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不同氮效率夏玉米临界氮浓度稀释模型与氮营养诊断

安志超 黄玉芳 汪洋 赵亚南 岳松华 师海斌 叶优良

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不同氮效率夏玉米临界氮浓度稀释模型与氮营养诊断

    作者简介: 安志超E-mail: anzc1991@163.com;
    通讯作者: 叶优良, E-mail:ylye2004@163.com

Critical nitrogen concentration dilution model and nitrogen nutrition diagnosis in summer maize with different nitrogen efficiencies

    Corresponding author: YE You-liang, E-mail:ylye2004@163.com
  • 摘要: 【目的】 建立豫中地区玉米临界氮稀释曲线,比较不同氮素利用率玉米品种模型差异,探讨基于此的氮营养指数用于诊断、评价玉米氮素营养的可靠性,为实现玉米合理施用氮肥提供理论依据。 【方法】 以伟科702和中单909两个不同氮利用效率的品种为试验材料进行连续三年的田间定位试验,共设5个氮肥水平 (0、120、180、240 和 360 kg/hm2),分析不同施氮量对两个玉米品种拔节期、大喇叭口期、吐丝期、收获期干物质的影响,基于不同时期干物质和植株氮浓度建立两个品种临界氮稀释曲线,分析不同氮利用率品种玉米临界氮稀释曲线模型的差异和氮营养指数及其与相对地上部生物量和相对产量的关系。 【结果】 中单909的氮利用率显著高于伟科702。在各生育时期,两个玉米品种地上部生物量随施氮量变化表现为N0 < N120 < N180≈N240≈N360。随施氮量的增加,两个品种玉米地上部生物量可分为限氮和非限氮两部分,依此建立的两个品种的临界氮稀释曲线模型 (伟科702 Nc = 35.638DM –0.341, 中单909 Nc = 30.801DM–0.370) 具有很好的稳定性。相比中单909的模型参数,伟科702的参数a提高了15.70%,参数b降低了7.84%,且参数a变化值大于参数b。同一时期两个品种基于此模型的氮营养指数均随施氮量的增加而上升;施氮量低于180 kg/hm2时,随着玉米生育时期的推进,氮营养指数随施氮量的增加呈先升高再降低的趋势,当施氮量超过240 kg/hm2时,氮营养指数一直升高。氮营养指数与相对地上部生物量、相对产量相关性均达到显著水平。 【结论】 本文建立的豫中地区的两个品种玉米临界氮稀释曲线模型及氮营养指数,可以很好地诊断和评价玉米植株氮素营养状况。不同氮利用率品种间临界氮浓度稀释曲线模型参数存在差异,氮高效的品种具有较低的单位生物量氮浓度和较高的曲线斜率,其各时期临界氮浓度低于氮利用率低的品种。
  • 图 1  玉米植株临界氮浓度与地上部生物量的关系

    Figure 1.  Relationship between plant critical nitrogen concentration and shoot biomass of maize

    图 2  不同氮肥用量下玉米不同生育时期植株氮营养指数

    Figure 2.  Nitrogen nutrition indices (NNI) of maize at different stages under different nitrogen fertilizer application rates

    图 3  玉米氮营养指数与相对地上部生物量的关系

    Figure 3.  Relationship between nitrogen nutrition index (NNI) and relative shoot biomass (RDW) of maize

    图 4  玉米氮营养指数 (NNI) 与相对产量 (RY) 的关系

    Figure 4.  Relationship between nitrogen nutrition index(NNI) and relative yield(RY) of maize

    表 1  2014—2016年伟科702和中单909氮素利用率

    Table 1.  Nitrogen use efficiencies of WK702 and ZD909 from 2014 to 2016

    氮肥用量 (kg/hm2)
    N rate
    2014 2015 2016
    伟科702 WK702 中单909 ZD909 伟科702 WK702 中单909 ZD909 伟科702 WK702 中单909 ZD909
    N0 114.97 149.28* 135.14 160.94* 77.40 102.05*
    N120 71.38 71.72ns 69.30 78.14 ns 56.43 75.00 ns
    N180 51.80 61.08* 44.55 64.14* 41.27 53.28*
    N240 42.45 50.16* 37.20 55.91* 32.10 43.96*
    N360 42.12 44.60 ns 37.69 50.72* 29.94 46.68*
    注(Note):* 代表相同年份同一施氮量下两品种间差异达显著水平 (P < 0.05);ns 代表品种间差异未达到显著水平。
    * represents significant difference between the two varieties under the same nitrogen application rate and in the same year(P < 0.05);ns represents the difference between the two varieties is not significant.
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    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

