豫中地区冬小麦临界氮稀释曲线与氮营养指数模型的建立

岳松华 刘春雨 黄玉芳 叶优良河南农业大学资源与环境学院，河南郑州 450002



豫中地区冬小麦临界氮稀释曲线与氮营养指数模型的建立

岳松华 刘春雨 黄玉芳 叶优良*
河南农业大学资源与环境学院，河南郑州 450002

摘 要：为了验证小麦临界氮稀释曲线在豫中地区的适用性，选择大穗型品种周麦16和多穗型品种豫麦49-198进行了连续3年（2011年10月至2014年6月）的田间定位试验，设置5个氮水平（纯氮0、120、180、240、360 kg hm-2），分别构建了小麦地上部生物量临界氮浓度稀释曲线模型和氮营养指数模型。结果表明，地上部生物量随着施氮量增加显著提高，而后趋于平缓；小麦临界氮浓度与地上部生物量符合幂函数关系，其 R2分别为 0.8203 （豫麦49-198，P＜0.01）和0.7981 （周麦16，P＜0.01），且模型在年度间具有较好的稳定性。根据模型得到的氮营养指数可以较好地评价小麦植株氮营养状况，且小麦氮营养指数和相对茎基部硝酸盐之间具有显著的线性相关。说明本文所构建的小麦临界氮浓度稀释模型适用于本地区，且可以用来估测小麦植株氮素盈亏水平。

关键词：小麦；临界氮稀释曲线；氮营养指数；茎基部硝酸盐

本研究由国家自然科学基金项目（31471935）和国家公益性行业（农业）科研专项（201103003）资助。

This study was supported by the National Natural Science foundation of China （31471935） and the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest （201103003）

第一作者联系方式∶ E-mail∶ 1069342241@qq.com

URL∶ http∶//www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160321.1056.008.html

小麦是我国三大粮食作物之一，河南省是我国的主要粮食生产基地，其中豫中地区的小麦种植面积和产量分别占全省的 37%和45%，是河南省小麦的主产区［1］。氮是小麦生长发育必需的营养元素，近年来，生产上盲目施肥、过度施氮，导致氮肥利用效率低下，不仅没有达到预期增产目标，而且造成环境污染、生产成本提高等问题［2-3］。研究表明，适量氮肥供应能够调控小麦生长发育，改善其光合性能，从而提高小麦产量和品质［4］。

明确小麦植株各个生育时期的临界氮浓度是合理施用氮肥的基础，临界氮浓度指作物获得最大生物量增长所需要的最低氮浓度，即作物获得最大生物量增长所需要的最少氮素营养［5-6］。Greenwood等［7］的研究表明，作物地上部含氮量（N）与地上部总生物量（W）之间呈幂函数（N = aW-b）关系，并提出了C3、C4作物的临界氮浓度与地上干物质间的通用模型，即N = 5.17W-0.5（C3作物）和N = 4.11W-0.5（C4作物）；Lemaire等［8］利用多个试验结果的平均值，将上述模型修正为 N = 4.8DM-0.34（C3作物）和N = 3.6DM-0.34（C4作物），式中DM为地上部生物量。但由于供试作物有限，上述模型仍无法代表所有 C3、C4作物，随后在玉米［5］、棉花［9］、水稻［10］、番茄［11］等作物上分别进行了参数调试，并建立了相应的模型。在小麦上，国内外学者根据不同试验、不同品种对小麦地上部含氮量与地上部总生物量之间的关系也进行了大量的研究，并先后构建了小麦临界氮浓度与地上部生物量之间的关系模型［12-14］，为小麦氮素营养诊断和精确施肥管理提供了理论基础。

基于临界氮浓度，氮营养指数（nitrogen nutrition index）被定义为实际氮浓度与临界氮浓度的比值，可以作为评价氮营养状况的一个可靠指标［15-16］。然而，临界氮浓度与地上部干物重的幂函数曲线模型的参数可能因试验地区或作物的不同而出现差异［7，12，17］，因此，对于特定作物来说，研究其地区适应性及不同品种之间的差异显得十分必要。

