賈 彪，付江鵬

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021）

0 引 言

氮是影響作物生長發(fā)育和潛在生產(chǎn)力的主要營養(yǎng)元素。在玉米生產(chǎn)上，合理施用氮肥，減少氮肥用量，提高氮肥利用效率已成為精細(xì)化農(nóng)業(yè)管理的核心[1]。近50 a來，中國夏玉米產(chǎn)量逐年增加，主要得益于氮肥的高效利用以及先進(jìn)的作物育種技術(shù)提升[2-6]。然而，在當(dāng)前中國以大范圍小農(nóng)戶為主的大田玉米種植生產(chǎn)中，不合理施用氮肥導(dǎo)致環(huán)境污染問題日益突出，與氮肥相關(guān)的水體、土壤和大氣等污染成了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究面臨的一個(gè)嚴(yán)重問題[7-8]。因此，優(yōu)化玉米不同生育時(shí)期的氮肥施用量對(duì)于提高氮肥利用效率、保護(hù)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前，在準(zhǔn)確評(píng)價(jià)作物氮素營養(yǎng)狀態(tài)，優(yōu)化作物生育期氮肥管理的研究上，前人多采用葉綠素儀和光譜遙感圖像等技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷[9-12]，上述方法的共同缺點(diǎn)是當(dāng)作物處于氮素奢侈吸收時(shí)，所得的診斷結(jié)果并不可靠[13]，限制了在作物氮奢侈消費(fèi)評(píng)估中的分析應(yīng)用。因此，Greenwood等[14]總結(jié)了作物生長和氮素吸收的規(guī)律，提出了臨界氮濃度（critical nitrogen concentration，Nc）的概念，即作物最大生長所需的最低氮濃度。Nc因其在作物氮診斷中的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性而受到世界各國的廣泛關(guān)注。Plénet等[15]提出了一種基于植株干物質(zhì)（plant dry matter，PDM）構(gòu)建玉米Nc稀釋曲線的方法，其描述為Nc=aPDM-b（a、b為系數(shù)）。后經(jīng)Herrmann等[16]證實(shí)，在法國構(gòu)建的曲線對(duì)診斷德國和加拿大東部玉米植株氮狀況是有效的。此外，相繼也有國內(nèi)學(xué)者基于PDM和葉片干物質(zhì)分別建立了不同地區(qū)夏玉米Nc稀釋曲線[2,17-18]。相比而言，構(gòu)建的模型曲線系數(shù)低于法國，其原因可能是由于氣候和區(qū)域的差異所造成的[2,17]。

基于PDM的Nc曲線可以為玉米氮素營養(yǎng)提供有效的管理信息，但對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氮素管理的適應(yīng)有一定的局限性，PDM數(shù)據(jù)點(diǎn)的獲取需要通過繁瑣的步驟[19]，盡管可以使用遙感技術(shù)來估計(jì)PDM，但該工具的估計(jì)精度無法適應(yīng)與PDM空間分布高度相關(guān)的變化[20]。而葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）是群體結(jié)構(gòu)的重要量化指標(biāo),是反映作物長勢(shì)與預(yù)測(cè)作物產(chǎn)量的重要農(nóng)學(xué)參數(shù)[21-22]。隨著葉面積儀在農(nóng)業(yè)上的廣泛應(yīng)用，LAI相較于植株干物質(zhì)更容易獲取。這說明LAI是構(gòu)建Nc稀釋曲線較為理想的農(nóng)學(xué)指標(biāo)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以克服基于PDM診斷氮素營養(yǎng)相關(guān)的問題。

