基于临界氮浓度模型的日光温室甜椒氮营养诊断-向友珍.pdf
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1、第 32 卷 第 17 期 农 业 工 程 学 报 Vol.32 No.17 2016 年 9月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep. 2016 89 基于临界氮浓度模型的日光温室甜椒氮营养诊断向友珍,张富仓,范军亮,强生才,邹海洋,闫世程,吴 悠,田建柯 (西北农林科技大学水利与建筑工程学院,旱区农业水土工程教育部重点实验室,中国旱区节水农业研究院,杨凌 712100) 摘 要: 临界氮浓度稀释曲线是诊断作物氮营养状况的有效手段。该研究基于 2 a 温室小区试验,以参考作物蒸发蒸腾量( ref
2、erence crop evapotranspiration, ET0)为基准,设置 4 个灌溉水平( 105%ET0、 90%ET0、 75%ET0、 60%ET0)和 4 个氮素水平( 300、 225、 150、 75 kg/hm2),构建和验证基于地上部生物量的甜椒在不同水分条件下的临界氮浓度稀释曲线经验模型。结果表明,植株氮素吸收量、地上部生物量、经济产量和水分利用效率( water use efficiency, WUE)随灌水量增加呈先增加后减小的趋势;灌溉水平 75%ET0和 90%ET0下,最优施氮量差异较小,且可获得较高经济产量和 WUE,但经济产量和 WUE 不能同时达到
3、最佳。 75%ET0灌溉水平可获得高于 90%ET0灌溉水平约 11%的水分利用效率,且经济产量仅降低约 3%,鉴于研究区水资源较短缺,灌水量 75%ET0施氮量 190 kg/hm2左右为最佳策略。该研究可为西北地区温室甜椒实时精准灌水施氮提供理论依据和技术支持。研究可为西北地区温室甜椒实时精准灌水施氮提供理论依据和技术支持。 关键词: 氮肥;灌溉;温室;甜椒;临界氮浓度;氮营养指数 doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.17.013 中图分类号: S275.6; S365 文献标志码: A 文章编号: 1002-6819(2016)-17-0089-09
4、向友珍,张富仓,范军亮,强生才,邹海洋,闫世程,吴 悠,田建柯. 基于临界氮浓度模型的日光温室甜椒氮营养诊断J. 农业工程学报,2016,32(17):8997. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.17.013 http:/www.tcsae.org Xiang Youzhen, Zhang Fucang, Fan Junliang, Qiang Shengcai, Zou Haiyang, Yan Shicheng, Wu You, Tian Jianke. Nutrition diagnosis for N in bell pepper based o
5、n critical nitrogen model in solar greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(17): 89 97. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.17.013 http:/www.tcsae.org 0 引 言氮素是植株生长发育的“生命元素”,在设施蔬菜生产中发挥着重要作用。为使蔬菜
6、生长迅速、产量最大化,投入过量氮肥的现象非常普遍,使得菜地土壤环境不断恶化,同时对设施蔬菜产业的可持续发展构成严重威胁1。 诊断作物氮素营养基本方法之一是确定作物的临界氮浓度值2,其对改善蔬菜品质,提高产量和氮肥利用效率,解决环境污染问题具有重要意义。国内外学者通过构建临界氮浓度稀释曲线作物模型的方法,已对农作物3-11及马铃薯12、番茄13-15等蔬菜的氮素营养做出了科学诊断。有关甜椒氮素营养的研究结果主要集中于其吸收与利用方面, Bar-Tal 等16研究表明增加氮浓度会提高甜椒对氮素的吸收,营养液含氮量为 8.0 9.2 mmol/L 时利于甜椒茎和叶的干物质累积, 9.2 mmol/L
