氮磷配施下夏玉米臨界氮濃度稀釋曲線的構(gòu)建與氮營養(yǎng)診斷

劉苗，劉朋召，師祖姣，王小利，王瑞，李軍

氮磷配施下夏玉米臨界氮濃度稀釋曲線的構(gòu)建與氮營養(yǎng)診斷

劉苗，劉朋召，師祖姣，王小利，王瑞，李軍*

西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，陜西楊凌 712100

【目的】探究不同水平氮磷配施對夏玉米地上部生物量和氮素濃度的影響，構(gòu)建臨界氮濃度稀釋曲線模型，并基于氮營養(yǎng)指數(shù)模型診斷和評價玉米在不同氮磷互作條件下的氮素營養(yǎng)狀況，可為夏玉米氮磷肥合理施用提供理論依據(jù)?！痉椒ā恳杂衩灼贩N鄭單958和豫玉22為試驗材料，在陜西關(guān)中平原設(shè)置田間定位氮磷配施試驗，設(shè)氮肥（N）用量0、75、150、225、300 kg·hm-2（分別用N0、N1、N2、N3和N4表示）；磷肥（P2O5）用量0、60、120、180 kg·hm-2（分別用P0、P1、P2和P3表示），于2019—2020年在夏玉米拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期進行取樣，分析不同水平氮磷配施對玉米地上部生物量累積、氮濃度動態(tài)變化和產(chǎn)量的影響，構(gòu)建并驗證臨界氮濃度稀釋曲線模型。【結(jié)果】氮磷配施能顯著提高夏玉米地上部生物量、植株氮濃度及籽粒產(chǎn)量，在同一施磷水平下，隨施氮水平的提高，夏玉米各生育時期地上部生物量和籽粒產(chǎn)量呈增加趨勢，植株氮濃度隨生育進程推進和地上部生物量積累的增加而降低，氮濃度和地上部生物量之間符合冪指數(shù)關(guān)系。同時，施磷能促進植株氮素吸收和地上部生物量積累，在相同施氮條件下，施磷各處理總體表現(xiàn)為P2＞P3≈P1＞P0，說明施磷可以提高植株氮容納能力，減緩氮濃度下降速率。根據(jù)地上部生物量（）與其氮濃度變化關(guān)系構(gòu)建不同施磷水平下夏玉米臨界氮濃度（N）變化曲線（P0，N=27.98-0.249；P1，N= 29.77-0.182；P2，N=30.81-0.138；P3，N=30.06-0.187），模型擬合的植株氮濃度和實際氮濃度線性相關(guān)，稀釋曲線模型的n-值分別為10.23%、6.67%、6.95%和7.19%，有很好的穩(wěn)定性?；谂R界氮濃度稀釋曲線計算氮營養(yǎng)指數(shù)（），同一施磷水平下玉米各生育時期隨氮肥用量的增加而增大，與相對地上部生物量（）和相對產(chǎn)量（）均呈極顯著相關(guān)。【結(jié)論】基于臨界氮濃度稀釋曲線模型的氮營養(yǎng)指數(shù)對夏玉米適宜氮磷配施量的診斷結(jié)果為N2—N3、P1—P2處理為最佳條件，結(jié)合施氮量與產(chǎn)量的擬合方程，推薦關(guān)中平原夏玉米施氮量為187.5—205.7 kg·hm-2、施磷量為60—120 kg·hm-2。

夏玉米；氮磷配施；臨界氮稀釋曲線；氮營養(yǎng)指數(shù)

