內蒙古中西部玉米臨界氮濃度稀釋模型的構建與驗證

張煒健，高 宇，唐彧哲，張賀景，楊海波，閆 東，李 斐*

（1 內蒙古農業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院 / 內蒙古自治區(qū)土壤質量與養(yǎng)分資源重點實驗室，內蒙古呼和浩特 010018；2 內蒙古自治區(qū)農牧業(yè)技術推廣中心，內蒙古呼和浩特 010010）

氮是玉米生長發(fā)育所需的關鍵營養(yǎng)元素，同時是玉米產(chǎn)量的主要限制因素[1]。農民常過量施用氮肥來保證玉米產(chǎn)量，不僅降低了氮肥的增產(chǎn)效果，增加了種植成本，還帶來水體、空氣污染和土壤酸化等一系列負面影響[2–4]。建立簡便快速的作物氮素營養(yǎng)診斷方法，有助于確定玉米的最佳氮肥用量，適應水肥一體化技術的多次施肥需求[5]。

作物不同生育時期的臨界氮濃度 (Nc)是作物氮素營養(yǎng)診斷的基礎，此概念最早由Greenwood等[6]提出，定義為作物最大生長時所需的最低氮濃度。作物氮含量與作物干物質遵循異速生長的原則，其函數(shù)表達為 Nc=a·DM–b，DM為干物質量。由該方程可以看出，含氮量隨著干物質的積累呈下降趨勢，即呈現(xiàn)稀釋過程。然而，作物冠層含氮量的稀釋是不均勻的，隨著作物生長，冠層結構發(fā)生變化，不同層次的冠層光衰減不一致，致使氮含量的稀釋不均勻[7]。此外，隨著生物量的增加，葉面積增加，葉片氮濃度普遍下降，結構組織和貯藏組織比例更大[8]。20世紀90年代開始，國內外諸多學者在多種作物上嘗試了構建用于描述干物質與氮濃度關系的臨界氮濃度稀釋曲線，包括小麥[9–10]、水稻[11]、馬鈴薯[12–14]、玉米[15–16]等作物，并驗證了曲線的可靠性。國內學者在中國西南[17]、東北平原[18]、華北平原[19–21]、河南[22]和寧夏平原[23]以及陜西關中地區(qū)[24–27]分別建立了適應該地區(qū)的玉米模型，并對模型的參數(shù)進行了校正。玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型參數(shù)a、b值的變化范圍分別在2.25～3.65和0.23～0.48，這說明臨界氮濃度稀釋曲線模型因基因型、環(huán)境、田間管理模式的不同而存在差異[28]，這很大程度上限制了臨界氮濃度稀釋模型的普適性。Yao等[5]在小麥臨界氮稀釋曲線參數(shù)不確定性分析中，提出營養(yǎng)生長期最大氮濃度、最大生物量和累積生長度日數(shù)等與品種和生長環(huán)境相關的變量，是臨界氮稀釋曲線參數(shù)差異的主要來源。因此，對臨界氮濃度稀釋曲線及其參數(shù)進行穩(wěn)健的估計以保證其可靠性顯得尤為重要[28]。

臨界氮濃度稀釋模型應用到不同生態(tài)氣候區(qū)域和作物品種時需要同步校正模型參數(shù)[29]。針對不同區(qū)域不同品種的氮素營養(yǎng)診斷，也需建立相應的臨界氮濃度稀釋曲線才能發(fā)揮更好的診斷效果[30]。內蒙古中西部地處黃河自引灌區(qū)，是中國3個特大型灌區(qū)之一，地理區(qū)位優(yōu)勢和水文條件獨特，同時也是我國重要的農業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)、加工、輸出和商品糧、油基地[31]。隨著農業(yè)生產(chǎn)走上高投入高產(chǎn)出道路，農民習慣在玉米種植時大量投入氮肥以保證其達到較高產(chǎn)量水平，作物吸收與肥料投入比例失衡，結合多年采用大水漫灌模式，難以實現(xiàn)水肥一體化技術。為了保障玉米優(yōu)質高產(chǎn)，準確評估玉米氮素營養(yǎng)狀況，我們以當?shù)刂饕耘嗥贩N為試驗對象，建立了內蒙古中西部地區(qū)的玉米臨界氮濃度稀釋曲線，并對該曲線的可靠性進行驗證和評價，以期為內蒙古中西部地區(qū)春玉米氮素營養(yǎng)診斷和氮肥精準管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于內蒙古中西部地區(qū)的五原縣、烏拉特前旗和達拉特旗，是內蒙古重要的玉米種植產(chǎn)區(qū)。氣候類型為溫帶大陸性氣候，年平均氣溫在5.6℃～7.4℃，無霜期130～150天，海拔為900～1200 m，歷年平均降雨量150～250 mm，雨熱同季，且集中在6—9月。

