安志超，黃玉芳，汪 洋，趙亞南，岳松華，師海斌，葉優(yōu)良*

（1 河南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，河南鄭州 450002；2 陜西省渭南市蒲城縣農業(yè)技術推廣中心，陜西渭南 715599）

化肥在我國農業(yè)發(fā)展過程中起著決定性作用[1]，而不合理施肥尤其是過量施氮導致的環(huán)境問題日益突出[2]，與氮肥相關的水資源污染[3]、土壤酸化[4]和大氣污染[5]等問題成為了輿論的焦點。玉米是我國三大糧食作物之一，氮是玉米生長發(fā)育過程中需求量最大的營養(yǎng)元素[6-7]，實現玉米產量與氮肥利用效率協(xié)同提高，是實現氮肥精準管理的基礎，對于保障我國糧食生產和生態(tài)環(huán)境安全具有非常重要的意義。臨界氮濃度是指獲得最大生物量增長所需要的最少氮營養(yǎng)[8-9]，臨界氮稀釋曲線及基于此的氮營養(yǎng)指數可以動態(tài)描述作物氮素營養(yǎng)狀況的變化，是實現合理施用氮肥的氮素營養(yǎng)診斷關鍵技術[10]。

早在1952年，Ulrich就提出了“臨界氮濃度”的概念[9]，作物體內的臨界氮濃度隨地上部生物量的增長而降低，且存在冪函數關系，即臨界氮稀釋曲線，Nc= aW-b(a、b為參數)。1990年，Greenwood等[11]提出了C3、C4作物的臨界氮稀釋曲線通用模型，N =5.17W-0.5(C3作物) 和 N = 4.11W-0.5(C4作物，W ＞ 1 t/hm2)，隨后國內外學者又先后在油菜[12]、棉花[13]、小麥[14-15]、馬鈴薯[16]、番茄[17]、水稻[18]等作物上建立了各自的參數模型，對模型進行了修正。國外學者在法國[8]、德國[19]等地在玉米上建立和驗證了曲線的可靠性；國內學者也先后在河北省吳橋縣[20]、陜西省關中地區(qū)[21-22]、吉林省長春市和四平市[23]、山東省聊城市[24]等地建立了相應的臨界氮稀釋模型。但是，其參數變化幅度較大，其中參數a的變化范圍在21.40～34.90；參數b的范圍在0.14～0.48。這說明臨界氮濃度稀釋模型可能因氣候、品種等的不同而出現差異，這在很大程度上限制了臨界氮稀釋模型的通用性，特別是品種。氮素利用效率是植株氮素吸收和利用能力的綜合反映，與臨界氮濃度的關系也最密切。因此，明確不同氮效率品種的臨界氮濃度稀釋模型的差異，對于提高模型的應用性具有重要意義，而目前這方面的報道仍較少?；诖?，本研究在豫中地區(qū)通過3年田間定位試驗對兩個不同氮效率玉米品種的臨界氮稀釋曲線進行了對比分析，旨在明確不同氮利用率品種臨界氮稀釋曲線模型的差異，為該區(qū)域玉米的氮素營養(yǎng)診斷和施肥管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗位于河南省禹州市順店鎮(zhèn)康城村 (34°27′ N,113°34′ E)，屬暖溫帶半濕潤季風季候，年平均降雨量約為700 mm。試驗地土壤類型為潮褐土，質地粘壤，耕層土壤pH 8.2、全氮1.04 g/kg、有機質20.5 g/kg、速效鉀142 mg/kg、有效磷20 mg/kg、容重為1.45 g/cm3。

