基于臨界氮濃度的滴灌棉花氮素營養(yǎng)診斷模型研究

馬露露 呂 新 張 澤 馬革新 海興巖

(1.石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 石河子 832003； 2.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 石河子 832003；3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室， 石河子 832003)

0 引言

氮素是干旱區(qū)作物增產(chǎn)增效的重要限制因素，國內(nèi)外關(guān)于滴灌作物養(yǎng)分運移與分配、作物生長與產(chǎn)量、施肥制度、氮肥優(yōu)化管理等方面開展了大量研究[1]。但在作物生長過程中氮素需求和供應(yīng)之間的同步性研究較少[2]，導(dǎo)致氮素利用效率偏低，同時造成溫室氣體排放加劇和大氣、土壤及水體的污染。因此，針對作物不同生育期氮素營養(yǎng)實際狀況優(yōu)化供氮量，對于提高氮素利用效率和環(huán)境保護具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn),不同作物、生態(tài)氣候區(qū)域及水肥管理方式之間的模型存在一定的差異，新疆屬于典型干旱區(qū)，滴灌水肥一體化模式對氮素吸收影響較大，因此需要進行臨界氮濃度稀釋模型參數(shù)的本地化校正。

本研究以我國重要經(jīng)濟作物棉花為研究對象，在滴灌條件下開展不同施氮水平田間試驗，以確定滴灌棉花生長發(fā)育與氮素吸收利用規(guī)律為基礎(chǔ)，建立滴灌棉花臨界氮稀釋濃度模型，最終確定氮濃度營養(yǎng)指數(shù)，實現(xiàn)氮素準確、快速診斷，為進一步提高滴灌棉花的氮素利用效率、氮肥合理施用水平提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

試驗于2015—2016年在新疆瑪納斯縣六戶地鎮(zhèn)高產(chǎn)創(chuàng)田地(東經(jīng)86°07′36″，北緯44°39′15″，圖1)進行，日照時間達2 800～3 000 h，年平均氣溫5℃，大于等于10℃有效積溫3 500～4 100℃，無霜期180 d。土壤質(zhì)地為壤土，0～20 cm土層有機質(zhì)質(zhì)量比19.13 g/kg，堿解氮質(zhì)量比50.8 mg/kg，速效磷質(zhì)量比19.8 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比160.1 mg/kg，田間持水量29.6 g/m3，耕層土壤容重為1.43 g/cm3。

圖1 試驗地位置圖Fig.1 Experimental field location map

滴灌棉花的供試品種為新陸早45，試驗設(shè)6個氮素水平N0、N1、N2、N3、N4(0、120、240、360、480 kg/hm2)和N5(常規(guī)處理，施氮量為300 kg/hm2，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶施純氮量，作為模型的驗證)，氮肥施用均為30%作為基肥，剩余70%在滴灌棉花生育期隨水施入。磷肥(P2O5)150 kg/hm2和鉀肥(K2O)150 kg/hm2播前一次性施入。試驗設(shè)3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列(圖2)。采用膜下滴灌的方式，氮肥(尿素，含氮量46%)施入時間與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶同步。試驗小區(qū)面積為25 m2(2.5 m×10 m)，種植模式為“1膜3管6行”，膜寬2.05 m，株距10 cm，行距配置為10 cm+66 cm，種植密度為22.5萬株/hm2。試驗地為棉花連作，東西走向，四周設(shè)置保護行。2015年4月11日播種，并滴施出苗水，其他田間管理措施均按高產(chǎn)栽培要求進行。