1.2 試驗設計

田間定位試驗于2019—2021年4—10月在內蒙古中西部進行，包括建模試驗與驗證試驗。

建模試驗分別在巴彥淖爾市五原縣和烏拉特前旗進行了3年，在鄂爾多斯市達拉特旗進行了1年(2021)，五原縣試驗有黃灌(引黃河水灌溉)和滴灌兩個，烏拉特前旗為黃灌試驗，達拉特旗為滴灌試驗。試驗設置6個氮肥處理，不施氮肥對照 (CK)；推薦施氮量優(yōu)化處理 N 180 kg/hm2(OPT)；以及 70%OPT、130% OPT、170% OPT，傳統(tǒng)施氮量 N 400 kg/hm2(CON)。所有處理均施 P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，作為基肥一次性施入，每個處理4次重復，完全隨機區(qū)組排列。黃灌試驗氮肥分基施和追施，基追比為3∶7，追施在大喇叭口期 (V12)進行。滴灌試驗氮肥分4次施用，追施在拔節(jié)期 (V6)、大喇叭口期 (V12)、乳熟期 (R3)進行，基追比為3∶3∶3∶1。五原縣3年內主栽玉米品種依次為新玉12、晉單42、先玉1225，烏拉特前旗3年主栽品種依次為澤玉19、宏育203、晉單542，達拉特旗主栽品種為東農258。3個試驗點的小區(qū)面積分別為65 m2(長 10 m，寬6.5 m)、55 m2(長 10 m，寬 5.5 m)、70 m2(長 10 m，寬 7 m)。驗證試驗于 2021 年在內蒙古達拉特旗昭君鎮(zhèn)進行，供試品種為東農258。試驗分為推薦施氮示范田和傳統(tǒng)習慣生產(chǎn)田塊。推薦施氮示范田施氮量為N 285 kg/hm2，傳統(tǒng)習慣種植田氮肥施用量為 N 400 kg/ hm2。玉米四月下旬播種，九月下旬收獲，行距60 cm，株距22 cm，種植密度均為75000 株/hm2，其他田間管理措施均按照當?shù)剞r事習慣進行。

1.3 田間取樣與指標測定

2019、2020年，五原縣與烏拉特前旗分別于玉米拔節(jié)期 (V6)、十葉期(V10)、大喇叭口期 (V12)、乳熟期 (R3)進行取樣，2021年分別于玉米拔節(jié)期(V6)、八葉期(V8)、大喇叭口期 (V12)、吐絲期(R1)、乳熟期 (R3)、蠟熟期 (R5)進行取樣，每個小區(qū)選取長勢均勻并具有代表性的3株，整個生育時期品種新玉12、晉單42、先玉1225、澤玉19、宏育203、晉單542和東農258的樣本采集數(shù)量 (n)分別為144、144、240、72、72、120、120個。將各生育時期的植株樣品在105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重后稱重，然后粉碎并混勻，裝入信封袋中備用。植株氮濃度測定采用H2SO4–H2O2消煮法，凱氏定氮儀測定植株的全氮含量。

