基于临界氮浓度稀释曲线模型的辣椒氮素营养诊断研究

肖蕊

（长治职业技术学院园艺系，山西长治 046011）

辣椒（Capsicum annumL.）在我国各地均有不同程度的分布和栽培，是人们日常生活中最受欢迎的蔬菜作物之一（王继榜，2013）。氮素是影响蔬菜作物产量和品质的关键性元素（张妮 等，2021；袁巧丽 等，2022），在农业生产中，大多数种植户为了追求经济效益最大化，不是按照作物需肥特性和土壤供肥性能来精准施肥，而是普遍采用过量施入氮肥来提质增产（聂金 等，2021；王赫 等，2021），从而导致土壤肥力不平衡、氮肥利用效率低，威胁农田生态环境，制约农业可持续发展（吴玥 等，2021）。因此，寻找蔬菜作物产量最大化下的临界氮浓度值，对实现科学合理施肥具有重要意义。

优化作物生长阶段所需的氮浓度对于评价作物氮素营养状况至关重要（王涛 等，2013）。前人针对测土配方施肥（Hansen &Schjoerring，2003）、SPAD 计快速诊断（Zheng et al.，2015）、光谱遥感（Ren et al.，2010）和机器视觉（贾彪和马富裕，2016）等方法对植株氮素营养精确诊断做了大量研究，但是这些作物氮素营养诊断技术受成本、技术普及度的影响，存在地域和年际间的不稳定性，推广存在一定困难。Greenwood 等（1991）总结了作物生长和氮素吸收的规律，提出了临界氮浓度（Nc）的概念，即作物最大生长所需的最低氮浓度。Nc因其在作物氮素营养诊断中的准确性和稳定性而受到研究者的广泛关注，因此可以作为评价作物氮素营养是否足够的优选技术。基于作物整株生物量（吕茹洁 等，2018；石小虎和蔡焕杰，2018；刘秋霞等，2019；付江鹏 等，2020）和器官生物量（Zhao et al.，2017）的临界氮浓度稀释曲线已在多种农作物上构建和应用。向友珍等（2016）、Hoogmoed 和Sadras（2016）研究表明，由于气候环境差异、生育期长短和品种差异的影响，模型参数存在变异性。因此，对模型的本地化研究是非常重要的。目前众多学者对辣椒开展了氮肥试验研究，唐恒朋（2016）研究了不同氮素用量对辣椒的形态指标、光合特性、产量和品质的影响，结果表明在贵州黔南地区长辣6 号和火焰山氮素施用量以207 kg·hm-2较优，实际生产中可在此基础上适当调整；叶洁（2017）研究了控释氮肥用量对辣椒生长生理和养分利用的影响，结果表明常规控释氮肥用量（172.2 kg·hm-2）可作为辣椒栽培中控释氮肥用量的参考依据。辣椒作为贵州省的特色优势经济作物，在全国辣椒产业中具有举足轻重的地位。由于不同基因型和环境的变化对Nc稀释曲线参数的响应不同，本试验以当地主栽的2 个品种辣研102、苏椒5 号为研究对象开展辣椒氮肥试验，建立当地主栽辣椒品种Nc稀释曲线，将其与现有不同作物品种的Nc曲线进行比较，并对该曲线的可靠性进行评价，以期为区域辣椒氮肥精准管理及高产栽培提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2019—2020 年连续两年在贵州省农业科学院试验基地（E 107°05′17″，N 26°16′33″）进行4 个田间地块定位试验。试验地海拔高度为1 000 m，年均温度16 ℃，年均降雨量1 270 mm。土壤质地为红壤土，在播种前采集耕层0～30 cm土壤样品，风干后测定基本理化性质（表1）。

表1 试验地土壤基础肥力

1.2 试验设计

供试辣椒品种为当地种植面积较广的辣研102、苏椒5 号。试验设5 个氮肥施用水平，分别为0、70、140、210、280 kg·hm-2，以N0、N70、N140、N210、N280 表示；小区面积为10 m2，3 次重复，随机区组排列；定植株距30 cm，行距50 cm，每小区种植60 株。氮肥为尿素（总N≥46.4%），磷肥为磷酸二氢钾（138 kg ·hm-2），钾肥为硫酸钾（120 kg·hm-2），均作基肥一次性施入土壤。采用穴盘育苗法，待幼苗长至6～7片真叶、株高15 cm 左右时，带土定植。

