水氮耦合條件下番茄臨界氮濃度模型的建立及氮素營養(yǎng)診斷

楊 慧， 曹紅霞， 柳美玉， 劉世和

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100)

水氮耦合條件下番茄臨界氮濃度模型的建立及氮素營養(yǎng)診斷

楊 慧， 曹紅霞*， 柳美玉， 劉世和

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100)

【目的】臨界氮濃度是指在一定的生長時(shí)期內(nèi)獲得最大生物量時(shí)的最小氮濃度值，具有明確的生物學(xué)意義。探究不同水氮供應(yīng)對(duì)番茄地上部生物量、氮素累積的影響，構(gòu)建臨界氮濃度稀釋曲線模型，并基于氮素吸收和氮營養(yǎng)指數(shù)模型進(jìn)行番茄氮素營養(yǎng)診斷，可為番茄水肥一體化提供一定的理論依據(jù)?！痉椒ā坑?013年在日光溫室內(nèi)進(jìn)行了盆栽試驗(yàn)，供試番茄品種為金鵬M6088。設(shè)置3個(gè)灌水量為低水 W1(60%～70%θf)、中水 W2(70%～80%θf)和高水 W3(80%～90%θf)，θf為田間持水率；施氮量設(shè)置3個(gè)水平為低氮 N1(N 0.24 g/kg土)、中氮 N2(N 0.36 g/kg土)和高氮 N3(N 0.48 g/kg土)，試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共9個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)15次，研究了不同水氮條件下番茄的地上部生物量、氮素累積及氮濃度的動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)建了番茄不同水分條件下的臨界氮濃度稀釋曲線模型?！窘Y(jié)果】番茄地上部生物量、氮累積量隨移栽時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化符合Logistic模型，不同水氮供應(yīng)對(duì)番茄地上部生物量理論最大值的影響不同，中水和高水條件下，番茄地上部生物量理論最大值隨著施氮量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)；而在低水條件下呈遞增趨勢(shì)，說明適量增施氮肥可以減輕干旱對(duì)干物質(zhì)量累積的抑制；番茄地上部生物量快速累積起始日較氮快速累積起始日晚8～17 d，且不同水氮處理番茄地上部生物量最大生長速率、氮累積量最大累積速率均出現(xiàn)在中水中氮(W2N2)處理；在相同的水分條件下，番茄地上部生物量氮濃度隨施氮量的增加而提高，隨生育進(jìn)程的推移呈下降趨勢(shì)；氮濃度與地上部生物量之間符合冪指數(shù)關(guān)系，適當(dāng)增大灌水量可以提高植株對(duì)氮的容納能力，并且可以緩解氮濃度隨植株生物增長量下降，使植株穩(wěn)步有序地生長；不同的水氮供應(yīng)對(duì)番茄產(chǎn)量影響顯著，隨著灌水量和施氮量的增加，產(chǎn)量顯著提高，但當(dāng)灌水量和施氮量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)產(chǎn)量不僅沒有提高反而隨其增加而降低?！窘Y(jié)論】基于臨界氮濃度構(gòu)建的氮營養(yǎng)指數(shù)、氮吸收模型對(duì)番茄的適宜施氮量診斷結(jié)果一致，均以中水中氮(W2N2)為最佳條件，即當(dāng)灌水量和施肥量分別為62.1 L/plant、15.1 g/plant時(shí)，番茄單株產(chǎn)量達(dá)到最大(1602 g)，構(gòu)建的模型合理可行。

番茄； 水氮耦合； 干物質(zhì)累積； 臨界氮濃度； 氮營養(yǎng)指數(shù)