玉米成熟期取各小區(qū)中間2.4 m2，測定單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，并以含水量14%計算各小區(qū)籽粒產(chǎn)量，各品種產(chǎn)量水平為10.60～12.72 t/hm2。

1.4 臨界氮稀釋模型與氮營養(yǎng)指數(shù)的構建

植株生物量最大時所需最小植株氮濃度為臨界氮濃度，根據(jù)1990年Greenwood等[6]提出的臨界氮濃度稀釋理論，依據(jù)本課題組在構建陰山北麓馬鈴薯臨界氮濃度稀釋曲線中的思路[13]，本研究建模步驟為：首先選取不同氮處理下的玉米植株生物量進行方差分析，判斷作物生長是否受到氮素制約，將其分為受到氮素脅迫與不受氮素脅迫兩類，之后將玉米地上部生物量受到氮素脅迫的一類與其對應的玉米冠層氮素濃度進行函數(shù)擬合，最后將以不受氮素脅迫一類的地上部生物量平均值作為最大地上部生物量代入上述函數(shù)，得出臨界氮濃度值。基于臨界氮稀釋理論與基本建模思路建立玉米臨界氮濃度稀釋曲線，其模型表達式為：Nc=a×DM–b，式中Nc為玉米植株臨界氮濃度 (%)，DM為植株地上部生物量 (t/hm2)，模型參數(shù)a為植株地上部生物量達到1 t時的植株氮濃度，模型參數(shù)b為稀釋系數(shù) (曲線斜率)[15]。

Lemaire等[32]提出了氮營養(yǎng)指數(shù) (NNI)的概念，其模型表達式為：NNI=Na/Nc，式中Na為植株氮含量實測值，Nc為根據(jù)臨界氮濃度稀釋曲線得出的臨界氮濃度值。NNI可以定量的反映作物體內氮素營養(yǎng)狀況，當NNI>1，表明作物植株內氮素營養(yǎng)水平較高；若NNI=1，表明作物植株內氮素營養(yǎng)水平恰好適中；如NNI<1，則表明作物植株內氮素營養(yǎng)水平偏低。

1.5 數(shù)據(jù)計算

采用 EXCEL 2010 和 IBM SPSS 22 數(shù)據(jù)處理軟件進行試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，所有試驗數(shù)據(jù)用SigmaPlot 12.5進行制圖，地上部生物量采用單因素最小顯著差異法 (LSD)進行方差分析[27]，采用均方根誤差RMSE和標準化均方根誤差n-RMSE對模型進行驗證[33]。

2 結果與分析

2.1 臨界氮濃度稀釋曲線的建立

由表1可知，在同一時期中，隨著施氮量的增加，玉米地上部生物量顯著增加。從整個生育時期來看，與CK相比，70% OPT、OPT、130% OPT、170% OPT和CON地上部生物量顯著增加，170%OPT和CON之間差異不顯著，說明地上部生物量不會隨著施氮量的增加持續(xù)顯著上升。對玉米地上部生物量進行方差分析，將地上部生物量增加顯著的視為受到氮素限制的一組，沒有顯著增加的視為不受氮素限制組。以不受氮素限制組的地上部生物量的平均值為最大地上部生物量，計算得出7個玉米品種每個生育時期的臨界氮濃度，7個玉米品種的臨界氮濃度稀釋曲線進行對比 (圖1和圖2a)，參數(shù)a的變化范圍為3.09～3.99，參數(shù)b的變化范圍為0.25～0.40，說明品種是影響臨界氮濃度稀釋模型參數(shù)的因素之一。之后對局部區(qū)域的臨界點進行函數(shù)擬合，得到內蒙古中西部3個局部區(qū)域的臨界氮稀釋曲線，擬合結果為：達拉特旗Nc=3.09DM–0.32(圖 2a)，五原縣 Nc=3.30DM–0.28(圖 2b)和烏拉特前旗 Nc=3.58DM–0.35(圖 2c)，決定系數(shù)分別為 0.98、0.82、0.88，擬合結果均達到了顯著水平，參數(shù)a的范圍減小至3.09～3.58，參數(shù)b的范圍減小至0.28～0.35，表明區(qū)域臨界氮濃度稀釋曲線很好克服了玉米品種帶來的差異。