1.3 测定指标及方法

在定植后30、50、70、90、110、130 d，每小区随机选取长势一致的植株5 株，将地上部分分离成茎、叶、果实3 部分，采用干燥法对各器官干质量进行测定，最后折算成辣椒植株地上部干质量。分别将各处理的干样粉碎、研磨、过筛，采用微量凯氏定氮法测定各器官氮含量，折算成辣椒植株地上部氮浓度。于第一次采收果实到最后一次采收果实，分别统计各批次小区产量，最后计算辣椒总产量。

1.4 临界氮浓度稀释曲线模型描述

根据Justes 等（1994）提出的临界氮浓度稀释曲线计算方法，建模步骤如下：①对每次取样的植株地上部干质量及对应的氮浓度进行方差分析，将其分为限氮营养和非限氮营养2 类；②对受氮素影响的氮素水平，将其植株地上部干质量与氮浓度进行曲线拟合；③对不受氮素影响的氮素水平，取其植株地上部干质量的均值代表最大干质量；④采样日的临界氮浓度值由上述线性曲线与以最大植株地上部干质量为横坐标的垂线交点的纵坐标决定。基于植株地上部干质量的临界氮浓度稀释曲线模型为：

Nc＝aPDM－b

式中，Nc为临界氮浓度值（%），PDM为植株地上部干质量的最大值（t·hm-2），a和b均为模型的参数。

1.5 氮素营养指数测定

氮素营养指数（nitrogen nutrition index，NNI）根据Yue 等（2014）描述的方法计算。

式中，Nc为临界氮浓度值（%），PNC为植株地上部氮浓度（%）。若NNI＜1，表明氮素不足；NNI＝1，表明氮素恰好适量；NNI＞1，表明氮素过量。

1.6 数据处理与分析

采用Excel 2010 软件进行数据整理，采用IBM SPSS Statistics 22.0 软件对PDM和PNC进行单因素方差分析（one-way analysis of variance，ANOVA），预设显著性水平P＜0.05，采用最小显著性差异法检验PDM和PNC的差异显著性。采用2019 年的数据，构建Nc稀释曲线；利用2020 年的数据，采用均方根误差RMSE（root mean square error）和标准化均方根误差（n-RMSE）进行模型验证（Yao et al.，2014）。

2 结果与分析

2.1 辣椒植株地上部干质量及氮浓度动态变化

施氮水平对辣椒植株地上部干物质积累有显著影响，植株地上部干质量大多呈随着施氮量的增加逐渐增大的变化趋势，且随着植株生育进程的推进逐渐增加，而除2019 年定植50 d 的辣研102外，N210 与N280 处理的植株地上部干质量均无显著差异（表2）。辣研102、苏椒5 号2019 年的植株地上部干质量变化范围分别为0.24～15.01 t·hm-2和0.64～14.22 t·hm-2，2020 年的变化范围分别为0.34～15.14 t·hm-2和0.61～14.98 t·hm-2。2个品种植株地上部干质量均满足不等式：N0（P＝0.263）＜N70（P＝0.672）＜N140（P＝0.564）＜N210（P＝0.041）≈N280（P＝0.033）。

表2 辣椒植株地上部干质量动态变化

同一取样时期，2 个辣椒品种植株地上部氮浓度均随着施氮量的提高而增加。从整个生育期来看，植株地上部氮浓度均随着定植天数的增加呈下降趋势（图1）。2019 年2 个品种的植株地上部氮浓度变化范围分别为1.38%～4.11%和1.39%～4.21%，2020 年的变化范围分别为1.21%～4.39%和1.30%～4.31%。

