基于临界氮浓度的水稻氮素营养诊断研究

吕茹洁，商庆银，陈 乐，曾勇军，胡水秀，杨秀霞

（江西农业大学/作物生理生态与遗传育种重点实验室，江西南昌 330045）

为保障国家粮食安全生产和促进社会经济的科学发展，我国于1996年提出并开始实施了“超级杂交稻”选育计划及配套栽培技术开发与集成研究，目前育成了一批在生产上推广应用的超级杂交稻品种[1]。与常规稻相比，超级杂交稻生物产量高、生长势强，在高氮条件下更有利于杂交稻高产潜力的发挥[2]。在生产中，为充分满足超级杂交稻的生长需求，氮肥施用普遍存在过量的现象[3]。然而，过量施用氮肥不仅会增加生产成本，而且会造成环境污染，威胁生态环境[4–5]。因此，要科学地实现超级杂交稻的合理施肥，还需要寻找能最大限度发挥其产量潜力的氮素需求临界点。

氮肥合理施用的重要基础是明确水稻植株在生育阶段中的临界氮浓度。临界氮浓度 (critical N concentration，Nc) 是由Ulrichi[6]提出的概念，它是指作物获得最大生物量所需要的最少氮营养元素。Greenwood等[7]得出植株地上部的氮浓度 (N，%) 与地上部干物质量 (DM，t/hm2) 存在幂函数关系，即为临界氮浓度变化曲线，方程为Nc= aDM–b(a、b均为此方程参数)，并通过多个试验的平均值构建出适用于C3和C4作物的通用方程，分别为Nc= 5.17DM–0.5、Nc= 4.11DM–0.5。而后，Lemaire等对上述方程参数进行进一步的修正，系数a分别为4.8和3.6，系数b为0.34[8]。由于此方程的参数是由多个试验的平均结果得到，加之供试品种数量有限，因此并不能适用于一切C3、C4作物。在此后的研究中，建立起小麦[9]、油菜[10]、棉花[11]、土豆[12]、玉米[13]等作物的临界氮浓度变化曲线方程。在水稻的研究中，国内外研究者在不同试验条件下对临界氮浓度分别开展了相关研究[14–16]，并先后得出水稻临界氮浓度与地上部干物质量的幂函数曲线方程，然而对超级杂交稻与常规稻临界氮浓度变化曲线是否存在差异鲜有报道。

为此，本研究以超级杂交稻 (Y两优一号、超优千号) 和常规稻 (粤农丝苗、金农丝苗) 为对象，通过田间小区试验，研究不同施氮水平条件下水稻地上部生物量与其氮浓度的变化关系，从而构建临界氮变化曲线，并建立氮素营养诊断方程，为不同水稻品种氮素精确定量调控提供理论基础，也为超级杂交稻产量和氮肥利用效率协同提高提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2016年在江西省宜春市上高县曾家村(115°06′E，28°16′N) 进行，供试土壤为沙壤土，理化性质为全氮2.54 g/kg、有机质46.8 g/kg、有效磷24.68 mg/kg、速效钾156.3 mg/kg、pH 4.96。

1.2 试验设计

供试品种分别为杂交稻Y两优一号 (YY-1)、超优千号 (CYQ)；常规稻粤农丝苗 (YSM)、金农丝苗(JSM)。试验设置7个施氮水平，分别为N0、40、80、120、160、200、240 kg/hm2，以 N0、N40、N80、N120、N160、N200、N240表示。采用裂区设计，肥料为主区，品种为副区，重复3次，小区面积30 m2。各小区采用塑料薄膜包埂，以避免窜水窜肥。氮肥依据基肥∶蘖肥∶穗肥 =4∶2∶4的比例施入。基肥于移栽前1 d施用，分蘖肥于移栽后7 d施入，穗肥于幼穗分化四期施入。各小区磷肥 (P2O5)和钾肥 (K2O) 施用量相同，分别为105 kg/hm2和160 kg/hm2。其中磷肥做基肥一次施用，钾肥50%作为基肥施用，50%作为穗肥施用。