圖1 不同品種玉米臨界氮濃度稀釋曲線Fig.1 Critical nitrogen dilution curve for different cultivars of maize

圖2 局部區(qū)域臨界氮稀釋曲線Fig.2 Local area critical nitrogen dilution curve

表1 不同處理各生育時期地上部生物量(t/hm2)Table 1 Biomass in above-ground part of maize at different growing periods under different treatments

為了使玉米臨界氮濃度稀釋曲線更具有普適性和實際生產(chǎn)的應用價值，將3個典型區(qū)域的臨界氮濃度稀釋曲線同時進行對比，發(fā)現(xiàn)相同區(qū)域氣候下，不同品種具有相同范疇的產(chǎn)量水平，產(chǎn)量作為局部地區(qū)氣候、品種和田間管理因素的綜合反映，可作為具有真實代表性的綜合指標。將3個典型區(qū)域7個品種的臨界氮濃度數(shù)據(jù)進一步擬合建立的綜合臨界氮濃度稀釋曲線數(shù)學表達式為Nc=3.32DM–0.305，模型的決定系數(shù)為0.89，達到顯著水平，說明模型的擬合度很高 (圖3)。同時，也說明同區(qū)域不同品種只要具有相同范疇的產(chǎn)量即可共用一條臨界氮濃度稀釋曲線。

圖3 玉米臨界氮濃度稀釋曲線Fig.3 Maize critical nitrogen dilution curve

2.2 臨界氮濃度稀釋曲線的驗證

從圖4可以看出，傳統(tǒng)習慣生產(chǎn)田(農民田塊)由于施肥量較高，氮營養(yǎng)指數(shù) (NNI)值多數(shù)處于1.1以上，氮處于營養(yǎng)過剩狀態(tài)，推薦施氮示范田NNI值大多處于0.95～1.05，氮素營養(yǎng)水平恰好適中。為了增加模型的可靠性，將2021年達拉特旗推薦施氮示范田玉米地上部生物量代入模型計算得到臨界氮濃度，后與同時期農戶傳統(tǒng)種植區(qū)實測值進行比較，均方根誤差RMSE為2.39 g/kg，標準化均方根誤差n-RMSE為13.05%，處于10%～20%，說明模型穩(wěn)定性較好。通過推薦施氮示范田與試驗田周圍的農民傳統(tǒng)習慣種植田塊數(shù)據(jù)驗證結果表明，內蒙古中西部臨界氮濃度稀釋曲線可以用于氮素營養(yǎng)診斷。

圖4 氮營養(yǎng)指數(shù)對玉米臨界稀釋曲線模型的驗證Fig.4 Validation of the critical dilution curve model of maize by nitrogen nutrient index (NNI)

2.3 基于玉米臨界氮濃度稀釋曲線的玉米氮素營養(yǎng)診斷

根據(jù)臨界氮濃度稀釋模型計算的NNI值可以把作物體內氮素營養(yǎng)狀況分為以下3種情況，當NNI>1，表明數(shù)據(jù)點處于曲線位置以上，作物植株內氮素盈余；當NNI<1，表明數(shù)據(jù)點處于曲線下方，作物植株內氮素偏低，影響作物的正常生長；若NNI=1，表明數(shù)據(jù)點在曲線附近波動，作物植株體內氮素營養(yǎng)水平恰好適中。以內蒙古中西部地區(qū)玉米共用臨界氮稀釋曲線為基礎，計算相應的氮營養(yǎng)指數(shù)，以此對玉米氮素營養(yǎng)進行診斷。從達拉特旗、烏拉特前旗、五原縣3個局部區(qū)域玉米氮素營養(yǎng)指數(shù)診斷結果(圖5)可以看出，達拉特旗、烏拉特前旗、五原縣NNI值在取樣期內的變化范圍分別為0.42～1.23、0.46～1.35和0.41～1.42。為診斷結果可以提供合理的施肥量決策范圍，根據(jù)NNI值分布特征，將處理簡化為3組，分別為 NOPT (170% OPT、CON)、N≈OPT (OPT、130% OPT)。整體來看，NOPT的處理，NNI值多數(shù)大于1，說明氮肥供給過量；對于OPT和130% OPT處理，NNI值在1附近波動，除在拔節(jié)期時處于氮營養(yǎng)狀況不良之外，其余關鍵生育時期均處于氮營養(yǎng)適宜狀況，說明OPT至 130% OPT施氮量為內蒙古中西部玉米最佳施氮量。因此，結合本研究結果及氮平衡理論可推薦內蒙古中西部玉米合理施氮量為N 180～220 kg/hm2。