確定作物不同生長發(fā)育階段的適宜施氮量對(duì)提高氮肥利用效率，解決環(huán)境污染問題具有重要意義[1]。目前，葉綠素含量和遙感技術(shù)被用來診斷作物氮素虧缺，然而這兩種方法在檢測(cè)過量的氮素吸收時(shí)尚有限制[2]。臨界氮濃度被定義為在一定的生長時(shí)期內(nèi)獲得最大生物量時(shí)的最小氮濃度值,確定作物的臨界氮濃度值是作物氮素營養(yǎng)診斷的基本方法之一[3]。國內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)牧草[4]、向日葵[5]、包心菜[6]、水稻[7]、紅花[8]、馬鈴薯[9]、玉米[10-11]、棉花[12-13]等作物構(gòu)建了臨界氮濃度稀釋曲線模型，并基于氮素吸收和氮營養(yǎng)指數(shù)模型進(jìn)行了作物需氮量和氮素營養(yǎng)診斷。有學(xué)者對(duì)番茄的氮素營養(yǎng)診斷開展了研究，結(jié)果表明，番茄在生長過程中亦存在臨界、最低和最高氮稀釋曲線[3,14-15],并基于臨界氮濃度模型建立番茄氮素吸收模型、氮素營養(yǎng)指數(shù)模型來診斷番茄氮素營養(yǎng)狀況[3]。前人構(gòu)建的臨界氮濃度模型是在氮素單一因素下建立的，而水氮耦合對(duì)該模型的影響尚不清楚。本研究通過溫室盆栽試驗(yàn)，探討了不同水氮條件下番茄地上部生物量及氮素動(dòng)態(tài)累積特征，并構(gòu)建了不同水分條件下番茄臨界氮濃度、氮素吸收、氮素營養(yǎng)指數(shù)模型，探究了上述模型的可靠性，并指導(dǎo)番茄的灌水施肥管理，為番茄水肥一體化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2013年4～7月底在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行，為溫室盆栽試驗(yàn)。該試驗(yàn)站位于北緯34°18′，東經(jīng)108°40′，海拔高度521 m，多年平均氣溫12.5℃，多年平均蒸發(fā)量1500 mm，年降水量 550～600 mm。供試番茄品種為金鵬M6088。試驗(yàn)用缽下底直徑25 cm，上口直徑30 cm，高度30 cm。每缽裝風(fēng)干土18 kg，控制裝土容重1.3 g/cm3，為防止滯水，缽底部裝河沙1 kg，且每缽垂向裝2根PVC管(直徑2.5 cm、長30 cm)用于灌水。灌水管縱向均勻鉆三排圓孔，外層用網(wǎng)孔直徑1 mm的紗網(wǎng)纏繞兩層，PVC管距缽底部5 cm。供試土壤為重壤土，取自西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水灌溉實(shí)驗(yàn)站大田0—20 cm耕層。土壤基本理化性狀為: 田間持水率25.5%、有機(jī)質(zhì)6.18 g/kg、全氮0.81 g/kg、全磷0.42 g/kg、全鉀13.8 g/kg、堿解氮10.93 mg/kg、速效磷4.18 mg/kg、速效鉀102.3 mg/kg。番茄于2013年4月1日移栽定植，2013年7月28日結(jié)束。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)處理設(shè)置水分(W)和氮素(N)2個(gè)因素，其中灌水量設(shè)置3個(gè)水平為低水(W1)、中水(W2)和高水(W3)；施氮量設(shè)置3個(gè)水平為低氮(N1)、中氮(N2)和高氮(N3)，具體灌水量和施氮量見表1。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共9個(gè)處理，即W1N1、W1N2、W1N3、W2N1、W2N2、W2N3、W3N1、W3N2、W3N3，每個(gè)處理15個(gè)重復(fù)，每缽定植1株。當(dāng)番茄進(jìn)入果實(shí)膨大期開始水肥處理直至采摘結(jié)束。

注(Note):θf為田間持水率Means field capacity.

試驗(yàn)采用稱重法灌水，當(dāng)土壤含水率降至該處理水分控制下限時(shí)，灌水至控制上限。試驗(yàn)用氮、磷、鉀肥分別為尿素(含N量為46%)，過磷酸鈣(含P2O5為15%)和硫酸鉀(含K2O為50%);有機(jī)肥料為腐熟的雞糞。磷肥、鉀肥和有機(jī)肥各處理用量相同，分別為P2O50.198 g/kg、K2O 0.315 g/kg 和腐熟的雞糞30 g/kg。磷肥和有機(jī)肥作為基肥一次性施入，氮肥和鉀肥按照基追比1 ∶2施用，追肥在第一穗果膨大期和第二穗果膨大期分別等量隨水灌施。

