基于臨界氮濃度稀釋曲線模型的辣椒氮素營養診斷研究

肖蕊

（長治職業技術學院園藝系，山西長治 046011）

辣椒（Capsicum annumL.）在我國各地均有不同程度的分布和栽培，是人們日常生活中最受歡迎的蔬菜作物之一（王繼榜，2013）。氮素是影響蔬菜作物產量和品質的關鍵性元素（張妮 等，2021；袁巧麗 等，2022），在農業生產中，大多數種植戶為了追求經濟效益最大化，不是按照作物需肥特性和土壤供肥性能來精準施肥，而是普遍采用過量施入氮肥來提質增產（聶金 等，2021；王赫 等，2021），從而導致土壤肥力不平衡、氮肥利用效率低，威脅農田生態環境，制約農業可持續發展（吳玥 等，2021）。因此，尋找蔬菜作物產量最大化下的臨界氮濃度值，對實現科學合理施肥具有重要意義。

優化作物生長階段所需的氮濃度對于評價作物氮素營養狀況至關重要（王濤 等，2013）。前人針對測土配方施肥（Hansen &Schjoerring，2003）、SPAD 計快速診斷（Zheng et al.，2015）、光譜遙感（Ren et al.，2010）和機器視覺（賈彪和馬富裕，2016）等方法對植株氮素營養精確診斷做了大量研究，但是這些作物氮素營養診斷技術受成本、技術普及度的影響，存在地域和年際間的不穩定性，推廣存在一定困難。Greenwood 等（1991）總結了作物生長和氮素吸收的規律，提出了臨界氮濃度（Nc）的概念，即作物最大生長所需的最低氮濃度。Nc因其在作物氮素營養診斷中的準確性和穩定性而受到研究者的廣泛關注，因此可以作為評價作物氮素營養是否足夠的優選技術。基于作物整株生物量（呂茹潔 等，2018；石小虎和蔡煥杰，2018；劉秋霞等，2019；付江鵬 等，2020）和器官生物量（Zhao et al.，2017）的臨界氮濃度稀釋曲線已在多種農作物上構建和應用。向友珍等（2016）、Hoogmoed 和Sadras（2016）研究表明，由于氣候環境差異、生育期長短和品種差異的影響，模型參數存在變異性。因此，對模型的本地化研究是非常重要的。目前眾多學者對辣椒開展了氮肥試驗研究，唐恒朋（2016）研究了不同氮素用量對辣椒的形態指標、光合特性、產量和品質的影響，結果表明在貴州黔南地區長辣6 號和火焰山氮素施用量以207 kg·hm-2較優，實際生產中可在此基礎上適當調整；葉潔（2017）研究了控釋氮肥用量對辣椒生長生理和養分利用的影響，結果表明常規控釋氮肥用量（172.2 kg·hm-2）可作為辣椒栽培中控釋氮肥用量的參考依據。辣椒作為貴州省的特色優勢經濟作物，在全國辣椒產業中具有舉足輕重的地位。由于不同基因型和環境的變化對Nc稀釋曲線參數的響應不同，本試驗以當地主栽的2 個品種辣研102、蘇椒5 號為研究對象開展辣椒氮肥試驗，建立當地主栽辣椒品種Nc稀釋曲線，將其與現有不同作物品種的Nc曲線進行比較，并對該曲線的可靠性進行評價，以期為區域辣椒氮肥精準管理及高產栽培提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2019—2020 年連續兩年在貴州省農業科學院試驗基地（E 107°05′17″，N 26°16′33″）進行4 個田間地塊定位試驗。試驗地海拔高度為1 000 m，年均溫度16 ℃，年均降雨量1 270 mm。土壤質地為紅壤土，在播種前采集耕層0～30 cm土壤樣品，風干后測定基本理化性質（表1）。

表1 試驗地土壤基礎肥力

1.2 試驗設計

供試辣椒品種為當地種植面積較廣的辣研102、蘇椒5 號。試驗設5 個氮肥施用水平，分別為0、70、140、210、280 kg·hm-2，以N0、N70、N140、N210、N280 表示；小區面積為10 m2，3 次重復，隨機區組排列；定植株距30 cm，行距50 cm，每小區種植60 株。氮肥為尿素（總N≥46.4%），磷肥為磷酸二氫鉀（138 kg ·hm-2），鉀肥為硫酸鉀（120 kg·hm-2），均作基肥一次性施入土壤。采用穴盤育苗法，待幼苗長至6～7片真葉、株高15 cm 左右時，帶土定植。