图1 辣椒植株地上部氮浓度动态变化

2.2 临界氮浓度稀释曲线模型构建

利用2019 年试验获取的数据资料，计算2 个辣椒品种定植后30～130 d 的临界氮浓度值。由于辣椒定植后30 d 各施氮水平植株地上部干质量之间大多没有显著性差异（表2），导致植株地上部氮浓度变化较为稳定，因此该时期的临界氮浓度值由不受氮素限制处理的最小氮浓度与受氮素限制处理的最大氮浓度的平均值代表（向友珍 等，2016），经计算辣研102、苏椒5 号的临界氮浓度常数为4.45%、4.38%。定植后50、70、90、110、130 d辣研102 的临界氮浓度值分别为3.79%、2.88%、2.56%、2.04%和1.97%，苏椒5 号分别为3.82%、3.03%、2.49%、2.01%和1.92%。对上述临界氮浓度值与其对应的最大植株地上部干质量进行拟合，得到了辣研102、苏椒5 号2 个辣椒品种的临界氮浓度稀释曲线模型，方程的决定系数分别为0.94、0.95，均达到显著水平（图2）。

基于植株地上部干质量构建的2 个辣椒品种临界氮浓度稀释曲线模型中，参数a分别为4.67和4.23，参数b分别为-0.29 和-0.27（图2）。为了进一步分析这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+blnPDM，辣研102、苏椒5 号的直线化模型分别为lnNc＝1.58 -0.29 lnPDM和lnNc＝1.54-0.27 lnPDM。采用协方差分析方法，分别分析2 个辣椒品种临界氮浓度稀释曲线模型之间的斜率与截距间差异，结果显示辣研102 和苏椒5 号斜率与截距的P值分别为0.923 和0.535，都大于0.05，表明2 个辣椒品种之间没有显著性差异。因此，将这2 个品种的曲线并置拟合，形成统一的辣椒临界氮浓度稀释曲线模型：Nc＝4.39PDM-0.28，R2为0.93（图3）。

图2 不同品种辣椒临界氮浓度稀释曲线模型构建

图3 统一的辣椒临界氮浓度稀释曲线模型

2.3 临界氮浓度稀释曲线验证

利用2020 年的独立试验数据资料对基于植株地上部干质量的Nc模型进行检验。结果表明（图4），利用方程拟合的临界氮浓度实测值与模拟值之间呈显著的线性关系，决定系数R2为0.87。将独立数据中的最大植株地上部干质量代入模型后，计算临界氮浓度模拟值，通过1∶1 直方图来对比临界氮浓度实测值和模拟值之间的拟合度。经计算RMSE 为0.26，n-RMSE 为10.08%，表明模型具有较好的稳定性，可用于辣椒氮素营养的评估与诊断。

图4 辣椒临界氮浓度稀释曲线模型验证结果

2.4 氮素营养指数动态变化

从图5 可以看出，不同的施氮处理、生长时期、生育时期以及品种间的氮素营养指数（NNI）均有明显差异。NNI 值均随着施氮水平的提高而不断上升，2019 年辣研102、苏椒5 号的NNI 值变化范围为0.61～1.30 和0.62～1.18，2020 年NNI 值变化范围为0.60～1.19 和0.55～1.14。在辣椒整个生育期内，N0、N70 和N140 处理下2 个品种的NNI 值均小于1，表明植株地上部氮浓度偏低，氮肥施用量不足；在N280 处理下NNI 值大于1，表明植株地上部氮浓度过高，氮肥施用过量；在N210 处理下NNI 值在1 上下波动，表明在当前土壤肥力水平下氮肥施入量为210 kg·hm-2较为适宜。

图5 辣椒氮素营养指数动态变化

此外，采用线性加平台模型模拟NNI 与相对产量（RY）之间的关系，回归方程决定系数为0.80，达到极显著水平（图6）。当NNI≥0.95 时，RY获得最大值（0.97），当NNI＜0.95 时，RY 值随NNI 的降低而减小。

图6 辣椒氮营养指数与相对产量的关系

3 讨论

临界氮浓度稀释曲线可快速有效诊断及评价植株氮素营养状况（吕茹洁 等，2018；石小虎和蔡焕杰，2018；刘秋霞 等，2019；付江鹏 等，2020）。从数学的角度来讲，参数a代表植株地上部干质量为1 t·hm-2时的植株氮浓度，表示作物生育初期内在的需氮特性；参数b表示植株氮浓度随植株地上部干质量的变化情况，其值取决于植株氮素吸收量与干质量之间的比例关系（Gastal &Lemaire，2002）。本试验建立的辣椒临界氮浓度稀释曲线模型（Nc＝4.39PDM-0.28）与向友珍等（2016）针对西北日光温室甜椒在最佳灌水量下建立的临界氮浓度稀释曲线模型（Nc＝4.71PDM-0.320）参数相比明显偏低，造成参数a、b值偏低的原因一方面可能是西北日光温室甜椒供试土壤为重壤土，其氮素矿化率比贵州地区黄壤土高，而且在温室中温湿度可控制的前提下，适宜的土壤温度和湿度也使微生物的活性更强，提高了土壤的供氮能力（Justes et al.，1994）；另一方面可能是由于不同辣椒品种对氮素敏感性程度不同，在氮素吸收效率和利用效率等方面存在差异，导致模型参数不同。

