油菜臨界磷濃度稀釋曲線模型的構(gòu)建和驗證

曾麗麗，江俊松

（1.安陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 安陽 455000；2.永城職業(yè)學(xué)院基礎(chǔ)部，河南 永城 476600；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)國家油菜工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430070）

磷是作物生長過程中所必需的大量營養(yǎng)元素之一，合理施用磷肥對作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成發(fā)揮著重要作用[1?3]。油菜是湖北省重要的油料作物，種植面積常達(dá)2.7×108hm2，產(chǎn)量達(dá)2.3×106t，享有“世界油菜看中國，中國油菜看湖北”的美譽[4]。油菜對磷素的響應(yīng)特別敏感，適當(dāng)投入磷肥能改善油菜生長狀況，促進(jìn)對氮、鉀等其他營養(yǎng)元素的吸收，進(jìn)而有利于增加油菜產(chǎn)量[5?7]。然而，磷在作物體內(nèi)具有較強的移動性，植株各器官的累積和分配對作物生長發(fā)育、磷肥利用效率提高產(chǎn)生積極作用[8?9]。臨界磷濃度（Critical phosphorus concentration，Pc）稀釋曲線模型作為評價作物磷盈虧的重要方法，對作物磷營養(yǎng)精準(zhǔn)管理尤為重要[10?13]。因此，基于地上部生物量建立油菜Pc稀釋曲線模型并用于磷營養(yǎng)快速診斷，可為油菜磷肥優(yōu)化管理和實現(xiàn)節(jié)肥增效提供理論依據(jù)。

Pc稀釋曲線模型是診斷作物磷素營養(yǎng)狀況的一種經(jīng)典破壞性診斷工具[10?13]。國內(nèi)外學(xué)者相繼在玉米[10]、棉花[11]、梯牧草[12]和小麥[13]等農(nóng)作物上建立和應(yīng)用了Pc稀釋曲線模型，但模型參數(shù)隨品種、環(huán)境因素和氣候條件的變化而變化。劉苗等[10]研究發(fā)現(xiàn)，陜西關(guān)中平原2個夏玉米品種的產(chǎn)量、地上部生物量和植株磷濃度無顯著差異，構(gòu)建了夏玉米統(tǒng)一的Pc變化曲線為Pc=8.11W-0.22（W表示地上部生物量的最大值）。龐保剛等[11]構(gòu)建了不同磷敏感棉花品種的Pc稀釋曲線模型，其磷敏感型棉花品種魯54曲線模型為Pc=0.784W-0.221，磷弱敏感型品種豫早棉9110 曲線模型為Pc=0.774W-0.198，與豫早棉9110 的模型參數(shù)相比，魯54的參數(shù)a、b分別提高了1.29%、11.62%。BELANGER 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，梯牧草成熟度會影響Pc稀釋曲線模型的參數(shù)，成熟草皮為Pc=3.27W-0.20，新生草皮為Pc=5.23W-0.40。BELANGER等[13]研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)點不同也會對小麥的Pc稀釋曲線參數(shù)產(chǎn)生一定的影響，其中a值介于3.62～4.94，b值介于0.21～0.49?？梢?，對油菜Pc稀釋曲線模型的本地化建立是勢在必行的。在油菜施磷研究中，諸多學(xué)者主要探討了磷肥水平對油菜產(chǎn)量、磷素利用率和土壤磷素平衡的影響[14?17]，而從Pc模型角度來診斷或評價油菜磷素營養(yǎng)狀況的研究鮮見報道。因此，以2個油菜品種為對象，構(gòu)建基于地上部生物量的油菜Pc稀釋曲線，同時利用Pc稀釋曲線推算的磷營養(yǎng)指數(shù)評估油菜磷素營養(yǎng)狀況，為油菜的精確施磷、磷營養(yǎng)調(diào)控和評估提供行之有效的方式。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2020—2022 年在湖北省赤壁市官塘驛鎮(zhèn)白羊村（E113°17′，N29°22′）開展。選用當(dāng)?shù)刂髟缘碾p低甘藍(lán)型油菜品種中雙6 號和華油雜9 號為材料，設(shè)置4個磷肥水平（0、35、70、105 kg/hm2，分別用P0、P35、P70、P105表示）。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，重復(fù)3 次，每小區(qū)面積30 m2，種植密度均為9.0×104株/hm2。供試氮肥為尿素（含N 46%），氮肥用量為150 kg/hm2；鉀肥為硫酸鉀（含K2O 52%），鉀肥用量為120 kg/hm2；磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%）。試驗所用的氮肥、磷肥和鉀肥在油菜播種前作基肥一次性基施。供試土壤為壤土，其試驗地初始土壤理化性質(zhì)詳見表1。油菜分別于2020 年9 月15 日播種，2021 年5 月10 日收獲；2021 年9 月20 日播種，2022 年5 月12 日收獲。其他田間管理措施同當(dāng)?shù)赜筒烁弋a(chǎn)栽培要求。

