全 文 ：基于临界氮浓度的小麦地上部氮亏缺模型*
赵摇 犇摇 姚摇 霞摇 田永超摇 刘小军摇 曹卫星摇 朱摇 艳**
(南京农业大学 /国家信息农业工程技术中心 /江苏省信息农业高技术研究重点实验室, 南京 210095)
摘摇 要摇 基于 3 年的大田试验,选择代表性的中蛋白小麦品种(扬麦 16)和低蛋白小麦品种
(宁麦 13),分别构建了小麦地上部干物质临界氮浓度(Ncnc )稀释曲线模型、氮营养指数
(NNI)模型和氮亏缺(Nand)模型.结果表明: 小麦地上部干物质临界氮浓度稀释曲线模型具
有明确的生物学意义,小麦临界氮浓度与地上部最大干物质(DM)符合幂函数关系(扬麦 16
为 Ncnc =4. 65DM-0. 44;宁麦 13 为 Ncnc =4. 33DM-0 . 45);小麦地上部氮营养指数模型可以准确诊
断氮素营养状况;小麦地上部氮亏缺模型可以定量调控氮肥管理措施.利用 2007—2008 年的
独立试验资料对小麦地上部干物质临界氮浓度稀释模型、氮营养指数模型和氮亏缺模型进行
检验和测试,结果表明模型的准确性较高,普适性较强.本文所构建模型可以直接用于诊断调
控小麦氮素营养,为小麦生产中精确施肥管理提供了较好的技术途径和理论基础.
关键词摇 小麦摇 临界氮浓度摇 氮素诊断摇 氮亏缺模型
文章编号摇 1001-9332(2012)11-3141-08摇 中图分类号摇 S512. 1摇 文献标识码摇 A
Accumulative nitrogen deficit models of wheat aboveground part based on critical nitrogen
concentration. ZHAO Ben, YAO Xia, TIAN Yong鄄chao, LIU Xiao鄄jun, CAO Wei鄄xing, ZHU
Yan ( Jiangsu Key Laboratory for Information Agriculture / National Engineering and Technology
Center for Information Agriculture / Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China ) .
鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(11): 3141-3148.
Abstract: Based on three鄄year field experiments, three models of critical nitrogen concentration di鄄
lution curve, nitrogen nutrition index, and accumulative nitrogen deficit were constructed for the
aboveground dry matter in medium protein wheat variety Yangmai 16 and low protein wheat variety
Ningmai 13, respectively. The critical nitrogen concentration dilution curve model had specific bio鄄
logical meaning, i. e. , there existed a negative power function correlation between shoot maximum
dry matter (DM) and critical nitrogen concentration (Ncnc ) (Yangmai 16: Ncnc = 4郾 65DM-0. 44;
Ningmai 13: Ncnc =4. 33DM-0. 45), the nitrogen nutrition index model could be used for accurate di鄄
agnosis of wheat plant nitrogen status, and the accumulative nitrogen deficit model could be used for
quantitative regulation of nitrogen fertilizer management. The tests of the derived equations with in鄄
dependent experiment data (2007-2008) showed higher accuracy and reliable prediction, sugges鄄
ting that the present models could be used for the diagnosis and regulation of wheat nitrogen nutri鄄
tion, providing a key technical approach to precise fertilization management in wheat production.
Key words: wheat; critical nitrogen concentration; nitrogen diagnosis; nitrogen deficit model.
*教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET鄄08鄄0797)、国家自然
科学基金项目(30871448,31201130)、国家高技术研究发展计划项目
(2011AA100703 )、 江 苏 省 科 技 支 撑 计 划 项 目 ( BE2010395,
BE2011351)、江苏省自然科学基金项目( BK2008330,BK2010453,
BK2012361)和江苏高校优势学科建设工程项目(PAPD)资助.
**通讯作者. E鄄mail: yanzhu@ njau. edu. cn
2012鄄02鄄09 收稿,2012鄄08鄄13 接受.
摇 摇 小麦高产的形成是以较高地上部干物质(dry
matter,DM)积累为前提,而干物质积累是以氮素的充
分吸收为基础[1-3] .在营养生长阶段,作物体内的氮
浓度随 DM的增长而降低,这种关系可用幂函数方程
表示[4] .在此基础上,Lemaire等[5]将临界氮浓度定义
为作物达到最大干物质所需要的最低氮浓度.