基于LAI的Nc曲線已在冬小麥[21]和水稻[7,22]等作物中構(gòu)建。Lemaire等[23]研究表明歐洲和澳大利亞玉米植株對(duì)氮素的吸收與LAI成正比，在密植條件下玉米的生長模式是等距的，而這些觀點(diǎn)尚未在中國西北寧夏地區(qū)種植的滴灌玉米上進(jìn)行驗(yàn)證。此外，相關(guān)研究也尚未探討基于LAI和基于PDM的Nc稀釋曲線之間的理論關(guān)系。因此，本研究致力于構(gòu)建基于LAI的滴灌玉米Nc曲線，將其與現(xiàn)有不同作物品種的Nc稀釋曲線進(jìn)行比較，驗(yàn)證該曲線在水肥一體化條件下滴灌玉米中評(píng)估作物氮素狀態(tài)的可靠性，并建立理論框架，鏈接基于LAI和PDM的Nc曲線之間關(guān)系，從而為寧夏灌區(qū)滴灌玉米生長期的氮狀況評(píng)估和田間氮素管理提供方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017－2018年4－9月利用2個(gè)玉米品種在銀川市平吉堡農(nóng)場(chǎng) （106°1′47″E，38°25′30″N） 和永寧縣寧夏大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng) （106°14′12″E，38°13′03″N） 進(jìn)行了4個(gè)田間試驗(yàn)。關(guān)于玉米品種、播種日期、氮處理、土壤肥力、取樣和收獲時(shí)期詳見表1，平吉堡和永寧玉米生長季日平均溫度與日降雨量見圖1。玉米生育期內(nèi)采用滴灌水肥一體化技術(shù)，由潛水泵將水通過75 mm PE管抽送到試驗(yàn)小區(qū)，與75 mm PE管接口處安裝水表準(zhǔn)確計(jì)量，32 mm PE管做支管連接到16 mm毛管。施肥由施肥罐隨水施入，在窄行玉米中間設(shè)置1根滴灌帶，即1根滴灌帶控制2行玉米水肥用量，滴頭間距為30 cm，滴頭流量2.5 L/h，滴頭工作壓力0.1 MPa，為保證灌水與施肥的均勻性，采用橫向供水方式。供試氮肥為尿素（總N≥46.4%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），磷肥為磷酸二氫鉀（含52%P2O5和34%K2O），鉀肥為硫酸鉀（含52%K2SO4），磷鉀肥用量分別為138和120 kg/hm2。氮磷鉀肥均為水溶性肥料，分別隨水施入。整個(gè)生育期共施肥8次，分別為苗期1次、拔節(jié)至大喇叭口期3次、抽雄吐絲期1次，灌漿期3次，每次施肥量占總施肥量的比例分別為苗期10%、拔節(jié)至大喇叭口期45%、抽雄吐絲期20%和灌漿期25%。小區(qū)面積為67.5 m2，3次重復(fù)，種植密度約為9萬株/hm2。

表1 田間試驗(yàn)狀況Table 1 Field experiments

圖1 玉米生育期氣溫及降水量Fig.1 Air temperature and precipitation during growth stage of maize

1.2 葉面積、干物質(zhì)和氮含量

于玉米V6至R1時(shí)期，每個(gè)小區(qū)選取長勢(shì)一致的3株，采用長寬系數(shù)法（0.75倍的長乘以寬）計(jì)算植株綠葉面積以計(jì)算葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI），并將其帶回實(shí)驗(yàn)室，以測(cè)量玉米每個(gè)采樣日期的地上部植株干物質(zhì)和植株氮濃度（plant nitrogen concentration，PNC）。分成為莖、葉和穗3部分，采用干燥法對(duì)干物質(zhì)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定，樣品研磨并通過1 mm篩，采用微量凱氏定氮法測(cè)定PNC。

1.3 模型描述

1.3.1 臨界氮濃度模型建立

根據(jù)Justes等[24]提出的Nc稀釋曲線計(jì)算方法，建模步驟如下：1）方差分析每次取樣的LAI和PNC有無顯著差異，將其分為氮限制組和非氮限制組；2）線性擬合限氮處理的PNC和LAI數(shù)據(jù)；3）垂直線用于表示非限氮處理之間的LAI平均值為本次取樣的最大LAI；4）使用每個(gè)采樣日期的斜線和垂直線之間的交點(diǎn)坐標(biāo)確定Nc值?；贚AI的臨界氮效應(yīng)稀釋曲線方程式為