表1 試驗地土壤基礎(chǔ)肥力Tab.1 Soil foundation fertility in the test site

1.2 測定項目與方法

1.2.1 干物質(zhì)量、植株磷濃度和產(chǎn)量 在油菜苗期、越冬期、薹期、花期，分別隨機(jī)選擇長勢一致的油菜植株3株，按根、莖稈、葉等不同器官進(jìn)行分離，裝入牛皮紙袋中在高溫105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘至恒定質(zhì)量，分別稱量干物質(zhì)量，并計算地上部生物量[18?19]。將烘干后的植株樣品利用小型粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，過1 mm 篩，用H2SO4-H2O2法消煮，采用間斷式流動分析儀測定植株各器官磷濃度，并計算油菜植株地上部磷濃度[20]。在油菜成熟期，每處理小區(qū)選取20株油菜，統(tǒng)計角果數(shù)、每角粒數(shù)、千粒質(zhì)量等指標(biāo)，最終計算油菜產(chǎn)量[21]。

1.2.2 Pc稀釋曲線的建立與驗證 參考JUSTES等[22]的方法計算Pc值，建模步驟如下：

（1）對比分析不同采樣日獲得的地上部生物量和對應(yīng)地上部植株磷濃度數(shù)據(jù)，通過方差分析將作物生長受磷素營養(yǎng)限制與否的施磷水平進(jìn)行分類；

（2）曲線擬合受限于磷素營養(yǎng)的地上部生物量和磷濃度數(shù)據(jù)；

（3）不受限于磷素影響時，地上部生物量最大值用其地上部生物量平均值來代表；

（4）每次采樣日的理論臨界磷濃度由上述線性曲線與以最大地上部生物量為橫坐標(biāo)的垂線的交點的縱坐標(biāo)決定。基于地上部生物量的Pc稀釋曲線模型：

式中，Pc為油菜臨界磷濃度值（g/kg）；W為地上部生物量（t/hm2）；a、b均為模型參數(shù)。

模型的驗證采用均方根誤差（RMSE）[23]和標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差（n-RMSE）[24]以及通過模擬值與實測值之間1∶1 圖來檢測模型的擬合度和可靠性，其模型穩(wěn)定性評價參考JAMIESON 等[25]提出的方法。RMSE和n-RMSE的計算公式分別為：

式中，si和mi分別為實測值和模擬值；n為樣本量；S為實測數(shù)據(jù)的平均值。

1.2.3 磷營養(yǎng)指數(shù)（PNI）的計算 PNI計算公式：

式中，PPC為植株磷濃度（g/kg）。當(dāng)PNI=1 時，表明油菜磷營養(yǎng)狀況適宜；當(dāng)PNI>1 時，表示油菜磷營養(yǎng)過量；當(dāng)PNI<1時，表示油菜磷營養(yǎng)虧缺。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用IBM SPSS Statistics 22.0 進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA），采用最小顯著性差異法（LSD）檢驗地上部生物量和植株磷濃度差異有無顯著性，并將數(shù)據(jù)資料分為磷限制組和非磷限制組；采用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖，同時利用二次多項式方程擬合產(chǎn)量與施磷量的關(guān)系，依據(jù)方程求得最高產(chǎn)量所需的適宜施磷量。利用2020 年的數(shù)據(jù)構(gòu)建基于地上部生物量的Pc稀釋曲線，采用2021年的數(shù)據(jù)驗證基于地上部生物量的Pc稀釋曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 油菜地上部生物量和植株磷濃度動態(tài)變化

