水氮耦合條件下冬小麥生長和氮素營養(yǎng)診斷

武 榮，李援農(nóng)

(1. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 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實驗室，陜西 楊凌 712100)

氮是作物生長需求量最大的營養(yǎng)元素，合理的氮肥運(yùn)籌是調(diào)控土壤—作物系統(tǒng)氮素循環(huán)和平衡的有效措施，也是提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要途徑[1,2]。然而，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，盲目、不合理的施肥現(xiàn)象普遍存在，不僅造成資源的嚴(yán)重浪費，而且會導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮淋溶、地下水污染等一系列環(huán)境問題[3]。前人在植株氮素營養(yǎng)診斷方面做了大量研究，主要包括葉綠素含量、根區(qū)養(yǎng)分監(jiān)測和遙感技術(shù)等，但在應(yīng)用中均受到了一定的限制[4]。臨界氮濃度，即在作物一定生長時期內(nèi)，獲得最大生物量時的最小氮濃度，是作物氮素營養(yǎng)診斷的有效方法[5]。在小麥的研究中，趙犇等[6]基于地上部生物量，構(gòu)建了2種不同蛋白含量的小麥品種的臨界氮濃度模型。強(qiáng)生才等[5]基于葉片干物質(zhì)構(gòu)建了陜西關(guān)中地區(qū)的臨界氮濃度模型。李正鵬等[7]通過整合關(guān)中平原的相關(guān)田間試驗研究，構(gòu)建了該區(qū)主栽品種“小偃22號”的臨界氮濃度模型。

在干旱半干旱地區(qū)，降水量少且分布不均勻，水資源短缺是制約該區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸。壟溝集雨栽培技術(shù)可有效調(diào)控土壤水、肥、氣、熱，是干旱半干旱地區(qū)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)旱澇保收的一項重要田間技術(shù)[8]。它通過修筑壟溝、壟體覆膜、溝內(nèi)種植，可實現(xiàn)降水在時空上的有效疊加[9]，且能減少氮素下移和土壤水深層滲漏[10]。然而，通過集雨措施收集的天然降水十分有限，往往不能完全滿足作物生育期或作物生長關(guān)鍵期對水分的需求。在集雨的同時，于作物需水關(guān)鍵期適當(dāng)補(bǔ)充灌溉，可大幅度提高作物產(chǎn)量和降水、灌溉水利用效率，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[11]。

水和肥是作物生長的兩大物質(zhì)基礎(chǔ)，水肥之間互為促進(jìn)，不可分割。前人基于臨界氮濃度稀釋曲線進(jìn)行植株氮素營養(yǎng)診斷大多是針對氮肥處理的單一因素，前人關(guān)于集雨補(bǔ)灌對作物生理生態(tài)的研究也主要涉及不同的集雨模式、補(bǔ)灌量和補(bǔ)灌時期等方面。而將臨界氮濃度用于水氮耦合的相關(guān)研究尚未引起足夠重視。鑒于此，本研究以冬小麥為研究對象，通過2年田間試驗，對比研究補(bǔ)充灌溉和雨養(yǎng)條件下，不同施氮水平的植株氮素盈虧和水氮利用效率，旨在探究臨界氮濃度稀釋曲線在水氮耦合研究中的適用性和可行性，以期為冬小麥的灌水施肥管理和水肥一體化提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年10月-2017年6月，在西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點實驗室試驗站進(jìn)行。該區(qū)年均氣溫12.9 ℃，多年平均降水量632 mm，無霜期210 d。試驗田土壤為中壤土，1 m土層平均田間持水率23%～25%，凋萎含水率8.5%，平均干容重1.40 g/cm3。耕層土壤基礎(chǔ)肥力為：有機(jī)質(zhì)11.18 g/kg，全氮0.94 g/kg，全磷0.60 g/kg，全鉀14.10 g/kg；硝態(tài)氮76.01 mg/kg，速效磷25.22 mg/kg，速效鉀131.97 mg/kg。2015-2016和2016-2017年冬小麥生長季的降水量分別為273.1 mm和239.4 mm，平均氣溫分別為8.1 ℃和8.8 ℃(圖1)。

