基于葉面積指數的夏玉米葉片臨界氮濃度稀釋曲線研究

陸軍勝 耿晨鳴 崔曉路 李夢月 胡田田

(西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

氮元素是影響作物生長發育和產量形成的主要營養元素之一，對糧食增產發揮了巨大作用[1]。但是，為了獲得高產，農民常年不合理地施入大量氮肥，使氮肥利用效率低下，并導致環境污染[2-4]。因此，及時準確地診斷作物氮素營養狀況、進而調整氮肥用量顯得尤為重要。

關中地區是我國夏玉米的主要產區，在農業生產中大水大肥現象非常突出[5]。氮營養指數是目前作物氮素診斷的主要方法之一[6]，應用該方法的前提是構建臨界氮濃度稀釋曲線。現有臨界氮濃度稀釋曲線主要基于植株或者葉片的干物質累積量[7]，干物質累積量的測定需要進行田間采樣，其過程費時耗力[6]。近年來，隨著科學技術的進步，葉面積指數(LAI)的獲取相較于干物質累積量獲取更為便捷，這為基于LAI的植株臨界氮濃度稀釋曲線進行氮營養診斷提供了便利[8]。基于LAI的植株臨界氮濃度稀釋曲線已經在小麥[9]、水稻[[4]和玉米[8]等作物中構建，并且獲得了較好的診斷效果。以往基于干物質或者LAI的植株臨界氮濃度稀釋曲線的研究重點關注整株玉米氮濃度[10-13]。但相關研究表明，相較于植株整體，葉片對氮素的反應更為敏感[14]，因此利用葉片氮濃度進行作物氮素營養診斷優于利用植株全株氮濃度。目前，基于LAI的葉片臨界氮濃度稀釋曲線研究尚未見報道。關中地區為半濕潤易旱區，季節性干旱主要發生在夏玉米需水關鍵期(7—8月)，這嚴重影響了夏玉米的高產、穩產[15-18]。相關研究指出，不同水分狀況下臨界氮濃度稀釋曲線之間存在顯著差異。因此，本研究構建不同水分條件下基于LAI的葉片臨界氮濃度稀釋曲線，分析基于LAI的葉片臨界氮濃度稀釋曲線構建的氮營養指數在評估作物氮營養狀況中的可靠性，為關中地區夏玉米氮素的田間管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018、2019年6—9月在西北農林科技大學節水灌溉試驗站(34°17′24″N，108°4′5″E，海拔506 m)進行。試驗區屬于暖溫帶季風半濕潤氣候區，年平均溫度12.9℃，年平均蒸發量1 500 mm[19]。2018、2019年夏玉米生育期內降雨量分別為434、522 mm(圖1)。試驗區土壤質地為重壤土，0～100 cm土層的田間持水率為23%～25%(質量含水率，下同)，凋萎含水率為8.5%，0～20 cm土層的土壤pH值為8.14，有機質含量(質量比，下同)為12.02 g/kg，土壤硝態氮含量為10.08 mg/kg，銨態氮含量為6.94 mg/kg，速效磷含量為20.47 mg/kg，速效鉀含量為164.5 mg/kg。

供試品種為當地主栽品種“鄭單958”，在冬小麥收獲后分別于2018年6月10日和2019年6月9日播種(硬茬播種)，2018、2019年均在9月25日收獲，全生育期約108 d，為了保證出苗，播種時每穴播種2粒種子，出苗后每穴保留一株。滴灌所用肥料為尿素，施肥比例分別為出苗20%、六葉期30%、十四葉期30%、吐絲期20%。全生育期施入磷肥(P2O5)90 kg/hm2、鉀肥(K2O)60 kg/hm2。滴灌施肥系統主要由水泵、比例施肥泵、過濾器、水表及輸配水管道系統及滴灌帶組成。試驗小區長7 m，寬3.6 m。每個小區布置6根滴灌帶，滴灌帶間距60 cm，采用Φ16內鑲式滴灌帶，滴頭間距30 cm，工作壓力為0.1 MPa，滴頭流量為2 L/h，每個小區有一個單獨的控制閥門可以對試驗小區進行單獨控制操作。夏玉米種植行距60 cm，株距23.5 cm，播種密度70 922株/hm2。

