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基于全株生物量和全株氮浓度的马铃薯氮临界浓度稀释模型的构建及验证

张加康 李斐 李跃进 杨海波 贾禹泽 刘玉峰 石焱

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基于全株生物量和全株氮浓度的马铃薯氮临界浓度稀释模型的构建及验证

    作者简介: 张加康 E-mail:zhangjiakang940911@163.com;
    通讯作者: 李斐, E-mail:feili72@163.com
  • 基金项目: 2018年内蒙古自治区高等学校“青年科技英才支持计划”(NJYT-18-A08);国家自然科学基金项目(41361079);公益性行业(农业)科研专项项目(201503106)。

Establishment and validation of critical nitrogen dilution curve based on the total plant biomass and nitrogen concentration

    Corresponding author: LI Fei, E-mail:feili72@163.com ;
  • 摘要:   【目的】  临界氮浓度稀释曲线的构建是作物氮素营养诊断的基础,然而其曲线参数可能受品种等因素影响。本研究的主要目的是构建滴灌条件下常见马铃薯品种临界氮浓度稀释曲线模型,并利用相应的氮素营养指数进行马铃薯氮素营养诊断。  【方法】  于2014—2016年分别进行了滴灌条件下3个马铃薯品种、不同施氮量的田间试验。在马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期和收获期5个关键时期,进行地上部茎叶和地下部块茎取样,分别测定了生物量和氮浓度,根据公式计算出马铃薯全株生物量和全株氮浓度。根据全株生物量和全株氮浓度建立临界氮浓度稀释模型和相应的氮素营养指数。  【结果】  马铃薯地上部生物量和地上部氮浓度以及全株生物量和全株氮浓度都是随着生育时期的推进呈现出负幂函数关系,基于地上部生物量和地上部氮浓度建立的临界氮浓度稀释曲线决定系数平均为0.52,而以马铃薯全株生物量和全株氮浓度建立临界氮浓度稀释曲线决定系数平均为0.94,较前者提高了80%。以马铃薯全株生物量和全株氮浓度建立临界氮浓度稀释模型更为合理,且受品种影响较小,克新1号、夏坡地和荷兰14用同一个临界氮浓度稀释曲线的决定系数均达到0.95,表明构建的氮素营养模型可以进行不同品种的马铃薯氮素营养诊断。  【结论】  相对于传统籽粒型作物基于地上部生物量和地上部氮浓度建立临界氮浓度稀释模型,基于全株生物量和全株氮浓度建立的临界氮浓度稀释模型适用于不同品种马铃薯的营养诊断。在内蒙古滴灌生产条件下,马铃薯临界氮浓度稀释模型为Nc = 4.57W–0.41,基于该模型计算的马铃薯克新1号合理施氮量为N 170~180 kg/hm2、夏坡地合理施氮量为 190~200 kg/hm2、荷兰14合理施氮量为 215~225 kg/hm2。这些计算结果与试验结果的吻合度达到了0.95。
  • 图 1  试验地3年期间气候条件

    Figure 1.  Climatic conditions in the experimental site during the three years period

    图 2  基于地上部生物量和氮浓度的马铃薯临界氮浓度稀释曲线

    Figure 2.  Critical nitrogen dilution curve based on above-ground biomass and nitrogen concentration of potatoes

    图 3  基于全株生物量和全株氮浓度马铃薯临界氮浓度的稀释曲线

    Figure 3.  Critical nitrogen dilution curve based on whole plant biomass and nitrogen concentration of potato

    图 4  马铃薯生物量和氮浓度关系散点图

    Figure 4.  Plot of above-ground biomass and nitrogen concentration of potato

    图 5  不同品种马铃薯临界氮浓度稀释曲线

    Figure 5.  Critical nitrogen dilution curve of different varieties of potato

    图 6  马铃薯临界稀释曲线模型验证

    Figure 6.  Validation of critical dilution curve model of potato

    图 7  基于氮素营养指数的马铃薯氮素营养诊断

    Figure 7.  Potato nitrogen diagnosis based on nitrogen nutrition index

    图 8  不同品种马铃薯生物量和氮浓度散点图

    Figure 8.  Scatter plot of biomass and nitrogen concentration of different varieties of potato

