李佳帥，楊再?gòu)?qiáng),2**，李永秀,2，江夢(mèng)圓，趙和麗，韋婷婷，張旭然

不同水分條件下葡萄臨界氮稀釋曲線模型的建立及氮素營(yíng)養(yǎng)診斷*

李佳帥1，楊再?gòu)?qiáng)1,2**，李永秀1,2，江夢(mèng)圓1，趙和麗1，韋婷婷1，張旭然1

（1．南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；2．江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044)

以1a生葡萄植株“紅提”為試材，在Venlo型試驗(yàn)溫室內(nèi)進(jìn)行土壤水分和施氮量雙因素區(qū)組試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)灌水水平，分別為正常灌溉量W1（田間最大持水量的70%～80%）、輕度水分脅迫W2（60%～70%）、中度水分脅迫W3（50%～60%）和重度水分脅迫W4（30%～40%）；設(shè)置4個(gè)施氮水平，分別為1.5倍推薦施氮量（N1，25.5g×plant?1）、正常推薦施氮量（N2，17g×plant?1）、0.5倍推薦施氮量（N3，8.5g×plant?1）和不施用氮肥（N4，0g×plant?1）。每10d觀測(cè)一次植株體內(nèi)氮濃度和植株地上部生物量，利用不同水分條件下葡萄植株在一定生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)所獲最大生物量時(shí)對(duì)應(yīng)的最小氮濃度值即臨界氮濃度（Nc）構(gòu)建葡萄臨界氮濃度稀釋曲線模型，并在此基礎(chǔ)上建立氮素吸收模型（Nupt）和氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型（NNI），對(duì)不同水分條件下葡萄氮營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行定量診斷。結(jié)果表明：設(shè)施葡萄植株臨界氮濃度與地上部生物量存在冪函數(shù)關(guān)系，隨著灌水量的增加，葡萄植株臨界氮濃度值增大，氮素吸收量及地上部生物量也呈增加趨勢(shì)；在W1、W2水分條件下，葡萄植株生物量隨施氮量增加而增加，而W3和W4處理葡萄生物量隨施氮量增加呈先增后降的趨勢(shì)；在相同水分條件下，氮濃度隨施氮量增加而增加，隨葡萄生長(zhǎng)進(jìn)程而降低；利用Nupt和NNI模型可對(duì)植株體內(nèi)氮營(yíng)養(yǎng)元素虧缺與否進(jìn)行有效診斷。

葡萄；臨界氮濃度；氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)；氮素吸收；干物質(zhì)積累

葡萄（）屬多年生落葉藤本植物，在全世界果品生產(chǎn)中，其總產(chǎn)量及栽培面積均居首位。設(shè)施葡萄栽培尤以其經(jīng)濟(jì)效益高，發(fā)展前景廣闊，隨著市場(chǎng)需求逐漸加大，其栽培面積也逐漸增加。截至2014年，中國(guó)設(shè)施葡萄栽培面積達(dá)13.3萬(wàn)hm2，居世界第一[1]。江蘇省葡萄種植面積近4萬(wàn)hm2，以鮮食葡萄為主[2]。目前，施用過(guò)量氮肥以獲取更高產(chǎn)量的做法不僅浪費(fèi)資源、增加成本，還會(huì)造成對(duì)土壤環(huán)境的破壞，給持續(xù)生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此，判斷氮肥施用量是否合理尤為重要，診斷作物體內(nèi)氮素盈虧狀況的基本方法之一，是確定作物的臨界氮濃度值[3]，臨界氮濃度為在一定生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)獲得最大生物量時(shí)的最小氮濃度[4]，其對(duì)實(shí)時(shí)了解作物氮營(yíng)養(yǎng)狀況，提高作物品質(zhì)及產(chǎn)量，避免肥料浪費(fèi)具有重要意義。

