基于叶面积指数的夏玉米叶片临界氮浓度稀释曲线研究

陆军胜 耿晨鸣 崔晓路 李梦月 胡田田

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室， 陕西杨凌 712100)

0 引言

氮元素是影响作物生长发育和产量形成的主要营养元素之一，对粮食增产发挥了巨大作用[1]。但是，为了获得高产，农民常年不合理地施入大量氮肥，使氮肥利用效率低下，并导致环境污染[2-4]。因此，及时准确地诊断作物氮素营养状况、进而调整氮肥用量显得尤为重要。

关中地区是我国夏玉米的主要产区，在农业生产中大水大肥现象非常突出[5]。氮营养指数是目前作物氮素诊断的主要方法之一[6]，应用该方法的前提是构建临界氮浓度稀释曲线。现有临界氮浓度稀释曲线主要基于植株或者叶片的干物质累积量[7]，干物质累积量的测定需要进行田间采样，其过程费时耗力[6]。近年来，随着科学技术的进步，叶面积指数(LAI)的获取相较于干物质累积量获取更为便捷，这为基于LAI的植株临界氮浓度稀释曲线进行氮营养诊断提供了便利[8]。基于LAI的植株临界氮浓度稀释曲线已经在小麦[9]、水稻[[4]和玉米[8]等作物中构建，并且获得了较好的诊断效果。以往基于干物质或者LAI的植株临界氮浓度稀释曲线的研究重点关注整株玉米氮浓度[10-13]。但相关研究表明，相较于植株整体，叶片对氮素的反应更为敏感[14]，因此利用叶片氮浓度进行作物氮素营养诊断优于利用植株全株氮浓度。目前，基于LAI的叶片临界氮浓度稀释曲线研究尚未见报道。关中地区为半湿润易旱区，季节性干旱主要发生在夏玉米需水关键期(7—8月)，这严重影响了夏玉米的高产、稳产[15-18]。相关研究指出，不同水分状况下临界氮浓度稀释曲线之间存在显著差异。因此，本研究构建不同水分条件下基于LAI的叶片临界氮浓度稀释曲线，分析基于LAI的叶片临界氮浓度稀释曲线构建的氮营养指数在评估作物氮营养状况中的可靠性，为关中地区夏玉米氮素的田间管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018、2019年6—9月在西北农林科技大学节水灌溉试验站(34°17′24″N，108°4′5″E，海拔506 m)进行。试验区属于暖温带季风半湿润气候区，年平均温度12.9℃，年平均蒸发量1 500 mm[19]。2018、2019年夏玉米生育期内降雨量分别为434、522 mm(图1)。试验区土壤质地为重壤土，0～100 cm土层的田间持水率为23%～25%(质量含水率，下同)，凋萎含水率为8.5%，0～20 cm土层的土壤pH值为8.14，有机质含量(质量比，下同)为12.02 g/kg，土壤硝态氮含量为10.08 mg/kg，铵态氮含量为6.94 mg/kg，速效磷含量为20.47 mg/kg，速效钾含量为164.5 mg/kg。

供试品种为当地主栽品种“郑单958”，在冬小麦收获后分别于2018年6月10日和2019年6月9日播种(硬茬播种)，2018、2019年均在9月25日收获，全生育期约108 d，为了保证出苗，播种时每穴播种2粒种子，出苗后每穴保留一株。滴灌所用肥料为尿素，施肥比例分别为出苗20%、六叶期30%、十四叶期30%、吐丝期20%。全生育期施入磷肥(P2O5)90 kg/hm2、钾肥(K2O)60 kg/hm2。滴灌施肥系统主要由水泵、比例施肥泵、过滤器、水表及输配水管道系统及滴灌带组成。试验小区长7 m，宽3.6 m。每个小区布置6根滴灌带，滴灌带间距60 cm，采用Φ16内镶式滴灌带，滴头间距30 cm，工作压力为0.1 MPa，滴头流量为2 L/h，每个小区有一个单独的控制阀门可以对试验小区进行单独控制操作。夏玉米种植行距60 cm，株距23.5 cm，播种密度70 922株/hm2。

