基于硝酸盐的滴灌春小麦氮素追肥模型建立研究

刘小芳，张泽，吕新，聂迎彬

(1. 新疆农垦科学院，新疆石河子 832003；2. 石河子大学，新疆石河子 832003)

基于硝酸盐的滴灌春小麦氮素追肥模型建立研究

刘小芳1，张泽2，吕新2，聂迎彬1

(1. 新疆农垦科学院，新疆石河子 832003；2. 石河子大学，新疆石河子 832003)

【目的】采用作物营养诊断技术，建立基于植株硝酸盐的滴灌春小麦氮素诊断时期和追肥模型。【方法】在滴灌春小麦关键生育时期测定植株硝酸盐含量，通过硝酸盐浓度与施氮量及产量的关系，确定关键生育时期的氮素诊断追肥模型。【结果】不同生育时期的滴灌春小麦植株茎基部硝酸盐含量与产量之间具有极显著的相关性，计算出拔节期和孕穗期硝酸盐的临界值分别为2 782.5和2 553.06 mg/kg，构建了滴灌春小麦拔节期和孕穗期各阶段的追肥施肥模型。【结论】采用拔节期和孕穗期滴灌春小麦植株硝酸盐作为诊断指标，建立相应的追肥模型，确定了滴灌春小麦拔节期和孕穗期各阶段不同硝酸盐测试值所对应的氮肥追肥用量。

春小麦；滴灌；土壤硝态氮；氮素模型

0 引 言

【研究意义】小麦作为我国主要的粮食作物，种植面积和总产量位居第二位，仅次于水稻。小麦在栽培生产上，增加小麦品质和产量的重要因子主要是水肥。滴灌和施肥技术的结合，在施肥过程中使施肥量、施肥均匀度和施肥时间等方面达到较高的精度，从而使作物获得较好的产量。因此在滴灌条件下，建立基于植株硝酸盐的春小麦氮素养分诊断追肥模型，进而根据春小麦自身的营养状况对施肥决策作出及时而合理的调整，可以有效提高春小麦产量和氮肥合理施用。【前人研究进展】植株中的氮素含量状况会直接影响其硝酸盐的含量，在作物的生长过程中，当植株中的全氮含量达到某一阈值时，植株中的硝态氮便会开始累积，在根、茎和叶各个部位中的积累的趋势相似[1]。当外界的供氮量超过植株本身的需求时，硝态氮对于全氮含量具有较大幅度的增加[2]。由此可见，植株中的硝态氮含量能准确地反映植株对氮素的需求状况，可以将其用来进行植物氮素营养诊断。【本研究切入点】采用作物营养诊断技术方法，以植株中的硝酸盐含量作为诊断指标，构建滴灌春小麦不同生育时期的追肥模型，达到通过诊断滴灌春小麦不同生育时期氮素营养水平面实现合理推荐施肥。【拟解决的关键问题】以滴灌春小麦不同生育时期植株内的硝酸盐含量作为诊断指标，以不同生育时期植株内的硝酸盐含量为测定对象，研究植株体内的硝酸盐浓度与施氮量以及产量之间的相互关系，建立关键生育时期的氮素诊断追肥模型，为小麦生育时期各个阶段施肥提供理论指导，实现滴灌春小麦的氮肥的合理精确的调控。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验区位于新疆石河子大学农学院试验站，试验时间为2014～2015年，土壤质地类型为壤土，土壤容重1.3 g/cm3，砂粒含量41.52%，粘粒含量21.56%，粉粒含量为36.92%，pH值为7.5，有机质含量17.82 g/kg，全氮含量1.06 g/kg，碱解氮含量52.38 mg/kg，速效磷含量25.88 mg/kg，速效钾含量186 mg/kg，春小麦品种为新春6号。种植密度为28 kg/667 m2。管理措施同一般滴灌春小麦。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验采用完全处理肥料的小区试验，设置4个氮素处理，分别为：0、150、300、450 kg/hm2(分别以N0、N1、N2和N3表示)；灌水总量为5 000 m3/hm2。在各个处理小区之间埋入防渗膜，防止各个小区之间的养分和水分进行迁移，而影响试验的结果。试验的每个处理重复3次。表1

