内蒙古中西部玉米临界氮浓度稀释模型的构建与验证
2022-12-13张炜健唐彧哲张贺景杨海波
张炜健，高 宇，唐彧哲，张贺景，杨海波，闫 东，李 斐*
（1 内蒙古农业大学草原与资源环境学院 / 内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室，内蒙古呼和浩特 010018；2 内蒙古自治区农牧业技术推广中心，内蒙古呼和浩特 010010）
氮是玉米生长发育所需的关键营养元素，同时是玉米产量的主要限制因素[1]。农民常过量施用氮肥来保证玉米产量，不仅降低了氮肥的增产效果，增加了种植成本，还带来水体、空气污染和土壤酸化等一系列负面影响[2–4]。建立简便快速的作物氮素营养诊断方法，有助于确定玉米的最佳氮肥用量，适应水肥一体化技术的多次施肥需求[5]。
作物不同生育时期的临界氮浓度 (Nc)是作物氮素营养诊断的基础，此概念最早由Greenwood等[6]提出，定义为作物最大生长时所需的最低氮浓度。作物氮含量与作物干物质遵循异速生长的原则，其函数表达为 Nc=a·DM–b，DM为干物质量。由该方程可以看出，含氮量随着干物质的积累呈下降趋势，即呈现稀释过程。然而，作物冠层含氮量的稀释是不均匀的，随着作物生长，冠层结构发生变化，不同层次的冠层光衰减不一致，致使氮含量的稀释不均匀[7]。此外，随着生物量的增加，叶面积增加，叶片氮浓度普遍下降，结构组织和贮藏组织比例更大[8]。20世纪90年代开始，国内外诸多学者在多种作物上尝试了构建用于描述干物质与氮浓度关系的临界氮浓度稀释曲线，包括小麦[9–10]、水稻[11]、马铃薯[12–14]、玉米[15–16]等作物，并验证了曲线的可靠性。国内学者在中国西南[17]、东北平原[18]、华北平原[19–21]、河南[22]和宁夏平原[23]以及陕西关中地区[24–27]分别建立了适应该地区的玉米模型，并对模型的参数进行了校正。玉米临界氮浓度稀释曲线模型参数a、b值的变化范围分别在2.25～3.65和0.23～0.48，这说明临界氮浓度稀释曲线模型因基因型、环境、田间管理模式的不同而存在差异[28]，这很大程度上限制了临界氮浓度稀释模型的普适性。Yao等[5]在小麦临界氮稀释曲线参数不确定性分析中，提出营养生长期最大氮浓度、最大生物量和累积生长度日数等与品种和生长环境相关的变量，是临界氮稀释曲线参数差异的主要来源。因此，对临界氮浓度稀释曲线及其参数进行稳健的估计以保证其可靠性显得尤为重要[28]。
临界氮浓度稀释模型应用到不同生态气候区域和作物品种时需要同步校正模型参数[29]。针对不同区域不同品种的氮素营养诊断，也需建立相应的临界氮浓度稀释曲线才能发挥更好的诊断效果[30]。内蒙古中西部地处黄河自引灌区，是中国3个特大型灌区之一，地理区位优势和水文条件独特，同时也是我国重要的农业规模化生产、加工、输出和商品粮、油基地[31]。随着农业生产走上高投入高产出道路，农民习惯在玉米种植时大量投入氮肥以保证其达到较高产量水平，作物吸收与肥料投入比例失衡，结合多年采用大水漫灌模式，难以实现水肥一体化技术。为了保障玉米优质高产，准确评估玉米氮素营养状况，我们以当地主要栽培品种为试验对象，建立了内蒙古中西部地区的玉米临界氮浓度稀释曲线，并对该曲线的可靠性进行验证和评价，以期为内蒙古中西部地区春玉米氮素营养诊断和氮肥精准管理提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区域位于内蒙古中西部地区的五原县、乌拉特前旗和达拉特旗，是内蒙古重要的玉米种植产区。气候类型为温带大陆性气候，年平均气温在5.6℃～7.4℃，无霜期130～150天，海拔为900～1200 m，历年平均降雨量150～250 mm，雨热同季，且集中在6—9月。