    图 9  不同品种马铃薯各生育期地上部生物量占比

    Figure 9.  Proportion of abovegound biomass of different varieties of potato in each growth period

    图 10  不同品种马铃薯临界氮浓度稀释曲线对比

    Figure 10.  Comparison of critical nitrogen dilution curve for different varieties of potato

    表 1  试验区土壤基础理化性质

    Table 1.  Physical and chemical properties of the tested soil

    年份
    Year
    地点
    Site
    有机质 (g/kg)
    Organic matter
    有效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    全氮 (g/kg)
    Total N
    pH
    2014武川Wuchuan17.410.5 80.0 1.28.0
    2015武川Wuchuan13.812.3 8.01.98.6
    2016四子王旗Siziwangqi25.216.0122.21.58.3
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    [17] 项洪涛冯乃杰杜吉到马光恕刘冰郑殿峰* . 植物生长调节剂对马铃薯根系理化特性的影响. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(6): 1481-1485. doi: 10.11674/zwyf.2009.0634
    [18] 郑顺林王西瑶马均袁继超李首成 . 营养水平对马铃薯块茎发育中激素、产量和品质的影响 . 植物营养与肥料学报, 2008, 14(3): 515-519. doi: 10.11674/zwyf.2008.0317
    [19] 王惠群萧浪涛李合松吴成春康朵兰杨艳丽 . 矮壮素对马铃薯中薯3号光合特征和磷素营养的影响. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(6): 1143-1147. doi: 10.11674/zwyf.2007.0625
    [20] 胡莹莹张民宋付朋 . 控释复肥中磷素在马铃薯上的效应研究. 植物营养与肥料学报, 2003, 9(2): 174-177. doi: 10.11674/zwyf.2003.0208
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-03
  • 网络出版日期:  2020-10-19
  • 刊出日期:  2020-09-25

基于全株生物量和全株氮浓度的马铃薯氮临界浓度稀释模型的构建及验证

    作者简介:张加康 E-mail:zhangjiakang940911@163.com
    通讯作者: 李斐, feili72@163.com
  • 内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室/内蒙古农业大学草原与资源环境学院,内蒙古呼和浩特 010011
  • 基金项目: 2018年内蒙古自治区高等学校“青年科技英才支持计划”(NJYT-18-A08);国家自然科学基金项目(41361079);公益性行业(农业)科研专项项目(201503106)。
  • 摘要:   【目的】  临界氮浓度稀释曲线的构建是作物氮素营养诊断的基础,然而其曲线参数可能受品种等因素影响。本研究的主要目的是构建滴灌条件下常见马铃薯品种临界氮浓度稀释曲线模型,并利用相应的氮素营养指数进行马铃薯氮素营养诊断。  【方法】  于2014—2016年分别进行了滴灌条件下3个马铃薯品种、不同施氮量的田间试验。在马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期和收获期5个关键时期,进行地上部茎叶和地下部块茎取样,分别测定了生物量和氮浓度,根据公式计算出马铃薯全株生物量和全株氮浓度。根据全株生物量和全株氮浓度建立临界氮浓度稀释模型和相应的氮素营养指数。  【结果】  马铃薯地上部生物量和地上部氮浓度以及全株生物量和全株氮浓度都是随着生育时期的推进呈现出负幂函数关系,基于地上部生物量和地上部氮浓度建立的临界氮浓度稀释曲线决定系数平均为0.52,而以马铃薯全株生物量和全株氮浓度建立临界氮浓度稀释曲线决定系数平均为0.94,较前者提高了80%。以马铃薯全株生物量和全株氮浓度建立临界氮浓度稀释模型更为合理,且受品种影响较小,克新1号、夏坡地和荷兰14用同一个临界氮浓度稀释曲线的决定系数均达到0.95,表明构建的氮素营养模型可以进行不同品种的马铃薯氮素营养诊断。  【结论】  相对于传统籽粒型作物基于地上部生物量和地上部氮浓度建立临界氮浓度稀释模型,基于全株生物量和全株氮浓度建立的临界氮浓度稀释模型适用于不同品种马铃薯的营养诊断。在内蒙古滴灌生产条件下,马铃薯临界氮浓度稀释模型为Nc = 4.57W–0.41,基于该模型计算的马铃薯克新1号合理施氮量为N 170~180 kg/hm2、夏坡地合理施氮量为 190~200 kg/hm2、荷兰14合理施氮量为 215~225 kg/hm2。这些计算结果与试验结果的吻合度达到了0.95。