目前，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)部分作物的氮素營(yíng)養(yǎng)做出了合理診斷。Lemaire等[5]于1984年首次提出牧草的臨界氮濃度稀釋曲線模型，表明牧草在不受氮素限制時(shí)，地上部干物質(zhì)量與氮濃度存在冪函數(shù)關(guān)系，土壤含氮量成為作物干物質(zhì)量累積的主要限制因素之一。隨后Justes等[6]在1994年建立了冬小麥臨界氮濃度稀釋曲線模型Nc=5.35×DM?0.442，Sheehy等[7]對(duì)熱帶水稻的研究結(jié)果為Nc=5.35×DMM?0.5，隨后該模型在冬油菜[8]、玉米[9]、向日葵[10]、番茄[11]、包心菜[12]、馬鈴薯[13]、高粱[14]、甜椒[15]等作物上均有應(yīng)用。這些研究所得到的模型形式一致，但參數(shù)大多不同。國(guó)內(nèi)也有許多學(xué)者對(duì)作物臨界氮濃度稀釋曲線進(jìn)行研究，薛曉萍等[16]構(gòu)建了不同地區(qū)棉花的臨界、最低和最高氮濃度稀釋曲線模型，并得出該作物的最佳施氮量；梁效貴等[17?18]構(gòu)建了不同地區(qū)夏玉米的臨界氮稀釋曲線模型并在此基礎(chǔ)上建立了氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型，氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)可準(zhǔn)確診斷作物體內(nèi)氮素狀況。向友珍等[19]對(duì)甜椒的研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤水分提高，植株的氮素吸收量和地上部干物質(zhì)量呈先增大后減少的變化趨勢(shì)，各水分條件下最佳施氮量均介于150～225kg·hm?2。楊慧等[20]構(gòu)建了番茄植株的臨界和邊界氮濃度稀釋曲線模型，并發(fā)現(xiàn)在相同灌溉水平下，植株氮濃度隨施氮量增加而增加，隨生長(zhǎng)進(jìn)程而降低，隨土壤水分增加植株體內(nèi)氮濃度整體提高。

前人研究表明，臨界氮濃度稀釋曲線模型、氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型和氮素吸收模型可診斷植株氮營(yíng)養(yǎng)狀況，明確植株需氮量。植株體內(nèi)氮濃度受水分供應(yīng)影響，適宜水分會(huì)促進(jìn)干物質(zhì)累積，當(dāng)?shù)?yīng)不足時(shí)，會(huì)稀釋植株體內(nèi)氮濃度。而前人在構(gòu)建臨界氮濃度稀釋曲線模型時(shí)僅考慮氮素因素，關(guān)于水分氮素雙因素對(duì)該模型的影響鮮有報(bào)道。因此，本研究擬通過(guò)水氮耦合的全面試驗(yàn)，建立設(shè)施葡萄植株臨界氮濃度稀釋曲線模型、氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型和氮素吸收模型，并檢驗(yàn)其可靠性，探究利用此模型來(lái)指導(dǎo)設(shè)施葡萄氮素營(yíng)養(yǎng)診斷，以期為設(shè)施葡萄的氮素合理利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年3?8月在地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的南京信息工程大學(xué)農(nóng)試站Venlo型試驗(yàn)溫室（32.20°N，118.71°E）內(nèi)進(jìn)行。該地海拔28m，年平均氣溫為15.6℃。試驗(yàn)期間正值春夏季，溫室內(nèi)整體日平均氣溫呈上升趨勢(shì)，平均空氣相對(duì)濕度為74.5%，平均日光合有效輻射累計(jì)值為3.22MJ·m?2。溫室頂高5.0m，肩高4.5m，寬9.6m，長(zhǎng)30.0m，南北走向，采用自動(dòng)天窗和側(cè)通風(fēng)口通風(fēng)。供試土壤為中壤土，土壤肥力均一，pH為7.4，有機(jī)質(zhì)含量為18.32g·kg?1，全氮0.86g·kg?1，全磷0.75g·kg?1，土壤體積含水量32.45%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以1a生“紅提”苗木為供試葡萄品種進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，盆的上口直徑41.5cm，底部直徑26.5cm，深31cm。設(shè)置水和氮兩個(gè)因素，每個(gè)因素均四個(gè)水平，四個(gè)水分梯度[21]分別：正常水分W1（田間最大持水量的70%～80%）、輕度脅迫W2（田間最大持水量的60%～70%）、中度脅迫W3（田間最大持水量的50%～60%）、重度脅迫W4（田間最大持水量的30%～40%）。通過(guò)EM50（Decagon Device，USA）采集土壤深度25cm處水分?jǐn)?shù)據(jù)，獲取每小時(shí)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。查閱文獻(xiàn)并計(jì)算出葡萄推薦施氮量，葡萄生長(zhǎng)初期的推薦施氮量[22?23]為純氮17g×plant?1，因此，設(shè)置四個(gè)氮素指標(biāo)分別為：1.5倍推薦施肥（N1）、正常推薦施肥（N2）、0.5倍推薦施肥（N3）、不施用氮肥（N4）。試驗(yàn)共16個(gè)處理，設(shè)置如表1，每個(gè)處理重復(fù)6次，其中3次的數(shù)據(jù)均值用于建模，另外3次的數(shù)據(jù)均值用于檢驗(yàn)。采集葡萄植株鮮樣均控制在9：00?11：00進(jìn)行，試驗(yàn)期間共取樣9次。當(dāng)日樣品于液氮速凍，并收集于?20℃冰箱中備用，采樣全部結(jié)束后，統(tǒng)一測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。試驗(yàn)期間，除控制變量外，其它管理措施正常。

