高天宇 樊明壽 于 靜 王 晶
(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010019)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展,人民生活水平不斷提高,人們對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品的需求不再滿足于解決溫飽,而是品種種植多元化結(jié)構(gòu)與市場(chǎng)契合度不斷優(yōu)化(盧江,2020;陳惠芬和楊潔,2021)。以內(nèi)蒙古地區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)為例,2020 年以往的主栽品種克新1 號(hào)種植面積僅占當(dāng)?shù)伛R鈴薯種植總面積的5%,冀張薯12 號(hào)占到40%,而價(jià)格較高、銷(xiāo)售較好、市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)明顯的希森6 號(hào)、V7 等種植面積趨于增加(李志平和郭景山,2021)。然而,這些品種往往對(duì)水肥較為敏感,水分和肥料的不合理投入限制了產(chǎn)量潛力的充分發(fā)揮。在目前高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)背景下,氮肥的投入仍是關(guān)注的重點(diǎn)。
氮是馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)形成的關(guān)鍵因子之一,氮肥的過(guò)量施用或不足均會(huì)造成馬鈴薯產(chǎn)量下降,塊莖淀粉、還原糖含量降低,顯著影響其商品薯率,造成經(jīng)濟(jì)效益低下(陳楊 等,2009;王克秀 等,2019);且研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)總氮(TN)損失雖總體呈下降趨勢(shì),但化肥過(guò)量施用的現(xiàn)象依舊普遍(Li et al.,2020),《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》(2020)顯示種植業(yè)水污染物排放總氮71.95 萬(wàn)t,農(nóng)戶氮肥施用不足或過(guò)量導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量降低、環(huán)境污染等問(wèn)題依然嚴(yán)峻。何丹丹等(2019)根據(jù)在施氮和不施氮條件下不同馬鈴薯品種的平均產(chǎn)量,把馬鈴薯品種分為4 種氮利用效率類型,不同類型間產(chǎn)量及根系指標(biāo)差異顯著;克新1 號(hào)、費(fèi)烏瑞它、夏波蒂的產(chǎn)量與氮肥用量相關(guān),不同施氮量處理間產(chǎn)量差異顯著(李瑞,2019);此外,不同馬鈴薯品種對(duì)氮素的需求規(guī)律及養(yǎng)分需求量差異也較大(于靜 等,2021)。目前生產(chǎn)上普遍存在氮肥管理盲目統(tǒng)一化的現(xiàn)象,即所有品種的施氮方案一致,易造成肥料的不合理利用,引起氮肥利用率降低、生產(chǎn)成本增加、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提高等問(wèn)題。綜上所述,不同馬鈴薯品種的氮素需求特點(diǎn)和氮肥利用效率不盡相同,因而不同品種的氮肥推薦辦法并不一致,但每個(gè)品種建立一套獨(dú)立的氮肥推薦辦法,不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí),而且容易引起混亂,不便推廣。因此,構(gòu)建不同品種間歸一化的氮肥推薦方案是開(kāi)展合理氮肥管理的關(guān)鍵。本文綜合分析了馬鈴薯品種間氮肥利用率差異產(chǎn)生的原因,并探討品種間歸一化氮素營(yíng)養(yǎng)管理方案及其利與弊,以期為馬鈴薯氮肥養(yǎng)分優(yōu)化管理提供可能途徑,助力農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。
