韓佳樂，馮 濤，朱志軍，李鵬飛，張阿鳳，同延安，王旭東

生長模型和15N示蹤評價施肥處理對蘋果樹氮肥利用的影響

韓佳樂1,2，馮 濤1,3，朱志軍1,3，李鵬飛1,2，張阿鳳1,2※，同延安1,2，王旭東1,2

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100；2. 農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，楊凌 712100；3. 新洋豐農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，荊門 448000）

為提高果樹氮肥利用率，探索一種簡便易行的氮肥利用評價方法，該研究以田間5年生延長紅（“長富2號”芽變品種）為研究對象，分別采用生長模型和15N示蹤技術(shù)對比分析不施氮肥（CK）、常規(guī)高氮（N800，800 kg/hm2化肥氮）、優(yōu)化減氮（N400，400 kg/hm2化肥氮）和有機無機配施（N200+O200，化肥氮和有機氮各200 kg/hm2）處理下蘋果樹對氮肥的吸收利用情況以及各器官氮素的分配特性的差異，結(jié)果表明：不同施肥處理對蘋果的產(chǎn)量沒有顯著性的影響（31.7～37.3 t/hm2）；各施氮處理基于生長模型和15N示蹤技術(shù)的果樹氮肥利用率分別為13.13%～31.94%和11.64%～32.40%；基于生長模型，N400和N200+O200處理果樹的氮肥利用率比N800處理高84.92%和143.26%；基于15N示蹤技術(shù)，N200+O200處理的果樹氮肥利用率比N800和N400高178.35%和69.28%；不同施肥處理對各器官氮素分配沒有顯著性的影響。兩種評價方法對于果實和葉片的氮肥利用率、各器官氮素的分配情況分別存在顯著差異（<0.05）和極顯著差異（<0.01），但對植株總體氮肥利用率的評價結(jié)果無顯著差異，平均僅相差3.10%?；诒驹囼灥难芯拷Y(jié)果可以得出，利用生長模型可以估算蘋果樹的氮肥利用率。研究結(jié)果可為農(nóng)田管理措施改善以及果樹氮肥利用率評價提供理論參考。

氮素；施肥；生長模型；15N示蹤；有機無機配施；蘋果

0 引 言

中國是蘋果生產(chǎn)大國， 2019年全國蘋果栽培面積和鮮果產(chǎn)量分別達(dá)到了204萬hm2和4 243萬t[1]，但在蘋果生產(chǎn)過程中普遍存在過量施用氮肥的問題[2]。黃土高原蘋果園平均氮投入量為（1 032±32）kg/hm2[3]，而歐美國家果園氮推薦投入量僅為150～200 kg/hm2[4]，且中國蘋果的氮肥利用率較低，約為10%～20%[5]。因此需要通過減少施肥[6]、配施有機肥[7]等措施提高氮肥利用率，但是不根據(jù)土壤和作物特性盲目地減少氮肥用量，將會導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)[8]。因此，為通過運用合理的施氮處理來提高氮肥的有效利用率和控制氮肥的環(huán)境效應(yīng)[9-11]，首先需要評估當(dāng)前蘋果的氮肥利用效率和吸收規(guī)律現(xiàn)狀。

目前，傳統(tǒng)差減法和15N示蹤技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田氮肥利用率的研究中[12-14]。很多研究通過15N示蹤技術(shù)探索了不同施氮水平[15-16]、施氮季節(jié)[17-19]、分次施氮[20-22]、不同施肥位置[23-24]以及生草覆蓋[25]等條件下蘋果樹的氮素利用和分配規(guī)律，為蘋果氮肥的合理施用提供了理論依據(jù)。常年生作物植株龐大，整體挖樹采樣工作量大且破壞性強，難以獲得生物量數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)差減法估算其氮肥利用率難度較大。所以，有研究人員以柑橘、蘋果等經(jīng)濟林為對象建立了生物量模型[26-27]來反映植株生物量和測樹因子的關(guān)系。生長模型是通過實際監(jiān)測值建立植株各部分干質(zhì)量與各測樹因子間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，可反映植株生物量與測樹因子的關(guān)系[28]。根據(jù)本研究區(qū)域已建立的非線性蘋果樹生長模型（Constant Allometric Ratio，CAR）[27]，根據(jù)容易獲取的測樹因子（如樹高和基徑）來估算本試驗地的蘋果樹生物量?；诖耍狙芯客ㄟ^測定植株各部分的全氮含量來評估蘋果樹氮肥利用情況。