圖5 基于氮營養(yǎng)指數(shù)的玉米氮素營養(yǎng)診斷Fig.5 Maize nitrogen diagnosis based on nitrogen nutrient index (NNI)

3 討論

內蒙古中西部是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，玉米是該地區(qū)主要糧食作物之一。玉米在農民傳統(tǒng)種植過程中普遍存在氮肥施用過量和利用效率低的問題，違背了綠色發(fā)展的要求。因此，建立適用于農學研究方法診斷作物的氮素營養(yǎng)狀況的玉米臨界氮濃度稀釋曲線至關重要[23]。近年來，許多學者對臨界稀釋模型參數(shù)本地化進行了深入的研究[24–27]。Liang等[19]在華北平原分別構建了鄭單958 (Nc=3.491DM–0.413)，先玉 335 (Nc=3.354DM–0.404)和浚單 20 (Nc=3.326 DM–0.398) 3個品種的夏玉米臨界氮濃度稀釋曲線，而且進一步的研究發(fā)現(xiàn)，不同品種間可以用一條曲線代替 (Nc=3.339DM–0.396)。同樣，李正鵬等[24]與蘇文楠等[27]在關中地區(qū)也建立了適用于不同夏玉米的臨界氮濃度稀釋曲線模型。該現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在Li等[18]和盧憲菊等[34]構建的東北地區(qū)春玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型中。此外，在馬鈴薯和甜菜的研究中也表明，同一地區(qū)不同馬鈴薯和甜菜在構建臨界氮濃度稀釋曲線時可以克服品種之間的差異[13,35]。本研究結果與前人研究結果一致，在內蒙古中西部地區(qū)，不同玉米品種的玉米臨界氮濃度稀釋曲線可以共用。這為區(qū)域性氮素營養(yǎng)診斷及推薦施肥奠定了基礎。