圖1 試驗站2015-2016年和2016-2017年冬小麥生育期內(nèi)降水量和平均氣溫

1.2 試驗設(shè)計

試驗用冬小麥品種為小偃22號，采用壟溝種植技術(shù)，壟、溝寬均為30 cm，壟高20 cm。壟上覆膜(膜寬80 cm、膜厚0.008 mm)，溝內(nèi)種植。試驗處理設(shè)置水分(W)和氮肥(N)2個因素，其中施氮量(純N，尿素、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)46%)設(shè)低氮(80 kg/hm2，N1)、中氮(160 kg/hm2，N2)和高氮(240 kg/hm2，N3)3個水平；水分設(shè)拔節(jié)期、抽穗期分別補(bǔ)灌30 mm(W1)和不補(bǔ)灌(W0)2個水平。采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，共計6個處理，即W0N1、W0N2、W0N3、W1N1、W1N2和W1N3，每個處理重復(fù)3次。小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m)，小區(qū)邊緣埋有2 m深塑料膜以防止小區(qū)間水分互滲。

1.3 田間管理

于播種前挖溝起壟，溝內(nèi)種植3行小麥，播種量為190 kg/hm2。氮肥基追比為2∶3?；┑?、磷肥(過磷酸鈣，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%)120 kg/hm2(純P2O5)和鉀肥(硫酸鉀，K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%)60 kg/hm2(純K2O)于翻地前均勻撒施，追施氮肥在冬小麥拔節(jié)期進(jìn)行。2016年冬小麥播種前持續(xù)無降水，為保證出苗質(zhì)量，每個小區(qū)灌水30 mm。其他管理措施同一般高產(chǎn)田。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 地上部生物量

分別于冬小麥返青期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期(分別為播種后130、155、175、195和215 d，返青期之前地上部生物量小于1 t/hm2，故未包含)，在各小區(qū)選取20株有代表性的植株，分別稱量莖、葉和果的鮮重，并于105 ℃殺青30 min，75 ℃干燥至質(zhì)量恒定后稱干重。

1.4.2 含氮量測定

各處理的植株樣本分器官粉碎后，采用H2SO4-H2O2消煮法和AA3型流動分析儀分別測定全氮含量。各器官氮素含量為其干物質(zhì)量和含氮量的乘積。所有器官氮素含量之和為地上部植株氮累積量[2]。

1.4.3 產(chǎn) 量

冬小麥成熟后，將各小區(qū)提前劃定的1 m2測產(chǎn)區(qū)單獨收獲，曬干去殼后測定籽粒產(chǎn)量。

1.4.4 水氮利用效率

冬小麥生育期內(nèi)耗水量計算式為：

ET=P+I+ΔW

(1)

式中：ET為冬小麥生育期內(nèi)耗水量，mm；P為冬小麥生育期內(nèi)降水量，mm；I為灌水量，mm；ΔW為播種前和收獲后土壤貯水量之差(2 m深度)。

水分利用效率計算式為：

WUE=Y/(10ET)

(2)

式中:WUE為水分利用效率，kg/m3；Y為冬小麥籽粒產(chǎn)量，kg/hm2。

氮肥利用效率計算式為：

NUE=Y/N

(3)

式中：NUE為氮肥利用效率，kg/kg；N為施氮量，kg/hm2。

1.5 模型描述

1.5.1 臨界氮濃度稀釋曲線的構(gòu)建

根據(jù)Justes等[4]提出的方法構(gòu)建基于地上部生物量的冬小麥臨界氮濃度稀釋曲線。具體步驟如下：①對每次取樣的地上部生物量進(jìn)行方差分析，根據(jù)冬小麥生長是否受氮素限制分為氮限制組(即增加施氮量會顯著提高生物量累積)和不受氮限制組(即繼續(xù)增加施氮量不會提高生物量累積)；②對于氮限制組，將其地上部生物量和對應(yīng)的氮濃度進(jìn)行線性擬合；③對于不受氮限制組，將其地上部生物量的平均值作為生物量的最大值；④每次取樣的臨界氮濃度由上述線性曲線和以最大生物量為橫坐標(biāo)的垂線交點的縱坐標(biāo)決定。計算公式為：

Nc=aW-bmax

(4)

式中：Nc為臨界氮濃度值，%；a為當(dāng)冬小麥地上部生物量達(dá)到1 t/hm2時的臨界氮濃度，g/kg；Wmax為冬小麥地上部生物量的最大值，t/hm2；b為臨界氮濃度稀釋曲線斜率的統(tǒng)計學(xué)參數(shù)。

1.5.2 氮營養(yǎng)指數(shù)模型

利用氮營養(yǎng)指數(shù)反映植株體內(nèi)的氮素營養(yǎng)狀況，公式為：

NNI=Na/Nc

(5)

式中：NNI為氮營養(yǎng)指數(shù)；Na為地上部生物量氮濃度的實測值，%。

當(dāng)NNI=1，表示氮營養(yǎng)狀況適宜；當(dāng)NNI>1，表示氮營養(yǎng)過剩；當(dāng)NNI<1時，表示氮營養(yǎng)虧缺。

