阶段性减氮色素辣椒临界氮浓度稀释模型应用_王世宁.pdf

书书书北方园艺 （）：研究论文第一作者简介：王世宁（），男，硕士研究生，研究方向为园艺抗逆。：责任作者：吉雪花（），女，博士，副教授，现主要从事蔬菜抗逆及种质创新等研究工作。：基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目（，）。收稿日期：阶段性减氮色素辣椒临界氮浓度稀释模型应用王 世 宁，谢 雪 果，袁雷，沈 凌 峰，夏 亚 辉，吉 雪 花，（特色果蔬栽培生理与种质资源利用兵团重点实验室，新疆 石河子 ；石河子大学 农学院，新疆 石河子 ）摘要：以新疆主栽色素辣椒“红龙 号”为试材，在苗期、坐果期、果实膨大期、果实成熟期分别进行（不施氮）、（足量氮）、（减氮）、（减氮）减氮处理，研究减氮处理对个时期地上部和叶片的生物量和全氮含量的影响，构建模型，并以 （减氮）、（减氮）个处理进行验证应用，确定色素辣椒的氮素临界浓度，以期为新疆地区色素辣椒氮肥精确管理提供参考依据。结果表明：构建的色素辣椒临界氮浓度稀释曲线模型均符合负幂指关系。“红龙 号”辣椒的苗期、坐果期、果实膨大期在 施肥条件下地上部氮含量位于稀释曲线的周围，（氮素营养指数）接近于，辣椒能保持较好的氮素供应水平，说明这个时期在传统氮肥用量的基础上可减少 氮肥；但果实成熟期由于氮素稀释过快，多低于，因此该时期不建议减少氮肥用量。关键词：色素辣椒；生物量；氮含量；氮营养指数；临界氮浓度稀释曲线中图分类号：文献标识码：文章编号：（）据 统计，我国农业生产过程中对化学肥料的依赖率逐渐增加。在实际的农业生产中，为了追求产量而加大对氮肥的施用量，我国的氮肥使用量为 万，是德国施氮量的 倍，法国施氮量的 倍，美国施氮量的 倍。氮素是植物最重要的限制性营养元素。合理的氮素管理方案对植物的高产高效和可持续发展至关重要。目前蔬菜栽培中，过度施肥较为常见，主要体现在氮肥的超用量上。过度施肥不仅显著增加了生产成本，还易造成土地的次生盐渍化，从而使蔬菜硝酸盐超标，品质降低。氮营养指数是判断作物是否缺乏氮素的主要依据，该参数的确定依赖于氮素稀释曲线的构建。研究者在玉米、水稻、小麦 等作物上开展了相关研究，建立了不同的稀释曲线。王新等 确立了新疆地区加工番茄 里格尔 品种的稀释曲线模型为 ；赵薇等 以鲜食番茄 苏粉 号 为试验材料，构建了不同 施 氮 水 平 的 氮 稀 释 曲 线 模 型 为 ；石小虎等 针对不同施氮水平和灌量，构建了番茄品种 丽娜 在充分灌溉和非充分灌 溉 条 件 下 的 氮 稀 释 模 型 分 别 为 和 。前人研究表明氮素稀释曲线因地区和品种及处理方式的不同而不同。随着技术发展，手机数字图像 、光谱、遥感 的氮素诊断技术不断发展，但均需要实测作物体内氮素作为预测的基础。国家 十四五 规划中提出推动农业农村现代化，促进农业高质高效生产，其中农业环境的恶化是影响农业发展的限制因素之一，其中肥料的过量使用严重影响了农业环境。减氮对作物产量、品质、土壤理化性质和农业环境等均有较大的影响。张磊等 研究表明，减氮 和 的番茄，土 壤 碳 累 积 排 放 量 分 别 降 低 了 、。蒲玮等 研究表明减氮 时玉米可增产 。聂胜委等 研究表明减 施 氮 肥 （）和 （）并不会引起小麦的减产和质量降低。色素辣椒是新疆重要的经济作物，其施肥主要参考鲜食辣椒进行，关于氮肥对色素辣椒生长和品质的影响尚不清楚。