华中区域直播冬油菜临界氮浓度稀释曲线的建立与应用

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刘秋霞, 任涛, 张亚伟, 廖世鹏, 李小坤, 丛日环, 鲁剑巍^,华中农业大学微量元素中心/农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室,武汉 430070

Determination and Application of a Critical Nitrogen Dilution Curve for Direct-Sowing Winter Oilseed Rape in Central China

LIU QiuXia, REN Tao, ZHANG YaWei, LIAO ShiPeng, LI XiaoKun, CONG RiHuan, LU JianWei^,Microelement Research Center, Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Arable Land Conservation (Middle and Lower Reaches of Yangtse River), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Wuhan 430070

通讯作者: 鲁剑巍,E-mail：lunm@mail.hzau.edu.cn

收稿日期:2019-02-25接受日期:2019-03-21网络出版日期:2019-08-16

基金资助:

国家重点研发计划项目.2018YFD0200900
油菜产业技术体系建设专项.CARS-12
中央高校基本科研业务费专项基金.2662018PY077

Received:2019-02-25Accepted:2019-03-21Online:2019-08-16
作者简介 About authors
刘秋霞,E-mail：liuqiuxia@webmail.hzau.edu.cn。

摘要
【目的】明确华中区域直播冬油菜的氮素稀释曲线模型及其适用性,探讨以氮素营养指数评价油菜氮素营养状况的可行性。【方法】通过2015—2016和2016—2017两个年度设置的不同氮肥用量（2015—2016年度氮肥用量为0、60、120、180和240 kg N·hm ^-2,2016—2017年度氮肥用量为0、60、120、180、240、300和360 kg N·hm ^-2）的田间试验,研究不同氮肥用量下从苗期到花期油菜各生育时期地上部生物量和植株氮素含量变化,建立直播冬油菜地上部临界氮素浓度稀释曲线模型。并利用该模型和植株氮素含量计算氮素营养指数,明确氮肥用量对油菜植株各个时期氮素营养指数的影响,探究油菜产量和氮素营养指数的关系,确定各时期适宜的氮素营养指数。【结果】氮肥施用显著增加油菜地上部生物量和氮素含量,不同氮肥处理间差异显著。直播冬油菜地上部临界氮素浓度和地上部生物量符合幂指数的关系（Ncnc=3.49DM ^-0.26）。该模型可以将独立的两个试验的氮限制和非氮限制组数据区分开,模型拟合的氮素浓度和植株实际氮素浓度线性相关,RMSE和n-RMSE分别为0.37和13%,模型具有较好的稳定性。在试验氮肥用量范围内,各点不同时期氮素营养指数随氮肥用量的增加而增加,且氮素营养指数对氮肥用量的响应与产量相似。氮肥施用显著增加油菜产量,尽管不同试验点直播冬油菜产量对氮肥用量的响应存在差异,但各点相对产量和不同时期的氮素营养指数均呈一元二次曲线关系,各生育时期氮素营养指数可以准确地反映油菜氮素营养状况。直播冬油菜相对产量为1时,越冬期、薹期和花期的氮素营养指数分别为1.35、1.26和1.03。【结论】油菜氮素稀释曲线模型Ncnc=3.49DM ^-0.26和氮营养指数能够评价华中区域直播冬油菜氮素营养状况,用于植株氮素诊断。
关键词： 直播冬油菜;临界氮素稀释曲线;氮营养指数;植株氮素诊断

Abstract

【Objective】This study was conducted to determine the critical nitrogen (N) dilution curve for direct-sowing winter oilseed rape in Central China and its applicability, and the feasibility of N nutrition index (NNI) in evaluating N nutrition status of oilseed rape plant. 【Method】 Field experiments during 2015-2016 and 2016-2017 were conducted with different N application rates, including 0, 60, 120, 180 and 240 kg N·hm ^-2 during 2015-2016, and 0, 60, 120, 180, 240, 300 and 360 kg N·hm ^-2 during 2016-2017. The shoot dry matter and N concentration from seedling to flowering were studied. The model of the critical N concentration dilution curve of the shoot dry matter of direct-sowing winter oilseed rape was established. The NNI was calculated by using the model and plant shoot N concentration. The effects of N application rates on NNI at various stages were determined. The relationship between oilseed rape yield and NNI was investigated to determine the appropriate NNI in each period.【Result】Results showed that the N application significantly increased shoot dry matter and N concentration, and the difference between different N treatments was remarkable. The relationship between the shoot critical N concentration and shoot dry matter could be described by a power equation (N_cnc=3.49DM ^-0.26). This model could distinguish between N-limited and non-N limited group data from two independent experiments. The simulated N concentration was linearly correlated with the shoot actual N concentration, with the RMSE and n-RMSE of 0.37% and 13%, respectively, showing better stability of the model. The NNI increased as the N application rate increased within the range of the application rates in the study, and the response of NNI to N application rate was similar to the yield. The N application increased the seed yield significantly. Although there were differences in the response of N fertilizers to seed yield at varying experimental sites, the relative yield was closely related with the NNI of each experimental site. The NNI with the relative yield of 1 at the over-wintering, stem elongation and flowering stage were 1.35, 1.26 and 1.03, respectively. 【Conclusion】 The critical N concentration dilution curve N_cnc=3.49DM ^-0.26 was established, and the NNI could be used to evaluate plant N status and diagnose the N status of direct-sowing winter oilseed rape in Central China.