1.3 試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 器官干物質(zhì)量和產(chǎn)量的測(cè)定 定苗后分別于苗期、開花期、果實(shí)膨大期、成熟采摘期和拉秧期進(jìn)行破壞性取樣，每次取樣3株。取樣后，分別稱量地上部莖、葉、果鮮重，在105℃下殺青15 min，72℃下烘至恒重，計(jì)算干物質(zhì)量。在果實(shí)采摘期，每次采摘當(dāng)日用電子天平以單株為單位記錄番茄產(chǎn)量。

1.3.2 植株各器官含氮量的測(cè)定 各處理的干植株樣分器官用小型粉碎機(jī)粉碎過篩，利用濃H2SO4-H2O2法消煮植物樣品，采用AA3型流動(dòng)分析儀測(cè)定消解液中全氮含量。

各器官氮累積量(g/plant)= 器官氮濃度(g/g)× 器官干物質(zhì)量(g/plant);

莖、葉、果中氮累積量相加得到植株地上部氮累積量;

地上部氮濃度(%)= 地上部氮累積量(g/plant)/地上部干物質(zhì)量(g/plant)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用EXCEL和DPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，方差分析使用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行，所有數(shù)據(jù)用OriginPro 8.5作圖。

2 模型的描述

2.1 生物量累積過程模擬

本文采用Logistic模型[16]定量描述番茄地上部生物量和氮累積量的動(dòng)態(tài)變化，以定植后天數(shù)(t)為自變量，番茄各生育期地上部生物量或氮累積量為因變量(y)，通過 Logistic方程 y = DMM/(1+ae-bt)[式中DMM為番茄地上部生物量或氮累積量的理論最大值(g/plant)]，進(jìn)行模擬。

將上述 Logistic方程進(jìn)行一階和二階求導(dǎo)，得到相應(yīng)生長曲線快速累積期起始時(shí)間T1；快速累積期結(jié)束時(shí)間T2及最大累積速率Vmax.

(1)

(2)

(3)

2.2 臨界氮濃度稀釋曲線模型

作物在生長過程中，若植株氮濃度值在臨界氮濃度以下，其生長將受到氮營養(yǎng)的制約；在臨界氮濃度以上，則說明施氮量已超過作物的需求量，作物不受氮素限制；只有植株氮濃度值等于臨界氮濃度時(shí)，施氮量最為適宜[12]。按照J(rèn)utes等[17]提出的臨界氮濃度稀釋曲線計(jì)算方法，綜合薛曉萍等[12-13]、王新等[3]關(guān)于棉花、番茄臨界氮濃度稀釋曲線模型的建模思路，構(gòu)建了單株番茄臨界氮濃度稀釋曲線模型，計(jì)算公式如下:

(4)

式中，Nc(%)為臨界氮濃度值；a為當(dāng)番茄地上部生物量為 1 kg/plant 時(shí)植株的臨界氮濃度；DWmax為番茄地上部生物量的最大值(kg/plant)；b 為決定臨界氮濃度稀釋曲線斜率的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)。

2.3 氮素吸收

番茄植株的氮吸收量(Nupt，g/plant)與累積的地上部最大生物量(DW，kg/plant)之間的關(guān)系可用公式(5)表示:

(5)

將(4)式代入(5)式得到番茄臨界氮吸收模型:

(6)

2.4 氮素營養(yǎng)指數(shù)(NNI)

為了進(jìn)一步明確作物的氮素營養(yǎng)狀況，采用氮素營養(yǎng)指數(shù)(nitrogen nutrition index，NNI)來反映植株體內(nèi)的氮素情況，可用公式(7)來表示:

(7)

式中，NNI為氮素營養(yǎng)指數(shù)；Nt為地上部生物量氮濃度的實(shí)測(cè)值(g/100g)；Nc為根據(jù)臨界氮濃度稀釋曲線模型求得的在相同的地上部生物量時(shí)的氮濃度值(g/100g)。NNI 可以直觀的反映作物體內(nèi)氮素的營養(yǎng)狀況，NNI=1，氮素營養(yǎng)狀況最為適宜；NNI>1，表現(xiàn)為氮素營養(yǎng)過剩；NNI<1，表現(xiàn)為氮素營養(yǎng)虧缺。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水氮條件下番茄地上部生物量及氮素動(dòng)態(tài)累積特征分析