    English Abstract

    • 在灌溉作物管理系统中,氮素是关系到作物生长发育与环境风险的关键因素。众所周知,氮素供应不足会影响植物体内氨基酸、蛋白质、核酸等物质的合成,进而影响植株茎叶生长和干物质积累速率,导致作物光合能力减弱和产量降低。而氮素供应过剩不仅对作物增产效果不明显,还会影响作物品质。更重要的是土壤中部分未被作物根系及时吸收利用的氮素会经过一系列转化后以气体、淋洗、径流形式输入到环境中,导致氮素资源浪费的同时增加了环境污染的风险[1]。因此,明确作物生长发育过程中需要的合理施氮量,对提高肥料利用率和降低由于过量施氮所带来的农业面源污染具有重要意义[2]

      准确判断作物在生长过程中对氮素吸收的变化情况,对于作物氮肥管理具有重要的参考价值[3]。而氮素营养诊断是了解作物氮素养分状况的重要手段。经典的植株氮素养分诊断方法主要有肥料窗口法、叶色卡法,随着诊断技术的发展,植株全氮诊断、叶基部硝酸盐诊断以及光谱无损监测方法逐渐被广泛应用[4-7]。然而,经典方法以作物外表相态变化进行氮素养分丰缺状况判断,这些方法较为原始且需要依靠个人经验进行判断,不确定性高;而植株全氮诊断、硝酸盐诊断以及现在新兴起的光谱氮素营养诊断方法都是以植物临界氮浓度为判断基础[8]。因此临界氮浓度稀释曲线对于植株氮素营养诊断不可或缺。临界氮浓度稀释曲线模型于1990年由Greenwood提出,以作物氮素浓度随地上部生物量的变化为依据来确定作物生长过程中的临界氮浓度[9]。临界稀释曲线因为生物量的稀释作用可以用幂函数数学表达式Nc = aW–b来表示,其中Nc为植株临界氮浓度,W为植株最大干物质量,a、b为曲线参数,其中a为植株地上部干物质量达到1 t时植株氮浓度,b为稀释曲线系数。利用它可以将作物氮素营养状况区分为3个水平,一是显著低于曲线的值,代表受氮素供应限制下的作物生长;二是明显高于曲线上方的值,代表氮素奢侈吸收下的作物生长;三是曲线上的值,代表在临界氮水平状况下的作物生长[10]。而临界氮水平下的作物氮素供应是保证作物产量的下限,在以高产为目标的作物管理模式中,临界氮水平是最小化作物生长过程中氮素损失的最佳状态,因此以该方法对于作物氮素养分状况的判断更为准确合理[11]。所以该方法在国内外被广泛应用于小麦[12-17]、水稻[18-26]和玉米[27-31]等作物的氮素营养诊断与管理。随着研究的不断深入,临界氮浓度稀释曲线从全株尺度逐渐发展到叶片尺度,这大大降低了取样时的工作量。其中基于叶片干物质建立的临界氮浓度稀释模型在小麦[14-15]、水稻[18]、玉米[30]上也得到了长足发展。此外利用叶面积指数与临界氮浓度稀释曲线模型的结合也成为一种新的改进临界氮浓度稀释曲线的方法,目前在小麦[17]、水稻[19-20]和玉米[31]上也有研究报道。这些基于叶片尺度的氮浓度临界稀释曲线的发展在简化取样过程与提高诊断效率上起到了非常重要的作用。然而,作物品种对于曲线的影响也一直是阻碍临界稀释曲线普适性的障碍因素,不同品种、不同气候条件会对曲线参数a、b产生不同程度的影响[262832 ]

