周方，席奇亮，张思琦，何佳，刘高霞，薛刚，徐世晓，杨铁钊

河南农业大学烟草学院，郑州文化路95号 450002

氮素是烤烟生长不可或缺的营养元素之一，也是优质烤烟品质改良和产量提升的重要限制因素之一。氮肥的施用量对烟株形态建成、叶片大小、生长速度及有机物质积累等有较大的影响；同时，氮素是核酸、蛋白质、叶绿素、磷脂以及烟碱的重要成分，蛋白质和烟碱对烤后烟叶的香吃味、刺激性以及生理强度均有重要作用[1]。适宜的施氮量是提高烤烟产量和品质的关键，氮肥用量过高，则烟株徒长、成熟期延迟，调制后烟叶组织粗糙疏松、表面油分少、含糖量明显下降，评吸时伴有青杂气且吃味辛辣、刺激性强、香气质差且香气量不足；氮肥施用量不足，则烟株生长缓慢、调制后叶片薄而轻、内在化学成分不协调、烟叶质量不佳[2]。因此确定烤烟在不同生育时期适宜的氮肥施用量，对烤烟产质量、氮肥利用率的提高均具有重要的意义。

临界氮浓度指的是植物在一定的生长时期内获得最大生物量时的最小氮浓度值，可用于诊断作物氮素营养状况，确立作物临界氮浓度值是进行作物氮素营养诊断的基本方法之一[3]，基于临界氮浓度的氮素营养诊断方法通常以作物的叶柄、叶片和茎或植物体整株的氮浓度为基础。Greenwood等[4]建立了C3（N=5.17W-0.5）和C4（N=4.11W-0.5）作物的临界氮浓度与地上部干物质间的通用模型；Lemaire[5]等对上述模型进行了修正。国外学者针对不同的作物开展了相关的试验研究，并且已经成功的应用在小麦[6]、玉米[7]、高粱[8]、马铃薯[9-10]、冬油菜[11]、向日葵[12]等作物上。作物临界氮浓度的研究在国内起步较晚，马露露等[13]通过2年试验研究建立了新疆干旱区滴灌棉花的临界氮浓度稀释曲线（Nc=3.91W-0.24）和氮素营养指数模型，分析得到了该地区滴灌棉花的适宜施氮量在240～360 kg/hm2之间；王新等[3]构建了滴灌番茄地上部生物量的临界氮浓度稀释曲线模型，分析得到了新疆北疆番茄的最佳施氮量为300 kg/hm2；杨慧等[14]研究了在不同水氮条件处理下的番茄的地上部生物量、氮浓度及氮素累积随生育期进程的动态变化，构建了不同水分条件下番茄的临界氮浓度稀释曲线模型；李正鹏等[15]通过8年的大田试验，构建了关中平原玉米地上部生物量的临界氮浓度稀释曲线模型，该模型能够很好地对该区玉米植株的氮素营养进行诊断；强生才等[16]以冬小麦叶片干物质为基础，构建了陕西关中平原冬小麦的临界氮稀释曲线模型，用来指导冬小麦科学合理施用氮肥；梁效贵等[17]建立了华北地区夏玉米临界氮稀释曲线（Nc=34.914W-0.4134）及氮素营养指数模型，结果表明临界氮浓度稀释曲线可以预测该地区玉米临界氮含量，氮营养指数模型可以指导该地区玉米施肥。王维等[18]利用叶绿素测定仪测定SPAD值作为烤烟氮素营养诊断的指标，结果表明SPAD在40.5～43范围之间（氮肥施用量为75～110 kg/hm2）时，烟叶的产量、产值较高，烟叶化学成分较为协调。

