不同氮效率夏玉米臨界氮濃度稀釋模型與氮營(yíng)養(yǎng)診斷

安志超，黃玉芳，汪 洋，趙亞南，岳松華，師海斌，葉優(yōu)良*

（1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450002；2 陜西省渭南市蒲城縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西渭南 715599）

化肥在我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中起著決定性作用[1]，而不合理施肥尤其是過(guò)量施氮導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題日益突出[2]，與氮肥相關(guān)的水資源污染[3]、土壤酸化[4]和大氣污染[5]等問(wèn)題成為了輿論的焦點(diǎn)。玉米是我國(guó)三大糧食作物之一，氮是玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中需求量最大的營(yíng)養(yǎng)元素[6-7]，實(shí)現(xiàn)玉米產(chǎn)量與氮肥利用效率協(xié)同提高，是實(shí)現(xiàn)氮肥精準(zhǔn)管理的基礎(chǔ)，對(duì)于保障我國(guó)糧食生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境安全具有非常重要的意義。臨界氮濃度是指獲得最大生物量增長(zhǎng)所需要的最少氮營(yíng)養(yǎng)[8-9]，臨界氮稀釋曲線及基于此的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)可以動(dòng)態(tài)描述作物氮素營(yíng)養(yǎng)狀況的變化，是實(shí)現(xiàn)合理施用氮肥的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷關(guān)鍵技術(shù)[10]。

早在1952年，Ulrich就提出了“臨界氮濃度”的概念[9]，作物體內(nèi)的臨界氮濃度隨地上部生物量的增長(zhǎng)而降低，且存在冪函數(shù)關(guān)系，即臨界氮稀釋曲線，Nc= aW-b(a、b為參數(shù))。1990年，Greenwood等[11]提出了C3、C4作物的臨界氮稀釋曲線通用模型，N =5.17W-0.5(C3作物) 和 N = 4.11W-0.5(C4作物，W ＞ 1 t/hm2)，隨后國(guó)內(nèi)外學(xué)者又先后在油菜[12]、棉花[13]、小麥[14-15]、馬鈴薯[16]、番茄[17]、水稻[18]等作物上建立了各自的參數(shù)模型，對(duì)模型進(jìn)行了修正。國(guó)外學(xué)者在法國(guó)[8]、德國(guó)[19]等地在玉米上建立和驗(yàn)證了曲線的可靠性；國(guó)內(nèi)學(xué)者也先后在河北省吳橋縣[20]、陜西省關(guān)中地區(qū)[21-22]、吉林省長(zhǎng)春市和四平市[23]、山東省聊城市[24]等地建立了相應(yīng)的臨界氮稀釋模型。但是，其參數(shù)變化幅度較大，其中參數(shù)a的變化范圍在21.40～34.90；參數(shù)b的范圍在0.14～0.48。這說(shuō)明臨界氮濃度稀釋模型可能因氣候、品種等的不同而出現(xiàn)差異，這在很大程度上限制了臨界氮稀釋模型的通用性，特別是品種。氮素利用效率是植株氮素吸收和利用能力的綜合反映，與臨界氮濃度的關(guān)系也最密切。因此，明確不同氮效率品種的臨界氮濃度稀釋模型的差異，對(duì)于提高模型的應(yīng)用性具有重要意義，而目前這方面的報(bào)道仍較少?；诖?，本研究在豫中地區(qū)通過(guò)3年田間定位試驗(yàn)對(duì)兩個(gè)不同氮效率玉米品種的臨界氮稀釋曲線進(jìn)行了對(duì)比分析，旨在明確不同氮利用率品種臨界氮稀釋曲線模型的差異，為該區(qū)域玉米的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷和施肥管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)位于河南省禹州市順店鎮(zhèn)康城村 (34°27′ N,113°34′ E)，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)季候，年平均降雨量約為700 mm。試驗(yàn)地土壤類型為潮褐土，質(zhì)地粘壤，耕層土壤pH 8.2、全氮1.04 g/kg、有機(jī)質(zhì)20.5 g/kg、速效鉀142 mg/kg、有效磷20 mg/kg、容重為1.45 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年6月開(kāi)始，種植模式為小麥-玉米輪作，設(shè)5個(gè)施氮水平，純氮施用量分別為0 kg/hm2(N0)、120 kg/hm2(N120)、180 kg/hm2(N180)、240 kg/hm2(N240)、360 kg/hm2(N360)。氮肥1/3在玉米播種前施入，2/3在玉米大喇叭口期開(kāi)溝追施。磷、鉀肥一次性基施，用量 (P2O5、K2O) 均為90 kg/hm2，氮肥為尿素 (含N 46.4%)，磷肥為過(guò)磷酸鈣(含P2O512.0%)，鉀肥為氯化鉀 (含K2O 60.0%)。小區(qū)面積48 m2，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。田間管理與當(dāng)?shù)乇３忠恢?，根?jù)墑情進(jìn)行灌溉，3～5葉期進(jìn)行化學(xué)除草，拔節(jié)期防治病蟲(chóng)害。