      马铃薯是我国继小麦、玉米和水稻后的第四大粮食作物,其高产能力在保障粮食安全中发挥着重要的作用。马铃薯是典型的浅根系作物,整个生长季氮肥需求量大,科学合理的氮肥管理对于马铃薯来说显得尤为重要,尤其是对于滴灌马铃薯来说,氮肥追施的频繁性更显示了关键生育期氮素营养多次诊断的紧迫性。虽然国际上有部分针对马铃薯临界氮浓度稀释曲线的研究[32-40],然而对于我国不同区域不同品种马铃薯氮浓度临界稀释曲线的研究却鲜见报道。马铃薯与小麦、玉米和水稻不同,马铃薯的块茎生长于地下,这增加了块茎生物量采集的困难,那么是否可以利用马铃薯地上部生物量,建立相应的马铃薯临界氮浓度稀释曲线,来避免地下块茎采集的不便就很值得我们去探究。此外,马铃薯临界氮浓度稀释曲线是否也受到品种的影响?影响程度如何?是否具有普适性的可能?也是我们在建立本土马铃薯氮浓度临界稀释曲线时必须要考虑的问题。因此,本研究以我国马铃薯主要产区内蒙古为例,选择3个当地普遍种植的马铃薯品种,并结合滴灌方式,在马铃薯典型区域尺度内探究我国西北干旱区节水灌溉马铃薯氮浓度临界稀释曲线的建立方法,并对上面提出的问题进行探索和回答,提出我国西北地区马铃薯氮素营养亏缺的临界标准判断模型,为探究我国马铃薯绿色种植与可持续发展提供理论依据。

      • 本试验位于内蒙古阴山北麓地区的武川县和四子王旗,是内蒙古重要的马铃薯产区。气候类型属中温带大陆性季风气候,年平均气温在1℃~6℃,无霜期108~124天,历年平均降水为350 mm左右。2014—2016年总降水量分别为450.1、420.1和433.3 mm,年平均温度分别为5.08℃、4.02℃和6.05℃。其中各月份具体气候变化情况见图1。武川和四子王旗地区土壤类型均为栗钙土,试验地土壤基础理化性质见表1

        图  1  试验地3年期间气候条件

        Figure 1.  Climatic conditions in the experimental site during the three years period

        表 1  试验区土壤基础理化性质

        Table 1.  Physical and chemical properties of the tested soil

        年份
        Year
        地点
        Site
        有机质 (g/kg)
        Organic matter
        有效磷 (mg/kg)
        Available P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        全氮 (g/kg)
        Total N
        pH
        2014武川Wuchuan17.410.5 80.0 1.28.0
        2015武川Wuchuan13.812.3 8.01.98.6
        2016四子王旗Siziwangqi25.216.0122.21.58.3
      • 本研究于2014—2016年进行了3年田间试验,分为建模田块与验证田块。建模田块涉及3个马铃薯品种和不同施氮水平,田间试验设计如下:

        2014年在内蒙古阴山北麓地区武川县大豆铺村进行,供试品种为克新1号。试验共设有6个氮处理,施氮量分别为N 0、80、140、180、211、252 kg/hm2,每个处理4次重复,单个小区面积为100 m2,所有小区随机排列。

        2015年在内蒙古阴山北麓地区武川县东土城村进行,供试品种为夏坡地。试验共设有6个氮处理,施氮量分别为N 0、90、140、180、270、424 kg/hm2,每个处理4次重复,单个小区面积为50 m2,所有小区随机排列。

        2016年在内蒙古阴山北麓地区四子王旗麻黄洼村进行,供试品种为荷兰14。试验共设有4个处理,施氮量分别为N 0、180、180 (采用含有硝化抑制剂的尿素)、320 kg/hm2,每个处理4次重复,共16个小区,单个小区面积为100 m2,小区随机排列。

        验证田块于2016年在内蒙古阴山北麓地区四子王旗麻黄洼村进行,供试品种为荷兰14。试验分优化施氮的示范田和传统习惯种植的农民田块。示范田施氮量是根据氮平衡理论计算,氮肥用量为N 220 kg/hm2,农民传统种植田块根据农民习惯施肥,施氮量为N 326 kg/hm2。其他管理按当地习惯进行。