0 引言

【研究意義】氮素是與玉米產(chǎn)量關(guān)系最密切的營養(yǎng)元素，對玉米器官建成和果實發(fā)育至關(guān)重要。施氮后增產(chǎn)效果明顯，當(dāng)?shù)适┯昧砍鲎魑镄枨螅瑫棺魑镓澢嗤硎?、抗蟲和抗病能力降低，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低[1]。磷素也是限制作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的營養(yǎng)元素之一[2]，施磷可以促進植株營養(yǎng)器官生長和產(chǎn)量構(gòu)成要素的形成[3]。適量的磷肥能促進根系生長發(fā)育，有助于提高光能利用率和促進地上部生物量積累[4]，但過量施磷易造成土壤酸化、板結(jié)，嚴(yán)重時會導(dǎo)致玉米死亡[5]。在施肥習(xí)慣上，農(nóng)民往往注重偏施氮肥，而忽視了氮磷配施對玉米生長發(fā)育、產(chǎn)量構(gòu)成和養(yǎng)分吸收的促進作用[6-7]，導(dǎo)致玉米產(chǎn)量不高，肥料利用率很低，玉米生產(chǎn)的經(jīng)濟潛力得不到充分發(fā)揮。臨界氮濃度稀釋曲線及基于此的氮營養(yǎng)指數(shù)可定量描述植株氮素營養(yǎng)狀況，是植株氮素診斷的有效方法，而在不同施磷水平下分別建立臨界氮稀釋曲線，分析不同水平氮磷配施對植株氮營養(yǎng)指數(shù)的變化情況，以尋求最適宜的氮磷配施量。【前人研究進展】臨界氮濃度（N）是指作物獲得最大地上部生物量所需要的最低氮濃度[8]。研究表明，臨界氮濃度會隨作物生育期內(nèi)地上部生物積累量（）的增加而降低，二者存在冪指數(shù)關(guān)系（N=-b）[9]。前人已在馬鈴薯[10]、棉花[11]、大蒜[12]、小麥[13]、番茄[14]等作物上建立了臨界氮濃度稀釋曲線模型，并基于所建模型進行氮素診斷，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)、土壤肥力狀況、氣候條件及作物品種等都會導(dǎo)致模型參數(shù)發(fā)生變化[15]。陜西關(guān)中地區(qū)夏玉米年種植面積占全省玉米面積的60%以上，產(chǎn)量占全省玉米總產(chǎn)的70%以上[16]，有學(xué)者在關(guān)中地區(qū)建立了夏玉米臨界氮濃度稀釋曲線，李正鵬等[17]基于文獻收集方法整理并分析得到N= 22.77-0.27；強生才等[18]在不同降雨年型下得到N= 21.4-0.14和N=22.43-0.31，蘇文楠等[19]從植株不同部位得到N=23.3-0.24和N=24.7-0.26?！颈狙芯壳腥朦c】盡管已經(jīng)建立的臨界氮稀釋曲線能用于夏玉米氮素營養(yǎng)診斷，但這些都是在氮素單一因素下建立的，而氮磷配施對該模型的影響尚不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過分析不同比例氮磷配施條件下夏玉米地上部生物量與其植株氮濃度的變化關(guān)系，構(gòu)建不同施磷水平下玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型并進行對比分析，旨在明確不同水平氮磷配施臨界氮稀釋曲線模型的差異，為夏玉米氮磷配施管理及氮素營養(yǎng)診斷提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗設(shè)置于西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)農(nóng)作一站（108°06′E，34°29′N，海拔454.8 m），位于陜西關(guān)中平原西部楊凌示范區(qū)，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，無霜期211 d，近20年的年平均氣溫為13.5℃，每年的總?cè)照諘r間為2 196 h，年平均降水量為580.5 mm，主要集中在7、8、9月，年平均蒸發(fā)量為993.2 mm。2019和2020年夏玉米全生育期降水量為527.2和673.9 mm，平均氣溫為23.6和22.5℃。供試土壤為土，本試驗是自2009年起實施的冬小麥-夏玉米一年兩熟制長期定位施肥試驗，試驗前測定0—20 cm土層養(yǎng)分含量為：有機質(zhì)14.26 g·kg-1、全氮0.90 g·kg-1、堿解氮36.00 mg·kg-1、速效磷17.64 mg·kg-1；20—40 cm土層養(yǎng)分含量為：有機質(zhì)10.04 g·kg-1、全氮0.62 g·kg-1、堿解氮25.29 mg·kg-1、速效磷23.85 mg·kg-1。2019年不同水平氮磷肥配施下的地力水平不一致，020 cm土層土壤養(yǎng)分含量見表1。

表1 供試土壤基本養(yǎng)分狀況

1.2 試驗設(shè)計

本研究主要分析2019—2020年夏玉米地上部生物量和植株全氮含量的關(guān)系。田間試驗采取品種、施磷量和施氮量三因素裂區(qū)設(shè)計，品種為主處理，供試玉米品種為鄭單958和豫玉22；施磷量（P2O5）為副處理，設(shè)置0、60、120、180 kg·hm-24個施磷量處理，分別以P0、P1、P2和P3表示，所用磷肥為過磷酸鈣（P2O5含量16%）；施氮量（純N）為副副處理，設(shè)置0、75、150、225、300 kg·hm-25個施氮量處理，分別以N0、N1、N2、N3和N4表示，所用氮肥為尿素（純N含量46%）。氮磷肥全部基施，因供試土富含鉀素（表1），本試驗不施鉀肥。小區(qū)面積30 m2，2019和2020年夏玉米播種日期分別為6月16日和6月10日，種植密度為67 500株/hm2，收獲期分別為10月7日和10月1日。玉米全生育期內(nèi)不灌水，田間病蟲草害防治等其他田間管理措施同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.3 測定項目與方法

1.3.1 玉米地上部生物量及氮素含量測定 在夏玉米拔節(jié)期（V6）、抽雄期（VT）、灌漿期（R2）和成熟期（R6）采集植株地上部樣本。每小區(qū)采取有代表性的玉米3株，分為莖稈、葉片、穗三部分，灌漿期和成熟期將穗部分為苞葉、穗軸和籽粒，于105℃殺青30 min后，80℃烘干至恒重，稱重并計算地上部生物量；樣品粉碎過0.425 mm篩，采用H2SO4-H2O2消煮，德國AA3型連續(xù)流動分析儀測定植株全氮含量[20]。