2014年6月—2016年9月，連續(xù)3個(gè)玉米季，選用在該區(qū)域推廣的偉科702(WK702) 和中單909(ZD909) 開(kāi)展試驗(yàn)，種植密度為 6.0 × 104株/hm2，行距為0.6 m。2014年于6月5日播種，9月20日收獲；2015年于6月7日播種，9月24日收獲；2016年6月8日播種，9月22日收獲。

1.3 測(cè)定內(nèi)容與方法

1.3.1 植株地上部生物量 分別在玉米拔節(jié)期(V6)、大喇叭口期 (V12)、吐絲期 (R1)、成熟期 (R6)進(jìn)行取樣，每個(gè)小區(qū)選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻、有代表性的植株3株，采取其地上部分，分段切碎后在105℃下殺青，80℃下烘干至恒重，稱量其干物質(zhì)重。

1.3.2 植株氮濃度 將各生育時(shí)期的植株樣品烘干后用粉樣機(jī)粉碎，過(guò)1 mm篩，用H2SO4-H2O2法消煮，采用德國(guó)AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定植株全氮含量。

1.3.3 產(chǎn)量 玉米成熟期在每個(gè)小區(qū)中間4行連續(xù)收獲40株計(jì)產(chǎn)。籽粒含水量均以國(guó)家商品糧貯藏標(biāo)準(zhǔn)含水量13%計(jì)。

1.4 玉米臨界氮濃度稀釋曲線的建立

臨界氮濃度是指在一定的生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)獲得最大生物量時(shí)的最小氮濃度值。隨著施氮量的增加，玉米地上部生物量顯著增加，繼續(xù)增加施氮量，其生物量并未出現(xiàn)顯著性的增加 (P ＜ 0.05)。對(duì)不同施氮處理每個(gè)取樣日的生物量進(jìn)行方差分析 (P ＜ 0.05)，并分為受氮素營(yíng)養(yǎng)限制和不受氮素營(yíng)養(yǎng)限制兩類。對(duì)作物生長(zhǎng)受氮素營(yíng)養(yǎng)限制的施氮水平，對(duì)其地上部生物量和對(duì)應(yīng)的氮濃度進(jìn)行線性擬合；對(duì)不受氮素營(yíng)養(yǎng)限制的施氮水平，用其地上部生物量的平均值代表最大生物量。每個(gè)取樣日的臨界氮濃度即為以上線性曲線與以最大生物量為橫坐標(biāo)的垂線的交點(diǎn)縱坐標(biāo)植。

根據(jù)每個(gè)取樣日的地上部生物量和臨界氮濃度，建立玉米整個(gè)生育期的臨界氮稀釋曲線模型：

式中：NC為地上部臨界氮濃度 (g/kg)；DM為地上部干物質(zhì)的最大值 (t/hm2)；參數(shù)a為玉米地上部單位生物量的臨界氮濃度；參數(shù)b為控制該曲線斜率的稀釋系數(shù)[25]。