7、 的含氮量则利于果实干物质累积。 Yasuor 等17发现滴灌条件下供应氮浓度为 56.2 mg/L 最优,氮素营养大部分被甜椒吸收利收稿日期: 2016-02-17 修订日期: 2016-06-10 基金项目:国家“十二五” 863 计划项目课题( 2011AA100504) ;教育部高等学校创新引智计划项目( B12007) 。 作者简介:向友珍,女,湖南怀化人,博士生,讲师,主要从事农业水土环境方面研究。杨凌 西北农林科技大学水利与建筑工程学院, 712100。 Email: 通信作者:张富仓,男,陕西武功人,教授,博士生导师,主要从事节水灌溉理论与技术研究。杨凌 西北农林科技大学水利
8、与建筑工程学院,712100。 Email: 用,既没产生过剩氮素污染环境也没因营养不良降低甜椒的产量和品质。研究表明13植株氮浓度受水分供应影响,高灌水量会促进干物质累积,当施氮供应不充足时,会稀释植株体内氮浓度,然而考虑不同水分供应下的氮稀释曲线还未见报道,本文通过研究甜椒不同生育期植株氮浓度的变化,力求建立能够反映水分供应状况的氮稀释曲线。 作为高价值蔬菜的甜椒对水分和氮素营养成分的要求较为严格,但农民仍然凭经验灌水施氮,因此优化水氮管理,提高产量和水肥利用效率,是甜椒规模化生产中亟待解决的问题。 本研究通过 2 a 不同水氮条件下的温室小区试验,分别建立和验证滴灌施肥条件下日光温室甜
9、椒临界氮浓度稀释曲线经验模型,以期为西北地区温室甜椒精准灌水施氮提供理论依据和技术支持。 1 材料与方法 1.1 田间试验 1.1.1 试验地概况 2a 试验( 2014 和 2015 年 4 7 月)均在地处暖温带半湿润气候区的西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室日光温室内进行( 3420N, 10804E)。该地海拔 521 m,年均气温 13 ,年均降水量和蒸发量分别为 645、 1 500 mm。土壤为重壤土,容重 1.49 g/cm3,田间持水量质量分数 24.5%, pH 值 8.12,有机质、全氮、全磷、全钾分别为 14.63、 0.76、 0.53、 14.25 g
10、/kg,碱解农业工程学报( http:/www.tcsae.org) 2016 年 90 氮为 71.33 mg/kg,有效磷为 58.93 g/kg。日光温室长度76 m、跨度和高度分别为 7.5 和 2.8 m,采用手动天窗和侧通风口通风;温室内设有小型气象站( HOBO event logger, onset computer corporation, USA),可自动记录气象因子值(大气压力、温度、相对湿度、光合有效辐射和太阳辐射等)。 1.1.2 供试材料 供试甜椒品种为美国马可力( Capsicum annuum L. var. grossum Marcomi F1)。试验用肥料分
11、别为尿素( N 46%)、过磷酸钙( P2O560%)和氯化钾( K2O 60%)。 滴灌施肥设备为以色列耐特菲姆( Netafim)公司的在线式智能灌溉施肥机( NETAJET 3G INLINE)。 N NETAJET 3G INLINE 系统运行压力为 3 5 bar,适用流量为 0.5 20 m3/h,共安装 3 个文丘里施肥器,肥料和水通过 HYDROMIX 水力混肥腔均匀混合后再打入主管道。每个施肥器的通道上都装配有 1 个可视的肥料表,其过流流量为 30 300 L/h。滴灌管采用内镶式圆柱滴头,管内径 8 mm,滴头间距 30 cm,流量 2 L/h,工作压力0.3 MPa。
