新疆塔額盆地滴灌甜菜臨界氮濃度模型的構建與檢驗

白如霄 崔 瑜 和海秀 羅靜靜 徐 巧

（1新疆農墾科學院/農業農村部西北綠洲節水農業重點實驗室，新疆 石河子 832000；2新疆生產建設兵團第九師農業科學研究所（畜牧科學研究所），新疆 塔城 834601；3新疆農業大學資源與環境學院，新疆 烏魯木齊 830052）

適宜施氮量是作物獲得高產的前提［1］，然而實際生產中常存在過量施氮現象。這不僅會增加生產成本、浪費資源，還會導致水體富營養化、氮排放超標、環境污染等問題［2-3］。因此，科學實現作物的合理施肥一直是研究熱點。作為氮肥優化管理中的一項關鍵技術，基于氮營養診斷的作物氮素豐缺狀態評估已有較多研究，診斷方法主要包括土壤礦質氮測定法、葉綠素儀快速測定法、植株亞硝酸鹽含量測定法、數字圖像分析方法、遙感與光譜分析方法、臨界氮濃度稀釋模型［4］。上述方法的氮素診斷技術均是基于植株臨界氮濃度這一指標［5-7］。植株臨界氮濃度是指獲得作物最大生長所需的最小氮濃度［8］，可用于估算作物對氮肥的需求量，以形成合理的施肥策略［9］。自該模型提出以來，有關水稻［10］、玉米［11-12］、油菜［13］、小麥［14］、番茄［15］、馬鈴薯［16］等不同作物上的臨界氮濃度已有較多研究，且研究方向主要集中在利用植株總生物量、地上部生物量、各器官干物質重、葉面積指數、相對葉綠素含量等農學參數及冠層覆蓋度構建作物臨界氮濃度稀釋模型，結果均表明臨界氮濃度模型可以很好地實現作物氮含量監測。

新疆作為我國甜菜（Beta vulgarisL.）的種植地之一，因其優越的地理位置和充足的光熱資源，在全國甜菜糖業中占有重要地位［17］。2015年至2021年期間，新疆年甜菜糖產量占全國甜菜糖產量的37.95%～50.87%［18-19］。塔額盆地作為新疆重要的甜菜種植區，甜菜種植過程中一直存在氮肥用量過高現象［20］。研究表明，適宜的施氮量是獲得較高甜菜干物質積累、塊根產量及含糖率的前提，但當施氮量高出甜菜需求量時，會導致甜菜塊根中的雜質顯著增加、含糖量下降［1，20］。因此，合理施氮是甜菜獲得高產、高質的關鍵。但目前有關我國甜菜氮臨界濃度稀釋曲線的研究鮮有報道，僅張加康等［21］研究了內蒙古地區甜菜的臨界氮濃度稀釋模型，結果表明，相比于地上部生物量，基于植株總生物量的甜菜臨界氮濃度稀釋模型精度較高。然而臨界氮濃度稀釋模型參數受氣候、品種、區域等因素影響較大［22］。因此，本研究擬構建基于植株總生物量的新疆塔額盆地甜菜臨界氮濃度稀釋模型，以期為該地區甜菜氮肥精準管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2020—2021 年在新疆生產建設兵團第九師163團三連（46°48＇N、84°02＇E，平均海拔545 m）進行。該地屬中溫帶大陸性氣候，年均降水量398.4 mm，無霜期126～140 d。試驗地土壤質地為沙壤土，2020年0～40 cm 土層土壤中有機質含量為19.50 g·kg-1，堿解氮含量為52.03 mg·kg-1，有效磷含量為25.03 mg·kg-1，速效鉀含量為234.79 mg·kg-1，pH 值為7.1；2021 年0～40 cm土層土壤中有機質含量為19.02 g·kg-1，堿解氮含量為51.37 mg·kg-1，有效磷含量為20.14 mg·kg-1，速效鉀含量為232.81 mg·kg-1，pH值為7.3。