本文以2014和2015年的數(shù)據(jù)擬合建立模型，利用2016年數(shù)據(jù)對(duì)建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1.5 臨界氮稀釋曲線模型的檢驗(yàn)

模型的驗(yàn)證采用回歸估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE[26-27]和n-RMSE[28]來(lái)檢測(cè)模型的擬合度。

式中：Pi、Oi分別為臨界氮測(cè)定值和模擬值；n為樣本量；S為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值。RMSE值越小，模擬值與測(cè)定值的一致性越好，偏差越小，即模型的預(yù)測(cè)精度越高。Jamiesom等[29]認(rèn)為：n-RMSE ＜ 10%，模型穩(wěn)定性極好；10% ＜ n-RMSE ＜ 20%，模型穩(wěn)定性較好；20% ＜ n-RMSE ＜ 30%，模型穩(wěn)定性一般；n-RMSE ＞ 30%，模型穩(wěn)定性較差。

1.6 玉米氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)(NNI)

式中：Na為植株地上部氮濃度的實(shí)測(cè)值；Nc為根據(jù)臨界氮濃度稀釋模型求得的臨界氮濃度值。若NNI ＜1，表明植株氮缺乏；NNI = 1表明植株體內(nèi)氮營(yíng)養(yǎng)處于最佳狀態(tài)；NNI ＞ 1則表明植株氮營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩。

1.7 氮素利用效率、相對(duì)地上部生物量和相對(duì)產(chǎn)量

氮素利用效率NUE (kg/kg, N) = 籽粒產(chǎn)量/氮素吸收量[30]；

相對(duì)地上部生物量 (RDW) 為地上部生物量與同一生育時(shí)期各處理地上部生物量最大值的比值；

相對(duì)產(chǎn)量 (RY) 為各處理產(chǎn)量與收獲期各處理產(chǎn)量的最大值的比值。

1.8 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析，用OriginPro 2016作圖，處理間多重比較采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種玉米氮素利用率

三年試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同氮水平下兩個(gè)玉米品種的氮素利用率存在差異 (表1)。氮肥用量為120 kg/hm2時(shí)，不同年份兩個(gè)品種間氮利用效率差異均未達(dá)到顯著水平；氮肥用量為0、180、240、360 kg/hm2時(shí)，除2014年的N360外，中單909的氮利用率均顯著高于偉科702。表明偉科702和中單909為氮效率差異較大的兩個(gè)品種。

2.2 施氮量對(duì)玉米地上部生物量的影響

由表2可知，同一時(shí)期，隨著施氮量的增加，兩個(gè)品種玉米地上部生物量均顯著增加，繼續(xù)增加施氮量至180 kg/hm2時(shí)，同時(shí)期N180、N240、N360處理地上部生物量整體差異不顯著。這說(shuō)明，氮肥達(dá)到一定量后，玉米地上部生物量將不受氮素限制。2014—2016年，由于施氮量、品種、氣候等原因，拔節(jié)期部分氮肥用量處理下地上部生物量小于1 t/hm2，須舍棄此時(shí)期數(shù)據(jù)。對(duì)比分析兩個(gè)品種的地上部生物量，不同氮水平的生物量整體滿足DM0＜ DM120＜ DM180≈ DM240≈ DM360。

2.3 玉米植株臨界氮濃度稀釋曲線模型的建立

分別以2014年和2015年各時(shí)期的地上部生物量和植株氮濃度進(jìn)行擬合，得出每個(gè)時(shí)期的臨界氮濃度，可以發(fā)現(xiàn)隨著地上部生物量的增長(zhǎng)，臨界氮濃度呈下降趨勢(shì)。分別對(duì)兩個(gè)品種的臨界氮濃度進(jìn)行冪函數(shù)擬合建立玉米整個(gè)生育時(shí)期的臨界氮濃度稀釋曲線 (圖1)，結(jié)果顯示兩個(gè)品種的擬合方程均達(dá)到了極顯著水平，決定系數(shù)分別為0.947和0.978，表明該模型可以用來(lái)表征兩個(gè)品種玉米地上部生物量和植株氮濃度的關(guān)系。相比中單909的模型參數(shù)，偉科702的參數(shù)a提高了15.70%，參數(shù)b降低了7.84%，參數(shù)a變化值大于參數(shù)b。