水肥一体化技术是一项农业新技术，即将灌溉与施肥结合在一起对植株进行施肥。国内外学者关于水肥一体化滴灌方式下的作物生长与产质量、养分运移与分配等[19]方面开展了大量研究。但是在水肥一体化的滴灌条件下，对烤烟大田生育时期的需氮量动态变化及其临界氮浓度模型研究较少，以烤烟叶片临界氮浓度建立烤烟氮素吸收（Nuptc）及氮素营养指数模型（NNI）来诊断烤烟氮素营养状况的研究鲜有报道，本研究以不同氮素水平下烤烟叶片的氮浓度为切入点，通过2年田间试验，建立了水肥一体化条件下的烤烟临界氮浓度和氮素营养指数模型，以期为水肥一体化条件下烤烟氮素营养状况的诊断和氮肥的合理施用提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验分别于2016、2017年4—10月在河南省许昌市襄城县王洛镇（33°97′N，113°49′E）进行，供试烤烟品种为豫烟10号。该区属于北暖温带大陆性季风气候区，年平均气温为14.7℃，年平均降水量为579 mm（主要在分布于7－9月）。试验地土壤为黄褐土，前茬作物为烤烟。土壤基础肥力指标为见表1。

表1 不同年份试验小区土壤营养水平Tab.1 Soil nutrient levels of experimental plots in two years

1.2 试验设计

2年试验均设置6个处理，分别为N0（0 kg/hm2）、N1（15 kg/hm2）、N2（30 kg/hm2）、N3（45 kg/hm2）、N4（60 kg/hm2）和N5（75 kg/hm2）6个氮素水平，采用完全随机区组试验设计，每个处理设置3次重复，小区面积均为667 m2，每个小区种植1000株，行株距为1.1 m×0.55 m，四周设保护行。2016年4月27日移栽，2017年4月30日移栽；各处理除施肥方案不同外，其他管理措施按当地优质烤烟生产技术规范要求进行。

2年田间试验各处理的具体施肥方案如下：所有处理在大田起垄时仅条施芝麻饼肥（含氮量4%）300 kg/hm2作基肥，后期追肥使用本课题组研制的烟草专用液体套餐肥，其中包括烟草专用还苗生根肥、旺长肥、成熟落黄肥，根据各处理氮肥施用量不同配制液体肥料，各处理除氮含量不同外，液体肥料其它添加物质均保持一致。根据烤烟不同时期需水需肥规律将肥料分6次滴施入烟株根部，各个处理在烤烟全生育期总施磷、钾量和灌水量都保持一致，全生育期磷（P2O5）、钾（K2O）施入量分别为17.1 kg/hm2、135 kg/hm2。

试验水源由当地烟水配套工程修建的机井提供，施肥灌溉首部系统采用移动式施肥灌溉一体机（由汽油机水泵、过滤器、施肥桶、空气阀等部件构成），管网系统由主管道（PE材质，直径63 mm）连接贴片式滴管带（PE材质，直径16 mm，滴头间距30 cm，滴头流量2.5～3 L/h）组成。全部大田生长生育期共进行8次灌溉，其中6次与施肥同时进行，每次灌水定额为140 m3/hm2。

1.3 样品的采集与测定

1.3.1 样品的采集

试验选取烟株移栽后20 d、30 d、40 d、50 d、60 d、70 d、80 d、90 d、100 d、110 d、120 d进行破坏性取样，每个处理分别取长势一致的烟株3株。将每株烟叶片摘下擦干净单独放置，于105℃杀青30 min，65℃烘干至恒重，记录各取样时期的叶片干重，最后用碾子将样品磨碎过60目筛。

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 叶片氮浓度测定

各处理烟株烘干样品总氮含量的测定采用半微量凯氏定氮法[20]。

1.3.2.2 烟叶产量计算

烤烟成熟期取未采样的1/2小区进行测产，单打单收记录各小区烤后烟产量，3个小区实测产量的平均值作为最终产量。

1.4 模型描述

1.4.1 构建临界氮浓度稀释曲线模型

构建基于叶片干物质的临界氮浓度稀释曲线时首先需要确定关键数据点。根据1994年Justes等[21]所定义的在某一地上部生物量下既不限制作物生长又不存在奢侈吸收的植株临界氮浓度及计算方法，综合薛晓萍[22]、梁效贵[17]等关于棉花、夏玉米临界氮浓度稀释曲线模型的建模思路。本研究临界氮浓度稀释曲线模型的构建方法如下：