1.2 試驗設計

試驗設灌水量和施氮量兩因素，灌水量設置3個水平：雨養(RF)、虧缺灌溉(75%ETc(夏玉米潛在耗水量)，DI)和充分灌溉(100% ETc，FI)。施氮量設置4個水平：不施氮肥(NN)和90 kg/hm2(N3)、150 kg/hm2(N2)、210 kg/hm2(N1)純氮。試驗采用裂區設計，水分處理為主區，施氮量為副區，共12個處理，每個處理重復3次。

灌水量依據P-M公式計算[20]，當夏玉米ETc累計達到30 mm且未來3 d無預報降雨時進行灌溉(圖1)，2018年分別在7月21日、7月26日、8月2日和8月29日灌溉，2019年分別在7月13日、8月14日和8月19日灌溉。夏玉米生育期內參考作物蒸發蒸騰量(ET0)如圖1所示，作物系數根據作物生育階段而定，苗期取0.6、拔節-灌漿期取1.2、乳熟-成熟期取0.6。

1.3 葉面積指數、葉片氮含量及產量測定

于夏玉米苗期-灌漿期，每個小區選取3株長勢一致的夏玉米，分別測定夏玉米葉面積，采用長寬系數法計算葉面積指數(LAI)。測定葉面積后將夏玉米葉片帶回實驗室105℃殺青30 min，75℃干燥至質量恒定。隨后將夏玉米葉片粉碎，過1 mm篩，用H2SO4-H2O2消煮，并用流動分析儀(Auto Analyzer-Ⅲ型，德國 Bran Luebbe 公司)測定葉片全氮含量。在成熟期，隨機選取2行夏玉米，連續取10株，每個小區重復3次，曬干脫粒后稱量，折算成含水率為14%的籽粒產量[21]。相對產量為各處理產量與當年最高產量的比值。

1.4 臨界氮濃度模型建立及氮營養指數

依據臨界氮濃度的定義及計算方法[22-23]，模型的建立步驟主要包括：①方差分析每次取樣的LAI和葉片氮濃度(LNC)有無顯著差異，將其分為非限氮組和限氮組。②線性擬合限氮組LAI和LNC數據。③求非限氮組LAI的平均值，并構建垂直線。④利用每個采樣時期限氮組斜線與非限氮組垂線的交點坐標確定臨界氮濃度。基于LAI構建的葉片臨界氮濃度稀釋曲線效應方程為

Nc=aLAI-b

(1)

式中Nc——夏玉米葉片臨界氮濃度(質量比)，g/kg

LAI——葉面積指數，cm2/cm2

a、b——模型參數

將各處理試驗實測的LNC除以臨界氮濃度確定每個采樣時期的氮營養指數(NNI)，計算公式為

NNI=LNC/Nc

(2)

式中LNC——實測葉片氮濃度(質量比)，g/kg

當NNI等于1時，夏玉米氮狀態最佳，當NNI大于1時，表示氮過量，當NNI小于1時，表示夏玉米氮不足[7]。

1.5 數據處理

采用Excel 2010軟件進行數據處理與計算，采用SPSS 21.0軟件進行單因素方差分析和多重比較，采用SigmaPlot 12.5軟件進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 不同水氮處理對夏玉米葉面積指數和葉片氮濃度的影響

隨著夏玉米生育期的推進(苗期-灌漿期)，LAI呈現快速增加-緩慢增加-略有下降的變化趨勢(圖2)。與雨養處理相比，灌水能夠顯著增加夏玉米LAI，但虧缺灌溉和充分灌溉處理之間LAI無顯著差異(P>0.05)。氮肥用量顯著影響夏玉米LAI，在施氮量0～150 kg/hm2范圍內，LAI隨施氮量的增加而顯著增加。當施氮量超過150 kg/hm2時，夏玉米LAI不再隨施氮量的增加而顯著增加。

夏玉米LNC隨著生育期的推進逐漸降低，雨養處理的LNC略微低于灌溉處理，虧缺灌溉和充分灌溉處理下LNC之間無明顯差異(圖3)。施氮能夠顯著增加LNC，在施氮量0～150 kg/hm2范圍內，LNC隨著施氮量的增加而增加。當施氮量超過150 kg/hm2時，LNC不再顯著增加，即N1和N2處理之間LNC無顯著差異(P>0.05)。