根是吸收和運(yùn)輸土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要器官(Siddiques et al.,1990),根系的形態(tài)、分布及生理生化特性對(duì)土壤中氮素的吸收能力影響顯著。通常認(rèn)為,根長(zhǎng)、根表面積、根體積和平均直徑是根系發(fā)育的重要形態(tài)學(xué)指標(biāo)(Shepherd,2003;Zhang et al.,2017)。
同一作物的不同品種產(chǎn)量水平、氮素利用率不同,究其原因?yàn)槠涓L(zhǎng)、根表面積均有顯著差異。往往氮高效品種根系指標(biāo)優(yōu)于氮低效品種,其產(chǎn)量和氮素利用率均高于氮低效品種(Dunbabind et al.,2003)。玉米、小麥、水稻、馬鈴薯均表現(xiàn)出相似的規(guī)律,玉米氮高效品種吉單27、京科968和先玉335 的根長(zhǎng)、根表面積均大于氮低效品種四單19、鄭單335、強(qiáng)勝101(Hammer et al.,2009;程乙 等,2017;Su et al.,2019;Yu et al.,2021);小麥氮低效品種南大2419 和揚(yáng)麥1 號(hào)的根長(zhǎng)、根表面積均小于氮高效品種揚(yáng)麥16 號(hào),產(chǎn)量水平也相對(duì)較低(Guo et al.,2019);水稻氮高效品種水源349 的根長(zhǎng)大于氮低效品種五優(yōu)244、R83-12,氮高效品種bluebell、揚(yáng)稻2 號(hào)的根表面積大于氮低效品種IR74(程建峰 等,2007;董桂春 等,2016);馬鈴薯氮高效品種Astrid 的根長(zhǎng)、根表面積均大于氮低效品種Bodenkraft(Sattelmacher et al.,1990),高氮高效品種克新1 號(hào)的根長(zhǎng)、根表面積均大于低氮高效品種夏波蒂和低氮低效品種麥肯,且其產(chǎn)量和氮素利用率亦遠(yuǎn)高于這兩個(gè)品種(何丹丹 等,2019)。由此可見(jiàn),作物的根越長(zhǎng)、根表面積越大,其產(chǎn)量和氮素利用率越高。以根系特征為切入點(diǎn)開(kāi)展作物不同品種間的歸一化氮肥推薦可能是提高產(chǎn)量和肥料利用率的有效途徑。
作物不同品種株高、葉片大小、葉綠素含量、干物質(zhì)量、光合速率等均存在顯著差異。研究發(fā)現(xiàn),水稻自交品種黃華占的葉面積指數(shù)在不同氮肥用量下均低于普通雜交品種川油10 號(hào),其產(chǎn)量及氮素利用率也均低于川油10 號(hào)(Huang et al.,2018);玉米品種Jalale 的葉面積指數(shù)略高于Azam,其產(chǎn)量水平也高于Azam(Akmal et al.,2010);馬鈴薯品種克新1 號(hào)的葉面積指數(shù)顯著高于NRCRI、Tukwak,其產(chǎn)量變化與葉面積指數(shù)一致(Sattelmacher et al.,1990;Namo &Opaleye,2018)。還有研究發(fā)現(xiàn),在同一施氮水平下,由于品種間的差異小麥產(chǎn)量不同,且與籽粒中氮含量呈相關(guān)關(guān)系(秦永林,2013);與其他玉米品種相比金玉838 號(hào)具有較大的光合面積,更有利于氮素的轉(zhuǎn)化利用,該品種的氮素吸收效率、氮素利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力也高于其他品種(葉開(kāi)梅,2020);不同玉米品種間葉面積、葉面積指數(shù)、SPAD 值具有顯著差異,當(dāng)施氮量為180 kg·hm時(shí)氮高效品種葉面積、葉面積指數(shù)和SPAD 值均顯著高于氮低效品種(張茜,2018)。此外,趙一超(2013)研究表明,不同基因型棉花氮脅迫下的葉綠素含量均低于氮充足條件。陳魏濤(2016)研究表明,油菜在高氮處理下單株總?cè)~數(shù)高于低氮處理,且品種間植株氮素利用效率存在顯著差異。綜上所述,利用不同作物品種地上部與氮素利用的關(guān)系是建立品種間歸一化氮肥營(yíng)養(yǎng)管理方案的可行途徑之一。
