玉米臨界氮濃度稀釋曲線研究進(jìn)展

翟勇全，蘭 宇，康建宏，姬 麗，李稼潤

（寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

氮肥對(duì)于保障糧食作物安全具有重要意義，研究表明，氮肥對(duì)糧食作物的貢獻(xiàn)可達(dá)到30%～50%[1-4]。但就目前氮肥的使用而言，通過繼續(xù)增施氮肥來提高作物產(chǎn)量收效甚微，并且導(dǎo)致氮肥利用效率下降，同時(shí)也會(huì)加重農(nóng)田土壤和水資源的污染。有研究表明，1990—2015年，我國氮肥投入量逐年提高，但是氮肥利用效率始終保持在35%左右[5]，并未隨氮肥投入量的增長而明顯提高，施入農(nóng)田土壤中的氮肥有60%~70%經(jīng)揮發(fā)和淋溶等途徑損失[6]，進(jìn)而引發(fā)了一系列環(huán)境污染問題，如土壤酸化[7]、水體污染[8]、溫室氣體排放[9]等。雖然繼續(xù)增加氮肥施用量對(duì)于提高糧食作物產(chǎn)量收效甚微，但是氮肥在增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)方面的作用又是不可替代的[10]。因此，在農(nóng)作物生產(chǎn)中快速進(jìn)行作物氮素營養(yǎng)診斷，并進(jìn)行合理施肥推薦，對(duì)提高氮肥利用效率顯得尤為重要。

臨界氮濃度是由Greenwood等[11]在1991年首次提出，表示作物達(dá)到最大干物質(zhì)時(shí)所需的最小氮濃度。臨界氮濃度稀釋曲線可以反映作物氮濃度與植株干物質(zhì)之間的關(guān)系，其函數(shù)表達(dá)式為Nc=a×PDM-b。式中：Nc代表植株臨界氮濃度(critical nitrogen concentration，%)；PDM代表植株干物質(zhì)（plant dry matter，t/hm2）；a代表植株干物質(zhì)為1 t/hm2時(shí)的植株氮濃度；b表示稀釋系數(shù)（隨植株干物質(zhì)增加而降低）。近年來，諸多國內(nèi)外學(xué)者相繼分別構(gòu)建了水稻[12-14]、小麥[15-17]、馬鈴薯[18]、棉花[19]、番茄[20]、油菜[21]等作物的氮濃度稀釋曲線模型。通過臨界氮濃度稀釋曲線可以對(duì)農(nóng)作物氮營養(yǎng)指數(shù)（nitrogen nutrition index，NNI）進(jìn)行估算，從而可以有效、準(zhǔn)確地進(jìn)行植株氮素營養(yǎng)狀況診斷并進(jìn)行合理的施肥推薦。目前，國內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同玉米品種和不同種植生態(tài)區(qū)分別建立了玉米臨界氮濃度稀釋曲線，用于玉米氮素營養(yǎng)診斷和產(chǎn)量品質(zhì)的預(yù)測等方面，期望能解決當(dāng)?shù)厥┓使芾聿划?dāng)?shù)膯栴}[22]。筆者在閱讀了大量我國玉米作物臨界氮濃度有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)各地區(qū)稀釋曲線構(gòu)建的方法及建立的情況，并對(duì)曲線參數(shù)的影響因素進(jìn)行分析，旨在為臨界氮濃度稀釋曲線持續(xù)深入的研究提供參考依據(jù)。

1 玉米臨界氮濃度稀釋曲線研究進(jìn)展

根據(jù)前人研究，將我國玉米研究區(qū)域劃分為黃淮海平原、關(guān)中平原、西北地區(qū)和東北平原四個(gè)區(qū)域。根據(jù)建立的依據(jù)不同，將其劃分為基于植株干物質(zhì)（plant dry matter，PDM）、葉片干物質(zhì)（leaf dry matter，LDM）、葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）和莖干物質(zhì)（stem dry matter，SDM）的臨界氮濃度稀釋曲線。

1.1 玉米植株干物質(zhì)臨界氮濃度稀釋曲線的構(gòu)建

臨界氮濃度稀釋曲線建立的基礎(chǔ)是作物在完成一定時(shí)間的營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)入生殖生長時(shí)，作物體內(nèi)的臨界氮濃度隨著植株干物質(zhì)的不斷增加而呈現(xiàn)下降的趨勢[23]。依據(jù)Justes[24]和薛曉萍等[25]提出的模型構(gòu)建方法，其建模步驟大致可以分為以下4點(diǎn)。