式中Nc代表臨界氮濃度，%；LAI代表葉面積指數(shù)；a和b均為模型的參數(shù)。

1.3.2 臨界氮濃度模型驗(yàn)證

采用均方根誤差（root mean square error，RMSE）和標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差（n-RMSE）[25-26]來評(píng)價(jià)模型。參照J(rèn)amieson等[27]提出的標(biāo)準(zhǔn)，n-RMSE＜10%，模型穩(wěn)定性極好；10%≤n-RMSE＜20%，模型穩(wěn)定性較好；20%≤n-RMSE＜30%，模型穩(wěn)定性一般；n-RMSE≥30%，模型穩(wěn)定性較差。

1.4 臨界氮吸收和氮營養(yǎng)指數(shù)

臨界氮吸收（Nuc，kg/hm2）由式(1)兩邊乘以PDM，計(jì)算得到Nuc與PDM之間的關(guān)系[15]：

式中PDM為植株干物質(zhì)質(zhì)量，t/hm2。將實(shí)際PNC除以Nc濃度確定夏玉米在每個(gè)采樣日的氮營養(yǎng)指數(shù)[15]，如式（3）所示：

式中PNC為植株氮濃度，%；NNI為氮營養(yǎng)指數(shù)。當(dāng)NNI=1時(shí)，作物氮狀態(tài)是最佳的；當(dāng)NNI＞1，表示氮過量；當(dāng)NNI＜1，表示植株體內(nèi)缺氮。

1.5 基于LAI和植株DM的Nc曲線之間關(guān)聯(lián)的理論框架

在非限氮條件下，玉米LAI與植株氮素吸收呈顯著正相關(guān)關(guān)系[15]。當(dāng)LAI和PDM之間的異速生長關(guān)系的比例系數(shù)與Nuc和PDM之間的異速生長關(guān)系的比例系數(shù)相等時(shí)，在作物的營養(yǎng)生長期，植株Nuc和LAI之間有可能形成嚴(yán)格的比例關(guān)系[19]。因此，在非限氮處理下，Nuc和LAI之間的關(guān)系可以假定為

式中c為指數(shù)；e為植株固有的臨界氮吸收量，kg/hm2。當(dāng)LAI為1時(shí)，參數(shù)e代表植株Nuc。在式（4）的兩側(cè)同時(shí)除以PDM可以得到Nc（式（5））。由于LAI與PDM呈異速生長關(guān)系[23]（式（6）），PDM可以通過式（6）的轉(zhuǎn)換利用式（7）計(jì)算。因此，利用式（8）計(jì)算Nc值，參數(shù)e"表示LAI為1時(shí)的理論植株Nc值，由式（9）確定。

式中k為系數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與計(jì)算，采用SPSS22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和多重比較，繪圖采用Origin2018軟件。4個(gè)試驗(yàn)中利用2017年試驗(yàn)1和3的數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，利用2018年試驗(yàn)2和4的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面積指數(shù)和植株氮濃度動(dòng)態(tài)變化

表2為2017年不同品種和施氮水平下滴灌玉米葉面積指數(shù)及植株氮濃度的動(dòng)態(tài)累積過程。由表2可知，隨著玉米生長發(fā)育進(jìn)程的推進(jìn)，其LAI不斷增加，而PNC下降。試驗(yàn)1和3是在不同的品種和地點(diǎn)下進(jìn)行的，但LAI和PNC的變化趨勢(shì)是相似的。在不同的試驗(yàn)中，LAI和PNC均隨著施氮量的增加而增加，但是施氮量達(dá)到一定水平后，LAI增加緩慢趨于平穩(wěn)，而高氮處理下植株具有較高的氮濃度。天賜19的LAI的變化范圍為1.13～6.03，PNC的變化范圍為1.35%～3.24%；寧單19的LAI的變化范圍為1.26～6.21，PNC的變化范圍為1.22%～3.31%。永寧栽培玉米品種寧單19的LAI較高于平吉堡，但PNC在不同品種中的變化較小。

