基于臨界氮濃度稀釋曲線的小麥氮肥需求量估測研究

田興帥，李松陽，張 羽，劉小軍，田永超，朱 艷，曹衛星，曹 強

(南京農業大學國家信息農業工程技術中心/農業農村部農作物系統分析與決策重點實驗室/江蘇省信息農業重點實驗室/江蘇省物聯網技術與應用協同創新中心，江蘇南京 210095)

氮肥對糧食增產的貢獻率達到30%～50%，是小麥生長發育所必需的營養元素之一，其對于小麥產量的提高和品質的調控起著至關重要的作用[1]。中國小麥生產過程中施用的氮素占到了中國氮素消費的14%[2]。然而，小麥產量并非一直隨施氮量的增加而提高，氮素的過量施用及施用時期的不合理還可能造成減產的后果[3-4]，同時帶來一系列的環境問題[5-6]。因此明確小麥生產過程中各階段合理的氮素需求量，精確施用氮肥，對提高小麥產量、降低環境污染、促進我國生態文明建設至關重要。

臨界氮濃度是實現作物最大生物量所需要的最低氮濃度，臨界氮濃度曲線(Nc=aW-b)能夠反映作物體內氮素濃度和地上部生物量之間關系(Nc代表地上部植株的臨界氮濃度(%)，W代表植株地上部生物量(t·hm-2)，a代表地上部生物量為1 t·hm-2時的氮濃度，b代表曲線的稀釋系數)[7-8]。國內學者針對中國不同類型的生態區域結合當地推廣的小麥品種，建立了適應于各種生態條件的臨界氮濃度稀釋曲線[9-13]，通過臨界氮濃度曲線計算得到氮營養指數(nitrogen nutrient index，NNI)，并用來診斷作物的氮素營養狀況，NNI<1表明植株氮素不足，NNI>1表明植株氮素過量，NNI=1則代表植株氮素狀況處在最佳狀態。然而，由于用NNI較難確定作物的氮素需求量，因而不能基于其來優化氮素的施用，尤其是不適用于氮素不足狀況下適宜施氮量的確定。前人的研究已經建立了基于臨界氮濃度稀釋曲線計算氮素需求量(nitrogen requirement，NR)的方法[14]，并通過估測相對產量(不同氮設置下的產量與當地最高產量的比值)來糾正作物生育時期的氮素需求量，當NR>0 kg·hm-2時表明作物氮素不足，施氮量過少；當NR<0 kg·hm-2時代表作物對氮素奢侈吸收，施氮過量；當NR=0 kg·hm-2時表明氮素施用量最接近作物的最佳施氮量。該方法在馬鈴薯[14]、水稻[15]等作物上已有相關應用。前人針對小麥相對產量(relativeyield,RY)與NR的關系已進行了系統研究[16]，但是基于臨界氮濃度曲線估測NR，并通過RY調整不同生育階段的NR，從而實現小麥氮素的精確管理的研究在國內還少有報道。

鑒于此，本研究擬開展不同年份、地點、氮素施用量的小麥試驗，建立NNI-NR、RY-NNI以及RY-NR之間的關系，并確立小麥氮素需求量的估測方法，明確該方法應用于小麥氮素管理上的可行性，以期為小麥氮素精確管理提供理論指導和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗實施情況

本研究于4個不同年份及地點(表1)，開展了不同品種和氮肥水平的小麥試驗，各試驗點分布情況及土壤屬性見表2。

各試驗氮肥施用基追比均為5∶5，基施氮肥于播種前施入，追施氮肥在拔節期施入。采用人工條播的播種方式，品種為主區，氮肥為副區，小區面積30 m2(5 m×6 m)，行距25 cm，重復3次。試驗1～3的基本苗為2.25×106株·hm-2，試驗4的基本苗為1.8×106株·hm-2。結合整地，試驗1～3基施P2O5105 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2，試驗4基施P2O5和K2O 150和210 kg·hm-2，其他管理同一般高產田。

