兩個方程在不同年度間具有較好的穩(wěn)定性，可以作為豫中地區(qū)小麥氮營養(yǎng)診斷曲線。這兩個方程的參數(shù)a差異較大，也與Justes等［12］模型中的參數(shù) a有很大差異，其主要原因可能是品種因素。本研究所采用的兩個小麥品種，代表了生產(chǎn)中多穗型和大穗型兩個類型的小麥品種，是我們前期從常用10個品種對比試驗中篩選出來的。不同類型小麥品種對氮素營養(yǎng)的反應(yīng)不同［18，25-26］，多穗型豫麥49-198的植株吸氮能力大于周麥16。據(jù)報道，臨界氮稀釋曲線的斜率（參數(shù)b）受氣候、土壤、密度等環(huán)境條件的影響較小［9，14］，而本文所構(gòu)建的2個方程其參數(shù) b有明顯差異，否是與這 2個品種的籽粒蛋白質(zhì)含量差異有關(guān)，還需進一步研究。

Lemaire等［16］基于作物臨界氮濃度稀釋模型提出氮營養(yǎng)指數(shù)的概念，可定量動態(tài)描述作物的氮營養(yǎng)狀況。趙犇等［14］研究表明，小麥氮營養(yǎng)指數(shù)在0.37～1.28之間，并隨施氮量的增加而升高。在本研究中，2011—2012和 2012—2013年度該指標介于0.48～1.33之間，而2013—2014年度則在0.51～1.69之間，特別是小麥開花到成熟期間，氮營養(yǎng)指數(shù)遠遠高于前兩年數(shù)據(jù)，這可能與2013—2014年度氣溫較常年偏高，降水量大幅減少有關(guān)。目前還沒有關(guān)于氣溫、降水量等氣象因素對氮營養(yǎng)指數(shù)影響的報道，本課題組擬對此系統(tǒng)研究。

本研究表明，氮營養(yǎng)指數(shù)在拔節(jié)期迅速降低，說明此時植株對氮需求量較大，導(dǎo)致氮吸收不足和氮濃度降低；N180處理的氮營養(yǎng)指數(shù)在 1附近波動，反映了小麥的適宜施氮量是180 kg hm-2，這與本課題組多年多點的研究結(jié)果一致［18，25-26］。由此也看出，用氮營養(yǎng)指數(shù)來評價植株氮營養(yǎng)狀況的方法是可靠的，可以用來診斷調(diào)控小麥氮素營養(yǎng)。小麥植株莖基部硝酸鹽含量與植株全氮關(guān)系密切，利用莖基部硝酸鹽含量能夠更快、更方便地判斷小麥氮素營養(yǎng)狀況［27］。本研究發(fā)現(xiàn)，氮營養(yǎng)指數(shù)與小麥相對莖基部硝酸鹽顯著相關(guān)，因此認為氮營養(yǎng)指數(shù)模型可以用來評價小麥植株氮素盈虧水平，建議采用小麥臨界氮濃度稀釋曲線診斷小麥氮營養(yǎng)。

4 結(jié)論

建立了兩種穗型小麥品種的地上部臨界氮濃度稀釋曲線模型，該模型具有較好的穩(wěn)定性，可以說明豫中地區(qū)植株地上部生物量和氮濃度之間的關(guān)系。進一步利用臨界氮濃度建立了小麥植株地上部氮素營養(yǎng)指數(shù)的模擬模型，可以較好地評價小麥植株氮營養(yǎng)狀況。根據(jù)本研究建立的氮素營養(yǎng)指數(shù)模型，推薦豫中地區(qū)冬小麥最佳施氮量為180 kg hm-2，在該施氮水平可獲得最高產(chǎn)量。

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Simulating Critical Nitrogen Dilution Curve and Modeling Nitrogen Nutrition Index in Winter Wheat in Central Henan Area

YUE Song-Hua，LIU Chun-Yu，HUANG Yu-Fang，and YE You-Liang*
College of Resources and Environment，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China

Abstract：To test the applicability of critical nitrogen dilution curve for estimating nitrogen （N） nutrient status of winter wheat in central Henan area，we carried out a site-fixed experiment from October 2011 to June 2014 using the large-spike variety Zhoumai 16 and the multi-spike variety Yumai 49-198. Five N application levels，namely pure N 0，120，180，240，and 360 kg ha-1，were designed to build the critical N concentration dilution curve of shoot biomass and N nutrition index model. The aboveground biomass increased obviously with rising N level and then tended to a mild level. The relationship between critical N concentration and shoot biomass of wheat fit the power function with R2of 0.8203 for Yumai 49-198 and 0.7981 for Zhoumai 16 （P ＜ 0.01）. These models showed good stability across years. The N nutrition index estimated by the model could be used for evaluating the N nutrition situation of wheat plants，and a significant linear correlation was observed between the N nutrition index and the nitrate concentration in wheat stem base. These results indicate that the critical N concentration dilution model is applicable in diagnosing N nutrient status of wheat plants in central Henan area.

Keywords：Wheat；Critical nitrogen dilution；Nitrogen nutrition index；Stem sap nitrate

DOI：10.3724/SP.J.1006.2016.00909

*通訊作者（

Corresponding author）∶ 葉優(yōu)良，E-mail∶ ylye2004@163.com，Tel∶ 0371-63558290

收稿日期Received（）∶ 2015-09-06；Accepted（接受日期）∶ 2016-03-14；Published online（網(wǎng)絡(luò)出版日期）∶ 2016-03-21.