Greenwood 等[4]在 1990 年构建了关于 C3、C4
作物的临界氮浓度与地上干物质的通用模型(C3:
N=5郾 7DM-0郾 5; C4:N=4郾 1DM-0郾 5),但所建模型是在
作物生长不受氮素影响的试验条件下确定,而真正
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 11 月摇 第 23 卷摇 第 11 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2012,23(11): 3141-3148
临界氮浓度应该低于它们. 之后,Lemaire 等[6]在大
量研究基础上对 Greenwood等[4]提出的模型参数进
行修正,提出了 2 个新模型(C3:N= 4郾 8DM-0郾 34; C4:
N=3郾 6DM-0郾 34),但此模型是基于多个试验平均状
况下所得,再加上供试作物有限,因而不可能代表所
有 C3、C4 作物.近年来,国外有关学者已建立多个不
同作物的(冬油菜、玉米和水稻)临界氮浓度稀释曲
线模型[7-9],但国内对于小麦地上部干物质氮浓度
稀释曲线模型的研究至今仍为空白.因此,本文基于
2 个不同蛋白含量品种的 2 年大田试验,分别建立
小麦临界氮浓度稀释模型以及氮营养指数和氮亏缺
模型,为小麦精确氮肥管理、调控评估提供理论依据
和技术支持.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验设计
本研究共设 3 个小麦田间试验,涉及不同地点、
年份、品种类型和施氮水平.
试验 1 于 2009—2010 年在仪征新集试验站
(32毅16忆 N,119毅 10忆 E)进行. 试验田土壤有机质
18郾 9 g · kg-1,碱解氮 100 mg· kg-1,有效磷 34
mg·kg-1,速效钾 90 mg·kg-1,供试品种包括中蛋
白品种扬麦 16 (Y16,蛋白质含量 14郾 2% )和低蛋白
品种宁麦 13 (N13,蛋白质含量 10郾 9% ),各设 5 个
施氮水平 0(N0 )、75 kg·hm-2(N1 )、150 kg·hm-2
(N2)、225 kg·hm-2(N3)、300 kg·hm-2(N4).
试验 2 于 2010—2011 年在仪征新集试验站进
行.试验田土壤有机质 13郾 5 g·kg-1,碱解氮 66
mg·kg-1, 有 效 磷 43 mg · kg-1、 速 效 钾 82
mg·kg-1 .供试品种为 Y16 和 N13,各设 6 个施氮水
平 0(N0 )、75 kg·hm-2(N1 )、150 kg·hm-2(N2 )、
225 kg·hm-2 ( N3 )、 300 kg · hm-2 ( N4 )、 375
kg·hm-2(N5).试验 1 和 2 的氮肥处理基追比均为
5 颐 5,基肥于播种前施入,追肥在拔节时施入. 播种
方式为人工条播,小区面积 30 m2,行距 25 cm,重复
3 次,基本苗为 180伊104株·hm-2 .结合整地一次性
施用 96 kg·hm-2 P2O5和 120 kg·hm-2 K2O,磷钾肥
全部做基肥.其他栽培管理措施同一般高产田.
试验 3 于 2007—2008 年在南京农业大学江浦
农场(32毅2忆 N,118毅37忆 E)进行.试验田土壤有机质
16郾 46 g·kg-1,碱解氮 89郾 79 mg·kg-1,有效磷 54
mg·kg-1,速效钾 90郾 5 mg·kg-1 .供试品种为宁麦 9
号(N9,蛋白质含量 10郾 6% ).设 3 个施氮水平,分别
为 90 kg· hm-2 ( N1 )、180 kg· hm-2 ( N2 )和 270
kg·hm-2(N3),其中 50%作基肥,50%为拔节肥.试
验为随机区组设计,小区面积 16 m2,行距 25 cm,重
复 3 次,各处理均施用 150 kg·hm-2 P2O5和 150
kg·hm-2 K2O,磷钾肥全部做基肥,其他栽培管理措
施同一般高产田.
