基于臨界氮濃度的水稻氮素營養(yǎng)診斷研究

呂茹潔，商慶銀，陳 樂，曾勇軍，胡水秀，楊秀霞

（江西農業(yè)大學/作物生理生態(tài)與遺傳育種重點實驗室，江西南昌 330045）

為保障國家糧食安全生產和促進社會經濟的科學發(fā)展，我國于1996年提出并開始實施了“超級雜交稻”選育計劃及配套栽培技術開發(fā)與集成研究，目前育成了一批在生產上推廣應用的超級雜交稻品種[1]。與常規(guī)稻相比，超級雜交稻生物產量高、生長勢強，在高氮條件下更有利于雜交稻高產潛力的發(fā)揮[2]。在生產中，為充分滿足超級雜交稻的生長需求，氮肥施用普遍存在過量的現(xiàn)象[3]。然而，過量施用氮肥不僅會增加生產成本，而且會造成環(huán)境污染，威脅生態(tài)環(huán)境[4–5]。因此，要科學地實現(xiàn)超級雜交稻的合理施肥，還需要尋找能最大限度發(fā)揮其產量潛力的氮素需求臨界點。

氮肥合理施用的重要基礎是明確水稻植株在生育階段中的臨界氮濃度。臨界氮濃度 (critical N concentration，Nc) 是由Ulrichi[6]提出的概念，它是指作物獲得最大生物量所需要的最少氮營養(yǎng)元素。Greenwood等[7]得出植株地上部的氮濃度 (N，%) 與地上部干物質量 (DM，t/hm2) 存在冪函數(shù)關系，即為臨界氮濃度變化曲線，方程為Nc= aDM–b(a、b均為此方程參數(shù))，并通過多個試驗的平均值構建出適用于C3和C4作物的通用方程，分別為Nc= 5.17DM–0.5、Nc= 4.11DM–0.5。而后，Lemaire等對上述方程參數(shù)進行進一步的修正，系數(shù)a分別為4.8和3.6，系數(shù)b為0.34[8]。由于此方程的參數(shù)是由多個試驗的平均結果得到，加之供試品種數(shù)量有限，因此并不能適用于一切C3、C4作物。在此后的研究中，建立起小麥[9]、油菜[10]、棉花[11]、土豆[12]、玉米[13]等作物的臨界氮濃度變化曲線方程。在水稻的研究中，國內外研究者在不同試驗條件下對臨界氮濃度分別開展了相關研究[14–16]，并先后得出水稻臨界氮濃度與地上部干物質量的冪函數(shù)曲線方程，然而對超級雜交稻與常規(guī)稻臨界氮濃度變化曲線是否存在差異鮮有報道。

為此，本研究以超級雜交稻 (Y兩優(yōu)一號、超優(yōu)千號) 和常規(guī)稻 (粵農絲苗、金農絲苗) 為對象，通過田間小區(qū)試驗，研究不同施氮水平條件下水稻地上部生物量與其氮濃度的變化關系，從而構建臨界氮變化曲線，并建立氮素營養(yǎng)診斷方程，為不同水稻品種氮素精確定量調控提供理論基礎，也為超級雜交稻產量和氮肥利用效率協(xié)同提高提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2016年在江西省宜春市上高縣曾家村(115°06′E，28°16′N) 進行，供試土壤為沙壤土，理化性質為全氮2.54 g/kg、有機質46.8 g/kg、有效磷24.68 mg/kg、速效鉀156.3 mg/kg、pH 4.96。

1.2 試驗設計

供試品種分別為雜交稻Y兩優(yōu)一號 (YY-1)、超優(yōu)千號 (CYQ)；常規(guī)稻粵農絲苗 (YSM)、金農絲苗(JSM)。試驗設置7個施氮水平，分別為N0、40、80、120、160、200、240 kg/hm2，以 N0、N40、N80、N120、N160、N200、N240表示。采用裂區(qū)設計，肥料為主區(qū)，品種為副區(qū)，重復3次，小區(qū)面積30 m2。各小區(qū)采用塑料薄膜包埂，以避免竄水竄肥。氮肥依據(jù)基肥∶蘗肥∶穗肥 =4∶2∶4的比例施入。基肥于移栽前1 d施用，分蘗肥于移栽后7 d施入，穗肥于幼穗分化四期施入。各小區(qū)磷肥 (P2O5)和鉀肥 (K2O) 施用量相同，分別為105 kg/hm2和160 kg/hm2。其中磷肥做基肥一次施用，鉀肥50%作為基肥施用，50%作為穗肥施用。