1.2 生物量、植株氮含量、相對產量的測定

在小麥生長的關鍵時期，各小區取代表性植株20株，將樣品按照莖、葉、穗分離，于105 ℃殺青30 min，再經80 ℃烘干后稱重。樣品粉碎后使用半微量凱氏定氮法測定植株全氮量。

成熟期每小區收取1 m2樣方進行測產，并根據實際產量計算同一品種下不同氮水平的相對產量(RY，小區實際產量與最高產量的比值)。

表1 不同年份、地點小麥小區試驗實施情況Table 1 Basic information of experiments at different locations during different years

在各試驗點4個不同取樣時間，小麥分別處于拔節期、孕穗期、抽穗期、開花期。

Wheat samples were collected at jointing,booting,heading and anthesis stagesat the four sampling dates at each experiment location.

表2 各試驗田塊耕層土壤基礎養分Table 2 Basic nutrient content in tillage layer of soil in each experimental spot g·kg-1

1.3 小麥臨界氮濃度稀釋曲線和氮參數計算

本研究選擇王曉玲[9]所建立的小麥臨界氮濃度曲線(Nc= 4.16W-0.41,W≥1 t·hm-2)進行相關分析。NR=(Ncna-Nna)/NUE，NR、Ncna、Nna、NUE分別代表氮素需求量、臨界氮濃度曲線下的氮積累量、不同氮水平下的氮積累量和氮素利用率，其中NUE采用王桂良[17]對南方冬小麥(含江蘇省)的研究結果，定為38%。氮營養指數(NNI)是基于Nc提出的，NNI=Na/Nc,Na為小麥地上部實際測得的氮濃度，Nc為基于臨界氮濃度稀釋曲線獲得的臨界氮濃度值。

1.4 模型的構建和驗證

本研究以試驗1和試驗2的數據構建小麥拔節期、孕穗期、抽穗期、開花期NNI-NR，RY-NNI和RY-NR的關系模型，采用決定系數R2對所構建模型的擬合優度進行評價。同時，運用獨立試驗數據(試驗3、試驗4)對所構建模型進行驗證，采用相對均方根誤差RRMSE對驗證結果進行 評價。

其中，Pi代表模型模擬值，Qi代表真實觀測值，n代表樣本數量，計算所得RRMSE值越小，模型精度越高。

采用SPSS 25.0進行模型的構建與驗證，使用Sigmaplot 12.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 基于氮積累量估算小麥氮素需求量

基于試驗1和試驗2數據計算得到的不同小麥品種拔節期至開花期的當季氮素需求量(NR)為-220.02～169.61 kg·hm-2(圖2)。對于試驗1，當總施氮量在N1(120 kg·hm-2)水平時，各品種NR值最接近于0 kg·hm-2，說明N1最接近于最佳施氮量。N2(225 kg·hm-2)、N3(330 kg·hm-2)水平下NR為負值，說明氮素施用過量。

試驗2中N3(270 kg·hm-2)水平下，兩品種在拔節期時NR值最接近于0 kg·hm-2，而在其他生育階段，當施氮量在N2(180 kg·hm-2)水平時NR值最接近最佳施氮量。對于各試驗中不同的小麥品種，雖然最佳的氮素需求量表現一致，但是品種間仍然存在差異，淮麥20相較于其他品種差異最明顯，在兩試驗的最佳施氮量水平下(試驗1中N1水平，試驗2中N2水平)，淮麥20在各生育階段的NR值始終大于0 kg·hm-2，說明對于淮麥20而言，最佳施氮量要高于其他品種。在兩試驗的最佳施氮水平下，小麥拔節期NR值分布在-28.22～36.21 kg·hm-2，平均值為0.17 kg·hm-2，孕穗期、抽穗期和開花期的NR平均值分別為11.63、6.77、42.40 kg·hm-2。

GS31：拔節期；GS45：孕穗期；GS55：抽穗期；GS65：開花期。

GS31：Jointing;GS45:Booting;GS55:Heading;GS65:Anthesis.

