基于臨界氮濃度的寧夏玉米氮吸收與虧缺模型研究

賈 彪 付江鵬

(寧夏大學農學院， 銀川 750021)

0 引言

氮肥對玉米生長發育起著至關重要的作用，合理施用氮肥可以增加玉米干物質積累量[1]，促進植株對氮素的吸收[2]，從而提高產量[1]。目前，農業生產過程中不合理施用氮肥導致的環境污染問題日益突出[3]，與氮肥相關的水體污染[4]、土壤污染[5]和大氣污染[6]等成為現代農業研究的熱點問題。因此明確玉米不同生育時期的臨界氮濃度，對減少污染、增加產量、保護環境和實現農業可持續發展具有重要意義。

本研究以當地主栽品種天賜19為對象，通過2年田間定位試驗，研究滴灌玉米基于臨界氮稀釋曲線的氮吸收模型與氮累積虧缺模型，旨在探究臨界氮稀釋曲線在寧夏引黃灌區的適用性，以期為水肥一體化條件下玉米定量和精準施用氮肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017、2018年4—9月在寧夏回族自治區農墾平吉堡農場(106°1′47″E， 38°25′30″N)進行。該地海拔為1 100 m，多年平均溫度、降雨量和蒸發量分別為8.6℃、272.6 mm和2 325 mm，其中玉米生育期氣象數據如圖1所示。試驗田基礎土壤肥力(0～20 cm)pH值7.71，有機質質量比12.56 g/kg、全氮質量比0.63 g/kg、全磷質量比0.51 g/kg、堿解氮質量比34.00 mg/kg、速效磷質量比19.37 mg/kg和速效鉀質量比84.31 mg/kg。

圖1 玉米生育期氣象數據Fig.1 Meteorological data during growth period of maize

1.2 試驗設計

供試玉米品種為天賜19。試驗設6個水平，施氮量分別為0、90、180、270、360、450 kg/hm2，以N0、N90、N180、N270、N360、N450表示，小區面積67.5 m2，重復3次，隨機區組排列。種植密度約9×104株/hm2，采用寬窄行種植，寬行70 cm，窄行40 cm。

采用水肥一體化滴灌施肥技術，肥料由施肥罐隨水施入，窄行玉米中間布設1條滴灌帶，2行玉米由1條滴灌帶控制，滴灌帶滴頭間距為30 cm，滴頭流量 2.5 L/h，滴頭工作壓力0.1 MPa。 灌水量以作物需水量(ETc=KcETo，ETo為參考作物蒸發蒸騰量，Kc為作物系數)為基礎，依據2006—2016年過去10年氣象數據按 Penman Monteith 修正公式計算[23]，然后取平均值。Kc前期(苗期-拔節期)取0.7，中期(吐絲期-灌漿期)取1.2，后期(乳熟期)取0.6[23]。玉米全生育期灌水總量為400 mm，苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期和成熟期灌水量分別為20、100、140、120、20 mm，灌水次數分別為1、3、2、3、1次。2年生育期各施肥8次，分別于苗期1次、拔節期3次、抽雄期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%、拔節期45%、抽雄期20%，灌漿期25%。供試氮肥為尿素(總N質量分數大于等于46.4%)，磷鉀肥隨水施入(P2O5138 kg/hm2和K2SO4120 kg/hm2)。2017年和2018年分別于4月26日、4月28日播種，9月16日、9月18日收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1地上部植株生物量

于玉米拔節期、小喇叭口期、大喇叭口期、吐絲期、乳熟期、臘熟期和成熟期(播種后45、55、65、85、95、105、115 d)共計破壞性取樣7次，每個小區選取長勢一致的3株，將器官分成為莖、葉和穗3部分，于105℃干燥箱中殺青30 min，80℃干燥至質量恒定后稱量。

1.3.2地上部植株含氮量

將各處理的干樣粉碎、研磨、過篩，利用凱氏定氮法對植株各器官全N含量進行測定，最后計算出植株氮濃度[14]。

1.3.3產量

在玉米收獲期每小區隨機選取植株完整的長方形地塊(1.1 m×3 m)進行樣方選擇，把樣方內的所有玉米果穗帶回實驗室，脫粒，玉米籽粒折合14%的含水率進行產量計算。