1.5.3 臨界氮濃度稀釋曲線的驗證

利用2015-2016年冬小麥試驗數(shù)據(jù)建立臨界氮濃度稀釋曲線模型，利用2016-2017年冬小麥試驗數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證。

1.6 數(shù)據(jù)分析

分別采用Excel 2010和DPS 7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計分析，方差分析使用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行(P<0.05)，使用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理下冬小麥的地上部生物量累積

表1為5個關(guān)鍵生育期不同水氮條件下冬小麥的地上部生物量動態(tài)累積。由表1分析可知，不同水氮處理和取樣時期，冬小麥地上部生物量的變化范圍為1.03～13.84 t/hm2。在返青期，3種施氮量處理的冬小麥生物量由大到小表現(xiàn)為：高氮、中氮和低氮；而2種水分處理的冬小麥生物量差異不顯著。在拔節(jié)期和抽雄期，隨著各處理追施氮肥和W1處理補(bǔ)充灌溉，3種施氮量處理的地上部生物量表現(xiàn)為低氮處理顯著低于中氮和高氮處理，而中氮和高氮處理間差異不顯著；2種水分處理的生物量表現(xiàn)為補(bǔ)灌處理顯著高于不補(bǔ)灌處理。在灌漿期，W1N2處理的地上部生物量分別較W1N1和W0N2處理提高10.51%和20.00%。在成熟期，W1N2處理的生物量分別較W1N1和W0N2處理進(jìn)一步提高，分別為17.05%和23.37%。可見，一定范圍內(nèi)提高施氮量可促進(jìn)冬小麥生長，而施氮過量則無法被植株充分吸收，會造成氮肥供過于求；一定施氮水平下，適當(dāng)補(bǔ)充灌溉有利于植株的氮素吸收和生物量累積。

表1 不同水氮處理的冬小麥地上部生物量累積 t/hm2

2.2 臨界氮濃度稀釋曲線的建立和氮素營養(yǎng)診斷

2.2.1 臨界氮濃度稀釋曲線

按照1.5.1部分的步驟，構(gòu)建2種水分條件下的冬小麥地上部臨界氮濃度稀釋曲線模型如圖2所示。由圖2分析可知，2種水分處理的擬合方程系數(shù)分別為0.998和0.989，擬合度均達(dá)到極顯著水平，說明模型可以很好地解釋冬小麥地上部生物量和臨界氮濃度之間的關(guān)系。2個模型中，W0條件下的參數(shù)值a為4.73，小于W1條件下的參數(shù)值(4.85)，說明在冬小麥生育期內(nèi)適當(dāng)補(bǔ)充灌溉可提高植株的吸氮能力，因此具有較高的臨界氮濃度；而在雨養(yǎng)條件下，階段性缺水，尤其是冬小麥關(guān)鍵生育期缺水，會制約植株生長、減少對氮素的吸收利用，從而降低需氮量和臨界氮濃度。參數(shù)值b表現(xiàn)為不補(bǔ)灌處理(W0，0.45)大于補(bǔ)灌處理(W1,0.40)，即補(bǔ)灌條件下，隨生物量增加，冬小麥氮濃度的稀釋較雨養(yǎng)條件緩慢。這表明補(bǔ)充灌水有助于維持冬小麥的持續(xù)穩(wěn)定生長。

圖2 不同水氮處理下冬小麥的臨界氮濃度稀釋曲線模型

2.2.2 氮營養(yǎng)指數(shù)模型

圖3為不同水氮處理下冬小麥氮營養(yǎng)指數(shù)隨播種后天數(shù)的動態(tài)變化。由圖3分析可知，各處理的氮營養(yǎng)指數(shù)變化趨勢一致，均呈一定的波動狀態(tài)，且隨施氮水平的提高而增大。在同一播種后日期和同一施氮水平條件下，補(bǔ)灌處理的植株氮營養(yǎng)指數(shù)低于不灌水處理。說明施氮水平一定時，補(bǔ)灌較不補(bǔ)灌可提高植株的氮容納能力。

圖3 不同水氮處理下冬小麥的氮營養(yǎng)指數(shù)動態(tài)變化

在W0條件下，N1處理的氮營養(yǎng)指數(shù)范圍為0.73～0.87，始終小于1，表現(xiàn)為氮營養(yǎng)虧缺；N2處理拔節(jié)期追肥后氮營養(yǎng)指數(shù)略有所提高，氮營養(yǎng)指數(shù)整體表現(xiàn)為前期大于1，后期小于1，表明適宜的施氮量應(yīng)為160 kg/hm2左右；N3處理的氮營養(yǎng)指數(shù)始終大于1，區(qū)間為1.16～1.35，表現(xiàn)為氮營養(yǎng)嚴(yán)重過剩。