辣椒属于C3作物中的茄科类蔬菜，与同科类的番茄生长习性具有较大的相似性，结合王新等（2013）针对滴灌番茄所建立的模型（Nc＝4.352PDM-0.274）参数a值和b值与本试验所构建的模型参数极为接近，表明两个生态区域气候、土壤等环境条件对临界氮浓度稀释曲线斜率影响较小，即其存在较好的稳定性，提高了模型的精度和普适性。此外，本试验利用2020 年的数据对辣椒临界氮浓度稀释曲线模型进行了验证，RMSE 为0.26。从验证结果可知，基于植株地上部干质量构建的辣椒临界氮浓度稀释曲线模型模拟效果较好。与向友珍等（2016）针对西北日光温室甜椒建立的临界氮浓度稀释曲线模型模拟效果相比，本试验建立的模型RMSE 相对较小，表明模型模拟的效果相对较好，这可能与施肥方式、不同生长环境下作物的不同氮浓度变化特性相关。此外，辣椒临界氮浓度稀释曲线模型n-RMSE 值为10.08%，表明模型的稳定性较好，可以作为辣椒氮素营养状况判断的工具之一。

NNI 是衡量作物氮素状态的理想指标（向友珍等，2016；Hoogmoed &Sadras，2016；刘秋霞 等，2019）。本试验中，2 个辣椒品种不同施氮处理下NNI 值在0.55～1.30 之间变化。在现蕾期（定植后30 d），不同氮素处理下的NNI 值均最小，而开花期（定植后50 d），除2020 年种植的苏椒5 号外，NNI 值均随着氮肥用量的增加呈现不同程度的上升趋势。这一方面可能是现蕾期是辣椒生长发育最旺盛的阶段，此时期辣椒需要养分的绝对数量和相对数量都最大且吸收速度也最快；另一方面可能是由于该时期辣椒开始由营养生长向生殖生长转变，其对氮肥的需求不如现蕾期迫切，这表明施肥量和施肥时期均能影响作物的营养状况，且NNI 能够很好地对其作出反应，与前人研究结果一致（Lemaire et al.，2008）。

关于辣椒最佳施氮量前人做了大量研究。唐恒朋（2016）研究表明，从辣椒优质高产的角度考虑，推荐氮素施用量以207 kg·hm-2较优；叶洁（2017）研究表明，从氮肥减量的角度考虑，施氮量为172.2 kg·hm-2可作为辣椒栽培中控释氮肥用量的参考依据。根据辣椒氮素营养指数的动态变化，本试验认为较适宜的辣椒施氮量为210 kg·hm-2，这与唐恒朋（2016）的研究结果基本一致。当辣椒NNI ＜0.95 时，NNI 与RY 呈极显著正相关，可以解释不同施氮水平下辣椒相对产量的变化。Ziadi 等（2008）也验证了玉米NNI ＜0.93 时，NNI 与RY 呈显著正相关。因此，利用NNI 进行作物氮营养状况和产量的估计具有较大的潜力（Ata-Ul-Karim et al.，2016，2017）。

4 结论

随生育进程的推进，辣椒植株地上部氮浓度逐渐降低，干质量呈升高趋势。根据植株地上部干质量和氮浓度的关系，建立了辣椒临界氮浓度稀释曲线模型：Nc＝4.39PDM-0.28。模型的RMSE 为0.26，n-RMSE 为10.08%，表明模型有较好的稳定性。辣椒氮素营养指数随施氮量的增加而升高，施氮量为210 kg·hm-2时NNI 基本接近于1。根据辣椒相对产量与氮素营养指数的关系及NNI 的综合表现，推荐贵州地区辣椒较适宜的施氮量为210 kg·hm-2。