基于临界氮浓度的滴灌棉花氮素营养诊断模型研究

马露露 吕 新 张 泽 马革新 海兴岩

(1.石河子大学生命科学学院， 石河子 832003； 2.石河子大学农学院, 石河子 832003；3.新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室， 石河子 832003)

0 引言

氮素是干旱区作物增产增效的重要限制因素，国内外关于滴灌作物养分运移与分配、作物生长与产量、施肥制度、氮肥优化管理等方面开展了大量研究[1]。但在作物生长过程中氮素需求和供应之间的同步性研究较少[2]，导致氮素利用效率偏低，同时造成温室气体排放加剧和大气、土壤及水体的污染。因此，针对作物不同生育期氮素营养实际状况优化供氮量，对于提高氮素利用效率和环境保护具有重要意义。

研究发现,不同作物、生态气候区域及水肥管理方式之间的模型存在一定的差异，新疆属于典型干旱区，滴灌水肥一体化模式对氮素吸收影响较大，因此需要进行临界氮浓度稀释模型参数的本地化校正。

本研究以我国重要经济作物棉花为研究对象，在滴灌条件下开展不同施氮水平田间试验，以确定滴灌棉花生长发育与氮素吸收利用规律为基础，建立滴灌棉花临界氮稀释浓度模型，最终确定氮浓度营养指数，实现氮素准确、快速诊断，为进一步提高滴灌棉花的氮素利用效率、氮肥合理施用水平提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2015—2016年在新疆玛纳斯县六户地镇高产创田地(东经86°07′36″，北纬44°39′15″，图1)进行，日照时间达2 800～3 000 h，年平均气温5℃，大于等于10℃有效积温3 500～4 100℃，无霜期180 d。土壤质地为壤土，0～20 cm土层有机质质量比19.13 g/kg，碱解氮质量比50.8 mg/kg，速效磷质量比19.8 mg/kg，速效钾质量比160.1 mg/kg，田间持水量29.6 g/m3，耕层土壤容重为1.43 g/cm3。

图1 试验地位置图Fig.1 Experimental field location map

滴灌棉花的供试品种为新陆早45，试验设6个氮素水平N0、N1、N2、N3、N4(0、120、240、360、480 kg/hm2)和N5(常规处理，施氮量为300 kg/hm2，为当地农户施纯氮量，作为模型的验证)，氮肥施用均为30%作为基肥，剩余70%在滴灌棉花生育期随水施入。磷肥(P2O5)150 kg/hm2和钾肥(K2O)150 kg/hm2播前一次性施入。试验设3次重复，随机区组排列(图2)。采用膜下滴灌的方式，氮肥(尿素，含氮量46%)施入时间与当地农户同步。试验小区面积为25 m2(2.5 m×10 m)，种植模式为“1膜3管6行”，膜宽2.05 m，株距10 cm，行距配置为10 cm+66 cm，种植密度为22.5万株/hm2。试验地为棉花连作，东西走向，四周设置保护行。2015年4月11日播种，并滴施出苗水，其他田间管理措施均按高产栽培要求进行。

图2 试验小区分布图Fig.2 Field experiment district distribution map

1.2 测定内容与方法

2015和2016年试验均在滴灌棉花出苗后开始计算采样日期，直至棉花始絮期。第2次滴灌施肥5 d以后开始采样，其中施氮和滴灌日期为6月17日、6月23日、7月1日、7月10日、7月22日、8月5日、8月20日，施氮比例分别为10%、10%、20%、20%、20%、10%、10%，采样时间分别为出苗后第60、68、77、90、105、125天，2年试验施氮比例、施氮日期、采样时间相同。每个试验小区选取具有代表性的棉花3～6株，按茎、叶和雷铃3类不同器官分样，称量其各部位鲜质量，在105℃下杀青30 min，80℃干燥至恒质量，然后称量其干物质量。粉碎后用凯氏定氮法测定各分器官的全氮含量，据此计算滴灌棉花单株氮素累积量。成熟后分小区收获、测产。

1.3 滴灌棉花临界氮浓度曲线模型的建立方法

1.3.1滴灌棉花临界氮浓度曲线模型

根据GREENWOOD等[8]对临界氮浓度的定义，对于滴灌棉花，地上干物质氮浓度值在其生长发育不受氮素制约的情况下达到最低值时为临界氮浓度。

图3 不同施氮水平下滴灌棉花地上部各器官氮素吸收分配规律Fig.3 Nitrogen absorption distribution rule of aboveground organs of drip-irrigation cotton under different nitrogen levels