圖1 小麥不同生育時期氮素需求量

Fig.1 Nitrogen requirement of wheat at different growth stages

2.2 小麥NNI-NR關系的擬合性

在各個生育時期中，NNI與NR均表現出極強的相關性(圖3)，二者之間呈負相關。當NR=0 kg·hm-2時，NNI接近于1，代表最優的氮素供應；氮素不足時NR>0 kg·hm-2，NNI<1；反之，NR<0 kg·hm-2，NNI>1。其中，拔節期二者的相關性最強，R2值達0.97；其次為孕穗期，R2值為0.95；抽穗期與開花期決定系數R2值均為0.93。因此，在拔節期至開花期，可以利用所構建的NNI-NR模型估測小麥實時氮素需求量。

2.3 小麥RY-NNI關系的擬合性

從圖4看，RY-NNI數據點呈較為明顯的線性加平臺的分布，即當NNI小于某個臨界值時，RY隨NNI數值增大而升高，當NNI到達該臨界值并繼續增大時，RY保持不變即達到最大值。通過4個生育時期建立的模型進行計算，NNI臨界值在拔節期、孕穗期、抽穗期和開花期分別為 0.919、0.984、1.102和0.992。雖然抽穗期的NNI臨界值最大，但RY值最小，模型擬合性最差；開花期的RY-NNI模型擬合效果最好，R2值達到0.86。

圖2 小麥不同生育時期氮營養指數與氮素需求量之間的關系(NNI-NR) Fig.2 Relationships between nitrogen nutrition index and nitrogen requirement (NNI-NR)of wheat at different growth stages

圖3 小麥不同生育時期相對產量與氮營養指數之間的關系(RY-NNI)Fig.3 Relationships between relative yield and nitrogen nutrient(RY-NNI) of wheat at different growth stages

2.4 小麥RY-NR關系的擬合性

從圖5來看，在小麥主要生育階段內，RY和NR均表現為線性加平臺的關系。當NR小于或等于某一臨界值時，RY達到最大值并保持穩定；當NR大于該臨界值時，RY隨NR的增大而下降，二者呈負相關。當NR最接近于0 kg·hm-2時，RY最接近于1，小麥產量達到最高。在拔節期、孕穗期、抽穗期和開花期，NR臨界值分別為33.60、11.25、-20.50和-24.00 kg·hm-2。其中，孕穗期NR的臨界值最接近于0 kg·hm-2，模型擬合性最好，R2值為0.81；開花期的模型擬合性最差，R2值為0.70。因此，在通過RY-NNI模型預測產量目標的基礎上，可以使用RY-NR模型校正小麥不同生育階段的氮素需求量。

2.5 模型檢驗

使用試驗3和4數據集對所建立的小麥4個生育時期的三種模型(NNI-NR、RY-NNI、RY-NR)進行驗證。結果(表3)表明，對于NNI-NR模型預測效果，綜合R2和RRMSE的表現，拔節期的模型最優；孕穗期R2值高于抽穗期，RRMSE值略低于抽穗期，總體上孕穗期預測效果優于抽穗期；開花期的R2值和RRMSE值分別為0.86和14.82%，模型表現最差。對于RY-NNI模型預測效果，開花期最好，R2值和RRMSE值分別為0.96和7.84%；抽穗期的R2值和RRMSE值均優于孕穗期；拔節期模型最差，R2值和RRMSE值分別為0.67和18.64%。對于RY-NR預測效果，抽穗期具有最高的R2值和最低的RRMSE值，模型表現最好；其次為開花期模型；孕穗期具有最小的R2值，但是拔節期具有更大的RRMSE值，綜合來看拔節期的模型表現最差。總的來看，建立的三種模型中NNI-NR模型預測精度最好，RY-NR模型表現最差。