1.2 试验设计

试验设灌水量和施氮量两因素，灌水量设置3个水平：雨养(RF)、亏缺灌溉(75%ETc(夏玉米潜在耗水量)，DI)和充分灌溉(100% ETc，FI)。施氮量设置4个水平：不施氮肥(NN)和90 kg/hm2(N3)、150 kg/hm2(N2)、210 kg/hm2(N1)纯氮。试验采用裂区设计，水分处理为主区，施氮量为副区，共12个处理，每个处理重复3次。

灌水量依据P-M公式计算[20]，当夏玉米ETc累计达到30 mm且未来3 d无预报降雨时进行灌溉(图1)，2018年分别在7月21日、7月26日、8月2日和8月29日灌溉，2019年分别在7月13日、8月14日和8月19日灌溉。夏玉米生育期内参考作物蒸发蒸腾量(ET0)如图1所示，作物系数根据作物生育阶段而定，苗期取0.6、拔节-灌浆期取1.2、乳熟-成熟期取0.6。

1.3 叶面积指数、叶片氮含量及产量测定

于夏玉米苗期-灌浆期，每个小区选取3株长势一致的夏玉米，分别测定夏玉米叶面积，采用长宽系数法计算叶面积指数(LAI)。测定叶面积后将夏玉米叶片带回实验室105℃杀青30 min，75℃干燥至质量恒定。随后将夏玉米叶片粉碎，过1 mm筛，用H2SO4-H2O2消煮，并用流动分析仪(Auto Analyzer-Ⅲ型，德国 Bran Luebbe 公司)测定叶片全氮含量。在成熟期，随机选取2行夏玉米，连续取10株，每个小区重复3次，晒干脱粒后称量，折算成含水率为14%的籽粒产量[21]。相对产量为各处理产量与当年最高产量的比值。

1.4 临界氮浓度模型建立及氮营养指数

依据临界氮浓度的定义及计算方法[22-23]，模型的建立步骤主要包括：①方差分析每次取样的LAI和叶片氮浓度(LNC)有无显著差异，将其分为非限氮组和限氮组。②线性拟合限氮组LAI和LNC数据。③求非限氮组LAI的平均值，并构建垂直线。④利用每个采样时期限氮组斜线与非限氮组垂线的交点坐标确定临界氮浓度。基于LAI构建的叶片临界氮浓度稀释曲线效应方程为

Nc=aLAI-b

(1)

式中Nc——夏玉米叶片临界氮浓度(质量比)，g/kg

LAI——叶面积指数，cm2/cm2

a、b——模型参数

将各处理试验实测的LNC除以临界氮浓度确定每个采样时期的氮营养指数(NNI)，计算公式为

NNI=LNC/Nc

(2)

式中LNC——实测叶片氮浓度(质量比)，g/kg

当NNI等于1时，夏玉米氮状态最佳，当NNI大于1时，表示氮过量，当NNI小于1时，表示夏玉米氮不足[7]。

1.5 数据处理

采用Excel 2010软件进行数据处理与计算，采用SPSS 21.0软件进行单因素方差分析和多重比较，采用SigmaPlot 12.5软件进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对夏玉米叶面积指数和叶片氮浓度的影响

随着夏玉米生育期的推进(苗期-灌浆期)，LAI呈现快速增加-缓慢增加-略有下降的变化趋势(图2)。与雨养处理相比，灌水能够显著增加夏玉米LAI，但亏缺灌溉和充分灌溉处理之间LAI无显著差异(P>0.05)。氮肥用量显著影响夏玉米LAI，在施氮量0～150 kg/hm2范围内，LAI随施氮量的增加而显著增加。当施氮量超过150 kg/hm2时，夏玉米LAI不再随施氮量的增加而显著增加。

夏玉米LNC随着生育期的推进逐渐降低，雨养处理的LNC略微低于灌溉处理，亏缺灌溉和充分灌溉处理下LNC之间无明显差异(图3)。施氮能够显著增加LNC，在施氮量0～150 kg/hm2范围内，LNC随着施氮量的增加而增加。当施氮量超过150 kg/hm2时，LNC不再显著增加，即N1和N2处理之间LNC无显著差异(P>0.05)。

