豫中煙區(qū)水肥一體化條件下烤煙臨界氮濃度稀釋曲線與氮素營(yíng)養(yǎng)診斷研究

周方，席奇亮，張思琦，何佳，劉高霞，薛剛，徐世曉，楊鐵釗

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州文化路95號(hào) 450002

氮素是烤煙生長(zhǎng)不可或缺的營(yíng)養(yǎng)元素之一，也是優(yōu)質(zhì)烤煙品質(zhì)改良和產(chǎn)量提升的重要限制因素之一。氮肥的施用量對(duì)煙株形態(tài)建成、葉片大小、生長(zhǎng)速度及有機(jī)物質(zhì)積累等有較大的影響；同時(shí)，氮素是核酸、蛋白質(zhì)、葉綠素、磷脂以及煙堿的重要成分，蛋白質(zhì)和煙堿對(duì)烤后煙葉的香吃味、刺激性以及生理強(qiáng)度均有重要作用[1]。適宜的施氮量是提高烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵，氮肥用量過(guò)高，則煙株徒長(zhǎng)、成熟期延遲，調(diào)制后煙葉組織粗糙疏松、表面油分少、含糖量明顯下降，評(píng)吸時(shí)伴有青雜氣且吃味辛辣、刺激性強(qiáng)、香氣質(zhì)差且香氣量不足；氮肥施用量不足，則煙株生長(zhǎng)緩慢、調(diào)制后葉片薄而輕、內(nèi)在化學(xué)成分不協(xié)調(diào)、煙葉質(zhì)量不佳[2]。因此確定烤煙在不同生育時(shí)期適宜的氮肥施用量，對(duì)烤煙產(chǎn)質(zhì)量、氮肥利用率的提高均具有重要的意義。

臨界氮濃度指的是植物在一定的生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)獲得最大生物量時(shí)的最小氮濃度值，可用于診斷作物氮素營(yíng)養(yǎng)狀況，確立作物臨界氮濃度值是進(jìn)行作物氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的基本方法之一[3]，基于臨界氮濃度的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷方法通常以作物的葉柄、葉片和莖或植物體整株的氮濃度為基礎(chǔ)。Greenwood等[4]建立了C3（N=5.17W-0.5）和C4（N=4.11W-0.5）作物的臨界氮濃度與地上部干物質(zhì)間的通用模型；Lemaire[5]等對(duì)上述模型進(jìn)行了修正。國(guó)外學(xué)者針對(duì)不同的作物開(kāi)展了相關(guān)的試驗(yàn)研究，并且已經(jīng)成功的應(yīng)用在小麥[6]、玉米[7]、高粱[8]、馬鈴薯[9-10]、冬油菜[11]、向日葵[12]等作物上。作物臨界氮濃度的研究在國(guó)內(nèi)起步較晚，馬露露等[13]通過(guò)2年試驗(yàn)研究建立了新疆干旱區(qū)滴灌棉花的臨界氮濃度稀釋曲線（Nc=3.91W-0.24）和氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型，分析得到了該地區(qū)滴灌棉花的適宜施氮量在240～360 kg/hm2之間；王新等[3]構(gòu)建了滴灌番茄地上部生物量的臨界氮濃度稀釋曲線模型，分析得到了新疆北疆番茄的最佳施氮量為300 kg/hm2；楊慧等[14]研究了在不同水氮條件處理下的番茄的地上部生物量、氮濃度及氮素累積隨生育期進(jìn)程的動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)建了不同水分條件下番茄的臨界氮濃度稀釋曲線模型；李正鵬等[15]通過(guò)8年的大田試驗(yàn)，構(gòu)建了關(guān)中平原玉米地上部生物量的臨界氮濃度稀釋曲線模型，該模型能夠很好地對(duì)該區(qū)玉米植株的氮素營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行診斷；強(qiáng)生才等[16]以冬小麥葉片干物質(zhì)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了陜西關(guān)中平原冬小麥的臨界氮稀釋曲線模型，用來(lái)指導(dǎo)冬小麥科學(xué)合理施用氮肥；梁效貴等[17]建立了華北地區(qū)夏玉米臨界氮稀釋曲線（Nc=34.914W-0.4134）及氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型，結(jié)果表明臨界氮濃度稀釋曲線可以預(yù)測(cè)該地區(qū)玉米臨界氮含量，氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型可以指導(dǎo)該地區(qū)玉米施肥。王維等[18]利用葉綠素測(cè)定儀測(cè)定SPAD值作為烤煙氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的指標(biāo)，結(jié)果表明SPAD在40.5～43范圍之間（氮肥施用量為75～110 kg/hm2）時(shí)，煙葉的產(chǎn)量、產(chǎn)值較高，煙葉化學(xué)成分較為協(xié)調(diào)。