表1 葡萄植株水氮處理設(shè)置

1.3 項(xiàng)目測(cè)定

地上部生物量：處理后每10d每個(gè)處理選6株，試驗(yàn)期間共采樣9次。將葡萄植株莖和葉用水洗凈擦干后，在105℃殺青30min，再于85℃恒溫烘干至恒重，用精度為0.001g電子天平分別測(cè)定植株地上部干物質(zhì)量。

植株氮濃度：將烘干樣品粉碎后用H2SO4?H2O2消化，最后用凱氏法蒸餾測(cè)定全氮濃度[24]。

各器官氮累積量[19]=器官氮濃度×器官干物質(zhì)量 （1）

植株地上部氮累積量[19]=莖氮累積量+葉氮累積量 （2）

1.4 模型描述

1.4.1 臨界氮濃度稀釋曲線模型

臨界氮濃度（NC）指植物在一定生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)獲得最大生物量時(shí)對(duì)應(yīng)的最小氮濃度[4]。在植株生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，若地上部氮濃度處于臨界值以下，或增加施氮量時(shí)，植株干物質(zhì)量顯著增加，說(shuō)明作物的生長(zhǎng)將受制于氮元素；反之，處于臨界值以上，或增加施氮量植株地上部干物質(zhì)量并無(wú)明顯變化，說(shuō)明作物的生長(zhǎng)不受制于氮元素，因此，地上部氮濃度值與臨界氮濃度相同時(shí)的施氮量最適宜。

構(gòu)建基于植株生物量的臨界氮濃度稀釋曲線模型，首先需確定臨界氮濃度值，構(gòu)建臨界氮稀釋曲線模型的步驟[6，16]如下：

（1）通過(guò)方差分析將不同時(shí)段觀測(cè)的植株地上部干物質(zhì)量和對(duì)應(yīng)地上部氮濃度數(shù)據(jù)，按植株生長(zhǎng)發(fā)育受氮元素限制與否進(jìn)行分類；

（2）將植株生長(zhǎng)受限于氮素的地上部干物質(zhì)量（橫坐標(biāo)）與氮濃度（縱坐標(biāo)）間的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合；

（3）當(dāng)植株生長(zhǎng)不受限于氮素影響時(shí)，干物質(zhì)量的最大值用其地上部干物質(zhì)量平均值來(lái)代表；

（4）每個(gè)理論臨界氮濃度值，即在最大干物質(zhì)量處作橫坐標(biāo)的垂線，垂線與上述擬合曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值；

（5）曲線擬合：利用回歸擬合方程法以臨界氮濃度值Nc（g·kg?1）為因變量，以植株地上部最大干物質(zhì)量DMmax（t·hm?2）為自變量，建立臨界氮濃度稀釋曲線模型，即

式中，a為植株地上部干物質(zhì)量為1t·hm?2時(shí)的臨界氮濃度，b為決定臨界氮濃度稀釋曲線斜率的參數(shù)[25]。

1.4.2 氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型

為更精確地反映設(shè)施葡萄植株氮營(yíng)養(yǎng)情況，采用氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型來(lái)定量評(píng)估葡萄植株體內(nèi)氮素情況[5]。即

