不同氮效率小麥品種臨界氮濃度模型與營養診斷研究

張娟娟，杜 盼，郭建彪，曹 銳，張 捷，馬新明,3

(1.河南糧食作物協同創新中心，河南鄭州 450002； 2.河南農業大學農學院，河南鄭州 450002； 3.河南農業大學信息與管理科學學院，河南鄭州 450002)

不同氮效率小麥品種臨界氮濃度模型與營養診斷研究

張娟娟1,3，杜 盼1,2，郭建彪1,2，曹 銳1,2，張 捷1,2，馬新明1,2,3

(1.河南糧食作物協同創新中心，河南鄭州 450002； 2.河南農業大學農學院，河南鄭州 450002； 3.河南農業大學信息與管理科學學院，河南鄭州 450002)

為探討不同氮效率小麥品種臨界氮濃度模型的差異和開展小麥氮素營養診斷研究，基于兩年大田試驗，以不同氮效率小麥品種周麥27(高氮高效)、豫麥49-198(低氮高效)和矮抗58(低氮低效)為研究對象，系統分析了不同氮效率小麥品種地上部生物量、地上部氮含量和氮素營養指數的變化規律。結果表明，不同氮效率小麥品種地上部生物量和地上部氮含量均隨施氮量的增加而增加，臨界氮濃度(NC)與地上部最大干物質(DM)均呈冪函數關系(NC=aDM-b)，且氮高效型品種模型的兩個參數(a和b)值均大于氮低效型品種。經檢驗，模型的標準化均方根誤差分別為13.87%(周麥27)、7.7%(豫麥49-198)和13.02%(矮抗58)，通過臨界氮濃度模型所建立的氮素營養指數推薦的麥田施肥量均在120～225 kg·hm-2范圍，其中周麥27和豫麥49-198的推薦施肥量分別為225和120 kg·hm-2，矮抗58的推薦施肥量介于二者之間。

冬小麥；臨界氮濃度；氮素營養指數；氮效率；推薦施肥

氮素是小麥生長發育的重要元素，對小麥地上干物重和產量的形成有重要作用。小麥產量的形成是以較高的地上部干物質積累為前提，而干物質的積累是以氮素的吸收為基礎。據報道，農作物的氮素吸收量遠小于肥料的供應量，肥料的損失量高達50%[1-2]，尤其是在作物生長早期，禾谷類作物的根系數量較少[3-4]，降低了氮素的利用效率。此外，氮肥投入過多也會污染環境，過剩的氮肥會排放到大氣和水中或隨土壤淋失[5-6]。因此，在小麥不同生育階段優化氮素需求是提高氮肥利用效率和保護環境的重要問題。前人圍繞植株氮素適時、快速、簡便診斷方面做了大量的研究。在作物生長季快速診斷植株氮營養狀況的方法有兩種，一種是葉綠素計讀數法[7]，另一種是遙感檢測技術法[8]。氮素快速診斷技術的應用對于優化施氮起到了很好的作用，但是由于受技術和成本等因素的制約及對過量施氮無法檢測等原因，推廣應用還存在較多困難。臨界氮濃度被定義為在一定的生長時期內植株獲得最大生物量對應的最小氮濃度，是作物氮素診斷的基本依據[9]。對此，國內外學者已針對不同作物(大麥、玉米、番茄、甜椒、棉花等)[10-14]的臨界氮濃度模型開展了較多研究，并得到了較好的應用。關于該方法在小麥上的研究也有較多報道，如Justes等[9]建立了法國冬小麥的臨界氮濃度模型，并被國內外學者廣泛應用；Yue等[15]建立了華北平原冬小麥臨界氮濃度模型，發現法國和中國華北平原的冬小麥臨界氮濃度模型有明顯差異；趙犇等[16]針對不同蛋白質含量小麥品種，構建了臨界氮濃度模型；岳松華[17]則根據大穗型品種周麥16和多穗型品種豫麥49-198的不同特點，構建了它們的臨界氮濃度模型[18]。基于臨界氮濃度模型，前人進一步定義了氮素營養指數NNI，并認為其可作為評價小麥氮營養狀況的一個可靠指標[19]。綜上所述，前人關于小麥臨界氮濃度模型的研究多集中在不同生態區域、不同籽粒蛋白質含量和不同穗型等小麥模型上[9,13-17]，而對于不同氮效率小麥品種模型是否存在差異還未見報道。為此，本研究結合實驗室對氮素利用效率品種的分類[20]，開展不同氮效率小麥臨界氮濃度模型和氮素營養診斷探討，以期為不同氮效率小麥品種的氮肥管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本研究共設兩個小麥田間試驗。