1）對(duì)不同氮素處理下獲得的植株干物質(zhì)和對(duì)應(yīng)的植株氮濃度值進(jìn)行方差分析，分為限氮組和非限氮組。

2）將限氮組的植株干物質(zhì)和相對(duì)應(yīng)的氮濃度值進(jìn)行線性曲線擬合。

3）最大植株干物質(zhì)值為非限氮組各處理植株干物質(zhì)的平均值。

4）以植株最大干物質(zhì)為橫坐標(biāo)作垂線與線性曲線的交點(diǎn)即為臨界氮濃度值。

當(dāng)相鄰處理間的植株干物質(zhì)與對(duì)應(yīng)的氮濃度方差分析結(jié)果為不顯著時(shí)，應(yīng)采用Herrmann等[26]提出的方法，采用分段函數(shù)進(jìn)行擬合分析。

國內(nèi)外學(xué)者基于植株干物質(zhì)，針對(duì)玉米作物建立了不同地區(qū)的臨界氮濃度稀釋曲線（表1）。由表1可知，玉米a、b值的范圍分別為2.330~3.563和0.237~0.396，可以看出同一品種在不同生態(tài)區(qū)域的a、b值存在差異，不同品種在同一生態(tài)區(qū)的a、b值也表現(xiàn)出差異性。其中，在黃淮海平原建立的玉米品種鄭單958臨界氮濃度稀釋曲線的a、b值差異均很大[27-28]。這表明曲線參數(shù)a、b值可能受到試驗(yàn)?zāi)攴莺驮囼?yàn)地點(diǎn)的影響。而在同一地點(diǎn)對(duì)玉米不同品種的研究發(fā)現(xiàn)，其a、b值也存在一定的差異性。這表明玉米品種也是導(dǎo)致稀釋曲線a、b值出現(xiàn)差異的原因。前人研究認(rèn)為，曲線參數(shù)a值可能與籽粒蛋白含量、氮素利用效率和作物生長發(fā)育時(shí)間相關(guān)，尤其是與玉米拔節(jié)后的生長時(shí)間相關(guān)[33-35]。但是通過表1可知，同一品種的a值也存在較大差異，這表明環(huán)境因素和栽培措施對(duì)曲線參數(shù)a值的影響作用可能最為關(guān)鍵。蘇文楠[34]研究表明，同一品種在不同年份下，a、b值之間出現(xiàn)差異，說明其可能與試驗(yàn)地點(diǎn)和試驗(yàn)?zāi)攴萦嘘P(guān)。有研究者認(rèn)為b是統(tǒng)計(jì)性參數(shù)，受到環(huán)境因素和品種間因素的影響較小；但是由表1可知這一結(jié)論并不完全適用。因此，在分析影響曲線參數(shù)a、b值的因素時(shí)應(yīng)該綜合考慮多方面原因，同時(shí)在不同生態(tài)區(qū)針對(duì)不同玉米品種氮素營養(yǎng)的診斷應(yīng)該建立相對(duì)應(yīng)的稀釋曲線模型，以使診斷結(jié)果更加準(zhǔn)確。

表1 基于植株干物質(zhì)（PDM）的玉米臨界氮濃度稀釋曲線的構(gòu)建

1.2 玉米葉片干物質(zhì)臨界氮濃度稀釋曲線的構(gòu)建

在玉米營養(yǎng)生長階段，葉片是玉米生長的中心，玉米葉片作為功能結(jié)構(gòu)對(duì)玉米氮素的變化反應(yīng)敏感。基于氮素對(duì)玉米生長發(fā)育的重要性，玉米葉片氮濃度稀釋曲線的構(gòu)建對(duì)于氮素營養(yǎng)診斷具有重要意義，有助于更加深入了解作物氮素營養(yǎng)狀況，進(jìn)行氮素營養(yǎng)診斷。其構(gòu)建方法與植株干物質(zhì)臨界氮濃度稀釋曲線構(gòu)建方法相同。相比較而言，有關(guān)玉米葉片干物質(zhì)臨界氮濃度稀釋曲線的構(gòu)建研究較少，且研究地點(diǎn)主要集中在黃淮海地區(qū)和西北地區(qū)，目前主要的研究成果涉及小麥、水稻和棉花。由表2可知，玉米的a、b值范圍分別為2.610~3.491和0.204~0.391，在不同地區(qū)玉米的a、b值之間存在差異，這與植株干物質(zhì)的研究結(jié)果相似。在同一地區(qū)不同玉米品種間其a、b值大致相近，這可能與當(dāng)?shù)貧夂驐l件和取樣時(shí)期有關(guān)，具體原因還有待進(jìn)一步研究探索。