由于生育期不同，為保證同時抽穗揚花，四個品種采取分期播種方式，其中超優(yōu)千號于2016年5月13日播種，Y兩優(yōu)一號于5月18日播種，粵農絲苗和金農絲苗于5月26日播種。各品種均于6月10日移栽，移栽密度20 cm × 30 cm，每穴插2粒谷秧，其他條件均按照相同的高產栽培方式進行?；涋r絲苗和金農絲苗于9月18日收獲，Y兩優(yōu)一號和超優(yōu)千號于10月8日收獲。

1.3 測定內容與方法

1.3.1 產量及產量構成 在未取樣的區(qū)域收割60蔸(6行10列)，裝入大網(wǎng)袋，曬干后敲打網(wǎng)袋進行脫粒，然后放入大水桶中水選，對下沉的飽滿谷粒進行烘干稱重，獲得實際產量；在收割前每小區(qū)調查90穴有效穗數(shù)，根據(jù)平均有效穗數(shù)取樣5蔸，并重復3次進行考種，考察每穗粒數(shù)、結實率和千粒重。1.3.2 干物質量積累與氮濃度測定 于移栽后15、30、45、60、75天各處理取代表性植株6蔸，成熟期各處理取代表性植株9蔸，將莖鞘、葉片、穗 (抽穗后) 三部分按器官分離，在105℃殺青30分鐘，放入烘箱保持80℃，烘干樣品至恒重并稱重。將測定過干物質量重的樣品粉碎后，通過FOSS-2300型全自動定氮儀測定器官氮濃度。

器官氮積累量 (kg/hm2) = 器官氮濃度 (%) × 器官干物質量 (kg/hm2)

植株氮濃度 (%) = 植株氮積累量 (kg/hm2)/植株干物質量 (kg/hm2) × 100

1.4 臨界氮濃度變化曲線及其構建方法

按照Justes等[9]提出的臨界氮濃度變化曲線的計算方法，其包括以下步驟：1) 對比分析不同氮水平處理每次取樣地上部干物重及相應的氮濃度值，通過方差分析，對作物生長受氮素限制與否的施氮水平進行分類；2) 對于施氮量不能滿足作物最大生長需求的試驗資料，其地上部干物重與氮濃度值間的關系以線性曲線擬合；3) 對于作物生長不受氮素影響的施氮水平，其地上部生物量的平均值用以代表最大干物重；4) 每次取樣日的理論臨界氮濃度由上述線性曲線與以最大干物重為橫坐標的垂線的交點的縱坐標決定。圖1為臨界氮濃度變化曲線的示意圖。

圖1 臨界氮濃度變化曲線Fig. 1 Critical nitrogen concentration curve

按Greenwood等[7]的定義，臨界氮濃度稀釋曲線方程為：

式中：Nc為水稻地上部干物質量的臨界氮濃度值(%)；DM為水稻地上部干物質量積累量的最大值，a、b均為方程的參數(shù)，a代表地上部干物質量為1 t/hm2時的臨界氮濃度，b為決定此曲線斜率的統(tǒng)計學上的參數(shù)。

1.5 氮營養(yǎng)指數(shù)方程構建及方法

為定量反映水稻氮素營養(yǎng)狀況，基于臨界氮濃度變化曲線可構建氮營養(yǎng)指數(shù) (nitrogen nutrition index，NNI) 方程[17]：