1.2 試驗設計

本研究以塔額墾區主推的甜菜品種Beta468（新疆華夏農業有限公司）為試驗材料，共設5個氮素處理：0（N0）、75（N75）、150（N150）、225（N225）、300（N300）kg·hm-2，氮肥為尿素（含46%純N）。每個處理6 次重復，其中3 次重復用破壞性取樣，其他3 次重復用以收獲期測產。小區面積40 m2（10 m×4 m），各小區隨機排列。播種前，每小區施入288 kg·hm-2硫酸鉀（含52% K2O）和1 500 kg·hm-2過磷酸鈣（含12% P2O5）。采用地膜覆蓋種植模式，一膜兩行，株行距為45 cm×19 cm，播種密度為11.6萬株·hm-2。2020和2021年甜菜播種期分別為4月10日（4月20日出苗）和4 月15 日（4 月24 日出苗）。施肥時間及其他田間管理措施同當地甜菜生產。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤養分含量測定 在基肥施入之前，采用五點取樣法采集0～40 cm 土層土壤，待土壤樣品在室內自然風干后，經研磨過篩，采用K2Cr2O7-H2SO4外加熱法測定有機質含量、堿解氮擴散法測定堿解氮含量、乙酸銨浸提火焰光度法測定速效鉀含量、碳酸氫鈉浸提分光光度法測定速效磷含量、雷磁pHS-3c型pH計（上海儀電科學儀器股份有限公司）測定pH值［23］。

1.3.2 甜菜干物質、氮濃度及產量測定 于甜菜苗期（V1）、塊根形成分化期（V2）、葉叢快速生長期（V3）、塊根膨大期（V4）、糖分積累期（V5）、收獲期（V6）在每小區選取長勢一致的3 株甜菜，分葉片、葉柄、塊根在烘箱中105 ℃殺青30 min，之后75 ℃烘干至恒重并稱重，記為植株干物質重。

將稱重后的葉、葉柄和塊根分別粉碎，過100 目網篩后取0.5 g 至消煮管中，通過H2SO4-H2O2聯合消煮，使用K9840自動凱氏定氮儀（上海雙旭電子有限公司）測定各器官氮含量［12］。植株氮濃度計算公式如下：

各器官氮積累量（kg·hm-2）=各器官氮含量（%）×各器官生物量（kg·hm-2）；

植株氮濃度=植株氮積累量（kg·hm-2）/植株干物質重（kg·hm-2）×100%。

其中，植株氮積累量為各器官氮積累量的總和。

于收獲期，對未破壞性取樣的3 個小區進行實收。每小區取10 m2，將所有塊根拔出，去除青頭并清洗根體后，記錄收獲數量并稱重計產。

1.3.3 臨界氮濃度稀釋曲線的建立 以2020 年試驗數據進行建模，依據Justes 等［24］提出的臨界氮濃度定義及計算方法，模型構建步驟如下：（1）根據各時期不同處理間干物質積累量的方差分析結果，將5 個氮處理分為氮限制組和非氮限制組，其中氮限制組指植株生物量隨施氮量增加而顯著增加的氮處理組，非氮限制組指增施氮肥不會顯著增加植株生物量的氮處理組。（2）將氮限制組的植株生物量與對應的植株氮濃度進行線性擬合。（3）計算非氮限制組的植株生物量均值，記為最大生物量。（4）線性方程與最大生物量交點的縱坐標即為臨界氮濃度值。

根據Lemaire 等［25］提出的臨界氮濃度稀釋曲線方程對各取樣時期的臨界氮濃度值進行擬合，方程如下：

Nc= aDM-b

式中，Nc為臨界氮濃度值（%）；DM為最大生物量（t·hm-2）；a、b 為模型參數，分別表示植株單位生物量的臨界氮濃度和控制該曲線斜率的統計參數。

1.3.4 模型檢驗 采用均方根誤差（root mean square error，RMSE）和標準化均方根誤差（normalized root mean square error，n-RMSE）驗證模型精度［24］，計算公式如下：

式中，Mi、Si分別為臨界氮濃度實測值、模擬值；n為樣本數；A 為實測值均值。根據Jamieson 等［26］的模型穩定性標準，當n-RMSE＜10%時，模型穩定性極好；10%≤n-RMSE＜20%時，模型穩定性較好；20%≤n-RMSE＜30%時，模型穩定性一般；n-RMSE≥30%時，模型穩定性較差。