Greenwood 等(1990)提出的臨界氮濃度稀釋曲線模型,可用于評(píng)價(jià)作物全生育期氮濃度和地上部生物量的關(guān)系。該模型為Nc=a-b,式中Nc為植株臨界氮濃度,為植株地上部生物量,a、b 為曲線參數(shù),a 為植株生物量達(dá)到1 000 kg 時(shí)的植株氮濃度,b 為稀釋曲線系數(shù)。此模型將作物氮素營(yíng)養(yǎng)水平分為3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn):一,值位于曲線下方,表示該氮素水平限制作物生長(zhǎng);二,值位于曲線上,表示氮素供應(yīng)適宜作物生長(zhǎng);三,值位于曲線上方,表示作物存在對(duì)氮的富吸收(Marino et al.,2004)。在此基礎(chǔ)上,為方便指導(dǎo)施肥,(Lemaire et al.,2008)繼續(xù)提出了氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)(NNI)的概念,其計(jì)算公式為NNI=/,式中為植株地上部氮濃度實(shí)測(cè)值,為相同干物質(zhì)量條件下依據(jù)臨界氮濃度稀釋曲線模型求得的臨界氮濃度值。若NNI=1,則表明植株內(nèi)氮素營(yíng)養(yǎng)水平處于適宜狀態(tài);NNI > 1,則表明植株氮營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩;NNI <1,則表明植株氮素營(yíng)養(yǎng)不足。目前小麥(趙犇等,2012)、玉米(李正鵬 等,2015)、水稻(Xia et al.,2014)等作物的多個(gè)臨界氮濃度稀釋曲線模型已構(gòu)建并用于氮肥推薦,但這些模型往往僅適用于某個(gè)品種,不同品種間普適性較差。
正如前文所述,作物品種的多元化發(fā)展迅速,基于臨界氮濃度稀釋曲線的氮素營(yíng)養(yǎng)管理勢(shì)必存在局限性。因此,建立品種間歸一化的氮肥推薦模型成為必然。前人以小麥、玉米、馬鈴薯等作物為研究對(duì)象,利用多種方法消除了品種間差異對(duì)此模型的影響。如,蘇文楠等(2021)構(gòu)建了鄭單12 和陜單609 兩個(gè)玉米品種基于葉干物質(zhì)(leaf dry matter,LDM)、莖干物質(zhì)(stem dry matter,SDM)、植株干物質(zhì)(plant dry matter,PDM)的3 種臨界氮濃度稀釋曲線模型,鄭單12 為:Nc=2.64-0.204、Nc=1.58-0.388、Nc=2.33-0.263;陜 單609 為:Nc=2.61-0.205、Nc=1.83-0.337、Nc=2.47-0.237,通過(guò)驗(yàn)證回歸模型得出基于葉片干物質(zhì)的臨界氮濃度稀釋曲線品種間穩(wěn)定性好,診斷兩個(gè)品種氮素營(yíng)養(yǎng)狀況精度高,利用上述模型開(kāi)展玉米品種間歸一化氮素管理可行。張加康等(2020)通過(guò)比較基于馬鈴薯地上部生物量、全氮濃度和馬鈴薯整株生物量、全氮濃度的兩種臨界氮濃度稀釋曲線,發(fā)現(xiàn)后者能克服由于馬鈴薯品種差異而導(dǎo)致的曲線差別。將氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)與其他參數(shù)結(jié)合建立優(yōu)化模型是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的另一途徑,如Wang 等(2020)利用氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)(NNI)、氮肥回收利用率(REN)和移栽后天數(shù)(DAT)建立了水稻栽培季氮素需求量(NR)估算模型,NR=(2.95-30.80)(1 -)/,該優(yōu)化模型順利通過(guò)了4 