如圖1 所示，油菜地上部生物量隨生育時期推進(jìn)呈逐漸增加的趨勢，在越冬期各磷肥處理間開始表現(xiàn)出顯著性差異，隨后差異性逐漸增大。2020 年中雙6 號和華油雜9 號的地上部生物量分別為0.34～14.37 t/hm2和0.64～15.31 t/hm2；2021 年分別為0.49～15.14 t/hm2和0.61～14.11 t/hm2。從整個生育時期來看（除苗期外），2 個品種油菜地上部生物量P70處理基本顯著高于P35、P0處理，而與P105處理無顯著性差異，說明在一定施磷范圍內(nèi)提高磷用量有利于植株生長發(fā)育，過多投入磷肥則造成磷素營養(yǎng)供過于求，不利于植株吸收利用，適量的磷肥用量供應(yīng)有利于植株地上部生物量的積累。

圖1 油菜地上部生物量動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of aboveground biomass of rape plants

如圖2 所示，植株磷濃度均隨著施磷水平的提高呈增加趨勢，高施磷量下，植株具有較高的磷含量。從整個生育期來看，隨著生育時期的推移和地上部生物量的增加，油菜植株磷濃度均呈下降趨勢。2020 年，中雙6 號和華油雜9 號的植株磷濃度分別為3.42～7.85 g/kg 和3.32～8.79 g/kg；2021 年，中雙6 號和華油雜9 號的植株磷濃度分別為3.07～8.21 g/kg 和3.06～8.32 g/kg。相同類型品種間植株磷濃度變化趨勢基本一致。

圖2 油菜植株磷濃度動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of phosphorus concentration in rape plants

2.2 油菜產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

如表2 所示，施磷肥可顯著提高油菜產(chǎn)量及單株角果數(shù)，對每角粒數(shù)、千粒質(zhì)量無顯著影響；品種對油菜角果數(shù)、千粒質(zhì)量產(chǎn)生顯著性影響，對產(chǎn)量及每角粒數(shù)無顯著影響；而磷肥與品種交互作用對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均無顯著性影響。不同磷肥水平下，當(dāng)施磷量在35～70 kg/hm2時，油菜產(chǎn)量隨著施磷水平的提高而顯著增加，然而當(dāng)磷量超過70 kg/hm2時，再增施磷肥用量，各處理油菜產(chǎn)量差異不顯著，但是稍有下降的趨勢，2 a 油菜產(chǎn)量均在施磷量70 kg/hm2（P70 處理）時達(dá)到最大值。與P0 處理相比，P70 處理下中雙6 號和華油雜9 號的產(chǎn)量在2020 年分別提高6.43%和8.31%，2021 年分別提高6.29%和4.94%。過多投入磷肥（105 kg/hm2）對產(chǎn)量有明顯的降低作用，2020 年中雙6 號和華油雜9號在P105 處理的產(chǎn)量比P70 處理分別下降1.80%和0.73%，2021年分別下降1.57%和0.30%。2 a 2個油菜品種單株角果數(shù)變化趨勢一致，各磷肥處理顯著高于不施磷肥處理，且隨磷肥梯度的增加先提高后降低，以P70 處理達(dá)到最高值。2020 年中雙6 號和華油雜9號P70 處理單株角果數(shù)分別較P0、P35、P105 處理提高7.58%、4.93%、0.34% 和6.69%、3.24%、0.35%，2021 年P(guān)70 處理中雙6 號和華油雜9號比P0、P35、P105 處理分別提高7.22%、2.97%、0.97%和5.65%、4.18%、1.36%。

表2 不同施磷量對油菜產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Tab.2 Effect of different phosphorus dosage on the yield and composition factors of rapeseed