表2 基于葉片干物質(zhì)（LDM）的玉米臨界氮濃度稀釋曲線的構(gòu)建

1.3 玉米葉面積指數(shù)臨界氮濃度稀釋曲線的構(gòu)建

前人通過研究和構(gòu)建農(nóng)作物葉面積指數(shù)與植株干物質(zhì)之間的關(guān)系，得出了在作物生長過程中營養(yǎng)生長階段與葉面積指數(shù)之間存在較好的異速生長關(guān)系[33]。近年來，隨著遙感和葉面積儀在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用，葉面積指數(shù)和植被指數(shù)更容易獲取，是較為理想的農(nóng)學(xué)指標(biāo)。其構(gòu)建方法與基于植株干物質(zhì)的臨界氮濃度稀釋曲線構(gòu)建方法相似。由表3可知，基于葉面積指數(shù)的氮濃度稀釋曲線模型的研究較少，且研究地點(diǎn)主要集中在西北和黃淮海地區(qū)。在同一地區(qū)不同品種間a、b值差異也表現(xiàn)出不同的特性，玉米品種鄭單958和登海605的a值差異性顯著，但是b值差異不顯著；徐單20和登海605的a值差異不顯著，b值差異顯著；賈彪等[33]對(duì)玉米品種天賜19和寧單19基于葉面積指數(shù)進(jìn)行臨界氮濃度稀釋曲線構(gòu)建，結(jié)果表明不同品種a、b值之間差異不顯著。蘇文楠等[34]研究表明，不同氮素利用效率品種的a、b值存在差異，通過調(diào)查得知鄭單958為氮高效利用品種，這可能是造成a、b值存在差異的主要原因。

表3 基于葉面積指數(shù)（LAI）的玉米臨界氮濃度稀釋曲線的構(gòu)建

1.4 玉米不同器官臨界氮濃度稀釋曲線的構(gòu)建

近年來，國內(nèi)許多學(xué)者基于玉米其他器官建立了臨界氮濃度稀釋曲線，比如莖干物質(zhì)、穗干物質(zhì)和冠層圖像參數(shù)等；但是基于作物不同器官建立臨界氮濃度稀釋曲線的研究較少，且多數(shù)研究材料為小麥，今后應(yīng)加大這方面的研究力度，彌補(bǔ)不足。蘇文楠等[34]以2種不同氮素效率品種為試驗(yàn)材料，基于葉片干物質(zhì)、莖干物質(zhì)和植株干物質(zhì)構(gòu)建了不同的臨界氮濃度稀釋曲線。結(jié)果表明，基于三者構(gòu)建的氮濃度模型均能很好地對(duì)玉米進(jìn)行氮素營養(yǎng)診斷，且基于莖干物質(zhì)的臨界氮濃度稀釋曲線模型能更好地進(jìn)行氮素營養(yǎng)診斷。但是目前基于莖干物質(zhì)的研究較少，尚不足以證明基于莖干物質(zhì)建立的臨界氮濃度稀釋曲線模型優(yōu)于其他模型。應(yīng)加快基于不同生態(tài)區(qū)不同玉米品種不同器官的臨界氮濃度模型研究。

