冬小麦植株适宜氮浓度模型及诊断指标研究

As the important staple crop in China, wheat is very sensitive to nitrogen, extravagant nitrogen fertilizer was used to wheat cultivation at the last decades. In order to deal with these existent problems, a series of field experiments were carried out with different eco-sites, wheat varieties, nitrogen application levels and stages. The change characteristics of plant nitrogen accumulation, nitrogen concentration, leaf photosynthesis and SPAD value were confirmed, the dilution characteristics of plant and leaf nitrogen concentration were defined. By using the model technology, based on WheatGrow and WheatKnow, the dynamic models of suitable plant and leaf nitrogen concentrations for winter wheat were developed, the model was driven by the physiological development time-based relative growing degree days. Futhermore, the relationships of leaf SPAD value with nitrogen concentration, indices of leaf SPAD at upper four position with plant nitrogen concentration were analyzed. The optimum nitrogen diagnosic indices and model were developed based on suitable nitrogen concentration and nitrogen nutrition index. This work would provide basal theory and methods for real-time regulation, and improve nitrogen simulation in wheat growth model.

小麦是我国重要的粮食作物，也是对氮肥较为敏感的作物，长期以来小麦氮肥超量施用问题尤为严重。因此，本项目针对已存在的问题，通过设置不同生态点、品种、施氮量、基追比和追肥时期处理的试验，定量分析冬小麦生长过程中地上部植株和功能叶片氮积累量、氮含量、叶片光合速率及SPAD值的变化特征，明确植株和功能叶氮浓度的稀释规律；采用建模技术，基于课题组已有小麦生长模型和管理知识模型，以生理发育时间(PDT)为驱动因子，建立冬小麦植株和功能叶适宜氮浓度指标动态的定量化模型；进一步明确SPAD值与叶片氮含量、叶位SPAD组合指数（差值、比值、归一化）与植株氮含量的定量关系，研究建立基于适宜氮浓度和NNI(Nitrogen Nutrition Index)的最优氮素诊断指标及模型。以期为小麦氮素状况的实时诊断调控和生长模型中氮素模拟的完善提供理论基础，对于提高作物氮素利用效率和保障粮食安全具有重要意义。

氮素状况会显著影响作物的生长发育和产量品质形成，作物氮素营养的精确诊断与动态调控是精确农业技术的重要内容和科学依据。本研究即以小麦为研究对象，基于不同年份、氮素水平和品种类型的田间试验，系统分析了小麦各器官（叶片、地上部植株）干物质和氮浓度的动态变化特征，构建了基于地上部干物重的小麦适宜氮浓度模型、基于叶片干物重的小麦适宜氮浓度模型、氮营养指数模型、基于SPAD值的小麦NNI诊断指标、以及基于NNI的小麦追氮调控模型，从而为小麦氮素营养诊断和调控提供了理论基础和技术支撑。. 首先，采用Justes提出的临界氮浓度模型构建方法，建立了长江下游稻麦两熟区冬小麦适宜氮浓度稀释模型（Nc%=4.29DM-0.425，R2=0.92）。在与中国华北平原建立的适宜氮浓度曲线对比分析后发现：小麦的适宜氮浓度曲线具有一定的稳定性，在一定环境变化范围内，适用于一定地区的小麦品种，具有基本相同的适宜氮浓度曲线。. 在明确了小麦叶片干物质和氮浓度随施氮水平和生育进程的变化规律基础上，构建了小麦叶片的适宜氮浓度模型和氮营养指数模型。结果表明：小麦叶片适宜氮浓度与干物质之间符合幂函数关系(Nlcnc=alcncDMl-b)，但模型参数alcnc在品种之间存在差异；所构建的叶片氮营养指数模型为：NNIl=Nla/Nlcnc。. 通过系统分析小麦上部4张单叶和不同叶位归一化SPAD指数(NDSPADij)与植株氮营养指数的关系，构建了基于SPAD的植株氮营养指数定量估算模型。结果表明，小麦上部不同叶位SPAD随施氮量的增加而升高，而NDSPADij随施氮量的增加而降低。NDSPADij与NNI之间呈显著负相关，以NDSPAD14表现最佳：NNI=-2.019 NDSPAD14+1.18(R=-0.849**)。. 建立了关键生育期基于NNI的冬小麦追氮调控方法。对产量进行归一化处理，发现相对产量(RY)与关键生育期NNI存在线性平台关系：拔节期当NNI＜0.95时，RY=1.12NNI-0.08，当NNI≥0.95时，RY=0.98；孕穗期当NNI＜0.98时，RY=0.96NNI+0.05，当NNI≥0.98时，RY=0.99。根据该线性平台关系，拔节期NNI=0.95，孕穗期NNI=0.98可以作为判断小麦氮素状况是否适宜的标准。