临界氮浓度稀释曲线的模型为

(1)

式中Nc——临界氮浓度，g/(100 g)

a——滴灌棉花地上部生物量为1 t/hm2时棉株的临界氮浓度

Wmax——滴灌棉花地上部最大生物量

b——控制临界氮浓度稀释曲线斜率的参数

用均方根误差(Root mean square error，RMSE)和标准化均方根误差(n-RMSE)对所得模型进行验证，然后建立模拟值和实测值1∶1直方图显示模型的拟合度和可靠程度。其中RMSE值越小，表示模拟值与实测值的偏差越小；n-RMSE小于10%，模型模拟性能极好；n-RMSE为[10%，20%]，模型模拟性能较好；n-RMSE为[20%，30%]，模型模拟性能一般；n-RMSE大于30%，模拟性能较差[23]。

1.3.2滴灌棉花的异速生长模型

滴灌棉花在临界氮浓度下达到累积的最大地上部生物量时所需的氮吸收量Nuptc(kg/hm2)为

Nuptc=10NcWmax

(2)

将式(1)代入式(2)，得到滴灌棉花临界氮吸收模型，即滴灌棉花氮累积量与地上部生物量之间的异速生长模型

(3)

1.3.3滴灌棉花临界氮营养指数

氮营养指数(Nitrogen nutrition index，NNI)是指作物地上部植株实际的氮浓度与临界氮浓度的比值，用来判定作物体内氮营养状况[24-25]，是LEMAIRE等[26]基于临界氮浓度稀释模型提出了氮营养指数(NNI)的概念，计算式为

(4)

式中Ni——地上部实测氮浓度，g/(100 g)

若NNI=1，表明作物氮素营养水平处于最佳状态，高于1为氮营养过剩，低于1则氮营养不足。

1.4 数据处理与分析

采用2015年的试验数据进行回归拟合，建立滴灌棉花临界氮浓度稀释曲线模型，利用2016年的常规试验数据对模型进行验证。采用Excel 2013进行数据的基础整理，显著性分析在SPSS 19.0 软件中的LSD和Duncan进行，图形通过Origin 8.0进行绘制。

2 结果与分析

2.1 施氮水平对滴灌棉花氮素吸收分配规律的影响

由图3可以看出，滴灌棉花在不同施氮水平下，地上部各器官的氮素含量存在显著性差异，其中叶片含量最高，蕾铃次之，茎的含氮量最低。随着滴灌棉花的生长发育，叶和茎的含氮量呈下降趋势，其中叶片的含氮量从47.05 g/kg降到23.33 g/kg，降幅为50.41%，茎的含氮量从16.84 g/kg降到7.00 g/kg，降幅为58.43%。由于土壤基础肥力的影响，N0、N1、N2和N3处理对叶和茎的含氮量没有显著影响，在N4水平下有显著差异；叶和茎含氮量的降低与氮素向蕾铃转移有关，在棉花生长期内，蕾铃的含氮量先下降后上升，这是由于后期幼铃增多且成铃数也在增加，蕾铃的生物量大幅增加，单铃的含氮量呈逐渐下降的趋势；出苗后105 d以后即盛铃期至始絮期，随着棉花整个生育期施氮的完成，叶片和茎的含氮量显著下降，同时由于棉花种子及纤维的发育，棉铃的含氮量出现回升。

2.2 施氮水平对滴灌棉花地上生物量和氮浓度动态累积的影响

以W0、W1、W2、W3、W4 分别表示N0、N1、N2、N3、N4施氮水平下滴灌棉株的地上部生物量(kg/hm2)，表1试验结果表明，通过显著性分析，在不同施氮水平下的生物量由大到小依次为W3和W4和W2、W1、W0，滴灌棉花的地上部生物量随着生物进程而增加，N0、N1、N2、N3、N4水平下地上部生物量从第60天到第125天增幅分别为243.49%、423.48%、519.93%、573.53%、561.79%，其中在N3水平下增幅最大，与N0、N1有显著差异，与N2、N4无显著差异；说明在其他条件平等的情况下，过多的施入氮肥并不能使滴灌棉花的生物量显著增加。

表1 施氮水平对滴灌棉花生物量动态累积变化的影响Tab.1 Effect of nitrogen levels on dynamic change of nitrogen accumulation in aboveground biomass of drip-irrigation cotton