式中，Nt為葡萄植株氮濃度實(shí)測(cè)值（g·kg?1），Nc為模擬值（g·kg?1）。NNI=1表明植株體內(nèi)氮營(yíng)養(yǎng)最適，NNI>1表明氮營(yíng)養(yǎng)過(guò)多，NNI<1表明氮營(yíng)養(yǎng)缺乏。

1.4.3 氮素吸收模型

植株氮吸收量（Nupt，kg·hm?2）與地上部最大干物質(zhì)量（DMmax，t·hm?2）之間的關(guān)系[16]為

將式（1）代入式（3），得到葡萄植株臨界氮吸收模型為

1.5 模型的檢驗(yàn)

采用均方根誤差（RMSE）分析模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合度，RMSE越小，說(shuō)明誤差越小，模擬值擬合效果越好，即模型的模擬精度越高；同時(shí)，用模擬值與實(shí)測(cè)值之間1:1圖來(lái)顯示模型的精度[26]。

式中，Pi為實(shí)測(cè)值，Oi為模擬值，N為樣本數(shù)量。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用SPSS20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不區(qū)分水分條件下氮濃度稀釋曲線

所有處理每10d觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)施葡萄植株地上部生物量的變化范圍在0.10～11.29t·hm?2，氮濃度的變化范圍在0.52～8.61g·kg?1，不同階段兩者關(guān)系見(jiàn)圖1。由圖1a可見(jiàn)，當(dāng)?shù)厣喜可锪啃∮?t·hm?2（取樣數(shù)n=42）時(shí)，生物量和氮濃度的數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，二者無(wú)顯著關(guān)系。當(dāng)?shù)厣喜可锪看笥?t·hm?2時(shí)（圖1b，n=102），氮濃度隨生物量增加呈下降趨勢(shì)即存在氮稀釋現(xiàn)象，二者的關(guān)系可表示為Nc=3.66DW?0.46，方程的決定系數(shù)為0.0583，說(shuō)明當(dāng)?shù)厣喜可锪看笥?t·hm?2時(shí)，氮濃度與地上部生物量存在冪函數(shù)關(guān)系。

2.2 不同水分條件下臨界氮稀釋曲線模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

圖1 葡萄植株氮濃度與地上部生物量的關(guān)系

注：圖a表示地上部生物量小于1t·hm?2（n=42），圖b表示地上部生物量大于1t·hm?2（n=102）。

Note: Fig.a indicates that the aboveground biomass is less than 1t·ha?1(n=42). Fig. b indicates that the aboveground biomass is more than 1t·ha?1(n=102).

圖2 葡萄植株地上部生物量小于1t·hm?2（1）和大于1t·hm?2（2）時(shí)不同水分條件下氮濃度與地上部生物量的關(guān)系

注：W1、W2、W3和W4分別表示田間最大持水量的70%～80%、60%～70%、50%～60%和30%～40%水分處理。下同。

Note : W1, W2, W3 and W4 is 70%?80%, 60%?70%, 50%?60% and 30%?40% of maximum water capacity in the field, respectively. The same as below.