3.1.1 不同水氮條件下番茄地上部干物質(zhì)累積量 表2為各生育期不同水氮條件下番茄地上部干物質(zhì)的累積情況，可以看出，各水氮處理干物質(zhì)累積量隨著生育期的推進(jìn)而增加。不同水氮處理對(duì)各生育期干物質(zhì)累積量的影響不同，在苗期和花期階段，中氮和高氮處理干物質(zhì)累積量要顯著高于低氮處理，而花期階段中水和高水處理干物質(zhì)累積量也高于低水處理，且隨施氮量增加而增加，說明在營養(yǎng)生長初期，灌水施氮有助于干物質(zhì)快速累積，促進(jìn)植株生長發(fā)育。在果實(shí)膨大期、成熟采摘期和拉秧期，在中水和高水條件下，中氮和高氮處理干物質(zhì)累積量要顯著高于低氮處理，而中氮和高氮處理之間干物質(zhì)累積量無顯著差異；在各氮素條件下，干物質(zhì)累積量在中水條件達(dá)到最大，說明適量灌水施氮有利于植株干物質(zhì)的累積。

注(Note): 表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差Data of the table represents average value±standard error;同列數(shù)據(jù)具有相同字母的表示處理間沒有達(dá)到顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)Values followed by same letters are not significantly different(P<0.05).

3.1.2 不同水氮條件下番茄地上部生物量及氮素動(dòng)態(tài)累積特征分析 為了定量研究不同水氮條件下番茄地上部生物量隨生育進(jìn)程的動(dòng)態(tài)累積變化規(guī)律，采用Logistic方程進(jìn)行擬合，得到如下方程(見表3)?？梢钥闯?，施氮量相同時(shí)，番茄地上部生物量理論最大值隨著灌水量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，說明過量灌水不利于干物質(zhì)量的累積；中水和高水條件下，番茄地上部生物量理論最大值隨著施氮量的增加也呈先增加后減小的趨勢(shì)；而在低水條件下呈遞增趨勢(shì)，說明適量增施氮肥可以減輕干旱對(duì)干物質(zhì)量累積的抑制。從表中還可以看出，不同水氮條件下番茄地上部生物量快速累積期起始日在定植后的39～43 d(開花期末期)出現(xiàn)，且隨著施氮量的增加，快速累積期起始日出現(xiàn)越早,說明較高的施氮量能促進(jìn)植株提早進(jìn)入旺盛的營養(yǎng)生長期。各處理快速累積期持續(xù)時(shí)間為41～54 d，高氮處理干物質(zhì)快速累積持續(xù)時(shí)間要長于中氮和低氮處理。各處理干物質(zhì)最大生長速率出現(xiàn)在W2N2處理，為4.4 g/(plant·d)，且隨著灌水量和施氮量的增加呈先上升后下降趨勢(shì)。

注(Note): T1—為快速累積期起始時(shí)間Starting time in rapid accumulation period；T2—為快速累積期結(jié)束時(shí)Terminating time in rapid accumulation period間；ΔT—為快速累積持續(xù)時(shí)間Duration time in rapid accumulation period；Vmax—為最大累積速率Maximum accumulation rate；**—相關(guān)性在α=0.01水平上差異顯著Significant difference at the 0.01 level.

由表3中相關(guān)系數(shù)R2可知，不同水氮條件下番茄地上部氮累積量隨生育進(jìn)程的動(dòng)態(tài)變化也符合Logistic生長曲線，可以看出，相同施氮量下，隨著灌水量的增加，番茄地上部氮累積量理論最大值呈先增加后減小的趨勢(shì)；相同灌水量下，番茄地上部氮累積量理論最大值隨著施氮量的增加也呈先增加后減小的趨勢(shì)，這與不同水氮條件下地上部生物量的變化規(guī)律基本一致。從表中還可以看出，不同水氮條件下番茄地上部氮累積量最大累積速率出現(xiàn)在W2N2處理，為0.098 g/(plant·d)，且隨著灌水量和施氮量的增加呈先上升后下降趨勢(shì)?？焖倮鄯e期持續(xù)時(shí)間為35～50 d，快速累積期起始日在定植后的23～34 d，較生物量累積早8～17 d，這與宋海星等[18]、王新等[19]的研究結(jié)果一致，說明生物量的增長是以充足的養(yǎng)分吸收為基礎(chǔ)的，且隨著施氮量的增加，地上部氮素快速累積期起始日出現(xiàn)越早。