2.2 夏玉米叶片临界氮浓度稀释曲线构建

依据临界氮浓度稀释曲线的定义，基于LAI的叶片临界氮浓度为两条直线的交点：其中一条为限氮处理(NN和N3)LNC随LAI增加而增加的倾斜直线，另外一条为非限氮处理(N2和N1)LAI平均值为横坐标的垂直线，两直线的交点即为该生育期夏玉米叶片的临界氮浓度。不同水分处理下基于夏玉米LAI的叶片临界氮浓度稀释曲线如图4(图中**表示差异极显著(P<0.01)，*表示差异显著(P<0.05))所示。由图可知，LNC随着LAI的增加呈下降的趋势，其变化过程可以通过幂函数方程拟合。在临界氮浓度稀释曲线模型中，雨养、亏缺灌溉和充分灌溉处理的幂函数拟合参数a在2018年分别为35.14、36.37和35.62，在2019年分别为33.92、34.83和37.21；参数b在2018年分别为0.29、0.25和0.22，在2019年分别为0.38、0.29和0.29。雨养处理的参数a低于灌溉处理，而参数b高于灌溉处理。

为进一步分析拟合方程参数在各水分处理之间的差异，将幂函数模型进行直线化处理，即lnNc=lna-blnLAI。采用协方差分析方法，分别分析了RF、DI和FI处理之间斜率和截距间的差异。结果表明，在2018年各水分处理之间的拟合方程斜率和截距无显著差异；在2019年各水分处理之间斜率无显著差异，但RF处理直线化方程的截距显著低于DI(P=0.049)和FI(P=0.002)，DI和FI处理之间截距差异不显著(P>0.05)。这说明2019年基于LAI的叶片临界氮浓度稀释曲线在RF处理下的下降速率显著高于DI和FI处理。此外，还分析了不同水分处理下基于LAI的叶片临界氮浓度稀释曲线在2018年和2019年的差异，结果表明RF处理2018年和2019年直线化方程的截距存在显著差异(P=0.018)，其他水分处理下的截距和斜率均无显著差异(P>0.05)。这说明RF处理下基于LAI的叶片临界氮稀释曲线更容易受到年际影响，而灌溉处理下基于LAI的临界氮浓度稀释曲线较为稳定。因此，将2018年和2019年DI和FI处理的曲线并置拟合，得到灌溉处理下基于LAI统一的临界氮浓度稀释曲线，a为35.91，b为0.26(图5)。

2.3 氮营养指数的动态变化及其与相对产量的关系

夏玉米氮营养指数(NNI)总体上随着施氮量的增加而增加，变化范围为0.62～1.16(图6)。整体上看，NN和N3处理的NNI显著小于1，N2和N1处理的NNI大于或者接近于1，N1处理的NNI略微高于N2处理，这表明N1和N2处理能够满足夏玉米生长对氮素的需求。

夏玉米NNI和相对产量(各处理产量与当年最大产量的比值)之间的关系如图7所示。由图可知，RF处理的相对产量较灌溉处理明显偏低，当NNI大于等于0.96时，RF处理的产量维持稳定，为最大产量的85%。DI和FI处理之间夏玉米产量差异较小，当NNI大于等于0.97时，夏玉米的产量维持在一个相对高产的水平(DI和FI处理均高于最大产量的99%)，并不随着NNI的增加而持续增加。因此，在水肥一体化条件下，DIN2处理能够获得较高的夏玉米产量。