1.4 模型構建

1.4.1臨界氮稀釋曲線模型

根據JUSTES等[24]提出的臨界氮稀釋曲線模型計算方法，其建模步驟如下：對不同施氮處理下的地上部干物質積累量進行方差分析，將其分為2類，即限氮和非限氮。對于玉米生長受氮素限制的施氮水平，將其地上部干物質積累量與對應的氮濃度進行曲線擬合。對于玉米生長不受氮素限制的施氮水平，用其地上部干物質積累量的平均值代表最大生物量。每次采樣日的理論臨界氮濃度由上述線性曲線與以最大生物量為橫坐標的垂線的交點縱坐標確定。

按GREENWOOD等[12]提出的臨界氮濃度定義，其模型表達式為

(1)

式中a、b——模型參數

1.4.2氮吸收模型

滴灌玉米地上部氮吸收量與地上部積累的最大干物質量之間關系為

Nupt=NcDM

(2)

式中Nupt——玉米地上部氮吸收量，kg/hm2

將式(1)代入式(2)得到玉米臨界氮吸收模型

(3)

式中Nuptc——臨界氮吸收量，kg/hm2

其中1-b表示生長參數，為氮相對吸收速率與地上部生物量積累速率之比。

1.4.3氮虧缺模型

根據式 (1) 可推導出玉米臨界氮積累方程式(3)，并可推導出氮積累虧缺方程，其推導過程參照LEMAIRE等[25]的研究方法，方程為

Nand=Nuptc-Nna

(4)

式中Nand——氮積累虧缺量，kg/hm2

Nna——實際氮積累量，kg/hm2

若Nand=0，表示植株體內氮素積累恰好合適；若Nand>0，表示植株體內的氮積累不足；若Nand<0，表示植株體內氮積累過剩。

1.5 數據處理

采用Excel 2013進行數據匯總與計算， Origin 2018作圖，SPSS 22.0 進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 滴灌玉米地上部干物質量動態變化

如圖2(圖中不同小寫字母表示各處理在0.01水平差異顯著)所示，玉米干物質積累量隨生育進程的推進呈增加的趨勢。在播后55 d最低，在播后115 d升至最高，變幅在1.24～16.08 t/hm2之間；在播后65 d不同氮素水平玉米干物質量差異明顯增大。不同年份、同一生育時期，地上部干物質量隨著施氮水平的提高呈增加趨勢。由于2017—2018年玉米拔節期各處理地上部干物質量小于1 t/hm2，故對拔節期數據予以舍棄。對比分析不同氮素水平下玉米成熟期干物質量，整體上由小到大依次為：N0、N90、N180、N270、N360、N450。

圖2 滴灌玉米地上部生物量的動態變化Fig.2 Dynamic changes of dry matter quality in drip irrigation maize

圖3 滴灌玉米植株氮累積量動態變化曲線Fig.3 Dynamic changes of nitrogen accumulation in drip irrigation maize plants

2.2 滴灌玉米植株氮積累量動態變化

如圖3所示，玉米植株氮積累量隨著播種后時間的增加呈上升趨勢。不同年份、同一生育時期，玉米植株氮素積累量隨施氮水平的提高而增加。由于玉米植株對氮素的吸收積累能力并非無極限，因而當玉米植株體內的氮積累量達到一定限度時，并不隨著施氮水平的提高而增加，而是趨于一個穩定的數值范圍內，故N270、N360和N450的氮積累量較相近。

2.3 滴灌玉米產量效應分析

如圖4(圖中** 表示在0.01水平差異顯著)所示，滴灌玉米產量隨施氮量的增加而顯著增加，但當施氮水平超過一定界限后產量不再增加反而降低。由擬合曲線得到相應的滴灌玉米理論平均適宜施氮量為311 kg/hm2，產量為13.958 t/hm2。

由圖4可以看出，滴灌玉米地上部干物質量和產量均受到氮素水平的影響，適宜的氮素水平有利于干物質量和產量的形成。對比不同氮素水平下滴灌玉米地上部生物量和產量可發現，一定施氮范圍內，干物質量與產量均隨施氮水平的提高而增加，當施氮量達到一定水平時，再增加施肥量，生物量沒有明顯變化，但是產量卻有下降的趨勢，表明只有在適宜施氮量時，產量與生物量才能達到最高。可見，滴灌玉米在生長過程中存在一定的臨界需氮量。