3 討 論

3.1 不同小麥臨界氮濃度稀釋曲線和氮素需求量估測方法比較分析

Justes等[8]最先建立了小麥臨界氮濃度曲線(Nc=5.35W-0.442)，表征小麥地上部生物量與植株氮濃度之間的關系，成為小麥氮素管理的有效工具，并被證明了Nc在不同生態區域以及小麥品種間存在差異[13,18]。如本研究所采用的臨界氮濃度曲線(Nc=4.16W-0.41)[9]與法國冬小麥模型(Nc=5.35W-0.442)[8]相比，參數a相差較大，而參數b比較接近；與華北平原冬小麥模型(Nc=4.15W-0.38)[13]以及長江中下游稻麥兩熟區模型(Nc=4.33W-0.44、Nc=4.65W-0.45)及(Nc=4.29W-0.425)[11-12]相比，參數a差異較大，參數b相近；同時，中國冬小麥臨界氮濃度稀釋曲線與法國冬小麥臨界氮濃度稀釋曲線存在明顯差異，這一定程度上反映了模型參數會受到品種和環境條件的影響。參數a的差異主要是由于品種因素導致的，而參數b受到品種和環境的影響較小[10,19]，因此針對不同地區及不同品種需建立不同的曲線加以利用，滿足實際生產和氮肥推薦需求。

綜合考慮試驗點的區域和特性及小麥品種因素，本研究選用了小麥臨界氮濃度稀釋曲線(Nc=4.16W-0.41)，并計算得到江蘇地區的小麥氮素需求量，結果表明，小麥最佳氮肥施用量為120～180 kg·hm-2，平均值為150 kg·hm-2。趙 犇等[19]基于臨界氮濃度構建了小麥氮虧缺值模型，將江蘇省小麥的適宜施氮量確定在150～225 kg·hm-2范圍；Yao等[20]基于小麥葉片臨界氮濃度模型方法得到了相似的結果。在針對江蘇省小麥的其他研究中，有人認為，當施氮量達到180 kg·hm-2時，小麥能保持產量穩定，并獲得較高的氮素利用率[21]，通過區域最大收益施氮量方法(maximum return to N，MRTN)計算出江蘇地區小麥氮肥推薦用量為165 kg·hm-2[22]，結果均與本研究的結果接近，表明在江蘇省地區可以使用本研究所選的曲線推薦小麥氮肥用量。在河南和關中地區，通過使用相應地區適宜的小麥臨界氮濃度稀釋曲線估測方法和其他方法得到的小麥氮肥推薦用量也均較為接近[10,22-27]，說明使用臨界氮濃度稀釋曲線估測小麥氮素需求量的方法較可靠。綜上，使用臨界氮濃度曲線得到的各個地區小麥推薦施氮量與其他研究方法較為一致，說明通過臨界氮濃度曲線能夠很好地估測小麥的氮素需求量，本研究提出的方法適用于氮素的快速診斷和施肥決策。

圖4 小麥不同生育時期相對產量與氮素需求量之間的關系(RY-NR)Fig.4 Relationships between relative yield and nitrogen requirement(RY-NR) of wheat at different growth stages表3 小麥不同生育期NNI-NR、RY-NNI、RY-NR模型驗證結果Table 3 Validation of NNI-NR,RY-NNI and RY-NR models for wheat at different growth stages

生育時期Growth stageNNI-NRR2RRMSE/%RY-NNIR2RRMSE/%RY-NRR2RRMSE/%拔節期Jointing0.939.940.6718.640.6030.05孕穗期Booting0.9011.820.7618.090.5823.97抽穗期Heading0.8911.290.8511.630.6518.93開花期Anthesis0.8614.820.967.840.6419.43