表2 2017年不同施氮量下玉米葉面積指數(shù)和植株氮濃度動(dòng)態(tài)變化Table 2 Dynamic changes of leaf area index and plant nitrogen concentration of maize under different nitrogen application rates in 2017

2.2 臨界氮稀釋曲線構(gòu)建及驗(yàn)證結(jié)果

2.2.1 模型構(gòu)建

根據(jù)Justes等[24]提出的曲線構(gòu)建方法，利用試驗(yàn)1和3的數(shù)據(jù)資料，在滴灌玉米營養(yǎng)生長階段構(gòu)建臨界氮濃度稀釋曲線。滴灌玉米臨界氮濃度隨LAI的增加呈下降的趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)可以通過冪函數(shù)方程來擬合。天賜19和寧單19的臨界氮稀釋曲線見圖2。

圖2 2017年不同玉米品種臨界氮稀釋曲線比較Fig.2 Comparison of critical nitrogen dilution curves of different maize varieties in 2017

基于LAI構(gòu)建了不同品種臨界氮稀釋曲線模型（圖2）。2個(gè)模型中，參數(shù)a分別為4.07和3.93，參數(shù)b分別為-0.47和-0.43。為了進(jìn)一步分析2個(gè)品種之間的顯著性差異，首先將冪函數(shù)模型進(jìn)行直線化處理，即lnNc=lna+blnLAI，天賜19和寧單19的直線化模型分別為lnNc=1.40-0.47lnLAI和lnNc=1.37-0.43lnLAI。采用協(xié)方差分析方法，分別分析2個(gè)品種之間的斜率與截距間差異，結(jié)果顯示，天賜19和寧單19斜率與截距的P值分別為0.957和0.648，都大于0.05，說明2個(gè)品種之間沒有顯著性差異。因此，將2個(gè)品種的曲線并置擬合，形成滴灌玉米統(tǒng)一的臨界氮稀釋曲線（圖3），a為3.99，b為-0.45。

圖3 基于葉面積指數(shù)的玉米臨界氮稀釋曲線Fig.3 Critical nitrogen dilution curve of maize based on leaf area index(LAI)

2.2.2 模型驗(yàn)證

利用2018年試驗(yàn)2和4的數(shù)據(jù)資料對(duì)本研究中確定的臨界氮稀釋曲線進(jìn)行了驗(yàn)證，由圖4可知，將獨(dú)立數(shù)據(jù)組中獲得的最大LAI代入臨界氮稀釋曲線后，對(duì)比實(shí)測(cè)值和模擬值，利用1:1圖來直觀反映模型的擬合度，經(jīng)計(jì)算均方根誤差RMSE為0.09，標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差為4.13%，穩(wěn)定度極高，表明本研究基于LAI構(gòu)建的臨界氮濃度稀釋曲線可用于寧夏引黃灌區(qū)滴灌玉米氮素營養(yǎng)的評(píng)估與診斷。

圖4 基于2018年試驗(yàn)數(shù)據(jù)的臨界氮稀釋曲線模型驗(yàn)證Fig.4 Validation of critical nitrogen dilution curves with data from experiments in 2018

2.3 氮營養(yǎng)指數(shù)動(dòng)態(tài)變化

如圖5所示，NNI隨施氮量的增加而增加。TC19和ND19的NNI值范圍為0.53～1.34和0.75～1.30。從整體上看，NNI在N3處理大約為1，這表明作物氮素營養(yǎng)對(duì)于玉米的生長是最佳的。NNI值對(duì)N0、N1和N2處理的NNI均低于1，這表明玉米生長受到氮的限制。NNI值對(duì)N4和N5處理高于1，表明氮素營養(yǎng)過盛。結(jié)果證實(shí)，氮營養(yǎng)指數(shù)可以準(zhǔn)確定量地評(píng)估不同氮素水平下滴灌玉米的植株氮狀況。

圖5 2017年不同施氮量下玉米氮營養(yǎng)指數(shù)動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of nitrogen nutrition index of maize under different nitrogen application rates in 2017