2.2 夏玉米葉片臨界氮濃度稀釋曲線構建

依據臨界氮濃度稀釋曲線的定義，基于LAI的葉片臨界氮濃度為兩條直線的交點：其中一條為限氮處理(NN和N3)LNC隨LAI增加而增加的傾斜直線，另外一條為非限氮處理(N2和N1)LAI平均值為橫坐標的垂直線，兩直線的交點即為該生育期夏玉米葉片的臨界氮濃度。不同水分處理下基于夏玉米LAI的葉片臨界氮濃度稀釋曲線如圖4(圖中**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05))所示。由圖可知，LNC隨著LAI的增加呈下降的趨勢，其變化過程可以通過冪函數方程擬合。在臨界氮濃度稀釋曲線模型中，雨養、虧缺灌溉和充分灌溉處理的冪函數擬合參數a在2018年分別為35.14、36.37和35.62，在2019年分別為33.92、34.83和37.21；參數b在2018年分別為0.29、0.25和0.22，在2019年分別為0.38、0.29和0.29。雨養處理的參數a低于灌溉處理，而參數b高于灌溉處理。

為進一步分析擬合方程參數在各水分處理之間的差異，將冪函數模型進行直線化處理，即lnNc=lna-blnLAI。采用協方差分析方法，分別分析了RF、DI和FI處理之間斜率和截距間的差異。結果表明，在2018年各水分處理之間的擬合方程斜率和截距無顯著差異；在2019年各水分處理之間斜率無顯著差異，但RF處理直線化方程的截距顯著低于DI(P=0.049)和FI(P=0.002)，DI和FI處理之間截距差異不顯著(P>0.05)。這說明2019年基于LAI的葉片臨界氮濃度稀釋曲線在RF處理下的下降速率顯著高于DI和FI處理。此外，還分析了不同水分處理下基于LAI的葉片臨界氮濃度稀釋曲線在2018年和2019年的差異，結果表明RF處理2018年和2019年直線化方程的截距存在顯著差異(P=0.018)，其他水分處理下的截距和斜率均無顯著差異(P>0.05)。這說明RF處理下基于LAI的葉片臨界氮稀釋曲線更容易受到年際影響，而灌溉處理下基于LAI的臨界氮濃度稀釋曲線較為穩定。因此，將2018年和2019年DI和FI處理的曲線并置擬合，得到灌溉處理下基于LAI統一的臨界氮濃度稀釋曲線，a為35.91，b為0.26(圖5)。

2.3 氮營養指數的動態變化及其與相對產量的關系

夏玉米氮營養指數(NNI)總體上隨著施氮量的增加而增加，變化范圍為0.62～1.16(圖6)。整體上看，NN和N3處理的NNI顯著小于1，N2和N1處理的NNI大于或者接近于1，N1處理的NNI略微高于N2處理，這表明N1和N2處理能夠滿足夏玉米生長對氮素的需求。

夏玉米NNI和相對產量(各處理產量與當年最大產量的比值)之間的關系如圖7所示。由圖可知，RF處理的相對產量較灌溉處理明顯偏低，當NNI大于等于0.96時，RF處理的產量維持穩定，為最大產量的85%。DI和FI處理之間夏玉米產量差異較小，當NNI大于等于0.97時，夏玉米的產量維持在一個相對高產的水平(DI和FI處理均高于最大產量的99%)，并不隨著NNI的增加而持續增加。因此，在水肥一體化條件下，DIN2處理能夠獲得較高的夏玉米產量。