1.3.2 產(chǎn)量測定 成熟期查數(shù)各小區(qū)中間2行植株果穗數(shù)量，換算出單位面積穗數(shù)。在行內(nèi)選取10個均勻果穗，3次重復(fù)，分別調(diào)查穗行數(shù)和行粒數(shù)，計算平均穗粒數(shù)。通過風(fēng)干上述2行果穗、脫粒后測產(chǎn)換算單位面積產(chǎn)量，再選取均勻籽粒測定千粒重，籽粒含水量按14%折算。

1.4 模型構(gòu)建與參數(shù)計算

1.4.1 臨界氮濃度稀釋曲線模型的建立及驗證 作物氮濃度隨生物量的增加而下降，臨界氮濃度是指作物在一定生長期內(nèi)獲得最大地上部生物量所需的最小氮素濃度。采用2019年的試驗數(shù)據(jù)參照JUTES等[21]方法，根據(jù)每個取樣時期的理論最大地上部生物量和與之相應(yīng)的氮濃度，建立夏玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型。具體步驟為：取同一生育時期不同水平氮磷配施處理下的植株地上部生物量，測定其對應(yīng)的氮濃度值，通過方差分析判斷作物生長是否受到氮素限制；對于施氮量不能滿足作物生長需求的全部處理，將地上部生物量與氮濃度之間進行線性擬合；對于施氮量能滿足作物生長需求的全部處理，用其地上部生物量的平均值代表最大值；以最大地上部生物量為橫坐標(biāo)向x軸做垂線，使之與經(jīng)過線性擬合后形成的直線相交，交點縱坐標(biāo)值就是該取樣時期的理論臨界氮濃度值。其中，基于地上部生物量的臨界氮濃度稀釋曲線模型為：

N=-b

式中，N為作物臨界氮濃度（g·kg-1）；為作物地上部生物量的最大值（t·hm-2）；參數(shù)為地上部生物量為1 t·hm-2時的植株臨界氮濃度；參數(shù)為決定臨界氮濃度稀釋曲線斜率的統(tǒng)計學(xué)參數(shù)[9]。

采用2020年的試驗數(shù)據(jù)根據(jù)國際通用的回歸估計標(biāo)準(zhǔn)誤差均方根誤差[22]和標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差 n-[23]來檢測模型的擬合度。

式中，、分別為臨界氮濃度測定值和模擬值；為樣本量；為實測數(shù)據(jù)的平均值。值越小，模擬值與測定值的一致性越好，偏差越小，即模型的預(yù)測精度越高。n-＜10%，模型穩(wěn)定性極好；10%≤n-＜20%，模型穩(wěn)定性較好；20%≤n-＜30%，模型穩(wěn)定性一般；n-≥30%，則認為模型穩(wěn)定較差[24]。

1.4.2 夏玉米氮營養(yǎng)指數(shù)與相對地上部生物量及相對產(chǎn)量 作物氮營養(yǎng)指數(shù)（）為植株地上部氮濃度的實測值（N，g·kg-1）與根據(jù)臨界氮濃度稀釋模型求得的相應(yīng)生物量的臨界氮濃度值（N，g·kg-1）的比值，采用下式計算：

可直觀反映植株體內(nèi)氮素的營養(yǎng)狀況，若＜1，表明植株氮素缺乏；=1，表明植株氮營養(yǎng)處于最佳狀態(tài)；＞1，表現(xiàn)為植株氮營養(yǎng)過剩[9]。

相對地上部生物量（relative dry biomass，）=地上部生物量/同一生育時期地上部生物量的最大值；

相對產(chǎn)量（relative yield，）=實際產(chǎn)量/產(chǎn)量的最大值。

1.4.3 最高產(chǎn)量施氮量和經(jīng)濟最佳施氮量 根據(jù)產(chǎn)量數(shù)據(jù)與氮肥用量擬合成回歸方程，求出施氮量對作物產(chǎn)量的一階導(dǎo)數(shù)，即邊際產(chǎn)量方程，令邊際產(chǎn)量方程為零時求得最高產(chǎn)量的施氮量。利用邊際產(chǎn)量方程與作物肥料價格比的乘積求出邊際產(chǎn)值方程，令邊際產(chǎn)值方程等于1時求得經(jīng)濟最佳施氮量。玉米出售價格：2元/kg；氮肥出售價格：1.6元/kg。

1.5 數(shù)據(jù)處理

由于兩個玉米品種的地上部生物量、植株氮濃度及產(chǎn)量之間無顯著差異（表2），因此本文在分析不同水平氮磷配施對夏玉米地上部生物量、籽粒產(chǎn)量及植株氮濃度的影響時采用兩個品種的試驗數(shù)據(jù)平均值。用2019年2個玉米品種在4個施磷水平、5個施氮水平和4個生育時期的地上部生物量和與之相應(yīng)的氮濃度實測數(shù)據(jù)（樣本總量為320）確定臨界氮濃度值，通過篩選出的32組點（，N）建立不同施磷水平下的夏玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型，用2020年田間實測數(shù)據(jù)對建立的臨界氮濃度稀釋曲線模型穩(wěn)定性進行驗證（=320）。數(shù)據(jù)分析用Microsoft Excel 2007和SPSS 22.0統(tǒng)計軟件，多重比較采用Duncan’s法，差異顯著性水平=0.05，用Origin 2015軟件作圖。