考慮到15N同位素示蹤技術(shù)的高成本和挖樹法的工作量大及破壞性強等缺陷，本研究期望尋求一種簡便易行的方法評估蘋果樹的氮素利用情況。目前，相對生長模型在估算常年生林木生物量中已有大量應(yīng)用[28]，該方法使用的樹高和基徑獲取方便，成本低廉，可快速獲得大面積林木的生物量數(shù)據(jù)。為此，本研究設(shè)置了4種不同的施肥處理并基施15N同位素，采用生長模型和15N示蹤技術(shù)研究黃土高原蘋果優(yōu)生區(qū)果樹的氮肥利用和分配情況，比較基于兩種方法計算蘋果樹氮肥利用率和各器官氮素分配率的差異，以期為果樹氮肥利用率的研究提供一種簡便的試驗方法，并為蘋果氮肥利用率的提升提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究在西北農(nóng)林科技大學(xué)延安洛川蘋果試驗示范站（35°46′N，109°21′E）進(jìn)行。陜西省洛川縣屬黃土高原地區(qū)，位于渭北旱塬中部，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。地貌以黃土殘塬為主，平均海拔1 072 m，年平均氣溫9.1 ℃，年平均降水量616 mm。所選果園于2012年建園，果樹品種為晚熟延長紅（），砧木為M26中間砧，株行距為2 m×4 m，用于本研究的蘋果樹占地面積為480 m2，全年無灌溉，試驗期氣溫和降雨情況如圖1所示。該地區(qū)土壤為黑壚土，有機碳含量為4.98 g/kg，全氮含量為1.15g/kg，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分別為8.16和1.01 mg/kg，pH值為8.10，土壤容重為1.3 g/cm3。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 不同施肥試驗

試驗于2017年10月開始，設(shè)置不施氮肥（CK）、常規(guī)高氮（N800）、優(yōu)化減氮（N400）和有機無機配施（N200+O200）共 4 個處理，重復(fù)3次，每個小區(qū)包含5株蘋果樹，小區(qū)面積為40 m2。常規(guī)高氮施肥按照當(dāng)?shù)毓r(nóng)習(xí)慣施用純氮800 kg/hm2，優(yōu)化減氮根據(jù)專家推薦施用純氮400 kg/hm2，有機無機配施純氮用量與優(yōu)化減氮一致，其中50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的氮使用有機肥代替。60%的氮肥作為基肥（10月）施入，剩余40%作為追肥（7月）施入，其中有機肥全部作為基肥施入。所使用氮肥為尿素（N 46%），有機肥為商品有機肥，有機質(zhì)含量為42.03%，含氮量為4.72%。各處理均投入300 kg/hm2的P2O5和400 kg/hm2的K2O，磷肥（P2O544%）在基肥時全部施入，鉀肥（K2O 50%）的基追比為3:7。施肥方式為雙側(cè)開溝施肥，施肥溝距果樹行0.7 m，溝寬和深均為0.2 m。

1.2.215N尿素標(biāo)記試驗

于2018年10月基肥期在每個施氮處理隨機選取3株樹，在樹旁雙側(cè)施肥溝均設(shè)置0.2 m×2 m的微區(qū)（圖2），將15%豐度的15N標(biāo)記尿素（N質(zhì)量分?jǐn)?shù)46%）50 g與土壤混勻后均勻撒入微區(qū)內(nèi)，并在N800、N400和N200+O200處理分別補充784.78、367.39和19.56 g普通尿素，N200+O200處理另補充2.67 kg有機肥。于2019年10月蘋果收獲期在標(biāo)記植株微區(qū)雙側(cè)分別采集一年生枝條、多年生枝條、葉片和果實樣品。本試驗在施肥溝的同位素微區(qū)下30、60和100 cm深度土層布置了淋溶盤接收淋溶液，但在研究過程中未接收到淋溶液，因此忽略淋溶的損失。