    年份
    Year
    品种
    Variety
    氮肥用量
    N rate
    地上部生物量 Shoot biomass (t/hm2)
    拔节期Jointing 大喇叭口期 Large bell 吐丝期Silking 成熟期 Maturity
    2014 伟科702 WK702 N0 0.61 d 2.49 c 4.71 d 12.70 c
    N120 0.76 c 2.71 b 5.58 c 15.47 b
    N180 1.01 b 2.85 ab 7.31 b 20.48 a
    N240 1.11 ab 2.88 a 7.41 b 21.39 a
    N360 1.18 a 2.90 a 8.10 a 20.17 a
    中单909 ZD909 N0 0.36 d 1.64 c 5.61 b 9.92 d
    N120 0.57 c 1.94 b 5.74 b 17.85 c
    N180 0.71 b 2.44 a 6.54 ab 20.31 b
    N240 0.80 a 2.45 a 6.83 a 20.87 ab
    N360 0.79 a 2.61 a 7.02 a 21.91 a
    2015 伟科702 WK702 N0 0.63 d 2.25 c 5.51 d 13.72 c
    N120 0.81 c 2.39 bc 6.66 c 15.44 b
    N180 1.09 b 2.56 ab 7.89 b 20.84 a
    N240 1.15 ab 2.68 a 8.68 ab 21.47 a
    N360 1.24 a 2.73 a 9.48 a 20.68 a
    中单909 ZD909 N0 0.40 d 1.55 c 5.48 b 10.09 c
    N120 0.59 c 1.67 c 6.86 a 17.03 b
    N180 0.76 b 2.04 b 7.39 a 18.83 a
    N240 0.81 ab 2.17 a 7.46 a 19.25 a
    N360 0.84 a 2.28 a 7.42 a 20.44 a
    2016 伟科702 WK702 N0 0.64 d 2.32 c 4.31 c 14.70 b
    N120 0.83 c 2.51 b 6.99 b 16.66 b
    N180 0.99 b 2.80 a 8.37 ab 21.49 a
    N240 1.15 a 2.86 a 9.55 a 23.16 a
    N360 1.12 a 2.87 a 9.73 a 23.38 a
    中单909 ZD909 N0 0.58 d 1.57 c 5.84 c 12.40 c
    N120 0.82 c 1.84 b 7.41 bc 17.06 b
    N180 0.94 bc 2.29 a 8.59 ab 21.67 a
    N240 1.00 ab 2.38 a 9.56 a 23.33 a
    N360 1.11 a 2.32 a 9.56 a 22.29 a
    注(Note):数值后不同小写字母表示相同年份同一品种每个生育期不同氮处理间差异达显著水平 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters in each growth period of the same variety in the same year indicate significant differences among N rates ( P < 0.05).
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    表 3  玉米临界氮浓度测定值与模拟值

    Table 3.  Observed and simulated critical nitrogen concentrations of maize

    生育期
    Stage
    伟科702 WK702 中单909 ZD909
    CNC测定值
    Observed CNC
    CNC模拟值
    Simulated CNC
    误差
    Error
    CNC测定值
    Observed CNC
    CNC模拟值
    Simulated CN
    误差
    Error
    大喇叭口期Spike formation 23.36 24.96 1.60 22.17 22.53 0.36
    吐丝期Silking 16.76 16.71 –0.05 14.64 13.53 –1.11
    收获期Harvest 13.00 12.29 –0.71 11.21 9.75 –1.46
    RMSE 1.01 1.08
    n- RMSE 5.71% 6.76%
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-12
  • 刊出日期:  2019-01-01

不同氮效率夏玉米临界氮浓度稀释模型与氮营养诊断

    作者简介:安志超E-mail: anzc1991@163.com
    通讯作者: 叶优良, ylye2004@163.com
  • 1. 河南农业大学资源与环境学院,河南郑州 450002
  • 2. 陕西省渭南市蒲城县农业技术推广中心,陕西渭南 715599