由于生育期不同，为保证同时抽穗扬花，四个品种采取分期播种方式，其中超优千号于2016年5月13日播种，Y两优一号于5月18日播种，粤农丝苗和金农丝苗于5月26日播种。各品种均于6月10日移栽，移栽密度20 cm × 30 cm，每穴插2粒谷秧，其他条件均按照相同的高产栽培方式进行。粤农丝苗和金农丝苗于9月18日收获，Y两优一号和超优千号于10月8日收获。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 产量及产量构成 在未取样的区域收割60蔸(6行10列)，装入大网袋，晒干后敲打网袋进行脱粒，然后放入大水桶中水选，对下沉的饱满谷粒进行烘干称重，获得实际产量；在收割前每小区调查90穴有效穗数，根据平均有效穗数取样5蔸，并重复3次进行考种，考察每穗粒数、结实率和千粒重。1.3.2 干物质量积累与氮浓度测定 于移栽后15、30、45、60、75天各处理取代表性植株6蔸，成熟期各处理取代表性植株9蔸，将茎鞘、叶片、穗 (抽穗后) 三部分按器官分离，在105℃杀青30分钟，放入烘箱保持80℃，烘干样品至恒重并称重。将测定过干物质量重的样品粉碎后，通过FOSS-2300型全自动定氮仪测定器官氮浓度。

器官氮积累量 (kg/hm2) = 器官氮浓度 (%) × 器官干物质量 (kg/hm2)

植株氮浓度 (%) = 植株氮积累量 (kg/hm2)/植株干物质量 (kg/hm2) × 100

1.4 临界氮浓度变化曲线及其构建方法

按照Justes等[9]提出的临界氮浓度变化曲线的计算方法，其包括以下步骤：1) 对比分析不同氮水平处理每次取样地上部干物重及相应的氮浓度值，通过方差分析，对作物生长受氮素限制与否的施氮水平进行分类；2) 对于施氮量不能满足作物最大生长需求的试验资料，其地上部干物重与氮浓度值间的关系以线性曲线拟合；3) 对于作物生长不受氮素影响的施氮水平，其地上部生物量的平均值用以代表最大干物重；4) 每次取样日的理论临界氮浓度由上述线性曲线与以最大干物重为横坐标的垂线的交点的纵坐标决定。图1为临界氮浓度变化曲线的示意图。

图1 临界氮浓度变化曲线Fig. 1 Critical nitrogen concentration curve

按Greenwood等[7]的定义，临界氮浓度稀释曲线方程为：

式中：Nc为水稻地上部干物质量的临界氮浓度值(%)；DM为水稻地上部干物质量积累量的最大值，a、b均为方程的参数，a代表地上部干物质量为1 t/hm2时的临界氮浓度，b为决定此曲线斜率的统计学上的参数。

1.5 氮营养指数方程构建及方法

为定量反映水稻氮素营养状况，基于临界氮浓度变化曲线可构建氮营养指数 (nitrogen nutrition index，NNI) 方程[17]：

式中：Na为水稻地上部氮浓度实际测定值；Nc为以相同的地上部生物量根据临界氮浓度稀释模型求得的临界氮浓度值。

氮营养指数可以直观地反映植株体内氮素的营养状况，若NNI = 1，表明水稻植株的氮素营养达到最佳状态；若NNI ＞ 1，表明植株氮素含量过高；若NNI ＜ 1，表明植株体内氮素供应不足[18]。

1.6 氮积累亏缺方程构建

根据式 (1) 可推导出水稻临界氮积累方程式(3)，并可推导出氮积累亏缺方程式 (4)，推导过程参照Lemaire等[19]的研究方法，方程如下所示：

式中：Ncna表示临界氮浓度条件下植株氮积累量(kg/hm2)；DM表示植株地上部干物质量 (t/hm2)；a、b表示方程参数；Nand为氮积累亏缺值；Nna表示植株在不同施氮量下的实际氮积累量 (kg/hm2)。若Nand等于0，表示植株体内氮素积累达到最佳水平；若Nand值大于0，表示植株的氮积累较少，并未达到最佳状态；若Nand小于0，则表示氮积累过量。

1.7 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2016、SPSS19.0、Origin 9.0进行数据处理和作图。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平对产量和干物质量积累的影响

由表1可知，在施氮条件下，水稻产量和各生育期地上部干物质积累量均随施氮量的增加而显著增加，超过一定范围后趋于稳定。相关分析表明，水稻各生育期地上部干物质量积累与产量呈显著正相关，说明水稻生长过程中地上部干物质量越高则产量越高。其中，杂交稻地上部干物质量的变化范围分别为0.58～18.52 t/hm2(Y两优一号) 和0.50～20.16 t/hm2(超优千号)；常规稻分别为0.31～15.58 t/hm2(粤农丝苗) 和 0.32～15.19 t/hm2(金农丝苗)，说明杂交稻的干物质量生产能力大于常规稻。

