基于叶面积指数构建滴灌玉米营养生长期临界氮稀释曲线

2020-05-19付江鹏

农业工程学报 2020年6期

贾彪，付江鹏

（宁夏大学农学院，银川 750021）

0 引言

氮是影响作物生长发育和潜在生产力的主要营养元素。在玉米生产上，合理施用氮肥，减少氮肥用量，提高氮肥利用效率已成为精细化农业管理的核心[1]。近50 a来，中国夏玉米产量逐年增加，主要得益于氮肥的高效利用以及先进的作物育种技术提升[2-6]。然而，在当前中国以大范围小农户为主的大田玉米种植生产中，不合理施用氮肥导致环境污染问题日益突出，与氮肥相关的水体、土壤和大气等污染成了现代农业研究面临的一个严重问题[7-8]。因此，优化玉米不同生育时期的氮肥施用量对于提高氮肥利用效率、保护环境和实现农业可持续发展具有重要意义。

目前，在准确评价作物氮素营养状态，优化作物生育期氮肥管理的研究上，前人多采用叶绿素仪和光谱遥感图像等技术进行监测与诊断[9-12]，上述方法的共同缺点是当作物处于氮素奢侈吸收时，所得的诊断结果并不可靠[13]，限制了在作物氮奢侈消费评估中的分析应用。因此，Greenwood等[14]总结了作物生长和氮素吸收的规律，提出了临界氮浓度（critical nitrogen concentration，Nc）的概念，即作物最大生长所需的最低氮浓度。Nc因其在作物氮诊断中的准确性和稳定性而受到世界各国的广泛关注。Plénet等[15]提出了一种基于植株干物质（plant dry matter，PDM）构建玉米Nc稀释曲线的方法，其描述为Nc=aPDM-b（a、b为系数）。后经Herrmann等[16]证实，在法国构建的曲线对诊断德国和加拿大东部玉米植株氮状况是有效的。此外，相继也有国内学者基于PDM和叶片干物质分别建立了不同地区夏玉米Nc稀释曲线[2,17-18]。相比而言，构建的模型曲线系数低于法国，其原因可能是由于气候和区域的差异所造成的[2,17]。

基于PDM的Nc曲线可以为玉米氮素营养提供有效的管理信息，但对现代农业氮素管理的适应有一定的局限性，PDM数据点的获取需要通过繁琐的步骤[19]，尽管可以使用遥感技术来估计PDM，但该工具的估计精度无法适应与PDM空间分布高度相关的变化[20]。而叶面积指数（leaf area index，LAI）是群体结构的重要量化指标,是反映作物长势与预测作物产量的重要农学参数[21-22]。随着叶面积仪在农业上的广泛应用，LAI相较于植株干物质更容易获取。这说明LAI是构建Nc稀释曲线较为理想的农学指标，在现代农业生产中可以克服基于PDM诊断氮素营养相关的问题。

基于LAI的Nc曲线已在冬小麦[21]和水稻[7,22]等作物中构建。Lemaire等[23]研究表明欧洲和澳大利亚玉米植株对氮素的吸收与LAI成正比，在密植条件下玉米的生长模式是等距的，而这些观点尚未在中国西北宁夏地区种植的滴灌玉米上进行验证。此外，相关研究也尚未探讨基于LAI和基于PDM的Nc稀释曲线之间的理论关系。因此，本研究致力于构建基于LAI的滴灌玉米Nc曲线，将其与现有不同作物品种的Nc稀释曲线进行比较，验证该曲线在水肥一体化条件下滴灌玉米中评估作物氮素状态的可靠性，并建立理论框架，链接基于LAI和PDM的Nc曲线之间关系，从而为宁夏灌区滴灌玉米生长期的氮状况评估和田间氮素管理提供方法。