摘要:  目的 建立豫中地区玉米临界氮稀释曲线,比较不同氮素利用率玉米品种模型差异,探讨基于此的氮营养指数用于诊断、评价玉米氮素营养的可靠性,为实现玉米合理施用氮肥提供理论依据。 方法 以伟科702和中单909两个不同氮利用效率的品种为试验材料进行连续三年的田间定位试验,共设5个氮肥水平 (0、120、180、240 和 360 kg/hm2),分析不同施氮量对两个玉米品种拔节期、大喇叭口期、吐丝期、收获期干物质的影响,基于不同时期干物质和植株氮浓度建立两个品种临界氮稀释曲线,分析不同氮利用率品种玉米临界氮稀释曲线模型的差异和氮营养指数及其与相对地上部生物量和相对产量的关系。 结果 中单909的氮利用率显著高于伟科702。在各生育时期,两个玉米品种地上部生物量随施氮量变化表现为N0 < N120 < N180≈N240≈N360。随施氮量的增加,两个品种玉米地上部生物量可分为限氮和非限氮两部分,依此建立的两个品种的临界氮稀释曲线模型 (伟科702 Nc = 35.638DM –0.341, 中单909 Nc = 30.801DM–0.370) 具有很好的稳定性。相比中单909的模型参数,伟科702的参数a提高了15.70%,参数b降低了7.84%,且参数a变化值大于参数b。同一时期两个品种基于此模型的氮营养指数均随施氮量的增加而上升;施氮量低于180 kg/hm2时,随着玉米生育时期的推进,氮营养指数随施氮量的增加呈先升高再降低的趋势,当施氮量超过240 kg/hm2时,氮营养指数一直升高。氮营养指数与相对地上部生物量、相对产量相关性均达到显著水平。 结论 本文建立的豫中地区的两个品种玉米临界氮稀释曲线模型及氮营养指数,可以很好地诊断和评价玉米植株氮素营养状况。不同氮利用率品种间临界氮浓度稀释曲线模型参数存在差异,氮高效的品种具有较低的单位生物量氮浓度和较高的曲线斜率,其各时期临界氮浓度低于氮利用率低的品种。

English Abstract

  • 化肥在我国农业发展过程中起着决定性作用[1],而不合理施肥尤其是过量施氮导致的环境问题日益突出[2],与氮肥相关的水资源污染[3]、土壤酸化[4]和大气污染[5]等问题成为了舆论的焦点。玉米是我国三大粮食作物之一,氮是玉米生长发育过程中需求量最大的营养元素[67],实现玉米产量与氮肥利用效率协同提高,是实现氮肥精准管理的基础,对于保障我国粮食生产和生态环境安全具有非常重要的意义。临界氮浓度是指获得最大生物量增长所需要的最少氮营养[89],临界氮稀释曲线及基于此的氮营养指数可以动态描述作物氮素营养状况的变化,是实现合理施用氮肥的氮素营养诊断关键技术[10]

    早在1952年,Ulrich就提出了“临界氮浓度”的概念[9],作物体内的临界氮浓度随地上部生物量的增长而降低,且存在幂函数关系,即临界氮稀释曲线,Nc = aW–b(a、b为参数)。1990年,Greenwood等[11]提出了C3、C4作物的临界氮稀释曲线通用模型,N = 5.17W–0.5 (C3作物) 和 N = 4.11W–0.5 (C4作物,W > 1 t/hm 2),随后国内外学者又先后在油菜[12]、棉花[13]、小麦[1415]、马铃薯[16]、番茄[17]、水稻[18]等作物上建立了各自的参数模型,对模型进行了修正。国外学者在法国[8]、德国[19]等地在玉米上建立和验证了曲线的可靠性;国内学者也先后在河北省吴桥县[20]、陕西省关中地区[2122]、吉林省长春市和四平市[23]、山东省聊城市[24]等地建立了相应的临界氮稀释模型。但是,其参数变化幅度较大,其中参数a的变化范围在21.40~34.90;参数b的范围在0.14~0.48。这说明临界氮浓度稀释模型可能因气候、品种等的不同而出现差异,这在很大程度上限制了临界氮稀释模型的通用性,特别是品种。氮素利用效率是植株氮素吸收和利用能力的综合反映,与临界氮浓度的关系也最密切。因此,明确不同氮效率品种的临界氮浓度稀释模型的差异,对于提高模型的应用性具有重要意义,而目前这方面的报道仍较少。基于此,本研究在豫中地区通过3年田间定位试验对两个不同氮效率玉米品种的临界氮稀释曲线进行了对比分析,旨在明确不同氮利用率品种临界氮稀释曲线模型的差异,为该区域玉米的氮素营养诊断和施肥管理提供理论依据。