1.2 試驗設計

試驗于2014年6月開始，種植模式為小麥-玉米輪作，設5個施氮水平，純氮施用量分別為0 kg/hm2(N0)、120 kg/hm2(N120)、180 kg/hm2(N180)、240 kg/hm2(N240)、360 kg/hm2(N360)。氮肥1/3在玉米播種前施入，2/3在玉米大喇叭口期開溝追施。磷、鉀肥一次性基施，用量 (P2O5、K2O) 均為90 kg/hm2，氮肥為尿素 (含N 46.4%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O512.0%)，鉀肥為氯化鉀 (含K2O 60.0%)。小區(qū)面積48 m2，重復3次，隨機區(qū)組排列。田間管理與當地保持一致，根據墑情進行灌溉，3～5葉期進行化學除草，拔節(jié)期防治病蟲害。

2014年6月—2016年9月，連續(xù)3個玉米季，選用在該區(qū)域推廣的偉科702(WK702) 和中單909(ZD909) 開展試驗，種植密度為 6.0 × 104株/hm2，行距為0.6 m。2014年于6月5日播種，9月20日收獲；2015年于6月7日播種，9月24日收獲；2016年6月8日播種，9月22日收獲。

1.3 測定內容與方法

1.3.1 植株地上部生物量 分別在玉米拔節(jié)期(V6)、大喇叭口期 (V12)、吐絲期 (R1)、成熟期 (R6)進行取樣，每個小區(qū)選擇長勢均勻、有代表性的植株3株，采取其地上部分，分段切碎后在105℃下殺青，80℃下烘干至恒重，稱量其干物質重。

1.3.2 植株氮濃度 將各生育時期的植株樣品烘干后用粉樣機粉碎，過1 mm篩，用H2SO4-H2O2法消煮，采用德國AA3型連續(xù)流動分析儀測定植株全氮含量。

1.3.3 產量 玉米成熟期在每個小區(qū)中間4行連續(xù)收獲40株計產。籽粒含水量均以國家商品糧貯藏標準含水量13%計。

1.4 玉米臨界氮濃度稀釋曲線的建立

臨界氮濃度是指在一定的生長時期內獲得最大生物量時的最小氮濃度值。隨著施氮量的增加，玉米地上部生物量顯著增加，繼續(xù)增加施氮量，其生物量并未出現顯著性的增加 (P ＜ 0.05)。對不同施氮處理每個取樣日的生物量進行方差分析 (P ＜ 0.05)，并分為受氮素營養(yǎng)限制和不受氮素營養(yǎng)限制兩類。對作物生長受氮素營養(yǎng)限制的施氮水平，對其地上部生物量和對應的氮濃度進行線性擬合；對不受氮素營養(yǎng)限制的施氮水平，用其地上部生物量的平均值代表最大生物量。每個取樣日的臨界氮濃度即為以上線性曲線與以最大生物量為橫坐標的垂線的交點縱坐標植。

根據每個取樣日的地上部生物量和臨界氮濃度，建立玉米整個生育期的臨界氮稀釋曲線模型：

式中：NC為地上部臨界氮濃度 (g/kg)；DM為地上部干物質的最大值 (t/hm2)；參數a為玉米地上部單位生物量的臨界氮濃度；參數b為控制該曲線斜率的稀釋系數[25]。

本文以2014和2015年的數據擬合建立模型，利用2016年數據對建立的模型進行驗證。

1.5 臨界氮稀釋曲線模型的檢驗

模型的驗證采用回歸估計標準誤差RMSE[26-27]和n-RMSE[28]來檢測模型的擬合度。

式中：Pi、Oi分別為臨界氮測定值和模擬值；n為樣本量；S為實測數據的平均值。RMSE值越小，模擬值與測定值的一致性越好，偏差越小，即模型的預測精度越高。Jamiesom等[29]認為：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。

1.6 玉米氮營養(yǎng)指數(NNI)

式中：Na為植株地上部氮濃度的實測值；Nc為根據臨界氮濃度稀釋模型求得的臨界氮濃度值。若NNI ＜1，表明植株氮缺乏；NNI = 1表明植株體內氮營養(yǎng)處于最佳狀態(tài)；NNI ＞ 1則表明植株氮營養(yǎng)過剩。