1.3 測定及計算方法

1.3.1 相對生長模型

分別于2018和2019年收獲期（10月）測量各處理同位素標(biāo)記植株的基徑（cm）和樹高（m）并標(biāo)記，2019年7月記錄果樹葉片的數(shù)量。從2019年7月起，每個月采集植株的葉片、枝條和果實樣品，帶回實驗室80 ℃烘干測定樣品含水率，樣品清洗、研磨等處理過程按照鄭朝霞等[29]的方法進(jìn)行。

植物樣品的全氮含量采用凱氏定氮儀（Kjeltec8400，丹麥FOSS）測定，15N豐度在美國加州大學(xué)戴維斯分校使用PDZ Europa ANCA-GSL 元素分析儀串聯(lián)PDZ Europa 20-20 同位素質(zhì)譜儀測定，每個樣品重復(fù)3次。

植株生物量根據(jù)測樹學(xué)中的相對生長法則而建立的模型[28]估算，模型如下：

式中為生物量（指果樹各器官或植株干質(zhì)量），kg；和為生長模型參數(shù)；為果樹基徑，cm；為樹高，m。為不破壞果樹，樹干、樹枝和根系的生物量均通過模型計算得出，果實生物量收獲期實測得出，葉片生物量通過對葉片數(shù)量計數(shù)并根據(jù)百葉質(zhì)量計算得出。本試驗地的果樹實測生物量約為25.256 kg/株，生長模型參數(shù)和采用呂俊林[27]在黃土高原蘋果園獲得的參數(shù)。各器官相關(guān)模型參數(shù)見表1。其中，預(yù)估精度（，%）為對生物量模型預(yù)測效果的精度驗證指標(biāo)，具體計算方法如下：

表1 相對生長模型參數(shù)[27]

注：和均為相對生長模型參數(shù)。

Note:andare allometric model parameters.

氮肥利用率和分配率計算公式如下：

式中NUE為氮肥利用率，%；PN為植株吸氮量，kg/hm2；FN為施氮量，kg/hm2；NDR為氮分配率，%；ON為器官吸氮量，kg/hm2；TN為植株總吸氮量，kg/hm2。果實、葉片、一年生枝條、多年生枝條、樹干和根系的吸氮量根據(jù)當(dāng)季生物量增量和各部全氮含量相乘計算，其中果實和葉片的生物量增量為實測值，其余部分生物量增量為模型估算值。

1.3.215N示蹤

15N利用率及分配率計算公式[13]如下：

式中Ndff為15N的百分含量，%；為樣品15N豐度，%；為15N自然豐度，%；為15N標(biāo)記尿素中15N豐度，%；NUE15N為15N利用率，%；organ為器官全氮量，g/hm2；FN為施氮量，kg/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用Microsoft Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和制圖，使用SPSS 25進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用LSD（Least-Significant Difference）法進(jìn)行方差分析和差異性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長模型驗證結(jié)果

本研究中的蘋果園行間地面間作白三葉（L.）。在試驗站的旁邊選取了相同品種、年齡、管理模式的蘋果樹，基于砍伐測定蘋果樹各器官的生物量，結(jié)果顯示盛果期蘋果樹的樹干、樹枝、樹葉、樹根和植株總生物量（不包含果實）分別為7.185、11.481、1.417、5.173、25.256 kg/株，與呂俊林[27]的研究中的8.258、8.944、1.200、7.360、26.048 kg/株相近。樹干、樹枝、樹葉、樹根和植株總生物量的模擬值分別為 7.805、8.031、1.119、6.726和24.854 kg/株，果樹植株各部位以及整株樹體模型模擬結(jié)果與實測值的均方根誤差為 1.729 kg/株，因此認(rèn)為該模型的模擬結(jié)果較為可靠。