        本研究所选的3个品种是内蒙古地区主要种植的马铃薯品种,其中克新1号是1958年黑龙江省农业科学院马铃薯研究所通过杂交培育出来,生育期在90天左右,属于中熟品种。克新1号的优点是抗晚疫病以及束顶病等马铃薯常见病,结薯期相对较早,块茎耐涝耐贮存。其株型直立、茎粗壮、复叶肥大、花淡紫色、株高在70 cm左右。夏坡地属于中熟品种,抗病性相对较差,其中对于晚疫病较为敏感。其茎秆较为粗壮、多分叉,复叶数较多且密集,花色白色间有浅紫色,花期较长,株高在60~80 cm。马铃薯块茎呈长椭圆形,结薯期相对较晚,块茎中干物质含量在19%~23%,还原糖含量低,是薯条加工的理想品种。荷兰14是生育期在60天左右的早熟品种。植株对A病毒、癌肿病、叶卷病毒等马铃薯常见病有很强的抗性,对晚疫病和块茎中感病抗性较差。其株型直立茂盛、分枝较少,茎秆粗壮间有紫色,小叶叶片肥大,花蓝紫色,株高在60 cm左右。马铃薯块茎呈长椭圆形,表面光滑,块茎膨大速度快。薯块淀粉含量高、耐贮藏,是非常好的鲜食品种。

        本试验采用的灌溉方式为滴灌,滴灌在干旱缺水地区是十分有效的节水灌溉方式,并且可以结合施肥做到水肥一体化,本试验采用的滴灌带为贴片式滴灌带,主要参数为管径粗16 mm、管壁厚0.4 mm、滴头间距30 cm、流量为2~3 L/h。在马铃薯整个生育时期灌溉6~7次,每次5~6 h,总灌溉量2700~3300 t/hm2

      • 在马铃薯关键生育时期即苗期、块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期,从各小区随机选取连续的且长势均匀的5株马铃薯进行取样,收获时期选取两垄中长势均匀的连续的各15株马铃薯进行测产。取样时将地上茎叶与地下部块茎分别收集后进行称重并带回实验室处理,所取植株地上茎叶及地下部块茎在105℃杀青30 min,然后在75℃恒温下烘干至恒重,称重后,分别粉碎装入信封袋备用。植物氮素测定用浓硫酸和双氧水消煮,凯氏定氮法测定样品的全氮含量。

      • 临界氮浓度指作物生长各阶段植株生物量最大时的氮浓度临界值,当植物氮浓度在临界氮浓度以下时,其生长会受到氮素制约,当植物氮浓度超过临界氮浓度时,氮素对作物生物量增加没有明显效果,反而由于土壤中多余的活性氮会流失,造成环境污染。根据1990年Greenwood等[9]提出的临界氮浓度稀释模型理论,构建曲线模型分为以下4步:

        1) 取不同施氮水平植株生物量,测定对应的植株氮浓度,通过方差分析判断作物生长是否受到氮素限制;

        2) 对氮素受限的地上部生物量与相应的氮浓度进行函数拟合;

        3) 取生长不受限的试验材料干物质最大值;

        4) 理论临界氮浓度为各取样日期最大生物量在函数上的对应纵坐标。

        根据Greenwood等[9]临界氮浓度稀释曲线定义,其模型为

        ${\rm{Nc}} = {\rm{a}}{W^{ - {\rm{b}}}}$

        式中Nc为植株临界氮浓度,W为植株最大干物质量,a、b为参数,其中a为植株地上部干物质量达到1 t时的植株氮浓度,b为稀释曲线系数。

        马铃薯全株 (除根外) 生物量计算公式:地上部茎叶干重+地下部块茎干重;马铃薯全株 (除根外) 氮浓度:(地上部茎叶干重 × 地上部氮浓度+地下部块茎干重 × 地下部块茎氮浓度)/总生物量。

        Lemaire等[41]提出了氮素营养指数的概念,其模型为:NNI = Nt/Nc,式中Nt为作物地上部氮浓度的实测值,Nc为依据临界氮浓度稀释模型求得的临界氮浓度值。NNI可以定量地反映作物体内氮营养状况,若NNI在1附近,表明作物体内氮素营养水平处于最优状态,高于1为氮营养过剩,低于1则氮素营养不足。