2.4 臨界氮濃度稀釋曲線模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述模型的穩(wěn)定性和可靠性，以2016年各時(shí)期的地上部生物量和植株氮濃度單獨(dú)進(jìn)行擬合，計(jì)算并建立其臨界氮稀釋曲線模型。利用2016年不同時(shí)期的最大地上部生物量分別代入上述模型和此模型中，得出臨界氮濃度 (CNC) 模擬值和測(cè)定值。從表3中可以看出，兩個(gè)品種 (偉科702、中單909)的CNC誤差分別為 -0.05～1.60、-1.46～0.36。根據(jù)公式計(jì)算得出偉科702的RMSE為1.01，n-RMSE為5.71%；中單909的RMSE為1.08，n-RMSE為6.76%，模型穩(wěn)定性很高，此模型可以用于氮素營(yíng)養(yǎng)診斷。

2.5 不同氮肥用量對(duì)玉米植株地上部氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)的影響

為了檢驗(yàn)通過(guò)玉米臨界氮稀釋模型來(lái)估測(cè)玉米植株氮素盈虧水平的可行性，依據(jù)上述模型分析了兩個(gè)品種三年不同時(shí)期的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù) (NNI)。圖2表明，兩個(gè)品種的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)均隨施氮量的增加而上升。隨著玉米生育時(shí)期的推進(jìn)，兩個(gè)品種的N0、N120處理NNI呈先升高后降低的趨勢(shì)，且低于1；兩個(gè)品種的N240、N360處理則一直升高。氮肥用量為180 kg/hm2時(shí)，大喇叭口期至吐絲期，兩個(gè)品種氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)均上升；吐絲期到成熟期，偉科702 NNI呈下降趨勢(shì)，中單909趨于平穩(wěn)，且成熟期NNI均在1附近。相同施氮量下，中單909的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)整體上高于偉科702，說(shuō)明氮高效品種對(duì)氮肥的需求量小于氮低效品種。由此可見(jiàn)，依據(jù)臨界氮稀釋模型計(jì)算的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)可以很好地評(píng)價(jià)玉米植株氮營(yíng)養(yǎng)狀況。

表1 2014—2016年偉科702和中單909氮素利用率Table 1 Nitrogen use efficiencies of WK702 and ZD909 from 2014 to 2016

表2 不同氮肥用量下玉米不同生育期的地上部生物量Table 2 Maize shoot biomass at different stages under different nitrogen fertilizer application rates

2.6 氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)與相對(duì)地上部生物量、相對(duì)產(chǎn)量之間的關(guān)系

以2014—2016年三年的數(shù)據(jù)，分別研究了氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)與玉米相對(duì)生物量 (RDW) 和相對(duì)產(chǎn)量 (RY)的關(guān)系。圖3表明，偉科702和中單909不同生育時(shí)期的NNI-RDW均表現(xiàn)為線性相關(guān)關(guān)系，隨著NNI的增加，相對(duì)地上部生物量不斷增加，方程決定系數(shù)分別為 0.731、0.827、0.803和0.880、0.643、0.886，均達(dá)到顯著水平。從圖4中可以看出，NNI與相對(duì)產(chǎn)量呈二次曲線關(guān)系。相對(duì)產(chǎn)量隨NNI的增加先升高后降低，回歸方程決定系數(shù)分別為0.783、0.860、0.730和0.805、0.689、0.804，同樣均達(dá)到顯著水平。兩個(gè)品種都在V12時(shí)期NNI為0.99、0.96時(shí)RY獲得最大值，分別為0.95和0.96。

圖1 玉米植株臨界氮濃度與地上部生物量的關(guān)系Fig. 1 Relationship between plant critical nitrogen concentration and shoot biomass of maize