1 材料与方法

1.1 试验设计

2017－2018年4－9月利用2个玉米品种在银川市平吉堡农场（106°1′47″E，38°25′30″N）和永宁县宁夏大学试验农场（106°14′12″E，38°13′03″N）进行了4个田间试验。关于玉米品种、播种日期、氮处理、土壤肥力、取样和收获时期详见表1，平吉堡和永宁玉米生长季日平均温度与日降雨量见图1。玉米生育期内采用滴灌水肥一体化技术，由潜水泵将水通过75 mm PE管抽送到试验小区，与75 mm PE管接口处安装水表准确计量，32 mm PE管做支管连接到16 mm毛管。施肥由施肥罐随水施入，在窄行玉米中间设置1根滴灌带，即1根滴灌带控制2行玉米水肥用量，滴头间距为30 cm，滴头流量2.5 L/h，滴头工作压力0.1 MPa，为保证灌水与施肥的均匀性，采用横向供水方式。供试氮肥为尿素（总N≥46.4%，质量分数，下同），磷肥为磷酸二氢钾（含52%P2O5和34%K2O），钾肥为硫酸钾（含52%K2SO4），磷钾肥用量分别为138和120 kg/hm2。氮磷钾肥均为水溶性肥料，分别随水施入。整个生育期共施肥8次，分别为苗期1次、拔节至大喇叭口期3次、抽雄吐丝期1次，灌浆期3次，每次施肥量占总施肥量的比例分别为苗期10%、拔节至大喇叭口期45%、抽雄吐丝期20%和灌浆期25%。小区面积为67.5 m2，3次重复，种植密度约为9万株/hm2。

表1 田间试验状况Table 1 Field experiments

图1 玉米生育期气温及降水量Fig.1 Air temperature and precipitation during growth stage of maize

1.2 叶面积、干物质和氮含量

于玉米V6至R1时期，每个小区选取长势一致的3株，采用长宽系数法（0.75倍的长乘以宽）计算植株绿叶面积以计算叶面积指数（leaf area index，LAI），并将其带回实验室，以测量玉米每个采样日期的地上部植株干物质和植株氮浓度（plant nitrogen concentration，PNC）。分成为茎、叶和穗3部分，采用干燥法对干物质质量进行测定，样品研磨并通过1 mm筛，采用微量凯氏定氮法测定PNC。

1.3 模型描述

1.3.1 临界氮浓度模型建立

根据Justes等[24]提出的Nc稀释曲线计算方法，建模步骤如下：1）方差分析每次取样的LAI和PNC有无显著差异，将其分为氮限制组和非氮限制组；2）线性拟合限氮处理的PNC和LAI数据；3）垂直线用于表示非限氮处理之间的LAI平均值为本次取样的最大LAI；4）使用每个采样日期的斜线和垂直线之间的交点坐标确定Nc值。基于LAI的临界氮效应稀释曲线方程式为

式中Nc代表临界氮浓度，%；LAI代表叶面积指数；a和b均为模型的参数。

1.3.2 临界氮浓度模型验证

采用均方根误差（root mean square error，RMSE）和标准化均方根误差（n-RMSE）[25-26]来评价模型。参照Jamieson等[27]提出的标准，n-RMSE＜10%，模型稳定性极好；10%≤n-RMSE＜20%，模型稳定性较好；20%≤n-RMSE＜30%，模型稳定性一般；n-RMSE≥30%，模型稳定性较差。

1.4 临界氮吸收和氮营养指数

临界氮吸收（Nuc，kg/hm2）由式(1)两边乘以PDM，计算得到Nuc与PDM之间的关系[15]：

式中PDM为植株干物质质量，t/hm2。将实际PNC除以Nc浓度确定夏玉米在每个采样日的氮营养指数[15]，如式（3）所示：

式中PNC为植株氮浓度，%；NNI为氮营养指数。当NNI=1时，作物氮状态是最佳的；当NNI＞1，表示氮过量；当NNI＜1，表示植株体内缺氮。

1.5 基于LAI和植株DM的Nc曲线之间关联的理论框架

在非限氮条件下，玉米LAI与植株氮素吸收呈显著正相关关系[15]。当LAI和PDM之间的异速生长关系的比例系数与Nuc和PDM之间的异速生长关系的比例系数相等时，在作物的营养生长期，植株Nuc和LAI之间有可能形成严格的比例关系[19]。因此，在非限氮处理下，Nuc和LAI之间的关系可以假定为

式中c为指数；e为植株固有的临界氮吸收量，kg/hm2。当LAI为1时，参数e代表植株Nuc。在式（4）的两侧同时除以PDM可以得到Nc（式（5））。由于LAI与PDM呈异速生长关系[23]（式（6）），PDM可以通过式（6）的转换利用式（7）计算。因此，利用式（8）计算Nc值，参数e"表示LAI为1时的理论植株Nc值，由式（9）确定。