Keywords：direct-sowing winter oilseed rape;critical nitrogen dilution curve;nitrogen nutrition index;plant nitrogen diagnosis

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本文引用格式
刘秋霞, 任涛, 张亚伟, 廖世鹏, 李小坤, 丛日环, 鲁剑巍. 华中区域直播冬油菜临界氮浓度稀释曲线的建立与应用[J]. 中国农业科学, 2019, 52(16): 2835-2844 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.16.009
LIU QiuXia, REN Tao, ZHANG YaWei, LIAO ShiPeng, LI XiaoKun, CONG RiHuan, LU JianWei. Determination and Application of a Critical Nitrogen Dilution Curve for Direct-Sowing Winter Oilseed Rape in Central China[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2019, 52(16): 2835-2844 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.16.009

0 引言

【研究意义】油菜是我国重要的油料作物,以冬油菜种植为主,主要分布于长江流域^[1],其中华中区域是冬油菜的重要产区。随着农村劳动力结构改变,油菜种植逐渐由移栽转为直播。农田土壤氮素缺乏是冬油菜产量的重要限制因子,合理施用氮肥能明显提高冬油菜的产量^[2,3]。由于氮的性质比较活跃,在土壤中的转化途径多,因此氮肥管理一直是作物养分管理中的重点和难点^[4,5]。由于缺乏明确的氮素营养诊断指标,难以准确判断油菜植株氮素营养状况,生产中施氮不合理的现象常常发生,调查表明,长江流域冬油菜主产区有1/3农户存在施肥不足或过量的现象^[6],限制了冬油菜产量和氮肥利用率提高。通过植物氮素诊断来精确追肥是作物氮素养分管理的重要方法之一^[7],其核心在于确定作物的临界氮浓度。所谓的临界氮浓度是指作物达到最大干物质所需要的最低氮浓度^[8]。在作物生长的过程中,作物体内的临界氮浓度会随着生物量的增加而降低,两者间存在幂指数关系（N=a DM^-b）^[9,10,11]。【前人研究进展】国内外****已在多个不同作物上建立了地上部临界氮浓度稀释曲线模型,如水稻^[12],小麦^[13]、玉米^[14]、棉花^[15]等,其氮素稀释曲线模型分别是N_c=3.53 DM^-0.28,N_c=4.15 DM^-0.38,N_c=3.49 DM^-0.4134和N_c=3.91 DM^-0.24,并利用这些模型对作物的氮素营养状况进行诊断,为合理施用氮肥提供了理论依据。【本研究切入点】作物不同其临界氮浓度稀释曲线不相同,建立不同作物的临界氮浓度稀释曲线有助于判断具体作物在不同生长阶段的氮素丰缺状况。因此明确直播冬油菜不同生育阶段的临界氮浓度对于科学诊断植株氮营养状况,实现直播冬油菜氮肥合理施肥具有重要的作用。【拟解决的关键问题】本研究通过两年的田间试验,构建华中区域直播冬油菜的临界氮素浓度稀释曲线,同时利用氮素营养指数评估直播冬油菜氮素营养状况,以期为冬油菜合理氮肥施用、氮素营养诊断和氮肥优化管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本研究于2015—2016和2016—2017年在我国冬油菜主产区进行,共包括6个冬油菜田间试验,涉及不同地点、年份和品种。2015—2016年各试验点氮肥用量为0、60、120、180和240 kg N·hm^-2,2016—2017年各试验点氮肥用量为0、60、120、180、240、300和360 kg N·hm^-2,各田间试验信息见表1。不同处理的磷、钾和硼肥用量均相同,分别为90 kg P₂O₅·hm^-2、120 kg K₂O·hm^-2和15 kg硼砂·hm^-2。氮肥按照50%基肥+20%提苗肥+15%越冬肥+15%薹肥施用,磷、钾和硼肥均一次性基施,基施肥料撒于地表,用旋耕机将肥料与耕层土壤混匀。油菜于9月下旬到10月中旬播种,播种量均为6.0 kg·hm^-2,在基肥与土壤混匀后均匀撒播。试验2油菜品种为荣华油5号,其余试验油菜品种均为华油杂62。小区的面积为20 m²,3次重复,完全随机区组排列。