式中：Na為水稻地上部氮濃度實際測定值；Nc為以相同的地上部生物量根據(jù)臨界氮濃度稀釋模型求得的臨界氮濃度值。

氮營養(yǎng)指數(shù)可以直觀地反映植株體內氮素的營養(yǎng)狀況，若NNI = 1，表明水稻植株的氮素營養(yǎng)達到最佳狀態(tài)；若NNI ＞ 1，表明植株氮素含量過高；若NNI ＜ 1，表明植株體內氮素供應不足[18]。

1.6 氮積累虧缺方程構建

根據(jù)式 (1) 可推導出水稻臨界氮積累方程式(3)，并可推導出氮積累虧缺方程式 (4)，推導過程參照Lemaire等[19]的研究方法，方程如下所示：

式中：Ncna表示臨界氮濃度條件下植株氮積累量(kg/hm2)；DM表示植株地上部干物質量 (t/hm2)；a、b表示方程參數(shù)；Nand為氮積累虧缺值；Nna表示植株在不同施氮量下的實際氮積累量 (kg/hm2)。若Nand等于0，表示植株體內氮素積累達到最佳水平；若Nand值大于0，表示植株的氮積累較少，并未達到最佳狀態(tài)；若Nand小于0，則表示氮積累過量。

1.7 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016、SPSS19.0、Origin 9.0進行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施氮水平對產量和干物質量積累的影響

由表1可知，在施氮條件下，水稻產量和各生育期地上部干物質積累量均隨施氮量的增加而顯著增加，超過一定范圍后趨于穩(wěn)定。相關分析表明，水稻各生育期地上部干物質量積累與產量呈顯著正相關，說明水稻生長過程中地上部干物質量越高則產量越高。其中，雜交稻地上部干物質量的變化范圍分別為0.58～18.52 t/hm2(Y兩優(yōu)一號) 和0.50～20.16 t/hm2(超優(yōu)千號)；常規(guī)稻分別為0.31～15.58 t/hm2(粵農絲苗) 和 0.32～15.19 t/hm2(金農絲苗)，說明雜交稻的干物質量生產能力大于常規(guī)稻。

雜交稻N200、N240處理間地上部干物質量差異不大 (表1)，但顯著高于N0、N40、N80、N120、N160處理。因此，將雜交稻N0、N40、N80、N120、N160、N200處理列入受氮限制組，將N200、N240處理列入不受氮素限制組。

常規(guī)稻N160、N200、N240處理間地上部干物質量差異不大 (表1)，但顯著高于N0、N40、N80、N120處理。因此，將常規(guī)稻N0、N40、N80、N120、N160處理列入受氮限制組，將N160、N200、N240處理列入不受氮素限制組。

2.2 不同施氮水平對水稻植株氮濃度的影響

同一取樣時期，4個供試水稻品種植株氮濃度均隨著施氮水平的提高呈增加趨勢，但從整個生育期來看，隨時間的推移和地上部干物質量的增加，水稻植株氮濃度均呈下降趨勢 (圖2)。雜交稻Y兩優(yōu)一號和超優(yōu)千號植株氮濃度的變化范圍分別為0.97%～3.72%和0.97%～3.74%，常規(guī)稻粵農絲苗和金農絲苗的變化范圍分別為1.17%～3.85%和1.18%～3.81%，相同類型品種間植株氮濃度變化趨勢基本一致。

2.3 水稻臨界氮濃度變化曲線

根據(jù)1.4臨界氮濃度變化曲線方程的構建方法，將水稻不同施氮水平下植株的地上部干物質量與對應的植株氮濃度進行回歸曲線擬合，得出每次取樣日的臨界氮濃度值 (Nc，圖3)。由臨界氮濃度及對應的地上部干物質量構建水稻整個生育期的臨界氮濃度變化曲線 (圖3)。各品種臨界氮濃度變化曲線冪函數(shù)方程如下：

雜交稻Y兩優(yōu)一號和超優(yōu)千號之間以及常規(guī)稻粵農絲苗和金農絲苗之間的臨界氮濃度變化曲線方程參數(shù)均無統(tǒng)計差異，因此可將相同類型品種合并，重新構建常規(guī)稻和雜交稻臨界氮濃度變化曲線(圖4) 和冪函數(shù)方程：