式中k为系数。

1.6 数据处理

采用Excel 2013软件进行数据整理与计算，采用SPSS22.0软件进行单因素方差分析和多重比较，绘图采用Origin2018软件。4个试验中利用2017年试验1和3的数据构建模型，利用2018年试验2和4的数据进行模型验证。

2 结果与分析

2.1 叶面积指数和植株氮浓度动态变化

表2为2017年不同品种和施氮水平下滴灌玉米叶面积指数及植株氮浓度的动态累积过程。由表2可知，随着玉米生长发育进程的推进，其LAI不断增加，而PNC下降。试验1和3是在不同的品种和地点下进行的，但LAI和PNC的变化趋势是相似的。在不同的试验中，LAI和PNC均随着施氮量的增加而增加，但是施氮量达到一定水平后，LAI增加缓慢趋于平稳，而高氮处理下植株具有较高的氮浓度。天赐19的LAI的变化范围为1.13～6.03，PNC的变化范围为1.35%～3.24%；宁单19的LAI的变化范围为1.26～6.21，PNC的变化范围为1.22%～3.31%。永宁栽培玉米品种宁单19的LAI较高于平吉堡，但PNC在不同品种中的变化较小。

表2 2017年不同施氮量下玉米叶面积指数和植株氮浓度动态变化Table 2 Dynamic changes of leaf area index and plant nitrogen concentration of maize under different nitrogen application rates in 2017

2.2 临界氮稀释曲线构建及验证结果

2.2.1 模型构建

根据Justes等[24]提出的曲线构建方法，利用试验1和3的数据资料，在滴灌玉米营养生长阶段构建临界氮浓度稀释曲线。滴灌玉米临界氮浓度随LAI的增加呈下降的趋势，其变化趋势可以通过幂函数方程来拟合。天赐19和宁单19的临界氮稀释曲线见图2。

图2 2017年不同玉米品种临界氮稀释曲线比较Fig.2 Comparison of critical nitrogen dilution curves of different maize varieties in 2017

基于LAI构建了不同品种临界氮稀释曲线模型（图2）。2个模型中，参数a分别为4.07和3.93，参数b分别为-0.47和-0.43。为了进一步分析2个品种之间的显著性差异，首先将幂函数模型进行直线化处理，即lnNc=lna+blnLAI，天赐19和宁单19的直线化模型分别为lnNc=1.40-0.47lnLAI和lnNc=1.37-0.43lnLAI。采用协方差分析方法，分别分析2个品种之间的斜率与截距间差异，结果显示，天赐19和宁单19斜率与截距的P值分别为0.957和0.648，都大于0.05，说明2个品种之间没有显著性差异。因此，将2个品种的曲线并置拟合，形成滴灌玉米统一的临界氮稀释曲线（图3），a为3.99，b为-0.45。

图3 基于叶面积指数的玉米临界氮稀释曲线Fig.3 Critical nitrogen dilution curve of maize based on leaf area index(LAI)

2.2.2 模型验证

利用2018年试验2和4的数据资料对本研究中确定的临界氮稀释曲线进行了验证，由图4可知，将独立数据组中获得的最大LAI代入临界氮稀释曲线后，对比实测值和模拟值，利用1:1图来直观反映模型的拟合度，经计算均方根误差RMSE为0.09，标准化均方根误差为4.13%，稳定度极高，表明本研究基于LAI构建的临界氮浓度稀释曲线可用于宁夏引黄灌区滴灌玉米氮素营养的评估与诊断。

图4 基于2018年试验数据的临界氮稀释曲线模型验证Fig.4 Validation of critical nitrogen dilution curves with data from experiments in 2018

2.3 氮营养指数动态变化

如图5所示，NNI随施氮量的增加而增加。TC19和ND19的NNI值范围为0.53～1.34和0.75～1.30。从整体上看，NNI在N3处理大约为1，这表明作物氮素营养对于玉米的生长是最佳的。NNI值对N0、N1和N2处理的NNI均低于1，这表明玉米生长受到氮的限制。NNI值对N4和N5处理高于1，表明氮素营养过盛。结果证实，氮营养指数可以准确定量地评估不同氮素水平下滴灌玉米的植株氮状况。