2.2.1 模型構(gòu)建

當(dāng)生物量小于1.00t·hm?2時(shí)，設(shè)施葡萄植株地上部氮濃度值隨生物量增加無(wú)明顯下降趨勢(shì)，因此，該階段的氮濃度值不進(jìn)行模擬。當(dāng)?shù)厣喜可锪看笥?.00t·hm?2時(shí)，由于各試驗(yàn)地土壤濕度不同，故將數(shù)據(jù)分為4組：正常灌溉W1（田間最大持水量的70%～80%）、輕度脅迫W2（60%～70%）、中度脅迫W3（50%～60%）、重度脅迫W4（30%～40%）。根據(jù)式（1）對(duì)植株氮濃度及對(duì)應(yīng)的地上部生物量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到4個(gè)水分條件下設(shè)施葡萄植株的臨界氮濃度稀釋曲線模型，并分別選取最大、最小氮濃度實(shí)測(cè)值模擬得出氮濃度稀釋邊界模型（圖2），且由式（3）和式（4）得出臨界氮吸收模型，兩個(gè)模型參數(shù)見(jiàn)表2。分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出，不同水氮條件下葡萄植株地上部干物質(zhì)積累過(guò)程存在顯著差異，總體上表現(xiàn)為：土壤濕度越小，植株干物質(zhì)積累越少。正常供水情況下（W1）植株地上部干物質(zhì)累積整體水平較高（0.14～11.29t·hm?2）；隨著土壤濕度的降低，W2和W3處理中植株干物質(zhì)量分別降至0.12～10.92t·hm?2、0.10～10.42t·hm?2水平；在嚴(yán)重缺水情況下（W4），植株干物質(zhì)量?jī)H0.12～7.62t·hm?2，顯著低于其它灌水處理（P<0.05），干物質(zhì)積累量小于1.00t·hm?2的情況也逐漸增多。同時(shí)，土壤含水量對(duì)葡萄植株氮濃度的影響也較大，土壤中水分越少植株吸收的氮也越少，且各水分處理間差異顯著。正常水分條件下（W1），地上部植株體內(nèi)氮濃度整體水平較高（1.23～8.61g·kg?1）；隨著土壤濕度的降低，W2、W3處理中植株氮濃度分別降至1.16～7.90g·kg?1、0.52～6.98g·kg?1水平；在嚴(yán)重缺水情況下（W4），植株氮濃度僅0.59～3.50g·kg?1，顯著低于其它灌水處理（P<0.05）。同時(shí)，在正常供水情況下，隨著地上部生物量的增加，植株氮濃度有降低的趨勢(shì)，但在相對(duì)缺水條件下，這種降低趨勢(shì)逐漸減弱，植株氮濃度均處于較低水平。說(shuō)明在水分供應(yīng)充足時(shí)植株對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)吸收能力強(qiáng)，體內(nèi)氮含量相對(duì)較高，在干旱條件下，設(shè)施葡萄植株受水分制約導(dǎo)致氮吸收能力降低，從而植株氮濃度下降。

由表2可以看出，不同水分條件下設(shè)施葡萄植株臨界、最低和最高氮濃度稀釋曲線參數(shù)a不同，且隨著土壤含水量的減少各參數(shù)均呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明土壤水分適宜可提高葡萄植株臨界氮濃度，增強(qiáng)植株對(duì)氮的吸收能力?？赡苁怯捎谠谌彼畻l件下，葡萄植株長(zhǎng)勢(shì)減弱，導(dǎo)致對(duì)氮的容納能力減弱，因此，植株體內(nèi)氮濃度下降。其次，參數(shù)b在不同水分條件下也不同，其隨著水分脅迫加重呈先減小后增加再減少的趨勢(shì)，說(shuō)明輕度水分脅迫下葡萄植株氮濃度隨地上部生物量增加平緩降低，葡萄具有一定的耐旱性能，而到中度水分脅迫時(shí)，由于水分虧缺使得氮濃度隨植株增長(zhǎng)迅速下降，重度水分脅迫條件下b值低是由于其植株初始氮濃度較低，降低幅度也因此較小。

2.2.2 模型驗(yàn)證

采用另外3組重復(fù)的數(shù)據(jù)（n=80）對(duì)臨界氮濃度稀釋曲線經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行驗(yàn)證，如圖3所示，W1（正常水分條件）、W2（輕度水分脅迫）、W3（中度水分脅迫）和W4（重度水分脅迫）4種水分條件下，模型RMSE分別為0.273、0.263、0.277、0.283，R2分別為0.893、0.828、0.923、0.958，綜合RMSE和R2可以看出，模擬效果整體較好，說(shuō)明該模型精度較高，可用于進(jìn)一步氮素營(yíng)養(yǎng)診斷。

表2 不同水分條件下葡萄臨界氮濃度稀釋模型和氮素吸收模型參數(shù)值

注：Nmax和Nmin分別為模擬出的最高和最低氮濃度稀釋曲線模型（氮濃度稀釋邊界模型），Nuptmax和Nuptmin分別為最高和最低氮素吸收模型。

Note: Nmaxand Nminare the maximum and minimum nitrogen concentration dilution curve models by simulated (nitrogen concentration dilution boundary model). Nuptmaxand Nuptminare the highest and lowest nitrogen absorption models.