由表1可知，雜交稻在移栽后第15、30、45、60、75和120 d時，最大干物質量分別是0.75、2.83、6.88、11.14、13.28、19.23 t/hm2，對應臨界氮變化曲線上的Nc分別為3.70%、2.42%、1.82%、1.56%、1.47%、1.31%，常規(guī)稻在移栽后第15、30、45、60、75和100 d時，最大干物質量分別是0.40、1.95、6.23、11.27、13.68、15.15 t/hm2，對應臨界氮變化曲線上的Nc分別為3.72%、2.51%、1.87%、1.62%、1.54%、1.50%(圖4)。說明常規(guī)稻相同取樣日期臨界氮濃度高于雜交稻，但雜交稻的干物質量生產能力大于常規(guī)稻。

2.4 氮營養(yǎng)指數(shù)

不同水稻品種在生長發(fā)育進程中NNI均隨施氮水平的增加而增加 (圖5)。在整個生育期內，雜交稻在N0～N160處理水平下NNI均小于1，且隨著生育進程的推進呈下降趨勢，表明植株氮濃度偏低，氮肥施用不足；在N240處理水平下NNI大于1，表明植株氮濃度過高，氮肥施用過量；在N200處理水平下NNI值在1上下波動，表明在本研究條件下雜交稻施入200 kg/hm2左右氮肥較為適宜。常規(guī)稻在N0～N3處理水平下NNI均小于1，在N240處理水平下NNI均大于1，而在N160、N200處理水平下

NNI在1上下波動，表明在本研究條件下常規(guī)稻的適宜施氮量在160～200 kg/hm2之間。

表1 不同施氮水平下水稻不同生長期地上部干物質積累量和產量 (t/hm2)Table 1 Aboveground dry matter accumulation on the growing days after transplanting and the grain yields for rice under different nitrogen fertilization rates

圖2 不同施氮水平下的植株氮濃度Fig. 2 Plant nitrogen concentration at different nitrogen levels

圖3 水稻各品種臨界氮濃度變化曲線Fig. 3 Dilution curve of critical nitrogen concentration for aboveground biomass of rice

2.5 氮虧缺值

不同品種臨界氮濃度條件下植株氮積累量 (Ncna)存在一定差異，其中雜交稻在移栽后第15、30、45、60、75和 120 天時分別為 27.6、68.4、125.1、173.6、195.7、251.6 kg/hm2，常規(guī)稻在移栽后第15、30、45、60、75和 100 天時分別為 14.9、48.8、116.7、182.1、210.6、227.3 kg/hm2。除個別生育期外，雜交稻的Ncna均高于常規(guī)稻。

由圖6可知，不同水稻品種各生育期氮虧缺值(Nand) 均隨施氮量的增加而減小，直至出現(xiàn)負值。在不施氮條件 (N0) 下，植株Nand隨生育進程的推移而增加，即不施氮肥的植株氮虧缺量隨著生長而加大。對于雜交稻而言，在N0～N160處理施氮水平時，Nand均大于0，表明植株體內氮素積累量不足；在N240處理施氮水平時，Nand小于0，表明施氮量過高；在N200處理施氮水平時，Nand在0附近波動，表明施氮量在200 kg/hm2時植株體內氮素積累較為適宜，此時基肥、分蘗肥和穗肥用量分別為N 80、40、80 kg/hm2。對常規(guī)稻而言，在N160和N200處理施氮水平時，Nand在0附近波動，表明常規(guī)稻適宜施氮量介于160～200 kg/hm2之間，此時基肥、分蘗肥和穗肥最佳用量分別為N 64～80、32～40、64～80 kg/hm2。

圖4 水稻臨界氮濃度變化曲線Fig. 4 Critical nitrogen concentration curve of rice

圖5 不同施氮水平下水稻氮營養(yǎng)指數(shù)動態(tài)變化Fig. 5 Dynamic changes of the nitrogen nutritional index of rice under different N application levels

圖6 不同施氮水平下水稻氮虧缺值的變化Fig. 6 Dynamic changes of the nitrogen deficit of rice under different N application levels