1郾 2摇 小麦植株氮素营养含量的测算
在小麦生长各关键时期,每小区取代表性植株
20 株,按器官分离,105 益杀青 30 min,80 益烘干后
称量,粉碎后使用半微量凯氏定氮法测定小麦植株
不同组织器官(茎、叶、穗)全氮含量(% ).各器官氮
积累量(kg·hm-2)=器官含氮量(% ) 伊器官干物质
(kg·hm-2).所有器官氮积累量相加得到地上部植
株氮积累量. 植株氮含量 (% ) = 植株氮积累量
(kg·hm-2) /植株干物质(kg·hm-2).
1郾 3摇 小麦临界氮浓度稀释曲线
按照薛晓萍等[10]提出的方法计算临界氮浓度
稀释曲线,步骤如下:1)对比分析不同氮素水平试
验下每次取样的地上部干物质及相应的氮浓度值,
用方差分析对作物生长受氮素营养限制与否的施氮
水平进行分类;2)对于施氮量不能满足作物最大生
长需求的试验监测资料,其地上干物质与氮浓度值
的关系以线性曲线拟合;3)对于作物生长不受氮素
影响的施氮水平,用其地上部干物质的平均值代表
最大干物质;4)每次取样日的理论临界氮浓度由上
述线性曲线与以最大干物质为横坐标的垂线相交的
交点的纵坐标决定. 小麦临界氮浓度稀释曲线模型
为:
Ncnc =aDM-b (1)
式中:Ncnc为小麦地上部分的临界氮浓度值(% );
DM为小麦地上干物质积累量( t·hm-2),DM>1郾 5
t·hm-2;a、b为参数,a为地上干物质为 1 t·hm-2时
的临界氮浓度值,b为控制此曲线斜率的统计参数.
1郾 4摇 数据处理
采用 Excel 软件进行数据处理和作图,采用
SPSS 11郾 0 统计软件进行单因素方差分析. 使用软
件 GenStat 12 的简单分组线性回归功能测试本文所
建模型(临界氮浓度曲线、氮营养指数与氮亏缺定
量关系)在不同年份或品种之间的差异是否显著.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 小麦地上生物量与产量的关系
基于试验 1 和试验 2,对比分析施氮水平对小
麦地上干物质积累的影响. 2009—2010 年 (试验
1),研究区小麦地上部干物质随施氮量的增加而增
2413 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
加,N2、N3、N4 处理间的干物质差异较小,但显著大
于 N0和 N1处理;2010—2011 年(试验 2),2 个小麦
品种地上部干物质在 N3、N4 和 N5处理间的差异较
小,但显著大于 N0、N1和 N2 处理(表 1). 2 年试验的
小麦地上部干物质满足下列统计意义上的不等式:
2010: DM02011: DM0式中:DM0、DM1、DM2、DM3、DM4 分别表示 N0、N1、
N2、 N3、 N4 施 氮 水 平 下 的 小 麦 地 上 干 物 质
(t·hm-2).
不同施氮水平下小麦地上部干物质(DM)与最终
产量(Y,t·hm-2)的关系从返青到开花期均呈显著正
相关,说明最终产量水平越高,小麦在生长期间的地
上部干物质也越高. 返青期:DM = 0郾 28Y+0郾 32,R2 =
0郾 53,P<0郾 05;拔节期:DM = 0郾 37Y+0郾 42,R2 = 0郾 52,
P<0郾 05;孕穗期:DM = 0郾 96Y + 1郾 41,R2 = 0郾 72,P <
0郾 01;开花期:DM=1郾 12Y+1郾 91,R2 =0郾 78,P<0郾 01.
2郾 2摇 小麦临界氮浓度稀释曲线的建立
根据临界氮浓度的定义,每个取样日的临界氮
浓度值由 2 条曲线交点所决定,其中,一条是逐渐增
长的地上部干物质与氮浓度的交点形成的倾斜曲
线,2009—2010 年该线经过 DM0、 DM1、 DM2 点,
2010—2011 年通过 DM0、DM1、DM2 和 DM3 点;另一
条线是以最大干物质为横坐标的垂直线,2009—
2010 年该线经过 DM2、DM3、DM4 点,2010—2011 年
该线经过 DM3、DM4 和 DM5点. 这两条线相交点的
纵坐标值即为临界氮浓度值.
