玉米臨界氮濃度稀釋曲線研究進展

翟勇全，蘭 宇，康建宏，姬 麗，李稼潤

（寧夏大學 農學院，寧夏 銀川 750021）

氮肥對于保障糧食作物安全具有重要意義，研究表明，氮肥對糧食作物的貢獻可達到30%～50%[1-4]。但就目前氮肥的使用而言，通過繼續(xù)增施氮肥來提高作物產(chǎn)量收效甚微，并且導致氮肥利用效率下降，同時也會加重農田土壤和水資源的污染。有研究表明，1990—2015年，我國氮肥投入量逐年提高，但是氮肥利用效率始終保持在35%左右[5]，并未隨氮肥投入量的增長而明顯提高，施入農田土壤中的氮肥有60%~70%經(jīng)揮發(fā)和淋溶等途徑損失[6]，進而引發(fā)了一系列環(huán)境污染問題，如土壤酸化[7]、水體污染[8]、溫室氣體排放[9]等。雖然繼續(xù)增加氮肥施用量對于提高糧食作物產(chǎn)量收效甚微，但是氮肥在增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)方面的作用又是不可替代的[10]。因此，在農作物生產(chǎn)中快速進行作物氮素營養(yǎng)診斷，并進行合理施肥推薦，對提高氮肥利用效率顯得尤為重要。

臨界氮濃度是由Greenwood等[11]在1991年首次提出，表示作物達到最大干物質時所需的最小氮濃度。臨界氮濃度稀釋曲線可以反映作物氮濃度與植株干物質之間的關系，其函數(shù)表達式為Nc=a×PDM-b。式中：Nc代表植株臨界氮濃度(critical nitrogen concentration，%)；PDM代表植株干物質（plant dry matter，t/hm2）；a代表植株干物質為1 t/hm2時的植株氮濃度；b表示稀釋系數(shù)（隨植株干物質增加而降低）。近年來，諸多國內外學者相繼分別構建了水稻[12-14]、小麥[15-17]、馬鈴薯[18]、棉花[19]、番茄[20]、油菜[21]等作物的氮濃度稀釋曲線模型。通過臨界氮濃度稀釋曲線可以對農作物氮營養(yǎng)指數(shù)（nitrogen nutrition index，NNI）進行估算，從而可以有效、準確地進行植株氮素營養(yǎng)狀況診斷并進行合理的施肥推薦。目前，國內學者針對不同玉米品種和不同種植生態(tài)區(qū)分別建立了玉米臨界氮濃度稀釋曲線，用于玉米氮素營養(yǎng)診斷和產(chǎn)量品質的預測等方面，期望能解決當?shù)厥┓使芾聿划數(shù)膯栴}[22]。筆者在閱讀了大量我國玉米作物臨界氮濃度有關文獻的基礎上，總結各地區(qū)稀釋曲線構建的方法及建立的情況，并對曲線參數(shù)的影響因素進行分析，旨在為臨界氮濃度稀釋曲線持續(xù)深入的研究提供參考依據(jù)。

1 玉米臨界氮濃度稀釋曲線研究進展

根據(jù)前人研究，將我國玉米研究區(qū)域劃分為黃淮海平原、關中平原、西北地區(qū)和東北平原四個區(qū)域。根據(jù)建立的依據(jù)不同，將其劃分為基于植株干物質（plant dry matter，PDM）、葉片干物質（leaf dry matter，LDM）、葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）和莖干物質（stem dry matter，SDM）的臨界氮濃度稀釋曲線。

1.1 玉米植株干物質臨界氮濃度稀釋曲線的構建

臨界氮濃度稀釋曲線建立的基礎是作物在完成一定時間的營養(yǎng)生長轉入生殖生長時，作物體內的臨界氮濃度隨著植株干物質的不斷增加而呈現(xiàn)下降的趨勢[23]。依據(jù)Justes[24]和薛曉萍等[25]提出的模型構建方法，其建模步驟大致可以分為以下4點。

