賈 彪 付江鵬

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 銀川 750021)

0 引言

氮肥對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育起著至關(guān)重要的作用，合理施用氮肥可以增加玉米干物質(zhì)積累量[1]，促進(jìn)植株對(duì)氮素的吸收[2]，從而提高產(chǎn)量[1]。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不合理施用氮肥導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題日益突出[3]，與氮肥相關(guān)的水體污染[4]、土壤污染[5]和大氣污染[6]等成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。因此明確玉米不同生育時(shí)期的臨界氮濃度，對(duì)減少污染、增加產(chǎn)量、保護(hù)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本研究以當(dāng)?shù)刂髟云贩N天賜19為對(duì)象，通過(guò)2年田間定位試驗(yàn)，研究滴灌玉米基于臨界氮稀釋曲線的氮吸收模型與氮累積虧缺模型，旨在探究臨界氮稀釋曲線在寧夏引黃灌區(qū)的適用性，以期為水肥一體化條件下玉米定量和精準(zhǔn)施用氮肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017、2018年4—9月在寧夏回族自治區(qū)農(nóng)墾平吉堡農(nóng)場(chǎng)(106°1′47″E， 38°25′30″N)進(jìn)行。該地海拔為1 100 m，多年平均溫度、降雨量和蒸發(fā)量分別為8.6℃、272.6 mm和2 325 mm，其中玉米生育期氣象數(shù)據(jù)如圖1所示。試驗(yàn)田基礎(chǔ)土壤肥力(0～20 cm)pH值7.71，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比12.56 g/kg、全氮質(zhì)量比0.63 g/kg、全磷質(zhì)量比0.51 g/kg、堿解氮質(zhì)量比34.00 mg/kg、速效磷質(zhì)量比19.37 mg/kg和速效鉀質(zhì)量比84.31 mg/kg。

圖1 玉米生育期氣象數(shù)據(jù)Fig.1 Meteorological data during growth period of maize

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為天賜19。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)水平，施氮量分別為0、90、180、270、360、450 kg/hm2，以N0、N90、N180、N270、N360、N450表示，小區(qū)面積67.5 m2，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。種植密度約9×104株/hm2，采用寬窄行種植，寬行70 cm，窄行40 cm。

采用水肥一體化滴灌施肥技術(shù)，肥料由施肥罐隨水施入，窄行玉米中間布設(shè)1條滴灌帶，2行玉米由1條滴灌帶控制，滴灌帶滴頭間距為30 cm，滴頭流量 2.5 L/h，滴頭工作壓力0.1 MPa。 灌水量以作物需水量(ETc=KcETo，ETo為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，Kc為作物系數(shù))為基礎(chǔ)，依據(jù)2006—2016年過(guò)去10年氣象數(shù)據(jù)按 Penman Monteith 修正公式計(jì)算[23]，然后取平均值。Kc前期(苗期-拔節(jié)期)取0.7，中期(吐絲期-灌漿期)取1.2，后期(乳熟期)取0.6[23]。玉米全生育期灌水總量為400 mm，苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期灌水量分別為20、100、140、120、20 mm，灌水次數(shù)分別為1、3、2、3、1次。2年生育期各施肥8次，分別于苗期1次、拔節(jié)期3次、抽雄期1次、灌漿期3次，每次施肥量占總施肥量的比例分別為苗期10%、拔節(jié)期45%、抽雄期20%，灌漿期25%。供試氮肥為尿素(總N質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于46.4%)，磷鉀肥隨水施入(P2O5138 kg/hm2和K2SO4120 kg/hm2)。2017年和2018年分別于4月26日、4月28日播種，9月16日、9月18日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1地上部植株生物量

于玉米拔節(jié)期、小喇叭口期、大喇叭口期、吐絲期、乳熟期、臘熟期和成熟期(播種后45、55、65、85、95、105、115 d)共計(jì)破壞性取樣7次，每個(gè)小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的3株，將器官分成為莖、葉和穗3部分，于105℃干燥箱中殺青30 min，80℃干燥至質(zhì)量恒定后稱量。