由图 1 可以看出,随地上部干物质的增长,小麦
临界氮浓度(Ncnc)呈逐渐下降的趋势. 进一步将临
界氮浓度值与对应的最大干物质进行方程拟合,构
建扬麦 16 和宁麦 13 的地上部临界氮浓度稀释模
型,2 个品种的模型结构相同 (图 2),对比 Justes
等[11]和 Yue等[12]构建的小麦临界氮浓度稀释模型
发现,虽然 Justes 等[11]构建的临界氮浓度稀释模型
(Ncnc =5郾 35DM-0郾 44)被广泛作为小麦临界氮浓度推
荐曲线[13-14],但在相同干物质条件下扬麦 16 和宁
麦 13 的临界氮浓度值均低于 Justes 等[11]的模型模
拟值,与 Yue 等[12]所建模型(Ncnc = 4郾 15DM0 郾 38)模
拟值相近.通过简单分组线性分析,发现扬麦 16 和
宁麦 13 的临界氮浓度稀释曲线在不同年份之间保
持稳定(表 2),可以使用同一形式的曲线表示;但两
个品种临界氮稀释曲线斜率有明显差异,因此本文
表 1摇 施氮水平对小麦地上干物质动态积累的影响
Table 1摇 Effects of nitrogen fertilization rate on dynamic accumulation of the aboveground dry matter for wheat ( t·hm-2)
年份
Year
品种
Variety
氮肥处理
Nitrogen treatment
(kg·hm-2)
生育时期 Growth period
返青
Reviving
拔节
Jointing
孕穗
Booting
开花
Anthesis
2010-2011 扬麦 16 0 0郾 92依0郾 02d 1郾 11依0郾 09d 4郾 17依0郾 10d 5郾 49依0郾 14d
Y16 75 1郾 53依0郾 01c 1郾 96依0郾 02c 5郾 11依0郾 15c 6郾 15依0郾 14c
150 1郾 74依0郾 14b 2郾 57依0郾 08b 6郾 25依0郾 20b 7郾 29依0郾 34b
225 2郾 67依0郾 23a 2郾 92依0郾 12a 7郾 84依0郾 08a 8郾 50依0郾 32a
300 2郾 52依0郾 04a 3郾 09依0郾 19a 7郾 46依0郾 09a 8郾 38依0郾 40a
375 2郾 41依0郾 05ab 2郾 97依0郾 29a 7郾 72依0郾 19a 9郾 17依0郾 10a
宁麦 13 0 1郾 02依0郾 11d 1郾 25依0郾 07d 4郾 40依0郾 29d 5郾 21依0郾 19d
N13 75 1郾 54依0郾 19c 2郾 37依0郾 22c 5郾 03依0郾 22c 6郾 12依0郾 13c
150 1郾 86依0郾 09b 2郾 54依0郾 13bc 5郾 80依0郾 09b 7郾 04依0郾 16b
225 2郾 07依0郾 04ab 2郾 75依0郾 15ab 6郾 73依0郾 14a 8郾 32依0郾 09a
300 2郾 29依0郾 21a 2郾 98依0郾 15a 6郾 85依0郾 10a 8郾 40依0郾 28a
375 2郾 11依0郾 02ab 3郾 12依0郾 27ab 6郾 93依0郾 16a 8郾 40依0郾 23a
2009-2010 扬麦 16 0 1郾 54依0郾 01c 2郾 05依0郾 05c 4郾 57依0郾 17c 5郾 53依0郾 21c
Y16 75 1郾 65依0郾 01bc 2郾 45依0郾 09b 6郾 00依0郾 13b 7郾 28依0郾 14b
150 1郾 84依0郾 02ab 2郾 84依0郾 17a 7郾 92依0郾 18a 9郾 18依0郾 03a
225 2郾 04依0郾 35ab 2郾 91依0郾 02a 8郾 34依0郾 28a 9郾 42依0郾 14a
300 2郾 22依0郾 22a 2郾 86依0郾 08a 8郾 08依0郾 29a 9郾 56依0郾 53a
宁麦 13 0 1郾 20依0郾 13c 1郾 41依0郾 13c 4郾 41依0郾 27c 5郾 59依0郾 30c
N13 75 1郾 38依0郾 15bc 1郾 73依0郾 03b 5郾 98依0郾 10b 7郾 59依0郾 20b
150 1郾 74依0郾 15ab 2郾 05依0郾 11ab 7郾 70依0郾 48a 9郾 35依0郾 31ab
225 1郾 62依0郾 13ab 1郾 95依0郾 14a 7郾 43依0郾 15a 9郾 50依0郾 20a
300 1郾 64依0郾 05a 2郾 04依0郾 12a 7郾 48依0郾 05a 9郾 53依0郾 07a
同列不同小写字母表示差异显著(P<0郾 05) Different small letters in the same column meant significant difference at 0郾 05 level郾 下同 The same be鄄
low郾
341311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 赵摇 犇等: 基于临界氮浓度的小麦地上部氮亏缺模型摇 摇 摇 摇 摇
分别拟合扬麦 16 和宁麦 13 临界氮浓度稀释曲线.
