水氮耦合条件下冬小麦生长和氮素营养诊断

武 荣，李援农

(1. 杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；2. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

氮是作物生长需求量最大的营养元素，合理的氮肥运筹是调控土壤—作物系统氮素循环和平衡的有效措施，也是提高农业生态系统生产力的重要途径[1,2]。然而，在农业生产实践中，盲目、不合理的施肥现象普遍存在，不仅造成资源的严重浪费，而且会导致土壤硝态氮淋溶、地下水污染等一系列环境问题[3]。前人在植株氮素营养诊断方面做了大量研究，主要包括叶绿素含量、根区养分监测和遥感技术等，但在应用中均受到了一定的限制[4]。临界氮浓度，即在作物一定生长时期内，获得最大生物量时的最小氮浓度，是作物氮素营养诊断的有效方法[5]。在小麦的研究中，赵犇等[6]基于地上部生物量，构建了2种不同蛋白含量的小麦品种的临界氮浓度模型。强生才等[5]基于叶片干物质构建了陕西关中地区的临界氮浓度模型。李正鹏等[7]通过整合关中平原的相关田间试验研究，构建了该区主栽品种“小偃22号”的临界氮浓度模型。

在干旱半干旱地区，降水量少且分布不均匀，水资源短缺是制约该区农业发展的瓶颈。垄沟集雨栽培技术可有效调控土壤水、肥、气、热，是干旱半干旱地区实现农业旱涝保收的一项重要田间技术[8]。它通过修筑垄沟、垄体覆膜、沟内种植，可实现降水在时空上的有效叠加[9]，且能减少氮素下移和土壤水深层渗漏[10]。然而，通过集雨措施收集的天然降水十分有限，往往不能完全满足作物生育期或作物生长关键期对水分的需求。在集雨的同时，于作物需水关键期适当补充灌溉，可大幅度提高作物产量和降水、灌溉水利用效率，有利于农业的可持续发展[11]。

水和肥是作物生长的两大物质基础，水肥之间互为促进，不可分割。前人基于临界氮浓度稀释曲线进行植株氮素营养诊断大多是针对氮肥处理的单一因素，前人关于集雨补灌对作物生理生态的研究也主要涉及不同的集雨模式、补灌量和补灌时期等方面。而将临界氮浓度用于水氮耦合的相关研究尚未引起足够重视。鉴于此，本研究以冬小麦为研究对象，通过2年田间试验，对比研究补充灌溉和雨养条件下，不同施氮水平的植株氮素盈亏和水氮利用效率，旨在探究临界氮浓度稀释曲线在水氮耦合研究中的适用性和可行性，以期为冬小麦的灌水施肥管理和水肥一体化提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年10月-2017年6月，在西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室试验站进行。该区年均气温12.9 ℃，多年平均降水量632 mm，无霜期210 d。试验田土壤为中壤土，1 m土层平均田间持水率23%～25%，凋萎含水率8.5%，平均干容重1.40 g/cm3。耕层土壤基础肥力为：有机质11.18 g/kg，全氮0.94 g/kg，全磷0.60 g/kg，全钾14.10 g/kg；硝态氮76.01 mg/kg，速效磷25.22 mg/kg，速效钾131.97 mg/kg。2015-2016和2016-2017年冬小麦生长季的降水量分别为273.1 mm和239.4 mm，平均气温分别为8.1 ℃和8.8 ℃(图1)。

图1 试验站2015-2016年和2016-2017年冬小麦生育期内降水量和平均气温

1.2 试验设计

试验用冬小麦品种为小偃22号，采用垄沟种植技术，垄、沟宽均为30 cm，垄高20 cm。垄上覆膜(膜宽80 cm、膜厚0.008 mm)，沟内种植。试验处理设置水分(W)和氮肥(N)2个因素，其中施氮量(纯N，尿素、N质量分数46%)设低氮(80 kg/hm2，N1)、中氮(160 kg/hm2，N2)和高氮(240 kg/hm2，N3)3个水平；水分设拔节期、抽穗期分别补灌30 mm(W1)和不补灌(W0)2个水平。采用完全随机区组设计，共计6个处理，即W0N1、W0N2、W0N3、W1N1、W1N2和W1N3，每个处理重复3次。小区面积为20 m2(4 m×5 m)，小区边缘埋有2 m深塑料膜以防止小区间水分互渗。

1.3 田间管理

于播种前挖沟起垄，沟内种植3行小麦，播种量为190 kg/hm2。氮肥基追比为2∶3。基施氮肥、磷肥(过磷酸钙，P2O5质量分数16%)120 kg/hm2(纯P2O5)和钾肥(硫酸钾，K2O质量分数50%)60 kg/hm2(纯K2O)于翻地前均匀撒施，追施氮肥在冬小麦拔节期进行。2016年冬小麦播种前持续无降水，为保证出苗质量，每个小区灌水30 mm。其他管理措施同一般高产田。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 地上部生物量