注：同一列的不同字母代表差异显著(P<0.05)，下同。

如图4所示，其氮浓度随生物进程的进行而降低，出苗后68 d的氮浓度下降得最快。通过显著性分析(表2)，其氮浓度在不同施氮水平下从大到小依次为N3和N4和N2、N1、N0；在N2、N3和N4条件下，棉株地上部氮浓度差异不显著，说明在棉田土壤基础肥力的影响下，棉花的生长发育不受N2、N3和N4施氮水平的显著影响。

图4 不同施氮水平下滴灌棉花地上部氮浓度动态累积变化Fig.4 Change of aboveground nitrogen concentration accumulation dynamic of drip-irrigation cotton under different nitrogen levels

结合JUSTES等[27]和薛晓萍等[21]提出的临界氮浓度稀释曲线的计算方法，本研究中滴灌棉花临界氮浓度模型的建立步骤为：①分析不同施氮水平下，滴灌棉花地上部干物质与其氮浓度，通过对施氮水平进行方差分析，氮素是否制约棉花的正常生长发育。②对于不受氮素限制的施氮水平，采用其地上部干物质的平均值作为该采样日期的最大干物质。③对于不能满足棉花生长发育氮需求量的施氮水平，对其地上干物质与氮浓度值进行线性或者曲线拟合。④采样日的临界氮浓度为由步骤③的线性或曲线与横坐标上最大干物质的垂线交点的纵坐标。

表2 不同施氮水平下滴灌棉花地上部氮浓度显著性检验Tab.2 Significance test of aboveground nitrogen concentration of drip-irrigation cotton under different nitrogen levels

2.3 滴灌棉花临界氮浓度稀释曲线模型建立

由于新疆地区特殊的地理气候条件，滴灌棉田的种植密度比内地大，因此单位面积棉花的生物量较高。在出苗后第60～125天的采样时间里，滴灌棉花的生物量范围在3～22 t/hm2，全部大于1 t/hm2；氮浓度在17～35 g/kg范围内。通过分析得出，滴灌棉花在N0和N1条件下为限氮水平，由临界氮浓度的确定条件和式(1)得出滴灌棉花临界氮浓度稀释曲线(图5)及模型，表3为模型参数。分析实测数据得出在不同施氮水平下，同样的地上生物量值其所对应氮浓度值不同，取每个采样日氮浓度的最大、最小实测值模拟得到其最高(Nmax，%)、最低(Nmin，%)氮浓度稀释模型，结果同样也符合模型(1)，这与薛晓萍等[21,28]的结果相符，模型参数见表3。由式(2)和(3)得到异速生长模型，2个模型的参数见表3。其中10a值与薛晓萍等[21]和王子胜等[22]的结果存在差异，这与新疆土壤类型、农田生态和水肥供应方式有关。

图5 滴灌棉花氮浓度稀释曲线Fig.5 Nitrogen concentration dilution curves for drip-irrigation cotton

类型稀释曲线abR2类型异速生长曲线10a1-bR2Nmax4.450.220.973Nuptcmax44.510.780.954Nmin3.420.220.882Nuptcmin34.210.780.897Nc3.910.240.906Nuptc39.140.760.933

2.4 滴灌棉花临界氮浓度稀释曲线模型的验证

采用独立试验数据对模型进行验证，研究选取2016年常规试验即施纯氮量为300 kg/hm2的大田试验的全生育期的6次采样的单株滴灌棉花地上部生物量来验证模型。将独立试验的滴灌棉花地上部生物量(其中6月28日取样3株、7月6日取样3株、7月15日取样3株、7月28日取样3株、8月12日取样3株、9月3日取样4株，共计n=19，)代入所得滴灌棉花临界氮浓度稀释曲线模型中得到模拟值，然后做出模拟值和实测值的1∶1直方图(图6)，通过RMSE和n-RMSE来评价模型的精准度。其中RMSE为3.71 g/kg，n-RMSE为13.60%，n-RMSE为[10%，20%]，说明模型的模拟性能较好，可以进一步用于滴灌棉花的营养诊断。

图6 滴灌棉花临界氮浓稀释曲线模型的验证Fig.6 Validation of critical nitrogen concentration dilution curve model for drip-irrigation cotton