Y16:Ncnc =4郾 65DM-0郾 44,R2 =0郾 99 (4)
N13:Ncnc =4郾 33DM-0郾 45,R2 =0郾 95 (5)
2 个小麦品种临界氮浓度模型(N=aDM-b)中的
参数 b变化不大,可以作为定值;而参数 a的变化范
围较大,在 4郾 33 ~ 4郾 65,说明在相同干物质情况下
扬麦 16 的临界氮浓度值高于宁麦 13,参数 a 与蛋
白质含量存在一定的相关性. 以 2 个小麦品种的蛋
白质含量(protein content,PC)与模型参数a进行拟
图 1摇 小麦临界氮浓度值稀释曲线
Fig. 1摇 Value of critical nitrogen dilution curve for wheat郾
Ncnc:临界氮浓度 Critical nitrogen concentration郾 Y16:扬麦 16 Yangmai
16; N13:宁麦 13 Ningmai 13. 下同 The same below.
图 2摇 小麦地上部干物质临界氮浓度稀释曲线
Fig. 2 摇 Critical nitrogen concentration dilution curve in the
aboveground dry matter of wheat郾
Justes:Justes 等[11]的模型 Justes model[11] ; Yue:Yue 等[12]的模型
Yue model[12] .
合从而构建估算模型:
摇 摇 a=0郾 11PC+3郾 1,R2 =0郾 84 (6)
2郾 3摇 小麦氮营养指数模型构建
为了更精确地反映小麦植株氮素是否适宜,氮
营养指数模型被用来定量评估小麦体内的氮素状
况[15] .
NNI=Na / Ncnc (7)
式中:NNI为氮营养指数;Na为小麦地上部氮浓度的
实测值;Ncnc为根据临界氮浓度稀释模型求得的临
界氮浓度值. NNI=1 表明小麦体内氮素营养水平处
于最佳状态,NNI>1 表明氮营养过剩,NNI<1 表明
氮营养不足[16] .
由图 3 可以看出,随着施氮水平的提高,扬麦
16 和宁麦 13 氮营养指数不断上升,其值在 0郾 37 ~
1郾 28,其中,2009—2010 年 N2 处理(150 kg·hm-2)
和 2010—2011 年 N3 处理(225 kg·hm-2)的氮营养
指数在 1 附近变化,可以认为此时施氮量较适宜.
2009—2010 年扬麦 16 的 N0处理下,由于没有追施
氮肥,小麦氮营养指数从返青到开花逐渐下降,从
0郾 73 降低到 0郾 37;低氮处理下(N1),小麦在返青期
已经表现出氮素不足,氮营养指数为 0郾 74,在返青
和拔节之间追施氮肥后,小麦在拔节期后氮营养指
数提高到 0郾 79,但由于追氮量较少,氮素供应不足,
氮营养指数在孕穗和开花后又慢慢下降到 0郾 58;高
氮(N4)和适宜氮肥处理下(N3),在返青期基本没有
出现氮亏缺,所以追施氮肥以后氮营养指数都逸1,
且随生育进程出现轻微波动,说明这些小区的氮肥
充足,甚至过量.以上分析表明,氮营养指数是一个
较好的小麦植株氮营养状况诊断指标.