该研究以个生育期的地上部干质量和氮含量为基础，建立色素辣椒氮素稀释曲线，并对该曲线进行验证，以期确定色素辣椒的氮素临界浓度，从而为新疆地区色素辣椒氮肥精确管理提供参考依据。材料与方法 试验地概况试验地位于新疆生产建设兵团第八师石河子大学农学院试验站。全年日照时长为 ，全年平均温度 ，有效积温 ，无霜期 左右。试验地土壤 有 机 质 含 量 ，碱 解 氮 含 量 ，速效钾含量 ，速效磷含量 。试验材料供试材料为新疆主栽色素辣椒“红龙 号”板椒。试验方法 试验处理试验于 年月进行。试验分为建模区和验证区：建 模 区 分 个 小 区，为 了 避 免 氮 肥侧移，各个小区和不同施氮处理间的辣椒苗用 深 的 铁 皮 隔 开，各 小 区 分 别 在 苗 期（）、坐果期（）、果实膨大期（）和果实成熟期（）进行梯度减氮；即各小区单生育期减氮，其它生育期氮素按 施入。试验期间磷肥（）用量为 ，钾肥（）用量为 ，磷钾肥分次施入，一次是基肥，一次是花期。单个生育期氮素梯度如下：（不施氮）、（足量氮）、（减氮）、（减氮）（表）。各小区每个氮肥处理各定植 穴，每穴株。验证区块于 年月在石河子大学试验站进行，在不 同 发 育 阶段设 （减 氮 ）、（减氮）个处理（表），处理与建模区相同。表色素辣椒单生育期氮肥处理 处理 氮肥用量 （）苗期坐果期果实膨大期果实成熟期 （）模型构建根据 等 提出的临界氮浓度稀释曲线定义，模型为 。式中：为植株临界氮浓度，为植株最大干质量，、为参数，其中为植株地上部干物质量到达时的植株氮浓度，为稀释曲线系数。氮素营养指数（）是指作物地上部植株实际的氮浓度与临界氮浓度的比值，越接近于，表明作物体内氮素营养水平越接近最优状态，时则表明作物氮素营养不足，时，表明作物氮素营养过剩。临界氮浓度的计算采用 等 的方法，主要步骤如下：）对每个时期不同处理的多次采样数据进行单因素方差分析，根据辣椒的生物量是否随施氮量变化，可分为氮限制组和非氮限制组。）对氮限制北方园艺月月（上上）组用生物量与氮含量进行线性拟合，对非氮限制组用生物量的平均值做垂线，交点即为每个取样日的临界氮浓度。项目测定每处理施氮后第 天随机选取株辣椒测定地上部的生物量（茎叶果分别取样）和氮浓度。同时，根据叶层高度，划分上中下层叶分别取样放置。样品 下杀青 ，然后在 恒温烘干至恒质量，称质量后粉碎，装入自封袋，然后用 全自动凯氏定氮仪进行植株各部位全氮含量的测定。地上部氮浓度：（）。式中：为茎干质量，为茎氮浓度，为叶干质量，为叶氮浓度，为辣椒果实干质量，为果实氮浓度，为地上部生物量。数据分析采用 和 软件对数据进行统计分析，使用最小显著差异法（）进行方差分析，用 软件作图。结果与分析 施氮量对辣椒地上部氮含量和生物量的影响由图可知，相同氮肥处理下，随着生育进程地上部氮含量逐渐下降，以 为例，苗期地上部氮素含量最高为 ，果实成熟期的地上部氮含量最低为 。同一时期的辣椒地上部氮含量和地上生物量呈现出相似的变化趋势，即地上部氮含量和生物量均随施氮量的减少而下降。个时期中，不施氮的 处理的辣椒地上氮含量最低，、分别为 、和 ；个时期 处理的生物量均最低，分别为 、。由此可知，减少氮素供应时，辣椒地上生物量和氮含量均呈 下 降 趋 势。苗 期 和 坐 果 期 减 氮（）辣椒地上部生物量和氮含量与对照差异不显著，果实膨大期和果实成熟期减氮 时地上部生物量和氮含量显著下降，说明果实发育期不适宜大量减氮。注：不同小写字母表示“红龙 号”辣椒处理间存在显著差异（）。、和 分别代表常规施肥量减少 、和。下同。