3 討論

3.1 不同水稻品種臨界氮濃度變化曲線

與常規(guī)稻相比，雜交稻具有較大的高產潛力。但在實際生產中，氮肥施用普遍存在過量現(xiàn)象，不僅造成生產成本的增加，而且嚴重污染環(huán)境。因此，建立快速有效的診斷雜交稻植株氮素營養(yǎng)狀況的技術方法顯得尤為重要。明確水稻在全生育期的臨界氮濃度是實現(xiàn)氮素營養(yǎng)診斷以及合理施用氮肥的基礎。國內外研究指出，在作物的生長發(fā)育過程中，植株地上部氮濃度與其干物質量間存在穩(wěn)定的冪函數(shù)關系，但冪函數(shù)方程的參數(shù)可能因作物的種類、品種以及地域的不同而存在差異[7,9]。根據(jù)薛曉萍等[11]的研究，作物在生長過程中，若地上部分氮濃度在臨界氮濃度以下，作物的生長將受到氮養(yǎng)分的制約；在臨界氮濃度以上，則說明施氮量已超過作物的需求量，作物生長不受氮的限制；只有氮濃度等于臨界氮濃度時的施氮量最為適宜。由于臨界氮濃度是由不同的氮水平試驗計算得出，因而氮水平試驗需要包含作物生長受到氮素營養(yǎng)虧缺的制約和不受制約兩種情況，若增加施氮量導致作物地上部生物量顯著增加 (P ＜ 0.05)，表明作物生長因氮素供應不足而不能達到最大生產量；反之，若增加施氮量，盡管氮吸收量可能增加，但地上部干物質并未出現(xiàn)顯著增加，作物生長將不受氮素制約。

本研究通過分析不同品種水稻在不同施氮量下，地上部干物質量積累與氮濃度之間的變化關系，建立水稻臨界氮變化曲線方程，分別為Nc= 3.37 DM–0.32(雜交稻)，Nc= 2.96 DM–0.25(常規(guī)稻)，其方程的決定系數(shù)分別為0.91、0.86，擬合度均達到極顯著水平。雜交稻和常規(guī)稻的臨界氮濃度變化曲線方程形式符合Greenwood等的假設[7]，說明本研究得到的方程適宜表征水稻植株氮濃度與地上部干物質量之間的關系。本研究構建的雜交稻與常規(guī)稻臨界氮變化曲線方程參數(shù)a、b值與Sheehy等[14]構建水稻臨界氮濃度變化曲線方程 (Nc= 5.18 DM–0.52) 的參數(shù)差別均較大，主要原因可能是Sheehy等構建方程是綜合不同國家水稻品種的結果。但本研究構建的雜交稻品種臨界氮濃度變化曲線方程與賀志遠等[20]在江西省構建的方程 (Nc= 3.69 DM–0.34) 參數(shù)相近，常規(guī)稻品種與Ata-Ul-Karim等[21]、王遠[22]、劉小軍等[23]分別在江蘇省各地區(qū)構建的臨界氮濃度變化曲線方程 (Nc= 2.17 DM–0.27、Nc= 3.33 DM–0.26、Nc= 3.53 DM–0.28) 參數(shù)相近。因此，本研究建立的臨界氮濃度變化曲線方程適用于我國南方水稻種植地區(qū)雜交稻與常規(guī)稻品種氮素營養(yǎng)診斷。

在本研究條件下，雜交稻與常規(guī)稻的方程參數(shù)存在差異，這可能與二者干物質量生產能力和氮素需求不同有關。本研究表明，雜交稻在移栽后第15、30、45、60、75和120天時，最大干物質量分別是 0.75、2.83、6.88、11.14、13.28、19.23 t/hm2，Nc分別為3.70%、2.42%、1.82%、1.56%、1.47%、1.31%，常規(guī)稻在移栽后第15、30、45、60、75和100天時，最大干物質量分別是0.40、1.95、6.23、11.27、13.68、15.15 t/hm2，Nc分別為 3.72%、2.51%、1.87%、1.62%、1.54%、1.50% (圖4)。說明常規(guī)稻相同生育期臨界氮濃度高于雜交稻，但雜交稻的干物質量生產能力大于常規(guī)稻。在成熟期，臨界氮濃度條件下雜交稻植株氮積累量分別為242.8 kg/hm2(Y兩優(yōu)一號) 和269.2 kg/hm2(超優(yōu)千號)；而常規(guī)稻氮素積累量較少，分別為229.8 kg/hm2(粵農絲苗) 和223.4 kg/hm2(金農絲苗)?？梢姡s交稻植株適宜氮素需求量高于常規(guī)稻，這與夏冰等[24]的研究結果一致。