    • 试验位于河南省禹州市顺店镇康城村 (34°27′ N, 113°34′ E),属暖温带半湿润季风季候,年平均降雨量约为700 mm。试验地土壤类型为潮褐土,质地粘壤,耕层土壤pH 8.2、全氮1.04 g/kg、有机质20.5 g/kg、速效钾142 mg/kg、有效磷20 mg/kg、容重为1.45 g/cm3

    • 试验于2014年6月开始,种植模式为小麦−玉米轮作,设5个施氮水平,纯氮施用量分别为0 kg/hm2 (N0)、120 kg/hm2(N120)、180 kg/hm2(N180)、240 kg/hm2(N240)、360 kg/hm2(N360)。氮肥1/3在玉米播种前施入,2/3在玉米大喇叭口期开沟追施。磷、钾肥一次性基施,用量 (P2O5、K2O) 均为90 kg/hm2,氮肥为尿素 (含N 46.4%),磷肥为过磷酸钙 (含P2O5 12.0%),钾肥为氯化钾 (含K2O 60.0%)。小区面积48 m2,重复3次,随机区组排列。田间管理与当地保持一致,根据墒情进行灌溉,3~5叶期进行化学除草,拔节期防治病虫害。

      2014年6月—2016年9月,连续3个玉米季,选用在该区域推广的伟科702(WK702) 和中单909(ZD909) 开展试验,种植密度为6.0 × 104 株/hm2,行距为0.6 m。2014年于6月5日播种,9月20日收获;2015年于6月7日播种,9月24日收获;2016年6月8日播种,9月22日收获。

    • 分别在玉米拔节期 (V6)、大喇叭口期 (V12)、吐丝期 (R1)、成熟期 (R6) 进行取样,每个小区选择长势均匀、有代表性的植株3株,采取其地上部分,分段切碎后在105℃下杀青,80℃下烘干至恒重,称量其干物质重。

    • 将各生育时期的植株样品烘干后用粉样机粉碎,过1 mm筛,用H2SO4−H2O2法消煮,采用德国AA3型连续流动分析仪测定植株全氮含量。

    • 玉米成熟期在每个小区中间4行连续收获40株计产。籽粒含水量均以国家商品粮贮藏标准含水量13%计。

    • 临界氮浓度是指在一定的生长时期内获得最大生物量时的最小氮浓度值。随着施氮量的增加,玉米地上部生物量显著增加,继续增加施氮量,其生物量并未出现显著性的增加 (P < 0.05)。对不同施氮处理每个取样日的生物量进行方差分析 ( P < 0.05),并分为受氮素营养限制和不受氮素营养限制两类。对作物生长受氮素营养限制的施氮水平,对其地上部生物量和对应的氮浓度进行线性拟合;对不受氮素营养限制的施氮水平,用其地上部生物量的平均值代表最大生物量。每个取样日的临界氮浓度即为以上线性曲线与以最大生物量为横坐标的垂线的交点纵坐标植。

      根据每个取样日的地上部生物量和临界氮浓度,建立玉米整个生育期的临界氮稀释曲线模型:

      式中:NC为地上部临界氮浓度 (g/kg);DM为地上部干物质的最大值 (t/hm2);参数a为玉米地上部单位生物量的临界氮浓度;参数b为控制该曲线斜率的稀释系数[25]

      本文以2014和2015年的数据拟合建立模型,利用2016年数据对建立的模型进行验证。

    • 模型的验证采用回归估计标准误差RMSE[2627]和n-RMSE[28]来检测模型的拟合度。

      式中:Pi、Oi分别为临界氮测定值和模拟值;n为样本量;S为实测数据的平均值。RMSE值越小,模拟值与测定值的一致性越好,偏差越小,即模型的预测精度越高。Jamiesom等[29]认为:n-RMSE < 10%,模型稳定性极好;10% < n-RMSE < 20%,模型稳定性较好;20% < n-RMSE < 30%,模型稳定性一般;n-RMSE > 30%,模型稳定性较差。

    • NNI = Na/Nc

      式中:Na为植株地上部氮浓度的实测值;Nc为根据临界氮浓度稀释模型求得的临界氮浓度值。若NNI < 1,表明植株氮缺乏;NNI = 1表明植株体内氮营养处于最佳状态;NNI > 1则表明植株氮营养过剩。

    • 氮素利用效率NUE (kg/kg, N) = 籽粒产量/氮素吸收量[30]