      • 采用EXCEL和SPSS数据处理软件进行试验数据统计分析,使用最小显著差异法 (LSD) 进行方差分析,所有数据用SigmaPlot 12.5作图。

      • 对3个品种马铃薯地上部生物量数据进行方差分析,得出地上部生物量和相应的地上部氮浓度,并进行曲线拟合,可以看出随着生育时期的推进马铃薯地上部氮浓度逐步下降 (图2)。3个马铃薯品种 (克新1号、夏坡地和荷兰14) 临界氮浓度稀释曲线模型分别为Nc = 4.38W-0.47、Nc = 5.57W-0.71和Nc = 5.51W-0.47,决定系数分别为0.59、0.49和 0.49。基于地上部马铃薯临界氮浓度稀释曲线的决定系数都较低,不适合构建临界氮浓度稀释模型进行氮素营养诊断。究其原因可能是随着马铃薯生育时期推移,马铃薯地上部物质会向地下部块茎转移,致使中后期地上部生物量不再增加甚至开始减少,而地上部氮浓度却不能回升。

        图  2  基于地上部生物量和氮浓度的马铃薯临界氮浓度稀释曲线

        Figure 2.  Critical nitrogen dilution curve based on above-ground biomass and nitrogen concentration of potatoes

      • 利用同样的方法,通过对3个不同品种马铃薯全株生物量数据进行方差分析,得出相应的全株临界氮浓度,然后进行曲线拟合。基于全株生物量和全株氮浓度建立临界氮浓度稀释曲线 (图3),得出3个品种的临界氮浓度稀释模型分别为Nc = 4.47W–0.37、Nc = 5.62W–0.51和Nc = 4.80W–0.49,决定系数分别为 0.98、0.89和0.94。基于全株生物量和全株氮浓度建立的临界氮浓度稀释模型,与基于地上部生物量和氮浓度建立的马铃薯临界氮浓度稀释模型相比,鲁棒性 (控制系统在一定的参数摄动下维持其他某些性能的特性) 显著提高,对于马铃薯这种块茎类作物,更适合利用全株生物量和全株氮浓度构建马铃薯临界氮浓度稀释曲线模型。

        图  3  基于全株生物量和全株氮浓度马铃薯临界氮浓度的稀释曲线

        Figure 3.  Critical nitrogen dilution curve based on whole plant biomass and nitrogen concentration of potato

      • 从3个品种马铃薯基于地上部生物量和地上部氮浓度以及全株生物量和全株氮浓度的散点图(图4)可以看出,基于地上部生物量和地上部氮浓度散点图离散性较高,不利于克服马铃薯品种差异导致临界氮浓度稀释模型的不统一。而基于全株生物量和全株氮浓度散点图稀释效应较为明显,3个品种马铃薯整个生育时期氮浓度散点契合度较高,某种程度上可以克服马铃薯品种导致临界氮浓度稀释模型的不统一。

        图  4  马铃薯生物量和氮浓度关系散点图

        Figure 4.  Plot of above-ground biomass and nitrogen concentration of potato

        基于全株生物量和全株氮浓度的不同品种马铃薯氮浓度稀释曲线模型参数a在4.47~5.62的范围内变动,稀释参数b的变化范围为0.37~0.51,变化范围较小。为了进一步探明品种对稀释曲线的影响,将3个品种的氮浓度稀释曲线模型放在一起进行对比,3条曲线整体趋势相近、向一起靠拢,基本上可以克服由于马铃薯品种不同导致马铃薯临界氮浓度稀释模型不统一的问题 (图5a)。建立的基于全株生物量和全株氮浓度3个品种马铃薯共用临界氮浓度稀释曲线为Nc = 4.57W-0.41(图5b),决定系数达到0.95,进一步验证了基于全株生物量和全株氮浓度建立马铃薯临界氮浓度稀释模型可以克服马铃薯品种的影响。

        图  5  不同品种马铃薯临界氮浓度稀释曲线

        Figure 5.  Critical nitrogen dilution curve of different varieties of potato

      • 通过图1可知2014—2016年马铃薯生育期总降水量分别为366.1、357.5和362.2 mm,3年间马铃薯生育期总降水量无明显差异。2014—2016年马铃薯生育期平均温度分别为14.6℃、13.7℃和14.8℃,并且各月份年际间温度变化差异不显著 (图1),因此3年间气候变化无显著差异。利用2016年在内蒙古四子王旗进行的优化示范田以及试验田周围农民传统种植田块获取的数据,对3个品种马铃薯共用临界氮浓度稀释曲线进行验证。从图6可以看出,除了苗期以外其他生育时期示范田块的NNI值在1.0~1.1,说明氮素营养适中。由于出苗后水氮供应滞后,在苗期稍有缺氮,但在后期的追施氮肥中逐渐趋于正常。而对于氮肥用量较高的农民田块来说,NNI值多数处于1.1以上,氮素营养过剩。通过示范区和农户田块数据证明临界氮浓度稀释曲线可以对马铃薯氮素营养进行诊断。