水肥一體化技術(shù)是一項(xiàng)農(nóng)業(yè)新技術(shù)，即將灌溉與施肥結(jié)合在一起對(duì)植株進(jìn)行施肥。國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于水肥一體化滴灌方式下的作物生長(zhǎng)與產(chǎn)質(zhì)量、養(yǎng)分運(yùn)移與分配等[19]方面開(kāi)展了大量研究。但是在水肥一體化的滴灌條件下，對(duì)烤煙大田生育時(shí)期的需氮量動(dòng)態(tài)變化及其臨界氮濃度模型研究較少，以烤煙葉片臨界氮濃度建立烤煙氮素吸收（Nuptc）及氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型（NNI）來(lái)診斷烤煙氮素營(yíng)養(yǎng)狀況的研究鮮有報(bào)道，本研究以不同氮素水平下烤煙葉片的氮濃度為切入點(diǎn)，通過(guò)2年田間試驗(yàn)，建立了水肥一體化條件下的烤煙臨界氮濃度和氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型，以期為水肥一體化條件下烤煙氮素營(yíng)養(yǎng)狀況的診斷和氮肥的合理施用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)分別于2016、2017年4—10月在河南省許昌市襄城縣王洛鎮(zhèn)（33°97′N，113°49′E）進(jìn)行，供試烤煙品種為豫煙10號(hào)。該區(qū)屬于北暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為14.7℃，年平均降水量為579 mm（主要在分布于7－9月）。試驗(yàn)地土壤為黃褐土，前茬作物為烤煙。土壤基礎(chǔ)肥力指標(biāo)為見(jiàn)表1。

表1 不同年份試驗(yàn)小區(qū)土壤營(yíng)養(yǎng)水平Tab.1 Soil nutrient levels of experimental plots in two years

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2年試驗(yàn)均設(shè)置6個(gè)處理，分別為N0（0 kg/hm2）、N1（15 kg/hm2）、N2（30 kg/hm2）、N3（45 kg/hm2）、N4（60 kg/hm2）和N5（75 kg/hm2）6個(gè)氮素水平，采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，小區(qū)面積均為667 m2，每個(gè)小區(qū)種植1000株，行株距為1.1 m×0.55 m，四周設(shè)保護(hù)行。2016年4月27日移栽，2017年4月30日移栽；各處理除施肥方案不同外，其他管理措施按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行。

2年田間試驗(yàn)各處理的具體施肥方案如下：所有處理在大田起壟時(shí)僅條施芝麻餅肥（含氮量4%）300 kg/hm2作基肥，后期追肥使用本課題組研制的煙草專用液體套餐肥，其中包括煙草專用還苗生根肥、旺長(zhǎng)肥、成熟落黃肥，根據(jù)各處理氮肥施用量不同配制液體肥料，各處理除氮含量不同外，液體肥料其它添加物質(zhì)均保持一致。根據(jù)烤煙不同時(shí)期需水需肥規(guī)律將肥料分6次滴施入煙株根部，各個(gè)處理在烤煙全生育期總施磷、鉀量和灌水量都保持一致，全生育期磷（P2O5）、鉀（K2O）施入量分別為17.1 kg/hm2、135 kg/hm2。