1.2 试验设计
田间定位试验于2019—2021年4—10月在内蒙古中西部进行，包括建模试验与验证试验。
建模试验分别在巴彦淖尔市五原县和乌拉特前旗进行了3年，在鄂尔多斯市达拉特旗进行了1年(2021)，五原县试验有黄灌(引黄河水灌溉)和滴灌两个，乌拉特前旗为黄灌试验，达拉特旗为滴灌试验。试验设置6个氮肥处理，不施氮肥对照 (CK)；推荐施氮量优化处理 N 180 kg/hm2(OPT)；以及 70%OPT、130% OPT、170% OPT，传统施氮量 N 400 kg/hm2(CON)。所有处理均施 P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，作为基肥一次性施入，每个处理4次重复，完全随机区组排列。黄灌试验氮肥分基施和追施，基追比为3∶7，追施在大喇叭口期 (V12)进行。滴灌试验氮肥分4次施用，追施在拔节期 (V6)、大喇叭口期 (V12)、乳熟期 (R3)进行，基追比为3∶3∶3∶1。五原县3年内主栽玉米品种依次为新玉12、晋单42、先玉1225，乌拉特前旗3年主栽品种依次为泽玉19、宏育203、晋单542，达拉特旗主栽品种为东农258。3个试验点的小区面积分别为65 m2(长 10 m，宽6.5 m)、55 m2(长 10 m，宽 5.5 m)、70 m2(长 10 m，宽 7 m)。验证试验于 2021 年在内蒙古达拉特旗昭君镇进行，供试品种为东农258。试验分为推荐施氮示范田和传统习惯生产田块。推荐施氮示范田施氮量为N 285 kg/hm2，传统习惯种植田氮肥施用量为 N 400 kg/ hm2。玉米四月下旬播种，九月下旬收获，行距60 cm，株距22 cm，种植密度均为75000 株/hm2，其他田间管理措施均按照当地农事习惯进行。
1.3 田间取样与指标测定
2019、2020年，五原县与乌拉特前旗分别于玉米拔节期 (V6)、十叶期(V10)、大喇叭口期 (V12)、乳熟期 (R3)进行取样，2021年分别于玉米拔节期(V6)、八叶期(V8)、大喇叭口期 (V12)、吐丝期(R1)、乳熟期 (R3)、蜡熟期 (R5)进行取样，每个小区选取长势均匀并具有代表性的3株，整个生育时期品种新玉12、晋单42、先玉1225、泽玉19、宏育203、晋单542和东农258的样本采集数量 (n)分别为144、144、240、72、72、120、120个。将各生育时期的植株样品在105℃杀青30 min，75℃烘干至恒重后称重，然后粉碎并混匀，装入信封袋中备用。植株氮浓度测定采用H2SO4–H2O2消煮法，凯氏定氮仪测定植株的全氮含量。
玉米成熟期取各小区中间2.4 m2，测定单位面积穗数、穗粒数和千粒重，并以含水量14%计算各小区籽粒产量，各品种产量水平为10.60～12.72 t/hm2。
1.4 临界氮稀释模型与氮营养指数的构建
植株生物量最大时所需最小植株氮浓度为临界氮浓度，根据1990年Greenwood等[6]提出的临界氮浓度稀释理论，依据本课题组在构建阴山北麓马铃薯临界氮浓度稀释曲线中的思路[13]，本研究建模步骤为：首先选取不同氮处理下的玉米植株生物量进行方差分析，判断作物生长是否受到氮素制约，将其分为受到氮素胁迫与不受氮素胁迫两类，之后将玉米地上部生物量受到氮素胁迫的一类与其对应的玉米冠层氮素浓度进行函数拟合，最后将以不受氮素胁迫一类的地上部生物量平均值作为最大地上部生物量代入上述函数，得出临界氮浓度值。基于临界氮稀释理论与基本建模思路建立玉米临界氮浓度稀释曲线，其模型表达式为：Nc=a×DM–b，式中Nc为玉米植株临界氮浓度 (%)，DM为植株地上部生物量 (t/hm2)，模型参数a为植株地上部生物量达到1 t时的植株氮浓度，模型参数b为稀释系数 (曲线斜率)[15]。