2.2 蘋果產(chǎn)量和植株增長量

蘋果產(chǎn)量和植株增長量結(jié)果見表2，本研究中蘋果的產(chǎn)量在31.7～37.3 t/hm2范圍內(nèi)，而且各施肥處理間無顯著差異。蘋果樹生物量增長的主要器官有果實、葉片、枝條、樹干和樹根，在果樹生長過程中各器官的增長量以果實為主，樹干、樹枝和根系次之，樹葉最少。而且枝條的增長主要集中在多年生枝條，約占枝條總增長量的82.91%～85.71%，一年生枝條占比較少，一年生和多年生枝條的總增長量范圍在1.83～2.50 kg/株。不同施肥處理的蘋果樹的果實，樹干，樹葉和樹根的生物量增長量無顯著差異，但氮肥的投入使一年生枝條和多年生枝條生物量增長量分別比對照處理增加了26.9%～46.2%和5.8%～35.9%，且均以N200+O200處理的枝條增長量最大，N800和N400處理次之（<0.05）。

表2 蘋果產(chǎn)量和各器官增長量

注：CK為不施氮肥處理，N800為常規(guī)高氮處理（800 kg·hm-2化肥氮）；N400為優(yōu)化減氮處理（400 kg·hm-2化肥氮）；N200+O200為有機無機配施處理（化肥氮和有機肥氮各200 kg·hm-2）。下同。不同小寫字母表示不同施肥處理間在0.05水平達(dá)到顯著差異（=3）。

Note: CK is no nitrogen fertilizer treatment; N800 is conventional high nitrogen treatment (800 kg·hm-2chemical fertilizer nitrogen), N400 is optimized nitrogen reduction treatment (400 kg·hm-2chemical fertilizer nitrogen); N200+O200 is organic and inorganic combined application treatment (200 kg·hm-2chemical fertilizer nitrogen and 200 kg·hm-2organic fertilizer nitrogen). Same as below. Different lowercase letters indicate a significant difference at 0.05 level between different fertilization treatments (=3).

2.3 基于生長模型評估不同施肥處理蘋果氮肥利用率及各器官氮素分配

2.3.1 氮肥利用率

研究結(jié)果表明，蘋果樹對氮肥的當(dāng)季利用率會明顯受到氮肥種類和用量的影響，各施肥處理間存在顯著差異（<0.05），N800、N400、N200+O200處理當(dāng)季氮肥利用率分別為13.13%、24.28%和31.94%，而且隨著化肥氮用量的增加，氮肥利用率有降低的趨勢。由圖3可知，各施肥處理蘋果樹的果實、葉片、多年生枝、樹干和根系的氮肥利用率較高，占植株總氮肥利用率的94.78%～95.59%。而一年生枝條的氮肥利用率最低，約為0.58%～1.67%。不同施肥處理下蘋果樹的氮肥利用率存在顯著差異，氮肥用量越大氮肥利用率越低，N400和N200+O200處理的植株氮肥總利用率分別比N800處理提高了84.92%和143.26%（<0.05）。N200+O200處理下，蘋果樹果實，葉片，一年生枝條、多年生枝條、樹干和根系的氮肥利用率與N800處理相比分別增加了143.3%、129.8%、187.8%、120.9%、178.6%和137.6%。而且與等氮量的N400處理相比，有機無機配施更能促進(jìn)果樹對氮肥的吸收利用，除葉片和根系無顯著差異外，N200+O200處理的果實，一年生枝條、多年生枝條和樹干的氮肥利用率分別比N400處理提高了34.1%、46.1%、35.6%和38.3%（<0.05）。所以，氮肥減量和有機無機配施都可以有效提高蘋果樹的氮肥利用率，尤其以有機肥的配施效果更為明顯。