1.7 氮素利用效率、相對地上部生物量和相對產量

氮素利用效率NUE (kg/kg, N) = 籽粒產量/氮素吸收量[30]；

相對地上部生物量 (RDW) 為地上部生物量與同一生育時期各處理地上部生物量最大值的比值；

相對產量 (RY) 為各處理產量與收獲期各處理產量的最大值的比值。

1.8 數據處理

采用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS 19.0進行數據整理和分析，用OriginPro 2016作圖，處理間多重比較采用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 不同品種玉米氮素利用率

三年試驗結果顯示，不同氮水平下兩個玉米品種的氮素利用率存在差異 (表1)。氮肥用量為120 kg/hm2時，不同年份兩個品種間氮利用效率差異均未達到顯著水平；氮肥用量為0、180、240、360 kg/hm2時，除2014年的N360外，中單909的氮利用率均顯著高于偉科702。表明偉科702和中單909為氮效率差異較大的兩個品種。

2.2 施氮量對玉米地上部生物量的影響

由表2可知，同一時期，隨著施氮量的增加，兩個品種玉米地上部生物量均顯著增加，繼續(xù)增加施氮量至180 kg/hm2時，同時期N180、N240、N360處理地上部生物量整體差異不顯著。這說明，氮肥達到一定量后，玉米地上部生物量將不受氮素限制。2014—2016年，由于施氮量、品種、氣候等原因，拔節(jié)期部分氮肥用量處理下地上部生物量小于1 t/hm2，須舍棄此時期數據。對比分析兩個品種的地上部生物量，不同氮水平的生物量整體滿足DM0＜ DM120＜ DM180≈ DM240≈ DM360。

2.3 玉米植株臨界氮濃度稀釋曲線模型的建立

分別以2014年和2015年各時期的地上部生物量和植株氮濃度進行擬合，得出每個時期的臨界氮濃度，可以發(fā)現隨著地上部生物量的增長，臨界氮濃度呈下降趨勢。分別對兩個品種的臨界氮濃度進行冪函數擬合建立玉米整個生育時期的臨界氮濃度稀釋曲線 (圖1)，結果顯示兩個品種的擬合方程均達到了極顯著水平，決定系數分別為0.947和0.978，表明該模型可以用來表征兩個品種玉米地上部生物量和植株氮濃度的關系。相比中單909的模型參數，偉科702的參數a提高了15.70%，參數b降低了7.84%，參數a變化值大于參數b。

2.4 臨界氮濃度稀釋曲線模型的驗證

為驗證上述模型的穩(wěn)定性和可靠性，以2016年各時期的地上部生物量和植株氮濃度單獨進行擬合，計算并建立其臨界氮稀釋曲線模型。利用2016年不同時期的最大地上部生物量分別代入上述模型和此模型中，得出臨界氮濃度 (CNC) 模擬值和測定值。從表3中可以看出，兩個品種 (偉科702、中單909)的CNC誤差分別為 -0.05～1.60、-1.46～0.36。根據公式計算得出偉科702的RMSE為1.01，n-RMSE為5.71%；中單909的RMSE為1.08，n-RMSE為6.76%，模型穩(wěn)定性很高，此模型可以用于氮素營養(yǎng)診斷。

2.5 不同氮肥用量對玉米植株地上部氮營養(yǎng)指數的影響

為了檢驗通過玉米臨界氮稀釋模型來估測玉米植株氮素盈虧水平的可行性，依據上述模型分析了兩個品種三年不同時期的氮營養(yǎng)指數 (NNI)。圖2表明，兩個品種的氮營養(yǎng)指數均隨施氮量的增加而上升。隨著玉米生育時期的推進，兩個品種的N0、N120處理NNI呈先升高后降低的趨勢，且低于1；兩個品種的N240、N360處理則一直升高。氮肥用量為180 kg/hm2時，大喇叭口期至吐絲期，兩個品種氮營養(yǎng)指數均上升；吐絲期到成熟期，偉科702 NNI呈下降趨勢，中單909趨于平穩(wěn)，且成熟期NNI均在1附近。相同施氮量下，中單909的氮營養(yǎng)指數整體上高于偉科702，說明氮高效品種對氮肥的需求量小于氮低效品種。由此可見，依據臨界氮稀釋模型計算的氮營養(yǎng)指數可以很好地評價玉米植株氮營養(yǎng)狀況。