2.5 基于滴灌棉花临界氮浓度稀释曲线的氮营养诊断

本研究采用氮素营养指数作为判断滴灌棉花临界氮浓度稀释模型的依据。由式(4)，通过氮营养指数得出滴灌棉花的营养状况。如图7所示，随着施氮水平的增加，氮营养指数不断提高。不同氮素处理的滴灌棉花的NNI值分别为：N0(0.74～0.96)、N1(0.84～0.97)和N2(0.92～0.99)水平在出苗后第60～125天内NNI值均小于1，说明N0、N1和N2水平下，滴灌棉花的生长受到了氮素的限制，N3(1.005～1.03)和N4(1.06～1.12)水平下NNI值均大于1，说明在N3、N4水平下滴灌棉花属于过量氮素的施入，因此其适宜施氮量在N2和N3之间。

图7 滴灌棉花氮营养指数动态变化Fig.7 Dynamic changes of nitrogen nutrient index of drip-irrigation cotton

3 讨论

3.1 滴灌棉花临界氮浓度稀释曲线的模型特征

本研究建立了新疆干旱棉区滴灌棉花除苗期之外全部生育期临界氮浓度稀释曲线模型，其模型在形式上与薛晓萍等[21]、王子胜等[22]针对长江流域、黄河流域和东北特早熟棉区建立的棉花临界氮浓度稀释模型一致，其采样时间(苗期后期)与薛晓萍等[21](初花期)的采样时间大致一样，这说明临界氮浓度稀释模型的建立与棉花的生育期无明显的关系；所得模型的b值(0.24)与薛晓萍等[21]淹灌的模型b值(南京，0.131；安阳，0.131)差异较大，与王子胜等[22]所建立的模型b值(0.252)极为接近，但a值(3.91)与薛晓萍等[21](黄淮棉区，2.858；长江中下游棉区，3.387)和王子胜等[22](东北早熟棉区，4.377)的研究结果均有差异，说明新疆滴灌棉的氮吸收能力比安阳和南京的棉花氮吸收能力强，但是低于东北早熟棉区的氮吸收能力。其原因：①新疆干旱棉区采用滴灌方式，肥随水入，每个生育期都会施入其所需的氮肥，这与薛晓萍等[21]分30%、70%施入和王子胜等[22]将氮肥一次性施入不同，说明施肥方式对棉花的氮素吸收能力有一定的影响。②新疆由于土壤类型和气候原因，采用“密、早、矮、膜”的栽培方式，其密度(19.6万株/hm2)为王子胜等[22]研究的最大密度(12万株/hm2)的1.6倍，使得其在同一生育期的单位面积内生物量(表1)是东北早熟棉区2倍之多，但是在所得单位生物量下，所需的临界氮浓度(表2)比之较小，说明新疆特有的高密度种植模式符合新疆滴灌棉花提高经济效益的需求。

3.2 基于临界氮浓度稀释曲线和NNI滴灌棉花氮营养诊断

基于临界氮浓度稀释模型得出的氮营养指数能诊断滴灌棉花不同生长阶段的氮营养状况，还可以量化滴灌棉花氮素胁迫的程度。本研究通过滴灌棉花临界氮浓度稀释模型的建立得出，新疆滴灌棉区施氮量应不低于240 kg/hm2，不高于360 kg/hm2。

通过对新疆滴灌棉区不同施氮水平的临界氮浓度稀释模型和氮营养指数的研究，结合前人的研究，结果表明不同棉区的氮肥施入量、施肥方式和种植模式都会影响棉花的氮素吸收水平，进而对棉花的生物量、氮浓度和产量产生影响。新疆干旱棉区其特殊的滴灌模式和根据生育时期随水施入的施肥模式能满足干旱区棉花对于氮素养分的需要，更有效地提高氮肥利用率，降低过量施肥给土壤带来的压力，进一步改善土壤生态环境。

4 结论

(1)以滴灌棉花、设置5个施氮水平进行试验，探讨了施氮量对滴灌棉花氮素吸收分配规律的影响。滴灌棉花各器官含氮量的关系由大到小为叶片、蕾铃、茎，叶片和茎的含氮量随生物进程而降低，低于360 kg/hm2的施氮量对于叶片和茎的含氮量没有显著影响。

(2)在一定施氮水平下，滴灌棉花的地上部生物量随施氮量的增加而增加，氮浓度随植株生长发育的进行而降低；建立和验证了滴灌棉花临界氮浓度稀释曲线模型，结果表明，滴灌棉花各生育期的最大生物量与氮浓度之间符合幂指数关系。

(3)基于临界氮浓度稀释曲线模型，通过氮营养指数对新疆干旱区滴灌棉花进行了氮营养诊断，结果显示，在本试验条件下，240～360 kg/hm2为滴灌棉花的适宜施氮量。

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