本研究选择两种类型的小麦主栽品种，通过 3年定位试验，以探讨利用小麦临界氮浓度稀释曲线来估测小麦植株氮素盈亏水平和诊断小麦氮素营养的可行性，为小麦氮肥精确管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

河南省禹州市顺店镇康城村（34°27′ N，113°34′E）属暖温带半湿润季风季候，土壤类型为潮土，质地黏壤，播前耕层土壤（0～20 cm） pH值为8.2，含全氮1.04 g kg-1、有机质20.5 g kg-1、速效钾142 mg kg-1、速效磷20 mg kg-1；0～30 cm土层中无机氮（Nmin）为58 kg hm-2，耕层土壤容重为1.45 g cm-3。

1.2 试验设计

2011年10月至2014年6月连续3个小麦生长季，选用多穗型品种豫麦49-198和大穗型品种周麦16，设5个施氮（尿素，含纯氮46%）水平，纯氮量分别为0 （N0）、120 （N120）、180 （N180）、240 （N240）和360 kg hm-2（N360），1/2在播前施入，1/2在拔节期追施；播前随氮肥同时施入P2O5和K2O各90 kg hm-2，其中磷肥为过磷酸钙（含P2O512%），钾肥为氯化钾（含K2O 60%）。小区长8 m，宽6 m，重复3次，随机区组排列。两个小麦品种的播量均为150 kg hm-2。

于同一地块定位试验，种植模式为小麦-玉米一年二熟制。2011—2012年度于 2011年 10月 17日播种，10月26日出苗，2012年6月5日收获；2012 —2013年度于2012年10月12日播种，10月19日出苗，2013年6月5日收获；2013—2014年度于2013 年10月13日播种，10月22日出苗，2014年6月1日收获。为保证不同氮水平对土壤造成的差异一致，玉米季氮、磷、钾肥总用量与小麦季相同，即也设同样5个氮水平，但1/3氮肥在播前施入，2/3在大喇叭口期追施，而磷、钾肥全部在播种前一次性施入。

1.3 地上部生物量和植株氮含量的测定

在小麦播后68 d （越冬期）、132～137 d （返青期）、156～165 d （拔节期）、196～198 d （开花期）、232～236 d（成熟期），取每小区1 m双行植株样，105℃杀青，75℃烘干后称取重量。

从上述各生育期所取植株样品中选择代表性的10株（开花期和成熟期为10个单茎），105℃杀青，75℃烘干后粉碎，充分混匀，用凯氏定氮法测定小麦整株的全氮含量，利用反射仪（RQ-flex）以比色法直接测定植株茎基部的硝酸盐含量［18］。

1.4 小麦临界氮浓度稀释曲线

综合 Justes等［12］和薛晓萍等［9］提出的临界氮浓度稀释曲线的计算方法，主要包括4个步骤∶ （1）对比分析不同氮素水平试验下每次取样的地上部干物质重及相应的植株氮浓度值，用方差分析对作物生长受氮素营养限制与否的施氮水平进行分类；（2）对施氮量不能满足作物最大生长需求的试验资料，其地上干物质与氮浓度值的关系以线性曲线拟合；（3）对作物生长不受氮素影响的施氮水平，用其地上部干物质的平均值代表最大干物质；（4）每个取样日的理论临界氮浓度由上述线性曲线与横坐标上最大干物质垂线的相交点的纵坐标决定。小麦临界氮浓度稀释曲线通用模型为Nc= aDM-b，式中，Nc为地上部临界氮浓度值（%），DM 为地上最大干物质积累量（t hm-2），a和b为参数，a为地上部干物质为1 Mg hm-2时的氮浓度，b为控制该曲线斜率的统计参数。

1.5 模型的检验

采用回归估计标准误差（RMSE）分析模拟值和真实值之间的符合度，RMSE值越小，模拟值与真实值的一致性越好，偏差越小，即模型的预测精度越高；同时，用模拟值与真实值之间1∶1直方图来直观显示模型的拟合度和可靠性［19］。

式中Pi为实测值，Oi为对应的模拟值，N为样本量。

本文用2011—2012和2012—2013年度数据分别曲线拟合建立模型，将2013—2014年度试验数据带入所建模型中，计算出2013—2014年度各个取样日的临界氮浓度值，为模拟值；根据临界氮浓度稀释曲线的计算方法，计算2013—2014年度各个取样日的实际临界氮浓度值，为真实值，利用公式对模型进行检验。