表2 夏玉米不同生育時期地上部生物量、植株氮含量及產(chǎn)量的方差分析

V6：拔節(jié)期；VT：抽雄期；R2：灌漿期；R6：成熟期。：地上部生物量；N：實際含氮量；V：品種；P：施磷量；N：施氮量；V×P：品種×施磷量；V×N：品種×施氮量；P×N：施磷量×施氮量；V×P×N：品種×施磷量×施氮量。下同。數(shù)值后不同字母表示處理間差異達5% 顯著水平。*、**和***分別表示在 0.05、0.01和0.001水平上差異顯著，NS差異不顯著

V6: Jointing stage; VT: Tasseling stage; R2: Filling stage; R6: Maturity stage.: Aboveground biomass;N: Actual nitrogen uptake; V: Variety; P: Phosphorus application; N: Nitrogen application; V×P: Variety×phosphorus; V×N: Variety×nitrogen; P×N: Phosphorus×nitrogen; V×P×N: Variety×phosphorus×nitrogen.The same as below.Different letters indicated significant differences amount treatments at 5% levels.*, Significantly different at＜0.05; **, Significantly different at＜0.01; ***, Significantly different at＜0.001;NSIndicated no significant difference

2 結(jié)果

2.1 氮磷配施對夏玉米地上部生物量的影響

2019—2020年不同水平氮磷配施處理的夏玉米地上部生物積累量隨生育進程的推進而增加（圖1），在拔節(jié)期最低，成熟期升至最高，2019年變幅在0.59—18.61 t·hm-2之間，2020年變幅在0.68—20.38 t·hm-2之間，且2年夏玉米地上部生物量在施氮、施磷及其交互作用下均達到顯著或極顯著水平（表2）。在同一施磷水平下，各生育時期玉米地上部生物量隨施氮量的增加呈增加趨勢（＜0.05），對比分析不同氮磷水平下的地上部生物量，各生育時期整體滿足N0＜N1＜N2＜N3≈N4，這說明氮肥增施到一定量后，玉米地上部生物量不再受氮素限制。磷肥有利于促進植株對氮素的吸收使得地上部生物量積累增加，施磷處理總體表現(xiàn)為P2＞P3≈P1＞P0。

2.2 氮磷配施對夏玉米產(chǎn)量的影響

從圖2可以看出，2019—2020年夏玉米產(chǎn)量均隨施氮量的增加呈增加趨勢，不施磷（P0）處理下產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，但N3、N4處理間差異不顯著；施磷（P1、P2、P3）處理玉米產(chǎn)量則為先升高后降低，表現(xiàn)為N0＜N1＜N4≈N2＜N3，說明施氮量在N2—N3之間就已經(jīng)能滿足夏玉米生長所需并獲得較高產(chǎn)量。施磷對產(chǎn)量提高有促進作用，在不同施磷水平下將施氮量和產(chǎn)量進行二次曲線擬合，得到如下方程（表3），可以看出玉米產(chǎn)量理論最大值隨施磷水平的提高先增加后減少，說明過量施磷不能使產(chǎn)量持續(xù)增加，磷肥用量控制在P1—P2較為適宜。此外，施磷有利于減少氮肥用量，隨施磷水平的提高，獲得理論最高產(chǎn)量的施氮量和經(jīng)濟最佳施氮量表現(xiàn)為先減少后增加。兩年產(chǎn)量變化趨勢一致，在P0、P1、P2、P3條件下，平均經(jīng)濟最佳施氮量分別為219.5、206.2、205.1、205.4 kg·hm-2時獲得最高產(chǎn)量。

2.3 氮磷配施下玉米植株氮濃度動態(tài)變化

如圖3所示，夏玉米植株氮濃度隨生育進程的推進而降低，其氮濃度值存在稀釋現(xiàn)象，不同年份、同一施磷水平下，玉米植株氮濃度隨施氮量的增加而增加（＜0.05），缺氮（N0）和低氮（N1）處理氮濃度顯著低于中高氮（N2、N3、N4）處理。施磷處理下玉米植株氮濃度從小到大依次為P0、P1、P3、P2，說明增施磷肥能促進植株對氮素的吸收。由于2020年降水量較高，良好的土壤水分供應(yīng)促進植株對氮素的吸收，使得夏玉米在拔節(jié)期至抽雄期氮素積累量增多且下降緩慢。