        图  6  马铃薯临界稀释曲线模型验证

        Figure 6.  Validation of critical dilution curve model of potato

      • 根据临界氮浓度稀释模型可以把植物体中的氮素水平分为3种情况,1) 作物数据点处于临界氮浓度稀释曲线以下,说明该处理施氮量不足,限制作物生长;2) 作物数据点处于临界氮浓度稀释曲线以上,说明该处理氮素过量;3) 作物数据点处于临界氮浓度稀释曲线附近,说明土壤中的氮素刚好可以满足植物生长发育所需。

        3个品种马铃薯氮素营养指数见图7,氮肥用量低于N 140 kg/hm2时,NNI值多数处于1以下,作物处于氮素营养亏缺状况;氮肥用量处于N 180 kg/hm2左右时,NNI值多数处于1左右,氮素营养适中;氮肥用量高于N 270 kg/hm2时,NNI值多数处于1以上,氮素营养过剩。这与该品种马铃薯结合氮平衡原理给出合理施氮量的结果基本一致,基于临界氮浓度稀释曲线模型建立的氮素营养指数,可以对阴山北麓地区滴灌条件下马铃薯进行氮素营养诊断。

        图  7  基于氮素营养指数的马铃薯氮素营养诊断

        Figure 7.  Potato nitrogen diagnosis based on nitrogen nutrition index

        作物合理施氮量是根据土壤-作物体系中作物根区氮肥、土壤氮和作物吸收氮三者的数量关系来确定施氮量[42],马铃薯收获块茎,地上部氮素养分归还于土壤之中做土壤氮库补充,合理施氮量主要取决于马铃薯产量及其氮含量,即作物携出量[43]。3个品种马铃薯合理施氮量通过共用临界氮浓度稀释曲线和马铃薯非缺氮处理收获时期平均干物质量确定临界氮浓度,利用氮浓度和生物量确定3个品种马铃薯临界氮素携出量。因此,当马铃薯品种克新1号在马铃薯收获时期平均干物质量在9~10 t/hm2,合理施氮量在N 170~180 kg/hm2;夏坡地在收获时期平均干物质量在11.5~12.0 t/hm2,合理施氮量在N 190~200 kg/hm2;荷兰14在收获时期平均干物质量在14~15 t/hm2,合理施氮量在N 215~225 kg/hm2。这与上述氮素营养判断结果基本一致。

      • 自从1990年Greenwood等提出基于地上部生物量和地上部氮浓度建立C3、C4作物临界氮浓度稀释模型[9],到现在国内外学者已经建立了小麦[13-17]、水稻[18-26]、玉米[27-31]等作物不同地点、不同品种的临界氮浓度稀释模型。但马铃薯这种块茎类作物有别于上述几种籽粒型作物,水稻、玉米、小麦等作物主要收获器官在地上部,在整个生育时期作物从地下吸收的矿物质主要分布在地上部茎叶和籽粒中,而马铃薯在生长中后期地下部吸收的矿物质养分和地上部叶片合成的有机物会向地下部块茎转移,尤其是块茎膨大期到淀粉积累期地上部养分大量向地下部转移。图8中3个品种马铃薯地上部生物量和地上部氮浓度散点图在马铃薯生育的中后期数据点离散性较高,可能是由于中后期地上部养分向地下部转移所致的 (图8ac)。而基于马铃薯全株生物量和全株氮浓度散点图在马铃薯整个生育时期不同施氮水平下数据点离散性较小,克服了由于地上部养分转移时间改变而造成不同施氮水平下生物量和氮浓度差异大的情况 (图8df)。

        图  8  不同品种马铃薯生物量和氮浓度散点图

        Figure 8.  Scatter plot of biomass and nitrogen concentration of different varieties of potato