1.3.2地上部植株含氮量

將各處理的干樣粉碎、研磨、過(guò)篩，利用凱氏定氮法對(duì)植株各器官全N含量進(jìn)行測(cè)定，最后計(jì)算出植株氮濃度[14]。

1.3.3產(chǎn)量

在玉米收獲期每小區(qū)隨機(jī)選取植株完整的長(zhǎng)方形地塊(1.1 m×3 m)進(jìn)行樣方選擇，把樣方內(nèi)的所有玉米果穗帶回實(shí)驗(yàn)室，脫粒，玉米籽粒折合14%的含水率進(jìn)行產(chǎn)量計(jì)算。

1.4 模型構(gòu)建

1.4.1臨界氮稀釋曲線模型

根據(jù)JUSTES等[24]提出的臨界氮稀釋曲線模型計(jì)算方法，其建模步驟如下：對(duì)不同施氮處理下的地上部干物質(zhì)積累量進(jìn)行方差分析，將其分為2類，即限氮和非限氮。對(duì)于玉米生長(zhǎng)受氮素限制的施氮水平，將其地上部干物質(zhì)積累量與對(duì)應(yīng)的氮濃度進(jìn)行曲線擬合。對(duì)于玉米生長(zhǎng)不受氮素限制的施氮水平，用其地上部干物質(zhì)積累量的平均值代表最大生物量。每次采樣日的理論臨界氮濃度由上述線性曲線與以最大生物量為橫坐標(biāo)的垂線的交點(diǎn)縱坐標(biāo)確定。

按GREENWOOD等[12]提出的臨界氮濃度定義，其模型表達(dá)式為

(1)

式中a、b——模型參數(shù)

1.4.2氮吸收模型

滴灌玉米地上部氮吸收量與地上部積累的最大干物質(zhì)量之間關(guān)系為

Nupt=NcDM

(2)

式中Nupt——玉米地上部氮吸收量，kg/hm2

將式(1)代入式(2)得到玉米臨界氮吸收模型

(3)

式中Nuptc——臨界氮吸收量，kg/hm2

其中1-b表示生長(zhǎng)參數(shù)，為氮相對(duì)吸收速率與地上部生物量積累速率之比。

1.4.3氮虧缺模型

根據(jù)式 (1) 可推導(dǎo)出玉米臨界氮積累方程式(3)，并可推導(dǎo)出氮積累虧缺方程，其推導(dǎo)過(guò)程參照LEMAIRE等[25]的研究方法，方程為

Nand=Nuptc-Nna

(4)

式中Nand——氮積累虧缺量，kg/hm2

Nna——實(shí)際氮積累量，kg/hm2

若Nand=0，表示植株體內(nèi)氮素積累恰好合適；若Nand>0，表示植株體內(nèi)的氮積累不足；若Nand<0，表示植株體內(nèi)氮積累過(guò)剩。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總與計(jì)算， Origin 2018作圖，SPSS 22.0 進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌玉米地上部干物質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化

如圖2(圖中不同小寫字母表示各處理在0.01水平差異顯著)所示，玉米干物質(zhì)積累量隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈增加的趨勢(shì)。在播后55 d最低，在播后115 d升至最高，變幅在1.24～16.08 t/hm2之間；在播后65 d不同氮素水平玉米干物質(zhì)量差異明顯增大。不同年份、同一生育時(shí)期，地上部干物質(zhì)量隨著施氮水平的提高呈增加趨勢(shì)。由于2017—2018年玉米拔節(jié)期各處理地上部干物質(zhì)量小于1 t/hm2，故對(duì)拔節(jié)期數(shù)據(jù)予以舍棄。對(duì)比分析不同氮素水平下玉米成熟期干物質(zhì)量，整體上由小到大依次為：N0、N90、N180、N270、N360、N450。

圖2 滴灌玉米地上部生物量的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of dry matter quality in drip irrigation maize

圖3 滴灌玉米植株氮累積量動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.3 Dynamic changes of nitrogen accumulation in drip irrigation maize plants