2.3.2 蘋果樹各器官氮素分配

蘋果樹的貯藏器官包括多年生枝條、樹干和根系，營養(yǎng)器官包括葉片和一年生枝條，生殖器官主要為果實?；谏L模型計算，不同施肥處理間蘋果樹植株內(nèi)氮素分配率大小規(guī)律基本一致，以貯藏器官最高，生殖器官和營養(yǎng)器官較低，而且蘋果樹貯藏器官中的氮素分配率（60.38%～61.02%）顯著高于營養(yǎng)器官（17.78%～18.73%）和生殖器官（20.32%～21.45%），但營養(yǎng)器官與生殖器官的氮素分配率無顯著差異（圖4）。

貯藏器官中各部分的氮分配率均在20%左右，且樹干和根系的氮分配率顯著高于多年生枝；營養(yǎng)器官中氮素主要分配在葉片中（13.55%），一年生枝條中氮分配率僅為4.67%（表3）。由此可見，氮肥用量和類型對氮素分配沒有顯著影響，而且氮素在蘋果樹植株內(nèi)主要分布在貯藏器官中。

注：不同小寫字母表示蘋果樹各器官間氮素分配率的差異顯著性（<0.05）。

Note: Different small letters indicate the significant difference of nitrogen distribution rate among apple tree organs (<0.05).

2.4 基于15N示蹤評估不同施肥處理下蘋果樹的氮肥利用率及各器官氮素分配

2.4.1 氮肥利用率

結(jié)果表明，采用15N示蹤技術(shù)研究蘋果樹的氮肥利用率，與生長模型計算的結(jié)果相近。N800、N400和N200+O200的植株15N利用率分別為11.64%、19.14%和32.40%，單施化肥顯著降低了植株的氮肥利用率。有機肥替代部分化肥后，蘋果樹植株的15N總利用率分別比N800和N400處理提高了178.35%和69.28%（<0.05）（圖5）。各施肥處理中，蘋果樹各部分的15N利用率也均以N200+O200處理最高，而且除果實和一年生枝條外均達(dá)到顯著性差異（<0.05）。等氮量條件下，有機無機配施蘋果樹葉片、一年生枝和多年生枝的氮肥利用率比N400處理提高了98.9%、78.6%和202.4%（<0.05）。N200+O200處理下多年生枝條的氮肥利用率最高，這與樹體本身多年生枝條的生物量關(guān)系密切（表2）。因此，可以說明有機無機配施較有利于蘋果樹對15N的吸收利用。N800處理中蘋果樹各部分的15N利用率無顯著差異，而N400處理中樹干和根系的15N利用率顯著高于果實、葉片、一年生枝條和多年生枝條，N200+O200處理下為多年生枝條、樹干和根系的15N利用率顯著高于果實、葉片和一年生枝條（<0.05）。

2.4.2 蘋果樹各器官氮素分配

蘋果樹各器官中氮素的分配可以反映氮素在植株體內(nèi)的分布和遷移規(guī)律?；谏L模型和15N示蹤技術(shù)分析蘋果樹各器官的氮分配率的結(jié)果存在一定差異。由圖6可知，15N在蘋果樹各器官中的分配率從大到小依次為貯藏器官、營養(yǎng)器官、生殖器官，但是不同氮肥用量和類型對蘋果樹各器官15N的分配率無顯著影響。各施肥處理中蘋果樹貯藏器官（67.71%～73.29%）的15N分配率均顯著高于營養(yǎng)器官（14.94%～18.53%）和生殖器官（7.66%～11.60%）（<0.05），與2.2.2中的結(jié)果相比，生殖器官的氮分配率偏低，而營養(yǎng)器官和貯藏器官的分配率比較相近。而且該計算方法的結(jié)果在N800和N200+O200處理中營養(yǎng)器官和生殖器官的氮分配率也分別達(dá)到了顯著性差異（<0.05）。