表3 玉米臨界氮濃度測(cè)定值與模擬值Table 3 Observed and simulated critical nitrogen concentrations of maize

3 討論

3.1 豫中地區(qū)玉米臨界氮濃度稀釋曲線特征

河南省是我國(guó)重要的糧食核心產(chǎn)區(qū)之一，玉米是該區(qū)的主要糧食作物，且豫中地區(qū)潛力較大，現(xiàn)實(shí)產(chǎn)量也最高[31]。但目前普遍出現(xiàn)氮肥施用過(guò)量、利用率低、污染環(huán)境等問(wèn)題[32]。臨界氮濃度可用于玉米氮素營(yíng)養(yǎng)快速診斷，及時(shí)有效地評(píng)價(jià)植株氮素盈虧水平，為指導(dǎo)合理施肥及實(shí)現(xiàn)節(jié)肥增效提供理論依據(jù)。本文利用2014—2016年3年5個(gè)氮水平的定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立并驗(yàn)證了豫中地區(qū)玉米臨界氮稀釋曲線模型，分析了不同氮效率品種玉米臨界氮稀釋曲線模型的差異和氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)，研究了氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)與相對(duì)地上部生物量和相對(duì)產(chǎn)量的關(guān)系。兩個(gè)模型方程 (偉科702，NC= 35.638DM-0.341，中單909，NC=30.801DM-0.370) 的決定系數(shù)均達(dá)到顯著水平，在不同年份間也具有很好的穩(wěn)定性，可以用作豫中地區(qū)玉米氮素的診斷。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)NNI與相對(duì)地上部生物量、相對(duì)產(chǎn)量顯著相關(guān)。因此，可以認(rèn)為基于臨界氮稀釋模型的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)能夠用來(lái)評(píng)價(jià)、診斷玉米的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況。

在臨界氮濃度稀釋曲線模型中，參數(shù)a代表單位生物量氮濃度；參數(shù)b代表植株臨界氮濃度隨地上部干物質(zhì)重增加而遞減的關(guān)系。與前人研究結(jié)果相比，參數(shù)a屬偏高水平，參數(shù)b屬中等水平，與Yue 等[33](a = 34.0, b = 0.37)、Plenet等[8](a = 34.0, b =0.37)、Herrmann 等[19](a = 34.12, b = 0.39) 研究結(jié)果接近，高于陜西關(guān)中地區(qū)(a為21.4～22.5, b為0.14～0.31)[21-22]。這些研究處于不同的國(guó)家、省市，供試土壤、玉米品種及氣候條件等均不相同，其異同點(diǎn)可能是由于這些因素的共同作用導(dǎo)致的，但具體哪個(gè)因素影響大，仍需進(jìn)一步研究。

圖3 玉米氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)與相對(duì)地上部生物量的關(guān)系Fig. 3 Relationship between nitrogen nutrition index (NNI) and relative shoot biomass (RDW) of maize