1.3.5 氮營養指數 參考Lemaire 等［25］提出的氮素營養指數（nitrogen nutrition index，NNI）概念，計算公式如下：

式中，Na為植株氮濃度實測值；Nc為根據臨界氮濃度稀釋曲線計算的臨界氮濃度值。當NNI＜1 時，植株缺氮；NNI=1 時，植株體內的氮適量；NNI＞1 時，植株氮過剩。

1.3.6 相對生物量及相對產量 相對生物量指某一時期各處理的生物量與該時期最大生物量的比值；相對產量指收獲期各處理的產量與產量最大值的比值。

1.4 數據分析

采用Excel 2020 整理數據；SPSS 20.0 軟件對不同氮素處理的植株干物質重進行單因素方差分析，選擇Duncan 法進行差異顯著性檢驗（P＜0.05）；采用Origin 2020軟件進行甜菜氮素稀釋曲線擬合及相對生物量、相對產量與氮營養指數關系擬合，并繪圖。本研究以2020年試驗數據構建模型，2021年試驗數據進行模型驗證。

2 結果與分析

2.1 施氮量對甜菜生物量及植株氮濃度的影響

由表1 可知，兩年各生育期甜菜植株生物量均隨施氮量的增加而增加，當施氮量小于225 kg·hm-2時，兩年各生育期不同施氮量處理的生物量整體差異顯著，而N225和N300處理的甜菜生物量無顯著差異，說明一定范圍內增施氮肥會顯著增加甜菜生物量，但當施氮量增加到一定量后，甜菜生物量將不受氮素限制。與N0 處理相比，V1、V2、V3、V4、V5、V6 時期N225 處理的生物量分別增加了13.80%、35.05%、63.58%、83.38%、73.73%、82.55%（均為兩年均值，下同）；N300 處理的生物量則分別增加了18.59%、37.75%、62.35%、85.26%、81.52%、86.40%。

表1 施氮量對甜菜生物量的影響Table 1 Effects of N application rates on biomass of sugar beet /（t·hm-2）

由表2 可知，兩年各生育期植株氮濃度均隨施氮量的增加而增加，N0、N75、N150 處理間的植株氮濃度整體無顯著差異，N225 和N300 處理的植株氮濃度在全生育期均無顯著差異。V1、V2、V3、V4、V5、V6 時期N225 處理的植株氮濃度較N0 處理分別增加了0.81、0.50、0.32、0.26、0.13 和0.11 個百分點；N300 處理的植株氮濃度較N0 處理分別增加了0.96、0.52、0.39、0.18、0.17和0.15個百分點。各施氮量的植株氮濃度隨甜菜生育進程的推進均呈逐漸下降趨勢，說明存在氮稀釋現象。

表2 施氮量對甜菜植株氮濃度的影響Table 2 Effect of N application rates on plant nitrogen concentration of sugar beet /%

2.2 甜菜臨界氮濃度稀釋曲線的構建及其檢驗

根據表1 甜菜生物量隨施氮量增加的變化規律，分別得到氮限制組（N0、N75、N150）和非限制組（N225、N300）。以2020 年甜菜生物量和氮濃度進行擬合，得到每個生育時期的植株臨界氮濃度（圖1），結果顯示，植株臨界氮濃度隨甜菜生物量的增加而逐漸降低。根據臨界氮濃度稀釋曲線方程構建基于甜菜生物量的臨界氮濃度稀釋曲線，模型表達式為Nc=3.563DM-0.307，模型決定系數R2為0.974，達到極顯著水平，表明該模型可以用于表示甜菜生物量與植株氮濃度的關系。

圖1 基于植株生物量的甜菜臨界氮濃度稀釋模型Fig.1 Critical nitrogen concentration model of sugar beet based on plant biomass