2.4 非限氮條件下植株臨界氮吸收，干物質(zhì)和葉面積指數(shù)之間的關(guān)系

在非限氮生長條件下，玉米V6至R1生長階段LAI與PDM的異速生長關(guān)系顯著(圖6，k為1.10，c為0.75)。圖6b揭示了在非限氮生長條件下，營養(yǎng)生長期間Nuc和LAI之間的異速生長關(guān)系顯著，其中，22.14 kg/hm2代表非限氮處理下，單位葉面積指數(shù)增長所需的植株最少吸收氮量。

圖6 非限氮條件下植株臨界氮吸收量，植株干物質(zhì)量和葉面積指數(shù)的異速生長關(guān)系Fig.6 Allometric growth relationship between critical nitrogen uptake,plant dry matter and leaf area index under non-limited nitrogen conditions

3 討 論

3.1 與其他臨界氮稀釋曲線比較

以PDM為基礎(chǔ)確定的臨界氮稀釋曲線已被用于各種作物，然而發(fā)現(xiàn)區(qū)域差異也會(huì)影響臨界氮稀釋曲線的適用性。LAI是植物光合作用、呼吸作用和蒸騰作用等生物和物理過程的重要描述參數(shù)，用于評(píng)價(jià)農(nóng)作物健康狀況、養(yǎng)分供應(yīng)和產(chǎn)量水平[21-22]。本研究表明，在滴灌玉米營養(yǎng)生長階段，隨著LAI的增加PNC呈下降趨勢(shì)，造成這種現(xiàn)象的原因主要是由于植株的老化，并且也與作物生長的物候現(xiàn)象有關(guān)[23]。氮濃度稀釋現(xiàn)象產(chǎn)生歸因于2個(gè)過程：1）相對(duì)于葉片面積，植株將更多的干物質(zhì)投入到結(jié)構(gòu)組分中，使植株捕捉更多的光能[19]。2）遮蔭降低葉片單位葉面積含氮量，這與光照分配相關(guān)的氮分布優(yōu)化相對(duì)應(yīng)，從而優(yōu)化冠層光合作用[28]。本研究采用滴灌水肥一體化的施肥栽培模式，構(gòu)建并驗(yàn)證了寧夏引黃灌區(qū)基于LAI的滴灌玉米Nc稀釋曲線經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停∟c=3.99LAI-0.45）。從數(shù)學(xué)角度來講，參數(shù)a代表當(dāng)LAI為1時(shí)的臨界氮濃度值，前人在玉米的研究中（圖7a），確定其a值介于2.25～3.45之間，而參數(shù)b描述了植株氮濃度隨作物生長的下降速率，其值在-0.22～-0.37之間[2,15,17-18]。本研究中基于LAI確定的Nc稀釋曲線模型系數(shù)a和系數(shù)b（3.99和-0.45）與之前的報(bào)道中基于PDM（圖7a）確定的曲線系數(shù)存在輕微差異[2,15,17-18]。顯然，基于LAI的Nc稀釋曲線參數(shù)高于基于PDM的曲線參數(shù)，這主要是由于玉米植株在生育早期積累的LAI高于PDM。然而，隨著玉米生育進(jìn)程的推近，由于葉片的相互遮蔭以及葉面積比和葉/莖比的變化，導(dǎo)致利用PDM確定的Nc曲線氮濃度值較低[19]。

本研究利用LAI確定了寧夏灌區(qū)滴灌玉米營養(yǎng)生長期臨界氮濃度稀釋曲線模型，其模型在形式上與Zhao等[29]針對(duì)華北平原建立的玉米臨界氮濃度稀釋模型一致，采樣時(shí)間(拔節(jié)期至吐絲期)與Zhao等[29]取樣時(shí)間大致相同，這說明模型的構(gòu)建與玉米的生育期無明顯的關(guān)系，所得模型參數(shù)b值與Zhao等[29]所建參數(shù)b值相同，但參數(shù)a值（3.99）高于Zhao等[29]研究結(jié)果（3.84），說明寧夏滴灌玉米植株的氮素吸收能力比新鄉(xiāng)和沁陽的玉米氮吸收能力強(qiáng)，其原因主要是由于寧夏玉米采用滴灌水肥一體化施肥方式，將肥料溶入水中，每個(gè)生育時(shí)期都會(huì)滿足玉米對(duì)水分和養(yǎng)分的需求，這與Zhao等[29]基施50%和拔節(jié)期追施50%施入方式不同，說明玉米對(duì)氮素的吸收能力受施肥方式的影響。