在同一試驗(yàn)條件下，與氮低效的偉科702相比，中單909的臨界氮稀釋曲線參數(shù)a降低了4.837，參數(shù)b增加了0.029，參數(shù)a的降低和參數(shù)b的提高對(duì)作物臨界氮濃度的影響是同向的，也就是說(shuō)氮高效品種在降低單位生物量氮濃度 (參數(shù)a) 的同時(shí)，還加大了植株臨界氮濃度隨地上部干物質(zhì)重增加而遞減的速率 (參數(shù)b)，因此，中單909的臨界氮濃度在各生育時(shí)期均低于偉科702，且隨著地上部生物量的增加，兩品種臨界氮濃度值差距逐漸加大。這可能是由于：1) 氮高效品種具有較高的氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、同化以及再分配能力[34]，相關(guān)研究表明，硝酸還原酶活性越強(qiáng)、越持久，氮素代謝越旺盛[35]，而不同基因型品種硝酸還原酶活性不同，氮高效品種具有較高的硝酸還原酶活性，有助于硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化吸收，促進(jìn)氮素的同化能力[36-37]，為單位生物量氮濃度(參數(shù)a) 的降低奠定了基礎(chǔ)；2) 李燕婷等[38]研究表明，與氮低效品種相比，氮高效品種幼苗中地上部/根間的氮循環(huán)量大、氮向根的分配量高，有利于根系的生長(zhǎng)，根冠比、總根長(zhǎng)高；春亮等[39]研究發(fā)現(xiàn)，氮高效品種在生育期中均保持了最大的根系 (干重)，拔節(jié)后優(yōu)勢(shì)更為明顯；王敬鋒等[40]指出，開(kāi)花后氮高效品種具有較高的根系干重，根系總量多、深層根系多，空間分布合理，后期根系活力高且持續(xù)期長(zhǎng)，能夠維持穩(wěn)定的氮素吸收，這說(shuō)明自幼苗開(kāi)始氮高效品種的根系生長(zhǎng)、空間結(jié)構(gòu)等在不斷優(yōu)化，為中后期養(yǎng)分的吸收利用提供了保障，這與模型參數(shù)b的提高關(guān)系密切；3) 良好的根系構(gòu)型和活力，在生育后期可以減少葉片中氮素的輸出，減緩葉片衰老，維持葉片較高的光合效率，為籽粒灌漿提供碳化合物的同時(shí)也為根系的主動(dòng)吸收提供能量，促進(jìn)根系的吸收，進(jìn)而也為氮素的高效利用奠定了基礎(chǔ)[35,41]，使其在干物質(zhì)持續(xù)增加、氮素不斷稀釋的同時(shí)保持較高的氮素利用能力，有利于模型參數(shù)b的提高；4) 申麗霞等[35]指出，高產(chǎn)氮高效型品種干物質(zhì)和氮素向籽粒的分配比例較高，而低產(chǎn)氮低效型品種向根和莖稈的分配比例較高，說(shuō)明氮高效品種在干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)以及在各器官中的分配上也具有一定的優(yōu)勢(shì)。馬曉君等[42]的研究也印證了此觀點(diǎn)，其指出在低氮或不施氮情況下，氮高效品種能夠有效地增加干物質(zhì)積累及分配比例，以達(dá)到高產(chǎn)。氮高效品種這種合理的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、分配體系使其能夠在相對(duì)較低的氮素需求下即可實(shí)現(xiàn)較高干物質(zhì)累積和產(chǎn)量，對(duì)模型參數(shù)a、b均有影響。

圖4 玉米氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù) (NNI) 與相對(duì)產(chǎn)量 (RY) 的關(guān)系Fig. 4 Relationship between nitrogen nutrition index(NNI) and relative yield(RY) of maize