個(gè)品種的氮素營(yíng)養(yǎng)推薦評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)了水稻品種間歸一化氮素管理;田興帥等(2019)通過(guò)構(gòu)建小麥拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開(kāi)花期的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)和氮素需求量(NNI-NR)、相對(duì)產(chǎn)量和氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)(RY-NNI)、相對(duì)產(chǎn)量和氮素需求量(RY-NR)的關(guān)系模型,通過(guò)決定系數(shù)評(píng)價(jià)模型擬合優(yōu)度,建立了4 個(gè)小麥品種間歸一化的臨界氮濃度稀釋曲線,基于NNI-NR、RY-NNI、RY-NR 建立的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)成功用于診斷小麥氮素的盈虧情況。
便攜式葉綠素儀可以無(wú)損檢測(cè)的方式得出葉片葉綠素的相對(duì)含量,是評(píng)估植物中氮水平的一種實(shí)用替代方法(Yadavay,1986),而葉綠素含量與植株中氮濃度和作物產(chǎn)量相關(guān)(Silveira &Gonzaga,2017)。
Peterson 等(1993)利用葉綠素儀作為診斷手段檢測(cè)植株氮素是否缺乏并確定追肥量,同時(shí)提出了氮充足指數(shù)(NSI)這一概念,即測(cè)試田塊與充足施氮田塊的葉片葉綠素含量的比值。當(dāng)NSI <0.95 時(shí),表明測(cè)試田塊氮素虧缺,目標(biāo)產(chǎn)量無(wú)法達(dá)到,則需追施氮肥;當(dāng)NSI > 0.95 時(shí),則表明測(cè)試田塊氮素充足,無(wú)需增施氮肥且氮肥過(guò)量;當(dāng)NSI=0.95 時(shí),則表明測(cè)試田塊氮素供應(yīng)量可達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)量,是最適宜的氮肥用量。Varvel等(2007)在玉米3 個(gè)營(yíng)養(yǎng)階段V8(玉米第8 片葉完全展開(kāi))、V10(玉米第10 片葉完全展開(kāi))和V12(玉米第12 片葉完全展開(kāi),也稱大喇叭口期),結(jié)合收集到的多年的葉綠素儀數(shù)據(jù)及生長(zhǎng)度日數(shù)據(jù),計(jì)算得到充足指數(shù)(SI),再通過(guò)SI 與氮肥用量建立二次回歸模型進(jìn)行指導(dǎo)施肥,從而減輕品種間差異影響,以實(shí)現(xiàn)最大產(chǎn)量。
此外,基于SPAD 值變型的營(yíng)養(yǎng)診斷是實(shí)現(xiàn)品種間歸一化氮素推薦的有效途徑之一。樊明壽等(2014)研究發(fā)現(xiàn),上、下葉位的SPAD 值差值可消除品種間差異,進(jìn)一步篩選出SPAD-/SPAD與施氮量呈顯著負(fù)相關(guān),SPAD-/SPAD可作為不同馬鈴薯品種間歸一化的氮素診斷指標(biāo)。陳俊輝(2014)根據(jù)SPAD-/SPAD與氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)建立模型如下:Sc=-2 × 10 -5+0.003 3-0.099,式中Sc 為任意時(shí)間馬鈴薯葉片的臨界葉位差異指數(shù),為出苗后22~25 d 中的任意一天,馬鈴薯出苗22~25 d 內(nèi)若測(cè)得SPAD-/SPAD值Si(在這一段時(shí)間實(shí)際測(cè)定并計(jì)算的SPAD-/SPAD)> Sc,則應(yīng)追施氮肥,反之則不需要;李杰等(2017)和Li 