試驗(yàn)水源由當(dāng)?shù)責(zé)熕涮坠こ绦藿ǖ臋C(jī)井提供，施肥灌溉首部系統(tǒng)采用移動(dòng)式施肥灌溉一體機(jī)（由汽油機(jī)水泵、過(guò)濾器、施肥桶、空氣閥等部件構(gòu)成），管網(wǎng)系統(tǒng)由主管道（PE材質(zhì)，直徑63 mm）連接貼片式滴管帶（PE材質(zhì)，直徑16 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量2.5～3 L/h）組成。全部大田生長(zhǎng)生育期共進(jìn)行8次灌溉，其中6次與施肥同時(shí)進(jìn)行，每次灌水定額為140 m3/hm2。

1.3 樣品的采集與測(cè)定

1.3.1 樣品的采集

試驗(yàn)選取煙株移栽后20 d、30 d、40 d、50 d、60 d、70 d、80 d、90 d、100 d、110 d、120 d進(jìn)行破壞性取樣，每個(gè)處理分別取長(zhǎng)勢(shì)一致的煙株3株。將每株煙葉片摘下擦干凈單獨(dú)放置，于105℃殺青30 min，65℃烘干至恒重，記錄各取樣時(shí)期的葉片干重，最后用碾子將樣品磨碎過(guò)60目篩。

1.3.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.2.1 葉片氮濃度測(cè)定

各處理煙株烘干樣品總氮含量的測(cè)定采用半微量凱氏定氮法[20]。

1.3.2.2 煙葉產(chǎn)量計(jì)算

烤煙成熟期取未采樣的1/2小區(qū)進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，單打單收記錄各小區(qū)烤后煙產(chǎn)量，3個(gè)小區(qū)實(shí)測(cè)產(chǎn)量的平均值作為最終產(chǎn)量。

1.4 模型描述

1.4.1 構(gòu)建臨界氮濃度稀釋曲線模型

構(gòu)建基于葉片干物質(zhì)的臨界氮濃度稀釋曲線時(shí)首先需要確定關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)。根據(jù)1994年Justes等[21]所定義的在某一地上部生物量下既不限制作物生長(zhǎng)又不存在奢侈吸收的植株臨界氮濃度及計(jì)算方法，綜合薛曉萍[22]、梁效貴[17]等關(guān)于棉花、夏玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型的建模思路。本研究臨界氮濃度稀釋曲線模型的構(gòu)建方法如下：

1）對(duì)比分析不同氮素水平下每次取樣葉片干物質(zhì)積累量及相對(duì)應(yīng)的烤煙葉片氮濃度值，通過(guò)方差分析對(duì)作物生長(zhǎng)受氮素營(yíng)養(yǎng)限制與否的氮素水平進(jìn)行分類；2）對(duì)于施氮量不能滿足作物生長(zhǎng)需求的施氮水平，其葉片干物質(zhì)積累量與氮濃度值間的關(guān)系以曲線擬合；3）對(duì)于作物生長(zhǎng)不受氮素影響的施氮水平，其葉片干物質(zhì)積累量的平均值用以代表最大干物質(zhì)。4）每次取樣日的理論臨界氮濃度由上述曲線與以最大干物質(zhì)為橫坐標(biāo)的垂線的交點(diǎn)的縱坐標(biāo)決定。

依據(jù) Lemaire 和Salette 等[23]1984年提出的臨界氮濃度與地上部生物量關(guān)系的方程式，構(gòu)建了烤煙臨界氮濃度稀釋曲線模型為：

式中，Nc為烤煙的臨界氮濃度值；ac為烤煙葉片干物質(zhì)量達(dá)到1 t/hm2時(shí)，煙株的臨界氮濃度值；LDWmax為烤煙葉片干物質(zhì)最大積累量，單位為t/hm2；b為決定臨界氮濃度稀釋曲線斜率的參數(shù)。