圖3 不同水分條件下葡萄臨界氮濃度稀釋模型模擬值與觀測(cè)值的關(guān)系

注：短線表示均方誤。下同。

Note : The short bar is mean square error.The same as below.

2.3 不同水分條件下臨界氮稀釋曲線模型的應(yīng)用

2.3.1 氮營(yíng)養(yǎng)狀況診斷

圖4表示不同水分條件下設(shè)施葡萄植株在不同施氮水平處理下的營(yíng)養(yǎng)指數(shù)（NNI）動(dòng)態(tài)變化。由圖可知，植株的NNI隨施氮量增加而上升，且隨生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)大體呈減小趨勢(shì)，表明處理后期植株對(duì)氮的需求量較大，W1（正常水分條件）、W2（輕度水分脅迫）、W3（中度水分脅迫）和W4（重度水分脅迫）水平下NNI變化區(qū)間分別為0.39～1.17、0.40～1.23、0.22～1.27和0.41～1.39，說(shuō)明NNI隨土壤水分減少大致呈增加趨勢(shì)，在W1條件下N1（1.5倍施氮量）處理NNI>1，表明葡萄植株氮營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩；N2（正常施氮量）處理下前80d NNI>1，之后NNI<1，表明N2處理在前期氮營(yíng)養(yǎng)充足，后期需氮量增加，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)不足；N3（0.5倍施氮量）和N4（無(wú)施氮）處理均為NNI<1，說(shuō)明氮肥不足抑制了葡萄植株干物質(zhì)量的累積，增施氮肥后NNI明顯升高。在W2、W3條件下，NNI值呈現(xiàn)的變化規(guī)律大體與W1一致，且略大于W1條件下，在W4條件下，N1和N2處理時(shí)NNI>1，而N3和N4處理時(shí) NNI<1，表明N1和N2處理下氮營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩，而N3和N4處理氮營(yíng)養(yǎng)不足。因此經(jīng)綜合考慮得設(shè)施葡萄植株的較適施氮量應(yīng)在N1?N3之間，且更接近于N2。

2.3.2 氮吸收的營(yíng)養(yǎng)診斷

由圖5可見(jiàn)，設(shè)施葡萄植株氮吸收量隨著施氮量和地上部生物量的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，W1（正常水分條件）下植株氮吸收量整體較高，其后依次是W2（輕度水分脅迫）、W3（中度水分脅迫）和W4（重度水分脅迫），說(shuō)明水分不足導(dǎo)致葡萄植株對(duì)氮的吸收量降低。由圖5a發(fā)現(xiàn)，臨界氮吸收量曲線（Nupt）處于N1（1.5倍施氮量）和N2（正常施氮量）曲線之間，這與NNI的診斷一致，說(shuō)明灌溉量適宜時(shí)有助于葡萄植株對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)的吸收利用；由圖5b可得，相同灌溉條件下，N2處理植株氮吸收量低于N1處理，而地上部生物量高于N1處理，說(shuō)明施氮量適宜時(shí)有助于葡萄植株地上部干物質(zhì)的累積，施氮量過(guò)多則適得其反，N3（0.5倍施氮量）和N4（無(wú)施氮）低于臨界氮吸收量，說(shuō)明施氮不足導(dǎo)致作物基本的氮營(yíng)養(yǎng)需求無(wú)法得到滿足，因此地上部干物質(zhì)量累積較慢，對(duì)葡萄植株生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。