3.2 小麥追肥時期以及品種需肥特性差異分析

小麥拔節期至開花期是其生長調控和決定產量的關鍵階段[28]。前人研究認為，在拔節期之前施用更多的氮肥對于提高產量最為重要[29]，而近年來的研究表明小麥拔節后，氮素需求量增加，是氮素管理的關鍵階段[30]，該階段與小麥的穗分化和籽粒灌漿密不可分。在該研究中，小麥四個主要的生育時期(拔節期、孕穗期、抽穗期、開花期)最佳施氮量水平(RY最接近于1)下NR均為正值，說明小麥中后期的氮素供應還可以進一步優化，但未到達試驗設計中所設置的下一施氮量水平。開花期的NR值相較于其他三個時期較高，并非意味著開花期需要進一步施肥，可能是由小麥在拔節期到抽穗期生長過快而導致植株體內氮濃度下降及作物氮素需求與土壤氮素供應之間存在時間差異而造成的結果[31]。各品種對適宜施氮量的具有相似的響應趨勢，但是不同品種間仍然表現出特異性，可能與品種因素有關[32]。

3.3 建模與驗證結果及差異分析

在RY-NNI模型中，從拔節期到抽穗期，NNI臨界值逐漸增大，在抽穗期達到最大并開始下降，開花期NNI臨界值小于抽穗期，大于拔節期和孕穗期；在RY-NR模型中的表現基本一致，拔節期至開花期NR值逐漸減小。上述兩種模型臨界值的表現主要與小麥吸肥特性和追肥時期有關，小麥在拔節期至開花期吸收的追施氮肥占到全生育期吸收追施氮肥的80%～90%[3]，拔節期追施氮肥可以提高小麥開花期的氮素含量[4]。

RY-NNI和RY-NR模型驗證結果顯示，兩模型均在拔節期表現最差，其次為孕穗期最差，這與建模結果存在差異，與前人研究也有所不同[11]，這可能是由于不同年份和品種間的差異造成的。盡管模型最佳的時期存在差異，但是各時期模型關系均比較穩定，能夠用于小麥生長期間的追氮調控；并且RY-NNI模型NNI臨界值和RY-NR模型NR臨界值變化基本一致，驗證結果也表明兩模型表現最好的兩個時期均為抽穗期和開花期，說明通過臨界氮濃度稀釋曲線計算作物氮素需求量的方法是可靠的。

3.4 基于臨界氮濃度稀釋曲線的小麥精確氮素管理

通過臨界氮濃度求得的NNI可以準確地判斷植株的氮素營養狀況[13]，從而對植株是否缺乏氮素進行判斷。隨著現代科技的發展，葉綠素儀和冠層傳感器等廣泛應用于作物NNI的快速獲取計算[33,34]，這將更有利于估測NR。然而，NR的確定與產量目標密不可分，過高或過低的產量目標都會影響氮肥施用決策。在RY-NNI和RY-NR模型中，NNI>1或NR<0 kg·hm-2代表植株氮素過剩，此時部分RY值低于NNI=1或NR=0 kg·hm-2時的RY臨界值，說明過多的氮素投入并不代表一定能獲得高產；然而，在中國農民的傳統農事操作中，往往傾向于投入大量的氮肥，以期作為高產的一種保證，同時為了減少勞動成本，農戶將過高比例甚至全部的氮肥作為基肥的使用，這種做法一方面難以滿足作物氮素需求與氮素供應同步的潛在要求，亦增加了成本和對環境的影響，卻并不能保證獲得高產[35]。精確氮素管理的關鍵，是實現植株氮素需求與土壤氮素供應同步，這表現在肥料施用與肥料作用于植物存在時間差，因此在小麥需肥的生育階段前準確地估計氮素需求量顯得至關重要。模型的檢驗結果表明，本研究所建立的拔節期至開花期的三種模型(NNI-NR、RY-NNI、RY-NR)具有非常好的穩定性，能夠比較準確地進行小麥當季產量目標和氮素需求的預測，進而指導氮肥施肥。

由此可見，在小麥各關鍵生育階段，首先根據RY-NNI模型確定產量目標，是給出合理的追肥建議的關鍵，通過產量目標即RY-NR模型得到作物總的氮素需求量，最后根據NNI-NR之間可靠的線性關系確定施肥建議。