分别于冬小麦返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期(分别为播种后130、155、175、195和215 d，返青期之前地上部生物量小于1 t/hm2，故未包含)，在各小区选取20株有代表性的植株，分别称量茎、叶和果的鲜重，并于105 ℃杀青30 min，75 ℃干燥至质量恒定后称干重。

1.4.2 含氮量测定

各处理的植株样本分器官粉碎后，采用H2SO4-H2O2消煮法和AA3型流动分析仪分别测定全氮含量。各器官氮素含量为其干物质量和含氮量的乘积。所有器官氮素含量之和为地上部植株氮累积量[2]。

1.4.3 产 量

冬小麦成熟后，将各小区提前划定的1 m2测产区单独收获，晒干去壳后测定籽粒产量。

1.4.4 水氮利用效率

冬小麦生育期内耗水量计算式为：

ET=P+I+ΔW

(1)

式中：ET为冬小麦生育期内耗水量，mm；P为冬小麦生育期内降水量，mm；I为灌水量，mm；ΔW为播种前和收获后土壤贮水量之差(2 m深度)。

水分利用效率计算式为：

WUE=Y/(10ET)

(2)

式中:WUE为水分利用效率，kg/m3；Y为冬小麦籽粒产量，kg/hm2。

氮肥利用效率计算式为：

NUE=Y/N

(3)

式中：NUE为氮肥利用效率，kg/kg；N为施氮量，kg/hm2。

1.5 模型描述

1.5.1 临界氮浓度稀释曲线的构建

根据Justes等[4]提出的方法构建基于地上部生物量的冬小麦临界氮浓度稀释曲线。具体步骤如下：①对每次取样的地上部生物量进行方差分析，根据冬小麦生长是否受氮素限制分为氮限制组(即增加施氮量会显著提高生物量累积)和不受氮限制组(即继续增加施氮量不会提高生物量累积)；②对于氮限制组，将其地上部生物量和对应的氮浓度进行线性拟合；③对于不受氮限制组，将其地上部生物量的平均值作为生物量的最大值；④每次取样的临界氮浓度由上述线性曲线和以最大生物量为横坐标的垂线交点的纵坐标决定。计算公式为：

Nc=aW-bmax

(4)

式中：Nc为临界氮浓度值，%；a为当冬小麦地上部生物量达到1 t/hm2时的临界氮浓度，g/kg；Wmax为冬小麦地上部生物量的最大值，t/hm2；b为临界氮浓度稀释曲线斜率的统计学参数。

1.5.2 氮营养指数模型

利用氮营养指数反映植株体内的氮素营养状况，公式为：

NNI=Na/Nc

(5)

式中：NNI为氮营养指数；Na为地上部生物量氮浓度的实测值，%。

当NNI=1，表示氮营养状况适宜；当NNI>1，表示氮营养过剩；当NNI<1时，表示氮营养亏缺。

1.5.3 临界氮浓度稀释曲线的验证

利用2015-2016年冬小麦试验数据建立临界氮浓度稀释曲线模型，利用2016-2017年冬小麦试验数据对模型进行验证。

1.6 数据分析

分别采用Excel 2010和DPS 7.05进行数据整理与统计分析，方差分析使用最小显著差异法(LSD)进行(P<0.05)，使用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理下冬小麦的地上部生物量累积

表1为5个关键生育期不同水氮条件下冬小麦的地上部生物量动态累积。由表1分析可知，不同水氮处理和取样时期，冬小麦地上部生物量的变化范围为1.03～13.84 t/hm2。在返青期，3种施氮量处理的冬小麦生物量由大到小表现为：高氮、中氮和低氮；而2种水分处理的冬小麦生物量差异不显著。在拔节期和抽雄期，随着各处理追施氮肥和W1处理补充灌溉，3种施氮量处理的地上部生物量表现为低氮处理显著低于中氮和高氮处理，而中氮和高氮处理间差异不显著；2种水分处理的生物量表现为补灌处理显著高于不补灌处理。在灌浆期，W1N2处理的地上部生物量分别较W1N1和W0N2处理提高10.51%和20.00%。在成熟期，W1N2处理的生物量分别较W1N1和W0N2处理进一步提高，分别为17.05%和23.37%。可见，一定范围内提高施氮量可促进冬小麦生长，而施氮过量则无法被植株充分吸收，会造成氮肥供过于求；一定施氮水平下，适当补充灌溉有利于植株的氮素吸收和生物量累积。