1.3 測定指標及方法

在定植后30、50、70、90、110、130 d，每小區隨機選取長勢一致的植株5 株，將地上部分分離成莖、葉、果實3 部分，采用干燥法對各器官干質量進行測定，最后折算成辣椒植株地上部干質量。分別將各處理的干樣粉碎、研磨、過篩，采用微量凱氏定氮法測定各器官氮含量，折算成辣椒植株地上部氮濃度。于第一次采收果實到最后一次采收果實，分別統計各批次小區產量，最后計算辣椒總產量。

1.4 臨界氮濃度稀釋曲線模型描述

根據Justes 等（1994）提出的臨界氮濃度稀釋曲線計算方法，建模步驟如下：①對每次取樣的植株地上部干質量及對應的氮濃度進行方差分析，將其分為限氮營養和非限氮營養2 類；②對受氮素影響的氮素水平，將其植株地上部干質量與氮濃度進行曲線擬合；③對不受氮素影響的氮素水平，取其植株地上部干質量的均值代表最大干質量；④采樣日的臨界氮濃度值由上述線性曲線與以最大植株地上部干質量為橫坐標的垂線交點的縱坐標決定。基于植株地上部干質量的臨界氮濃度稀釋曲線模型為：

Nc＝aPDM－b

式中，Nc為臨界氮濃度值（%），PDM為植株地上部干質量的最大值（t·hm-2），a和b均為模型的參數。

1.5 氮素營養指數測定

氮素營養指數（nitrogen nutrition index，NNI）根據Yue 等（2014）描述的方法計算。

式中，Nc為臨界氮濃度值（%），PNC為植株地上部氮濃度（%）。若NNI＜1，表明氮素不足；NNI＝1，表明氮素恰好適量；NNI＞1，表明氮素過量。

1.6 數據處理與分析

采用Excel 2010 軟件進行數據整理，采用IBM SPSS Statistics 22.0 軟件對PDM和PNC進行單因素方差分析（one-way analysis of variance，ANOVA），預設顯著性水平P＜0.05，采用最小顯著性差異法檢驗PDM和PNC的差異顯著性。采用2019 年的數據，構建Nc稀釋曲線；利用2020 年的數據，采用均方根誤差RMSE（root mean square error）和標準化均方根誤差（n-RMSE）進行模型驗證（Yao et al.，2014）。

2 結果與分析

2.1 辣椒植株地上部干質量及氮濃度動態變化

施氮水平對辣椒植株地上部干物質積累有顯著影響，植株地上部干質量大多呈隨著施氮量的增加逐漸增大的變化趨勢，且隨著植株生育進程的推進逐漸增加，而除2019 年定植50 d 的辣研102外，N210 與N280 處理的植株地上部干質量均無顯著差異（表2）。辣研102、蘇椒5 號2019 年的植株地上部干質量變化范圍分別為0.24～15.01 t·hm-2和0.64～14.22 t·hm-2，2020 年的變化范圍分別為0.34～15.14 t·hm-2和0.61～14.98 t·hm-2。2個品種植株地上部干質量均滿足不等式：N0（P＝0.263）＜N70（P＝0.672）＜N140（P＝0.564）＜N210（P＝0.041）≈N280（P＝0.033）。

表2 辣椒植株地上部干質量動態變化

同一取樣時期，2 個辣椒品種植株地上部氮濃度均隨著施氮量的提高而增加。從整個生育期來看，植株地上部氮濃度均隨著定植天數的增加呈下降趨勢（圖1）。2019 年2 個品種的植株地上部氮濃度變化范圍分別為1.38%～4.11%和1.39%～4.21%，2020 年的變化范圍分別為1.21%～4.39%和1.30%～4.31%。

圖1 辣椒植株地上部氮濃度動態變化

2.2 臨界氮濃度稀釋曲線模型構建

利用2019 年試驗獲取的數據資料，計算2 個辣椒品種定植后30～130 d 的臨界氮濃度值。由于辣椒定植后30 d 各施氮水平植株地上部干質量之間大多沒有顯著性差異（表2），導致植株地上部氮濃度變化較為穩定，因此該時期的臨界氮濃度值由不受氮素限制處理的最小氮濃度與受氮素限制處理的最大氮濃度的平均值代表（向友珍 等，2016），經計算辣研102、蘇椒5 號的臨界氮濃度常數為4.45%、4.38%。定植后50、70、90、110、130 d辣研102 的臨界氮濃度值分別為3.79%、2.88%、2.56%、2.04%和1.97%，蘇椒5 號分別為3.82%、3.03%、2.49%、2.01%和1.92%。對上述臨界氮濃度值與其對應的最大植株地上部干質量進行擬合，得到了辣研102、蘇椒5 號2 個辣椒品種的臨界氮濃度稀釋曲線模型，方程的決定系數分別為0.94、0.95，均達到顯著水平（圖2）。