圖4 不同水氮條件下葡萄植株?duì)I養(yǎng)指數(shù)（NNI）的動(dòng)態(tài)變化

圖5 不同水氮條件下葡萄地上部生物量與氮吸收量的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

為避免實(shí)際生產(chǎn)中過(guò)度施氮的現(xiàn)象，明確設(shè)施葡萄植株在不同生長(zhǎng)時(shí)期所需臨界氮濃度，以合理指導(dǎo)施氮量，本研究構(gòu)建了葡萄植株在不同灌溉條件下的臨界、最高和最低氮濃度稀釋曲線模型，并對(duì)不同水氮條件下葡萄植株的氮營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行了診斷，發(fā)現(xiàn)施氮量對(duì)該模型基本形式無(wú)顯著影響，但對(duì)其統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)值影響較大。所構(gòu)建的模型參數(shù)不同于前人所建立的作物臨界氮濃度稀釋曲線模型[5]，主要原因[4,20]一是前人構(gòu)建的模型是基于無(wú)氮素限制條件下得到的；二是由于作物品種、類型及內(nèi)在生理生態(tài)機(jī)制的不同；三是不同的栽培方式也會(huì)使參數(shù)產(chǎn)生差異；四是由于作物生長(zhǎng)的氣候條件不同。任一模型應(yīng)用于特定作物時(shí)，模型參數(shù)都需重新設(shè)定。本研究表明，參數(shù)a隨土壤水分含量增加而增加，說(shuō)明在適當(dāng)?shù)乃謼l件下葡萄植株對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)的吸收能力增強(qiáng)，有利于干物質(zhì)的積累。與楊慧等[20?21]構(gòu)建的番茄植株臨界氮濃度模型的結(jié)論一致。本研究中參數(shù)a值在正常水分條件（W1）下較大，葡萄植株地上部干物質(zhì)累積量較高；該值在重度水分脅迫（W4）下較小，是因?yàn)樗诌^(guò)度虧缺限制了葡萄植株對(duì)氮肥的吸收利用，從而抑制了葡萄植株的生長(zhǎng)。本研究所構(gòu)建的在不同水氮條件下的臨界氮濃度稀釋曲線模型相比于僅由氮素單因素所構(gòu)建的模型更具普適性，但此模型僅在同一地點(diǎn)，由同一品種的試驗(yàn)條件下構(gòu)建，因此還待進(jìn)一步完善。

NNI可實(shí)時(shí)診斷葡萄植株的氮肥營(yíng)養(yǎng)狀況，量化植株受氮肥制約的程度[27]，是進(jìn)行合理施氮的重要依據(jù)。前人研究表明，NNI能較好地反映油菜、玉米、高粱、番茄、包心菜、馬鈴薯、向日葵、甜椒等植株的氮營(yíng)養(yǎng)狀況，基于NNI來(lái)診斷植株生長(zhǎng)進(jìn)程中的氮素營(yíng)養(yǎng)盈虧，從而及時(shí)采取措施，調(diào)整水肥管理方法，提高作物地上部干物質(zhì)的累積速率，為精確施氮提供理論依據(jù)與指導(dǎo)。本研究對(duì)各水氮條件下葡萄植株不同時(shí)期NNI和葡萄植株地上部氮吸收進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)葡萄植株NNI隨土壤水分的提高而降低，隨施氮量增加而上升，隨生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而減小的趨勢(shì)，葡萄植株氮素吸收量隨著施氮量和地上部干物質(zhì)量的增加呈增加的變化趨勢(shì)，本研究分析初步認(rèn)為，葡萄的較適施氮量介于17～25.5g×plant?1，作物干物質(zhì)量的有效積累需要吸收適宜的氮肥，則該施氮量有助于作物對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)的利用。同時(shí)，葡萄植株的地上部生物量和氮素吸收量隨著土壤水分的增加而增加，其中W1（70%～80%）適宜施氮量為N1（25.5g×plant?1）、W2（60%～70%）適宜施氮量為N2（17g×plant?1），兩者均可促進(jìn)設(shè)施葡萄植株對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的吸收利用，使地上部生物量增加最終分別達(dá)11.29t·hm?2和10.92t·hm?2?；诔杀究紤]，在W2的灌水條件下施用N2更適合應(yīng)用于實(shí)踐。本研究還認(rèn)為在一定土壤水分條件下，高氮和低氮均會(huì)使葡萄植株的生物量減少，趙薇等[28]以番茄為試驗(yàn)對(duì)象也得出了一致結(jié)論。葡萄植株地上部生物量隨施氮量增加呈先增后降的變化趨勢(shì)，說(shuō)明葡萄植株對(duì)氮的容納有一定限度，高于臨界氮吸收量后增施氮肥不僅不能同時(shí)提高作物干物質(zhì)量，還會(huì)抑制植株對(duì)氮的吸收利用。