3.2 不同水氮條件下番茄臨界氮濃度稀釋曲線模型的建立

3.2.1 不同水氮條件下番茄氮濃度的動(dòng)態(tài)變化 圖1為不同水氮條件下番茄地上部氮濃度的動(dòng)態(tài)變化，可以看出，不同水氮條件下番茄地上部氮濃度值均表現(xiàn)為隨移栽天數(shù)的推移而降低，即其氮濃度值存在稀釋現(xiàn)象，并且在相同的水分條件下，氮濃度值隨施氮量的增加而增大，說明施氮可以增大植株對(duì)氮素養(yǎng)分的吸收。

[注(Note): 同一采樣時(shí)期，不同字母表示氮肥處理間氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異達(dá)0.05水平At the same sampling date, different letters indicate significant difference between N concentrations in different nitrogen treatments at 0.05 level.]

3.2.2 不同水氮條件下番茄臨界氮濃度稀釋模型和氮素吸收模型的建立 根據(jù)公式(4)、(6)得到不同水氮條件下番茄地上部臨界氮濃度稀釋模型和氮素吸收模型，模型參數(shù)見表4，由相關(guān)系數(shù)可以看出，模型擬合結(jié)果較好。通過番茄地上部生物量與氮濃度值的分析結(jié)果表明，在各水分條件下，同樣的生物量其氮濃度值有很大的變異性，利用各取樣日氮濃度的最大、最小值(%Nmax、%Nmin)，得到2個(gè)氮稀釋邊界模型，模型參數(shù)見表4。

由表4中各水分條件下番茄地上部臨界、最高、最低氮濃度稀釋曲線參數(shù)可以看出，不同水分條件下參數(shù)值a不同，且隨著灌水量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，說明適度的灌水可以增大植株臨界氮濃度值，增加植株對(duì)氮的容納能力，使其對(duì)應(yīng)的需氮量也較高。原因可能是在低水條件下，番茄植株受水分的制約而長勢(shì)減弱，導(dǎo)致氮吸收能力降低，植株內(nèi)含氮量下降；而在高水條件下植株需氮量雖高，但植株含水量也增大，故臨界氮濃度值反而降低。其次，不同水分條件下各稀釋曲線的斜率(參數(shù)b)亦不相同，且中水處理要小于低水和高水處理，表明中水條件下番茄地上部氮濃度隨干物重的增加降低緩慢，說明適宜的灌水可以緩解氮濃度隨植株生物增長量下降，使植株穩(wěn)步有序地生長。

3.3 基于臨界氮濃度的不同水氮條件下番茄氮素營養(yǎng)狀況分析

3.3.1 基于氮素吸收模型的番茄適宜水氮條件分析 利用表4中建立的氮素吸收模型，可獲得不同水氮條件下番茄地上部生物量與氮吸收量的關(guān)系圖(圖2),可以看出，在相同的水分條件下，隨著施氮量的增加各氮素水平氮吸收量呈增加的趨勢(shì)，而臨界氮吸收量曲線始終在氮素水平為N2～N3之間，即實(shí)際施氮量14.087～18.783 g/plant。采用標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSE)對(duì)圖2中各水氮條件下實(shí)測(cè)氮累積量和臨界氮累積量之間的偏離程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，低氮、中氮、高氮水平下動(dòng)態(tài)氮累積曲線與臨界氮累積曲線的RMSE，低水條件下分別為1.087、0.316和0.154 g/plant；中水條件下分別為0.730、0.119和0.351 g/plant；高水條件下分別為0.694 g/plant、0.284 g/plant、0.163 g/plant,即在中水條件下中氮水平動(dòng)態(tài)氮累積曲線與臨界氮累積曲線的RMSE最小，說明在中水條件下中氮為較適宜的施氮量，而在低水和高水條件下高氮為較適宜的施氮量，原因可能是低水條件下番茄植株受水分制約，而適量增施氮肥能夠緩解干旱對(duì)植株生長的抑制；高水條件下可能由于水分促增長效應(yīng)，使植株大幅度增長，需要吸收更多氮素來滿足作物生長對(duì)養(yǎng)分的需求。

注(Note): **表示相關(guān)性在α=0.01水平上差異顯著 Significant difference at the 0.01 level.