建立的烤煙臨界氮濃度稀釋曲線模型中，若烤煙氮素含量在曲線以上，說(shuō)明氮肥施用過(guò)多，煙株不能完全吸收，土壤中有氮素殘留；若烤煙氮素含量在曲線以下，說(shuō)明此時(shí)氮肥施用不足，煙株的生長(zhǎng)發(fā)育受到一定程度的抑制，產(chǎn)質(zhì)量會(huì)受到一定程度的影響；當(dāng)烤煙氮素含量與曲線保持基本一致時(shí)，則此時(shí)氮素施用量是較為適宜的。

1.4.2 氮素吸收模型的構(gòu)建

烤煙葉片氮吸收量（Nupt，kg/hm2）與葉片干物質(zhì)最大積累量（LDWmax，t/hm2）之間的關(guān)系可用公式（2）表示：

將（1）式帶入（2）式中，得到烤煙臨界氮素吸收模型，即烤煙氮累積量與葉片干物質(zhì)累積量之間的異速生長(zhǎng)模型：

式中，Nuptc為烤煙的臨界氮素吸收量，其單位為kg/hm2；指數(shù)1-b為生長(zhǎng)參數(shù)，是指氮素相對(duì)吸收速率與烤煙葉片干物質(zhì)累積速率的比值。

1.4.3 模型的檢驗(yàn)

采用均方根誤差RMSE（Root mean square error）和標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差（n-RMSE）[24-26]來(lái)校驗(yàn)?zāi)Ｐ途纫赃M(jìn)行模型的檢驗(yàn)，通過(guò)建立模擬值和實(shí)測(cè)值之間1∶1的直方圖，進(jìn)而來(lái)直觀表現(xiàn)模型的擬合度和可靠性。RMSE和n-RMSE的計(jì)算公式分別為：

式中si為模擬值、mi為實(shí)測(cè)值，N為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值。

RRMSE是用來(lái)衡量模擬值和實(shí)測(cè)值的平均差異，是一個(gè)帶單位的值，RRMSE的值越小，表示模擬值和實(shí)測(cè)值一致性越高，偏差越?。环粗话?。Rn-RMSE消除了單位，可以用來(lái)比較不同單位數(shù)據(jù)的模型性能。一般認(rèn)為，如果Rn-RMSE＜10%，則認(rèn)為該模型模擬性能極好；如果10%＜Rn-RMSE＜20%，則認(rèn)為模型模擬性能較好；如果20%＜Rn-RMSE＜30%，則認(rèn)為模型模擬性能一般；如果Rn-RMSE＞ 30%，則認(rèn)為模擬性能較差[27]。

1.4.4 氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)（NNI）

為了進(jìn)一步明確作物的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況，Lemaire等提出了氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)（nitrogen nutrition index，NNI）的概念，可用公式（6）來(lái)表示：

式中，NNI為氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)；Nt為煙株葉片干物質(zhì)氮濃度的實(shí)測(cè)值；Nc為在相同的葉片干物質(zhì)下，由臨界氮濃度稀釋曲線模型求得的氮濃度值。NNI能夠比較直觀地反映出來(lái)作物體內(nèi)的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況，NNI=1，氮素營(yíng)養(yǎng)最適宜；NNI＞1，表現(xiàn)為氮素營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩；NNI＜1，表現(xiàn)為氮素營(yíng)養(yǎng)虧缺。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)整理和分析，通過(guò)SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差分析，主要指標(biāo)的顯著性通過(guò)LSD多重比較得到，顯著性水平設(shè)定為P=0.05，采用Sigmaplot 12.5統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 烤煙葉片干物質(zhì)積累量及烤煙氮濃度值變化分析

在2年試驗(yàn)中，烤煙葉片干物質(zhì)積累量呈現(xiàn)“慢-快-慢”的增長(zhǎng)趨勢(shì)，分析不同氮素水平處理下烤煙在同一取樣日的葉片干物質(zhì)積累量，結(jié)果表明（表2）：隨施氮量的增加，烤煙植株葉片干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，N4（60 kg/hm2）處理達(dá)到最高值，從烤煙整個(gè)生育期來(lái)看，煙株葉片干物質(zhì)積累量在N0、N1、N2、N3之間差異顯著；N4、N5之間差異不顯著。說(shuō)明烤煙葉片干物質(zhì)積累量并不隨施氮量的增加而增加。依據(jù)前人建立臨界氮濃度稀釋曲線的方法，對(duì)烤煙葉片干物質(zhì)積累量進(jìn)行方差分析，即每次取樣日差異顯著的處理為限氮組，反之為非限氮組。由表2可知，N0、N1、N2、N3處理的取樣值為限氮組數(shù)據(jù)，非限氮組數(shù)據(jù)為N4、N5處理取樣值。