由圖3 可知，二次多項式方程很好地擬合了2個油菜品種施磷量與產(chǎn)量之間的關(guān)系。2 個油菜品種在2個試驗?zāi)攴菥憩F(xiàn)為產(chǎn)量隨施磷量的增加而增加，但當(dāng)施磷量超過70 kg/hm2時，產(chǎn)量反而會有所降低。依據(jù)二次多項式方程求得，中雙6 號獲得最高產(chǎn)量所需要的理論年平均適宜施磷量為83.98 kg/hm2，相對應(yīng)產(chǎn)量為3 597.50 kg/hm2；華油雜9號獲得最高產(chǎn)量所需要的理論年平均適宜施磷量為79.62 kg/hm2，相對應(yīng)產(chǎn)量為3 594.16 kg/hm2。因此，可得到2 個油菜品種統(tǒng)一的平均施磷量為81.8 kg/hm2，其理論平均產(chǎn)量可達(dá)到最高,為3 595.83 kg/hm2。

圖3 油菜產(chǎn)量與施磷量的相關(guān)性Fig.3 Correlation between rape yield and application rate of phosphorus

2.3 Pc稀釋曲線的建立

根據(jù)Pc稀釋曲線原理，得到油菜苗期、越冬期、薹期和花期的Pc值分別為7.84、6.23、4.86、3.71 g/kg（中雙6 號）；8.55、7.03、5.65、4.31 g/kg（華油雜9號）。利用2020 年試驗獲取的數(shù)據(jù)資料，將得到的Pc值與其對應(yīng)的生物量進(jìn)行擬合，建立了2 個油菜品種苗期至開花期的Pc稀釋曲線模型（圖4）。由圖4 可知，Pc值隨著地上部生物量的增加呈下降趨勢。中雙6號和華油雜9 號方程決定系數(shù)分別為0.90 和0.91，均達(dá)到顯著水平。

圖4 基于地上部生物量的不同油菜品種Pc稀釋曲線Fig.4 The Pcdilution curves of different rape cultivars based on aboveground biomass

不同油菜品種Pc曲線模型中，參數(shù)a分別為6.83 和8.17，參數(shù)b分別為0.17 和0.18。為了分析2個油菜品種之間有無顯著性差異，首先將負(fù)冪函數(shù)方程進(jìn)行直線化處理，即lnPc=lna-blnW，中雙6號的直線化模型為lnPc=2.68-0.17lnW；華油雜9 號的直線化模型為lnPc=2.74-0.18lnW。采用協(xié)方差分析方法分析了2 個油菜品種之間的斜率與截距差異，結(jié)果表明，中雙6 號和華油雜9 號斜率與截距的P值分別為0.25 和0.44，都大于0.05，說明2 個油菜品種之間沒有顯著性差異。因此，將2 個油菜品種的曲線并置擬合，形成油菜統(tǒng)一的Pc稀釋曲線（圖5）。

圖5 油菜Pc稀釋曲線構(gòu)建Fig.5 Construction of Pcdilution curve in rape

2.4 Pc稀釋曲線的驗證

采用2021年2個油菜品種4個生育時期的數(shù)據(jù)資料（n=24）來驗證模型精度（圖6）。將數(shù)據(jù)中的最大生物量帶入上述構(gòu)建的油菜Pc稀釋曲線模型后，采用1∶1 線來比較Pc模擬值與實測值，經(jīng)過計算得出模型檢驗指標(biāo)RMSE為0.98 g/kg，n-RMSE為15.59%，模型穩(wěn)定性較高。線性擬合Pc模擬值與實測值方程也達(dá)到顯著性水平（R2=0.72**），表明構(gòu)建的Pc稀釋曲線模型可用于診斷或評價油菜磷營養(yǎng)狀況。