圖7 基于PDM和基于LAI的臨界氮稀釋曲線的比較Fig.7 Comparison of critical nitrogen dilution curves based on PDM and LAI

3.2 基于Nc曲線的氮營養(yǎng)診斷

NNI是實(shí)時(shí)診斷植株氮營養(yǎng)狀況的農(nóng)學(xué)指標(biāo)[19]。本研究根據(jù)Nc稀釋曲線確定了玉米不同生長階段的NNI，發(fā)現(xiàn)基于Nc稀釋曲線推算的NNI可用于評(píng)價(jià)滴灌玉米的氮素營養(yǎng)狀況，這一結(jié)論與前人在其他作物上的研究結(jié)果相似[21-22]。不同生長階段玉米植株NNI隨施氮水平的提高而上升，其NNI值在0.53～1.34之間變化，本研究初步認(rèn)為，在寧夏引黃灌區(qū)近年來推廣的密植高產(chǎn)全程機(jī)械化栽培模式中，滴灌玉米的適宜施氮量介于270 kg/hm2左右，LAI的增大需要吸收適宜的氮肥，則該施氮量有助于作物利用氮素營養(yǎng)。同時(shí)，玉米LAI隨著施氮水平的提高而增加，其中施氮量為270 kg/hm2可促進(jìn)滴灌玉米植株對(duì)氮素營養(yǎng)的吸收利用，盡管N4和N5處理的LAI較高，但與N3處理相比，LAI基本維持在一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上相等的范圍內(nèi)，從而導(dǎo)致過多的氮儲(chǔ)存在植株中，造成氮奢侈浪費(fèi)。這一結(jié)果說明玉米植株對(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提高作物L(fēng)AI，還會(huì)抑制植株對(duì)氮的吸收利用。通常研究認(rèn)為植株NNI在1左右比較適宜，而就法國種植的向日葵而言，當(dāng)NNI達(dá)到0.8時(shí)就可以獲得最大產(chǎn)量，因此適當(dāng)?shù)臏p少植物體內(nèi)的氮素營養(yǎng)狀況有利于改善植株的生長，提高作物的產(chǎn)量[30]。

Lemaire和Gastal[31]利用NNI來評(píng)價(jià)不同施氮水平下作物產(chǎn)量的變化，研究表明利用確定的Nc曲線作為玉米生產(chǎn)中優(yōu)化施氮量的工具十分重要。同時(shí)將Nc曲線與遙感技術(shù)相結(jié)合，可以在區(qū)域水平上對(duì)玉米氮素狀況做出較準(zhǔn)確的診斷，也可在時(shí)間和空間分布上重合，從而獲得更精確的作物氮狀態(tài)時(shí)空動(dòng)態(tài)信息。為了更好地發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，今后需要通過多年試驗(yàn)，構(gòu)建并驗(yàn)證不同環(huán)境條件下的作物Nc稀釋曲線，特別是磷、鉀與氮素互作條件下的作物Nc稀釋曲線。