Table 1
表1
表1田间试验情况
Table 1Characteristics of the ?eld experiments conducted in this study

试验编号 No.	试验年份 Experimental year	试验地点 Experimental site	土壤基础理化性质 Basic physical and chemical properties of soil	取样时期 Sampling stage
1	2015-2016	沙洋 Shayang	pH 5.6	苗期 Seedling stage
		沙洋 Shayang	有机质Soil organic matter：18.26 g·kg^-1	越冬期 Over wintering
			全氮 Total N：0.98 g·kg^-1	薹期 Stem elongation
			速效磷 Available P：14.7 mg·kg^-1	花期 Flowering stage
			速效钾Available K：57.8 mg·kg^-1
			有效硼Available B：0.31 mg·kg^-1
2	2015-2016	肥东 Feidong	pH 6.2	苗期Seedling stage
		肥东 Feidong	有机质Soil organic matter：21.38 g·kg^-1	越冬期Over wintering
			全氮Total N：1.17 g·kg^-1	花期Flowering stage
			速效磷Available P：45.9 mg kg^-1
			速效钾Available K：145.0 mg·kg^-1
			有效硼Available B：0.26 mg·kg^-1
3	2015-2016	武汉 Wuhan	pH 6.2	苗期Seedling stage
		武汉 Wuhan	有机质Soil organic matter：11.91 g·kg^-1	越冬期Over wintering
			全氮Total N：0.84 g·kg^-1	薹期Stem elongation
			速效磷Available P：10.8 mg·kg^-1	花期Flowering stage
			速效钾Available K：134.0 mg·kg^-1
			有效硼Available B：0.24 mg·kg^-1
4	2015-2016	襄阳 Xiangyang	pH 6.2	越冬期Over wintering
		襄阳 Xiangyang	有机质Soil organic matter：16.81 g·kg^-1	薹期Stem elongation
			全氮Total N：1.04 g·kg^-1	花期Flowering stage
			速效磷Available P：39.6 mg·kg^-1
			速效钾Available K：147.6 mg·kg^-1
			有效硼Available B：0.45 mg·kg^-1
5	2016-2017	武汉 Wuihan	pH 6.4	苗期Seedling stage
		武汉 Wuihan	有机质Soil organic matter：16.53 g·kg^-1	越冬期Over wintering
			全氮Total N：1.26 g·kg^-1	薹期Stem elongation
			速效磷Available P：8.3 mg·kg^-1	花期Flowering stage
			速效钾Available K：173.7 mg·kg^-1
			有效硼Available B：0.49 mg·kg^-1
6	2016-2017	沙洋 Shayang	pH 5.8	苗期Seedling stage
		沙洋 Shayang	有机质Soil organic matter：15.77 g·kg^-1	越冬期Over wintering
			全氮Total N：1.01 g·kg^-1	薹期Stem elongation
			速效磷Available P：7.0 mg·kg^-1	花期Flowering stage
			速效钾Available K：106.6 mg·kg^-1
			有效硼Available B：0.68 mg·kg^-1

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1.2 油菜植株氮含量的测定和产量收获

于苗期至花期期间在每个小区选择有代表性的油菜0.36 m²（各点具体取样时期见表1）,将取回的油菜植株用去离子水洗净,分器官于105℃杀青30 min,60℃恒温烘干称重。磨细过0.5 mm筛采用H₂SO₄-H₂O₂联合消煮-连续流动分析仪测定冬油菜地上部不同器官的全氮含量。各部位氮积累量（kg N·hm^-2）=各部位氮含量（%）×各部位干物质（kg·hm^-2）,各部位氮积累量相加得到油菜地上部氮积累量,植株地上部氮含量（%）=地上部氮积累量（kg N·hm^-2）/地上部干物质（kg·hm^-2）。油菜成熟后,每个小区收获10 m²植株样,脱粒风干称重。各小区单独收获,单独计产。