表1 试验处理及施肥量

Table1 The Number of test and the treatment in fertilizer

试验处理Testprocessing氮肥施用Nitrogenfertilization纯氮PureN(kg/hm2)尿素Urea(kg/hm2)灌水量Irrigationwater(m3/hm2)N0005000N115032555000N230065255000N34509785000

1.2.2 测试指标

1.2.2.1 春小麦植株各个器官的全N含量

将各生育时期采集的春小麦植株按照器官分类，进行烘干粉碎，使用H2SO4-H2O2法消化，用BUCHI-350全自动定氮仪测定各个器官的全氮含量。

1.2.2.2 春小麦植株茎基部硝酸盐含量

将一定量的小麦植株剪碎混匀、精确称取三份，每份2.00 g，分别放入3支刻度试管中，添加10 mL无离子水，用玻璃泡封口，放入沸水浴中处理，30 min后取出，用自来水冷却，把所得提取液过滤到25 mL容量瓶中，同时反复冲洗残渣，最后定容至刻度。

吸取样品液0.1 mL分别于3只刻度试管中，然后加入5%水杨酸—硫酸溶液0.4 mL，混匀后置室温下20 min，再慢慢加入9.5 mL 8%NaOH溶液，待冷却至室温后，以空白作参比，在410 nm波长下测其吸光度。在标准曲线上查得硝态氮浓度，计算样品中的硝态氮含量。

单位鲜重样品中硝态氮含量=X×V1/W×V2

式中：X为由回归方程计算出的硝态氮浓度，μg/mL；V1为样品定容体积，W为样品重量，g；V2为测定取用的样品提取液体积，mL。

1.2.2.3 产量

于春小麦成熟期(7月16日)测定(1 m2面积的籽粒产量×667 m2)记为实际产量。

1.3 数据统计

用Excel、SPSS 17.0进行的数据处理。

2 结果与分析

2.1 滴灌春小麦施氮量与产量的关系

对氮素单因素四水平条件下滴灌春小麦的产量进行回归分析表明,施氮量和产量存在真实的回归关系，得到产量与施氮量的关系模型为：

Y=-0.018N2+10.91N+5 182(R2=0.753**)

式中：Y为春小麦产量(kg/hm2)，N为施氮量(kg/hm2)。

由关系式可知，一次项N系数为正表明，单独增加氮素施用量对春小麦具有一定的增产作用，二次项N2系数为负表明，过多的氮肥将阻碍滴灌春小麦产量的增加。

表2 滴灌春小麦施氮量与产量的关系

Table 2 The relationships of N application rates and yield of spring wheat in

施氮量NApplication(kg/hm2)产量Yield(kg/hm2)05133906054795280532515115056714741506240439150615595630075642630068864823007225371450638975345062381274506307792

对上述关系式求偏导，计算得出春小麦最高产量为6 835.2 kg/ hm2，相对应的最佳施氮量为303.1 kg/ hm2。其中303.1 kg/ hm2的施氮量是滴灌春小麦全生育期的总施氮水平，可以作为追肥的参考依据。

2.2 滴灌春小麦不同生育时期茎基部硝酸盐含量与施氮量之间的关系

研究表明，滴灌春小麦茎基部硝酸盐浓度和施氮量之间具有极显著的线性正相关关系。随着施氮量的逐步增加，滴灌春小麦拔节和孕穗两个时期的茎基部硝酸盐浓度都表现出线性增加的趋势。

其中施氮量和茎基部硝酸盐浓度之间的相关系数在滴灌春小麦的拔节期(r2=0.810 6**)要比孕穗期(r2=0.769 6**)高，这是因为在小麦孕穗前期追肥量少，氮肥只能满足作物的生长，导致植株茎基部的硝酸盐出现缓慢累积的缘故。图1