柱上不同字母表示同一年內(nèi)不同處理間差異達到顯著水平（P＜0.05）。下同

圖2 不同水平氮磷配施對夏玉米產(chǎn)量的影響

表3 不同水平氮磷配施下夏玉米產(chǎn)量效應(yīng)方程

2.4 氮磷配施下玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型建立

方差分析表明（表2），兩個品種夏玉米在不同年份間、不同施磷量及不同施氮量下植株地上部生物量、氮含量存在顯著或極顯著差異，但兩個品種間植株氮濃度不存在顯著差異，表明利用兩個品種的數(shù)據(jù)建立模型具有可行性。因此，利用2019年夏玉米兩個品種4個生育時期的地上部生物量與對應(yīng)的植株氮濃度實測數(shù)據(jù)進行回歸曲線擬合，計算出每次取樣時期的臨界氮濃度值（N）。臨界氮稀釋曲線不適宜于植株地上部生物量累積較少時（地上部生物量小于1 t·hm-2），這是因為在生育初期生物量增加不會明顯降低植株氮含量，因此本研究在計算N時已舍棄夏玉米拔節(jié)期N0處理下的部分?jǐn)?shù)據(jù)。經(jīng)計算，玉米的臨界氮濃度隨地上部生物量的增加逐漸降低，將各生育時期的臨界氮濃度值與對應(yīng)的最大地上部生物量進行冪函數(shù)擬合，構(gòu)建4個不同施磷水平下的夏玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型（圖4）?；貧w方程決定系數(shù)分別為0.930、0.953、0.953和0.904，均達到極顯著水平，表明臨界氮濃度稀釋曲線可以很好描述夏玉米地上部生物量和植株氮濃度之間的關(guān)系。

圖3 不同水平氮磷配施對夏玉米植株氮濃度變化的影響

2.5 氮磷配施下玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型驗證

為對上述不同施磷水平下夏玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型的穩(wěn)定性進行驗證，以2020年夏玉米兩個品種在4個生育時期的地上部生物量與對應(yīng)的植株氮濃度實測數(shù)據(jù)單獨進行擬合，計算并建立其臨界氮稀釋曲線模型。將2020年不同生育時期的最大地上部生物量分別帶入此模型和上述模型中，得出臨界氮濃度的實測值和模擬值（表4）。根據(jù)公式得出在P0、P1、P2和P3水平下臨界氮稀釋曲線模型的分別為1.925、1.426、1.611和1.570；n?分別為10.23%、6.67%、6.95%和7.19%，模型穩(wěn)定性較高，表明本研究建立的臨界氮稀釋曲線模型可用于夏玉米植株氮素營養(yǎng)診斷。

圖4 不同施磷水平下夏玉米地上部生物量氮稀釋曲線

表4 不同施磷水平下夏玉米臨界氮濃度（g·kg-1）測定值與模擬值

2.6 氮磷配施處理對夏玉米氮營養(yǎng)指數(shù)的影響

為檢驗通過夏玉米臨界氮稀釋模型來估測植株氮素盈虧狀況的可行性，依據(jù)上述模型分析2019—2020年4個不同施磷水平下兩個玉米品種不同生育時期的氮營養(yǎng)指數(shù)（）。由于N0處理部分?jǐn)?shù)據(jù)已舍棄，在此主要分析N1、N2、N3、N4處理的。在同一施磷水平下，隨施氮量的增加，各生育時期夏玉米值不斷升高（圖5）。P0處理在拔節(jié)期值高于其余施磷處理，且在拔節(jié)至抽雄期呈下降趨勢，而其余施磷處理在拔節(jié)至抽雄期值（除N1處理）呈上升趨勢，這可能是施磷（P1、P2、P3處理）有利于減緩氮濃度下降，因此抽雄期值略微升高。P0水平下N1處理隨玉米生育期的延長下降速率較其余施磷處理快，且N4處理的值也高于其余施磷水平，這說明施磷能平衡植株氮素營養(yǎng)，降低植株在低氮（N1）水平下的氮濃度下降速率和高氮水平下（N4）的氮素殘余。隨夏玉米生育進程的推進，N1處理的值一直減小且小于1，植株氮素營養(yǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重虧缺；N4處理玉米各生育時期的值明顯大于1，說明植株對氮素奢侈吸收，氮營養(yǎng)過剩；N3和N2處理的值在1.0附近變化，表明N2—N3施氮條件下植株氮營養(yǎng)狀況較好。

圖5 不同水平氮磷配施下夏玉米氮營養(yǎng)指數(shù)（NNI）動態(tài)變化

2.7 氮營養(yǎng)指數(shù)與相對地上部生物量和相對產(chǎn)量之間的關(guān)系

利用2019—2020年夏玉米各取樣時期的數(shù)據(jù)（拔節(jié)期N0處理的數(shù)據(jù)已舍棄）分析夏玉米氮營養(yǎng)指數(shù)（）與相對地上部生物量（）和相對產(chǎn)量（）之間的關(guān)系。從圖6可以看出，不同水平氮磷配施條件下夏玉米不同生育時期的與均表現(xiàn)為線性相關(guān)關(guān)系，隨的增加而增加，回歸方程決定系數(shù)均達到極顯著水平。與之間呈二次曲線關(guān)系（圖7），隨的增加先升高后降低，不同施磷水平下回歸方程決定系數(shù)分別為0.890、0.801、0.771和0.835，均達到極顯著水平，P0、P1、P2和P3處理下的值分別為1.05、1.02、1.05和1.02時，值最大，分別為1.00、0.98、0.97和1.01。