：（），图阶段性减氮对色素辣椒地上部生物量和氮含量的影响 施氮量对辣椒叶片氮含量和生物量的影响由图可知，不施氮的 植株全叶氮含量最低，氮素营养缺失严重，、均呈现与对照差异显著。全叶 施肥处理下氮含量最高，、期分别为 、；施肥量下氮含量最低，分别为 、。上中下层叶也具有相同趋势，个时期不同施肥处理下最高氮含量均出现在上层叶，个时期 施肥处理下获 得 最 高 氮 含 量 分 别 是 、第第期期 北方园艺图阶段性减氮对色素辣椒全叶及不同叶层全氮含量的影响 图阶段性减氮对色素辣椒全叶及不同叶层生物量的影响 、，个时期最低氮含量出现在 处 理 的 下 层 叶，分 别 是 、。由图可知，在 期叶片 处理下与对照差异不显著。个时期全叶在 施肥处理下生物量最高分别为 、；北方园艺月月（上上）在 处理下生物量最低分别为 、。上中下层叶最高生物量出现在上层叶，个时期在 处理下达到最高分别为 、；最低生物量表现在 处理 的下层叶，分 别为 、。由此可见，氮素供应时，辣椒全叶片与不同叶层生物量及氮含量呈下降趋势。不同处理间相比，处理下的个时期，生物量和氮含量达到最大；而在 处理下，生物量和氮含量达到最小。不同时期相比，苗期含氮量最大，生物量最小；而果实成熟期生物量达到最大，含氮量达到最小。基于地上生物量和氮含量的辣椒临界氮浓度稀释曲线的构建该研究综合阶段性减氮下个单生育期的地上部生物量和氮含量数据，用氮限制组与非氮限制组的交点进行非线性拟合发现，“红龙 号”辣椒 的 临 界 氮 浓 度 稀 释 曲 线 模 型 为 ，决定系数 （图）。基于叶片生物量和氮含量的辣椒临界氮浓度稀释曲线的构建作物生育过程中，随着生长期的变化会出现图基于地上部生物量和氮含量的色素辣椒临界氮稀释曲线 氮素转移的现象，所以根据叶层选择氮素敏感叶位，寻找更具有代表性的叶层构建稀释曲线具有重要意义。同理，使用地上部构建稀释曲线的方法，根据叶层高度将辣椒划分上中下层叶，将各叶层生物量及其氮含量，构建氮素稀释曲线。由图可知，全叶稀释曲线与各叶层的稀释曲线具有较大差异。基于上层叶生物量和氮含量构建的图基于叶片生物量和氮含量的色素辣椒临界氮稀释曲线 第第期期 北方园艺氮素稀释曲线准确度最高，其 ，其次为全叶构建的较好，中下部叶片模型精度较低。因此该研究同时选用上层叶稀释曲线作为辣椒氮素丰缺与否进行验证应用。色素辣椒临界氮浓度稀释曲线验证与应用从图可以看出，阶段性减氮下，地上部和上层叶氮素稀释曲线表现出相似的趋势，、和 的 数据点多处于曲线附近，说明氮素营养适中。个时期 处理的氮含量均处于曲线之下，说明氮素营养不足。时期 和 的数据点多位于曲线之下，此时氮素稀释过快，要保证氮肥的供应，不能减氮。曲线验证数据进一步说明了“红龙 号”色素辣椒的临界稀释曲线可以作为氮素营养诊断的依据。辣椒氮营养指数变化由图可知，色素辣椒不同发育阶段和不同叶层的 并不一致。色素辣椒地上部 值在 变化，上层叶片 的变化范围为 。随着氮素水平的提高，地上部和上层叶片的 不断上升，至 处理下达到最大。加入验证数据后可知，地上部和上层叶片在 、和 期 和 处理的 值均大于 ，说明氮肥 较充足时，保持在 ，辣椒体内氮素水平良好。期 处理下 小于 ，说明在 期 处理下氮素不足；、和 处理下地上部 均小于 ，表现出氮素缺乏。图色素辣椒临界氮浓度稀释曲线验证 图氮处理下色素辣椒氮营养指数动态变化 北方园艺月月（上上）讨论 阶段性减氮的意义辣椒不同生育期需肥量差异较大，不同发育阶段对不同养分的需求程度也不相同。