表4 基于不同器官的玉米臨界氮濃度稀釋曲線構(gòu)建

1.5 臨界氮濃度稀釋曲線影響因素分析

從同一作物不同曲線的a值來看，其差異性較大，b值的差異性相對(duì)來說較小；但是曲線參數(shù)a值大約為曲線參數(shù)b值的10倍，兩者不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，因此不能通過觀察a、b值來判斷其變化程度。賈彪等[33]基于植株干物質(zhì)構(gòu)建了玉米品種天賜19的臨界氮濃度稀釋曲線模型。趙犇等[35]基于葉干物質(zhì)和植株干物質(zhì)分別構(gòu)建了玉米品種正大12和陜單609臨界氮濃度稀釋曲線模型。蘇文楠等[34]基于葉干物質(zhì)、植株干物質(zhì)和莖干物質(zhì)構(gòu)建了玉米品種鄭單958和正大12的臨界氮濃度稀釋曲線模型，發(fā)現(xiàn)基于莖干物質(zhì)建立的氮濃度模型曲線參數(shù)b值較小。這說明與植株和葉片相比，莖的氮濃度較小，但是莖的氮濃度稀釋速率高于葉片和植株，造成這種差異的原因主要是莖葉比。付江鵬[23，36]等基于植株干物質(zhì)和葉片干物質(zhì)建立了玉米品種天賜19的氮濃度模型，結(jié)果表明基于葉片干物質(zhì)氮濃度模型的曲線參數(shù)a、b值低于植株干物質(zhì)的曲線參數(shù)值。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于葉干物質(zhì)和植株干物質(zhì)積累不同步，當(dāng)葉干物質(zhì)達(dá)到1 t/hm2時(shí)，植株干物質(zhì)早已遠(yuǎn)大于此數(shù)值，此時(shí)葉片和植株體內(nèi)的氮稀釋現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致基于葉干物質(zhì)建立的氮濃度模型a值偏低。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同氮利用效率玉米品種之間，基于葉片建立的曲線模型參數(shù)a、b值相近，而基于莖建立的模型參數(shù)，氮低效品種具有較高的a值，這可能是由于造成氮效率差異的原因來自于莖。這種規(guī)律并不適用于小麥和水稻等作物，這說明其結(jié)果可能具有偶然性，關(guān)于此方面的原因有待進(jìn)一步研究探索。

2 結(jié)論

臨界氮濃度稀釋曲線是進(jìn)行快速營養(yǎng)診斷的十分有效的指標(biāo)，但是目前已經(jīng)建立的玉米臨界氮濃度稀釋曲線具有極強(qiáng)的地域差異性，其a、b值容易受到品種、溫度、施肥時(shí)期和方法等諸多因素的影響，因此尚未建立起一套完整有效的監(jiān)測方法。此外，基于玉米不同器官構(gòu)建的臨界氮濃度稀釋曲線也不相同，進(jìn)行作物氮素營養(yǎng)診斷時(shí)的精度也存在較大差異，其結(jié)果的可靠性有待進(jìn)一步證實(shí)。因此，探究不同因子對(duì)臨界氮濃度稀釋曲線構(gòu)建的影響十分必要。利用遙感影像數(shù)據(jù)與作物臨界氮濃度稀釋曲線，能夠?qū)崟r(shí)無損獲取大面積田塊的氮素營養(yǎng)狀況，對(duì)氮肥調(diào)控具有重要的生產(chǎn)實(shí)踐意義。但還需提高遙感估測精度并探索建立作物臨界氮濃度稀釋曲線的簡便方法，以提升其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用潛力。

3 展望

3.1 玉米各器官臨界氮濃度稀釋曲線的構(gòu)建

現(xiàn)有臨界氮濃度稀釋曲線研究大多基于植株干物質(zhì)和葉片干物質(zhì)，基于其他器官的稀釋曲線很少，基于穗干物質(zhì)和根系干物質(zhì)的稀釋曲線目前還未見報(bào)道。因此，建立各器官的稀釋曲線有助于更有效地進(jìn)行氮素營養(yǎng)診斷，從而進(jìn)行合理施肥推薦與精準(zhǔn)追肥。

3.2 基于冠層參數(shù)的玉米臨界氮濃度稀釋曲線的構(gòu)建

氮素營養(yǎng)診斷，多數(shù)采用常規(guī)分析法，傳統(tǒng)的氮素營養(yǎng)診斷以破壞性取樣和實(shí)驗(yàn)室分析為主，近年來已有不少學(xué)者基于此建立了相應(yīng)的臨界氮濃度模型以進(jìn)行氮素營養(yǎng)診斷和施肥推薦，這在一定程度上改善了以往的盲目性和過量性施肥，但是其費(fèi)時(shí)費(fèi)力、時(shí)效性低和精確性低，不適宜在生產(chǎn)中對(duì)作物進(jìn)行快速有效的氮素營養(yǎng)診斷。目前，多數(shù)研究集中在適用于不同生育時(shí)期的最佳氮濃度稀釋曲線，卻忽略了各個(gè)器官之間的特異性[38]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)逐漸被運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可以利用遙感影像數(shù)據(jù)估測氮濃度與植株干物質(zhì)之間的臨界氮濃度稀釋曲線，以建立高產(chǎn)高效的氮肥施用體系。