1.6 小麦氮营养指数

为了更精确地反映小麦植株含氮量是否适宜，氮营养指数模型被用来定量评估小麦体内的氮素状况［20］。NNI = Na/Nc，式中NNI为氮营养指数，Na为小麦地上部氮浓度的实测值，Nc为根据临界氮浓度稀释模型求得的临界氮浓度值。NNI = 1表明小麦体内氮素营养水平处于最佳状态，NNI ＞ 1表明氮营养过剩，NNI ＜ 1表明氮营养不足［21］。

1.7 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS20.0处理试验数据，用 Duncan's法进行处理间多重比较；采用OriginPro 8.1绘图。

2 结果与分析

2.1 施氮量对小麦地上部生物量累积的影响

3年试验结果表明，地上部生物量均随着施氮量的增加而增加，N180、N240和N360处理间差异不显著，但都显著高于 N0和 N120处理（表 1）。根据前人报道的临界氮浓度稀释曲线模型计算方法［9，12］，分别对比分析豫麦49-198和周麦16的地上部生物量，均满足统计意义上的不等式DM0＜ DM120＜ DM180= DM240= DM360。

2.2 小麦植株临界氮浓度稀释曲线模型的建立

以2011—2012和2012—2013年度数据拟合模型，发现随地上部生物量的增长，小麦临界氮浓度（Nc）呈逐渐下降的趋势，两品种的模型结构相同，但临界氮稀释曲线斜率有明显差异，因此分别对两品种进行临界氮浓度稀释曲线拟合，方程的决定系数分别为0.8203和0.7981，均达极显著水平（图1）。说明这 2个方程可以用来表征小麦植株氮含量与地上部生物量的关系。

两个小麦品种临界氮浓度模型（Nc= aDM-b）中的参数b有一定的差异，但变化范围较小；而参数a的变化范围较大，在3.756～4.103之间，说明在相同干物质情况下，豫麦49-198的临界氮浓度值高于周麦16。

2.3 临界氮浓度稀释曲线模型的验证

利用 2013—2014年度数据对上述模型验证可以看出，两品种的 5个取样期的临界氮浓度模拟值与真实值的误差分别为-0.32%～0.64%和-0.21%～0.60%，按公式（1）求得两品种临界氮浓度的 RMSE值分别为0.38和0.35 （表2）。由图2可知，模拟值与真实值之间拟合度达到极显著水平，二者之间基本符合y = x的1∶1线性关系，说明模拟值与真实值之间具有较高的吻合度，模拟精度较高。由此可见，临界氮浓度稀释曲线模拟模型在年度间具有较好的稳定性，可作为氮营养诊断曲线。

2.4 小麦植株地上部氮素营养指数模拟模型的建立

为了验证本文建立的小麦临界氮稀释曲线的合理性，进一步建立了小麦植株地上部氮素营养指数模拟模型。两品种的氮营养指数随着施氮量的增加而上升，随小麦生育时期的推进呈波动状态，且 3年变化趋势基本一致（图3）。N0处理由于没有施用氮肥，小麦氮营养指数从返青期到成熟期逐渐下降；而其他处理的氮素营养指数在拔节期有明显的下降趋势，表明拔节期对氮素需求量比较大，追施氮肥后，氮素营养指数明显升高。在小麦整个生育时期，N0、N120处理的氮素营养指数均低于 1，表明植株受氮素的制约；N240、N360处理的氮素营养指数均大于 1，表明氮素供应充足；而 N180处理的氮素营养指数一直在1附近波动，表明施氮量适宜。由此可见，氮营养指数是一个较好的小麦植株氮营养状况诊断指标。