試驗1：于2014-2016年在河南省滑縣留固鎮(114°37′37.8″E，35°31′06.6″N)進行。該地區屬于溫帶季風氣候。土壤類型為粘土，有機質含量為13.25 g·kg-1，全氮含量為1.13 g·kg-1，有效磷含量為54.06 mg·kg-1，有效鉀含量為170 mg·kg-1。供試品種為周麥27(高氮高效)、豫麥49-198(低氮高效)、矮抗58(低氮低效)。設置0 kg·hm-2(N0)、120 kg·hm-2(N1)、225 kg·hm-2(N2)、330 kg·hm-2(N3)4個施氮水平，基追比為5∶5，基肥在播種前施入，追肥在拔節時施入。播種方式為機播，播量150 kg·hm-2，行距20 cm。小區面積為28 m2(2.8 m×10 m)，3次重復。所用氮肥為尿素(純N含量46%)，結合整地基施過磷酸鈣(P2O5含量14%)857.14 kg·hm-2和氯化鉀(K2O含量60%)200 kg·hm-2。其他栽培管理同一般高產田。該試驗部分數據用于冬小麥臨界氮濃度模型的建立。

試驗2：于2015-2016年在河南農業大學許昌校區(113°48′14.9″E，34°8′1″N)進行。該地區屬于溫帶季風氣候，土壤類型為壤土，有機質含量為16.53 g·kg-1，全氮含量為1.22 g·kg-1，有效磷含量為10.14 mg·kg-1，有效鉀含量為208.75 mg·kg-1。供試品種和氮肥處理同試驗1。播種方式為人工點播，播量為150 kg·hm-2，行距20 cm。小區面積為14 m2(2 m×7 m)，四周用50 cm高的雙面鍍鋅鐵皮埋入50 cm深土層，防止串肥，3次重復。所用氮肥為尿素(純N含量46%)，結合整地基施過磷酸鈣(P2O5含量14%)857.14 kg·hm-2和氯化鉀(K2O含量60%)200 kg·hm-2。其他栽培管理措施同一般高產田。該試驗數據用于冬小麥臨界氮濃度模型的驗證。

1.2 測定指標和計算方法

1.2.1 地上部生物量的測定

于小麥越冬期、返青期、拔節期、開花期、花后15 d和成熟期取樣，每小區每次取代表性10～15株植株地上部(拔節前每處理取15株，其他時期各處理每次取10株)，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干后稱重。

1.2.2 地上部氮含量的測定

將上述烘干后樣品粉碎過1 mm篩，采用濃硫酸雙氧水消煮法(使用德國生產的連續流動分析儀-AACE6.02)測定植株地上部全氮含量。

1.2.3 臨界氮濃度模型的建立

臨界氮濃度值為既不受氮素營養制約、又不存在氮素奢侈吸收的植株最小氮濃度。基于前人對臨界氮濃度稀釋曲線的闡述[18]，其計算公式為：

NC=aDM-b

式中，NC為地上部臨界氮濃度值(%)；DM為地上部最大干物質積累量(t·hm-2)；a為地上部干物質為1 t·hm-2時的氮濃度；b為控制該曲線斜率的統計參數。

1.2.4 氮營養指數的計算

采用氮素營養指數NNI來評價小麥植株體內氮素營養狀況[19]。

NNI=Nt/NC

式中，Nt為地上部實測氮濃度值；NC為根據臨界氮濃度稀釋模型求得的臨界氮濃度值。NNI>1時，植株氮素營養過剩；NNI=1時，植株氮素營養狀況適宜；NNI<1時，植株氮素營養虧缺。