表1 2014—2016年偉科702和中單909氮素利用率Table 1 Nitrogen use efficiencies of WK702 and ZD909 from 2014 to 2016

表2 不同氮肥用量下玉米不同生育期的地上部生物量Table 2 Maize shoot biomass at different stages under different nitrogen fertilizer application rates

2.6 氮營養(yǎng)指數與相對地上部生物量、相對產量之間的關系

以2014—2016年三年的數據，分別研究了氮營養(yǎng)指數與玉米相對生物量 (RDW) 和相對產量 (RY)的關系。圖3表明，偉科702和中單909不同生育時期的NNI-RDW均表現為線性相關關系，隨著NNI的增加，相對地上部生物量不斷增加，方程決定系數分別為 0.731、0.827、0.803和0.880、0.643、0.886，均達到顯著水平。從圖4中可以看出，NNI與相對產量呈二次曲線關系。相對產量隨NNI的增加先升高后降低，回歸方程決定系數分別為0.783、0.860、0.730和0.805、0.689、0.804，同樣均達到顯著水平。兩個品種都在V12時期NNI為0.99、0.96時RY獲得最大值，分別為0.95和0.96。

圖1 玉米植株臨界氮濃度與地上部生物量的關系Fig. 1 Relationship between plant critical nitrogen concentration and shoot biomass of maize

表3 玉米臨界氮濃度測定值與模擬值Table 3 Observed and simulated critical nitrogen concentrations of maize

3 討論

3.1 豫中地區(qū)玉米臨界氮濃度稀釋曲線特征

河南省是我國重要的糧食核心產區(qū)之一，玉米是該區(qū)的主要糧食作物，且豫中地區(qū)潛力較大，現實產量也最高[31]。但目前普遍出現氮肥施用過量、利用率低、污染環(huán)境等問題[32]。臨界氮濃度可用于玉米氮素營養(yǎng)快速診斷，及時有效地評價植株氮素盈虧水平，為指導合理施肥及實現節(jié)肥增效提供理論依據。本文利用2014—2016年3年5個氮水平的定位試驗數據，建立并驗證了豫中地區(qū)玉米臨界氮稀釋曲線模型，分析了不同氮效率品種玉米臨界氮稀釋曲線模型的差異和氮營養(yǎng)指數，研究了氮營養(yǎng)指數與相對地上部生物量和相對產量的關系。兩個模型方程 (偉科702，NC= 35.638DM-0.341，中單909，NC=30.801DM-0.370) 的決定系數均達到顯著水平，在不同年份間也具有很好的穩(wěn)定性，可以用作豫中地區(qū)玉米氮素的診斷。此外，本研究還發(fā)現NNI與相對地上部生物量、相對產量顯著相關。因此，可以認為基于臨界氮稀釋模型的氮營養(yǎng)指數能夠用來評價、診斷玉米的氮素營養(yǎng)狀況。

在臨界氮濃度稀釋曲線模型中，參數a代表單位生物量氮濃度；參數b代表植株臨界氮濃度隨地上部干物質重增加而遞減的關系。與前人研究結果相比，參數a屬偏高水平，參數b屬中等水平，與Yue 等[33](a = 34.0, b = 0.37)、Plenet等[8](a = 34.0, b =0.37)、Herrmann 等[19](a = 34.12, b = 0.39) 研究結果接近，高于陜西關中地區(qū)(a為21.4～22.5, b為0.14～0.31)[21-22]。這些研究處于不同的國家、省市，供試土壤、玉米品種及氣候條件等均不相同，其異同點可能是由于這些因素的共同作用導致的，但具體哪個因素影響大，仍需進一步研究。