3.2 不同水稻品種氮素營養(yǎng)診斷

氮營養(yǎng)指數(shù)可以直觀地反映植株體內氮素的營養(yǎng)狀況。若營養(yǎng)指數(shù)NNI = 1，表明水稻植株的氮素營養(yǎng)達到最佳；若NNI ＞ 1表明植株氮素含量過高；若NNI ＜ 1表明植株體內氮素供應不足[18]。本研究表明，雜交稻與常規(guī)稻的NNI變化范圍分別為0.73～1.05和0.78～1.11，在相同施氮水平時雜交稻的NNI最小值與最大值均低于常規(guī)稻 (圖4)。通過對各個品種的NNI分析表明，雜交稻的適宜施氮量為200 kg/hm2，較常規(guī)稻適宜施氮量160～200 kg/hm2高，表明雜交稻對氮肥的需求量較大，這與艾志勇[25]的研究結果一致。

基于水稻臨界氮濃度變化曲線方程得到氮虧缺值 (Nand) 能夠準確地反映植株氮素營養(yǎng)盈虧量，對指導實際生產中氮肥補給量有重要的指導意義。若Nand等于0，表示植株體內氮素積累達到最佳水平；若Nand大于0，表示施氮水平偏低，植株氮積累量不足，氮素營養(yǎng)水平未達到最佳狀態(tài)；若Nand小于0，則表示氮積累過量。本研究條件下，雜交稻的Ncna高于常規(guī)稻。雜交稻在施氮水平為 200 kg/hm2時，Nand在0附近波動，表明施氮量在200 kg/hm2時植株體內氮素積累較為適宜；對常規(guī)稻而言，施氮水平為160和200 kg/hm2時Nand在0附近波動，表明常規(guī)稻適宜施氮量介于160～200 kg/hm2之間。這與通過NNI推斷的雜交稻與常規(guī)稻的最適施氮量結果基本一致，且NNI與Nand對植株氮素缺乏與過剩的描述基本相同，表明氮營養(yǎng)指數(shù)與氮虧缺值均能夠很好地評估水稻的氮素營養(yǎng)狀況。

4 結論

本研究依據(jù)超級雜交稻 (Y兩優(yōu)一號、超優(yōu)千號) 和常規(guī)稻 (粵農絲苗、金農絲苗) 4個不同品種的試驗資料建立了水稻臨界氮濃度變化曲線方程，其中超級雜交稻各品種之間以及常規(guī)稻各品種之間的臨界氮濃度變化曲線均無統(tǒng)計差異，因此可將相同類型品種合并，構建雜交稻和常規(guī)稻臨界氮濃度變化曲線方程，分別為 Nc= 3.37DM–0.32和 Nc= 2.96DM–0.25。常規(guī)稻品種臨界氮濃度高于相同生育期的雜交稻品種，但雜交稻的干物質量生產能力大于常規(guī)稻。由于氮營養(yǎng)指數(shù)NNI和氮虧缺值Nand均基于臨界氮濃度變化曲線方程，因而利用上述指標進行適宜施氮量調控的結論基本一致。其中雜交稻和常規(guī)稻NNI變化范圍分別為0.73～1.05和0.78～1.11，Nand變化范圍分別為–9.8～117.8 kg/hm2和–25.4～90.3 kg/hm2。在本試驗條件下雜交稻和常規(guī)稻適宜施氮量分別為200 kg/hm2左右和160～200 kg/hm2，與當?shù)貙崨r相符。