圖4 滴灌玉米產量動態變化曲線Fig.4 Dynamic curves of drip irrigation maize yield

2.4 滴灌玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型

從圖5可知，在相同的干物質量條件下，隨著施氮水平的提高，其氮濃度呈升高趨勢。不同年份、不同氮素水平下玉米地上部植株氮濃度與干物質量間的關系，均符合冪函數關系，各施氮量處理間滴灌玉米干物質量與植株氮濃度間冪函數關系見表1。

圖5 不同氮素水平下玉米氮濃度與生物量的關系Fig.5 Relationship between nitrogen concentration and biomass of maize under different nitrogen levels

按照JUSTES等[24]對臨界氮濃度的計算方法，利用式(1)構建了不同年份滴灌玉米臨界氮稀釋曲線模型，如圖6(圖中Nmax、Nmin表示最大、最小臨界氮濃度)所示。結果顯示2017年和2018年的擬合方程決定系數分別為0.969和0.982，均達到了極顯著水平(表2)，表明臨界氮稀釋曲線可以很好地描述滴灌玉米地上部生物量與植株氮濃度的關系。

表1 滴灌玉米干物質量與氮濃度間冪函數方程Tab.1 Power function equation between dry matter quality and nitrogen concentration of drip irrigation maize

注：** 表示在0.01水平上差異顯著，下同。

圖6 基于地上部干物質量的臨界氮濃度稀釋曲線Fig.6 Critical nitrogen concentration dilution curves based on above ground dry matter

采用式(1)、(3)對上述確定的臨界氮濃度與對應的最大干物質量進行擬合，得到滴灌玉米臨界氮濃度模型和氮吸收模型參數，如表2所示。

2.5 滴灌玉米氮吸收模型

根據式(3)可得到各取樣日玉米臨界氮累積量，將其分別與不同氮素水平下實測氮累積量進行對比，結果如圖7所示。不同氮素水平下氮累積量與臨界氮累積量的相對誤差(各擬合直線斜率與1的相對誤差)2017年為31.24%、19.60%、8.38%、1.54%、2.05%、3.76%，2018年分別為22.63%、16.27%、11.02%、3.54%、6.52%、8.91%，說明施氮量以270 kg/hm2為宜。

2.6 滴灌玉米氮虧缺模型

由圖8可知，各生育期Nand均隨施氮水平的提高而減小，甚至有負值出現。各施氮處理植株Nand均隨播種后時間的增加而增加，在N0、N90和N180施氮水平時，Nand均大于0，表明植株體內氮素積累量不足；在N360和N450處理施氮水平時，Nand小于0，表明植株體內氮積累量過剩；在N270施氮水平時，Nand在0上下波動，表明施氮量在270 kg/hm2時植株體內氮素積累較為適宜。

3 討論

3.1 施氮對滴灌玉米干物質量、氮累積和產量的影響

作物氮素吸收是作物光合產物的基礎，與作物產量密切相關[26]。WOOD等[27]研究表明，植株氮吸收累積與干物質量累積密切相關。本研究表明，滴灌玉米植株對氮的容納有一定的限度，地上部干物質量增長和氮吸收累積均受施氮水平的影響，且其隨生育進程的推進呈上升趨勢(圖2和圖3)，N270施氮水平下各特征值較為協調，對生物量和氮累積較為有利，盡管N360和N450施氮水平的干物質量較高，但其氮累積量過高，過多的氮儲存在植株中，造成氮奢侈消耗，導致產量下降(圖4)。本研究進一步表明，產量并非與施氮水平和氮累積量呈正相關，過多施氮將導致產量下降[28]。可以推測玉米存在氮奢侈消費現象，因而根據動態變化可判定有臨界氮濃度稀釋曲線存在。

表2 滴灌玉米臨界氮稀釋曲線模型和氮吸收模型參數Tab.2 Critical nitrogen dilution curve model and nitrogen absorption model parameter value of drip irrigated maize

注：** 表示在0.01水平差異顯著。

圖7 滴灌玉米氮吸收量與臨界氮累積量的關系Fig.7 Relationship between nitrogen uptake and critical nitrogen accumulation in drip irrigation maize

圖8 滴灌玉米氮累積虧缺量動態變化曲線Fig.8 Dynamic variation curves of nitrogen deficiency deficit in drip irrigation maize