表2 不同氮素水平下烤煙葉片干物質(zhì)積累變化規(guī)律Tab.2 The change law of dry matter accumulation of tobacco leaves under different nitrogen application rates

2016年試驗(yàn)取樣的66組數(shù)據(jù)中，烤煙植株葉片干物質(zhì)的變化范圍為0.01～6.03 t/hm2，氮濃度變化范圍是1.46%～5.22%。由于2016年移栽后20 d的N0-N5、30 d的N0-N5、40 d的N0-N3及50 d的N0取樣時(shí)煙株較小，烤煙葉片干物質(zhì)積累量均小于1 t/hm2，且取樣較少，葉片干物質(zhì)積累量小于1 t/hm2時(shí)（取樣數(shù)n=17），干物質(zhì)量和氮濃度的數(shù)據(jù)量沒(méi)有顯著關(guān)系（圖1a）。當(dāng)葉片干物質(zhì)積累量大于1 t/hm2時(shí)（取樣數(shù)n=49），隨著葉片干物質(zhì)積累量的增加氮濃度逐漸降低（圖1b），二者的關(guān)系為N=4.5193LDW-0.595，決定系數(shù)為0.6742，達(dá)到極顯著水平。

圖1 氮濃度和煙株葉片干物質(zhì)的關(guān)系Fig.1 Relationship between nitrogen concentration and dry matter accumulation of tobacco leaves

2.2 烤煙臨界氮濃度稀釋曲線模型與氮素吸收模型的建立

分析2016年煙株葉片干物質(zhì)積累量與其對(duì)應(yīng)的氮濃度值之間的關(guān)系，將其進(jìn)行曲線擬合，找出取樣日的臨界氮濃度值，由公式（1）將確定的臨界氮濃度值與相對(duì)應(yīng)的煙株最大葉片干物質(zhì)積累量進(jìn)行曲線擬合，即可得到烤煙臨界氮濃度稀釋曲線模型（Nc=4.8071LDWmax-0.6，R2=0.8768，圖2），擬合度達(dá)到極顯著水平。將公式（1）代入公式（2）、公式（3）進(jìn)行計(jì)算得到烤煙氮素吸收曲線模型（表3）。

圖2 煙株葉片的氮濃度稀釋曲線Fig.2 Nitrogen concentration dilution curve in dry matter of tobacco leaves

分析煙株葉片干物質(zhì)積累量與葉片氮濃度，結(jié)果表明：在煙株葉片干物質(zhì)積累量相同的情況下，煙株葉片的氮濃度值表現(xiàn)出很大的變異性，利用每次取樣所得到的氮濃度的最大值（Nmax）、最小值（Nmin）可得到2個(gè)烤煙最大、最小氮濃度稀釋邊界模型（Nmax=6.8222LDW-0.546，Nmin=2.9408LDW-0.489），模型參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 煙株葉片臨界氮濃度稀釋曲線模型和異速生長(zhǎng)模型的參數(shù)值Tab.3 The parameters of critical nitrogen concentration dilution curve model and allometric growth model of tobacco leaves