      • 图2的结果证实了基于地上部干物质建立临界氮浓度稀释曲线不适合马铃薯这种作物,而且对于不同马铃薯品种临界氮浓度稀释曲线差异较大,主要是马铃薯分为地上部茎叶和地下部块茎两部分,随着时间变化地上部养分逐渐向地下部块茎转移,由于品种间氮素利用效率不同,可能导致养分转移时期不同。依据 Moll等[44]和刘敏娜等[45]可将作物分为4类:双高效型、低氮高效型、高氮高效型和双低效型。其中克新1号属于双高效类型品种[46],通过图9发现克新1号生长过程中地上部和地下部生物量占比相近,随着地上部生长并向地下部转移养分。夏坡地属于低氮高效型品种[46],夏坡地在生长过程中前期地上部生物量占比大,在生长前期夏坡地主要是进行地上部生长,在中后期大量养分向地下部块茎转移。不同品种马铃薯各时期地上部养分向地下部转移程度有所差异,导致3个品种马铃薯地上部生物量和地上部氮浓度数据分散主要体现在中后期 (图2),因此基于地上部干物质建立3个品种马铃薯临界氮浓度稀释曲线差异较大。而全株干物质不用考虑养分转移情况,因此更适合马铃薯建立临界氮浓度稀释曲线,由图5可以看出基于全株干物质建立临界氮浓度稀释曲线不存在因马铃薯品种不同导致曲线不统一问题。

        图  9  不同品种马铃薯各生育期地上部生物量占比

        Figure 9.  Proportion of abovegound biomass of different varieties of potato in each growth period

      • 马铃薯主要有旱地马铃薯、喷灌马铃薯和滴灌马铃薯3种灌溉模式,国内外旱地马铃薯和喷灌马铃薯对比本研究滴灌马铃薯全株氮浓度与全株生物量关系,都符合氮素稀释效应的规律[39-40],只是曲线参数a、b有所差异,灌溉方式不会影响马铃薯全株氮浓度与全株生物量关系。

        比较我国不同品种马铃薯临界氮浓度稀释曲线[40],多品种马铃薯临界氮浓度稀释曲线 (图10a) 对比发现,这些曲线彼此靠近,全株生物量干重超过10 t/hm2时各曲线离散度相对较高,但这时期马铃薯已经处于生育后期,施氮已经不能引起马铃薯生物量巨幅改变。荷兰14相对于其他品种马铃薯临界氮浓度稀释曲线相差较大,其主要原因是荷兰14产量较其他几个品种马铃薯高。而我国不同地区夏坡地稀释曲线彼此靠近,区域尺度较小对临界氮浓度曲线影响较小。本研究3个品种马铃薯共用临界氮浓度稀释曲线和其他两个马铃薯品种临界氮浓度稀释曲线对比 (图10b),发现三者彼此靠近趋势相同,进一步验证了基于马铃薯全株生物量和全株氮浓度建立的临界氮浓度稀释曲线,可以克服由于马铃薯品种不同所导致的稀释曲线不统一的问题。关于大尺度区域对马铃薯临界氮浓度稀释曲线的影响需要进一步研究。

        图  10  不同品种马铃薯临界氮浓度稀释曲线对比

        Figure 10.  Comparison of critical nitrogen dilution curve for different varieties of potato

      • 相对于传统籽粒型作物基于地上部生物量和地上部氮浓度建立临界氮浓度稀释曲线,基于植株总生物量和植株总氮浓度建立临界氮浓度稀释曲线更适于马铃薯这类块茎类作物。滴灌马铃薯种植模式下临界氮浓度稀释曲线为Nc = 4.57W–0.41。基于全株总生物量和全株氮浓度建立临界氮浓度稀释曲线可以克服由于马铃薯品种不同而导致的曲线差异。基于临界氮浓度稀释模型得到的氮素营养指数 (NNI),可以对滴灌条件下马铃薯氮素营养进行诊断。内蒙古滴灌马铃薯克新1号合理施氮量为N 170~180 kg/hm2,夏坡地合理施氮量为N 190~200 kg/hm2,荷兰14号的合理施氮量为N 215~225 kg/hm2

    参考文献 (46)

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