圖6 油菜Pc稀釋曲線驗證Fig.6 Verification of Pcdilution curve in rape

2.5 PNI動態(tài)變化

不同試驗?zāi)攴荨⑹┝滋幚砗蜕龝r期間的PNI有明顯的差異。隨著施磷量的增加，PNI 也不斷增加（圖7）。2020年，PNI介于0.63～1.11；2021年，PNI介于0.56～1.08。在整個生育期內(nèi)，2020、2021 年P(guān)0和P35 處理PNI 均小于1，表明植株磷濃度偏低，磷營養(yǎng)虧缺；P105 處理PNI 大于1，表明植株磷濃度過高，磷營養(yǎng)過盛；P70處理PNI在1附近變化，表明磷營養(yǎng)較為適宜。

圖7 油菜PNI動態(tài)變化Fig.7 Dynamic changes of PNI in rape

3 結(jié)論與討論

本試驗結(jié)果表明，油菜生長季臨界磷濃度值隨著地上部生物量的增加表現(xiàn)為下降的趨勢，這一結(jié)果與前人在棉花、玉米和小麥等農(nóng)作物上的研究結(jié)果類似[10?13]。本研究2 個油菜品種的臨界磷濃度稀釋曲線趨勢基本一致，且均在綜合擬合結(jié)果95%置信區(qū)域內(nèi)，可見品種差異對模型構(gòu)建穩(wěn)定性的影響較小，建立并驗證了油菜苗期至花期統(tǒng)一的臨界磷濃度稀釋曲線模型（Pc=7.39W-0.16，R2=0.80），進(jìn)一步提高了模型的精度和實用性。從數(shù)學(xué)參數(shù)方面來講，參數(shù)a值代表地上部生物量為1 t/hm2時的植株磷濃度，表示作物生育初期內(nèi)在的需磷特性；參數(shù)b值表示植株磷濃度隨地上生物量的變化情況，其值取決于植株磷素吸收量與生物量之間的比例關(guān)系[10?11]。本研究構(gòu)建的油菜模型參數(shù)與劉苗等[10]構(gòu)建的關(guān)中平原夏玉米模型（Pc=8.11W-0.22）、龐保剛等[11]等構(gòu)建的不同磷敏感棉花品種模型（魯54：Pc=7.84W-0.22；豫早棉9110：Pc=7.74W-0.20）參數(shù)相比，a值和b值均偏低；與BELANGER 等[12]在梯牧草上（新生草皮：Pc=5.23W-0.40；成熟草皮：Pc=3.27W-0.20）構(gòu)建的模型參數(shù)相比，a值偏高，b值偏低。說明不同作物的臨界磷濃度稀釋曲線模型參數(shù)并不同，造成這種差異性的原因一方面可能是本研究冬油菜生育期長達(dá)230 d 左右，而關(guān)中平原夏玉米生育期大致為110 d[10]、棉花為140 d 左右[11]，生育期延長必然導(dǎo)致吸磷量增加，從而造成干物質(zhì)和磷素積累存在明顯差異，進(jìn)一步導(dǎo)致參數(shù)a、b值均低于玉米和棉花參數(shù)值；另一方面也有可能與作物生長特性、土壤質(zhì)地和種植制度有關(guān)。

此外，本研究采用獨立的2021年的試驗資料驗證了臨界磷濃度模型，檢驗指標(biāo)RMSE為0.98 g/kg。從驗證結(jié)果可知，基于地上部生物量建立的油菜臨界磷濃度模型模擬效果較好。與玉米[10]、棉花[11]等作物的臨界磷濃度模型模擬效果相比，本研究建立的模型RMSE相對較小，說明模型模擬的效果相對較好，這可能與不同作物的磷濃度變化特性相關(guān)。此外，油菜的臨界磷濃度稀釋模型n-RMSE為15.59%，表明模型的穩(wěn)定性也較好，可以作為油菜磷素營養(yǎng)狀況判斷的工具之一。