Lemaire等[32]提出了氮营养指数 (NNI)的概念，其模型表达式为：NNI=Na/Nc，式中Na为植株氮含量实测值，Nc为根据临界氮浓度稀释曲线得出的临界氮浓度值。NNI可以定量的反映作物体内氮素营养状况，当NNI>1，表明作物植株内氮素营养水平较高；若NNI=1，表明作物植株内氮素营养水平恰好适中；如NNI<1，则表明作物植株内氮素营养水平偏低。
1.5 数据计算
采用 EXCEL 2010 和 IBM SPSS 22 数据处理软件进行试验数据的统计分析，所有试验数据用SigmaPlot 12.5进行制图，地上部生物量采用单因素最小显著差异法 (LSD)进行方差分析[27]，采用均方根误差RMSE和标准化均方根误差n-RMSE对模型进行验证[33]。
2 结果与分析
2.1 临界氮浓度稀释曲线的建立
由表1可知，在同一时期中，随着施氮量的增加，玉米地上部生物量显著增加。从整个生育时期来看，与CK相比，70% OPT、OPT、130% OPT、170% OPT和CON地上部生物量显著增加，170%OPT和CON之间差异不显著，说明地上部生物量不会随着施氮量的增加持续显著上升。对玉米地上部生物量进行方差分析，将地上部生物量增加显著的视为受到氮素限制的一组，没有显著增加的视为不受氮素限制组。以不受氮素限制组的地上部生物量的平均值为最大地上部生物量，计算得出7个玉米品种每个生育时期的临界氮浓度，7个玉米品种的临界氮浓度稀释曲线进行对比 (图1和图2a)，参数a的变化范围为3.09～3.99，参数b的变化范围为0.25～0.40，说明品种是影响临界氮浓度稀释模型参数的因素之一。之后对局部区域的临界点进行函数拟合，得到内蒙古中西部3个局部区域的临界氮稀释曲线，拟合结果为：达拉特旗Nc=3.09DM–0.32(图 2a)，五原县 Nc=3.30DM–0.28(图 2b)和乌拉特前旗 Nc=3.58DM–0.35(图 2c)，决定系数分别为 0.98、0.82、0.88，拟合结果均达到了显著水平，参数a的范围减小至3.09～3.58，参数b的范围减小至0.28～0.35，表明区域临界氮浓度稀释曲线很好克服了玉米品种带来的差异。
图1 不同品种玉米临界氮浓度稀释曲线Fig.1 Critical nitrogen dilution curve for different cultivars of maize
图2 局部区域临界氮稀释曲线Fig.2 Local area critical nitrogen dilution curve
表1 不同处理各生育时期地上部生物量(t/hm2)Table 1 Biomass in above-ground part of maize at different growing periods under different treatments
为了使玉米临界氮浓度稀释曲线更具有普适性和实际生产的应用价值，将3个典型区域的临界氮浓度稀释曲线同时进行对比，发现相同区域气候下，不同品种具有相同范畴的产量水平，产量作为局部地区气候、品种和田间管理因素的综合反映，可作为具有真实代表性的综合指标。将3个典型区域7个品种的临界氮浓度数据进一步拟合建立的综合临界氮浓度稀释曲线数学表达式为Nc=3.32DM–0.305，模型的决定系数为0.89，达到显著水平，说明模型的拟合度很高 (图3)。同时，也说明同区域不同品种只要具有相同范畴的产量即可共用一条临界氮浓度稀释曲线。
图3 玉米临界氮浓度稀释曲线Fig.3 Maize critical nitrogen dilution curve