基于植株地上部干質量構建的2 個辣椒品種臨界氮濃度稀釋曲線模型中，參數a分別為4.67和4.23，參數b分別為-0.29 和-0.27（圖2）。為了進一步分析這2 個品種之間的顯著性差異，首先將冪函數模型進行直線化處理，即lnNc＝lna+blnPDM，辣研102、蘇椒5 號的直線化模型分別為lnNc＝1.58 -0.29 lnPDM和lnNc＝1.54-0.27 lnPDM。采用協方差分析方法，分別分析2 個辣椒品種臨界氮濃度稀釋曲線模型之間的斜率與截距間差異，結果顯示辣研102 和蘇椒5 號斜率與截距的P值分別為0.923 和0.535，都大于0.05，表明2 個辣椒品種之間沒有顯著性差異。因此，將這2 個品種的曲線并置擬合，形成統一的辣椒臨界氮濃度稀釋曲線模型：Nc＝4.39PDM-0.28，R2為0.93（圖3）。

圖2 不同品種辣椒臨界氮濃度稀釋曲線模型構建

圖3 統一的辣椒臨界氮濃度稀釋曲線模型

2.3 臨界氮濃度稀釋曲線驗證

利用2020 年的獨立試驗數據資料對基于植株地上部干質量的Nc模型進行檢驗。結果表明（圖4），利用方程擬合的臨界氮濃度實測值與模擬值之間呈顯著的線性關系，決定系數R2為0.87。將獨立數據中的最大植株地上部干質量代入模型后，計算臨界氮濃度模擬值，通過1∶1 直方圖來對比臨界氮濃度實測值和模擬值之間的擬合度。經計算RMSE 為0.26，n-RMSE 為10.08%，表明模型具有較好的穩定性，可用于辣椒氮素營養的評估與診斷。

圖4 辣椒臨界氮濃度稀釋曲線模型驗證結果

2.4 氮素營養指數動態變化

從圖5 可以看出，不同的施氮處理、生長時期、生育時期以及品種間的氮素營養指數（NNI）均有明顯差異。NNI 值均隨著施氮水平的提高而不斷上升，2019 年辣研102、蘇椒5 號的NNI 值變化范圍為0.61～1.30 和0.62～1.18，2020 年NNI 值變化范圍為0.60～1.19 和0.55～1.14。在辣椒整個生育期內，N0、N70 和N140 處理下2 個品種的NNI 值均小于1，表明植株地上部氮濃度偏低，氮肥施用量不足；在N280 處理下NNI 值大于1，表明植株地上部氮濃度過高，氮肥施用過量；在N210 處理下NNI 值在1 上下波動，表明在當前土壤肥力水平下氮肥施入量為210 kg·hm-2較為適宜。

圖5 辣椒氮素營養指數動態變化

此外，采用線性加平臺模型模擬NNI 與相對產量（RY）之間的關系，回歸方程決定系數為0.80，達到極顯著水平（圖6）。當NNI≥0.95 時，RY獲得最大值（0.97），當NNI＜0.95 時，RY 值隨NNI 的降低而減小。

圖6 辣椒氮營養指數與相對產量的關系

3 討論

臨界氮濃度稀釋曲線可快速有效診斷及評價植株氮素營養狀況（呂茹潔 等，2018；石小虎和蔡煥杰，2018；劉秋霞 等，2019；付江鵬 等，2020）。從數學的角度來講，參數a代表植株地上部干質量為1 t·hm-2時的植株氮濃度，表示作物生育初期內在的需氮特性；參數b表示植株氮濃度隨植株地上部干質量的變化情況，其值取決于植株氮素吸收量與干質量之間的比例關系（Gastal &Lemaire，2002）。本試驗建立的辣椒臨界氮濃度稀釋曲線模型（Nc＝4.39PDM-0.28）與向友珍等（2016）針對西北日光溫室甜椒在最佳灌水量下建立的臨界氮濃度稀釋曲線模型（Nc＝4.71PDM-0.320）參數相比明顯偏低，造成參數a、b值偏低的原因一方面可能是西北日光溫室甜椒供試土壤為重壤土，其氮素礦化率比貴州地區黃壤土高，而且在溫室中溫濕度可控制的前提下，適宜的土壤溫度和濕度也使微生物的活性更強，提高了土壤的供氮能力（Justes et al.，1994）；另一方面可能是由于不同辣椒品種對氮素敏感性程度不同，在氮素吸收效率和利用效率等方面存在差異，導致模型參數不同。