2.2 滴灌玉米植株氮積累量動(dòng)態(tài)變化

如圖3所示，玉米植株氮積累量隨著播種后時(shí)間的增加呈上升趨勢(shì)。不同年份、同一生育時(shí)期，玉米植株氮素積累量隨施氮水平的提高而增加。由于玉米植株對(duì)氮素的吸收積累能力并非無(wú)極限，因而當(dāng)玉米植株體內(nèi)的氮積累量達(dá)到一定限度時(shí)，并不隨著施氮水平的提高而增加，而是趨于一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值范圍內(nèi)，故N270、N360和N450的氮積累量較相近。

2.3 滴灌玉米產(chǎn)量效應(yīng)分析

如圖4(圖中** 表示在0.01水平差異顯著)所示，滴灌玉米產(chǎn)量隨施氮量的增加而顯著增加，但當(dāng)施氮水平超過(guò)一定界限后產(chǎn)量不再增加反而降低。由擬合曲線得到相應(yīng)的滴灌玉米理論平均適宜施氮量為311 kg/hm2，產(chǎn)量為13.958 t/hm2。

由圖4可以看出，滴灌玉米地上部干物質(zhì)量和產(chǎn)量均受到氮素水平的影響，適宜的氮素水平有利于干物質(zhì)量和產(chǎn)量的形成。對(duì)比不同氮素水平下滴灌玉米地上部生物量和產(chǎn)量可發(fā)現(xiàn)，一定施氮范圍內(nèi)，干物質(zhì)量與產(chǎn)量均隨施氮水平的提高而增加，當(dāng)施氮量達(dá)到一定水平時(shí)，再增加施肥量，生物量沒有明顯變化，但是產(chǎn)量卻有下降的趨勢(shì)，表明只有在適宜施氮量時(shí)，產(chǎn)量與生物量才能達(dá)到最高。可見，滴灌玉米在生長(zhǎng)過(guò)程中存在一定的臨界需氮量。

圖4 滴灌玉米產(chǎn)量動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.4 Dynamic curves of drip irrigation maize yield

2.4 滴灌玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型

從圖5可知，在相同的干物質(zhì)量條件下，隨著施氮水平的提高，其氮濃度呈升高趨勢(shì)。不同年份、不同氮素水平下玉米地上部植株氮濃度與干物質(zhì)量間的關(guān)系，均符合冪函數(shù)關(guān)系，各施氮量處理間滴灌玉米干物質(zhì)量與植株氮濃度間冪函數(shù)關(guān)系見表1。

圖5 不同氮素水平下玉米氮濃度與生物量的關(guān)系Fig.5 Relationship between nitrogen concentration and biomass of maize under different nitrogen levels

按照J(rèn)USTES等[24]對(duì)臨界氮濃度的計(jì)算方法，利用式(1)構(gòu)建了不同年份滴灌玉米臨界氮稀釋曲線模型，如圖6(圖中Nmax、Nmin表示最大、最小臨界氮濃度)所示。結(jié)果顯示2017年和2018年的擬合方程決定系數(shù)分別為0.969和0.982，均達(dá)到了極顯著水平(表2)，表明臨界氮稀釋曲線可以很好地描述滴灌玉米地上部生物量與植株氮濃度的關(guān)系。

表1 滴灌玉米干物質(zhì)量與氮濃度間冪函數(shù)方程Tab.1 Power function equation between dry matter quality and nitrogen concentration of drip irrigation maize

注：** 表示在0.01水平上差異顯著，下同。

圖6 基于地上部干物質(zhì)量的臨界氮濃度稀釋曲線Fig.6 Critical nitrogen concentration dilution curves based on above ground dry matter

采用式(1)、(3)對(duì)上述確定的臨界氮濃度與對(duì)應(yīng)的最大干物質(zhì)量進(jìn)行擬合，得到滴灌玉米臨界氮濃度模型和氮吸收模型參數(shù)，如表2所示。

2.5 滴灌玉米氮吸收模型

根據(jù)式(3)可得到各取樣日玉米臨界氮累積量，將其分別與不同氮素水平下實(shí)測(cè)氮累積量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。不同氮素水平下氮累積量與臨界氮累積量的相對(duì)誤差(各擬合直線斜率與1的相對(duì)誤差)2017年為31.24%、19.60%、8.38%、1.54%、2.05%、3.76%，2018年分別為22.63%、16.27%、11.02%、3.54%、6.52%、8.91%，說(shuō)明施氮量以270 kg/hm2為宜。