1.3 模型的描述

1.3.1 冬油菜临界氮浓度稀释曲线参考JUSTES等^[11]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,其地上部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。油菜临界氮浓度稀释曲线模型为：

（1）N_cnc=aDM^-b

式中：N_cnc为油菜地上部分的临界氮浓度值（%）;DM为油菜地上部干物质积累量（t·hm^-2）;a、b为参数,a为地上干物质为1 t·hm^-2时临界氮浓度值,b为控制此曲线斜率的统计参数,表示相对干物质积累速率和相对氮含量积累速率的比值。

6个试验中利用2015—2016年度沙洋和肥东试验点及2016—2017年度武汉和沙洋试验点,即试验1、2、5和6两年共4个点的数据构建冬油菜临界氮浓度稀释曲线,利用试验3和4进行模型的验证。

模型的验证采用国际通用的回归估计标准误差均方根误差RMSE和标准化均方根误差n-RMSE^[16,17]以及通过模拟值与实测值之间1﹕1直方图来检测模型的拟合度和可靠性。RMSE和n-RMSE的计算公式分别为：

(2)RMSD=$\sqrt{\frac{\sum\nolimits_{\text{i=1}}^{\text{n}}{{{\text{(}{{\text{S}}_{\text{i}}}\text{-}{{\text{A}}_{\text{i}}}\text{)}}^{\text{2}}}}}{\text{n}}}$

(3)n-RMSE=$\frac{\text{RMSE}}{\text{M}}$

式中,S_i和A_i分别表示模拟值和实测值,n为数据量,M为实测值的平均值。1.3.2 氮素营养指数模型的构建氮营养指数通常被用来定量评估作物体内的氮素状况^[18],可用公式（4）来表示：

（4） NNI=$\frac{{{\text{N}}_{\text{a}}}}{{{\text{N}}_{\text{c}}}}$

式中,NNI（nitrogen nutrition index）为氮素营养指数,N_a为油菜地上部氮浓度的实测值（%）,N_c为根据临界氮浓度稀释曲线求得在相同地上部生物量时临界氮浓度值（%）。若NNI=1,表明作物体内氮素营养状况适宜,NNI>1,说明氮营养过剩,NNI<1则表示氮营养不足。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2017进行标准化处理,采用Origin 8.0软件进行油菜地上部氮素稀释曲线拟合和相对产量与氮素营养指数关系拟合,并作图,采用SPSS 18.0统计软件进行单因素方差分析和显著性检验（LSD,P <0.05）。

2 结果

2.1 冬油菜临界氮素稀释曲线的构建

随着作物的生长,冬油菜地上部氮含量呈降低的趋势,地上部生物量呈增加的趋势。氮肥施用显著影响直播冬油菜地上部生物量和氮素含量,地上部生物量随氮肥用量增加,先增加,不同试验点在氮肥用量增加至120—300 kg N·hm^-2后保持不变;地上部氮素含量随氮肥用量增加而增加。充足的氮素供应保证了冬油菜的正常生长。我们利用试验1、2、5和6两年4个试验点构建冬油菜临界氮素稀释曲线。随地上部生物量的增加,冬油菜临界氮浓度呈逐渐下降的趋势（图1）。确定冬油菜临界氮素稀释曲线为N_cnc= 3.49DM^-0.26,R²=0.634。

图1

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图1直播冬油菜地上部临界氮素稀释曲线

Fig. 1Nitrogen concentration dilution curve aboveground of direct-sowing winter oilseed rape

2.2 临界氮浓度稀释曲线模型的验证

利用独立的试验3和4进行油菜氮素浓度稀释曲线的验证,由图2-A可知,通过4个独立试验建立的直播冬油菜氮素稀释曲线可以很好地将氮限制和非氮限制组数据区分开。根据模型拟合的临界氮素浓度和实测氮素浓度显著线性相关,模型拟合均方根误差RMSE为0.37,标准化均方根误差n-RMSE为13%,稳定度较高,表明本研究建立的油菜临界氮浓度稀释曲线模型可用于直播冬油菜的临界氮素浓度计算。