1）對不同氮素處理下獲得的植株干物質和對應的植株氮濃度值進行方差分析，分為限氮組和非限氮組。

2）將限氮組的植株干物質和相對應的氮濃度值進行線性曲線擬合。

3）最大植株干物質值為非限氮組各處理植株干物質的平均值。

4）以植株最大干物質為橫坐標作垂線與線性曲線的交點即為臨界氮濃度值。

當相鄰處理間的植株干物質與對應的氮濃度方差分析結果為不顯著時，應采用Herrmann等[26]提出的方法，采用分段函數(shù)進行擬合分析。

國內外學者基于植株干物質，針對玉米作物建立了不同地區(qū)的臨界氮濃度稀釋曲線（表1）。由表1可知，玉米a、b值的范圍分別為2.330~3.563和0.237~0.396，可以看出同一品種在不同生態(tài)區(qū)域的a、b值存在差異，不同品種在同一生態(tài)區(qū)的a、b值也表現(xiàn)出差異性。其中，在黃淮海平原建立的玉米品種鄭單958臨界氮濃度稀釋曲線的a、b值差異均很大[27-28]。這表明曲線參數(shù)a、b值可能受到試驗年份和試驗地點的影響。而在同一地點對玉米不同品種的研究發(fā)現(xiàn)，其a、b值也存在一定的差異性。這表明玉米品種也是導致稀釋曲線a、b值出現(xiàn)差異的原因。前人研究認為，曲線參數(shù)a值可能與籽粒蛋白含量、氮素利用效率和作物生長發(fā)育時間相關，尤其是與玉米拔節(jié)后的生長時間相關[33-35]。但是通過表1可知，同一品種的a值也存在較大差異，這表明環(huán)境因素和栽培措施對曲線參數(shù)a值的影響作用可能最為關鍵。蘇文楠[34]研究表明，同一品種在不同年份下，a、b值之間出現(xiàn)差異，說明其可能與試驗地點和試驗年份有關。有研究者認為b是統(tǒng)計性參數(shù)，受到環(huán)境因素和品種間因素的影響較小；但是由表1可知這一結論并不完全適用。因此，在分析影響曲線參數(shù)a、b值的因素時應該綜合考慮多方面原因，同時在不同生態(tài)區(qū)針對不同玉米品種氮素營養(yǎng)的診斷應該建立相對應的稀釋曲線模型，以使診斷結果更加準確。

表1 基于植株干物質（PDM）的玉米臨界氮濃度稀釋曲線的構建

1.2 玉米葉片干物質臨界氮濃度稀釋曲線的構建

在玉米營養(yǎng)生長階段，葉片是玉米生長的中心，玉米葉片作為功能結構對玉米氮素的變化反應敏感。基于氮素對玉米生長發(fā)育的重要性，玉米葉片氮濃度稀釋曲線的構建對于氮素營養(yǎng)診斷具有重要意義，有助于更加深入了解作物氮素營養(yǎng)狀況，進行氮素營養(yǎng)診斷。其構建方法與植株干物質臨界氮濃度稀釋曲線構建方法相同。相比較而言，有關玉米葉片干物質臨界氮濃度稀釋曲線的構建研究較少，且研究地點主要集中在黃淮海地區(qū)和西北地區(qū)，目前主要的研究成果涉及小麥、水稻和棉花。由表2可知，玉米的a、b值范圍分別為2.610~3.491和0.204~0.391，在不同地區(qū)玉米的a、b值之間存在差異，這與植株干物質的研究結果相似。在同一地區(qū)不同玉米品種間其a、b值大致相近，這可能與當?shù)貧夂驐l件和取樣時期有關，具體原因還有待進一步研究探索。

表2 基于葉片干物質（LDM）的玉米臨界氮濃度稀釋曲線的構建

1.3 玉米葉面積指數(shù)臨界氮濃度稀釋曲線的構建

前人通過研究和構建農作物葉面積指數(shù)與植株干物質之間的關系，得出了在作物生長過程中營養(yǎng)生長階段與葉面積指數(shù)之間存在較好的異速生長關系[33]。近年來，隨著遙感和葉面積儀在農業(yè)生產(chǎn)上的廣泛應用，葉面積指數(shù)和植被指數(shù)更容易獲取，是較為理想的農學指標。其構建方法與基于植株干物質的臨界氮濃度稀釋曲線構建方法相似。由表3可知，基于葉面積指數(shù)的氮濃度稀釋曲線模型的研究較少，且研究地點主要集中在西北和黃淮海地區(qū)。在同一地區(qū)不同品種間a、b值差異也表現(xiàn)出不同的特性，玉米品種鄭單958和登海605的a值差異性顯著，但是b值差異不顯著；徐單20和登海605的a值差異不顯著，b值差異顯著；賈彪等[33]對玉米品種天賜19和寧單19基于葉面積指數(shù)進行臨界氮濃度稀釋曲線構建，結果表明不同品種a、b值之間差異不顯著。蘇文楠等[34]研究表明，不同氮素利用效率品種的a、b值存在差異，通過調查得知鄭單958為氮高效利用品種，這可能是造成a、b值存在差異的主要原因。

表3 基于葉面積指數(shù)（LAI）的玉米臨界氮濃度稀釋曲線的構建

1.4 玉米不同器官臨界氮濃度稀釋曲線的構建

近年來，國內許多學者基于玉米其他器官建立了臨界氮濃度稀釋曲線，比如莖干物質、穗干物質和冠層圖像參數(shù)等；但是基于作物不同器官建立臨界氮濃度稀釋曲線的研究較少，且多數(shù)研究材料為小麥，今后應加大這方面的研究力度，彌補不足。蘇文楠等[34]以2種不同氮素效率品種為試驗材料，基于葉片干物質、莖干物質和植株干物質構建了不同的臨界氮濃度稀釋曲線。結果表明，基于三者構建的氮濃度模型均能很好地對玉米進行氮素營養(yǎng)診斷，且基于莖干物質的臨界氮濃度稀釋曲線模型能更好地進行氮素營養(yǎng)診斷。但是目前基于莖干物質的研究較少，尚不足以證明基于莖干物質建立的臨界氮濃度稀釋曲線模型優(yōu)于其他模型。應加快基于不同生態(tài)區(qū)不同玉米品種不同器官的臨界氮濃度模型研究。