2.5 生長模型和15N示蹤的評價結(jié)果比較

兩種評價方法的植株總體氮肥利用率均方根誤差為3.10%，說明評價結(jié)果較為接近。通過獨立性檢驗比較兩種評價方法的氮肥利用率和氮分配率，兩種方法評價果樹各部分氮肥利用率時，僅在果實和葉片兩部分表現(xiàn)出顯著差異性（表4），而其余部分的氮肥利用率并未受到評價方法的影響。兩種方法評價均表明氮素在果樹各器官中的分配率未受到施肥處理的影響（圖3，圖5），分配率大小為貯藏器官顯著大于營養(yǎng)器官和生殖器官。兩種方法對生殖器官和貯藏器官的氮素分配情況評價存在極顯著差異（表4），結(jié)合圖4和圖6可知，基于15N示蹤技術(shù)評價的貯藏器官氮素分配率偏高，而生殖器官氮素分配率偏低。因此，生長模型在評價果樹氮肥利用率時具有較高的可行性，而對于評價各器官的氮素分配率還需進(jìn)一步探索和改進(jìn)。

表4 兩種評價方法氮肥利用率和分配率的獨立性t檢驗

注：*表示在0.05水平上差異顯著，**表示在0.01水平上差異顯著。

Note: * means significant difference at 0.05 level, and ** means significant difference at 0.01 level.

3 討 論

3.1 不同施肥措施對產(chǎn)量和氮肥利用率的影響

研究表明，中國主要糧食作物（小麥、玉米和水稻）在適宜的有機無機肥配施的條件下均表現(xiàn)出顯著的增產(chǎn)效果，且不同作物的規(guī)律相一致[30]。除主要糧食作物之外，趙佐平等[31]基于7 a研究表明在蘋果生產(chǎn)中有機肥和化肥聯(lián)合施用時增產(chǎn)效果較佳，優(yōu)于單施化肥或單施有機肥?？赡茉蚴牵?）有機肥直接補充了蘋果園系統(tǒng)中的土壤養(yǎng)分，使土壤中礦質(zhì)營養(yǎng)均衡；2）有機肥在腐解過程中產(chǎn)生有機酸促進(jìn)了難溶性養(yǎng)分的釋放，有利于提高土壤的速效養(yǎng)分含量[32]。而本研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同施肥處理下蘋果產(chǎn)量無顯著差異（表2），有機無機配施并未顯示出顯著的增產(chǎn)效應(yīng)。這可能是由于通過施肥增產(chǎn)是一個長期的過程，短期內(nèi)蘋果產(chǎn)量容易受到原始基礎(chǔ)養(yǎng)分、大小年、當(dāng)年氣候和果園管理等的影響，隨時間推移有機肥的增產(chǎn)效果會逐漸顯示出來[31]。

在不同的施肥措施下，果樹的氮肥利用率存在很大差異（圖3，圖5）。施氮量越高氮肥利用率越低，而且等氮量時有機肥代替部分化肥在提高氮肥利用率方面更有優(yōu)勢?；谏L模型的結(jié)果表明 N200+O200處理中果樹果實、一年生枝、多年生枝和樹干的氮肥利用率最高，基于15N示蹤技術(shù)的結(jié)果表明葉片和多年生枝的氮肥利用率最高。有研究表明，在單施化肥的蘋果園中基于15N示蹤技術(shù)評價蘋果的氮肥利用率在12.97%～32.20%[18,20,22-23]，而且分次施肥可提高氮肥利用率。本研究的結(jié)果表明，基于生長模型和15N示蹤技術(shù)計算氮肥利用率都以N200+O200處理的最高。前人的研究均證明了有機無機配施顯著提高作物的氮肥利用率[33-35]。單獨施用化肥雖然可在短期內(nèi)提高土壤有效氮含量，但是在黃土高原蘋果園中大量化學(xué)氮肥以硝酸鹽的形式殘留在深層土壤中難以被果樹植株吸收利用[36]。而有機肥中速效氮含量低，通常在施入土壤后需要一段時間礦化分解來釋放有效氮，相對更難損失[37]。有機無機配施在提高土壤肥力的同時促進(jìn)了土壤養(yǎng)分平衡和根系生長，從而提高了植株的氮肥利用率。