2.3 烤煙臨界氮濃度稀釋曲線模型的驗(yàn)證

2017年水肥一體化施肥試驗(yàn)可作為相對(duì)獨(dú)立的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證烤煙臨界氮濃度稀釋曲線模型，N3、N4和N5施氮量處理均能滿足烤煙生長(zhǎng)所需氮素營(yíng)養(yǎng)，甚至超過(guò)烤煙生育期所需氮用量，因此文中僅選取N3即施氮量為45 kg/hm2的大田試驗(yàn)來(lái)對(duì)此模型進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)選用7次采樣的單株烤煙葉片干物質(zhì)，將該年試驗(yàn)的煙株葉片干物質(zhì)數(shù)據(jù)，代入水肥一體化條件下烤煙臨界氮濃度稀釋曲線模型中得到模擬值，用1:1直方圖直觀顯示烤煙氮濃度模擬值與實(shí)測(cè)值之間的關(guān)系（圖3）。用RRMSE和Rn-RMSE來(lái)評(píng)價(jià)模型的精準(zhǔn)度，根據(jù)公式（4）和（5）分別求得豫煙10號(hào)的RRMSE=0.4686，Rn-RMSE=19.39%，由于10%＜Rn-RMSE＜20%，表示模型穩(wěn)定度高。該結(jié)果表明，基于烤煙葉片干物質(zhì)的臨界氮濃度稀釋曲線可用于水肥一體化條件下豫中煙區(qū)豫煙10號(hào)的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷。

圖3 烤煙葉片臨界氮濃度稀釋曲線驗(yàn)證Fig.3 Calibration of Nc dilution curve of tobacco leaves

2.4 施氮量對(duì)水肥一體化條件下烤煙經(jīng)濟(jì)性狀的影響

由表4可知，隨著氮肥施入量的增加，水肥一體化條件下烤煙產(chǎn)量得到了明顯地提高，但當(dāng)施入的氮肥量達(dá)到了一定量后，烤煙的產(chǎn)量不再升高，反而呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。綜合兩年產(chǎn)量數(shù)據(jù)，以施氮量N4為處理的產(chǎn)量最高。產(chǎn)值、均價(jià)和上等煙比例均表現(xiàn)為先增加后降低，N3處理的產(chǎn)量雖然低于N4處理，但產(chǎn)值、均價(jià)和上等煙比例均高于其它處理，N2處理較N3處理次之。由此可知，N3處理即45 kg/hm2施氮量是較適宜于豫煙10號(hào)的。

2.5 基于氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)（NNI）的烤煙適宜施氮量分析

本研究采用氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)（NNI）作為水肥一體化條件下的烤煙適宜施氮量的判斷依據(jù)。由公式（6）進(jìn)行計(jì)算，可得到不同氮素水平下烤煙NNI隨烤煙移栽后天數(shù)的動(dòng)態(tài)變化曲線。如圖4所示，在不同氮素水平處理下，NNI的變化趨勢(shì)基本一致，6個(gè)處理均在一定程度上出現(xiàn)波動(dòng)性。同一移栽后時(shí)期，NNI的值隨著施氮量的增加逐漸變大。在烤煙生長(zhǎng)的旺長(zhǎng)期，此時(shí)期烤煙植株生長(zhǎng)旺盛，對(duì)于氮素的需求量也增加，從而使得不同氮素水平處理之間的NNI值差距也逐步遞增，N0（0 kg/hm2）、N1（15 kg/hm2）、N2（30 kg/hm2）水平在移栽后第40d～120d內(nèi)NNI值均小于1，說(shuō)明N0、N1和N2水平下，此小區(qū)內(nèi)氮肥不足，出現(xiàn)了氮虧缺，烤煙的生長(zhǎng)受到了氮素的限制；在N4（60 kg/hm2）和N5（75 kg/hm2）處理下，NNI的值均大于1，由此可見(jiàn)該小區(qū)內(nèi)氮肥施入量較充足，氮肥施用甚至過(guò)量；N3（45 kg/hm2）處理的NNI最接近1或在1附近變化，表明該處理的氮素水平相對(duì)其他氮素水平來(lái)說(shuō)最為適宜。因此，由NNI可以看出該地區(qū)在水肥一體化條件下30～45 kg/hm2的施氮量是較為適宜的。

表4 不同施氮量處理經(jīng)濟(jì)效益的比較（2年田間試驗(yàn)的均值）Tab.4 Comparison of economic benefits under different nitrogen application rates （Mean of two-year field experiment）