      相对地上部生物量 (RDW) 为地上部生物量与同一生育时期各处理地上部生物量最大值的比值;

      相对产量 (RY) 为各处理产量与收获期各处理产量的最大值的比值。

    • 采用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS 19.0进行数据整理和分析,用OriginPro 2016作图,处理间多重比较采用Duncan法。

    • 三年试验结果显示,不同氮水平下两个玉米品种的氮素利用率存在差异 (表1)。氮肥用量为120 kg/hm2时,不同年份两个品种间氮利用效率差异均未达到显著水平;氮肥用量为0、180、240、360 kg/hm2时,除2014年的N360外,中单909的氮利用率均显著高于伟科702。表明伟科702和中单909为氮效率差异较大的两个品种。

      氮肥用量 (kg/hm2)
      N rate
      2014 2015 2016
      伟科702 WK702 中单909 ZD909 伟科702 WK702 中单909 ZD909 伟科702 WK702 中单909 ZD909
      N0 114.97 149.28* 135.14 160.94* 77.40 102.05*
      N120 71.38 71.72ns 69.30 78.14 ns 56.43 75.00 ns
      N180 51.80 61.08* 44.55 64.14* 41.27 53.28*
      N240 42.45 50.16* 37.20 55.91* 32.10 43.96*
      N360 42.12 44.60 ns 37.69 50.72* 29.94 46.68*
      注(Note):* 代表相同年份同一施氮量下两品种间差异达显著水平 (P < 0.05);ns 代表品种间差异未达到显著水平。
      * represents significant difference between the two varieties under the same nitrogen application rate and in the same year(P < 0.05);ns represents the difference between the two varieties is not significant.

      表 1  2014—2016年伟科702和中单909氮素利用率

      Table 1.  Nitrogen use efficiencies of WK702 and ZD909 from 2014 to 2016

    • 表2可知,同一时期,随着施氮量的增加,两个品种玉米地上部生物量均显著增加,继续增加施氮量至180 kg/hm2时,同时期N180、N240、N360处理地上部生物量整体差异不显著。这说明,氮肥达到一定量后,玉米地上部生物量将不受氮素限制。2014—2016年,由于施氮量、品种、气候等原因,拔节期部分氮肥用量处理下地上部生物量小于1 t/hm2,须舍弃此时期数据。对比分析两个品种的地上部生物量,不同氮水平的生物量整体满足DM0 < DM 120 < DM 180 ≈ DM240 ≈ DM360

      年份
      Year
      品种
      Variety
      氮肥用量
      N rate
      地上部生物量 Shoot biomass (t/hm2)
      拔节期Jointing 大喇叭口期 Large bell 吐丝期Silking 成熟期 Maturity
      2014 伟科702 WK702 N0 0.61 d 2.49 c 4.71 d 12.70 c
      N120 0.76 c 2.71 b 5.58 c 15.47 b
      N180 1.01 b 2.85 ab 7.31 b 20.48 a
      N240 1.11 ab 2.88 a 7.41 b 21.39 a
      N360 1.18 a 2.90 a 8.10 a 20.17 a
      中单909 ZD909 N0 0.36 d 1.64 c 5.61 b 9.92 d
      N120 0.57 c 1.94 b 5.74 b 17.85 c
      N180 0.71 b 2.44 a 6.54 ab 20.31 b
      N240 0.80 a 2.45 a 6.83 a 20.87 ab
      N360 0.79 a 2.61 a 7.02 a 21.91 a
      2015 伟科702 WK702 N0 0.63 d 2.25 c 5.51 d 13.72 c
      N120 0.81 c 2.39 bc 6.66 c 15.44 b
      N180 1.09 b 2.56 ab 7.89 b 20.84 a
      N240 1.15 ab 2.68 a 8.68 ab 21.47 a
      N360 1.24 a 2.73 a 9.48 a 20.68 a
      中单909 ZD909 N0 0.40 d 1.55 c 5.48 b 10.09 c
      N120 0.59 c 1.67 c 6.86 a 17.03 b
      N180 0.76 b 2.04 b 7.39 a 18.83 a
      N240 0.81 ab 2.17 a 7.46 a 19.25 a
      N360 0.84 a 2.28 a 7.42 a 20.44 a
      2016 伟科702 WK702 N0 0.64 d 2.32 c 4.31 c 14.70 b
      N120 0.83 c 2.51 b 6.99 b 16.66 b
      N180 0.99 b 2.80 a 8.37 ab 21.49 a
      N240 1.15 a 2.86 a 9.55 a 23.16 a
      N360 1.12 a 2.87 a 9.73 a 23.38 a
      中单909 ZD909 N0 0.58 d 1.57 c 5.84 c 12.40 c
      N120 0.82 c 1.84 b 7.41 bc 17.06 b
      N180 0.94 bc 2.29 a 8.59 ab 21.67 a
      N240 1.00 ab 2.38 a 9.56 a 23.33 a
      N360 1.11 a 2.32 a 9.56 a 22.29 a
      注(Note):数值后不同小写字母表示相同年份同一品种每个生育期不同氮处理间差异达显著水平 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters in each growth period of the same variety in the same year indicate significant differences among N rates ( P < 0.05).