2.5 氮营养指数与植株相对茎基部硝酸盐之间的关系

小麦植株茎基部硝酸盐含量与植株全氮有密切的关系，当作物轻微缺氮时，植株全氮还未发生变化，而植株茎基部硝酸盐已发生明显的变化，当供氮超过作物需求时，茎基部硝酸盐也会比全氮有大幅度的提高，通过茎基部硝酸盐能够更快、更易判断冬小麦氮素营养状况［25］。为了验证本文所求氮营养指数在评价植株氮素营养上的准确性，分别分析了2个小麦品种氮营养指数与相对茎基部硝酸盐之间的关系。图4和图5显示，两品种的相对茎基部硝酸盐均随着氮素营养指数的增加而增加，并呈线性关系，除豫麦49-198越冬期相对茎基部硝酸盐与氮素营养指数方程的决定系数较小、拟合度不显著外，其他均达到极显著水平。可见，氮营养指数与相对茎基部硝酸盐之间关系密切，利用氮营养指数来评价小麦植株氮素营养状况的方法是准确的。

表1 不同施氮量对小麦地上部生物量累积的影响Table 1 Effect of nitrogen application rate on shoot biomass accumulation in wheat （t hm-2）

图1 小麦地上部生物量临界氮浓度稀释曲线Fig. 1 Critical nitrogen concentration dilution curve in shoot biomass of wheat

表2 小麦临界氮浓度（CNC）模拟值与真实值Table 2 Simulated and observed critical nitrogen concentrations （CNC） of wheat

图2 小麦临界氮浓度模拟值与真实值的关系Fig. 2 Relationship between simulated and observed critical nitrogen concentrations of wheat

图3 不同氮肥处理对小麦不同生育时期植株氮营养指数（NNI）的影响Fig. 3 Effects of different nutrition fertilizer treatments on nitrogen nutrition index （NNI） in different growth stages of wheat

3 讨论

为解决目前小麦生产上过量施氮的普遍问题，亟需加强作物的氮素营养诊断研究，建立快速有效的技术方法，而明确小麦主要生育阶段的临界氮浓度是科学诊断植株氮营养状况，指导合理施氮的基础［22］。研究表明，作物在生长过程中体内氮浓度与其生物量的关系符合幂函数关系，但作物种类和品种、种植环境等均影响模型参数，因此国内外众多学者先后建立和修正了多个临界氮浓度稀释模型。如 Justes等［12］构建的高蛋白小麦 Nc模型（Nc= 5.35DM-0.44），薛晓萍等［9］在安阳和南京构建的 2个棉花Nc模型（Nc= 3.387DM-0.131和Nc= 2.858DM-0.131），梁效贵等［5］构建的华北夏玉米 Nc模型（Nc= 34.914DM-0.4134），Colnenne等［23］建立的油菜Nc模型（Nc= 4.48DM-0.25），Tei等［24］构建的马铃薯Nc模型（Nc= 3.90DM-0.27），这些研究所得到的模型形式与 Greenwood等提出的模型一致，但参数不同。在小麦上，与 Justes等［12］的模型相比，Yue等［13］建立的中国华北平原小麦Nc模型（Nc= 4.15DM-0.38）和赵犇等［14］利用扬麦16和宁麦13构建的模型（Nc= 4.65DM-0.44和 Nc= 4.33DM-0.45），其参数相差较大；而本研究针对豫麦49-198和周麦16拟合的两个方程（Nc= 4.103DM-0.435和Nc= 3.756DM-0.388）与Yue等［13］和赵犇等［14］的模型参数差异相对较小。

图4 豫麦49-198氮营养指数（NNI）与相对茎基部硝酸盐的关系Fig. 4 Relationship between nitrogen nutrition index （NNI） and nitrate concentration in stem base of Yumai 49-198

图5 周麦16氮营养指数（NNI）与相对茎基部硝酸盐的关系Fig. 5 Relationship between nitrogen nutrition index （NNI） and nitrate concentration in stem base of Zhoumai 16

本研究利用 3年5个氮水平的数据，构建豫中地区两个主要小麦品种临界氮浓度稀释模型，通过回归估计标准误差及模拟值与真实值之间 1︰1的直方图验证可知，这两个方程在不同年度间具有较好的稳定性，可以作为豫中地区小麦氮营养诊断曲线。这两个方程的参数a差异较大，也与Justes等［12］模型中的参数 a有很大差异，其主要原因可能是品种因素。本研究所采用的两个小麦品种，代表了生产中多穗型和大穗型两个类型的小麦品种，是我们前期从常用10个品种对比试验中筛选出来的。不同类型小麦品种对氮素营养的反应不同［18，25-26］，多穗型豫麦49-198的植株吸氮能力大于周麦16。据报道，临界氮稀释曲线的斜率（参数b）受气候、土壤、密度等环境条件的影响较小［9，14］，而本文所构建的2个方程其参数 b有明显差异，否是与这 2个品种的籽粒蛋白质含量差异有关，还需进一步研究。