等(2020)研究發(fā)現(xiàn),由水稻產(chǎn)量與抽穗期田塊表觀供氮量(Nx)的關(guān)系可以確定獲得目標(biāo)產(chǎn)量相應(yīng)的表觀總吸氮量,而施氮量為表觀總吸氮量與土壤表觀供氮量之差,通過(guò)田塊表觀供氮量與SPAD 值衍生指標(biāo)〔采用了4 種SPAD 值衍生指標(biāo),分別為:SPAD-=頂4 葉SPAD 值-頂3 葉SPAD 值、SPAD(-)/=(頂3 葉SPAD 值-頂4 葉SPAD 值)/ 頂3 葉SPAD 值、SPAD(-)/(+)=(頂2 葉SPAD 值-頂1 葉SPAD 值)/(頂2 葉SPAD 值+頂1 葉SPAD 值)、SPAD×/mean=頂3 葉SPAD 值×頂4 葉SPAD 值/4 片葉片平均SPAD 值〕的關(guān)系,建立了基于SPAD 值的水稻施氮模型Nw=-〔(-b)/k -〕,式中Nw 表示總施氮量,表示水稻品種表觀總吸氮量,表示葉片SPAD 值衍生指標(biāo),表示追肥之前已經(jīng)施入的氮量,k、b 是田塊表觀供氮量與葉片SPAD 值衍生指標(biāo)線性關(guān)系中的斜率和截距,而田塊表觀供氮量為土壤表觀供氮量(Nt)與已施氮量(Ng)之和。該模型在品種間具有一定的穩(wěn)定性和適用性,在水稻種植施氮決策過(guò)程中值得考慮和推薦。
綜上所述,基于SPAD 值的氮素營(yíng)養(yǎng)管理實(shí)現(xiàn)了品種間的普適性,與臨界氮濃度稀釋曲線模型相比,具有無(wú)損、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn),但是水分狀況和輻照度對(duì)葉綠素計(jì)值有很大的影響,具有代表性的SPAD 值需要植株群體數(shù)量足夠大(> 30 株),獲取過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)?;l(fā)展的背景下,該技術(shù)的廣泛應(yīng)用仍存在局限性。
遙感(RS)是精確農(nóng)業(yè)的主要技術(shù)之一。遙感技術(shù)收集的光譜波段與作物植被覆蓋率、葉綠素含量、氮含量等生理指標(biāo)有顯著的相關(guān)關(guān)系(Gianquinto et al.,2004),利用農(nóng)作物冠層光譜的反射率特征估算作物生長(zhǎng)過(guò)程中的植物氮狀況是農(nóng)業(yè)遙感的重要應(yīng)用(Li et al.,2014)。韓康等(2020)和楊海波等(2020a)研究發(fā)現(xiàn),不同作物對(duì)氮敏感的光譜敏感信息不同,其施肥模型勢(shì)必存在差異。比值植被指數(shù)(RVI)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、差值環(huán)境植被指數(shù)(DVI)、綠度植被指數(shù)(GVI)等敏感植被指數(shù)已與作物生長(zhǎng)指數(shù)如作物氮濃度、作物氮積累量、葉面積指數(shù)等建立了模型關(guān)系并成功應(yīng)用在氮素營(yíng)養(yǎng)診斷和推薦施肥方面。然而,不同作物在其關(guān)鍵生育期對(duì)光譜的反射率存在差異,且不同品種在相同生長(zhǎng)條件下反射率亦不同(Li et al.,2018),因此基于光譜信息的作物品種間歸一化氮素營(yíng)養(yǎng)診斷應(yīng)首先確定特定作物的敏感光譜指數(shù)。
Yang 等(2020)研究發(fā)現(xiàn),不同小麥品種間對(duì)氮肥利用率預(yù)測(cè)敏感的指數(shù)為紅光歸一化差值植被指數(shù)(RNDVI)、綠光歸一化差值植被指數(shù)(GNDVI)、歸一化差值紅光指數(shù)(NDRE)和紅邊葉綠素指數(shù)(RECI),其中RNDVI 的預(yù)測(cè)效果最好;不同作物基因型在特定生育階段對(duì)氮肥的需求量是不同的,通過(guò)無(wú)人機(jī)多光譜數(shù)據(jù)的采集,成功預(yù)測(cè)氮肥供應(yīng)量的變化及其對(duì)生物量發(fā)展、葉綠素水平的影響,有助于不同小麥品種準(zhǔn)確選擇氮肥用量;而曹靜等(2010)以生理發(fā)育時(shí)間(PDT)為生育期預(yù)測(cè)器,計(jì)算不同品種在不同環(huán)境條件下主要生育期所需的生長(zhǎng)度日(GDD),將GDD 