图5 2017年不同施氮量下玉米氮营养指数动态变化Fig.5 Dynamic changes of nitrogen nutrition index of maize under different nitrogen application rates in 2017

2.4 非限氮条件下植株临界氮吸收，干物质和叶面积指数之间的关系

在非限氮生长条件下，玉米V6至R1生长阶段LAI与PDM的异速生长关系显著(图6，k为1.10，c为0.75)。图6b揭示了在非限氮生长条件下，营养生长期间Nuc和LAI之间的异速生长关系显著，其中，22.14 kg/hm2代表非限氮处理下，单位叶面积指数增长所需的植株最少吸收氮量。

图6 非限氮条件下植株临界氮吸收量，植株干物质量和叶面积指数的异速生长关系Fig.6 Allometric growth relationship between critical nitrogen uptake,plant dry matter and leaf area index under non-limited nitrogen conditions

3 讨论

3.1 与其他临界氮稀释曲线比较

以PDM为基础确定的临界氮稀释曲线已被用于各种作物，然而发现区域差异也会影响临界氮稀释曲线的适用性。LAI是植物光合作用、呼吸作用和蒸腾作用等生物和物理过程的重要描述参数，用于评价农作物健康状况、养分供应和产量水平[21-22]。本研究表明，在滴灌玉米营养生长阶段，随着LAI的增加PNC呈下降趋势，造成这种现象的原因主要是由于植株的老化，并且也与作物生长的物候现象有关[23]。氮浓度稀释现象产生归因于2个过程：1）相对于叶片面积，植株将更多的干物质投入到结构组分中，使植株捕捉更多的光能[19]。2）遮荫降低叶片单位叶面积含氮量，这与光照分配相关的氮分布优化相对应，从而优化冠层光合作用[28]。本研究采用滴灌水肥一体化的施肥栽培模式，构建并验证了宁夏引黄灌区基于LAI的滴灌玉米Nc稀释曲线经验模型（Nc=3.99LAI-0.45）。从数学角度来讲，参数a代表当LAI为1时的临界氮浓度值，前人在玉米的研究中（图7a），确定其a值介于2.25～3.45之间，而参数b描述了植株氮浓度随作物生长的下降速率，其值在-0.22～-0.37之间[2,15,17-18]。本研究中基于LAI确定的Nc稀释曲线模型系数a和系数b（3.99和-0.45）与之前的报道中基于PDM（图7a）确定的曲线系数存在轻微差异[2,15,17-18]。显然，基于LAI的Nc稀释曲线参数高于基于PDM的曲线参数，这主要是由于玉米植株在生育早期积累的LAI高于PDM。然而，随着玉米生育进程的推近，由于叶片的相互遮荫以及叶面积比和叶/茎比的变化，导致利用PDM确定的Nc曲线氮浓度值较低[19]。

本研究利用LAI确定了宁夏灌区滴灌玉米营养生长期临界氮浓度稀释曲线模型，其模型在形式上与Zhao等[29]针对华北平原建立的玉米临界氮浓度稀释模型一致，采样时间(拔节期至吐丝期)与Zhao等[29]取样时间大致相同，这说明模型的构建与玉米的生育期无明显的关系，所得模型参数b值与Zhao等[29]所建参数b值相同，但参数a值（3.99）高于Zhao等[29]研究结果（3.84），说明宁夏滴灌玉米植株的氮素吸收能力比新乡和沁阳的玉米氮吸收能力强，其原因主要是由于宁夏玉米采用滴灌水肥一体化施肥方式，将肥料溶入水中，每个生育时期都会满足玉米对水分和养分的需求，这与Zhao等[29]基施50%和拔节期追施50%施入方式不同，说明玉米对氮素的吸收能力受施肥方式的影响。

图7 基于PDM和基于LAI的临界氮稀释曲线的比较Fig.7 Comparison of critical nitrogen dilution curves based on PDM and LAI