3.3 LAI、PDM和臨界氮吸收之間的異速生長關(guān)系

本研究表明，在受氮素制約的條件下，LAI與PDM積累之間的異速生長關(guān)系顯著，其關(guān)系式可描述為LAI=1.10PDM0.75（圖6a），這證實(shí)了氮虧缺對(duì)葉面積增大和植株干物質(zhì)累積之間的定量生長關(guān)系沒有受到明顯的影響。在玉米拔節(jié)期之前，植株個(gè)體小且相互獨(dú)立，葉面積指數(shù)小，遮蔽程度低，作物對(duì)水肥光等資源的利用量不存在明顯的競爭。然而，拔節(jié)期至吐絲期是玉米氮素吸收最快的生長階段，此階段植株個(gè)體迅速生長，玉米群體冠層結(jié)構(gòu)向密閉狀態(tài)形成，不同植株個(gè)體之間對(duì)水肥光等資源的競爭向三維空間分布，從而有利于葉片吸收光能[23]。因此，本研究確定的參數(shù)c值（0.75）小于1，但該值略高于前人提出的理論值（2/3）[23]，由此表明玉米植株的生長是等距的。如果將理論值代入式（8），則基于LAI的Nc曲線的理論值為-0.5，接近本研究中確定值（-0.45）。。本研究驗(yàn)證了前人提出的理論假設(shè)[23]，則基于LAI和PDM之間的異速生長關(guān)系在作物物種和環(huán)境中具有一個(gè)通用值。本研究另外表明，在受氮素制約的條件下，本研究中參數(shù)k值（1.10）小于Plénet等[15]的確定值（1.23）。這一差異可能與取樣時(shí)間有關(guān)，Plénet等[15]從苗期開始測(cè)定PDM和LAI數(shù)據(jù)，而本試驗(yàn)從拔節(jié)期開始測(cè)定，從而導(dǎo)致PDM和LAI略低。前人研究表明，作物冠層內(nèi)部固有葉片數(shù)量與遮蔭水平呈正相關(guān)[32]。玉米拔節(jié)期的遮蔭效果明顯高于苗期，因此本研究葉片特征參數(shù)小于Plénet等[15]所確定的參數(shù)值。

在受氮素制約的條件下，LAI和Nuc之間的異速生長關(guān)系顯著，其關(guān)系式可描述為Nuc=22.14LAI0.96（圖6b），式中參數(shù)e代表植株固有的臨界氮吸收量，其被定義為LAI為1時(shí)的臨界氮吸收量。本研究中Nuc是基于PDM的Nc稀釋曲線確定的，其代表作物最大生長所需的最低植株臨界氮吸收量。在受氮素制約的條件下，植株在其生長過程中存在氮奢侈消耗現(xiàn)象。因此，本研究確定的Nuc值（22.14kg/hm2）低于Plénet等[15]確定值（28.87kg/hm2）。LAI的指數(shù)定義為植株吸收氮素效率與葉面積增大率之間的比值。在受氮素制約的處理下，參數(shù)c值(0.96)接近于1，這意味著玉米葉面積增大與植株對(duì)氮素的吸收呈顯著的線性正關(guān)系。

4 結(jié) 論

本文利用2 a 6個(gè)氮水平的4個(gè)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于葉面積指數(shù)的臨界氮（Nc）稀釋曲線模型，研究其在診斷寧夏引黃灌區(qū)玉米植株氮營養(yǎng)狀況中的適應(yīng)性，結(jié)果表明：

1）玉米營養(yǎng)生長期Nc稀釋曲線作為寧夏引黃灌區(qū)滴灌玉米葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）和植株氮濃度之間的關(guān)系模型，可以預(yù)測(cè)玉米臨界氮含量，評(píng)價(jià)各生育時(shí)期玉米植株氮素營養(yǎng)狀況。

2）利用氮營養(yǎng)指數(shù)（nitrogen nutrition index，NNI）模型對(duì)玉米植株氮素營養(yǎng)狀況進(jìn)行診斷，發(fā)現(xiàn)2個(gè)品種施N量270 kg/hm2處理的NNI在1附近波動(dòng)，因此，將施氮量270 kg/hm2作為該地區(qū)滴灌玉米施氮的參考值。

3）在非限氮處理下，玉米植株臨界氮吸收與LAI成正比，LAI與植株干物質(zhì)的異速生長參數(shù)接近理論值2/3。構(gòu)建的基于LAI的Nc稀釋曲線為滴灌玉米營養(yǎng)生長期氮肥管理提供了一種診斷思路。