注：R2为相关系数，**表示相关性达到极显著水平(P=0.01)a

Note:

图1 滴灌春小麦各生育期施氮量与茎基部硝酸盐浓度之间的关系

Fig.1 The relationship between nitrate concentration in the stem bases and the rates N Applied at the different growth stages of spring wheat of drip

2.3 不同生育时期植株硝酸盐浓度和滴灌春小麦产量的关系

研究表明，滴灌春小麦茎基部硝酸盐浓度，与其对应的产量呈现二次曲线模型关系，曲线具有极显著的相关性水平。即当滴灌春小麦拔节和孕穗时期茎基部硝酸盐浓度含量较低时，其产量随着硝酸盐浓度的逐渐积累而增加，然而，当植株茎基部硝酸盐的浓度累积达到一定程度，随着浓度的继续增加，产量增加呈现缓慢的趋势甚至开始下降。

滴灌春小麦植株茎基部硝酸盐浓度与产量之间具有极显著的回归关系，从而可以作为滴灌春小麦氮素的营养诊断及追肥的理论依据。确定滴灌春小麦茎基部硝酸盐的临界浓度为达到最高产量时所对应的测定值，根据滴灌春小麦拔节期和孕穗期茎基部硝酸盐浓度与产量形成的回归方程，因此可以确定当滴灌春小麦达到最高产量时，拔节期和孕穗期的植株茎基部硝酸盐浓度的临界值为2 782.5和2 553.059 mg/kg。同时在各时期诊断值达到相应的临界浓度时，则该时期不需要施肥。图2

图2 滴灌春小麦拔节期、孕穗期茎基部硝酸盐浓度和其对应产量之间的关系

Fig.2 The relationship between nitrate concentration and yield of spring wheat in drip at the diferent growth stages at the stage of elongation and booting

2.4 植株硝酸盐诊断指标的建立研究

根据试验可以确定滴灌春小麦全生育期的最佳施氮量，同时建立在拔节和孕穗两个生育期，植株茎基部的硝酸盐浓度与施氮量的线性关系，最终构建滴灌春小麦植株内硝酸盐含量诊断追肥模型。设定图1所示的线性关系可以求得各生育期的氮肥水平为Nfert，春小麦全生育期最佳施氮量为Nopt，则各生育阶段追氮量的计算公式为：

N=Nopt-Nfert

(1)

研究表明，春小麦各生育期的植株硝酸盐诊断值Tr和氮肥Nfert之间具有线性回归关系:

Tr=a+bNfert，即Nfert=(Tr-a)/b

(2)

将式(2)代入(1)之中，计算可得滴灌春小麦各生育期的植株硝酸盐含量诊断的追肥推荐施肥模型：

N=Nopt+a/b-Tr/b

(3)

其中，N为滴灌春小麦不同生育时期的追氮量，Nopt为滴灌春小麦整个生育时期的最佳施氮量，单位均为kg/hm2；b为不同生育时期滴灌春小麦植株茎基部硝酸盐浓度与施氮量之间回归线性方程的回归系数，a为方程的截距；Tr为不同生育时期滴灌春小麦植株硝酸盐浓度的测定值。将全生育期最佳的施氮量303.1 kg/hm2，以及由图2确定的a、b值代入施肥推荐模型(3)中，得到滴灌春小麦不同生育时期的追肥推荐模型。表3

表3 滴灌春小麦不同生育时期(拔节期、孕穗期)氮肥推荐模型

Table 3 N Fertilization model at the diferent growth stages(elongation and booting)of spring wheat in drip

生育时期Growthperiodab氮肥推荐模型Nitrogenfertilizerrecommendationmodel灌浆期fillingstage11485514N=324195-00195Tr孕穗期bootingstage8868240568N=324196-00246Tr