和各氮營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)歸一化處理,以相對(duì)生長(zhǎng)度日(相對(duì)GDD)和相對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)建立適宜稻麥氮管理模型,在一定程度上克服了品種帶來(lái)的影響;楊雪(2015)將各生育時(shí)期的小麥植株冠層NDVI值歸一化處理即可獲得相對(duì)NDVI 值(RNDVI),其計(jì)算公式為各時(shí)期NDVI 值/同處理全生育期內(nèi)最大NDVI 值,RNDVI 值與相對(duì)累積生長(zhǎng)度日(RAGDD)變化趨勢(shì)一致,基于花前RNDVI 和RAGDD 的Logistic 模型可實(shí)現(xiàn)小麥品種間的歸一化氮素營(yíng)養(yǎng)管理;Nigon 等(2014)通過(guò)將光譜指數(shù)歸一化并確定合適的NSI 閾值,不同的NSI 閾值水平應(yīng)根據(jù):①光譜指數(shù)的內(nèi)在變化率/CV(變異系數(shù)),② 使用的NSI 參考,③生長(zhǎng)時(shí)間來(lái)確定,從而屏蔽因馬鈴薯品種、生育期或其他當(dāng)?shù)貤l件帶來(lái)的差異,確定合適的施肥時(shí)間和施肥量;而馬鈴薯花后的氮肥推薦也是養(yǎng)分管理中的重點(diǎn),馬鈴薯封壟后不同馬鈴薯品種冠層NDVI 值差異不顯著,且品種混合降低了NDVI 值的敏感度,上述NDVI 值歸一化方法及推薦施肥模型不再適用于此時(shí)期的氮肥推薦,而基于時(shí)間序列歸一化的光譜指數(shù)(TNDVI)的估測(cè)模型=0.003 1+0.000 3可用于品種間的氮肥歸一化推薦(楊海波 等,2020b)。
上述方法均為基于產(chǎn)量與光譜指數(shù)之間的關(guān)系建立的推薦施肥模型,在一定程度上克服了品種差異帶來(lái)的影響,然而不同品種的產(chǎn)量潛力不盡相同,參數(shù)的設(shè)置成為關(guān)鍵,可能限制模型的使用;另外,PDT、GDD 對(duì)于環(huán)境溫度要求很高,不同年限變化差異顯著,適用性仍有待考究。而NDVI、TNDVI 等光譜指數(shù)受生育時(shí)期的影響較大,僅僅歸一化某個(gè)生育時(shí)期可能會(huì)因忽略了其他時(shí)期對(duì)氮肥的需求而造成產(chǎn)量的下降。因此基于光譜信息的品種間氮素歸一化管理仍有待于進(jìn)一步探究。
綜述前人研究發(fā)現(xiàn),基于臨界氮濃度稀釋曲線歸一化馬鈴薯品種間差異最為準(zhǔn)確,但不具有時(shí)效性,且操作繁瑣,是有損測(cè)試;基于SPAD 值的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷快速、簡(jiǎn)便、無(wú)損,且前人研究結(jié)果顯示基于SPAD 值的不同馬鈴薯品種歸一化氮素管理方案是可行的,但其模型具有較強(qiáng)的地域性、時(shí)效性,并且數(shù)據(jù)需求量大,獲取繁瑣;而基于光譜的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷可以實(shí)現(xiàn)品種歸一化管理,降低品種差異帶來(lái)的影響,無(wú)損、快速、便捷地獲取數(shù)據(jù),但實(shí)際農(nóng)事操作中各種光譜指數(shù)的選擇,模型參數(shù)的設(shè)定還需要繼續(xù)研究。如何真正意義上實(shí)現(xiàn)減輕品種差異帶來(lái)的影響,充分發(fā)揮不同品種的氮素利用特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)馬鈴薯高產(chǎn)、養(yǎng)分高效利用,做到農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展是未來(lái)研究的方向。