1.3 數據處理與分析

試驗數據采用Excel 2010進行數據處理和作圖，采用SPSS 21.0軟件中的多重比較法LSD和Duncan進行方差分析。基于滑縣2014-2016年2年試驗數據，利用回歸擬合方法建立臨界氮濃度模型。利用許昌2015-2016年獨立年份數據對模型進行驗證。同時，根據氮營養指數對滑縣2014-2016年試驗進行推薦施肥應用。

采用均方根誤差(RMSE)和標準化均方根誤差(n-RMSE)來檢驗模型精度。RMSE值越小,模擬值與真實值的一致性越好,偏差越小,即模型的預測精度越高。n-RMSE≤10%時,模型模擬性能極好;10%30%時,模擬性能較差[13]。

2 結果與分析

2.1 不同氮效率小麥品種地上部生物量的變化

2014-2016兩年滑縣試驗結果(表1)表明，隨施氮量的增加，3個不同氮效率小麥品種的地上部生物量均呈先增后趨于平緩的趨勢。在2014-2015年，N2和N3處理間地上部生物量無顯著差異，但與N0和N1處理差異顯著；在2015-2016年，N1、N2、N3處理間差異較小，但均與N0處理之間差異顯著。這說明在一定范圍內提高施氮水平可以促進植株的生長發育，適量的氮素有利于植株干物質積累，而過量施氮則會造成氮素供過于求，對干物質積累起不到明顯的促進作用。

本研究分別從拔節到成熟期(2014-2015年)4次和返青至成熟期(2015-2016年)5次作為數據點，用來構建臨界氮濃度模型，小麥地上部生物量滿足下列統計意義上的不等式：

2014-2015：DM0

2015-2016：DM0

DM0、DM1、DM2、DM3分別表示N0、N1、N2、N3施氮水平下的小麥地上部生物量。

2.2 不同氮效率小麥品種地上部氮含量的變化

不同氮效率小麥品種地上部氮含量隨生育進程推進均呈現不斷下降的趨勢，且從拔節期至開花期下降較快，開花期到成熟期下降緩慢。增加施氮量后，植株氮含量呈增加趨勢(圖1)。本試驗條件下，2014-2015年周麥27、豫麥49-198和矮抗58地上部氮含量的變化范圍分別為0.79%～2.79%(圖1a)、0.93%～2.91%(圖1b)和0.80%～2.62%(圖1c)，2015-2016年分別為0.71%～3.58%(圖1d)、0.80%～3.73%(圖1e)和0.88%～3.20%(圖1f)。不同氮效率品種的地上部氮含量最大值兩年均表現為豫麥49-198>周麥27>矮抗58。

2.3 臨界氮濃度模型的構建

據據臨界氮濃度的定義，每個取樣日的臨界氮濃度值由2條曲線交點所決定(圖2)。其中一條是逐漸增長的地上部干物質與氮濃度的交點形成的傾斜曲線，該線經過2014-2015年的DM0、DM1、DM2及2015-2016年的DM0、DM1；另一條線是以最大干物質為橫坐標的垂直線，該線經過2014-2015年的DM2、DM3及2015-2016年的DM1、DM2、DM3點，這兩條線相交點的縱坐標值即為臨界氮濃度值(圖2)。

表1 不同氮效率小麥品種地上部生物量的變化(2014-2016)Table 1 Changes of shoot biomass of wheat varieties with different N efficiency 2014 to 2016 t·hm-2

同類數據后不同字母表示同一品種的不同氮處理間差異達顯著水平(P<0.05)。RS:返青期；JS:拔節期；FS:開花期；AF15:花后15 d；MS:成熟期。下同。

Different letters following the values within the same column mean significantly different among N treatments for each cultivar at 0.05 level.RS:Re-greening stage; JS:Jointing stage; FS:Flowering stage;AF15:15 days after flowering;MS:Maturity stage.The same in the flowing tables and figures.