12、1.1.3 试验设计及过程 试验设滴灌灌水量和施氮量 2 个因素,每个因素 4个水平。根据参考作物蒸发蒸腾量( reference crop evapotranspiration, ET0) , 设置 4 个灌水量水平: 105% ET0( W1) 、 90%ET0( W2) 、 75% ET0( W3) 、 60% ET0( W4) 。参照当地推荐施氮水平 300 kg/hm2,设置 4 个施氮量水平: 300( N1)、 225( N2)、 150( N3)、 75 kg/hm2( N4)。试验按照完全组合设计,共 16 个处理,每个处理 3 个重复,共 48 个小区。 各小区长 6.70
13、 m、宽 1.25 m,面积 8.40 m2。采用当地典型的垄沟覆膜栽培模式,垄高 25 cm,宽 75 cm,垄顶做成平顶,垄间距 50 cm,小区间用塑料薄膜埋入 1 m深土层,进行隔离处理,采用 1 管控制 2 行,在 2 行甜椒中间布置滴灌管,甜椒株距 45 cm,行距 30 cm,单株定植,定植密度为 31 000 株 /hm2。 分别于 2014 年 4 月 3 日和 2015 年 4 月 1 日(甜椒苗 8 12 叶 1 心)定植, 2014 年 7 月 25 日和 2015 年 7月 23 日拉秧。为保证幼苗成活率,浇定植水 40 mm,定植后 15 d 开始灌溉处理,平均每
14、5 d 灌 1 次水。 2014 和2015 年全生育期 W1、 W2、 W3 和 W4 的灌水量分别为263.1、 231.2、 199.4、 167.8 和 247.0、 217.4、 187.8、158.3 mm。定植后 20、 40、 55、 65、 75、 85、 95 d 施氮,共施氮 7 次,各次施氮量占整个生育期总施氮量的比例为 13.33%、 13.33%、 13.33%、 20%、 20%、 13.33%、 6.67%;定植后 40 d 开始等量追施磷肥和钾肥,平均 15 d 1 次,共追施 5 次,其中磷肥每次追施 8.5 kg/hm2,钾肥每次追施 25 kg/hm2。
15、整个生育期吊线、整枝、疏果等管理措施按照当地农民习惯。 2 a 试验期间,温室日平均气温最小值为 14.1 ,最大值为 33.1 。 1.1.4 指标测定或计算 地上部生物量和植株氮含量:在甜椒定植后 33、 54、62、 72、 81、 91、 101 和 112 d 共计破坏性取样 8 次,植物样在 105 杀青 30 min,然后于 75 烘干至恒质量,测定植株地上部生物量, t/hm2。干植株样粉碎后过 1 mm筛,经浓 H2SO4-H2O2 法消煮后通过流动分析仪( AutoAnalyzer-,德国 Bran+Luebbe 公司)测定其全氮含量。各器官氮累积量为器官氮浓度与器官干物质
16、量的乘积, kg/hm2;植株地上部氮累积量为茎、叶、果氮累积量之和;植株地上部氮浓度为地上部氮累积量与地上部生物量的比值, %。 经济产量:在果实采收期,每次采收后将成熟果实收获,称质量并计算经济产量, t/hm2。整个采收期共采收 6 次。 水分利用效率( water use efficiency, WUE)为甜椒经济产量 Y 与甜椒耗水量( evapotranspiration, ET)的比值。 ET 采用水量平衡法18计算,由于试验在日光温室内进行,有效降雨量为 0。试验采用精确灌溉,无地表径流及深层渗漏,径流量和深层渗漏量也为 0。研究区地下水位在 50 m 以下,地下水补给量为 0
17、。故 ET=IW。 ( 1) 式中 I 为灌水量, mm; W 为试验初期和末期 0 100 cm土壤水分变化量, mm。分别于试验前和收获后 2 d 内测定土壤水分,采用时域反射仪每隔 20 cm 测土壤体积含水量,测至 100 cm 深。灌水量 I 为 I=KcET0。 ( 2) 式中 Kc为作物系数,依据 FAO5618,甜椒在生长前期、中期和后期的作物系数 Kcin、 Kcmid、 Kcend取值分别为 0.7、1.05、 0.9。 日光温室内风速为 0,但蒸发和热量输送仍然存在,故采用陈新明等19的日光温室 Penman-Monteith 修正公式计算 ET0。 01713( )0.