2.2 临界氮浓度稀释曲线的验证
从图4可以看出，传统习惯生产田(农民田块)由于施肥量较高，氮营养指数 (NNI)值多数处于1.1以上，氮处于营养过剩状态，推荐施氮示范田NNI值大多处于0.95～1.05，氮素营养水平恰好适中。为了增加模型的可靠性，将2021年达拉特旗推荐施氮示范田玉米地上部生物量代入模型计算得到临界氮浓度，后与同时期农户传统种植区实测值进行比较，均方根误差RMSE为2.39 g/kg，标准化均方根误差n-RMSE为13.05%，处于10%～20%，说明模型稳定性较好。通过推荐施氮示范田与试验田周围的农民传统习惯种植田块数据验证结果表明，内蒙古中西部临界氮浓度稀释曲线可以用于氮素营养诊断。
图4 氮营养指数对玉米临界稀释曲线模型的验证Fig.4 Validation of the critical dilution curve model of maize by nitrogen nutrient index (NNI)
2.3 基于玉米临界氮浓度稀释曲线的玉米氮素营养诊断
根据临界氮浓度稀释模型计算的NNI值可以把作物体内氮素营养状况分为以下3种情况，当NNI>1，表明数据点处于曲线位置以上，作物植株内氮素盈余；当NNI<1，表明数据点处于曲线下方，作物植株内氮素偏低，影响作物的正常生长；若NNI=1，表明数据点在曲线附近波动，作物植株体内氮素营养水平恰好适中。以内蒙古中西部地区玉米共用临界氮稀释曲线为基础，计算相应的氮营养指数，以此对玉米氮素营养进行诊断。从达拉特旗、乌拉特前旗、五原县3个局部区域玉米氮素营养指数诊断结果(图5)可以看出，达拉特旗、乌拉特前旗、五原县NNI值在取样期内的变化范围分别为0.42～1.23、0.46～1.35和0.41～1.42。为诊断结果可以提供合理的施肥量决策范围，根据NNI值分布特征，将处理简化为3组，分别为 N
图5 基于氮营养指数的玉米氮素营养诊断Fig.5 Maize nitrogen diagnosis based on nitrogen nutrient index (NNI)
3 讨论
内蒙古中西部是我国重要的粮食产区，玉米是该地区主要粮食作物之一。玉米在农民传统种植过程中普遍存在氮肥施用过量和利用效率低的问题，违背了绿色发展的要求。因此，建立适用于农学研究方法诊断作物的氮素营养状况的玉米临界氮浓度稀释曲线至关重要[23]。近年来，许多学者对临界稀释模型参数本地化进行了深入的研究[24–27]。Liang等[19]在华北平原分别构建了郑单958 (Nc=3.491DM–0.413)，先玉 335 (Nc=3.354DM–0.404)和浚单 20 (Nc=3.326 DM–0.398) 3个品种的夏玉米临界氮浓度稀释曲线，而且进一步的研究发现，不同品种间可以用一条曲线代替 (Nc=3.339DM–0.396)。同样，李正鹏等[24]与苏文楠等[27]在关中地区也建立了适用于不同夏玉米的临界氮浓度稀释曲线模型。该现象同样出现在Li等[18]和卢宪菊等[34]构建的东北地区春玉米临界氮浓度稀释曲线模型中。此外，在马铃薯和甜菜的研究中也表明，同一地区不同马铃薯和甜菜在构建临界氮浓度稀释曲线时可以克服品种之间的差异[13,35]。本研究结果与前人研究结果一致，在内蒙古中西部地区，不同玉米品种的玉米临界氮浓度稀释曲线可以共用。这为区域性氮素营养诊断及推荐施肥奠定了基础。