表4 基于不同器官的玉米臨界氮濃度稀釋曲線構建

1.5 臨界氮濃度稀釋曲線影響因素分析

從同一作物不同曲線的a值來看，其差異性較大，b值的差異性相對來說較小；但是曲線參數(shù)a值大約為曲線參數(shù)b值的10倍，兩者不在一個數(shù)量級上，因此不能通過觀察a、b值來判斷其變化程度。賈彪等[33]基于植株干物質構建了玉米品種天賜19的臨界氮濃度稀釋曲線模型。趙犇等[35]基于葉干物質和植株干物質分別構建了玉米品種正大12和陜單609臨界氮濃度稀釋曲線模型。蘇文楠等[34]基于葉干物質、植株干物質和莖干物質構建了玉米品種鄭單958和正大12的臨界氮濃度稀釋曲線模型，發(fā)現(xiàn)基于莖干物質建立的氮濃度模型曲線參數(shù)b值較小。這說明與植株和葉片相比，莖的氮濃度較小，但是莖的氮濃度稀釋速率高于葉片和植株，造成這種差異的原因主要是莖葉比。付江鵬[23，36]等基于植株干物質和葉片干物質建立了玉米品種天賜19的氮濃度模型，結果表明基于葉片干物質氮濃度模型的曲線參數(shù)a、b值低于植株干物質的曲線參數(shù)值。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于葉干物質和植株干物質積累不同步，當葉干物質達到1 t/hm2時，植株干物質早已遠大于此數(shù)值，此時葉片和植株體內的氮稀釋現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)生，進而導致基于葉干物質建立的氮濃度模型a值偏低。同時發(fā)現(xiàn)，不同氮利用效率玉米品種之間，基于葉片建立的曲線模型參數(shù)a、b值相近，而基于莖建立的模型參數(shù)，氮低效品種具有較高的a值，這可能是由于造成氮效率差異的原因來自于莖。這種規(guī)律并不適用于小麥和水稻等作物，這說明其結果可能具有偶然性，關于此方面的原因有待進一步研究探索。

2 結論

臨界氮濃度稀釋曲線是進行快速營養(yǎng)診斷的十分有效的指標，但是目前已經(jīng)建立的玉米臨界氮濃度稀釋曲線具有極強的地域差異性，其a、b值容易受到品種、溫度、施肥時期和方法等諸多因素的影響，因此尚未建立起一套完整有效的監(jiān)測方法。此外，基于玉米不同器官構建的臨界氮濃度稀釋曲線也不相同，進行作物氮素營養(yǎng)診斷時的精度也存在較大差異，其結果的可靠性有待進一步證實。因此，探究不同因子對臨界氮濃度稀釋曲線構建的影響十分必要。利用遙感影像數(shù)據(jù)與作物臨界氮濃度稀釋曲線，能夠實時無損獲取大面積田塊的氮素營養(yǎng)狀況，對氮肥調控具有重要的生產(chǎn)實踐意義。但還需提高遙感估測精度并探索建立作物臨界氮濃度稀釋曲線的簡便方法，以提升其在農業(yè)生產(chǎn)中的應用潛力。

3 展望

3.1 玉米各器官臨界氮濃度稀釋曲線的構建

現(xiàn)有臨界氮濃度稀釋曲線研究大多基于植株干物質和葉片干物質，基于其他器官的稀釋曲線很少，基于穗干物質和根系干物質的稀釋曲線目前還未見報道。因此，建立各器官的稀釋曲線有助于更有效地進行氮素營養(yǎng)診斷，從而進行合理施肥推薦與精準追肥。

3.2 基于冠層參數(shù)的玉米臨界氮濃度稀釋曲線的構建

氮素營養(yǎng)診斷，多數(shù)采用常規(guī)分析法，傳統(tǒng)的氮素營養(yǎng)診斷以破壞性取樣和實驗室分析為主，近年來已有不少學者基于此建立了相應的臨界氮濃度模型以進行氮素營養(yǎng)診斷和施肥推薦，這在一定程度上改善了以往的盲目性和過量性施肥，但是其費時費力、時效性低和精確性低，不適宜在生產(chǎn)中對作物進行快速有效的氮素營養(yǎng)診斷。目前，多數(shù)研究集中在適用于不同生育時期的最佳氮濃度稀釋曲線，卻忽略了各個器官之間的特異性[38]。隨著科學技術的發(fā)展，遙感技術逐漸被運用到農業(yè)生產(chǎn)中，可以利用遙感影像數(shù)據(jù)估測氮濃度與植株干物質之間的臨界氮濃度稀釋曲線，以建立高產(chǎn)高效的氮肥施用體系。