杂交稻N200、N240处理间地上部干物质量差异不大 (表1)，但显著高于N0、N40、N80、N120、N160处理。因此，将杂交稻N0、N40、N80、N120、N160、N200处理列入受氮限制组，将N200、N240处理列入不受氮素限制组。

常规稻N160、N200、N240处理间地上部干物质量差异不大 (表1)，但显著高于N0、N40、N80、N120处理。因此，将常规稻N0、N40、N80、N120、N160处理列入受氮限制组，将N160、N200、N240处理列入不受氮素限制组。

2.2 不同施氮水平对水稻植株氮浓度的影响

同一取样时期，4个供试水稻品种植株氮浓度均随着施氮水平的提高呈增加趋势，但从整个生育期来看，随时间的推移和地上部干物质量的增加，水稻植株氮浓度均呈下降趋势 (图2)。杂交稻Y两优一号和超优千号植株氮浓度的变化范围分别为0.97%～3.72%和0.97%～3.74%，常规稻粤农丝苗和金农丝苗的变化范围分别为1.17%～3.85%和1.18%～3.81%，相同类型品种间植株氮浓度变化趋势基本一致。

2.3 水稻临界氮浓度变化曲线

根据1.4临界氮浓度变化曲线方程的构建方法，将水稻不同施氮水平下植株的地上部干物质量与对应的植株氮浓度进行回归曲线拟合，得出每次取样日的临界氮浓度值 (Nc，图3)。由临界氮浓度及对应的地上部干物质量构建水稻整个生育期的临界氮浓度变化曲线 (图3)。各品种临界氮浓度变化曲线幂函数方程如下：

杂交稻Y两优一号和超优千号之间以及常规稻粤农丝苗和金农丝苗之间的临界氮浓度变化曲线方程参数均无统计差异，因此可将相同类型品种合并，重新构建常规稻和杂交稻临界氮浓度变化曲线(图4) 和幂函数方程：

由表1可知，杂交稻在移栽后第15、30、45、60、75和120 d时，最大干物质量分别是0.75、2.83、6.88、11.14、13.28、19.23 t/hm2，对应临界氮变化曲线上的Nc分别为3.70%、2.42%、1.82%、1.56%、1.47%、1.31%，常规稻在移栽后第15、30、45、60、75和100 d时，最大干物质量分别是0.40、1.95、6.23、11.27、13.68、15.15 t/hm2，对应临界氮变化曲线上的Nc分别为3.72%、2.51%、1.87%、1.62%、1.54%、1.50%(图4)。说明常规稻相同取样日期临界氮浓度高于杂交稻，但杂交稻的干物质量生产能力大于常规稻。

2.4 氮营养指数

不同水稻品种在生长发育进程中NNI均随施氮水平的增加而增加 (图5)。在整个生育期内，杂交稻在N0～N160处理水平下NNI均小于1，且随着生育进程的推进呈下降趋势，表明植株氮浓度偏低，氮肥施用不足；在N240处理水平下NNI大于1，表明植株氮浓度过高，氮肥施用过量；在N200处理水平下NNI值在1上下波动，表明在本研究条件下杂交稻施入200 kg/hm2左右氮肥较为适宜。常规稻在N0～N3处理水平下NNI均小于1，在N240处理水平下NNI均大于1，而在N160、N200处理水平下

NNI在1上下波动，表明在本研究条件下常规稻的适宜施氮量在160～200 kg/hm2之间。

表1 不同施氮水平下水稻不同生长期地上部干物质积累量和产量 (t/hm2)Table 1 Aboveground dry matter accumulation on the growing days after transplanting and the grain yields for rice under different nitrogen fertilization rates

图2 不同施氮水平下的植株氮浓度Fig. 2 Plant nitrogen concentration at different nitrogen levels

图3 水稻各品种临界氮浓度变化曲线Fig. 3 Dilution curve of critical nitrogen concentration for aboveground biomass of rice

2.5 氮亏缺值

不同品种临界氮浓度条件下植株氮积累量 (Ncna)存在一定差异，其中杂交稻在移栽后第15、30、45、60、75和 120 天时分别为 27.6、68.4、125.1、173.6、195.7、251.6 kg/hm2，常规稻在移栽后第15、30、45、60、75和 100 天时分别为 14.9、48.8、116.7、182.1、210.6、227.3 kg/hm2。除个别生育期外，杂交稻的Ncna均高于常规稻。