      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

    • 分别以2014年和2015年各时期的地上部生物量和植株氮浓度进行拟合,得出每个时期的临界氮浓度,可以发现随着地上部生物量的增长,临界氮浓度呈下降趋势。分别对两个品种的临界氮浓度进行幂函数拟合建立玉米整个生育时期的临界氮浓度稀释曲线 (图1),结果显示两个品种的拟合方程均达到了极显著水平,决定系数分别为0.947和0.978,表明该模型可以用来表征两个品种玉米地上部生物量和植株氮浓度的关系。相比中单909的模型参数,伟科702的参数a提高了15.70%,参数b降低了7.84%,参数a变化值大于参数b

      图  1  玉米植株临界氮浓度与地上部生物量的关系

      Figure 1.  Relationship between plant critical nitrogen concentration and shoot biomass of maize

    • 为验证上述模型的稳定性和可靠性,以2016年各时期的地上部生物量和植株氮浓度单独进行拟合,计算并建立其临界氮稀释曲线模型。利用2016年不同时期的最大地上部生物量分别代入上述模型和此模型中,得出临界氮浓度 (CNC) 模拟值和测定值。从表3中可以看出,两个品种 (伟科702、中单909) 的CNC误差分别为 –0.05~1.60、–1.46~0.36。根据公式计算得出伟科702的RMSE为1.01,n-RMSE为5.71%;中单909的RMSE为1.08,n-RMSE为6.76%,模型稳定性很高,此模型可以用于氮素营养诊断。

      生育期
      Stage
      伟科702 WK702 中单909 ZD909
      CNC测定值
      Observed CNC
      CNC模拟值
      Simulated CNC
      误差
      Error
      CNC测定值
      Observed CNC
      CNC模拟值
      Simulated CN
      误差
      Error
      大喇叭口期Spike formation 23.36 24.96 1.60 22.17 22.53 0.36
      吐丝期Silking 16.76 16.71 –0.05 14.64 13.53 –1.11
      收获期Harvest 13.00 12.29 –0.71 11.21 9.75 –1.46
      RMSE 1.01 1.08
      n- RMSE 5.71% 6.76%

      表 3  玉米临界氮浓度测定值与模拟值

      Table 3.  Observed and simulated critical nitrogen concentrations of maize

    • 为了检验通过玉米临界氮稀释模型来估测玉米植株氮素盈亏水平的可行性,依据上述模型分析了两个品种三年不同时期的氮营养指数 (NNI)。图2表明,两个品种的氮营养指数均随施氮量的增加而上升。随着玉米生育时期的推进,两个品种的N0、N120处理NNI呈先升高后降低的趋势,且低于1;两个品种的N240、N360处理则一直升高。氮肥用量为180 kg/hm2时,大喇叭口期至吐丝期,两个品种氮营养指数均上升;吐丝期到成熟期,伟科702 NNI呈下降趋势,中单909趋于平稳,且成熟期NNI均在1附近。相同施氮量下,中单909的氮营养指数整体上高于伟科702,说明氮高效品种对氮肥的需求量小于氮低效品种。由此可见,依据临界氮稀释模型计算的氮营养指数可以很好地评价玉米植株氮营养状况。

      图  2  不同氮肥用量下玉米不同生育时期植株氮营养指数

      Figure 2.  Nitrogen nutrition indices (NNI) of maize at different stages under different nitrogen fertilizer application rates