图2

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图2临界氮浓度稀释曲线的验证

Fig. 2Validation of critical nitrogen dilution curve with an independent data

2.3 氮肥用量对氮素营养指数的影响

氮素营养指数通常被用来定量评估植株体内的氮素状况。由图3可知,随着施氮水平的提高,各生育时期氮营养指数不断上升。各试验点（试验2除外）氮肥用量为180—240 kg N·hm^-2时,苗期、越冬期、薹期和花期的氮素营养指数在1.0附近变化,指示氮素营养适宜;而氮肥用量小于180 kg N·hm^-2处理氮素营养指数小于1,指示氮素营养处于亏缺状态,大于240 kg N·hm^-2处理氮素营养指数大于1,氮素营养过量。试验2在氮肥用量为120 kg N·hm^-2时各时期氮素营养指数在1.0附近,小于和大于120 kg N·hm^-2时氮素营养指数分别明显小于和大于1。从产量结果（表2）来看,试验2（肥东试验点）氮肥用量达120 kg N·hm^-2后各处理间产量并无明显差异,其余试验点则是在氮肥用量达180—240 kg N·hm^-2时达到较高产量水平。根据直播冬油菜临界氮素稀释曲线确定的氮素营养指数对不同氮肥用量的响应与产量相似。

图3

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图3氮肥用量对直播冬油菜氮营养指数的影响

Fig. 3Effects of N application rate on nitrogen nutrition index (NNI) of direct-sowing winter oilseed rape

Table 2
表2
表2不同试验点氮肥用量对直播冬油菜产量的影响
Table 2Effects of nitrogen application rate on seed yield of direct-sowing winter oilseed rape

氮肥用量 N rate (kg N·hm^-2)	Experimental No.1		Experimental No.2		Experimental No.5		Experimental No.6
氮肥用量 N rate (kg N·hm^-2)	产量 Yield (t·hm^-2)	相对产量 Relative yield	产量 Yield (t·hm^-2)	相对产量 Relative yield	产量 Yield (t·hm^-2)	相对产量 Relative yield	产量 Yield (t·hm^-2)	相对产量 Relative yield
0	0.32 e	0.08	0.73 c	0.33	0.14 e	0.05	0.35 f	0.13
60	1.13 d	0.30	1.32 b	0.60	0.90 d	0.34	1.04 e	0.38
120	2.41 c	0.64	2.21 a	1.00	1.42 d	0.53	1.54 d	0.56
180	3.04 b	0.80	2.48 a	1.12	1.96 c	0.74	2.03 c	0.74
240	3.79 a	1.00	2.39 a	1.08	2.39 b	0.90	2.41 b	0.87
300					2.66 ab	1.00	2.75 a	1.00
360					2.87 a	1.08	2.96 a	1.08

The same letter in the same column means no significant differences among different treatments (P <0.05). The same as below
同一列相同字母表示处理间差异不显著（P <0.05）。下同

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2.4 氮营养指数与油菜产量的关系

油菜相对产量随氮素营养指数的增加呈一元二次曲线增加（图4）。其中,苗期的二次项系数最大,相对产量随苗期氮素营养指数的增加近乎线性增加。苗期、越冬期、薹期和花期相对产量为1时的氮素营养指数分别为1.18、1.35、1.26和1.03。继续提高各时期的氮素营养指数,除苗期外,各时期下对应的相对产量基本不再增加,而苗期下对应的相对产量继续增加,适当地提高苗期的氮素营养指数对于获得高产具有重要的作用。

图4

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图4不同生育时期氮素营养指数和直播冬油菜相对产量的关系

Fig. 4The relationship between seed yield and nitrogen nutrition index in the different growth stage of direct-sowing winter oilseed rape

3 讨论

3.1 氮素稀释曲线模型的适用性

GREENWOOD等^[10]确定了C₃和C₄作物的临界氮浓度与地上部生物量的通用模型（C₃：N_c=5.7DM^-0.5;C₄：N_c=4.1DM^-0.5）,但随后人们发现通用模型并不能适用于所有的作物,不同作物氮素稀释曲线模型并不相同,国内外****针对不同作物的临界氮素稀释曲线开展了大量研究。然而我们发现区域差异会影响氮素稀释曲线模型的适用性,本研究建立的华中区域直播冬油菜氮素稀释曲线与利用欧洲的多个试验构建的冬油菜的氮素稀释曲线（N_c=4.48 DM^-0.25）^[19]模型参数不同。尽管SHEEHY等^[20]指出水稻地上部临界氮浓度和生物量之间的关系并不受区域环境的影响,但是在不同区域种植水稻其临界氮浓度稀释曲线模型的参数b存在差异。对比国内和国外构建的小麦^[11,13]和玉米^[14,21]氮素稀释曲线模型,不同区域构建的模型参数a和b均差异较大,可见地上部临界氮浓度和生物量之间的关系受到区域环境的影响,因此,氮素稀释曲线模型除因作物不同外,适用范围也应将区域差异考虑在内。