圖2 試驗小區(qū)分布圖Fig.2 Field experiment district distribution map

1.2 測定內(nèi)容與方法

2015和2016年試驗均在滴灌棉花出苗后開始計算采樣日期，直至棉花始絮期。第2次滴灌施肥5 d以后開始采樣，其中施氮和滴灌日期為6月17日、6月23日、7月1日、7月10日、7月22日、8月5日、8月20日，施氮比例分別為10%、10%、20%、20%、20%、10%、10%，采樣時間分別為出苗后第60、68、77、90、105、125天，2年試驗施氮比例、施氮日期、采樣時間相同。每個試驗小區(qū)選取具有代表性的棉花3～6株，按莖、葉和雷鈴3類不同器官分樣，稱量其各部位鮮質(zhì)量，在105℃下殺青30 min，80℃干燥至恒質(zhì)量，然后稱量其干物質(zhì)量。粉碎后用凱氏定氮法測定各分器官的全氮含量，據(jù)此計算滴灌棉花單株氮素累積量。成熟后分小區(qū)收獲、測產(chǎn)。

1.3 滴灌棉花臨界氮濃度曲線模型的建立方法

1.3.1滴灌棉花臨界氮濃度曲線模型

根據(jù)GREENWOOD等[8]對臨界氮濃度的定義，對于滴灌棉花，地上干物質(zhì)氮濃度值在其生長發(fā)育不受氮素制約的情況下達到最低值時為臨界氮濃度。

圖3 不同施氮水平下滴灌棉花地上部各器官氮素吸收分配規(guī)律Fig.3 Nitrogen absorption distribution rule of aboveground organs of drip-irrigation cotton under different nitrogen levels

臨界氮濃度稀釋曲線的模型為

(1)

式中Nc——臨界氮濃度，g/(100 g)

a——滴灌棉花地上部生物量為1 t/hm2時棉株的臨界氮濃度

Wmax——滴灌棉花地上部最大生物量

b——控制臨界氮濃度稀釋曲線斜率的參數(shù)

用均方根誤差(Root mean square error，RMSE)和標準化均方根誤差(n-RMSE)對所得模型進行驗證，然后建立模擬值和實測值1∶1直方圖顯示模型的擬合度和可靠程度。其中RMSE值越小，表示模擬值與實測值的偏差越小；n-RMSE小于10%，模型模擬性能極好；n-RMSE為[10%，20%]，模型模擬性能較好；n-RMSE為[20%，30%]，模型模擬性能一般；n-RMSE大于30%，模擬性能較差[23]。

1.3.2滴灌棉花的異速生長模型

滴灌棉花在臨界氮濃度下達到累積的最大地上部生物量時所需的氮吸收量Nuptc(kg/hm2)為

Nuptc=10NcWmax

(2)

將式(1)代入式(2)，得到滴灌棉花臨界氮吸收模型，即滴灌棉花氮累積量與地上部生物量之間的異速生長模型

(3)

1.3.3滴灌棉花臨界氮營養(yǎng)指數(shù)

氮營養(yǎng)指數(shù)(Nitrogen nutrition index，NNI)是指作物地上部植株實際的氮濃度與臨界氮濃度的比值，用來判定作物體內(nèi)氮營養(yǎng)狀況[24-25]，是LEMAIRE等[26]基于臨界氮濃度稀釋模型提出了氮營養(yǎng)指數(shù)(NNI)的概念，計算式為

(4)

式中Ni——地上部實測氮濃度，g/(100 g)

若NNI=1，表明作物氮素營養(yǎng)水平處于最佳狀態(tài)，高于1為氮營養(yǎng)過剩，低于1則氮營養(yǎng)不足。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用2015年的試驗數(shù)據(jù)進行回歸擬合，建立滴灌棉花臨界氮濃度稀釋曲線模型，利用2016年的常規(guī)試驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證。采用Excel 2013進行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)整理，顯著性分析在SPSS 19.0 軟件中的LSD和Duncan進行，圖形通過Origin 8.0進行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮水平對滴灌棉花氮素吸收分配規(guī)律的影響