    • 以2014—2016年三年的数据,分别研究了氮营养指数与玉米相对生物量 (RDW) 和相对产量 (RY) 的关系。图3表明,伟科702和中单909不同生育时期的NNI-RDW均表现为线性相关关系,随着NNI的增加,相对地上部生物量不断增加,方程决定系数分别为 0.731、0.827、0.803和0.880、0.643、0.886,均达到显著水平。从图4中可以看出,NNI与相对产量呈二次曲线关系。相对产量随NNI的增加先升高后降低,回归方程决定系数分别为0.783、0.860、0.730和0.805、0.689、0.804,同样均达到显著水平。两个品种都在V12时期NNI为0.99、0.96时RY获得最大值,分别为0.95和0.96。

      图  3  玉米氮营养指数与相对地上部生物量的关系

      Figure 3.  Relationship between nitrogen nutrition index (NNI) and relative shoot biomass (RDW) of maize

      图  4  玉米氮营养指数 (NNI) 与相对产量 (RY) 的关系

      Figure 4.  Relationship between nitrogen nutrition index(NNI) and relative yield(RY) of maize

    • 河南省是我国重要的粮食核心产区之一,玉米是该区的主要粮食作物,且豫中地区潜力较大,现实产量也最高[31]。但目前普遍出现氮肥施用过量、利用率低、污染环境等问题[32]。临界氮浓度可用于玉米氮素营养快速诊断,及时有效地评价植株氮素盈亏水平,为指导合理施肥及实现节肥增效提供理论依据。本文利用2014—2016年3年5个氮水平的定位试验数据,建立并验证了豫中地区玉米临界氮稀释曲线模型,分析了不同氮效率品种玉米临界氮稀释曲线模型的差异和氮营养指数,研究了氮营养指数与相对地上部生物量和相对产量的关系。两个模型方程 (伟科702,NC = 35.638DM–0.341,中单909,NC = 30.801DM–0.370) 的决定系数均达到显著水平,在不同年份间也具有很好的稳定性,可以用作豫中地区玉米氮素的诊断。此外,本研究还发现NNI与相对地上部生物量、相对产量显著相关。因此,可以认为基于临界氮稀释模型的氮营养指数能够用来评价、诊断玉米的氮素营养状况。

      在临界氮浓度稀释曲线模型中,参数a代表单位生物量氮浓度;参数b代表植株临界氮浓度随地上部干物质重增加而递减的关系。与前人研究结果相比,参数a属偏高水平,参数b属中等水平,与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) 研究结果接近,高于陕西关中地区(a为21.4~22.5, b为0.14~0.31)[2122]。这些研究处于不同的国家、省市,供试土壤、玉米品种及气候条件等均不相同,其异同点可能是由于这些因素的共同作用导致的,但具体哪个因素影响大,仍需进一步研究。

      在同一试验条件下,与氮低效的伟科702相比,中单909的临界氮稀释曲线参数a降低了4.837,参数b增加了0.029,参数a的降低和参数b的提高对作物临界氮浓度的影响是同向的,也就是说氮高效品种在降低单位生物量氮浓度 (参数a) 的同时,还加大了植株临界氮浓度随地上部干物质重增加而递减的速率 (参数b),因此,中单909的临界氮浓度在各生育时期均低于伟科702,且随着地上部生物量的增加,两品种临界氮浓度值差距逐渐加大。这可能是由于:1) 氮高效品种具有较高的氮素吸收、转运、同化以及再分配能力[34],相关研究表明,硝酸还原酶活性越强、越持久,氮素代谢越旺盛[35],而不同基因型品种硝酸还原酶活性不同,氮高效品种具有较高的硝酸还原酶活性,有助于硝态氮的转化吸收,促进氮素的同化能力[3637],为单位生物量氮浓度 (参数a) 的降低奠定了基础;2) 李燕婷等[38]研究表明,与氮低效品种相比,氮高效品种幼苗中地上部/根间的氮循环量大、氮向根的分配量高,有利于根系的生长,根冠比、总根长高;春亮等[39]研究发现,氮高效品种在生育期中均保持了最大的根系 (干重),拔节后优势更为明显;王敬锋等[40]指出,开花后氮高效品种具有较高的根系干重,根系总量多、深层根系多,空间分布合理,后期根系活力高且持续期长,能够维持稳定的氮素吸收,这说明自幼苗开始氮高效品种的根系生长、空间结构等在不断优化,为中后期养分的吸收利用提供了保障,这与模型参数b的提高关系密切;3) 良好的根系构型和活力,在生育后期可以减少叶片中氮素的输出,减缓叶片衰老,维持叶片较高的光合效率,为籽粒灌浆提供碳化合物的同时也为根系的主动吸收提供能量,促进根系的吸收,进而也为氮素的高效利用奠定了基础[35, 41],使其在干物质持续增加、氮素不断稀释的同时保持较高的氮素利用能力,有利于模型参数b的提高;4) 申丽霞等[35]指出,高产氮高效型品种干物质和氮素向籽粒的分配比例较高,而低产氮低效型品种向根和茎秆的分配比例较高,说明氮高效品种在干物质转运以及在各器官中的分配上也具有一定的优势。马晓君等[42]的研究也印证了此观点,其指出在低氮或不施氮情况下,氮高效品种能够有效地增加干物质积累及分配比例,以达到高产。氮高效品种这种合理的干物质转运、分配体系使其能够在相对较低的氮素需求下即可实现较高干物质累积和产量,对模型参数ab均有影响。