由图6可知，不同水稻品种各生育期氮亏缺值(Nand) 均随施氮量的增加而减小，直至出现负值。在不施氮条件 (N0) 下，植株Nand随生育进程的推移而增加，即不施氮肥的植株氮亏缺量随着生长而加大。对于杂交稻而言，在N0～N160处理施氮水平时，Nand均大于0，表明植株体内氮素积累量不足；在N240处理施氮水平时，Nand小于0，表明施氮量过高；在N200处理施氮水平时，Nand在0附近波动，表明施氮量在200 kg/hm2时植株体内氮素积累较为适宜，此时基肥、分蘖肥和穗肥用量分别为N 80、40、80 kg/hm2。对常规稻而言，在N160和N200处理施氮水平时，Nand在0附近波动，表明常规稻适宜施氮量介于160～200 kg/hm2之间，此时基肥、分蘖肥和穗肥最佳用量分别为N 64～80、32～40、64～80 kg/hm2。

图4 水稻临界氮浓度变化曲线Fig. 4 Critical nitrogen concentration curve of rice

图5 不同施氮水平下水稻氮营养指数动态变化Fig. 5 Dynamic changes of the nitrogen nutritional index of rice under different N application levels

图6 不同施氮水平下水稻氮亏缺值的变化Fig. 6 Dynamic changes of the nitrogen deficit of rice under different N application levels

3 讨论

3.1 不同水稻品种临界氮浓度变化曲线

与常规稻相比，杂交稻具有较大的高产潜力。但在实际生产中，氮肥施用普遍存在过量现象，不仅造成生产成本的增加，而且严重污染环境。因此，建立快速有效的诊断杂交稻植株氮素营养状况的技术方法显得尤为重要。明确水稻在全生育期的临界氮浓度是实现氮素营养诊断以及合理施用氮肥的基础。国内外研究指出，在作物的生长发育过程中，植株地上部氮浓度与其干物质量间存在稳定的幂函数关系，但幂函数方程的参数可能因作物的种类、品种以及地域的不同而存在差异[7,9]。根据薛晓萍等[11]的研究，作物在生长过程中，若地上部分氮浓度在临界氮浓度以下，作物的生长将受到氮养分的制约；在临界氮浓度以上，则说明施氮量已超过作物的需求量，作物生长不受氮的限制；只有氮浓度等于临界氮浓度时的施氮量最为适宜。由于临界氮浓度是由不同的氮水平试验计算得出，因而氮水平试验需要包含作物生长受到氮素营养亏缺的制约和不受制约两种情况，若增加施氮量导致作物地上部生物量显著增加 (P ＜ 0.05)，表明作物生长因氮素供应不足而不能达到最大生产量；反之，若增加施氮量，尽管氮吸收量可能增加，但地上部干物质并未出现显著增加，作物生长将不受氮素制约。

本研究通过分析不同品种水稻在不同施氮量下，地上部干物质量积累与氮浓度之间的变化关系，建立水稻临界氮变化曲线方程，分别为Nc= 3.37 DM–0.32(杂交稻)，Nc= 2.96 DM–0.25(常规稻)，其方程的决定系数分别为0.91、0.86，拟合度均达到极显著水平。杂交稻和常规稻的临界氮浓度变化曲线方程形式符合Greenwood等的假设[7]，说明本研究得到的方程适宜表征水稻植株氮浓度与地上部干物质量之间的关系。本研究构建的杂交稻与常规稻临界氮变化曲线方程参数a、b值与Sheehy等[14]构建水稻临界氮浓度变化曲线方程 (Nc= 5.18 DM–0.52) 的参数差别均较大，主要原因可能是Sheehy等构建方程是综合不同国家水稻品种的结果。但本研究构建的杂交稻品种临界氮浓度变化曲线方程与贺志远等[20]在江西省构建的方程 (Nc= 3.69 DM–0.34) 参数相近，常规稻品种与Ata-Ul-Karim等[21]、王远[22]、刘小军等[23]分别在江苏省各地区构建的临界氮浓度变化曲线方程 (Nc= 2.17 DM–0.27、Nc= 3.33 DM–0.26、Nc= 3.53 DM–0.28) 参数相近。因此，本研究建立的临界氮浓度变化曲线方程适用于我国南方水稻种植地区杂交稻与常规稻品种氮素营养诊断。