由圖3可以看出，滴灌棉花在不同施氮水平下，地上部各器官的氮素含量存在顯著性差異，其中葉片含量最高，蕾鈴次之，莖的含氮量最低。隨著滴灌棉花的生長發(fā)育，葉和莖的含氮量呈下降趨勢，其中葉片的含氮量從47.05 g/kg降到23.33 g/kg，降幅為50.41%，莖的含氮量從16.84 g/kg降到7.00 g/kg，降幅為58.43%。由于土壤基礎(chǔ)肥力的影響，N0、N1、N2和N3處理對葉和莖的含氮量沒有顯著影響，在N4水平下有顯著差異；葉和莖含氮量的降低與氮素向蕾鈴轉(zhuǎn)移有關(guān)，在棉花生長期內(nèi)，蕾鈴的含氮量先下降后上升，這是由于后期幼鈴增多且成鈴數(shù)也在增加，蕾鈴的生物量大幅增加，單鈴的含氮量呈逐漸下降的趨勢；出苗后105 d以后即盛鈴期至始絮期，隨著棉花整個生育期施氮的完成，葉片和莖的含氮量顯著下降，同時由于棉花種子及纖維的發(fā)育，棉鈴的含氮量出現(xiàn)回升。

2.2 施氮水平對滴灌棉花地上生物量和氮濃度動態(tài)累積的影響

以W0、W1、W2、W3、W4 分別表示N0、N1、N2、N3、N4施氮水平下滴灌棉株的地上部生物量(kg/hm2)，表1試驗結(jié)果表明，通過顯著性分析，在不同施氮水平下的生物量由大到小依次為W3和W4和W2、W1、W0，滴灌棉花的地上部生物量隨著生物進程而增加，N0、N1、N2、N3、N4水平下地上部生物量從第60天到第125天增幅分別為243.49%、423.48%、519.93%、573.53%、561.79%，其中在N3水平下增幅最大，與N0、N1有顯著差異，與N2、N4無顯著差異；說明在其他條件平等的情況下，過多的施入氮肥并不能使滴灌棉花的生物量顯著增加。

表1 施氮水平對滴灌棉花生物量動態(tài)累積變化的影響Tab.1 Effect of nitrogen levels on dynamic change of nitrogen accumulation in aboveground biomass of drip-irrigation cotton

注：同一列的不同字母代表差異顯著(P<0.05)，下同。

如圖4所示，其氮濃度隨生物進程的進行而降低，出苗后68 d的氮濃度下降得最快。通過顯著性分析(表2)，其氮濃度在不同施氮水平下從大到小依次為N3和N4和N2、N1、N0；在N2、N3和N4條件下，棉株地上部氮濃度差異不顯著，說明在棉田土壤基礎(chǔ)肥力的影響下，棉花的生長發(fā)育不受N2、N3和N4施氮水平的顯著影響。

圖4 不同施氮水平下滴灌棉花地上部氮濃度動態(tài)累積變化Fig.4 Change of aboveground nitrogen concentration accumulation dynamic of drip-irrigation cotton under different nitrogen levels

結(jié)合JUSTES等[27]和薛曉萍等[21]提出的臨界氮濃度稀釋曲線的計算方法，本研究中滴灌棉花臨界氮濃度模型的建立步驟為：①分析不同施氮水平下，滴灌棉花地上部干物質(zhì)與其氮濃度，通過對施氮水平進行方差分析，氮素是否制約棉花的正常生長發(fā)育。②對于不受氮素限制的施氮水平，采用其地上部干物質(zhì)的平均值作為該采樣日期的最大干物質(zhì)。③對于不能滿足棉花生長發(fā)育氮需求量的施氮水平，對其地上干物質(zhì)與氮濃度值進行線性或者曲線擬合。④采樣日的臨界氮濃度為由步驟③的線性或曲線與橫坐標上最大干物質(zhì)的垂線交點的縱坐標。

表2 不同施氮水平下滴灌棉花地上部氮濃度顯著性檢驗Tab.2 Significance test of aboveground nitrogen concentration of drip-irrigation cotton under different nitrogen levels