3.2 與前人研究的比較

目前，已有很多學(xué)者利用15N示蹤技術(shù)評估了蘋果樹的氮肥利用率。本研究施氮量800和400 kg/hm2處理下蘋果樹的氮肥利用率分別為11.64%和19.14%，低于前人的研究結(jié)果[18-20]，可能與蘋果樹品種、果齡、施肥時間以及施肥量有關(guān)。本研究施氮量大，15N標(biāo)記尿素于秋季基肥期全部施入，而秋季基施氮肥果樹的氮肥利用率通常較低[17]，而且施氮量高導(dǎo)致15N的稀釋豐度降低，所以可能導(dǎo)致氮肥利用率偏低。有研究表明滲灌追肥可以顯著提高果樹的氮肥利用率約68.60%[23]，說明施肥過程中水分的補充有利于植株吸氮，在李紅波等[20]的研究中施肥后立即灌水，而本研究中全年無灌溉，這也可能是造成氮肥利用率偏低的原因之一。本研究中有機無機配施的果樹氮肥利用率可達(dá)32.40%，與陳倩等[38]的研究結(jié)果中的21.1%～28.4%接近，而且與單施化肥相比顯著提高了果樹的當(dāng)季氮肥利用率，陳倩等[38]的研究結(jié)果也表明有機無機配施處理蘋果樹的氮肥利用率是單施化肥處理的1.4～1.9倍。本研究中對N800、N400和N200+O200 三種施肥處理基于生長模型和15N示蹤技術(shù)估算的果樹植株氮肥利用率分別為13.13%、24.28%、31.94%和11.64%、19.14%、32.40%。果園土施氮肥的利用率通常在25%～35%[17]，本研究除 N200+O200處理在此范圍內(nèi)，其余處理都偏低，這與試驗處理方法，施肥時間以及田間管理有關(guān)[17]，本研究中無灌水可能是導(dǎo)致氮肥利用率低的原因之一。氮素在果樹各器官中的分配率未受到施肥處理的影響（圖4，圖6），分配率大小以貯藏器官最高，營養(yǎng)器官和生殖器官較低，這與許海港等[24]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

本研究利用相對生長模型估算了不同施肥處理下蘋果樹的生物量增量，同時評價果樹的當(dāng)季氮肥利用率和氮素分配規(guī)律，并通過15N示蹤技術(shù)驗證模型計算結(jié)果，研究結(jié)果表明：

1）蘋果園生態(tài)系統(tǒng)中合理的氮肥減量和有機無機配施并不影響蘋果的產(chǎn)量，基于兩種評價方法，相比單施化肥有機無機配施顯著提高果樹的氮肥利用率約143.26%（相對生長模型）和178.35%（15N示蹤），實際生產(chǎn)中采用合理的有機無機配施策略有利于減肥增效。

2）不同施肥措施不影響果樹中氮素分配規(guī)律，基于生長模型和15N示蹤的結(jié)果均表明氮素主要儲存在貯藏器官中，結(jié)果分別為60.38%～61.02%和67.71%～73.29%。

3）基于生長模型和15N示蹤技術(shù)評價3種施肥策略的果樹氮肥利用率分別為13.13%、24.28%、31.94%和11.64%、19.14%、32.40%，結(jié)果吻合度較好，所以利用生長模型估算蘋果樹氮肥利用率是一種簡單、有效、可行的評價方法，但不同品種、樹齡和生長區(qū)域的適用性還需進(jìn)一步探索驗證。

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Evaluating the effects of fertilization treatments on the nitrogen use efficiency of apple trees using allometric model and15N tracer

Han Jiale1,2, Feng Tao1,3, Zhu Zhijun1,3, Li Pengfei1,2, Zhang Afeng1,2※, Tong Yan’an1,2, Wang Xudong1,2

(1.,,712100,; 2.-,,712100,; 3...,448000,)