為驗證構建的臨界氮濃度稀釋曲線模型的穩定性及可靠性，對2021年各生育時期甜菜生物量和植株氮濃度進行擬合，計算臨界氮濃度并構建臨界氮濃度稀釋曲線。將2021 年不同生育時期的最大生物量分別代入Nc=3.563DM-0.307模型和此模型，得到臨界氮濃度模擬值和真實值（表3）。模型擬合的植株臨界氮濃度R2為0.86，RMSE為0.24，n-RMSE為16.26%，模型穩定性較好，表明本研究構建的基于生物量的甜菜臨界氮濃度稀釋曲線可用于計算新疆塔額盆地甜菜臨界氮濃度。

表3 臨界氮濃度稀釋模型的驗證Table 3 Validation of critical nitrogen concentration model

2.3 不同施氮量對甜菜氮營養指數的影響

為檢驗甜菜臨界氮濃度稀釋曲線估測植株氮素盈虧水平的可行性，本研究分析了2020—2021年不同甜菜生育時期各施氮量的氮營養指數（圖2）。結果表明，兩年各生育期甜菜氮營養指數均隨施氮量的增加而增加。隨著甜菜生育進程的推進，各氮肥處理的氮營養指數呈先增加后降低再升高的趨勢。甜菜整個生育期內，N0、N75、N150處理的氮營養指數均低于1，表明植株氮濃度偏低，植株缺氮，甜菜生長受氮素限制；N225和N300處理的氮營養指數整體高于1，表明植株氮濃度過高，植株體內氮營養過剩，抑制甜菜生長。綜上，在本研究條件下，甜菜適宜施氮量在150～225 kg·hm-2之間。

圖2 不同施氮處理的植株氮營養指數動態變化Fig.2 Dynamic of nitrogen nutrition indices under different N application rates

2.4 氮營養指數與相對生物量、相對產量的關系

為具體分析不同生育時期植株氮營養指數與甜菜生長的關系，本研究分別分析了氮營養指數與甜菜相對生物量、相對產量的關系。由圖3 可知，甜菜全生育期內，植株氮營養指數與甜菜相對生物量均呈顯著正相關關系，說明氮營養指數可以有效反映甜菜生長，其中V4（塊根膨大期）和V5（糖分積累期）時期的相關性較強，方程R2分別為0.850、0.835。由圖4 可知，各生育期甜菜相對產量均隨植株氮營養指數的增加呈先增加后趨于平穩的變化趨勢，表明達到適宜氮營養指數后，繼續提高各時期的植株氮營養指數并不會增加產量。不同生育時期，植株氮營養指數與相對產量的相關性均達到顯著水平，其中在V4 和V5 時期的相關性較顯著，方程R2分別為0.941、0.936，說明V4 和V5 兩個生育時期是預測甜菜產量的最佳時期。

圖3 不同生育時期氮營養指數與相對生物量的關系Fig.3 Relationships between nitrogen nutrition indices and relative biomass at different growth stages

圖4 不同生育時期氮營養指數與相對產量的關系Fig.4 Relationships between nitrogen nutrition indices and relative yield at different growth stages

3 討論

3.1 臨界氮濃度稀釋曲線模型的適用性

自Greenwood 等［8］提出分別適用于C3、C4 植物的通用臨界氮濃度模型以來，多數學者研究發現，因不同作物的器官形態及內在生理生態機制存在差異，該模型并不能適用于所有的作物［27］。而同一作物在不同生態區、不同栽培方式下的臨界氮濃度稀釋曲線模型參數也存在差異。如安志超等［22］構建的豫中地區玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型參數（a、b 分別為30.80～35.64、0.34～0.37）高于李正鵬等［28］構建的關中地區玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型參數（a、b 分別為22.50～25.30、0.26～0.27）；王新等［27］構建的直播膜下滴灌加工番茄臨界氮濃度稀釋曲線模型參數（a、b 分別為4.35、0.27）低于Tei 等［29］構建的移栽加工番茄臨界氮濃度稀釋曲線模型參數（a、b 分別為4.53、0.33）。本研究構建的塔額盆地甜菜臨界氮濃度稀釋曲線模型參數a、b分別為3.56、0.31，明顯低于張加康等［21］構建的內蒙古地區甜菜臨界氮濃度稀釋曲線模型參數（a、b分別為4.27～6.48、0.51～0.65）。臨界氮濃度模型中的參數a 表示植株生物量為1 t·hm-2時的臨界氮濃度值，表明形成同等生物量的情況下，內蒙古地區需要較高的臨界氮濃度，而新疆塔額盆地需要的臨界氮濃度較低，究其原因，這不僅與氮素水平、土壤供氮能力、品種差異有關，還與種植方式密切相關。與內蒙古非滴灌甜菜種植相比，新疆滴灌甜菜的土壤氮素受灌水淋溶，導致該地甜菜臨界氮濃度較低。