2郾 4摇 小麦地上部氮积累亏缺模型的构建
根据式(1)可以推出小麦临界氮积累(式 8)和
氮积累亏缺模型(式 9),推导过程见文献[17].
表 2摇 临界氮浓度稀释曲线的简单分组线性分析
Table 2 摇 Simple grouping linear analysis of the dilution
curves for critical nitrogen concentration
项目 Item df MS F
品种
Variety 1 0郾 08 4郾 44
*
年份
Year 1 0郾 024 1郾 33
ns
干物质伊品种
Dry matter 伊 Variety 1 0郾 0005 0郾 03
ns
干物质伊年份
Dry matter伊 Year 1 0郾 0005 0郾 03
ns
残差
Residual 24 0郾 018 4郾 26
df:自由度 Degree of freedom; MS:均方 Mean square. *P<0郾 05; ns:
差异不显著 No significant. 下同 The same below.
4413 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 3摇 小麦氮营养指数动态变化
Fig. 3摇 Dynamics of the nitrogen nutrient index (NNI) for wheat (2009-2011)郾
玉:返青期 Reviving stage; 域:拔节期 Jointing stage; 芋:孕穗期 Booting stage; 郁:开花期 Anthesis stage郾 下同 The same below郾
摇 摇 Ncna =10aDM1- b (8)
Nand =Ncna-Nna (9)
扬麦 16:Ncna =46郾 5DM0郾 56 (10)
宁麦 13:Ncna =43郾 1DM0郾 55 (11)
式中: Ncna 为临界氮浓度条件下的氮积累量
(kg·hm-2);DM为地上部干物质(t·hm-2);Ncnc为
临界氮稀释曲线;a、b 为模型参数;10 为单位转换
值;Nna为不同氮肥水平下实际氮积累量;Nand为氮亏
缺量,若 Nand>0,说明氮积累不足,反之则氮积累过
量.将上文构建的扬麦 16 和宁麦 13 的临界氮浓度
稀释模型替换到式(8)推导,即可得到扬麦 16 和宁
麦 13 的临界氮积累模型.
随着施氮水平的提高,扬麦 16 和宁麦 13 的氮
亏缺值均逐渐减小,其值在-37 ~ 120 kg·hm-2(图
4). N0处理的氮亏缺从返青到开花逐渐加重,开花
期最大,扬麦 16 和宁麦 13 的氮亏缺最大值分别为
108 ~ 120、102 ~ 103 kg·hm-2;低氮处理下,拔节期
追施氮肥降低了氮亏缺值,如 2011 年扬麦 16 的 N2
处理,从追氮前的 30郾 2 kg · hm-2 降低到 17郾 4
kg·hm-2,但由于追氮量过少,不能满足小麦植株生
长的需要,在孕穗和开花期氮亏缺值又逐渐增大到
56 kg·hm-2;适宜氮肥处理下,小麦氮亏缺值从返
青到开花在 0 附近波动,说明此时的小麦植株氮营
养状况最佳,施氮量最适宜;高氮处理的小麦氮亏缺
值为负值,说明施氮水平过高,引起了氮素积累过
量,而且随着生育进程氮积累逐渐增加.