Nitrogen is one of the most essential mineral elements for plant growth. A large amount of nitrogen fertilizer has widely been introduced into the farmland soil every year, to ensure the supply of agricultural products in China. However, the apple Nitrogen Use Efficiency (NUE) is still at a lower level, compared with the developed countries. It is necessary to improve NUE via scientific fertilizer technology, such as the little amount of nitrogen fertilizer, or organic substitution for synthetic fertilizer. Alternatively, the15N tracer technology can be used to accurately predict the whereabouts of nitrogen in plants or soil, thereby effectively evaluating the NUE of plants. Since15N tracer has been used in the NUE of apple trees, the input cost is relatively high for the difficulty in field micro-zone control. Thus, it is highly demanding to seek a direct and feasible way for evaluating the NUE of apple trees. In this study, a allometric model was applied to estimate the biomass of fruit trees combining with the nitrogen content of each plant part, thereby assessing the NUE of apple trees. A simpler yet more effective approach was proposed to evaluate the efficiency after comparing the allometric model and the15N tracer technique. Five-year-old ‘Yanchanghong’ apple trees (selected from ‘Nagafu 2’) were used as research materials. An allometric model and15N tracer technology were selected to carry out experiments. Four fertilizer treatments were carried out: no nitrogen fertilizer (CK); conventional high nitrogen (N800); optimized nitrogen reduction (N400); and the combined application of organic and inorganic fertilizer (N200+O200). An analysis was made on the plant biomass, absorption, and utilization of nitrogen, as well as the distribution characteristics of nitrogen in different parts of apple trees. The results showed that: There was no significant difference in the apple yield under different fertilization treatments (31.7-37.3 t/hm2). The current season biomass increments of annual branches, perennial branches, leaves, boles, and roots were 0.26-0.38, 1.56-2.12, 0.22-0.24, 1.52-1.68, and 1.30-1.45 kg/plant, respectively. The replacement strategy of organic fertilizer significantly increased the biomass of annual branches and perennial branches, but there was no significant effect on other organs. The NUE values of apple trees were 13.13%-31.94% and 11.64%-32.40%, respectively, after evaluation using theallometric model and15N tracer. Specifically, the NUE values evaluated by allometric model and tracer increased by 143.26% and 178.35% under N200+O200 treatment, compared with N800 treatment. A reasonable combined application of organic and inorganic fertilizers effectively improved the utilization of nitrogen fertilizers in apple trees, indicating an obvious reduction in chemical fertilizer with high efficiency. Nevertheless, the varying fertilization treatments presented no significant effects on the nitrogen distribution of various plant parts, where 60.38%-61.02% (allometric model) and 67.71%-73.29% (15N tracer) of nitrogen accumulated in the storage organs of fruit trees. Likewise, there were significant differences in the storage organs of fruit trees, the NUE of fruits and leaves, as well as the nitrogen distribution rates of organs, whereas, the overall NUE of the apple tree was similar when using the allometric model and15N tracer individually. The root mean square error of NUE was 3.10% in the combined, indicating an average difference of 3.10% in two assessments of NUE. Therefore, it is a convenient and feasible way to estimate the NUE of apple trees using the allometric model. The finding can provide promising data support for future research on the nitrogen utilization of apple trees.

nitrogen; fertilization; allometric model;15N tracer; combination of organic and inorganic fertilizer; apple

韓佳樂，馮濤，朱志軍，等. 生長模型和15N示蹤評價施肥處理對蘋果樹氮肥利用的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(15)：96-104.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.012 http://www.tcsae.org

Han Jiale, Feng Tao, Zhu Zhijun, et al. Evaluating the effects of fertilization treatments on the nitrogen use efficiency of apple trees using allometric model and15N tracer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(15): 96-104. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.012 http://www.tcsae.org

2021-04-19

2021-07-04

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0200106）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目（2020JQ-274）；西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費專項（2452020164）

韓佳樂，博士生，研究方向為果園養(yǎng)分循環(huán)與土壤固碳減排。Email：h-j-l@nwafu.edu.cn

張阿鳳，博士，副教授，研究方向為農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)與生物質(zhì)炭的應(yīng)用。Email：zhangafeng@nwsuaf.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.012

S147.5; S661.1

A

1002-6819(2021)-15-0096-09