圖3 玉米氮營養(yǎng)指數與相對地上部生物量的關系Fig. 3 Relationship between nitrogen nutrition index (NNI) and relative shoot biomass (RDW) of maize

在同一試驗條件下，與氮低效的偉科702相比，中單909的臨界氮稀釋曲線參數a降低了4.837，參數b增加了0.029，參數a的降低和參數b的提高對作物臨界氮濃度的影響是同向的，也就是說氮高效品種在降低單位生物量氮濃度 (參數a) 的同時，還加大了植株臨界氮濃度隨地上部干物質重增加而遞減的速率 (參數b)，因此，中單909的臨界氮濃度在各生育時期均低于偉科702，且隨著地上部生物量的增加，兩品種臨界氮濃度值差距逐漸加大。這可能是由于：1) 氮高效品種具有較高的氮素吸收、轉運、同化以及再分配能力[34]，相關研究表明，硝酸還原酶活性越強、越持久，氮素代謝越旺盛[35]，而不同基因型品種硝酸還原酶活性不同，氮高效品種具有較高的硝酸還原酶活性，有助于硝態(tài)氮的轉化吸收，促進氮素的同化能力[36-37]，為單位生物量氮濃度(參數a) 的降低奠定了基礎；2) 李燕婷等[38]研究表明，與氮低效品種相比，氮高效品種幼苗中地上部/根間的氮循環(huán)量大、氮向根的分配量高，有利于根系的生長，根冠比、總根長高；春亮等[39]研究發(fā)現，氮高效品種在生育期中均保持了最大的根系 (干重)，拔節(jié)后優(yōu)勢更為明顯；王敬鋒等[40]指出，開花后氮高效品種具有較高的根系干重，根系總量多、深層根系多，空間分布合理，后期根系活力高且持續(xù)期長，能夠維持穩(wěn)定的氮素吸收，這說明自幼苗開始氮高效品種的根系生長、空間結構等在不斷優(yōu)化，為中后期養(yǎng)分的吸收利用提供了保障，這與模型參數b的提高關系密切；3) 良好的根系構型和活力，在生育后期可以減少葉片中氮素的輸出，減緩葉片衰老，維持葉片較高的光合效率，為籽粒灌漿提供碳化合物的同時也為根系的主動吸收提供能量，促進根系的吸收，進而也為氮素的高效利用奠定了基礎[35,41]，使其在干物質持續(xù)增加、氮素不斷稀釋的同時保持較高的氮素利用能力，有利于模型參數b的提高；4) 申麗霞等[35]指出，高產氮高效型品種干物質和氮素向籽粒的分配比例較高，而低產氮低效型品種向根和莖稈的分配比例較高，說明氮高效品種在干物質轉運以及在各器官中的分配上也具有一定的優(yōu)勢。馬曉君等[42]的研究也印證了此觀點，其指出在低氮或不施氮情況下，氮高效品種能夠有效地增加干物質積累及分配比例，以達到高產。氮高效品種這種合理的干物質轉運、分配體系使其能夠在相對較低的氮素需求下即可實現較高干物質累積和產量，對模型參數a、b均有影響。

圖4 玉米氮營養(yǎng)指數 (NNI) 與相對產量 (RY) 的關系Fig. 4 Relationship between nitrogen nutrition index(NNI) and relative yield(RY) of maize