辣椒屬于C3作物中的茄科類蔬菜，與同科類的番茄生長習性具有較大的相似性，結合王新等（2013）針對滴灌番茄所建立的模型（Nc＝4.352PDM-0.274）參數a值和b值與本試驗所構建的模型參數極為接近，表明兩個生態區域氣候、土壤等環境條件對臨界氮濃度稀釋曲線斜率影響較小，即其存在較好的穩定性，提高了模型的精度和普適性。此外，本試驗利用2020 年的數據對辣椒臨界氮濃度稀釋曲線模型進行了驗證，RMSE 為0.26。從驗證結果可知，基于植株地上部干質量構建的辣椒臨界氮濃度稀釋曲線模型模擬效果較好。與向友珍等（2016）針對西北日光溫室甜椒建立的臨界氮濃度稀釋曲線模型模擬效果相比，本試驗建立的模型RMSE 相對較小，表明模型模擬的效果相對較好，這可能與施肥方式、不同生長環境下作物的不同氮濃度變化特性相關。此外，辣椒臨界氮濃度稀釋曲線模型n-RMSE 值為10.08%，表明模型的穩定性較好，可以作為辣椒氮素營養狀況判斷的工具之一。

NNI 是衡量作物氮素狀態的理想指標（向友珍等，2016；Hoogmoed &Sadras，2016；劉秋霞 等，2019）。本試驗中，2 個辣椒品種不同施氮處理下NNI 值在0.55～1.30 之間變化。在現蕾期（定植后30 d），不同氮素處理下的NNI 值均最小，而開花期（定植后50 d），除2020 年種植的蘇椒5 號外，NNI 值均隨著氮肥用量的增加呈現不同程度的上升趨勢。這一方面可能是現蕾期是辣椒生長發育最旺盛的階段，此時期辣椒需要養分的絕對數量和相對數量都最大且吸收速度也最快；另一方面可能是由于該時期辣椒開始由營養生長向生殖生長轉變，其對氮肥的需求不如現蕾期迫切，這表明施肥量和施肥時期均能影響作物的營養狀況，且NNI 能夠很好地對其作出反應，與前人研究結果一致（Lemaire et al.，2008）。

關于辣椒最佳施氮量前人做了大量研究。唐恒朋（2016）研究表明，從辣椒優質高產的角度考慮，推薦氮素施用量以207 kg·hm-2較優；葉潔（2017）研究表明，從氮肥減量的角度考慮，施氮量為172.2 kg·hm-2可作為辣椒栽培中控釋氮肥用量的參考依據。根據辣椒氮素營養指數的動態變化，本試驗認為較適宜的辣椒施氮量為210 kg·hm-2，這與唐恒朋（2016）的研究結果基本一致。當辣椒NNI ＜0.95 時，NNI 與RY 呈極顯著正相關，可以解釋不同施氮水平下辣椒相對產量的變化。Ziadi 等（2008）也驗證了玉米NNI ＜0.93 時，NNI 與RY 呈顯著正相關。因此，利用NNI 進行作物氮營養狀況和產量的估計具有較大的潛力（Ata-Ul-Karim et al.，2016，2017）。

4 結論

隨生育進程的推進，辣椒植株地上部氮濃度逐漸降低，干質量呈升高趨勢。根據植株地上部干質量和氮濃度的關系，建立了辣椒臨界氮濃度稀釋曲線模型：Nc＝4.39PDM-0.28。模型的RMSE 為0.26，n-RMSE 為10.08%，表明模型有較好的穩定性。辣椒氮素營養指數隨施氮量的增加而升高，施氮量為210 kg·hm-2時NNI 基本接近于1。根據辣椒相對產量與氮素營養指數的關系及NNI 的綜合表現，推薦貴州地區辣椒較適宜的施氮量為210 kg·hm-2。