一般认为苗期需肥量较少，进入花期后需肥量增大。前期氮、磷肥不宜过量，后期需要增加钾肥的比例。关于氮素的临界值，已有的研究多着眼于全生育期开展。王春萍等 研究表明加工型辣椒在全生育期减氮，辣椒体内氮素能保持较稳定的水平。韩瑛祚等 研究发现减氮 或 不影响辣椒氮吸收量，辣椒体内能保持较好的氮含量，但对于不同发育阶段的氮素临界值关注较少。实际生产中某一特定生育期的氮素缺乏也有可能被其它时期的正常施肥管理弥补，此时适量减氮并不会对 长 势 和 产 量 产 生 太 大 的 影 响。郭 鑫 年等 研究认为，与常规施肥相比，辣椒苗期减氮 并没有降低其生长量，在花期、盛果期减氮，还能提高冠幅及光合速率，增产 。所以研究特定生育期氮肥的临界值及其丰缺，可以更精准的指导施肥。较全生育期而言，单生育期的减氮处理氮素含量和干物质含量可能变化幅度较小，所以每次采样的氮限制组拟合曲线和非氮限制组的垂线相交点会比全生育期减氮数据的相交点高。因此该研究构建的辣椒稀释曲线弧度较为平缓，而全生育期持续减氮的曲线应更靠近、轴，弧度会更大。这就导致模型参数和因生育期处理而出现差异。氮浓度稀释曲线模型的影响因素该研究建立的色素辣椒地上部临界氮浓度稀释曲线模型为 、上层叶稀释曲线为 。王新 和石小虎 构建了新疆和陕西不同水氮处理下的番茄模型分别为 和（）（），可以看出种植区、品种及水肥量对模型的影响较大。牟思维等 认为同一栽培条件下，大蒜参数的不同与品种氮效率差异有关。向友珍等 得到不同水分条件下的地上部甜椒模型为 。该研究色素辣椒地上部氮稀释模型为 ，其值低于甜椒模型，说明在地上部生物量达到 时，色素辣椒的临界氮浓度小于甜椒的临界氮浓度。该研究色素辣椒上层叶的氮稀释曲线值低于地 上 部 稀 释 曲 线 值，说 明 生 物 量 达 到 时，色素辣椒上部叶片的临界氮浓度小于地上部总的临界氮浓度。参数代表植株临界氮浓度随地上生物量的增加而递减的程度。甜椒地上部氮稀释曲线参数的绝对值高于色素辣椒 ，说明随地上部生物量的增加，甜椒的氮素稀释效率更快。同样，色素辣椒上层叶片稀释曲线 的参数的绝对值大于地上部总稀释曲线参数，说明上层叶的氮素稀释效率更快，上层叶对氮素缺失更加敏感。对比前人研究，可得出模型在形式上符合 等 提出的条件，即氮含量与作物地上、叶片生物量之间符合幂指数关系，只是在参数上有所不同。综上可知，造成模型、参数差异的原因有：）不同品种间生长趋势和氮吸收率不同，导致相应的临界氮浓度曲线参数不同；）氮缺失敏感部位的差异，导致稀释曲线不同；）地域气候、氮肥用量、氮肥施用方式及土壤营养水平差异造成、参数不同。籽粒类、块根块茎类作物与茄果类作物的临界氮浓度稀释曲线区别前人对氮素的研究发现不同作物适合构建氮稀释曲线的生物量来源并不相同。安志超等和吕茹洁等利用地上生物量和氮含量分别构建了小麦、玉米和水稻的临界氮浓度稀释曲线模型，验证效果良好。因此对籽粒类作物而言，植株地上部生物量是构建氮浓度稀释曲线的重要参数。马铃薯 、甜菜 等块根块茎类作物的收获物主要在地下，这类作物的植株总氮浓度（地下部和地上部）和总生物量更适合用来构建氮稀释曲线。对番茄 、甜椒 等研究表明，基于地上部和叶片生物量的氮稀释曲线模型较适用于茄果类蔬菜。该研究对色素辣椒的氮素研究也得出了相似的结果。该研究构建的临界氮浓度曲线模型能够较好地确定色素辣椒氮素盈缺，但是由于辣椒的稀释曲线研究较少，该研究只讨论了新疆地区单个品种的稀释曲线，所以此模型仍需进一步的完善和验证。