與W0相比，W1條件下，N1處理的氮營養(yǎng)指數(shù)較小，為0.68～0.81，氮虧缺較為嚴(yán)重；N2處理后期的氮營養(yǎng)指數(shù)與1的差異有所提高；而N3處理的氮營養(yǎng)指數(shù)與1的差異減小?？梢?，W1條件下的適宜施氮量高于W0。

2.2.3 臨界氮濃度稀釋曲線模型的驗證

利用獨立試驗數(shù)據(jù)(2016—2017年生長季)對構(gòu)建的臨界氮濃度稀釋曲線模型(2015-2016年生長季)進(jìn)行驗證(表2)。2016-2017年生長季，2種水分條件下，返青期到成熟期冬小麥地上部最大生物量分別為1.51～11.82和1.57～13.54 t/hm2；5次取樣中，臨界氮濃度的預(yù)測值與實測值間的相對誤差分別為2.03%～6.67%和1.89%～4.27%。可見，所建立的臨界氮濃度模型具有較好的精度。

表2 不同水分條件下冬小麥臨界氮濃度的預(yù)測值和實測值 %

2.3 不同水氮處理的冬小麥產(chǎn)量

將2種水分處理的施氮量和對應(yīng)的冬小麥產(chǎn)量進(jìn)行擬合，得到圖4的二次曲線。由圖4分析可知，2種水分條件下，冬小麥產(chǎn)量均表現(xiàn)為隨施氮水平的提高呈先增加后降低的趨勢。說明過量施用氮肥不利于產(chǎn)量的提高，而且會產(chǎn)生一定的負(fù)效應(yīng)。從擬合結(jié)果來看，W0條件下，冬小麥的最高產(chǎn)量為9 792 kg/hm2，對應(yīng)的施氮量為171 kg/hm2；W1條件下，冬小麥的最高產(chǎn)量為10 922 kg/hm2，對應(yīng)的施氮量為186 kg/hm2。這與基于臨界氮濃度構(gòu)建的氮營養(yǎng)指數(shù)模型(2.2.2部分)對冬小麥的水氮狀況診斷結(jié)果一致，即中等施氮水平和適當(dāng)補(bǔ)充灌溉有助于冬小麥的生長和最終產(chǎn)量的形成。

圖4 不同水氮處理下冬小麥的產(chǎn)量

2.4 不同水氮處理的冬小麥水分和氮肥利用效率

2個冬小麥生長季，不同水氮處理的平均水分利用效率和平均氮肥利用效率如圖5所示。由圖5分析可知，同一施氮水平下，補(bǔ)充灌溉可顯著提高冬小麥的水分利用效率(P<0.05)；同一水分條件下，冬小麥的水分利用效率隨施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢。其中W1N2處理的平均水分利用效率最高，分別較W0N2和W1N3處理提高10.57%和14.01%。與水分利用效率不同，同一水分條件下，冬小麥的平均氮肥利用效率隨施氮水平的提高呈降低趨勢，但一定施氮量條件下，補(bǔ)灌較不補(bǔ)灌具有較高的氮肥利用效率。其中W1N2處理的平均氮肥利用效率分別較W0N2和W1N3處理提高10.97%和55.77%。