圖6 不同施磷水平下夏玉米氮營養(yǎng)指數(shù)與相對地上部生物量的關(guān)系

圖7 不同施磷水平下夏玉米氮營養(yǎng)指數(shù)與相對產(chǎn)量的關(guān)系

3 討論

3.1 夏玉米臨界氮濃度稀釋曲線模型比較

臨界氮濃度稀釋曲線模型中的參數(shù)表征植株地上部生物量為1 t·hm-2時的含氮量[9]，參數(shù)表征植株氮含量隨地上部生物量增加的遞減關(guān)系[25]。本研究參數(shù)值在27.98—30.81之間，值在0.138—0.249之間。首先，值與在關(guān)中平原夏玉米上的已有研究：李正鵬等[17]（=22.5，=0.27），強生才等[18]（=21.4—22.43，=0.14—0.31），蘇文楠等[19]（=23.3—24.7，=0.24—0.26）相比偏高，本試驗地為長期氮磷肥配施定位試驗區(qū)，土壤肥力水平較高（表1），合理的氮磷配施條件促進植株對氮素的吸收，有利于玉米積累更多的生物量和氮素。其次，與安志超等[26]在豫中地區(qū)建立的氮高效夏玉米品種臨界氮稀釋模型（N=30.80-0.37）值相近，與寧夏引黃灌區(qū)滴灌玉米[27]（=34.39—35.504，=0.301—0.312）、東北春玉米[28]（N=35.48-0.42）、渭北旱地春玉米[29]（N=36.95-0.36、N=34.11-0.23）和華北夏玉米[30]（N=34.91-0.413）相比，值偏低，這可能是玉米品種及生育周期長短造成的差異。本研究在不施磷（P0）處理下參數(shù)值為0.249，和前人研究結(jié)果相近，而施磷（P1、P2、P3）水平下值介于0.138—0.187之間，明顯偏低，這可能由于夏玉米生育后期降水量增加，充足的水分供應(yīng)使得植株根系活力衰弱過程減慢[31]，加之施磷能促進玉米根系吸收深層土壤水分，提高了根系對土壤氮素的吸收利用，使植株氮濃度稀釋速率減慢。

在相同試驗條件下，不同磷肥水平下參數(shù)值不同，隨施磷量的增加先增大后減小，參數(shù)值亦不相同，隨施磷水平的提高先降低后增加。與不施磷（P0）相比，P1、P2、P3處理的參數(shù)值分別提高了6.40%、10.11%、7.43%，參數(shù)b值則分別降低26.91%、44.58%、24.90%。參數(shù)的提高和參數(shù)的降低對作物臨界氮濃度影響是同向的，即適宜的磷肥用量在提高單位生物量氮濃度（參數(shù)）的同時還降低了植株臨界氮濃度隨地上部生物量增加而降低的速率（參數(shù)）。因此，P2條件下玉米的臨界氮濃度在各生育時期都高于其余施磷處理，且植株氮濃度隨地上部生物量的增加降低緩慢，說明適宜的氮磷配施能增大植株臨界氮濃度值，提高植株對氮素的容納能力，同時緩解植株生長進程中氮濃度的下降速度，使得植株保持較高的氮素利用能力。曹彩云等[32]研究表明，氮磷肥配施能促進葉綠素合成，延緩葉綠素分解，降低葉片衰老過程中光合速率的下降速度，使玉米葉面積指數(shù)在灌漿后期能維持在較高水平。合理的氮磷配施能有效促進作物根系吸收性能，提高植株氮素吸收積累量，增強光合作用能力，增加地上部生物積累量[4,33]。能促進植株營養(yǎng)器官對氮磷鉀養(yǎng)分的吸收轉(zhuǎn)化并向籽粒中的輸送分配，進而增加籽粒中氮磷鉀的積累[34-35]。長期平衡施用化學(xué)氮磷肥可以提高作物產(chǎn)量，增加通過作物根茬和根系分泌物等進入土壤的有機物含量，有效地提升土壤有機質(zhì)含量，起到較好的培肥地力效果[36]。良好的土壤養(yǎng)分供應(yīng)和合理的干物質(zhì)及養(yǎng)分轉(zhuǎn)運分配體系能實現(xiàn)較高的生物量積累和產(chǎn)量，這些對模型參數(shù)均有影響。

本研究利用兩年的大田試驗數(shù)據(jù)所構(gòu)建的不同水平氮磷配施條件下臨界氮濃度稀釋曲線模型雖然能較好地描述夏玉米植株地上部生物量和氮濃度的關(guān)系，并檢驗在不同年份間該模型也具有較高的穩(wěn)定性（表4），但本曲線模型在單一試驗點構(gòu)建，且試驗選用的兩個品種對氮素敏感程度相似，2019—2020年降水條件較充足，而旱地玉米實際生產(chǎn)中，常遭遇階段性水分脅迫，對模型參數(shù)的影響尚未可知，因此，在今后研究中還需增加多個旱地品種以及試驗?zāi)晗蓿ú煌涤昴晷停Φ着涫l件下模型參數(shù)的影響，以進一步提高模型的普適性和可靠性。