3.3.2 基于氮營養(yǎng)指數(shù)的番茄適宜水氮條件分析 根據(jù)公式(7)計(jì)算得到不同水氮條件下番茄氮素營養(yǎng)指數(shù)(NNI)隨移栽天數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。由圖3可以看出，不同水肥條件下的NNI變化趨勢(shì)相同，均表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，且隨施氮量增加NNI值也變大；施氮量相同時(shí)，不同水分處理下NNI變化趨勢(shì)也相同，且表現(xiàn)為W2>W1>W3。在低水條件下，低氮和中氮處理的NNI基本均小于1，表明氮素養(yǎng)分供應(yīng)不足，出現(xiàn)了氮虧缺；而高氮處理下NNI均大于1，表明氮素養(yǎng)分供應(yīng)充足，為氮素營養(yǎng)過剩。在高水條件下，各施氮處理NNI基本均小于1，說明高水條件下，植株出現(xiàn)缺氮的現(xiàn)象。在中水條件下，低氮處理NNI均小于1，表明氮素養(yǎng)分供應(yīng)不足；高氮處理NNI均大于1，說明氮素養(yǎng)分供應(yīng)充足，而中氮處理的NNI始終最接近1或在1附近變化，表明此時(shí)的水氮條件較為適宜。

3.3.3 不同水氮供應(yīng)與番茄產(chǎn)量的關(guān)系 為了驗(yàn)證以上氮素吸收模型和氮營養(yǎng)指數(shù)模型對(duì)番茄水氮狀況診斷的合理性，對(duì)不同的水氮供應(yīng)與單株產(chǎn)量之間關(guān)系作回歸分析，得如下二元二次方程:

0.5x1x2-4321.5

(8)

式中，Y為番茄單株產(chǎn)量(g/plant)；x1為各處理的灌水量(L/plant)；x2為各處理的施氮量(g/plant)。

[注(Note): 同一采樣時(shí)期，不同字母表示氮肥處理間氮營養(yǎng)指數(shù)差異達(dá)0.05水平At the same sampling date, different letters indicate significant difference betweenNNIin different nitrogen treatments at 0.05 level.]

F檢驗(yàn)結(jié)果表明，(8)式達(dá)到5%顯著水平(F=341.4>F0.05(5,3)=9.01)，說明該式能較好地表達(dá)番茄水氮供應(yīng)與單株產(chǎn)量之間的關(guān)系。將(8)式繪圖表達(dá)如圖4。對(duì)(8)式求偏導(dǎo)，當(dāng)灌水量和施肥量分別為62.1 L/plant、15.1 g/plant時(shí)，番茄單株產(chǎn)量達(dá)到最大，為1602 g/plant，這與基于臨界氮濃度構(gòu)建的氮營養(yǎng)指數(shù)、氮吸收模型對(duì)番茄的水氮狀況診斷結(jié)果一致，均以中水中氮為最佳條件。從圖4可以看出，隨著灌水量和施氮量的增加，產(chǎn)量顯著提高，但是當(dāng)灌水量和施氮量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)產(chǎn)量不僅沒有提高反而隨著其增加而降低，說明只有適宜的水分和氮肥才能有助于高產(chǎn)。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)不同水氮條件下番茄的地上部生物量、氮素累積及氮濃度的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，表明番茄地上部生物量增長、氮吸收累積均受灌水量和施氮量的影響，且其隨移栽時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化符合Logistic模型，在中水中氮條件下可以獲得較高的地上部干物質(zhì)累積量，從而獲得較大的養(yǎng)分吸收速率，地上部生物量快速累積起始日較氮快速累積起始日晚8～17 d。在相同的水分條件下，番茄地上部氮濃度隨施氮量的增加而提高，隨生育進(jìn)程的推移呈下降趨勢(shì)。本文還在3種水分條件下分別構(gòu)建了番茄地上部生物量的臨界、最低和最高氮濃度稀釋曲線模型，結(jié)果表明氮濃度與地上部最大生物量之間符合冪指數(shù)關(guān)系，適當(dāng)增大灌水量可以提高植株對(duì)氮的容納能力。根據(jù)番茄單株產(chǎn)量與水氮供應(yīng)的關(guān)系，由擬合曲面得到當(dāng)灌水量和施肥量分別為62.1 L/plant、15.1 g/plant時(shí)，番茄單株產(chǎn)量達(dá)到最大，為1602 g/plant?；谂R界氮濃度構(gòu)建的氮營養(yǎng)指數(shù)、氮吸收模型對(duì)番茄的氮素營養(yǎng)狀況診斷均以中水中氮最優(yōu)，這與上述試驗(yàn)結(jié)論相符，說明構(gòu)建的模型合理可行。