摇 摇 从返青到开花期间,小麦氮营养指数与氮亏缺
值呈负相关(图 5),当氮营养指数从 0郾 5 到 1 时,扬
麦 16 需要积累 93郾 15 kg·hm-2氮素,宁麦 13 需要
积累 76郾 41 kg·hm-2氮素,说明扬麦 16 需要比宁麦
13 积累更多的氮才能满足正常生长的需要.通过简
单线性分组分析显示(表 3),同一品种小麦地上部
氮亏缺值在不同年份之间差异不显著,但不同品种
之间差异显著,因此,本文按照品种类型来拟合小麦
氮亏缺模型:
表 3摇 小麦地上部氮亏缺值分组线性分析
Table 3 摇 Simple grouping linear analysis of accumulative
nitrogen deficit of the aboveground wheat
项目 Item df MS F
品种
Variety
1 257 2郾 54ns
年份
Year
1 66郾 4 0郾 66ns
氮营养指数伊品种
NNI伊variety
1 1991郾 9 19郾 27***
氮营养指数伊年份
NNI伊year
1 371郾 7 3郾 68ns
残差
Residual
138 101 4郾 26
*** P<0郾 001郾
541311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 赵摇 犇等: 基于临界氮浓度的小麦地上部氮亏缺模型摇 摇 摇 摇 摇
图 4摇 小麦氮亏缺值的动态变化
Fig. 4摇 Dynamics of the accumulative nitrogen deficit for wheat (2009-2011)郾
图 5摇 小麦氮营养指数与氮亏缺值的定量关系
Fig. 5 摇 Quantitative relationship between nitrogen nutrition in鄄
dex and accumulative nitrogen deficit for wheat郾
摇 摇 扬麦 16:
Nand = -186郾 29NNI+192郾 27,R2 =0郾 94 (12)
宁麦 13:
Nand = -152郾 81NNI+158郾 9,R2 =0郾 94 (13)
2郾 5摇 小麦地上部植株氮营养指数和氮积累亏缺模
型检验
利用式(6)计算得出宁麦 9 号(蛋白质含量为
10郾 6% )临界氮浓度稀释模型参数 a 为 4郾 28,其临
界氮浓度稀释模型为 Ncnc = 4郾 28DM-0郾 44,在此基础
上建 立 宁 麦 9 号 氮 营 养 指 数 [ NNI = Na /
(4郾 28DM-0郾 44)]和氮亏缺模型(Nand = 42郾 8DM-0郾 44 -
Nna),利用上述模型对宁麦 9 号的不同氮肥处理植
株含氮量进行诊断验证,结果表明,N2 水平(180
kg·hm-2)下氮营养指数在 0郾 9 ~ 1郾 08(在 1 附近),
氮亏缺值为-11郾 79 ~6郾 46 kg·hm-2(接近0)(图6),
图 6摇 宁麦 9号氮营养指数和氮亏缺值动态变化(2007—2008)
Fig. 6摇 Dynamics of the accumulative nitrogen deficit and nitro鄄
gen nutrition index for Ningmai 9 from 2007 to 2008郾
6413 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
说明 N2 施氮水平比较适宜,这与陆增跟等[18]、王曙
光等[19]、朱新开等[20] 对宁麦 9 号适宜施氮量
(170 ~ 225 kg·hm-2)的研究结果相仿.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 小麦临界氮浓度稀释模型
作物氮浓度稀释现象发生主要由生长发育的 2
个过程所致:其一是叶片的相互遮阴,其二是生长过
程中叶片与茎秆干物质之比的变化[21-22] . Lemaire
等[5]根据这种现象提出了临界氮浓度稀释模型,定
义为当地上部干物质达到最大值时作物体内的最小
氮浓度.近年来许多学者构建了不同作物的临界氮
浓度稀释模型,Justes 等[11]建立了高蛋白小麦临界
氮浓度稀释曲线模型(Ncnc = 5郾 35DM-0郾 44),Colnenne
等[7] 建 立 了 冬 油 菜 的 曲 线 模 型 ( Ncnc =
4郾 48DM-0郾 25),上述 2 种模型与 Greenwood等[4]所构
建的 C3 和 C4 作物临界氮浓度通用模型结构和形式
一致,但参数不同. Yue 等[12]构建了中国华北平原
的小麦临界氮浓度稀释模型,与 Justes 等[11]所构建
模型的参数差异较大,说明模型参数容易受到不同
环境和品种的影响. 本文利用 2 年的冬小麦试验构
建了不同蛋白类型小麦临界氮浓度稀释模型(扬麦
16:Ncnc =4郾 65DM-0郾 44;宁麦 13:Ncnc = 4郾 33DM-0郾 45),
与 Yue 等[12] 构建的模型参数相近,但与 Justes
等[11]构建模型中参数 a的差异较大,可能是由于选
择的品种不同,Justes等[11]所选品种为高蛋白小麦,
而本文为中蛋白和低蛋白小麦,因为高蛋白小麦根
系比中低蛋白小麦更发达而且活性更强,在生长过
程中能吸收和同化更多的氮[23-26];模型参数 b 值变
化较小,表明气候、土壤和品种对 b的影响较小且稳
定性较好,可以认为 b 是控制模型曲线斜率的统计
参数.