由圖3可以看出，隨地上部干物質(DM)的增長，小麥臨界氮濃度(NC)呈逐漸下降的趨勢。不同氮效率類型小麥品種臨界氮濃度模型均為冪函數結構，但是臨界氮濃度模型參數有明顯差異，分別對三個類型品種進行臨界氮濃度模型擬合，方程的決定系數分別為0.90、0.87和0.88。

在3個不同氮效率品種的臨界氮濃度模型(NC=aDM-b) 中，參數b的變化范圍不大，為0.35～0.40，而參數a變化范圍較大，為3.89～4.48。說明在干物質量為1 t·hm-2時，臨界氮濃度表現為豫麥49-198>周麥27>矮抗58。

2.4 臨界氮濃度模型的檢驗

利用2015-2016年許昌不同氮效率品種的試驗結果對臨界氮濃度模型進行驗證，結果(表2)顯示，3個氮效率品種的RMSE分別為0.27、0.16和0.26；n-RMSE分別為13.87%、7.70%和13.02%。觀測值和模擬值整體關系較好，誤差在-0.01～-0.38范圍，但是模擬值整體比實測值偏小，可能是因為許昌采用池栽試驗，在一定程度上減少了氮肥的損失，使達到相同地上干物重時的臨界氮濃度偏大。周麥27、矮抗58的模型精度評判值n-RMSE處于10%～20%范圍，達到較好水平，豫麥49-198的模型精度評判值n-RMSE處于0%～10%范圍，達到極好水平，說明所建模型具有較好的精度。可見，所建臨界氮濃度模型在許昌和滑縣兩地間具有較好的穩定性，可以進一步用于植株體內的氮營養診斷。

2014-2015年a、b和c分別代表周麥27、豫麥49-198和矮抗58；2015-2016年，d、e和f分別代表周麥27、豫麥49-198和矮抗58。

The three varieties of Zhoumai 27,Yumai 49-198 and Aikang 58 are represented with a,b and c in 2014-2015,and with d,e and f in 2015-2016,respectively.

圖1不同氮效率小麥品種地上部氮含量的動態變化(2014-2016)

2.5 基于氮營養指數(NNI)的氮素診斷與推薦施肥

由圖4可以看出，3個氮效率小麥品種的NNI均隨著施氮量的增加而增大。小麥品種周麥27、豫麥49-198和矮抗58的NNI的變化范圍在2014-2015年分別為0.60～1.27(圖4a)、0.62～1.36(圖4b)、0.57～1.39(圖4c)，2015-2016年分別為0.53～1.34(圖4d)、0.51～1.24(圖4e)、0.60～1.24(圖4f)。2014-2016年N0處理的NNI<1，說明小麥生長受氮素不足的制約；N1、N2處理的NNI為1.0左右，表明小麥施氮量合理；N3處理的NNI>1，表明小麥氮素存在過剩現象。綜合考慮全生育時期，最佳施氮量應介于N1到N2之間。

a：周麥27；b：豫麥49-198；c：矮抗58。 a:Zhoumai 27；b:Yumai 49-198；c:Aikang 58.