2.6 滴灌玉米氮虧缺模型

由圖8可知，各生育期Nand均隨施氮水平的提高而減小，甚至有負(fù)值出現(xiàn)。各施氮處理植株Nand均隨播種后時(shí)間的增加而增加，在N0、N90和N180施氮水平時(shí)，Nand均大于0，表明植株體內(nèi)氮素積累量不足；在N360和N450處理施氮水平時(shí)，Nand小于0，表明植株體內(nèi)氮積累量過(guò)剩；在N270施氮水平時(shí)，Nand在0上下波動(dòng)，表明施氮量在270 kg/hm2時(shí)植株體內(nèi)氮素積累較為適宜。

3 討論

3.1 施氮對(duì)滴灌玉米干物質(zhì)量、氮累積和產(chǎn)量的影響

作物氮素吸收是作物光合產(chǎn)物的基礎(chǔ)，與作物產(chǎn)量密切相關(guān)[26]。WOOD等[27]研究表明，植株氮吸收累積與干物質(zhì)量累積密切相關(guān)。本研究表明，滴灌玉米植株對(duì)氮的容納有一定的限度，地上部干物質(zhì)量增長(zhǎng)和氮吸收累積均受施氮水平的影響，且其隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈上升趨勢(shì)(圖2和圖3)，N270施氮水平下各特征值較為協(xié)調(diào)，對(duì)生物量和氮累積較為有利，盡管N360和N450施氮水平的干物質(zhì)量較高，但其氮累積量過(guò)高，過(guò)多的氮儲(chǔ)存在植株中，造成氮奢侈消耗，導(dǎo)致產(chǎn)量下降(圖4)。本研究進(jìn)一步表明，產(chǎn)量并非與施氮水平和氮累積量呈正相關(guān)，過(guò)多施氮將導(dǎo)致產(chǎn)量下降[28]?？梢酝茰y(cè)玉米存在氮奢侈消費(fèi)現(xiàn)象，因而根據(jù)動(dòng)態(tài)變化可判定有臨界氮濃度稀釋曲線存在。

表2 滴灌玉米臨界氮稀釋曲線模型和氮吸收模型參數(shù)Tab.2 Critical nitrogen dilution curve model and nitrogen absorption model parameter value of drip irrigated maize

注：** 表示在0.01水平差異顯著。

圖7 滴灌玉米氮吸收量與臨界氮累積量的關(guān)系Fig.7 Relationship between nitrogen uptake and critical nitrogen accumulation in drip irrigation maize

圖8 滴灌玉米氮累積虧缺量動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.8 Dynamic variation curves of nitrogen deficiency deficit in drip irrigation maize

3.2 玉米臨界氮濃度稀釋模型比較

本研究以2年田間定位試驗(yàn)構(gòu)建了寧夏引黃灌區(qū)不同年份玉米臨界氮稀釋曲線模型(圖6)，通過(guò)比較不同年份臨界氮稀釋曲線模型，其對(duì)應(yīng)的模型中，參數(shù)a和b均存在一定差異。由于2年玉米生育期降雨量不同造成生長(zhǎng)之間存在差異(圖1)，2018年玉米干物質(zhì)量較高于2017年，這主要由于2017年降雨量少，從而水熱資源供應(yīng)不足，最終導(dǎo)致干物質(zhì)量低于2018年。此外，隨著干物質(zhì)量的增加，氮含量曲線均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，參數(shù)b值2018年大于2017年。參數(shù)a的95%的置信區(qū)間2017年介于33.753～34.991之間，2018年介于32.862～35.911之間，可以看出兩者差異不大，平均值為34.947。由此可見，降雨量不會(huì)改變模型a值。