3 讨 论

关于氮肥对小麦生长发育的影响，相关学者研究颇多，研究内容主要有，施氮量对春小麦干物质积累、产量、氮肥利用率及氮平衡[3-7]、对小麦氮素吸收转运[8-10]、籽粒灌浆特性、光合特性和产量的影响[11-14]以及施氮量对不同基追比[15]、追氮时期[16]及施肥频率[17]对小麦生长和产量的影响。如何定量评估滴灌春小麦氮素营养水平和氮肥施用量是研究的切入点。研究以施氮对春小麦生长发育的影响为基础，开展了以植株硝酸盐为氮素营养诊断指标的滴灌春小麦施肥模型建立研究，并建立了滴灌春小麦拔节期和孕穗期各阶段的追肥施肥模型。通过试验所得的表格进行推荐追肥时，以硝酸盐诊断值对应的不同阶段的施肥量作为依据。滴灌春小麦在拔节期至孕穗期两次氮素营养状况诊断中，在生育前期计算所得的诊断结果可以直接用以指导后期的施肥措施，同时生育后期的推荐施肥可以根据前期的推荐诊断量进行适当的调整。

4 结 论

4.1 滴灌春小麦拔节期和孕穗期植株茎基部硝酸盐含量与施氮量之间呈极显著的线性相关。

4.2 不同生育时期的春小麦植株茎基部硝酸盐含量与产量之间也有极显著的相关性，两个生育时期的硝酸盐临界值分别为2 782.5和2 553.06 mg/kg。

4.3 根据滴灌春小麦不同生育期植株茎基部硝酸盐浓度与施氮量以及产量之间的相互关系，建立了拔节期和孕穗期氮肥推荐模型，并根据所建模型确定了滴灌春小麦拔节期和孕穗期不同硝酸盐测试值所对应的氮肥追肥用量。

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Fund project:Supported by the Research and achievements transformation of science and technology of XPCC (2015AC001) and The scientific research and technical development programs of the sixth Agricultural Production Division in Wujiaqu City (1104)

Research of Drip Spring Wheat Nitrogen Fertilizer Model Based on Nitrate

LIU Xiao-fang1, ZHANG Ze2, LÜ Xin2, NIE Ying-bin1

(1.XinjiangAcademyofAgriculturalReclamationScience，ShiheziXinjiang, 832000China； 2.ShiheziUniversity，ShiheziXinjiang, 832003，China)

【Objective】 To adopt crop nutrition diagnosis technology and establish fertilizer nitrogen diagnosis period model of drip irrigation wheat based on the plant nitrate.【Method】Determine plant nitrate content of key growth period of drip irrigation wheat through the relationship between nitrate concentration and N application rate and the yield and establish the fertilizer nitrogen diagnosis model of the key remaining period.【Result】There was a very significant correlation between nitrate content of drip irrigation wheat plant stem base and the yield at different development stages, and the nitrate critical value of jointing stage and booting stage were 2 782.5 and 2 553.06 mg/kg, which established spring wheat jointing stage and booting stage fertilizer fertilization model of drip irrigation wheat.【Conclusion】The plant nitrate of irrigation wheat the of jointing stage and booting stage as a diagnostic index was used to establish the corresponding application model and calculate the different nitrate test values corresponding to the amount of nitrogen fertilizer at the drip spring wheat jointing stage and booting stage.

spring wheat; drip irrigation; nitrate nitrogen in soil; topdressing model

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.01.004

2016-04-15

兵团科技攻关与成果转化项目(2015AC001)；第六师五家渠市科学研究与技术开发计划(1104)

刘小芳(1985-)，女，湖北人，硕士研究生，研究方向为作物遗传育种，(E-mail)280913686@qq.com

吕新(1964-)，男，河北保定人，教授，博士，研究方向为作物信息技术与精准农业，(E-mail)273160043@qq.com 聂迎彬(1981-)，男，江苏人，副研究员，研究方向为小麦杂种优势利用，(E-mail)nieyingbin@126.com

S512

A

1001-4330(2017)01-0027-06