表2 小麥臨界氮濃度的模擬值與觀測值(2015-2016年，許昌)Table 2 Simulated and observed critical nitrogen content of wheat(at Xuchang from 2015 to 2016)

品種Cultivar生育時期Growthstage地上部生物量Shootbiomass/(t·hm-2)NC觀測值ObservedNC/%NC模擬值SimulatedNC/%誤差Error/%均方根誤差RMSE標準化均方根誤差n-RMSE/%周麥27RS1.333.993.69-0.300.2713.87Zhoumai27FS16.531.721.34-0.38AF1019.391.521.26-0.26AF2024.641.371.15-0.22MS25.021.281.14-0.14豫麥49-198RS1.304.154.07-0.080.167.70Yumai49-198FS18.441.751.50-0.25AF1019.641.701.46-0.24AF2022.851.411.38-0.03MS23.271.401.37-0.03矮抗58Aikang58RS1.214.143.64-0.500.2613.02FS15.981.711.46-0.25AF1017.551.601.41-0.19AF2019.391.391.36-0.03MS19.621.371.36-0.01

圖3 小麥氮素臨界濃度與地上部生物量的關系

不同氮效率小麥品種對增施氮肥的敏感性不同，其適宜的施氮量也有所不同。根據前期試驗(表3)得知，從較低施氮量(N1)到較高施氮量(N2)條件下，周麥27、豫麥49-198和矮抗58產量的平均增幅依次為19.56%、2.72%和12.05%。豫麥49-198增產幅度較小，建議施肥量為120 kg·hm-2；周麥27增產幅度較大，建議施肥量為225 kg·hm-2；矮抗58的增幅介于豫麥49-198和矮抗58之間，建議施肥量為120～225 kg·hm-2。

3 討 論

本研究利用連續2年大田試驗數據建立了不同氮效率小麥臨界氮濃度模型，結果顯示，不同小麥品種在生長過程中植株氮濃度與其生物量的關系均符合冪函數關系(NC=aDM-b)，但參數值有所不同。從數學角度來講，參數a代表地上干物重為1 t·hm-2時的植株氮含量。本試驗中參數a明顯低于Justes的高蛋白小麥[9]，參數a較大差異的原因可能是兩地氣候不同，本試驗地處溫帶季風氣候區，而法國地處溫帶海洋性氣候區，冬小麥生育時期比較長，生育時期長就意味著小麥可以吸收更多的氮素，從而導致臨界氮濃度高于本試驗。參數b是指植株氮含量隨地上干物重增加而遞減的關系，其大小取決于氮素的吸收量與干物質的關系[21]。本研究所得的參數b與華北平原和豫中地區周麥16[17]相近。可見，在同一氣候區，不同品種的參數b差異比較小。

2014-2015年，a、b和c分別代表周麥27、豫麥49-198和矮抗58；2015-2016年，d、e和f分別代表周麥27、豫麥49-198和矮抗58。

The three varieties of Zhoumai 27,Yumai 49-198 and Aikang 58 are represented with a,b and c in 2014-2015,and with d,e and f in 2015-2016,respectively.

表3 不同氮效率小麥品種的產量(2013-2016)Table 3 Yield of wheat with different N efficiency(2013-2016)

品種Cultivar施氮量Nrate/(kg·hm-2)產量Yield/(t·hm-2)滑縣Huaxian(2013-2014)滑縣Huaxian(2014-2015)滑縣Huaxian(2015-2016)鄭州Zhengzhou(2013-2014)方城Fangcheng(2013-2014)項城Xiangcheng(2013-2014)平均數Average增幅Increaseamplitude/%周麥27N18.408.278.508.548.868.668.54Zhoumai27N210.269.5010.3010.3510.4010.4510.2119.56豫麥49-198N19.618.029.868.929.309.449.19Yumai49-198N29.838.1610.089.279.529.769.442.72矮抗58N18.208.128.107.918.339.128.30Aikang58N29.329.109.088.959.0410.289.3012.05