關于品種對模型參數影響的研究，張娟娟等［14］發現氮高效型品種的臨界氮濃度稀釋曲線模型參數值均大于氮低效型品種。而呂茹潔等［10］、劉秋霞等［13］、Yao等［30］的研究發現不同品種間水稻臨界氮濃度稀釋曲線模型參數無統計差異。張加康等［21］認為基于全株生物量和植株氮濃度構建的臨界氮濃度稀釋曲線模型可以在一定程度上克服品種及地區差異。盡管本研究構建的塔額盆地甜菜臨界氮濃度稀釋曲線模型精度較高，但該模型是基于同一生態地點和單一品種構建的，且有關新疆地區甜菜的臨界氮濃度稀釋曲線模型較少，缺少足夠的模型驗證，因此，仍需其他品種、生態地區的獨立試驗數據對其進行檢驗，以進一步提高模型的普適性。

3.2 甜菜氮營養診斷及適宜施氮量

氮營養指數是植株實際氮濃度與臨界氮濃度的比值，不僅可以用于評價氮素營養狀況，還能量化作物氮脅迫強度［31-32］。基于氮營養指數確定作物適宜施氮量在玉米［11］、小麥［14］、棉花［33］、烤煙［34］、番茄［35］上已有研究，且基于氮營養指數提出的作物適宜施氮量與通過其他方法確定的合理氮肥用量基本一致。本研究基于臨界氮濃度稀釋曲線計算的不同施氮量甜菜氮營養指數值結果顯示，氮營養指數隨施氮量的增加而逐漸增加，但不同生育時期，各氮肥處理的氮營養指數變化存在差異。當施氮量為0、75、150 kg·hm-2時，甜菜全生育期內氮營養指數均低于1；而當施氮量為225、300 kg·hm-2時，植株氮營養指數在塊根形成分化期、葉叢快速生長期、收獲期均高于1，甜菜苗期、糖分積累期約等于1，塊根膨大期低于1，由此認為最佳施肥量在150～225 kg·hm-2之間，這與王娟等［36］提出的塔額盆地覆膜滴灌甜菜優質高產的氮肥推薦施用量（210 kg·hm-2）一致。相對產量與氮營養指數的相關分析表明，當相對產量為1時，苗期、塊根形成分化期、葉叢快速生長期、塊根膨大期、糖分積累期及收獲期的氮營養指數分別為0.978、1.112、1.217、0.948、1.007、1.076，說明塊根形成分化期和葉叢快速增長期需要較多的氮肥施用量以獲得高產，這與甜菜生長需肥規律一致，以上結果表明，采用基于臨界氮濃度稀釋曲線模型計算的氮營養指數來評價甜菜氮營養狀況是可靠的。

4 結論

本研究構建的甜菜臨界氮濃度稀釋曲線Nc=3.563DM-0.307的決定系數為0.974、模型穩定性高，可作為新疆塔額盆地區域滴灌覆膜甜菜植株總生物量和氮濃度之間的關系模型，較好地預測甜菜臨界氮濃度，評估甜菜不同生育時期的植株氮營養狀況。依據氮營養指數構建的相對生物量和相對產量預測模型能準確解釋氮素限制和非氮素限制條件下的相對生物量及相關產量變化，尤其是塊根膨大期和糖分積累期的關系較為密切和穩定。根據本研究建立的氮營養指數模型，得到該地區最佳施氮量為150～225 kg·hm-2。