18、408 ( )273ET1.64adneeRGT + +=+。 ( 3) 式中 ET0为参考作物蒸发蒸腾量, mm/d; T 为 2 m 高度处平均气温,; Rn为地表静辐射, MJ/(m2d) ; 为饱和水汽压曲线斜率, kPa/; G 为土壤热通量, MJ/(m2d);ea为饱和水汽压, kPa; ed为实际水汽压, kPa; 为干湿表常数, kPa/。这些气象资料来自温室内气象站。 1.2 模型描述 1.2.1 临界氮浓度稀释曲线模型 构建基于作物生物量的临界氮浓度稀释曲线必须先确定临界氮浓度值,即既不受氮素营养制约又不存在氮素奢侈吸收的植株临界氮浓度值。受氮素营养制约被定义为作物生长受
19、氮素营养限制,增加氮肥会显著增加作物干物质累积量;不存在氮素奢侈吸收被定义为作物生长不受氮素限制,增施氮肥不会增加干物质累积量,但会显著增加植株体内含氮量。各处理之间的显著性差异通过方差分析确定,显著性水平设定为 0.05。 依据 Justes等201994年提出的临界氮浓度计算方法,综合诸多学者4-15的临界氮浓度稀释曲线模型的建模思第 17 期 向友珍等:基于临界氮浓度模型的日光温室甜椒氮营养诊断 91 想,构建基于地上部生物量的临界氮浓度稀释曲线的步骤如下: 1)测定每次取样的地上部生物量及其对应的氮浓度值; 2)对作物地上部生物量进行方差分析,根据作物生长受氮素营养制约与否将数据分为氮
20、素营养制约组和非制约组; 3)氮素营养制约组的地上部生物量及其氮浓度值之间的关系以线性曲线拟合,非制约组取其地上部生物量的平均值代表生物量最大值,每次取样的理论临界氮浓度由上述曲线和以最大生物量为横坐标的垂线的交点的纵坐标决定。基于地上部生物量的临界氮浓度稀释曲线公式为 DMbcNa= 。 ( 4) 式中 Nc为临界氮浓度值, g/100g; a 为当地上部生物量为1.00 t/hm2时植株的临界氮浓度; DM 为地上部干物质生物量, t/hm2; b 为临界氮浓度稀释曲线斜率的统计学参数21。 本研究采用均方根误差( root mean squared error,RMSE)和标准化均方根误
21、差( normalized root mean squared error, n-RMSE)来校验模型精度,并用模拟值与观测值的 1:1 直方图来直观显示模型的拟合度和可靠性,斜率 1,表示高估, 10%,模型模拟性能较好; 30%n-RMSE20%,模型模拟性能一般; n-RMSE30%,模拟性能较差22。 1.2.2 氮素营养指数模型 采用 Lemaire 等23提出的氮素营养指数( nitrogen nutrition index, NNI)评价甜椒植株体内氮素营养状况。 NNItcNN= 。 ( 5) 式中 Nt为地上部生物量氮浓度实测值, g/(100 g)。 NNI表征作物植株体内
22、氮素营养状况: NNI1,表现为氮素营养过剩; NNI=1,氮素营养状况适宜; NNI=。 ( 10) 2.2.2 温室甜椒临界氮浓度稀释曲线模型验证 采用独立的数据点对临界氮稀释曲线经验模型进行校验,即利用 2015 年不同灌溉条件下( W1、 W2、 W3、W4)试验结果对甜椒临界氮浓度系数曲线经验模型进行验证,其步骤如下:将各灌溉水平下的灌水量与地上部生物量(定植后 62、 72、 81、 91、 101 和 112 d)分别带入式( 10)中计算临界氮浓度模拟值(样本数 n=24),做出观测值和模拟值的 1:1 直方图,通过 RMSE 和n-RMSE 来评价模型的精度,结果图 3 所示
23、。从图 3 可以看出 W1、 W2 和 W3 水平下观测值和模拟值关系良好,W4 水平下稍差,但考虑到 W4 为重度亏缺灌溉处理,在生产实践中难于得到应用,故观测值和模拟值之间整体关系较好。模型精度评判的 n-RMSE 为 16.63%,介于10% 20%之间,达到了较好水平,说明经验模型具有较好的精度,可以进一步用于植株体内的氮营养诊断。 图 3 2015 年日光温室甜椒临界氮浓度模拟与观测值 Fig.3 Simulated and observed critical nitrogen content of solar greenhouse bell pepper in 2015 第 17
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