目前關(guān)于油菜適宜施磷量的研究報道較多。付蓉等[14]研究發(fā)現(xiàn)，綜合考慮春油菜產(chǎn)量、產(chǎn)油量、磷肥表觀利用率和土壤磷素表觀平衡，在青海省東部春油菜區(qū)，推薦施磷量為60 kg/hm2；李銀水等[15]在湖北省布點9 個，研究不同磷肥用量對油菜磷素養(yǎng)分吸收利用率等的影響，發(fā)現(xiàn)磷肥用量為75 kg/hm2時可達(dá)到油菜的高產(chǎn)高效生產(chǎn)；李月梅[16]研究表明，根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益分析結(jié)果，青海甘藍(lán)型春油菜生產(chǎn)中磷肥用量以75 kg/hm2為宜；曾洪玉等[26]研究表明，從油菜籽粒產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、磷肥利用率及土壤養(yǎng)分含量綜合考慮，推薦揚州當(dāng)?shù)刂魍破贩N寧雜21號生產(chǎn)中磷肥適用量為78.75 kg/hm2?？梢姡煌芯康贸龅挠筒俗罴咽┝琢坎町愝^大，這主要是由生態(tài)區(qū)域不同、土壤肥力差異、栽培模式有別等造成的。本研究中，施磷量低于70 kg/hm2時，2個油菜品種產(chǎn)量隨施磷量的增加而增加，當(dāng)施磷量高于70 kg/hm2時，油菜產(chǎn)量卻有下降的趨勢，進(jìn)一步證明油菜在生長過程中存在一定的臨界磷素吸收量。油菜地上部生物量在70 kg/hm2施磷界限內(nèi)，隨著施磷量的增加而增加，超過此施磷量，生物量增加不顯著甚至略有下降。根據(jù)不同生育時期磷營養(yǎng)指數(shù)與水平1的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在磷肥用量70 kg/hm2時，不同年份、品種的磷營養(yǎng)指數(shù)值整體在1附近上下波動，磷肥用量為105 kg/hm2時，則表現(xiàn)出磷素剩余現(xiàn)象，施磷量低于70 kg/hm2時，磷營養(yǎng)指數(shù)也小于1，表明磷肥出現(xiàn)虧缺現(xiàn)象。綜合產(chǎn)量效應(yīng)方程與磷營養(yǎng)指數(shù)，本研究得出油菜較適宜的磷肥用量為70.0～81.8 kg/hm2，這一結(jié)論與李銀水等[15]、李月梅等[16]的研究結(jié)果趨于一致。

磷營養(yǎng)指數(shù)是衡量作物磷營養(yǎng)狀態(tài)的理想指標(biāo)[10?13]。本研究基于臨界磷濃度稀釋曲線確定了油菜不同生育時期的臨界磷濃度，評估了不同磷肥處理下各時期的磷營養(yǎng)指數(shù)，進(jìn)一步表明確定的臨界磷濃度稀釋曲線模型可以用于評價油菜的磷營養(yǎng)狀況，這與在其他作物上的研究結(jié)果類似[10?13]。通常研究認(rèn)為，植株磷營養(yǎng)指數(shù)在1左右比較適宜，但是適當(dāng)增加或減少作物植株體內(nèi)的磷營養(yǎng)狀況可有效減輕非生物脅迫對作物的傷害，促進(jìn)作物對水分和養(yǎng)分的吸收，并在一定程度上提高作物抗逆性，尤其是對于越冬作物油菜，適當(dāng)?shù)靥岣咧仓牦w內(nèi)的磷濃度有利于提高作物的存活率[27]。

綜上，本研究構(gòu)建并驗證的油菜臨界磷稀釋曲線（Pc=7.39W-0.16，R2=0.80）作為油菜地上部生物量和植株磷濃度之間的關(guān)系模型，可以穩(wěn)定地預(yù)測油菜臨界磷含量?；诖四Ｐ屯扑愕牧谞I養(yǎng)指數(shù)可以用來評價和診斷該地區(qū)油菜不同生育時期磷素營養(yǎng)狀況，在磷肥施用量為70 kg/hm2時，磷營養(yǎng)指數(shù)值約為1。根據(jù)油菜產(chǎn)量效應(yīng)方程及磷營養(yǎng)指數(shù)變化，推薦該地區(qū)油菜施磷量為70.0～81.8 kg/hm2。