2.3 滴灌棉花臨界氮濃度稀釋曲線模型建立

由于新疆地區(qū)特殊的地理氣候條件，滴灌棉田的種植密度比內(nèi)地大，因此單位面積棉花的生物量較高。在出苗后第60～125天的采樣時間里，滴灌棉花的生物量范圍在3～22 t/hm2，全部大于1 t/hm2；氮濃度在17～35 g/kg范圍內(nèi)。通過分析得出，滴灌棉花在N0和N1條件下為限氮水平，由臨界氮濃度的確定條件和式(1)得出滴灌棉花臨界氮濃度稀釋曲線(圖5)及模型，表3為模型參數(shù)。分析實測數(shù)據(jù)得出在不同施氮水平下，同樣的地上生物量值其所對應(yīng)氮濃度值不同，取每個采樣日氮濃度的最大、最小實測值模擬得到其最高(Nmax，%)、最低(Nmin，%)氮濃度稀釋模型，結(jié)果同樣也符合模型(1)，這與薛曉萍等[21,28]的結(jié)果相符，模型參數(shù)見表3。由式(2)和(3)得到異速生長模型，2個模型的參數(shù)見表3。其中10a值與薛曉萍等[21]和王子勝等[22]的結(jié)果存在差異，這與新疆土壤類型、農(nóng)田生態(tài)和水肥供應(yīng)方式有關(guān)。

圖5 滴灌棉花氮濃度稀釋曲線Fig.5 Nitrogen concentration dilution curves for drip-irrigation cotton

類型稀釋曲線abR2類型異速生長曲線10a1-bR2Nmax4.450.220.973Nuptcmax44.510.780.954Nmin3.420.220.882Nuptcmin34.210.780.897Nc3.910.240.906Nuptc39.140.760.933

2.4 滴灌棉花臨界氮濃度稀釋曲線模型的驗證

采用獨立試驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證，研究選取2016年常規(guī)試驗即施純氮量為300 kg/hm2的大田試驗的全生育期的6次采樣的單株滴灌棉花地上部生物量來驗證模型。將獨立試驗的滴灌棉花地上部生物量(其中6月28日取樣3株、7月6日取樣3株、7月15日取樣3株、7月28日取樣3株、8月12日取樣3株、9月3日取樣4株，共計n=19，)代入所得滴灌棉花臨界氮濃度稀釋曲線模型中得到模擬值，然后做出模擬值和實測值的1∶1直方圖(圖6)，通過RMSE和n-RMSE來評價模型的精準度。其中RMSE為3.71 g/kg，n-RMSE為13.60%，n-RMSE為[10%，20%]，說明模型的模擬性能較好，可以進一步用于滴灌棉花的營養(yǎng)診斷。

圖6 滴灌棉花臨界氮濃稀釋曲線模型的驗證Fig.6 Validation of critical nitrogen concentration dilution curve model for drip-irrigation cotton

2.5 基于滴灌棉花臨界氮濃度稀釋曲線的氮營養(yǎng)診斷

本研究采用氮素營養(yǎng)指數(shù)作為判斷滴灌棉花臨界氮濃度稀釋模型的依據(jù)。由式(4)，通過氮營養(yǎng)指數(shù)得出滴灌棉花的營養(yǎng)狀況。如圖7所示，隨著施氮水平的增加，氮營養(yǎng)指數(shù)不斷提高。不同氮素處理的滴灌棉花的NNI值分別為：N0(0.74～0.96)、N1(0.84～0.97)和N2(0.92～0.99)水平在出苗后第60～125天內(nèi)NNI值均小于1，說明N0、N1和N2水平下，滴灌棉花的生長受到了氮素的限制，N3(1.005～1.03)和N4(1.06～1.12)水平下NNI值均大于1，說明在N3、N4水平下滴灌棉花屬于過量氮素的施入，因此其適宜施氮量在N2和N3之間。

圖7 滴灌棉花氮營養(yǎng)指數(shù)動態(tài)變化Fig.7 Dynamic changes of nitrogen nutrient index of drip-irrigation cotton