第第期期 北方园艺结论相对于块根块茎类作物基于地上部总生物量和总氮浓度构建临界稀释曲线，茄果类作物更适于地上部、叶片生物量和氮含量建立临界氮浓度稀释曲线。该研究基于阶段性减氮数据构建的色素 辣 椒 地 上 部 氮 浓 度 稀 释 曲 线 为 ，上 位 叶 片 氮 稀 释 曲 线 为 。可依据上述模型对新疆地区“红龙 号”辣椒进行氮素诊断并指导施肥。依据上述模型结合生长数据可知，新疆地区“红龙 号”辣椒可在苗期、坐果期、果实膨大期适量减施 氮肥，果实成熟期建议保持目前施肥现状。参考文献苏文楠，解君，韩娟，等 夏玉米不同部位干物质临界氮浓度稀释曲线的构建及对产量的估计 作物学报，（）：安志超，黄玉芳，汪洋，等 不同氮效率夏玉米临界氮浓度稀释模型与氮营养诊断 植物营养与肥料学报，（）：刘朋召，师祖姣，宁芳，等不同降雨状况下渭北旱地春玉米临界氮稀释曲线与氮素营养诊断作物学报，（）：吕茹洁，商庆银，陈乐，等基于临界氮浓度的水稻氮素营养诊断研究植物营养与肥料学报，（）：陆震洲长江下游稻作区水稻临界氮浓度和光谱指数模型研究南京：南京农业大学，贺志远双季稻临界氮浓度稀释模型的构建及氮素诊断研究南京：南京农业大学，：，（）：任宁基于临界氮浓度稀释曲线建立的小麦氮追肥模型效果评价郑州：河南农业大学，岳松华，刘春雨，黄玉芳，等豫中地区冬小麦临界氮稀释曲线与氮营养指数模型的建立 作物学报，（）：，（）：，（）：，（）：王新，马富裕，刁明，等滴灌番茄临界氮浓度、氮素吸收和氮营养指数模拟农业工程学报，（）：赵薇，张治平，缪旻珉 番茄临界氮浓度模型的建立及氮素营养诊断中国农学通报，（）：石小虎，蔡焕杰 基于叶片 估算不同水氮处理下温室番茄氮营养指数农业工程学报，（）：，（）：齐欣基于手机图像的冬小麦冠层数字图像氮素营养诊断模型 郑州：河南农业大学，王俞茜华北地区夏玉米水分和氮素光谱诊断模型研究 天津：天津农学院，田中宇 苹果树冠层氮素含量遥感诊断与施肥模型研究 泰安：山东农业大学，张磊，王甲辰，王学霞，等控释氮肥及减氮对设施番茄产量及土壤呼吸的影响北方园艺，（）：蒲玮，吴雅薇，张頔，等减氮配施氮肥增效剂对土壤速效氮和玉米产量的影响水土保持学报，（）：聂胜委，张巧萍，许纪东，等旋耕方式下氮肥不同减施水平对小麦 品 质 的 影 响山 西 农 业 科 学，（）：，（）：，（）：王春萍，张世才，吴红，等不同氮素水平下加工型辣椒干物质积累和氮 吸收特性 分 子 植 物 育 种，（）：韩瑛祚，司鹏飞，王秀娟，等减量施氮对保护地辣椒生长发育的影响 北方园艺，（）：郭鑫年，纪立东，尹志荣，等宁夏引黄灌区氮肥减量对温室辣椒光合特性、产量及品质的影响北方园艺，（）：王新基于生长发育模拟模型的加工番茄氮素吸收模型研究石河子：石河子大学，石小虎温室番茄水氮耦合效应与生长发育模型研究杨凌：西北农林科技大学，牟思维，解君，罗成，等关中地区大蒜临界氮浓度稀释曲线及验证 农业工程学报，（）：向友珍，张富仓，范军亮，等基于临界氮浓度模型的日光温室甜椒氮营养诊断农业工程学报，（）：张加康，李斐，李跃进，等 基于全株生物量和全株氮浓度的北方园艺月月（上上）马铃薯氮临界浓度稀释模型的构建及验证 植物营养与肥料学报，（）：李瑞 基于氮营养指数和 的马铃薯氮素营养诊断呼和浩特：内蒙古农业大学，张加康，李斐，史树德，等内蒙古地区甜菜临界氮浓度稀释模型的构建及应用作物学报，（）：张加康 马铃薯和甜菜临界氮浓度稀释曲线的构建及应用呼和浩特：内蒙古农业大学，：，（，；，）：（），（），（）（），；，：；第第期期 北方园艺