    • 氮营养指数是基于作物临界氮稀释模型提出的指标,以实际氮浓度与临界氮浓度的比值来评价氮素营养状况以及定量动态描述作物氮素营养状况的变化[43]。本研究计算了两个品种不同氮处理下NNI值发现:相同生育时期,NNI值随施氮量增加而增长,且不同氮效率品种对氮肥的敏感性不同。大喇叭口期,伟科702 的5个施氮处理NNI均低于1,中单909的N0、N120、N180处理下NNI低于1,而N240、N360大于1;大喇叭口期至吐丝期,随着氮肥用量的增加NNI值呈现不同程度的上升趋势;成熟期,伟科702的N0、N120、N180处理NNI值下降,N240、N360继续上升,与伟科702不同的是,中单909 的N180处理NNI值趋于平稳。这可能是由于:1) 大喇叭口期是玉米生长发育最旺盛的阶段,此时期玉米需要养分的绝对数量和相对数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均较低;2) 吐丝期NNI的回升,一方面可能是由于该时期玉米开始由营养生长向生殖生长转变,其对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,补充了氮素营养。这表明施肥量和施肥时期均能影响作物的营养状况,且NNI能够很好地对其作出反应,与前人研究结果一致[21, 4546]。根据两个品种各时期NNI与水平线“1”的关系,伟科702在氮肥用量为180 kg/hm2时,NNI值整体低于1,氮肥用量为240 kg/hm2时,则表现出氮素过丰现象,因此最佳施肥量在180~240 kg/hm2之间;中单909的N180处理的NNI一直在1附近波动,表明氮素供应量适宜,故推荐施肥量为180 kg/hm2。这与彭雪松[47]通过对豫中地区16个田间试验进行拟合后推荐的最高产量施氮量 (220 kg/hm2)、经济最佳施氮量 (185 kg/hm2) 基本一致,说明基于临界氮稀释模型的NNI来评价植株氮营养状况是可靠的。

    • 为分析豫中地区玉米节肥潜力,本课题组于2014—2016年对豫中地区玉米种植户进行了调研。整理得到有效问卷743份,主要内容为农户玉米种植面积、基肥氮用量和追肥氮用量。分析得出豫中地区农户玉米平均施氮量为242 kg/hm2,施氮量超过推荐量 (综合上述两个品种的最佳施肥量,设定整体推荐施肥量为200 kg/hm2) 的农户占74.29%,超过400 kg/hm2的农户占2.42%,采用“一炮轰”施肥的农户占73.35%。根据计算得出,推荐最佳施肥量下豫中地区玉米季减氮空间为42 kg/hm2

    • 本文建立并验证了豫中地区两种不同氮利用率玉米品种的地上部临界氮稀释曲线模型 (伟科702 NC = 35.638DM–0.341, 中单909 NC = 30.801DM–0.370),方程决定系数显著、模型稳定性高,基于此模型的氮营养指数可以用来评价和诊断该地区玉米植株不同生育时期氮素营养状况,氮营养指数与相对地上部生物量、相对产量相关性显著。相对于氮低效品种,氮高效品种的临界氮稀释曲线模型参数a较低,参数b较高,其各时期临界氮浓度均较低,且不同氮利用率品种对单位生物量氮浓度 (参数 a) 的影响大于对临界氮稀释曲线斜率 (参数 b) 的影响。根据本研究建立的氮营养指数模型,推荐豫中地区伟科702最佳施氮量为180~240 kg/hm2,中单909最佳施氮量为180 kg/hm2,该区域农户施氮量偏高,节肥潜力明显。

参考文献 (47)

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