3.2 玉米臨界氮濃度稀釋模型比較

本研究以2年田間定位試驗構建了寧夏引黃灌區不同年份玉米臨界氮稀釋曲線模型(圖6)，通過比較不同年份臨界氮稀釋曲線模型，其對應的模型中，參數a和b均存在一定差異。由于2年玉米生育期降雨量不同造成生長之間存在差異(圖1)，2018年玉米干物質量較高于2017年，這主要由于2017年降雨量少，從而水熱資源供應不足，最終導致干物質量低于2018年。此外，隨著干物質量的增加，氮含量曲線均呈現下降趨勢，參數b值2018年大于2017年。參數a的95%的置信區間2017年介于33.753～34.991之間，2018年介于32.862～35.911之間，可以看出兩者差異不大，平均值為34.947。由此可見，降雨量不會改變模型a值。

從構建的模型角度來看，其形式上與文獻[20-22]針對華北地區、陜西關中地區和豫中地區建立的玉米臨界氮稀釋模型一致，其取樣時間(播種后45 d)與銀敏華等[21](種植后45 d)相同，這說明臨界氮濃度稀釋模型的建立與玉米的生育期無明顯的關系，所得模型b均值為0.307，與梁效貴等[20]構建模型b值(0.413 4)、安志超等[22]所建立的模型b值(0.370和0.341)、銀敏華等[21]施用控釋氮肥構建模型b值(0.339)差異較大；與銀敏華等[21]施用尿素構建模型b值(0.308)極為接近。但模型a值(34.947)與梁效貴等[20](34.914)極為接近；與銀敏華等[21](33.806和34.356)和安志超等[22](35.638和30.801)的研究結果有所差異，說明寧夏引黃灌區滴灌玉米的氮吸收能力比華北地區、陜西關中地區和豫中地區的玉米(中單909)氮吸收能力強，但是低于豫中地區玉米(偉科702)的氮吸收能力。其原因可能是寧夏引黃灌區玉米采用水肥一體化滴灌施肥模式，遵循“少量多次”的原則，這與梁效貴等[20]分基施40%和大喇叭口期追施60% 2次施入、銀敏華等[21]施用尿素時基追比為2∶3施入和施用控釋氮肥時作基肥一次施入、安志超等[22]分基施1/3和大喇叭口期開溝追施2/3不同，說明玉米氮素吸收能力可能受施肥方式的影響，也可能是由于玉米品種、土壤類型和氣候條件等不同所導致，或是這些因素的共同作用所影響，但究竟是何種因素影響較大，仍需設計試驗進一步探討。

3.3 滴灌玉米氮素營養診斷評價

氮虧缺量可精確地診斷、衡量植株氮素營養狀況，對定量作物生長發育過程中的施肥量具有重要的指導意義。若Nand等于0，表示植株體內氮素積累恰好合適；若Nand大于0，表示植株體內的氮積累不足；若Nand小于0，表示植株體內氮積累過剩。銀敏華等[21]利用氮累積虧缺模型對玉米不同生長階段的氮素營養狀況進行診斷，結果發現施用2種肥料(尿素和控釋肥)的最佳施氮量分別為160 kg/hm2和120 kg/hm2左右。本研究結果表明，供試玉米品種的施氮水平為270 kg/hm2時，Nand在0附近波動(圖8)，表明施氮量在270 kg/hm2時植株體內氮素積累較為適宜。利用Nand確定的最佳施氮量與張富倉等[29]基于最小二乘法推薦的寧夏滴灌玉米適宜施氮量(210～325 kg/hm2)的研究結果基本一致。因此，進一步表明氮虧缺量可以很好地評估玉米的氮素營養狀況。

4 結束語

利用2年6個氮素水平的定位試驗數據，建立了寧夏引黃灌區滴灌玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型，結果表明，滴灌玉米地上部干物質量增長和氮吸收累積均受施氮水平的影響，且其隨生育進程的推進呈上升趨勢，氮累積量過高或過低均不利于產量形成，玉米植株存在氮奢侈消費現象；滴灌玉米臨界氮濃度(Nc)、最高(Nmax)和最低(Nmin)氮濃度與地上部干物質量之間均可用冪函數方程來表示，其平均決定系數R2分別為0.976、0.903、0.941，均達到極顯著水平；基于臨界氮濃度構建的氮吸收模型和氮積累虧缺模型對滴灌玉米生育期內氮素營養診斷結果一致，綜合施氮量與產量的擬合曲線，推薦寧夏引黃灌區滴灌玉米施氮量以270～311 kg/hm2為宜。