3 討論

基于植株或葉片干物質的臨界氮濃度稀釋曲線已經被廣泛的應用于小麥[13,24]，水稻[25]、玉米[3,12,26]、棉花[11]、甜椒[10]等作物，前人研究結果表明，作物品種、種植區域、水分供應水平及施肥方式等均會對臨界氮濃度稀釋曲線產生影響[3,11,13,24,26]。然而作物干物質量的獲取耗時費力，限制了基于植株或葉片干物質的臨界氮濃度稀釋曲線的應用。葉片與作物光合等生物物理過程息息相關，是作物干物質累積的主要器官[6]。葉面積指數(LAI)是植物群體參數的主要指標之一，隨著葉面積指數檢測儀和遙感等技術在農業上的廣泛應用，LAI的獲取相較干物質更為容易和便捷[7]。此外，相關研究指出葉片氮濃度較植株整體氮濃度對氮素的響應更為敏感[14]。因此，本文構建了基于LAI的葉片臨界氮濃度稀釋曲線。結果表明，隨著LAI的增加葉片氮濃度(LNC)逐漸降低，這與植株或葉片干物質量增加氮濃度降低一致[3,26]。此外，本文還分析了基于LAI的葉片臨界氮濃度稀釋曲線對不同水分處理的響應。結果表明，雨養處理的參數a小于灌溉處理，協方差分析結果表明差異未達到顯著水平(P>0.05)，但雨養處理的參數b顯著大于灌溉處理(P<0.05)。這說明水分差異不會對夏玉米葉片初始氮濃度造成影響，但會使得其稀釋速率增加。究其原因可能是水分不足導致根系活力降低，影響夏玉米生長發育、干物質累積以及植株體的氮素吸收過程[27-28]。這與強生才等[3]在關中地區的研究結果(參數a不受降雨年型的影響和參數b受降雨年型影響)一致。但向友珍等[10]通過對不同灌溉水平下甜椒的臨界氮濃度稀釋曲線進行研究得出，60%ETc灌溉水平下臨界氮稀釋曲線參數a較小，這可能是因為水分過度虧缺限制了甜椒對氮素營養的吸收，導致植株生長受到一定的抑制作用。本文通過整合灌溉處理下基于LAI的葉片臨界氮濃度稀釋曲線，得到水肥一體化條件下統一的基于LAI的葉片臨界氮濃度稀釋曲線(Nc=35.91LAI-0.26)。由稀釋曲線可知，隨著LAI增加，Nc對LAI的敏感性逐漸降低，當LAI大于5.8 cm2/cm2時，LAI每增加0.1 cm2/cm2，Nc減少值不足0.1 g/kg(圖5)。該曲線可為灌溉條件下夏玉米氮營養診斷提供指導，也適用于夏玉米不受水分脅迫的雨養處理。

實際生產中NNI等于1難以實現，因此CILIA等[29]將玉米NNI以0～0.7、0.7～0.9、0.9～1.1、1.1～1.3和大于1.3劃分為5級，當NNI處于0.9～1.1之間認為氮素處于適宜狀況。本研究中N2和N1處理的NNI在苗期到灌漿期均高于0.9，但N1處理的NNI略高于N2處理，這說明N2處理的施氮量能夠滿足作物正常生長需要，N1處理的施氮量略高于作物需氮量。通過NNI和相對產量的關系可以看出，雨養處理限制了作物產量，當NNI處于適宜范圍內時，相對產量為最大產量的85%，而灌溉處理的相對產量高于99%的最大產量，且虧缺灌溉和充分灌溉處理之間差異較小，這說明在關中地區季節性干旱中進行補充灌溉有利于夏玉米產量的提高。

4 結論

(1)基于LAI的葉片臨界氮濃度稀釋曲線模型在雨養處理下受年際影響達到顯著水平(P<0.05)，在虧缺灌溉和充分灌溉處理下受年際影響不顯著(P>0.05)。

(2)雨養處理下的臨界氮濃度稀釋曲線與虧缺灌溉和充分灌溉處理之間差異顯著，但虧缺灌溉和充分灌溉處理之間差異不顯著。灌溉處理下統一的臨界氮濃度稀釋曲線模型為Nc=35.91LAI-0.26(R2=0.90**)，該模型可用于指導關中地區夏玉米的灌溉、施肥，對合理適量施肥具有重要意義。

(3)夏玉米氮營養指數(NNI)隨施氮量的增加而增加，變化范圍介于0.62～1.16。夏玉米相對產量隨NNI的增加線性增加，雨養處理下當NNI大于等于0.96時，產量達到最大值并維持穩定，為各處理最大產量的85%，虧缺灌溉和充分灌溉下當NNI大于等于0.97時，夏玉米產量達到最大值，均高于最大產量的99%。因此，灌水量75%ETc和施氮量150 kg/hm2為關中地區水肥一體化條件下推薦的水氮用量。