在本研究条件下，杂交稻与常规稻的方程参数存在差异，这可能与二者干物质量生产能力和氮素需求不同有关。本研究表明，杂交稻在移栽后第15、30、45、60、75和120天时，最大干物质量分别是 0.75、2.83、6.88、11.14、13.28、19.23 t/hm2，Nc分别为3.70%、2.42%、1.82%、1.56%、1.47%、1.31%，常规稻在移栽后第15、30、45、60、75和100天时，最大干物质量分别是0.40、1.95、6.23、11.27、13.68、15.15 t/hm2，Nc分别为 3.72%、2.51%、1.87%、1.62%、1.54%、1.50% (图4)。说明常规稻相同生育期临界氮浓度高于杂交稻，但杂交稻的干物质量生产能力大于常规稻。在成熟期，临界氮浓度条件下杂交稻植株氮积累量分别为242.8 kg/hm2(Y两优一号) 和269.2 kg/hm2(超优千号)；而常规稻氮素积累量较少，分别为229.8 kg/hm2(粤农丝苗) 和223.4 kg/hm2(金农丝苗)。可见，杂交稻植株适宜氮素需求量高于常规稻，这与夏冰等[24]的研究结果一致。

3.2 不同水稻品种氮素营养诊断

氮营养指数可以直观地反映植株体内氮素的营养状况。若营养指数NNI = 1，表明水稻植株的氮素营养达到最佳；若NNI ＞ 1表明植株氮素含量过高；若NNI ＜ 1表明植株体内氮素供应不足[18]。本研究表明，杂交稻与常规稻的NNI变化范围分别为0.73～1.05和0.78～1.11，在相同施氮水平时杂交稻的NNI最小值与最大值均低于常规稻 (图4)。通过对各个品种的NNI分析表明，杂交稻的适宜施氮量为200 kg/hm2，较常规稻适宜施氮量160～200 kg/hm2高，表明杂交稻对氮肥的需求量较大，这与艾志勇[25]的研究结果一致。

基于水稻临界氮浓度变化曲线方程得到氮亏缺值 (Nand) 能够准确地反映植株氮素营养盈亏量，对指导实际生产中氮肥补给量有重要的指导意义。若Nand等于0，表示植株体内氮素积累达到最佳水平；若Nand大于0，表示施氮水平偏低，植株氮积累量不足，氮素营养水平未达到最佳状态；若Nand小于0，则表示氮积累过量。本研究条件下，杂交稻的Ncna高于常规稻。杂交稻在施氮水平为 200 kg/hm2时，Nand在0附近波动，表明施氮量在200 kg/hm2时植株体内氮素积累较为适宜；对常规稻而言，施氮水平为160和200 kg/hm2时Nand在0附近波动，表明常规稻适宜施氮量介于160～200 kg/hm2之间。这与通过NNI推断的杂交稻与常规稻的最适施氮量结果基本一致，且NNI与Nand对植株氮素缺乏与过剩的描述基本相同，表明氮营养指数与氮亏缺值均能够很好地评估水稻的氮素营养状况。

4 结论

本研究依据超级杂交稻 (Y两优一号、超优千号) 和常规稻 (粤农丝苗、金农丝苗) 4个不同品种的试验资料建立了水稻临界氮浓度变化曲线方程，其中超级杂交稻各品种之间以及常规稻各品种之间的临界氮浓度变化曲线均无统计差异，因此可将相同类型品种合并，构建杂交稻和常规稻临界氮浓度变化曲线方程，分别为 Nc= 3.37DM–0.32和 Nc= 2.96DM–0.25。常规稻品种临界氮浓度高于相同生育期的杂交稻品种，但杂交稻的干物质量生产能力大于常规稻。由于氮营养指数NNI和氮亏缺值Nand均基于临界氮浓度变化曲线方程，因而利用上述指标进行适宜施氮量调控的结论基本一致。其中杂交稻和常规稻NNI变化范围分别为0.73～1.05和0.78～1.11，Nand变化范围分别为–9.8～117.8 kg/hm2和–25.4～90.3 kg/hm2。在本试验条件下杂交稻和常规稻适宜施氮量分别为200 kg/hm2左右和160～200 kg/hm2，与当地实况相符。