3.2 豫中地區(qū)玉米適宜施氮量和推薦施氮量

氮營養(yǎng)指數是基于作物臨界氮稀釋模型提出的指標，以實際氮濃度與臨界氮濃度的比值來評價氮素營養(yǎng)狀況以及定量動態(tài)描述作物氮素營養(yǎng)狀況的變化[43]。本研究計算了兩個品種不同氮處理下NNI值發(fā)現：相同生育時期，NNI值隨施氮量增加而增長，且不同氮效率品種對氮肥的敏感性不同。大喇叭口期，偉科702 的5個施氮處理NNI均低于1，中單909的N0、N120、N180處理下NNI低于1，而N240、N360大于1；大喇叭口期至吐絲期，隨著氮肥用量的增加NNI值呈現不同程度的上升趨勢；成熟期，偉科702的N0、N120、N180處理NNI值下降，N240、N360繼續(xù)上升，與偉科702不同的是，中單909 的N180處理NNI值趨于平穩(wěn)。這可能是由于：1) 大喇叭口期是玉米生長發(fā)育最旺盛的階段，此時期玉米需要養(yǎng)分的絕對數量和相對數量都最大且吸收速度也最快[44]，因此大喇叭口期不同氮水平下NNI均較低；2) 吐絲期NNI的回升，一方面可能是由于該時期玉米開始由營養(yǎng)生長向生殖生長轉變，其對氮肥的需求不如大喇叭口期迫切，另一方面，可能是在大喇叭口期追肥后，補充了氮素營養(yǎng)。這表明施肥量和施肥時期均能影響作物的營養(yǎng)狀況，且NNI能夠很好地對其作出反應，與前人研究結果一致[21,45-46]。根據兩個品種各時期NNI與水平線“1”的關系，偉科702在氮肥用量為180 kg/hm2時，NNI值整體低于1，氮肥用量為240 kg/hm2時，則表現出氮素過豐現象，因此最佳施肥量在180～240 kg/hm2之間；中單909的N180處理的NNI一直在1附近波動，表明氮素供應量適宜，故推薦施肥量為180 kg/hm2。這與彭雪松[47]通過對豫中地區(qū)16個田間試驗進行擬合后推薦的最高產量施氮量(220 kg/hm2)、經濟最佳施氮量 (185 kg/hm2) 基本一致，說明基于臨界氮稀釋模型的NNI來評價植株氮營養(yǎng)狀況是可靠的。

3.3 豫中地區(qū)玉米節(jié)肥潛力分析

為分析豫中地區(qū)玉米節(jié)肥潛力，本課題組于2014—2016年對豫中地區(qū)玉米種植戶進行了調研。整理得到有效問卷743份，主要內容為農戶玉米種植面積、基肥氮用量和追肥氮用量。分析得出豫中地區(qū)農戶玉米平均施氮量為242 kg/hm2，施氮量超過推薦量 (綜合上述兩個品種的最佳施肥量，設定整體推薦施肥量為200 kg/hm2) 的農戶占74.29%，超過400 kg/hm2的農戶占2.42%，采用“一炮轟”施肥的農戶占73.35%。根據計算得出，推薦最佳施肥量下豫中地區(qū)玉米季減氮空間為42 kg/hm2。

4 結論

本文建立并驗證了豫中地區(qū)兩種不同氮利用率玉米品種的地上部臨界氮稀釋曲線模型 (偉科702 NC= 35.638DM-0.341, 中單 909 NC= 30.801DM-0.370)，方程決定系數顯著、模型穩(wěn)定性高，基于此模型的氮營養(yǎng)指數可以用來評價和診斷該地區(qū)玉米植株不同生育時期氮素營養(yǎng)狀況，氮營養(yǎng)指數與相對地上部生物量、相對產量相關性顯著。相對于氮低效品種，氮高效品種的臨界氮稀釋曲線模型參數a較低，參數b較高，其各時期臨界氮濃度均較低，且不同氮利用率品種對單位生物量氮濃度 (參數 a) 的影響大于對臨界氮稀釋曲線斜率 (參數 b) 的影響。根據本研究建立的氮營養(yǎng)指數模型，推薦豫中地區(qū)偉科702最佳施氮量為180～240 kg/hm2，中單909最佳施氮量為180 kg/hm2，該區(qū)域農戶施氮量偏高，節(jié)肥潛力明顯。