3.2 基于Nc曲线的氮营养诊断

NNI是实时诊断植株氮营养状况的农学指标[19]。本研究根据Nc稀释曲线确定了玉米不同生长阶段的NNI，发现基于Nc稀释曲线推算的NNI可用于评价滴灌玉米的氮素营养状况，这一结论与前人在其他作物上的研究结果相似[21-22]。不同生长阶段玉米植株NNI随施氮水平的提高而上升，其NNI值在0.53～1.34之间变化，本研究初步认为，在宁夏引黄灌区近年来推广的密植高产全程机械化栽培模式中，滴灌玉米的适宜施氮量介于270 kg/hm2左右，LAI的增大需要吸收适宜的氮肥，则该施氮量有助于作物利用氮素营养。同时，玉米LAI随着施氮水平的提高而增加，其中施氮量为270 kg/hm2可促进滴灌玉米植株对氮素营养的吸收利用，尽管N4和N5处理的LAI较高，但与N3处理相比，LAI基本维持在一个统计学意义上相等的范围内，从而导致过多的氮储存在植株中，造成氮奢侈浪费。这一结果说明玉米植株对氮的容纳有一定限度，高于临界氮吸收量后增施氮肥不仅不能提高作物LAI，还会抑制植株对氮的吸收利用。通常研究认为植株NNI在1左右比较适宜，而就法国种植的向日葵而言，当NNI达到0.8时就可以获得最大产量，因此适当的减少植物体内的氮素营养状况有利于改善植株的生长，提高作物的产量[30]。

Lemaire和Gastal[31]利用NNI来评价不同施氮水平下作物产量的变化，研究表明利用确定的Nc曲线作为玉米生产中优化施氮量的工具十分重要。同时将Nc曲线与遥感技术相结合，可以在区域水平上对玉米氮素状况做出较准确的诊断，也可在时间和空间分布上重合，从而获得更精确的作物氮状态时空动态信息。为了更好地发展精准农业，今后需要通过多年试验，构建并验证不同环境条件下的作物Nc稀释曲线，特别是磷、钾与氮素互作条件下的作物Nc稀释曲线。

3.3 LAI、PDM和临界氮吸收之间的异速生长关系

本研究表明，在受氮素制约的条件下，LAI与PDM积累之间的异速生长关系显著，其关系式可描述为LAI=1.10PDM0.75（图6a），这证实了氮亏缺对叶面积增大和植株干物质累积之间的定量生长关系没有受到明显的影响。在玉米拔节期之前，植株个体小且相互独立，叶面积指数小，遮蔽程度低，作物对水肥光等资源的利用量不存在明显的竞争。然而，拔节期至吐丝期是玉米氮素吸收最快的生长阶段，此阶段植株个体迅速生长，玉米群体冠层结构向密闭状态形成，不同植株个体之间对水肥光等资源的竞争向三维空间分布，从而有利于叶片吸收光能[23]。因此，本研究确定的参数c值（0.75）小于1，但该值略高于前人提出的理论值（2/3）[23]，由此表明玉米植株的生长是等距的。如果将理论值代入式（8），则基于LAI的Nc曲线的理论值为-0.5，接近本研究中确定值（-0.45）。。本研究验证了前人提出的理论假设[23]，则基于LAI和PDM之间的异速生长关系在作物物种和环境中具有一个通用值。本研究另外表明，在受氮素制约的条件下，本研究中参数k值（1.10）小于Plénet等[15]的确定值（1.23）。这一差异可能与取样时间有关，Plénet等[15]从苗期开始测定PDM和LAI数据，而本试验从拔节期开始测定，从而导致PDM和LAI略低。前人研究表明，作物冠层内部固有叶片数量与遮荫水平呈正相关[32]。玉米拔节期的遮荫效果明显高于苗期，因此本研究叶片特征参数小于Plénet等[15]所确定的参数值。

在受氮素制约的条件下，LAI和Nuc之间的异速生长关系显著，其关系式可描述为Nuc=22.14LAI0.96（图6b），式中参数e代表植株固有的临界氮吸收量，其被定义为LAI为1时的临界氮吸收量。本研究中Nuc是基于PDM的Nc稀释曲线确定的，其代表作物最大生长所需的最低植株临界氮吸收量。在受氮素制约的条件下，植株在其生长过程中存在氮奢侈消耗现象。因此，本研究确定的Nuc值（22.14kg/hm2）低于Plénet等[15]确定值（28.87kg/hm2）。LAI的指数定义为植株吸收氮素效率与叶面积增大率之间的比值。在受氮素制约的处理下，参数c值(0.96)接近于1，这意味着玉米叶面积增大与植株对氮素的吸收呈显著的线性正关系。