3 討論

3.1 滴灌棉花臨界氮濃度稀釋曲線的模型特征

本研究建立了新疆干旱棉區(qū)滴灌棉花除苗期之外全部生育期臨界氮濃度稀釋曲線模型，其模型在形式上與薛曉萍等[21]、王子勝等[22]針對長江流域、黃河流域和東北特早熟棉區(qū)建立的棉花臨界氮濃度稀釋模型一致，其采樣時間(苗期后期)與薛曉萍等[21](初花期)的采樣時間大致一樣，這說明臨界氮濃度稀釋模型的建立與棉花的生育期無明顯的關(guān)系；所得模型的b值(0.24)與薛曉萍等[21]淹灌的模型b值(南京，0.131；安陽，0.131)差異較大，與王子勝等[22]所建立的模型b值(0.252)極為接近，但a值(3.91)與薛曉萍等[21](黃淮棉區(qū)，2.858；長江中下游棉區(qū)，3.387)和王子勝等[22](東北早熟棉區(qū)，4.377)的研究結(jié)果均有差異，說明新疆滴灌棉的氮吸收能力比安陽和南京的棉花氮吸收能力強，但是低于東北早熟棉區(qū)的氮吸收能力。其原因：①新疆干旱棉區(qū)采用滴灌方式，肥隨水入，每個生育期都會施入其所需的氮肥，這與薛曉萍等[21]分30%、70%施入和王子勝等[22]將氮肥一次性施入不同，說明施肥方式對棉花的氮素吸收能力有一定的影響。②新疆由于土壤類型和氣候原因，采用“密、早、矮、膜”的栽培方式，其密度(19.6萬株/hm2)為王子勝等[22]研究的最大密度(12萬株/hm2)的1.6倍，使得其在同一生育期的單位面積內(nèi)生物量(表1)是東北早熟棉區(qū)2倍之多，但是在所得單位生物量下，所需的臨界氮濃度(表2)比之較小，說明新疆特有的高密度種植模式符合新疆滴灌棉花提高經(jīng)濟效益的需求。

3.2 基于臨界氮濃度稀釋曲線和NNI滴灌棉花氮營養(yǎng)診斷

基于臨界氮濃度稀釋模型得出的氮營養(yǎng)指數(shù)能診斷滴灌棉花不同生長階段的氮營養(yǎng)狀況，還可以量化滴灌棉花氮素脅迫的程度。本研究通過滴灌棉花臨界氮濃度稀釋模型的建立得出，新疆滴灌棉區(qū)施氮量應(yīng)不低于240 kg/hm2，不高于360 kg/hm2。

通過對新疆滴灌棉區(qū)不同施氮水平的臨界氮濃度稀釋模型和氮營養(yǎng)指數(shù)的研究，結(jié)合前人的研究，結(jié)果表明不同棉區(qū)的氮肥施入量、施肥方式和種植模式都會影響棉花的氮素吸收水平，進而對棉花的生物量、氮濃度和產(chǎn)量產(chǎn)生影響。新疆干旱棉區(qū)其特殊的滴灌模式和根據(jù)生育時期隨水施入的施肥模式能滿足干旱區(qū)棉花對于氮素養(yǎng)分的需要，更有效地提高氮肥利用率，降低過量施肥給土壤帶來的壓力，進一步改善土壤生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

(1)以滴灌棉花、設(shè)置5個施氮水平進行試驗，探討了施氮量對滴灌棉花氮素吸收分配規(guī)律的影響。滴灌棉花各器官含氮量的關(guān)系由大到小為葉片、蕾鈴、莖，葉片和莖的含氮量隨生物進程而降低，低于360 kg/hm2的施氮量對于葉片和莖的含氮量沒有顯著影響。

(2)在一定施氮水平下，滴灌棉花的地上部生物量隨施氮量的增加而增加，氮濃度隨植株生長發(fā)育的進行而降低；建立和驗證了滴灌棉花臨界氮濃度稀釋曲線模型，結(jié)果表明，滴灌棉花各生育期的最大生物量與氮濃度之間符合冪指數(shù)關(guān)系。

(3)基于臨界氮濃度稀釋曲線模型，通過氮營養(yǎng)指數(shù)對新疆干旱區(qū)滴灌棉花進行了氮營養(yǎng)診斷，結(jié)果顯示，在本試驗條件下，240～360 kg/hm2為滴灌棉花的適宜施氮量。

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