本研究構建的3個不同氮效率類型臨界氮濃度模型，參數a差別較大，主要由品種類型差異導致，低氮高效豫麥49-198葉片具有較高的GS活性，從而促進植株對氮素的吸收同化[22]，因此它的a值比較大；低氮低效矮抗58的GS活性比低氮高效型豫麥49-198低，而GS是氮同化與轉移利用的關鍵酶，它的活性與可溶性蛋白、游離氨基酸含量有極顯著的相關性[23]，因此它的a值比較小；高氮高效品種周麥27有較高的根系生物量、根系活力、根系總吸收面積和根系活躍吸收面積，促進了對氮素的吸收，同時周麥27還具有較高的氮素轉運能力、氮素籽粒分配能力和合理的根冠比促進了對氮素的高效利用[24]，因此它的a值介于兩者之間。可見，臨界氮濃度模型可以較好地描述地上部生物量和氮濃度的關系，但是對于其他氣候區不同氮效率的小麥品種，在利用該模型前還需對模型做進一步的驗證。

對于小麥氮素營養指數和適宜的施氮量研究得知，3種氮效率類型小麥品種的氮營養指數在0.51～1.39之間，并隨著施氮量的增加而增大，這與趙犇等[16]的研究結果一致。綜合考慮全生育期氮營養狀況，2014-2016兩年N0處理的NNI均<1，表明小麥均存在氮素虧缺現象，N3處理的NNI均>1，表明小麥均存在氮素的奢侈消耗；氮素營養指數最優(NNI=1)的施氮量兩年間均在N1-N2之間。說明3個品種的最佳施氮量應在120～225 kg·hm-2之間選擇，該施氮量有利于促進植株對氮素營養的吸收利用，促進地上部干物質的累積。

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StudyofCriticalNitrogenConcentrationModelandNitrogenNutritionDiagnosisinWinterWheatwithDifferentNEfficiency

ZHANGJuanjuan1,3,DUPan1,2,GUOJianbiao1,2,CAORui1,2,ZHANGJie1,2,MAXinming1,2,3

(1.Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops,Zhengzhou,Henan 450002,China; 2.College of Agronomy,Henan Agricultural University,Zhengzhou,Henan 450002,China; 3.Science College of Information and Management,Henan Agricultural University,Zhengzhou,Henan 450002,China)

To explore the difference of critical nitrogen concentration dilution model and take nitrogen nutrition diagnosis in winter wheat cultivars,in this study,three wheat cultivars with different nitrogen use efficiency(NUE),such as Zhoumai 27(high NUE under high nitrogen level),Yumai 49-198(high NUE under low nitrogen level) and Aikang 58(low NUE under low nitrogen level),were used as experimental materials during two growing seasons. The variation of the shoot biomass and nitrogen concentration and nitrogen nutrition index among different cultivars were analyzed. Results showed that the aboveground biomass and nitrogen concentration were increased with the increase of nitrogen application rate in winter wheat cultivars with different nitrogen efficiency. There was a power function relationship between the critical nitrogen concentration and the maximum shoot dry matter(NC=aDM-b).And the parameters(aandb) value of high NUE cultivars were higher than that of low NUE cultivar. The model validation showed that the model had a good accuracy with root mean square error of standardization,13.87% for Zhoumai 27,7.7% for Yumai 49-198 and 13.02% for Aikang 58,respectively.The recommended fertilizer rate based on the nitrogen nutrition index was 120 kg·hm-2for Yumai 49-198,225 kg·hm-2for Zhoumai 27 and that in between 120 and 225 kg·hm-2for Aikang 58.

Winter wheat; Critical nitrogen concentration; Nitrogen nutrition index;N efficiency; Fertilizer recommendation

時間：2017-11-14

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171114.1028.022.html

2017-03-27

2017-05-21

河南省現代農業(小麥)產業技術體系項目(S2016-01-G04)；河南省重點科技攻關項目(152102110056)；國家重點研發計劃項目(2016YFD0300609)；河南農業大學科技創新基金項目(KJCX2015A12)

E-mail：zhangjuan_2003@126.com

馬新明(E-mail：xinmingma@126.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)11-1480-09