与欧洲冬油菜生长环境不同,我国冬油菜的生育期相对较短,生育期内的温度较高,冬油菜的干物质和氮素积累存在明显差异^[22,23]。我们利用4个大田试验,综合两个年度两个品种的数据构建了华中区域直播冬油菜地上部临界氮浓度稀释曲线模型。本研究中2015—2016年度数据拟合结果为N_cnc= 3.74DM^-0.26,R²=0.732^**;2016—2017年度数据拟合结果为N_cnc=3.30DM^-0.26,R²=0.570^**,不同年度间的油菜临界氮素浓度拟合曲线趋势基本一致,且均在综合拟合结果95%置信区域内（具体结果未在本文中呈现）,试验年度差异对模型构建稳定性的影响较小。赵犇等^[24]研究表明临界氮浓度稀释模型在不同年份之间保持稳定。本研究中两个油菜品种的临界氮素浓度符合同一稀释曲线,YAO、吕茹洁等^[25,26]也发现相同类型不同品种水稻之间的临界氮浓度变化曲线方程参数无统计差异,前人构建方程也会考虑综合不同品种^[20,25-27],提高模型的实用性。因此我们将不同品种合并进行拟合。比较本研究和COLNENNE等^[19]所建立的冬油菜模型参数,参数b相近,但是生物量为1 t·hm^-2时的临界氮浓度存在明显差异,形成相同生物量欧洲的冬油菜往往需要较高的临界氮浓度,而在华中区域临界氮浓度则相对较低,这可能与两个区域的冬油菜生长特性和土壤供氮能力密切相关。欧洲土壤基础供氮能力高,尽管欧洲冬油菜苗期（秋冬季）生长较为缓慢,但其苗期氮素吸收也超过100 kg N·hm^-2[23,28],进入春季后欧洲的冬油菜进入快速生长时期,追施氮肥,维持较高的土壤氮素供应水平,其干物质积累和氮素吸收明显增加^[23]。而我国冬季生长季温度高,油菜生长快速,需要提供充足且持续的氮素供应,在我国冬油菜主产区不施氮处理油菜产量仅能达到施氮处理的57.5%^[29],土壤供氮能力低,因此可能导致形成相同的生物量长江流域冬油菜的临界浓度较低。

当植株较小时,生物量低,植株氮素浓度高,个体间相互独立,互不遮挡,植株地上部氮素含量和生物量并不满足幂函数的经验方程。因此植株生物量较低时,其临界氮素浓度常被认为是常数值。为明确直播冬油菜临界氮素浓度的常数值,试验5在油菜3—4叶期（即将封行,播种后40 d左右）进行取样,氮素浓度变幅分别为3.52%—4.49%,地上部干物质量为0.04—0.33 t·hm^-2。临界氮浓度常数值的计算为非氮限制组的地上部氮素浓度的均值和氮限制组最大地上部氮素浓度的最大值的平均值。非氮限制组的地上部氮素浓度的均值为4.43%,氮限制组最大地上部氮素浓度的最大值为4.31%,试验的平均值为4.37%。临界氮浓度常数值与氮素稀释曲线的交点,明确了直播冬油菜氮素稀释曲线的适用的最小地上部干物质为0.42 t·hm^-2。COLNENNE等^[19]在室内营养液培养条件得出油菜前期生物量较低时（3—6叶期）的临界氮素浓度为4.63%,指出地上部生物量大于0.88 t·hm^-2时,冬油菜氮素稀释曲线适用。当临界氮素浓度为4.63%,根据本研究建立的氮素稀释曲线模型,得出最小生物量为0.34 t·hm^-2。由于油菜的养分吸收利用和生长发育一定程度上会受到环境条件的影响,因此我们建议当生物量大于0.42 t·hm^-2时,直播冬油菜氮素稀释曲线可以应用,当生物量为0.34—0.42 t·hm^-2时视具体的生长环境有一定的适用性。

冬油菜主产区的长江流域因气候、土壤、地形、轮作制度等差异,不同区域油菜产量不同^[30],影响物质积累过程;我国春油菜土壤、气候和种植条件与冬油菜相比明显不同,氮素吸收和物质积累规律存在差异^{[22, 31]},因此,本研究中基于华中区域建立的直播冬油菜氮素稀释曲线模型不一定适用于其他油菜种植区域,因此在今后工作仍需要探索不同区域环境条件对菜临界氮浓度稀释曲线模型参数产生的影响,构建适合不同区域的油菜临界氮素稀释曲线模型。