Lemaire等［16］基于作物临界氮浓度稀释模型提出氮营养指数的概念，可定量动态描述作物的氮营养状况。赵犇等［14］研究表明，小麦氮营养指数在0.37～1.28之间，并随施氮量的增加而升高。在本研究中，2011—2012和 2012—2013年度该指标介于0.48～1.33之间，而2013—2014年度则在0.51～1.69之间，特别是小麦开花到成熟期间，氮营养指数远远高于前两年数据，这可能与2013—2014年度气温较常年偏高，降水量大幅减少有关。目前还没有关于气温、降水量等气象因素对氮营养指数影响的报道，本课题组拟对此系统研究。

本研究表明，氮营养指数在拔节期迅速降低，说明此时植株对氮需求量较大，导致氮吸收不足和氮浓度降低；N180处理的氮营养指数在 1附近波动，反映了小麦的适宜施氮量是180 kg hm-2，这与本课题组多年多点的研究结果一致［18，25-26］。由此也看出，用氮营养指数来评价植株氮营养状况的方法是可靠的，可以用来诊断调控小麦氮素营养。小麦植株茎基部硝酸盐含量与植株全氮关系密切，利用茎基部硝酸盐含量能够更快、更方便地判断小麦氮素营养状况［27］。本研究发现，氮营养指数与小麦相对茎基部硝酸盐显著相关，因此认为氮营养指数模型可以用来评价小麦植株氮素盈亏水平，建议采用小麦临界氮浓度稀释曲线诊断小麦氮营养。

4 结论

建立了两种穗型小麦品种的地上部临界氮浓度稀释曲线模型，该模型具有较好的稳定性，可以说明豫中地区植株地上部生物量和氮浓度之间的关系。进一步利用临界氮浓度建立了小麦植株地上部氮素营养指数的模拟模型，可以较好地评价小麦植株氮营养状况。根据本研究建立的氮素营养指数模型，推荐豫中地区冬小麦最佳施氮量为180 kg hm-2，在该施氮水平可获得最高产量。

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Simulating Critical Nitrogen Dilution Curve and Modeling Nitrogen Nutrition Index in Winter Wheat in Central Henan Area

YUE Song-Hua，LIU Chun-Yu，HUANG Yu-Fang，and YE You-Liang*
College of Resources and Environment，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China

Abstract：To test the applicability of critical nitrogen dilution curve for estimating nitrogen （N） nutrient status of winter wheat in central Henan area，we carried out a site-fixed experiment from October 2011 to June 2014 using the large-spike variety Zhoumai 16 and the multi-spike variety Yumai 49-198. Five N application levels，namely pure N 0，120，180，240，and 360 kg ha-1，were designed to build the critical N concentration dilution curve of shoot biomass and N nutrition index model. The aboveground biomass increased obviously with rising N level and then tended to a mild level. The relationship between critical N concentration and shoot biomass of wheat fit the power function with R2of 0.8203 for Yumai 49-198 and 0.7981 for Zhoumai 16 （P ＜ 0.01）. These models showed good stability across years. The N nutrition index estimated by the model could be used for evaluating the N nutrition situation of wheat plants，and a significant linear correlation was observed between the N nutrition index and the nitrate concentration in wheat stem base. These results indicate that the critical N concentration dilution model is applicable in diagnosing N nutrient status of wheat plants in central Henan area.

Keywords：Wheat；Critical nitrogen dilution；Nitrogen nutrition index；Stem sap nitrate

DOI：10.3724/SP.J.1006.2016.00909

*通讯作者（

Corresponding author）∶ 叶优良，E-mail∶ ylye2004@163.com，Tel∶ 0371-63558290

收稿日期Received（）∶ 2015-09-06；Accepted（接受日期）∶ 2016-03-14；Published online（网络出版日期）∶ 2016-03-21.