3 讨论

基于植株或叶片干物质的临界氮浓度稀释曲线已经被广泛的应用于小麦[13,24]，水稻[25]、玉米[3,12,26]、棉花[11]、甜椒[10]等作物，前人研究结果表明，作物品种、种植区域、水分供应水平及施肥方式等均会对临界氮浓度稀释曲线产生影响[3,11,13,24,26]。然而作物干物质量的获取耗时费力，限制了基于植株或叶片干物质的临界氮浓度稀释曲线的应用。叶片与作物光合等生物物理过程息息相关，是作物干物质累积的主要器官[6]。叶面积指数(LAI)是植物群体参数的主要指标之一，随着叶面积指数检测仪和遥感等技术在农业上的广泛应用，LAI的获取相较干物质更为容易和便捷[7]。此外，相关研究指出叶片氮浓度较植株整体氮浓度对氮素的响应更为敏感[14]。因此，本文构建了基于LAI的叶片临界氮浓度稀释曲线。结果表明，随着LAI的增加叶片氮浓度(LNC)逐渐降低，这与植株或叶片干物质量增加氮浓度降低一致[3,26]。此外，本文还分析了基于LAI的叶片临界氮浓度稀释曲线对不同水分处理的响应。结果表明，雨养处理的参数a小于灌溉处理，协方差分析结果表明差异未达到显著水平(P>0.05)，但雨养处理的参数b显著大于灌溉处理(P<0.05)。这说明水分差异不会对夏玉米叶片初始氮浓度造成影响，但会使得其稀释速率增加。究其原因可能是水分不足导致根系活力降低，影响夏玉米生长发育、干物质累积以及植株体的氮素吸收过程[27-28]。这与强生才等[3]在关中地区的研究结果(参数a不受降雨年型的影响和参数b受降雨年型影响)一致。但向友珍等[10]通过对不同灌溉水平下甜椒的临界氮浓度稀释曲线进行研究得出，60%ETc灌溉水平下临界氮稀释曲线参数a较小，这可能是因为水分过度亏缺限制了甜椒对氮素营养的吸收，导致植株生长受到一定的抑制作用。本文通过整合灌溉处理下基于LAI的叶片临界氮浓度稀释曲线，得到水肥一体化条件下统一的基于LAI的叶片临界氮浓度稀释曲线(Nc=35.91LAI-0.26)。由稀释曲线可知，随着LAI增加，Nc对LAI的敏感性逐渐降低，当LAI大于5.8 cm2/cm2时，LAI每增加0.1 cm2/cm2，Nc减少值不足0.1 g/kg(图5)。该曲线可为灌溉条件下夏玉米氮营养诊断提供指导，也适用于夏玉米不受水分胁迫的雨养处理。

实际生产中NNI等于1难以实现，因此CILIA等[29]将玉米NNI以0～0.7、0.7～0.9、0.9～1.1、1.1～1.3和大于1.3划分为5级，当NNI处于0.9～1.1之间认为氮素处于适宜状况。本研究中N2和N1处理的NNI在苗期到灌浆期均高于0.9，但N1处理的NNI略高于N2处理，这说明N2处理的施氮量能够满足作物正常生长需要，N1处理的施氮量略高于作物需氮量。通过NNI和相对产量的关系可以看出，雨养处理限制了作物产量，当NNI处于适宜范围内时，相对产量为最大产量的85%，而灌溉处理的相对产量高于99%的最大产量，且亏缺灌溉和充分灌溉处理之间差异较小，这说明在关中地区季节性干旱中进行补充灌溉有利于夏玉米产量的提高。

4 结论

(1)基于LAI的叶片临界氮浓度稀释曲线模型在雨养处理下受年际影响达到显著水平(P<0.05)，在亏缺灌溉和充分灌溉处理下受年际影响不显著(P>0.05)。

(2)雨养处理下的临界氮浓度稀释曲线与亏缺灌溉和充分灌溉处理之间差异显著，但亏缺灌溉和充分灌溉处理之间差异不显著。灌溉处理下统一的临界氮浓度稀释曲线模型为Nc=35.91LAI-0.26(R2=0.90**)，该模型可用于指导关中地区夏玉米的灌溉、施肥，对合理适量施肥具有重要意义。

(3)夏玉米氮营养指数(NNI)随施氮量的增加而增加，变化范围介于0.62～1.16。夏玉米相对产量随NNI的增加线性增加，雨养处理下当NNI大于等于0.96时，产量达到最大值并维持稳定，为各处理最大产量的85%，亏缺灌溉和充分灌溉下当NNI大于等于0.97时，夏玉米产量达到最大值，均高于最大产量的99%。因此，灌水量75%ETc和施氮量150 kg/hm2为关中地区水肥一体化条件下推荐的水氮用量。