3.2 氮素营养指数对油菜氮肥管理的意义

本研究根据冬油菜临界氮素稀释曲线确定了各时期的临界氮素浓度,评估了不同氮肥处理下各时期的氮素营养指数,各时期的氮素营养指数和各处理的相对产量表现出良好的相关性,说明本研究中确定的临界氮素稀释曲线模型可以用于评价冬油菜的氮素营养状况,这与其他作物上的研究结果类似^{[12,13,14,15]}。通常研究认为植株氮素营养指数在1.0左右比较适宜的,但是适当的增加植物体内的氮素营养状况有利于改善植株的生长,提高作物的抗逆性^[32],尤其是对于油菜这种冬季生长的作物,适当的提高植株体内的氮浓度有利于提高作物的存活率^[33]。

本研究中确定越冬期、薹期和花期适宜的氮素营养指数分别为1.35、1.26和1.03。对于苗期,油菜相对产量随氮素营养指数的增加近乎线性增加,适当地提高苗期的氮素营养指数有助于获得高产。苗期充足的氮素营养有利于油菜产量的形成,但如果过高的氮肥投入可能会增加氮素损失。越冬期和薹期是油菜氮肥追施的关键时期,至油菜花期追施氮肥,产量的调控潜力并不大。油菜苗期的物质积累是油菜后期生长发育的基础,关注苗期的氮肥管理的同时,也要加强苗期后氮素营养的及时补充,采用氮素营养指数指导越冬期和薹期的氮肥追施,维持植株充足的氮素供应,对直播冬油菜高产十分关键。

4 结论

本研究确定的冬油菜的临界氮素稀释曲线（N_cnc= 3.49DM^-0.26）作为华中区域直播冬油菜植株地上部生物量和氮浓度之间的关系模型,可以预测油菜临界氮含量,评价各生育时期油菜植株氮素营养状况。临界氮素稀释曲线模型的适用受到区域差异的影响。华中区域直播冬油菜越冬期、薹期和花期的最佳氮素营养指数分别是1.35、1.26和1.03。利用冬油菜临界氮素稀释曲线能准确诊断冬油菜的氮素营养状况,有利于提高冬油菜的氮素管理水平。

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【目的】分析当前生产条件下长江流域冬油菜施氮增产效应及氮肥利用率,为冬油菜进一步增产和提高氮肥利用率提供依据。【方法】总结2004—2006年在长江流域10个省的73个油菜肥效田间试验数据,通过增产量、增产率、偏生产力、农学效率、生理利用率及表观利用率等指标分析长江流域冬油菜施氮增产效应及氮肥利用率。【结果】长江流域油菜施氮增产效果显著,当氮肥用量为180 kg?hm-2 时,平均增产油菜籽1 109 kg?hm-2,增产率为71.7%,地上部生物总量增加72.7%,但施氮对油菜收获指数无明显影响;施氮处理收获期地上部氮、磷和钾养分吸收量分别比不施氮处理增加90.0%、55.4%和59.8%,氮素收获指数随氮肥的施用而明显下降,磷及钾素收获指数则呈现上升趋势;氮肥偏生产力、农学效率、生理利用率及表观利用率分别为14.7 kg?kg-1、6.2 kg?kg-1、18.5 kg?kg-1和34.6%。【结论】在磷、钾及硼肥基础上施用氮肥,能明显提高油菜地上部生物量及氮、磷、钾养分吸收量,从而显著增加了油菜籽产量;油菜生产的氮肥利用率还不高,改进技术措施提高利用率的空间还很大。

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为探讨与稻茬免耕油菜栽培模式相配套的氮肥运筹技术，实现轻简高效栽培，于2006—2010年以华杂9号油菜品种为材料，在稻茬免耕栽培模式下分别设计小区试验，研究不同的氮肥追肥处理、氮肥基肥与追肥比例及不同氮肥用量对免耕直播和移栽油菜农艺性状及小区产量的影响。结果表明：(1)在不同底肥条件下，如采用一次追肥模式，免耕油菜均以薹肥的施用效果最好；(2)采用二次追肥模式，当底肥偏低时，免耕油菜以薹肥及花肥的配合施用效果较好，当底肥较高时，则以蜡肥及薹肥的配合施用效果较好；(3)在不同供氮条件下，免耕移栽及直播油菜基肥与追肥比例均以5∶5效果较好；(4)采用上述氮肥运筹模式，可显著降低免耕移栽及直播油菜的氮肥用量、提高油菜产量。