表1 不同水氮处理的冬小麦地上部生物量累积 t/hm2

2.2 临界氮浓度稀释曲线的建立和氮素营养诊断

2.2.1 临界氮浓度稀释曲线

按照1.5.1部分的步骤，构建2种水分条件下的冬小麦地上部临界氮浓度稀释曲线模型如图2所示。由图2分析可知，2种水分处理的拟合方程系数分别为0.998和0.989，拟合度均达到极显著水平，说明模型可以很好地解释冬小麦地上部生物量和临界氮浓度之间的关系。2个模型中，W0条件下的参数值a为4.73，小于W1条件下的参数值(4.85)，说明在冬小麦生育期内适当补充灌溉可提高植株的吸氮能力，因此具有较高的临界氮浓度；而在雨养条件下，阶段性缺水，尤其是冬小麦关键生育期缺水，会制约植株生长、减少对氮素的吸收利用，从而降低需氮量和临界氮浓度。参数值b表现为不补灌处理(W0，0.45)大于补灌处理(W1,0.40)，即补灌条件下，随生物量增加，冬小麦氮浓度的稀释较雨养条件缓慢。这表明补充灌水有助于维持冬小麦的持续稳定生长。

图2 不同水氮处理下冬小麦的临界氮浓度稀释曲线模型

2.2.2 氮营养指数模型

图3为不同水氮处理下冬小麦氮营养指数随播种后天数的动态变化。由图3分析可知，各处理的氮营养指数变化趋势一致，均呈一定的波动状态，且随施氮水平的提高而增大。在同一播种后日期和同一施氮水平条件下，补灌处理的植株氮营养指数低于不灌水处理。说明施氮水平一定时，补灌较不补灌可提高植株的氮容纳能力。

图3 不同水氮处理下冬小麦的氮营养指数动态变化

在W0条件下，N1处理的氮营养指数范围为0.73～0.87，始终小于1，表现为氮营养亏缺；N2处理拔节期追肥后氮营养指数略有所提高，氮营养指数整体表现为前期大于1，后期小于1，表明适宜的施氮量应为160 kg/hm2左右；N3处理的氮营养指数始终大于1，区间为1.16～1.35，表现为氮营养严重过剩。

与W0相比，W1条件下，N1处理的氮营养指数较小，为0.68～0.81，氮亏缺较为严重；N2处理后期的氮营养指数与1的差异有所提高；而N3处理的氮营养指数与1的差异减小。可见，W1条件下的适宜施氮量高于W0。

2.2.3 临界氮浓度稀释曲线模型的验证

利用独立试验数据(2016—2017年生长季)对构建的临界氮浓度稀释曲线模型(2015-2016年生长季)进行验证(表2)。2016-2017年生长季，2种水分条件下，返青期到成熟期冬小麦地上部最大生物量分别为1.51～11.82和1.57～13.54 t/hm2；5次取样中，临界氮浓度的预测值与实测值间的相对误差分别为2.03%～6.67%和1.89%～4.27%。可见，所建立的临界氮浓度模型具有较好的精度。

表2 不同水分条件下冬小麦临界氮浓度的预测值和实测值 %

2.3 不同水氮处理的冬小麦产量

将2种水分处理的施氮量和对应的冬小麦产量进行拟合，得到图4的二次曲线。由图4分析可知，2种水分条件下，冬小麦产量均表现为随施氮水平的提高呈先增加后降低的趋势。说明过量施用氮肥不利于产量的提高，而且会产生一定的负效应。从拟合结果来看，W0条件下，冬小麦的最高产量为9 792 kg/hm2，对应的施氮量为171 kg/hm2；W1条件下，冬小麦的最高产量为10 922 kg/hm2，对应的施氮量为186 kg/hm2。这与基于临界氮浓度构建的氮营养指数模型(2.2.2部分)对冬小麦的水氮状况诊断结果一致，即中等施氮水平和适当补充灌溉有助于冬小麦的生长和最终产量的形成。

图4 不同水氮处理下冬小麦的产量

2.4 不同水氮处理的冬小麦水分和氮肥利用效率

2个冬小麦生长季，不同水氮处理的平均水分利用效率和平均氮肥利用效率如图5所示。由图5分析可知，同一施氮水平下，补充灌溉可显著提高冬小麦的水分利用效率(P<0.05)；同一水分条件下，冬小麦的水分利用效率随施氮量的增加呈先增加后降低的趋势。其中W1N2处理的平均水分利用效率最高，分别较W0N2和W1N3处理提高10.57%和14.01%。与水分利用效率不同，同一水分条件下，冬小麦的平均氮肥利用效率随施氮水平的提高呈降低趋势，但一定施氮量条件下，补灌较不补灌具有较高的氮肥利用效率。其中W1N2处理的平均氮肥利用效率分别较W0N2和W1N3处理提高10.97%和55.77%。