3.2 夏玉米氮素營養(yǎng)診斷及推薦施肥量

基于臨界氮濃度稀釋曲線模型建立的氮營養(yǎng)指數(shù)（）模型能精確診斷、衡量植株生育階段的氮素營養(yǎng)狀況，對定量作物生長發(fā)育過程中的施肥量具有重要意義[37]。本研究通過計算不同水平氮磷配施處理下的值發(fā)現(xiàn)，相同生育時期，隨施氮量的提高而增加，但不同施磷水平下相同施氮量的值不同（圖5），因為不同磷肥水平下的基礎(chǔ)地力不同（表1），土壤供氮能力不同，導(dǎo)致玉米對施氮量的響應(yīng)不同，說明不同地力水平最優(yōu)施肥量是不同的。在拔節(jié)期，不施磷（P0）情況下的4個施氮處理均高于施磷（P1、P2、P3）處理，這可能是因為拔節(jié)期是玉米營養(yǎng)生長旺盛階段，此時期玉米養(yǎng)分需求量大且吸收速度快，而施磷促進了玉米氮素吸收轉(zhuǎn)運，使得其值比P0處理降低；拔節(jié)至抽雄期，施磷處理的值呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢，可能是該時期玉米開始由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長，施磷導(dǎo)致植株對氮肥需求量相對減小，值回升；抽雄至灌漿期，增施磷肥條件下的N1、N2、N3處理值下降，N4處理繼續(xù)上升（除P2處理）；灌漿至成熟期，同一施磷水平下各施氮處理的值呈不同程度的降低趨勢。王宜倫等[38]研究表明，拔節(jié)至大喇叭口期和吐絲至灌漿中期是夏玉米的兩個氮素吸收關(guān)鍵期，生育后期土壤充足供氮促進夏玉米對氮素的吸收利用以保證籽粒灌漿，獲得高產(chǎn)。本研究表明夏玉米拔節(jié)至抽雄期和抽雄至灌漿中期氮素吸收較多，增施磷肥能促進植株對氮素的吸收轉(zhuǎn)運，增施氮肥能保證玉米生育后期較高的氮素吸收利用，而N4處理氮肥用量偏多，植株對氮素的奢侈吸收導(dǎo)致盈余嚴(yán)重，造成資源浪費。

關(guān)于最佳施肥量的推薦，已有研究表明，華北地區(qū)夏玉米[30]最佳施氮量為180 kg·hm-2，豫北地區(qū)超高產(chǎn)夏玉米[39]合理施氮量為255—300 kg·hm-2。渭北旱塬春玉米推薦施氮量為225 kg·hm-2[29]。陜西關(guān)中夏玉米施純氮150 kg·hm-2可獲得相對較高產(chǎn)量和氮肥利用率[40]。可見，最佳施肥量因地區(qū)、玉米品種、土壤類型及氣候條件的差異而不同。本研究通過值與“1”的關(guān)系確定最佳氮磷肥用量：N1處理的值在0.72—0.85之間變化，且隨玉米生育期的延長持續(xù)降低，植株氮素出現(xiàn)虧缺現(xiàn)象。N2處理值介于0.88—0.97之間，接近1，N3處理略高于1，說明最佳施氮量在N2—N3處理之間。由于本試驗N2（150 kg·hm-2）和N3（225 kg·hm-2）處理間施氮量梯度過大，且在不同施磷水平下由值確定的理論施氮量范圍差異較大，考慮到不同施磷水平下各生育時期值的表現(xiàn)情況，施氮量應(yīng)為N2、N3處理的平均值，即187.5 kg·hm-2相對較為適宜，如果結(jié)合產(chǎn)量效應(yīng)方程擬合（表3）和氮營養(yǎng)指數(shù)診斷結(jié)果，實際生產(chǎn)上夏玉米在施磷0、60、120、180 kg·hm-2的水平下分別施氮187.5—219.5、187.5—206.2、187.5—205.1、187.5—205.4 kg·hm-2可獲得高產(chǎn)，缺磷（P0）處理下玉米產(chǎn)量不高，適當(dāng)增施磷肥不僅能降低氮肥用量還能獲得高產(chǎn)，而施磷量在120 kg·hm-2就已能滿足夏玉米高產(chǎn)需求，高磷（P3）處理產(chǎn)量不能持續(xù)提高反而有所下降。綜上，適宜施氮量在187.5—205.7 kg·hm-2之間。從施磷效果來看，在提高N2的和降低N3的值上，P1、P2處理效果較好，說明適宜施磷量在P1—P2之間。由于本研究重點探討不同施磷水平對氮營養(yǎng)指數(shù)的影響，初步得出施磷60—120 kg·hm-2較為適宜，在玉米增產(chǎn)效應(yīng)上施磷的影響不如施氮強，可能由于兩年夏玉米生長季雨水較多，土壤較充足的供水弱化了施磷對深層根系土壤水分的吸收效應(yīng)，使得各施磷處理產(chǎn)量差異不明顯。此外，本研究發(fā)現(xiàn)與相對地上部生物量及相對產(chǎn)量極顯著相關(guān)，與前人在玉米[26-27,29]、大蒜[12]和小麥[13]上的研究結(jié)果一致，說明基于臨界氮稀釋曲線模型的來評價植株氮素營養(yǎng)狀況具有可靠性。