圖5 不同水氮處理的冬小麥平均水分和氮肥利用效率

3 討 論

3.1 冬小麥臨界氮濃度稀釋曲線模型

氮濃度稀釋現(xiàn)象的產(chǎn)生主要歸于以下2個過程：①植株冠層相互遮擋；②植株生長過程中，葉片和莖稈干物質(zhì)比例的逐漸變化[12]。本研究基于地上部生物量構(gòu)建了陜西關(guān)中地區(qū)不同水氮處理的冬小麥臨界氮濃度稀釋曲線模型。與前人構(gòu)建的冬小麥模型相比，參數(shù)a和b均有所差異。參數(shù)a表征植株生長初期的內(nèi)在需氮特征[5]。本研究中補(bǔ)灌條件下的參數(shù)a值(4.85)略大于李正鵬等[7]的模型(4.82)，而雨養(yǎng)條件下的參數(shù)a值(4.73)較李正鵬等[7]的模型略小。差異的原因可能是：李正鵬等[7]所構(gòu)建模型的數(shù)據(jù)來源于2000-2014年間關(guān)中平原的冬小麥大田試驗研究，故同時包含了灌溉和雨養(yǎng)的情形。適當(dāng)灌水可促進(jìn)植株生長及其對氮素的吸收利用，也會進(jìn)一步提高達(dá)到臨界氮濃度所需要的氮儲量。強(qiáng)生才等[5]建立的冬小麥臨界氮濃度模型中，參數(shù)a值僅為3.96，遠(yuǎn)小于本研究得出的4.85和4.73。這主要與建模所依據(jù)的植株器官有關(guān)。本研究和文獻(xiàn)[5]分別是基于冬小麥地上部生物量和葉片干物質(zhì)建立的模型。實際上，當(dāng)葉片干物質(zhì)達(dá)到1 t/hm2時，相應(yīng)的地上部生物量已遠(yuǎn)大于1 t/hm2，早已處于稀釋階段。參數(shù)b表征植株臨界氮濃度隨干物質(zhì)增加而降低的程度。較低的b值意味著臨界氮濃度稀釋緩慢[13]。本研究中，補(bǔ)灌和雨養(yǎng)條件下的參數(shù)b值分別為0.40和0.45，均小于強(qiáng)生才等[5]基于葉片干物質(zhì)的模型b值(0.14)，而與李正鵬等[7]所構(gòu)建的模型b值(0.49)差異較小?；诘厣喜可锪亢腿~片干物質(zhì)所建立的模型間b值差異的原因可能是由于：基于葉片干物質(zhì)的模型將葉片視為作物生長的中心，作物吸收的氮素首先需要滿足葉片的生長，這使得基于葉片干物質(zhì)的臨界氮濃度下降緩慢[14]；而基于地上部生物量的模型，由于營養(yǎng)生長階段莖稈氮含量小于葉片，隨著莖稈的快速增加，地上部生物量的氮含量快速下降[15]。此外，冬小麥品種、生育期氣候條件和土壤養(yǎng)分狀況等也會一定程度上影響臨界氮濃度稀釋曲線的參數(shù)。

3.2 氮素營養(yǎng)診斷和合理施氮量

作物體內(nèi)氮素營養(yǎng)狀況是施氮量、土壤氮供應(yīng)、作物需氮量和作物氮吸收能力的綜合反映。準(zhǔn)確有效地植株氮素營養(yǎng)診斷是合理施肥的基礎(chǔ)[2]。基于臨界氮濃度稀釋曲線得出的氮營養(yǎng)指數(shù)不僅可診斷植株的氮營養(yǎng)狀況，還可量化植株氮盈虧的強(qiáng)度[16]。強(qiáng)生才等[5]通過將處理間的氮營養(yǎng)指數(shù)和相對產(chǎn)量進(jìn)行曲線擬合，得出旱作冬小麥的最佳施氮量應(yīng)略小于210 kg/hm2。趙犇等[5]利用氮虧缺模型對小麥的氮營養(yǎng)狀況進(jìn)行診斷發(fā)現(xiàn)，施氮量為150～225 kg/hm2時，氮虧缺值在0附近波動，為適宜的施氮水平。本研究對上述結(jié)論也有所證實，氮營養(yǎng)指數(shù)結(jié)果表明，W0 和W1條件下的適宜施氮量均處于160～240 kg/hm2之間。進(jìn)一步將各處理的施氮量與對應(yīng)的冬小麥產(chǎn)量進(jìn)行二次曲線擬合發(fā)現(xiàn)，W0條件下，達(dá)到最高產(chǎn)量的施氮量為171 kg/hm2；W1條件下，達(dá)到最高產(chǎn)量的施氮量為186 kg/hm2。

4 結(jié) 論

(1)一定水分條件下，低氮處理的冬小麥地上部生物量顯著低于中氮和高氮處理，而中氮和高氮處理間差異不顯著；一定施氮水平下，適當(dāng)補(bǔ)充灌溉有利于冬小麥地上部生物量累積。

(2)冬小麥地上部生物量與氮濃度間符合臨界氮濃度稀釋曲線模型。補(bǔ)灌條件下為 (R2=0.998**)，不補(bǔ)灌條件下為 (R2=0.998**)，該模型在年際間具有較好的穩(wěn)定性。

(3)綜合氮營養(yǎng)指數(shù)和施氮量與產(chǎn)量的擬合曲線得出，W0 和W1條件下的合理施氮量分別為171和186 kg/hm2。

(4)2個冬小麥生長季，W1N2處理的平均水分利用效率最高，分別較W0N2和W1N3處理提高10.57%和14.01%。一定施氮量條件下，補(bǔ)灌較不補(bǔ)灌具有較高的平均氮肥利用效率，其中W1N2處理的平均氮肥利用效率分別較W0N2和W1N3處理提高10.97%和55.77%。

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