3郾 2摇 小麦氮营养指数变化
Lemaire等[17]基于作物临界氮浓度稀释模型提
出氮营养指数(NNI)的概念,生物学意义合理,能定
量动态描述作物氮营养状况的变化. STICE 和 CE鄄
RES鄄Rape等模型使用氮营养指数确定作物氮营养
状态对其他指标的影响 (光合作用、 叶面积
等) [27-28];也有一些研究者分析了 NNI 与油菜的生
长速率、叶面积指数、氮素利用率和产量的关系,从
而定量诊断因氮营养胁迫对作物各项生长指标造成
的损失[29] .本研究基于 2 年大田试验显示小麦 NNI
一般为 0郾 37 ~ 1郾 28,随着小区施氮量的提高,NNI
值上升,2009—2010 年 N0、N1处理和 2010—2011 年
N0、N1和 N2 处理的 NNI 值小于 1,说明氮肥不足限
制了小麦生长,2009—2010 年 N3、N4 处理和 2010—
2011 年 N4、N5处理的 NNI 值大于 1,说明氮肥过量
对小麦生长不利, 2009—2010 年 N2 处理 ( 150
kg·hm-2) 和 2010—2011 年 N3 处 理 ( 225
kg·hm-2)氮营养指数在 1 附近变化,说明此施氮处
理最适宜.
3郾 3摇 小麦氮亏缺值模型
本文构建的小麦氮亏缺模型(Nand = Ncna -Nna)
由临界氮浓度稀释模型推导而成,结合氮肥利用率
可定量确定小麦返青以后任一生长阶段的施肥量,
其预测精度是依靠于临界氮浓度曲线的可靠性. 利
用氮亏缺模型对 2009—2010 年和 2010—2011 年不
同生育时期的小麦氮素状况进行诊断,发现 N2 处理
(150 kg·hm-2)和 N3 处理(225 kg·hm-2)的氮亏
缺值在 0 附近波动,说明此施氮处理比较适宜,与氮
营养指数诊断结果相同. 本文利用独立年份试验资
料对上述模型进行诊断和验证,建立了宁麦 9 号的
临界氮浓度稀释模型、氮营养指数和氮亏缺模型,表
明模型能够较好地诊断宁麦 9 号植株氮含量状况.
4摇 结摇 摇 论
本文依据 2 年大田试验资料,建立了小麦地上
部临界氮浓度稀释曲线模型 (扬麦 16: N =
4郾 65DM-0郾 44;宁麦 13:N = 4郾 33DM-0郾 45),结果表明:
不同小麦品种模型的曲线斜率参数 b 值相同,表明
土壤、气候等环境因子对曲线斜率 b 无影响,参数 a
值有差别,说明蛋白质含量对模型参数有影响,因
此,不同蛋白含量的小麦有其独立的氮浓度稀释曲
线.本文所建立的临界氮浓度稀释曲线模型具有明
确的生物学意义,可以用来诊断小麦的氮素营养状
况.基于临界氮稀释曲线模型,构建了氮营养指数模
型和氮亏缺模型,并利用独立试验资料对小麦地上
部干物质临界氮浓度稀释曲线模型、氮营养指数模
型和氮亏缺模型进行验证和测试,结果表现较好,表
明模型具有一定的预测性和准确性,利用本研究结
果可以准确诊断小麦的氮素营养,有助于提高小麦
生产的精确管理水平.需要指出,虽然本研究结果是
仅基于 3 年的大田试验资料获得,但今后若能通过
不同生态点的试验资料广泛检验并不断完善,将有
助于实现模型估测精度和普适性的有效统一,更好
地应用于不同环境下不同品种类型的小麦氮素营养
的精确监测诊断和高效调控管理.
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作者简介摇 赵摇 犇,男,1985 年生,博士研究生.主要从事作
物系统模拟研究. E鄄mail: 2009203003@ njau. edu. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
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