4 結(jié)論

本研究分別構(gòu)建并驗證了4種磷肥水平下夏玉米的臨界氮濃度稀釋曲線模型（P0，N=27.98-0.249；P1，N=29.77-0.182；P2，N=30.81-0.138；P3，N= 30.06-0.187），模型的n-分別為10.23%、6.67%、6.95%和7.19%，有很好的穩(wěn)定性。適宜的氮磷配施可以提高植株對氮素的容納能力，降低氮稀釋速率。氮營養(yǎng)指數(shù)與相對地上部生物量和相對產(chǎn)量指標(biāo)間存在極顯著相關(guān)性，使用基于臨界氮濃度稀釋曲線模型構(gòu)建的氮營養(yǎng)指數(shù)模型對玉米植株氮素營養(yǎng)狀況進行診斷，P1、P2水平下的N2、N3處理氮營養(yǎng)指數(shù)值在1附近波動，為最優(yōu)氮磷配施處理組合，且該處理能獲得最大地上部生物量和產(chǎn)量。綜合施氮量和產(chǎn)量擬合方程，推薦關(guān)中平原夏玉米施氮量以187.5—205.7 kg·hm-2、施磷量60—120 kg·hm-2為宜。

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Critical Nitrogen Dilution Curve and Nitrogen Nutrition Diagnosis of Summer Maize Under Different Nitrogen and Phosphorus Application Rates

LIU Miao, LIU PengZhao, SHI ZuJiao, WANG XiaoLi, WANG Rui, LI Jun*

College of Agronomy, Northwest A&F University/Key Laboratory of Crop Physio-ecology and Tillage Science in Northwestern Loess Plateau, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, Shaanxi

【Objective】This study investigated the effects of different nitrogen and phosphorus application rates on summer maize aboveground biomass, nitrogen accumulation, and drew a critical nitrogen concentration dilution curve.The nitrogen status of maize plant was diagnosed and evaluated based on a model of nitrogen nutrition index (NNI) under different nitrogen and phosphorus interaction conditions, which provided a theoretical basis for the rational application of nitrogen and phosphorus fertilizers in summer maize.【Method】By using Zhengdan958 (ZD958) and Yuyu22 (YY22) as tested materials, the field experiments in Guanzhong Plain, Shaanxi included four phosphorus application rates and five nitrogen application rates, such as 0 (P0), 60 (P1), 120 (P2), 180 (P3) kg P2O5·hm-2and 0 (N0), 75 (N1), 150 (N2), 225 (N3), 300 (N4) kg N·hm-2during 2019-2020.The aboveground samples were taken during the jointing, tasseling, filling, and maturity stages of summer maize to analyze the effects of nitrogen and phosphorus application rate on maize dry matter accumulation, dynamic changes of nitrogen concentration and grain yield.The field test data was used to construct and verify the critical nitrogen dilution curve model of summer maize.【Result】The results showed that nitrogen and phosphorus application rate significantly increased aboveground biomass, plant nitrogen concentrations and grain yield of summer maize.The grain yield and aboveground biomass of summer maize increased as the nitrogen application rate increased within the same phosphorus application condition.The nitrogen concentration of maize plants showed a decreasing trend with the extension of growth period and the increase of aboveground dry matter weight.There was a power exponential relationship between nitrogen concentration and aboveground biomass.In addition, the phosphorus application could promote maize plant nitrogen absorption and aboveground dry matter accumulation.The overall performance of the phosphorus application treatments was P2＞P3≈P1＞P0 under the same nitrogen application conditions, appropriate phosphorus application could improve the capacity of maize plant for nitrogen absorption and relieved the decline of nitrogen concentration.The critical nitrogen concentration (N) curves of maize (P0,N=27.98-0.249; P1,N=29.77-0.182; P2,N= 30.81-0.138; P3,N=30.06-0.187) were constructed according to the aboveground dry matter () weight and its nitrogen concentration under different phosphorus application conditions; the relatively stable model had a linear correlation between the fitted and actual plant nitrogen concentrations, which showed that the n-were 10.23%, 6.67%, 6.95% and 7.19%, respectively.Thevalues were calculated based on the critical nitrogen concentration curves.increased with the increase of nitrogen application in each growth stages within the same phosphorus application conditions, which was also positively correlated with relative aboveground biomass () and relative yield ().【Conclusion】Based on the model of nitrogen nutrition() in this study, N2-N3 and P1-P2 were the best conditions.Based on the fitting curve of comprehensive nitrogen application rate and grain yield, the nitrogen rate of 187.5-205.7 kg·hm-2and phosphorus rate of 60-120 kg·hm-2was the optimal fertilization option for summer maize in Guanzhong Plain, Shaanxi.

summer maize; nitrogen and phosphorus application rate; critical nitrogen dilution curve; nitrogen nutrition index

2021-01-20；

2021-05-07

國家科技支撐計劃（2015BAD22B02）、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（2013AA102902）、國家自然科學(xué)基金（31801300）

劉苗，E-mail：3318757297@qq.com。通信作者李軍，E-mail：junli@nwsuaf.edu.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）