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Simulation of critical nitrogen concentration and nitrogen nutrition index of tomato under different water and nitrogen conditions

YANG Hui, CAO Hong-xia*, LIU Mei-yu, LIU Shi-he

(KeyLaboratoryofAgriculturalSoilandWaterEngineeringinAridandSemiaridAreaofMinistryofEducation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objectives】 The critical nitrogen(N)concentration in plant aboveground biomass is defined as the minimum N concentration required for maximum plant growth. This study investigated the effects of different water and nitrogen supply on tomato aboveground biomass, nitrogen accumulation, and drew a critical N concentration dilution curve. The N status of tomato plant was analyzed based on a model of N uptake and nitrogen nutrition index(NNI), which provided a theoretical basis for optimal water and nitrogen management. 【Methods】A pot experiment was conducted in greenhouse of the Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Area of Ministry of Education in Northwest Agriculture and Forestry University in 2013. Cultivar of tomato(M6088)was used in this experiment. The treatment comprised three levels of irrigation(W1, 60%-70%θf; W2, 70%-80%θf; W3, 80%-90%θf),θfis the field capacity, and three levels of nitrogen(N1, N 0.24 g/kg; N2, N 0.36 g/kg; N3, N 0.48 g/kg). For determining the critical N concentration dilution curves under different water conditions, the treatments were replicated fifteen times in random complete block designs to examine the dynamic changes of tomato aboveground biomass and nitrogen accumulation under different water and nitrogen conditions. 【Results】 The aboveground biomass and N accumulations presented a Logistic curve over time. Different water and nitrogen supply had different effects on maximum theoretical value of tomato aboveground biomass: the maximum theoretical value of tomato aboveground biomass increased firstly and decreased with the increase of nitrogen rate under two levels of irrigation(W2, W3). It also increased with the increase of nitrogen rate under the level of irrigation(W1), which indicated that moderate nitrogen supply could enhance the inhibiting effect of drought on aboveground biomass accumulation of tomato. The beginning time of fast accumulation period for nitrogen was 8-17 days earlier than those for biomass, the maximum accumulation rates of tomato aboveground biomass and nitrogen were both found in W2N2 treatment. Under the same water supply condition, the nitrogen concentration of tomato aboveground biomass increased with the improving of applied N rates, and decreased in the growing process. The relationship between the aboveground biomass and N concentration could be described by the power equation, appropriate irrigation could improve the capacity of plant for nitrogen absorption and relieved the decline of nitrogen concentration with the aboveground biomass growth to ensure a steady and orderly growth of tomato. The yield was significantly affected by water and nitrogen supply, appropriate condition of water and nitrogen achieved maximum yield. 【Conclusions】 Based on the model of nitrogen nutrition(NNI)and the model of N uptake, the W2N2 treatment was the optimal option with irrigation amount of 62.1 L/plant, nitrogen rate of 15.1 g/plant, and the highest yield was 1602 g/plant. Thus, the models built in this study were reasonable and feasible for the research objectives.

tomato; coupling of water and nitrogen; biomass accumulation; critical nitrogen concentration; nitrogen nutrition index

2014-05-24 接受日期: 2014-10-16 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-05-21

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201001061); 陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012JM3004); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(QN2011022)資助。

楊慧(1989—)，女，青海西寧人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水理論研究。E-mail: yh2438130@163.com *通信作者E-mail: chx662002@163.com

S641.2; S606

A

1008-505X(2015)05-1234-09