图5 不同水氮处理的冬小麦平均水分和氮肥利用效率

3 讨 论

3.1 冬小麦临界氮浓度稀释曲线模型

氮浓度稀释现象的产生主要归于以下2个过程：①植株冠层相互遮挡；②植株生长过程中，叶片和茎秆干物质比例的逐渐变化[12]。本研究基于地上部生物量构建了陕西关中地区不同水氮处理的冬小麦临界氮浓度稀释曲线模型。与前人构建的冬小麦模型相比，参数a和b均有所差异。参数a表征植株生长初期的内在需氮特征[5]。本研究中补灌条件下的参数a值(4.85)略大于李正鹏等[7]的模型(4.82)，而雨养条件下的参数a值(4.73)较李正鹏等[7]的模型略小。差异的原因可能是：李正鹏等[7]所构建模型的数据来源于2000-2014年间关中平原的冬小麦大田试验研究，故同时包含了灌溉和雨养的情形。适当灌水可促进植株生长及其对氮素的吸收利用，也会进一步提高达到临界氮浓度所需要的氮储量。强生才等[5]建立的冬小麦临界氮浓度模型中，参数a值仅为3.96，远小于本研究得出的4.85和4.73。这主要与建模所依据的植株器官有关。本研究和文献[5]分别是基于冬小麦地上部生物量和叶片干物质建立的模型。实际上，当叶片干物质达到1 t/hm2时，相应的地上部生物量已远大于1 t/hm2，早已处于稀释阶段。参数b表征植株临界氮浓度随干物质增加而降低的程度。较低的b值意味着临界氮浓度稀释缓慢[13]。本研究中，补灌和雨养条件下的参数b值分别为0.40和0.45，均小于强生才等[5]基于叶片干物质的模型b值(0.14)，而与李正鹏等[7]所构建的模型b值(0.49)差异较小。基于地上部生物量和叶片干物质所建立的模型间b值差异的原因可能是由于：基于叶片干物质的模型将叶片视为作物生长的中心，作物吸收的氮素首先需要满足叶片的生长，这使得基于叶片干物质的临界氮浓度下降缓慢[14]；而基于地上部生物量的模型，由于营养生长阶段茎秆氮含量小于叶片，随着茎秆的快速增加，地上部生物量的氮含量快速下降[15]。此外，冬小麦品种、生育期气候条件和土壤养分状况等也会一定程度上影响临界氮浓度稀释曲线的参数。

3.2 氮素营养诊断和合理施氮量

作物体内氮素营养状况是施氮量、土壤氮供应、作物需氮量和作物氮吸收能力的综合反映。准确有效地植株氮素营养诊断是合理施肥的基础[2]。基于临界氮浓度稀释曲线得出的氮营养指数不仅可诊断植株的氮营养状况，还可量化植株氮盈亏的强度[16]。强生才等[5]通过将处理间的氮营养指数和相对产量进行曲线拟合，得出旱作冬小麦的最佳施氮量应略小于210 kg/hm2。赵犇等[5]利用氮亏缺模型对小麦的氮营养状况进行诊断发现，施氮量为150～225 kg/hm2时，氮亏缺值在0附近波动，为适宜的施氮水平。本研究对上述结论也有所证实，氮营养指数结果表明，W0 和W1条件下的适宜施氮量均处于160～240 kg/hm2之间。进一步将各处理的施氮量与对应的冬小麦产量进行二次曲线拟合发现，W0条件下，达到最高产量的施氮量为171 kg/hm2；W1条件下，达到最高产量的施氮量为186 kg/hm2。

4 结 论

(1)一定水分条件下，低氮处理的冬小麦地上部生物量显著低于中氮和高氮处理，而中氮和高氮处理间差异不显著；一定施氮水平下，适当补充灌溉有利于冬小麦地上部生物量累积。

(2)冬小麦地上部生物量与氮浓度间符合临界氮浓度稀释曲线模型。补灌条件下为 (R2=0.998**)，不补灌条件下为 (R2=0.998**)，该模型在年际间具有较好的稳定性。

(3)综合氮营养指数和施氮量与产量的拟合曲线得出，W0 和W1条件下的合理施氮量分别为171和186 kg/hm2。

(4)2个冬小麦生长季，W1N2处理的平均水分利用效率最高，分别较W0N2和W1N3处理提高10.57%和14.01%。一定施氮量条件下，补灌较不补灌具有较高的平均氮肥利用效率，其中W1N2处理的平均氮肥利用效率分别较W0N2和W1N3处理提高10.97%和55.77%。

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