圖4 不同氮素水平下烤煙氮素營(yíng)養(yǎng)指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic change of nitrogen nutrient index of flue-cured tobacco under different nitrogen application rates

3 討論

3.1 烤煙臨界氮濃度稀釋曲線模型與其他作物模型

本研究將2年6個(gè)氮水平的烤煙大田數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，建立了臨界氮濃度稀釋曲線模型（Nc=4.807LDWmax-0.6），對(duì)氮吸收量與烤煙葉片干物質(zhì)積累量的關(guān)系進(jìn)行了研究，并對(duì)氮吸收模型及氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)與施氮量的關(guān)系進(jìn)行了分析；研究結(jié)果表明，烤煙植株在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中葉片臨界氮含量與葉片干物質(zhì)積累量之間的關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系，所得方程的決定系數(shù)為0.8768，擬合度達(dá)到了極顯著的水平。將該模型與前人在不同作物上構(gòu)建的臨界氮濃度稀釋曲線模型進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該模型與王新等[3]研究的滴灌番茄臨界氮濃度模型（Nc=4.352DW-0.274），李正鵬[28]等建立的關(guān)中平原冬小麥Nc模型（Nc=4.82W-0.49），強(qiáng)生才等[16]基于葉片干物質(zhì)建立的冬小麥Nc模型（Nc=4.43LDW-0.3）和楊慧[14]等建立的水氮耦合條件下番茄臨界氮濃度模型參數(shù)相差不大；但與李正鵬[15]等構(gòu)建的關(guān)中地區(qū)玉米Nc模型（Nc=22.5W-0.27和Nc=25.3W-0.26），梁效貴等構(gòu)建的華北地區(qū)夏玉米Nc模 型（Nc=34.914W-0.4134）和Plènet 和Lemaire等[7]2000年在法國(guó)建立的臨界氮濃度與地上部干物重的Nc模型（Nc=34.0W-0.37）的形式一致，但參數(shù)不同，造成參數(shù)出現(xiàn)差異的主要原因有：1）Greenwood等構(gòu)建的是C3、C4作物通用模型，而且是在無(wú)氮素限制條件下擬合得出的；2）不同作物吸收養(yǎng)分和營(yíng)養(yǎng)代謝機(jī)制及其機(jī)理不同，因此可能造成了Nc模型參數(shù)出現(xiàn)差異；3）不同的生態(tài)環(huán)境、土壤質(zhì)地、作物品種及氮素水平差異也會(huì)造成曲線參數(shù)不同。

本研究在水肥一體化條件下構(gòu)建的烤煙臨界氮濃度稀釋曲線模型可以很好地反應(yīng)煙株葉片干物質(zhì)與氮濃度的關(guān)系，并且依據(jù)Nc模型構(gòu)建了氮素吸收、營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型，可對(duì)烤煙的需氮量及氮素營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行估算和診斷；但是該模型是在單一品種、同一生態(tài)地點(diǎn)下構(gòu)建的，因此關(guān)于此模型的通用性可能需要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

3.2 烤煙最佳施氮量的確定及氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的可行性分析

目前，在烤煙生產(chǎn)過(guò)程中，氮肥不合理施用現(xiàn)象非常普遍，造成氮肥利用效率低、土壤氮素殘留量大，因此需要建立快速而有效的方法加強(qiáng)對(duì)烤煙氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的研究，而明確烤煙不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的臨界氮濃度，是實(shí)現(xiàn)氮肥合理施用的基礎(chǔ)。本研究通過(guò)6種氮素水平的產(chǎn)量，表明氮肥不足會(huì)顯著降低產(chǎn)量，過(guò)量施氮產(chǎn)量亦會(huì)有所降低，與李明福[29-30]等研究結(jié)果一致；在不同氮素水平處理，相同氮肥施用時(shí)期的情況下，NNI值可以反映出烤煙的氮素盈虧狀況，NNI值隨著氮肥施用量的增加不斷增大。本研究表明，在水肥一體化的滴灌條件下，豫中煙區(qū)以30～45 kg/hm2施氮量最適宜。

氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的方法很多，包括植物全氮分析法、土壤無(wú)機(jī)氮測(cè)定法、葉綠素儀測(cè)定法、硝酸鹽快速診斷法和高光譜遙感法等[31-32]。目前在烤煙生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行氮素營(yíng)養(yǎng)診斷一般多采用葉綠素測(cè)定儀及硝酸鹽快速診斷法。但是采用葉綠素測(cè)定儀測(cè)定SPAD讀數(shù)時(shí)較易受光照強(qiáng)度和水分的影響，而且該方法需要測(cè)定多個(gè)樣本的多點(diǎn)數(shù)據(jù)，求得平均值作為測(cè)定結(jié)果，以此才能降低SPAD值的變異度，工作量較大且數(shù)據(jù)不穩(wěn)定[33]，同時(shí)，測(cè)定結(jié)果受栽培環(huán)境和作物品種的影響也比較大。硝酸鹽快速診斷方法有兩種，二苯胺法和反射儀法均可以準(zhǔn)確而快速地對(duì)作物氮素營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行診斷，但是都受到一定限制，二苯胺法適合用于含氮水平較低的植物而煙株含氮量相對(duì)較高，反射儀法測(cè)定費(fèi)用較高所以不適合大量檢測(cè)[34]。

在烤煙大田生長(zhǎng)實(shí)際操作過(guò)程中，采用本研究所提出的方法對(duì)烤煙進(jìn)行氮素營(yíng)養(yǎng)診斷，只需對(duì)烤煙葉片的干物質(zhì)量和葉片的氮含量進(jìn)行取樣測(cè)定，然后將其值代入Nc曲線，就可以快速地對(duì)整株煙的氮營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行判斷。該方法相對(duì)于測(cè)土配方施肥技術(shù)、葉綠素測(cè)定儀、及光譜遙感等測(cè)定方法，成本比較低，而且相對(duì)于用地上干物質(zhì)（DM）建模的方法，葉片烘干的時(shí)間更短，測(cè)定的樣本更多，測(cè)定較快進(jìn)行更方便，能很好地反應(yīng)整株煙的營(yíng)養(yǎng)狀況。水肥一體化條件下施肥遵循“少量多次”的原則，既能滿足煙株生長(zhǎng)發(fā)育的需要，又能避免因肥料過(guò)量而造成的揮發(fā)或淋溶等損失，可以進(jìn)一步提高氮肥利用率[35]；同時(shí)這種“少量多次”的施肥方法，為烤煙氮素營(yíng)養(yǎng)診斷提供了基礎(chǔ)，將烤煙臨界氮濃度稀釋曲線模型與氮肥利用率相結(jié)合，對(duì)于水肥一體化條件下烤煙定量、精準(zhǔn)地施用氮肥具有良好的生產(chǎn)意義。

4 結(jié)論

本文依據(jù)2年6個(gè)氮素水平的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于烤煙葉片干物質(zhì)的臨界氮濃度稀釋模型為（Nc=4.8071LDWmax-0.6），結(jié)果表明，烤煙葉片臨界氮濃度、烤煙最高（Nmax）、最低（Nmin）氮濃度稀釋模型與葉片干物質(zhì)積累量之間均呈現(xiàn)冪指數(shù)的關(guān)系，利用該模型可以對(duì)烤煙臨界氮含量進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而可以對(duì)烤煙移栽后40 d到成熟期的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行診斷，從而優(yōu)化大田烤煙氮素管理；基于烤煙葉片臨界氮濃度構(gòu)建了氮素吸收模型和氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型（NNI），可以直觀地反映出烤煙在不同生育期的氮素營(yíng)養(yǎng)盈虧狀況，根據(jù)本研究建立的烤煙氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型推薦豫中煙區(qū)烤煙在水肥一體化條件下施肥適宜施氮量范圍在30～45 kg/hm2之間，這與本地區(qū)常規(guī)栽培的烤煙氮用量（45～60 kg/hm2）相比減少了25%～33.3%。