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叶绿素计(SPAD-502)在监测水稻氮素营养水平和及时提供追肥所需的信息方面有快速、简便、无损的特点,但其精度常受多种因素的影响。本文分析了影响利用SPAD-502叶绿素计诊断水稻氮素营养和推荐追肥精度的水稻品种、生育时期、测定叶位、测定叶片的位点、生态环境等因素。并综述了通过量化SPAD读数与氮的关系,提高诊断水稻氮素营养精度;通过量化SPAD读数与追肥关系,提高SPAD-502叶绿素计诊断法推荐施肥精度的研究现状;提出进一步提高利用SPAD-502叶绿素计诊断水稻氮素营养状况与推荐追肥精度尚需解决的几个问题。

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为了验证玉米临界氮稀释曲线在我国华北地区的适用性，探讨以氮营养指数评价玉米氮营养状况的可行性，以郑单958为材料，设置5个氮肥处理(0、60、120、180和240 kg N hm-2)，利用2年定位试验数据研究了夏玉米临界氮稀释曲线和氮营养指数。结果表明，一定范围内随着施氮量增加，地上部生物量(W)显著增长。玉米各生育时期不同氮肥处理的生物量和氮浓度数据可经统计分析分为限氮和非限氮两组，据此计算各生育时期临界氮浓度(Nc)并建立了夏玉米临界氮稀释曲线模型(Nc = 34.914W-0.4134)，模型参数与已有报道具有较好的相似性。根据模型推算的氮营养指数与相对氮累积量、相对地上部生物量和相对产量均具显著相关性。因此，利用临界氮稀释曲线和氮营养指数可以预测华北地区夏玉米植株临界氮含量和表征植株氮营养状况。

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为优化当季和下季作物的养分管理，采用田间试验研究了冬油菜品种：华双5号与中油杂12号叶片的干物质及氮、磷、钾的积累及转移规律，并比较了品种间的异同。结果表明，两个油菜品种的绿叶干物质量在苗后期基本达最大值，花后期迅速降低；苗期的落叶干物质量较小，蕾薹期后直线增加；叶片总干物质先增后减，花期达最大值。中油杂12号的落叶及叶片总干物质均高于华双5号，差异随生育期的推进逐渐明显。绿叶氮含量出苗后逐渐降低，后因越冬肥的施用又略有升高，蕾薹期后便迅速下降；落叶氮含量持续降低，苗后期降至最低点，其后一直保持稳定。绿叶磷含量在苗期缓慢增加，蕾薹期达到最大值，而后迅速下降；苗期落叶的磷含量逐渐降低，蕾薹期降至最低值，角果期后又略有升高。出苗50d后绿叶钾含量快速下降，70d达到最低值，其后保持稳定；落叶钾含量在蕾薹期达到最低值，其后波动较大。两品种叶片养分含量的变化趋势相似，但无论绿叶还是落叶，华双5号的养分含量总体略低于中油杂12号。绿叶的养分与叶片总养分积累的变化规律一致，即氮、磷、钾积累量均先增加后降低，分别在蕾薹期、苗后期和花期达到最高值。落叶的养分积累量在抽薹后迅速增加，收获期达最大值。华双5号叶片的干物质、N、P2O5、K2O转移率分别为25.5%、82.9%、75.4%、45.8%；中油杂12号则分别为8.4%、76.0%、60.2%、38.8%，品种间差异显著。

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快速、准确的监测诊断小麦氮营养状态对于评价小麦长势、指导氮肥运筹并预测籽粒产量均具有重要的意义。基于2009-2011年的大田试验,系统分析了小麦上部4张单叶不同叶位的SPAD值和归一化SPAD指数(NDSPADij)与氮营养指数的定量关系,通过简单分组线性回归筛选出在不同年际和不同品种间表现稳定的氮营养指数(NNI)定量方程。结果表明,小麦上部不同叶位SPAD值和NNI随施氮量提高而提高,而NDSPADij随施氮量的提高而降低。小麦单叶SPAD值与NNI的关系呈显著正相关,但这种关系在品种或年份之间不稳定,对小麦氮素诊断存在风险;除NDSPAD12外,NDSPADij与NNI之间呈显著负相关,经简单分组线性分析发现NDSPAD14与NNI之间在年份和品种之间表现最稳定,能够较好的定量估算氮营养指数,从而快速诊断小麦氮素是否亏缺。

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