總結前人和本研究結果可以看出，不同研究者提出的臨界氮濃度稀釋曲線有相似性，也有差異(圖6)。我們猜想導致這種差異得很可能是因為區(qū)域間的氣候條件不同，玉米的生長周期有長有短，進而導致了玉米生物量的差異，最終影響了玉米生長過程中的稀釋作用強度。而對于相似氣候條件下的區(qū)域，如果品種間的產(chǎn)量差異不明顯，稀釋作用的效果也是相似的，此時稀釋曲線可以克服品種之間的差異。因為分析前人和本研究提出的共用臨界氮濃度稀釋曲線發(fā)現(xiàn)，在相同氣候區(qū)域，不同品種之間的產(chǎn)量差異并不明顯，比如本研究中內蒙古中西部玉米產(chǎn)量在10.6～12.72 t/hm2，陜西關中地區(qū)玉米產(chǎn)量在7.5～10.73 t/hm2。對比本研究中內蒙古中西部玉米臨界氮濃度稀釋曲線和付江鵬等[23]寧夏引黃灌區(qū)的玉米臨界氮濃度稀釋曲線 (Nc=3.55DM–0.312)可以發(fā)現(xiàn)，稀釋曲線模型參數(shù)a和b十分接近。而兩地氣候條件和產(chǎn)量水平相近，均屬于干旱和半干旱溫帶大陸性季風氣候，雨熱同期，降水量較少，玉米生長周期在140～150天左右，產(chǎn)量在10.60～12.72 t/hm2[36]。這進一步證明相同氣候條件下，當不同品種玉米的產(chǎn)量差異不大時，可以用一條臨界氮濃度稀釋曲線去判斷不同品種玉米的氮素營養(yǎng)狀況。此外，還應注意的是，劉朋召等[25]和銀敏華等[26]在渭北地區(qū)構建的玉米臨界氮濃度稀釋曲線，與李正鵬等[24]和蘇文楠等[27]在關中地區(qū)建立的玉米臨界氮濃度稀釋曲線有很大差異 (同屬陜西地區(qū))，從圖6中的數(shù)據(jù)可以看出，這與較大的生物量和產(chǎn)量的差異有關。liang等[19]和Yue等[21]在華北平原建立的夏玉米臨界氮濃度稀釋曲線也證明了產(chǎn)量對稀釋曲線的影響，雖然二者的研究在相同的區(qū)域范圍，但由于二者研究的玉米產(chǎn)量差異較大，導致生育過程中稀釋效應不同，最終導致不同玉米品種不能共用一條臨界氮濃度稀釋曲線。由此可以看出，同一地區(qū)不同玉米品種的臨界氮濃度稀釋曲線是否能夠共用與不同玉米品種的產(chǎn)量水平有關，產(chǎn)量水平相近的品種可以共用一條臨界氮濃度稀釋曲線。相反，具有明顯產(chǎn)量差異的品種無法建立可靠的共用臨界氮濃度稀釋曲線。對于不同的氣候區(qū)，臨界氮濃度稀釋曲線很難跨越氣候差異。比如，華北地區(qū)屬濕潤和半濕潤暖溫帶大陸性季風氣候，冬季嚴寒夏季炎熱，該區(qū)域夏玉米生長期較短，約110天左右，較短生育期內不同品種的產(chǎn)量較低 (5.1 t/hm2左右)[21]。Yue等[21]在華北平原建立的玉米臨界氮濃度稀釋曲線(Nc=2.72DM–0.27)與本研究相比，模型參數(shù)a和b差異較大。同樣，學者們在東北地區(qū)提出的玉米臨界氮濃度稀釋曲線 (Nc=3.65DM–0.48，Nc=3.548 DM–0.422)[17,36]與西北地區(qū)和華北地區(qū)也有很大差異。這些研究表明同時跨越氣候條件和產(chǎn)量差異的臨界氮濃度稀釋曲線用目前的方法是很難構建的。

圖6 不同地區(qū)、品種、氣候下的玉米臨界氮濃度稀釋曲線Fig.6 Critical nitrogen dilution curves of maize with different regions, varieties and climatic composition

通過目前研究發(fā)現(xiàn)，已建立的玉米臨界氮濃度稀釋曲線具有較強的差異性，很大程度上限制了臨界氮濃度稀釋曲線在更多場景中的應用。本研究結果的潛在價值在于，在不同環(huán)境、品種、田間管理模式的組合中，能夠使臨界氮濃度稀釋曲線通過產(chǎn)量劃分應用到更多不同場景組合當中，這為同一區(qū)域不同產(chǎn)量水平條件下的臨界氮濃度稀釋曲線構建提供了新的見解。但是跨越區(qū)域和較大產(chǎn)量差異的臨界氮濃度稀釋曲線如何構建還需進一步研究。

4 結論

同一區(qū)域，產(chǎn)量水平接近的玉米品種可以共用一條臨界氮濃度稀釋曲線。內蒙古中西部玉米產(chǎn)量在10.60～12.72 t/hm2，構建的內蒙古中西部地區(qū)春玉米臨界氮濃度稀釋曲線為Nc=3.32DM–0.305，模型驗證表明，該模型穩(wěn)定性較好，可以有效地對內蒙古中西部玉米植株氮素營養(yǎng)狀況進行診斷。通過模型推斷，內蒙古中西部玉米合理施氮量為N 180～220 kg/hm2。