3.2 結(jié)論

（1）以1a生葡萄品種“紅提”為供試材料，設(shè)置4個(gè)灌溉水平：W1（70%～80%）、W2（60%～70%）、W3（50%～60%）、W4（30%～40%），4個(gè)氮素水平（25.5、17、8.5和0g×plant?1），構(gòu)建了不同灌溉條件下設(shè)施葡萄植株的臨界、最大和最小氮濃度稀釋曲線模型，結(jié)果表明，不同時(shí)期的植株最大生物量與氮濃度之間存在冪函數(shù)關(guān)系，由模型參數(shù)得，植株的氮素吸收量和地上部生物量隨灌溉水平提高而增加。

（2）氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型與氮素吸收模型診斷各水分條件下設(shè)施葡萄植株氮營(yíng)養(yǎng)結(jié)果一致：W1、W2及W3灌溉水平下，每株葡萄植株較適施氮量在17～25.5g，W4條件下在8.5～17g。

（3）分析氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)植株生物量的影響效應(yīng)認(rèn)為，水分條件為W1和W2時(shí)較利于葡萄對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用，地上部生物量較高。在適宜施氮量情況下，灌溉水平為W2時(shí)可獲得僅低于W1灌溉水平下約3.3%的生物量，大大減少了水和肥料的成本?？紤]到溫室無(wú)降水的供應(yīng)，灌水量W2（60%～70%）施氮量為17g×plant?1左右為較適水氮配比。

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Establishment of a Critical Nitrogen Dilution Model for Grapes and Nitrogen Nutrition Diagnosis under Different Water Conditions

LI Jia-shuai1, YANG Zai-qiang1,2, LI Yong-xiu1,2, JIANG Meng-yuan1, ZHAO He-li1, WEI Ting-ting1, ZHANG Xu-ran1

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China; 2.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Agrometeorology, Nanjing 210044)

In this paper, a two-factor pot experiment was carried out in the Venlo-type greenhouse, using the annual grape of "Hongti" variety as experimental material. There were four irrigation levels and four nitrogen application levels in the two-factor pot experiment. Four irrigation levels were normal irrigation (W1, 70%?80% of the maximum water holding capacity in the field), slight drought stress (W2, 60%?70%), moderate drought stress (W3, 50%?60%) and extra severe drought tress (W4, 30%?40%). And four nitrogen application levels were 1.5 times normal recommended nitrogen application rate(N1, 25.5g×plant?1), normal recommended nitrogen application rate(N2, 17g×plant?1), 0.5 times normal recommended nitrogen application rate(N3, 8.5g×plant?1) and no nitrogen application(N4, 0g×plant?1). The nitrogen concentration in the plant and the aboveground biomass of the plant were observed every 10 days. The minimum nitrogen concentration corresponding to the maximum biomass obtained by grape plants under different water conditions in a certain period is called Nitrogen critical concentration (Nc), it can be used to construct the model of nitrogen critical concentration dilution curve of grape, which can further establish Nitrogen uptake model (Nupt) and Nitrogen Nutrition Index model (NNI) for quantitative diagnosis of nitrogen nutrition status of grapes under different water conditions.The results showed: there was a power function relationship between the nitrogen critical concentration and aboveground biomass of grape plants, which embodied as the nitrogen critical concentration, nitrogen uptake and aboveground biomass of grape plants all increased as the irrigation amount increasing. As nitrogen application increased, the biomass of grape plants under treatments of W1 and W2 increased, while that under W3 and W4, increased first and then decreased. Under the same water condition, the nitrogen concentration increased with the increase of nitrogen application and decreased with the progress of grapes growth. The established Nuptand NNI models can be used to effectively diagnose the deficiency of nitrogen nutrients in plants.

Grape; Nitrogen critical concentration; Nitrogen nutrition index; Nitrogen uptake; Dry matter accumulation

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.08.005

李佳帥,楊再?gòu)?qiáng),李永秀.不同水分條件下葡萄臨界氮稀釋曲線模型的建立及氮素營(yíng)養(yǎng)診斷[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2019,40(8):523-533

2019?02?26

。E-mail：yzq@nuist.edu.cn

江蘇省科技支撐項(xiàng)目（BE2015693）

李佳帥（1993?），女，研究方向?yàn)樵O(shè)施農(nóng)業(yè)氣象。E-mail：596993884@qq.com