從構(gòu)建的模型角度來(lái)看，其形式上與文獻(xiàn)[20-22]針對(duì)華北地區(qū)、陜西關(guān)中地區(qū)和豫中地區(qū)建立的玉米臨界氮稀釋模型一致，其取樣時(shí)間(播種后45 d)與銀敏華等[21](種植后45 d)相同，這說(shuō)明臨界氮濃度稀釋模型的建立與玉米的生育期無(wú)明顯的關(guān)系，所得模型b均值為0.307，與梁效貴等[20]構(gòu)建模型b值(0.413 4)、安志超等[22]所建立的模型b值(0.370和0.341)、銀敏華等[21]施用控釋氮肥構(gòu)建模型b值(0.339)差異較大；與銀敏華等[21]施用尿素構(gòu)建模型b值(0.308)極為接近。但模型a值(34.947)與梁效貴等[20](34.914)極為接近；與銀敏華等[21](33.806和34.356)和安志超等[22](35.638和30.801)的研究結(jié)果有所差異，說(shuō)明寧夏引黃灌區(qū)滴灌玉米的氮吸收能力比華北地區(qū)、陜西關(guān)中地區(qū)和豫中地區(qū)的玉米(中單909)氮吸收能力強(qiáng)，但是低于豫中地區(qū)玉米(偉科702)的氮吸收能力。其原因可能是寧夏引黃灌區(qū)玉米采用水肥一體化滴灌施肥模式，遵循“少量多次”的原則，這與梁效貴等[20]分基施40%和大喇叭口期追施60% 2次施入、銀敏華等[21]施用尿素時(shí)基追比為2∶3施入和施用控釋氮肥時(shí)作基肥一次施入、安志超等[22]分基施1/3和大喇叭口期開溝追施2/3不同，說(shuō)明玉米氮素吸收能力可能受施肥方式的影響，也可能是由于玉米品種、土壤類型和氣候條件等不同所導(dǎo)致，或是這些因素的共同作用所影響，但究竟是何種因素影響較大，仍需設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)一步探討。

3.3 滴灌玉米氮素營(yíng)養(yǎng)診斷評(píng)價(jià)

氮虧缺量可精確地診斷、衡量植株氮素營(yíng)養(yǎng)狀況，對(duì)定量作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的施肥量具有重要的指導(dǎo)意義。若Nand等于0，表示植株體內(nèi)氮素積累恰好合適；若Nand大于0，表示植株體內(nèi)的氮積累不足；若Nand小于0，表示植株體內(nèi)氮積累過(guò)剩。銀敏華等[21]利用氮累積虧缺模型對(duì)玉米不同生長(zhǎng)階段的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行診斷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)施用2種肥料(尿素和控釋肥)的最佳施氮量分別為160 kg/hm2和120 kg/hm2左右。本研究結(jié)果表明，供試玉米品種的施氮水平為270 kg/hm2時(shí)，Nand在0附近波動(dòng)(圖8)，表明施氮量在270 kg/hm2時(shí)植株體內(nèi)氮素積累較為適宜。利用Nand確定的最佳施氮量與張富倉(cāng)等[29]基于最小二乘法推薦的寧夏滴灌玉米適宜施氮量(210～325 kg/hm2)的研究結(jié)果基本一致。因此，進(jìn)一步表明氮虧缺量可以很好地評(píng)估玉米的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用2年6個(gè)氮素水平的定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了寧夏引黃灌區(qū)滴灌玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型，結(jié)果表明，滴灌玉米地上部干物質(zhì)量增長(zhǎng)和氮吸收累積均受施氮水平的影響，且其隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈上升趨勢(shì)，氮累積量過(guò)高或過(guò)低均不利于產(chǎn)量形成，玉米植株存在氮奢侈消費(fèi)現(xiàn)象；滴灌玉米臨界氮濃度(Nc)、最高(Nmax)和最低(Nmin)氮濃度與地上部干物質(zhì)量之間均可用冪函數(shù)方程來(lái)表示，其平均決定系數(shù)R2分別為0.976、0.903、0.941，均達(dá)到極顯著水平；基于臨界氮濃度構(gòu)建的氮吸收模型和氮積累虧缺模型對(duì)滴灌玉米生育期內(nèi)氮素營(yíng)養(yǎng)診斷結(jié)果一致，綜合施氮量與產(chǎn)量的擬合曲線，推薦寧夏引黃灌區(qū)滴灌玉米施氮量以270～311 kg/hm2為宜。