3.2 豫中地區(qū)玉米適宜施氮量和推薦施氮量

氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)是基于作物臨界氮稀釋模型提出的指標(biāo)，以實(shí)際氮濃度與臨界氮濃度的比值來(lái)評(píng)價(jià)氮素營(yíng)養(yǎng)狀況以及定量動(dòng)態(tài)描述作物氮素營(yíng)養(yǎng)狀況的變化[43]。本研究計(jì)算了兩個(gè)品種不同氮處理下NNI值發(fā)現(xiàn)：相同生育時(shí)期，NNI值隨施氮量增加而增長(zhǎng)，且不同氮效率品種對(duì)氮肥的敏感性不同。大喇叭口期，偉科702 的5個(gè)施氮處理NNI均低于1，中單909的N0、N120、N180處理下NNI低于1，而N240、N360大于1；大喇叭口期至吐絲期，隨著氮肥用量的增加NNI值呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)；成熟期，偉科702的N0、N120、N180處理NNI值下降，N240、N360繼續(xù)上升，與偉科702不同的是，中單909 的N180處理NNI值趨于平穩(wěn)。這可能是由于：1) 大喇叭口期是玉米生長(zhǎng)發(fā)育最旺盛的階段，此時(shí)期玉米需要養(yǎng)分的絕對(duì)數(shù)量和相對(duì)數(shù)量都最大且吸收速度也最快[44]，因此大喇叭口期不同氮水平下NNI均較低；2) 吐絲期NNI的回升，一方面可能是由于該時(shí)期玉米開(kāi)始由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變，其對(duì)氮肥的需求不如大喇叭口期迫切，另一方面，可能是在大喇叭口期追肥后，補(bǔ)充了氮素營(yíng)養(yǎng)。這表明施肥量和施肥時(shí)期均能影響作物的營(yíng)養(yǎng)狀況，且NNI能夠很好地對(duì)其作出反應(yīng)，與前人研究結(jié)果一致[21,45-46]。根據(jù)兩個(gè)品種各時(shí)期NNI與水平線“1”的關(guān)系，偉科702在氮肥用量為180 kg/hm2時(shí)，NNI值整體低于1，氮肥用量為240 kg/hm2時(shí)，則表現(xiàn)出氮素過(guò)豐現(xiàn)象，因此最佳施肥量在180～240 kg/hm2之間；中單909的N180處理的NNI一直在1附近波動(dòng)，表明氮素供應(yīng)量適宜，故推薦施肥量為180 kg/hm2。這與彭雪松[47]通過(guò)對(duì)豫中地區(qū)16個(gè)田間試驗(yàn)進(jìn)行擬合后推薦的最高產(chǎn)量施氮量(220 kg/hm2)、經(jīng)濟(jì)最佳施氮量 (185 kg/hm2) 基本一致，說(shuō)明基于臨界氮稀釋模型的NNI來(lái)評(píng)價(jià)植株氮營(yíng)養(yǎng)狀況是可靠的。

3.3 豫中地區(qū)玉米節(jié)肥潛力分析

為分析豫中地區(qū)玉米節(jié)肥潛力，本課題組于2014—2016年對(duì)豫中地區(qū)玉米種植戶進(jìn)行了調(diào)研。整理得到有效問(wèn)卷743份，主要內(nèi)容為農(nóng)戶玉米種植面積、基肥氮用量和追肥氮用量。分析得出豫中地區(qū)農(nóng)戶玉米平均施氮量為242 kg/hm2，施氮量超過(guò)推薦量 (綜合上述兩個(gè)品種的最佳施肥量，設(shè)定整體推薦施肥量為200 kg/hm2) 的農(nóng)戶占74.29%，超過(guò)400 kg/hm2的農(nóng)戶占2.42%，采用“一炮轟”施肥的農(nóng)戶占73.35%。根據(jù)計(jì)算得出，推薦最佳施肥量下豫中地區(qū)玉米季減氮空間為42 kg/hm2。

4 結(jié)論

本文建立并驗(yàn)證了豫中地區(qū)兩種不同氮利用率玉米品種的地上部臨界氮稀釋曲線模型 (偉科702 NC= 35.638DM-0.341, 中單 909 NC= 30.801DM-0.370)，方程決定系數(shù)顯著、模型穩(wěn)定性高，基于此模型的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)可以用來(lái)評(píng)價(jià)和診斷該地區(qū)玉米植株不同生育時(shí)期氮素營(yíng)養(yǎng)狀況，氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)與相對(duì)地上部生物量、相對(duì)產(chǎn)量相關(guān)性顯著。相對(duì)于氮低效品種，氮高效品種的臨界氮稀釋曲線模型參數(shù)a較低，參數(shù)b較高，其各時(shí)期臨界氮濃度均較低，且不同氮利用率品種對(duì)單位生物量氮濃度 (參數(shù) a) 的影響大于對(duì)臨界氮稀釋曲線斜率 (參數(shù) b) 的影響。根據(jù)本研究建立的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型，推薦豫中地區(qū)偉科702最佳施氮量為180～240 kg/hm2，中單909最佳施氮量為180 kg/hm2，該區(qū)域農(nóng)戶施氮量偏高，節(jié)肥潛力明顯。