总结前人和本研究结果可以看出，不同研究者提出的临界氮浓度稀释曲线有相似性，也有差异(图6)。我们猜想导致这种差异得很可能是因为区域间的气候条件不同，玉米的生长周期有长有短，进而导致了玉米生物量的差异，最终影响了玉米生长过程中的稀释作用强度。而对于相似气候条件下的区域，如果品种间的产量差异不明显，稀释作用的效果也是相似的，此时稀释曲线可以克服品种之间的差异。因为分析前人和本研究提出的共用临界氮浓度稀释曲线发现，在相同气候区域，不同品种之间的产量差异并不明显，比如本研究中内蒙古中西部玉米产量在10.6～12.72 t/hm2，陕西关中地区玉米产量在7.5～10.73 t/hm2。对比本研究中内蒙古中西部玉米临界氮浓度稀释曲线和付江鹏等[23]宁夏引黄灌区的玉米临界氮浓度稀释曲线 (Nc=3.55DM–0.312)可以发现，稀释曲线模型参数a和b十分接近。而两地气候条件和产量水平相近，均属于干旱和半干旱温带大陆性季风气候，雨热同期，降水量较少，玉米生长周期在140～150天左右，产量在10.60～12.72 t/hm2[36]。这进一步证明相同气候条件下，当不同品种玉米的产量差异不大时，可以用一条临界氮浓度稀释曲线去判断不同品种玉米的氮素营养状况。此外，还应注意的是，刘朋召等[25]和银敏华等[26]在渭北地区构建的玉米临界氮浓度稀释曲线，与李正鹏等[24]和苏文楠等[27]在关中地区建立的玉米临界氮浓度稀释曲线有很大差异 (同属陕西地区)，从图6中的数据可以看出，这与较大的生物量和产量的差异有关。liang等[19]和Yue等[21]在华北平原建立的夏玉米临界氮浓度稀释曲线也证明了产量对稀释曲线的影响，虽然二者的研究在相同的区域范围，但由于二者研究的玉米产量差异较大，导致生育过程中稀释效应不同，最终导致不同玉米品种不能共用一条临界氮浓度稀释曲线。由此可以看出，同一地区不同玉米品种的临界氮浓度稀释曲线是否能够共用与不同玉米品种的产量水平有关，产量水平相近的品种可以共用一条临界氮浓度稀释曲线。相反，具有明显产量差异的品种无法建立可靠的共用临界氮浓度稀释曲线。对于不同的气候区，临界氮浓度稀释曲线很难跨越气候差异。比如，华北地区属湿润和半湿润暖温带大陆性季风气候，冬季严寒夏季炎热，该区域夏玉米生长期较短，约110天左右，较短生育期内不同品种的产量较低 (5.1 t/hm2左右)[21]。Yue等[21]在华北平原建立的玉米临界氮浓度稀释曲线(Nc=2.72DM–0.27)与本研究相比，模型参数a和b差异较大。同样，学者们在东北地区提出的玉米临界氮浓度稀释曲线 (Nc=3.65DM–0.48，Nc=3.548 DM–0.422)[17,36]与西北地区和华北地区也有很大差异。这些研究表明同时跨越气候条件和产量差异的临界氮浓度稀释曲线用目前的方法是很难构建的。
图6 不同地区、品种、气候下的玉米临界氮浓度稀释曲线Fig.6 Critical nitrogen dilution curves of maize with different regions, varieties and climatic composition
通过目前研究发现，已建立的玉米临界氮浓度稀释曲线具有较强的差异性，很大程度上限制了临界氮浓度稀释曲线在更多场景中的应用。本研究结果的潜在价值在于，在不同环境、品种、田间管理模式的组合中，能够使临界氮浓度稀释曲线通过产量划分应用到更多不同场景组合当中，这为同一区域不同产量水平条件下的临界氮浓度稀释曲线构建提供了新的见解。但是跨越区域和较大产量差异的临界氮浓度稀释曲线如何构建还需进一步研究。
4 结论
同一区域，产量水平接近的玉米品种可以共用一条临界氮浓度稀释曲线。内蒙古中西部玉米产量在10.60～12.72 t/hm2，构建的内蒙古中西部地区春玉米临界氮浓度稀释曲线为Nc=3.32DM–0.305，模型验证表明，该模型稳定性较好，可以有效地对内蒙古中西部玉米植株氮素营养状况进行诊断。通过模型推断，内蒙古中西部玉米合理施氮量为N 180～220 kg/hm2。