1）对比分析不同氮素水平下每次取样叶片干物质积累量及相对应的烤烟叶片氮浓度值，通过方差分析对作物生长受氮素营养限制与否的氮素水平进行分类；2）对于施氮量不能满足作物生长需求的施氮水平，其叶片干物质积累量与氮浓度值间的关系以曲线拟合；3）对于作物生长不受氮素影响的施氮水平，其叶片干物质积累量的平均值用以代表最大干物质。4）每次取样日的理论临界氮浓度由上述曲线与以最大干物质为横坐标的垂线的交点的纵坐标决定。

依据 Lemaire 和Salette 等[23]1984年提出的临界氮浓度与地上部生物量关系的方程式，构建了烤烟临界氮浓度稀释曲线模型为：

式中，Nc为烤烟的临界氮浓度值；ac为烤烟叶片干物质量达到1 t/hm2时，烟株的临界氮浓度值；LDWmax为烤烟叶片干物质最大积累量，单位为t/hm2；b为决定临界氮浓度稀释曲线斜率的参数。

建立的烤烟临界氮浓度稀释曲线模型中，若烤烟氮素含量在曲线以上，说明氮肥施用过多，烟株不能完全吸收，土壤中有氮素残留；若烤烟氮素含量在曲线以下，说明此时氮肥施用不足，烟株的生长发育受到一定程度的抑制，产质量会受到一定程度的影响；当烤烟氮素含量与曲线保持基本一致时，则此时氮素施用量是较为适宜的。

1.4.2 氮素吸收模型的构建

烤烟叶片氮吸收量（Nupt，kg/hm2）与叶片干物质最大积累量（LDWmax，t/hm2）之间的关系可用公式（2）表示：

将（1）式带入（2）式中，得到烤烟临界氮素吸收模型，即烤烟氮累积量与叶片干物质累积量之间的异速生长模型：

式中，Nuptc为烤烟的临界氮素吸收量，其单位为kg/hm2；指数1-b为生长参数，是指氮素相对吸收速率与烤烟叶片干物质累积速率的比值。

1.4.3 模型的检验

采用均方根误差RMSE（Root mean square error）和标准化均方根误差（n-RMSE）[24-26]来校验模型精度以进行模型的检验，通过建立模拟值和实测值之间1∶1的直方图，进而来直观表现模型的拟合度和可靠性。RMSE和n-RMSE的计算公式分别为：

式中si为模拟值、mi为实测值，N为数据个数，为实测数据的平均值。

RRMSE是用来衡量模拟值和实测值的平均差异，是一个带单位的值，RRMSE的值越小，表示模拟值和实测值一致性越高，偏差越小；反之一般。Rn-RMSE消除了单位，可以用来比较不同单位数据的模型性能。一般认为，如果Rn-RMSE＜10%，则认为该模型模拟性能极好；如果10%＜Rn-RMSE＜20%，则认为模型模拟性能较好；如果20%＜Rn-RMSE＜30%，则认为模型模拟性能一般；如果Rn-RMSE＞ 30%，则认为模拟性能较差[27]。

1.4.4 氮素营养指数（NNI）

为了进一步明确作物的氮素营养状况，Lemaire等提出了氮素营养指数（nitrogen nutrition index，NNI）的概念，可用公式（6）来表示：

式中，NNI为氮素营养指数；Nt为烟株叶片干物质氮浓度的实测值；Nc为在相同的叶片干物质下，由临界氮浓度稀释曲线模型求得的氮浓度值。NNI能够比较直观地反映出来作物体内的氮素营养状况，NNI=1，氮素营养最适宜；NNI＞1，表现为氮素营养过剩；NNI＜1，表现为氮素营养亏缺。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2007进行数据的基础整理和分析，通过SPSS 22.0软件进行方差分析，主要指标的显著性通过LSD多重比较得到，显著性水平设定为P=0.05，采用Sigmaplot 12.5统计软件进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 烤烟叶片干物质积累量及烤烟氮浓度值变化分析

在2年试验中，烤烟叶片干物质积累量呈现“慢-快-慢”的增长趋势，分析不同氮素水平处理下烤烟在同一取样日的叶片干物质积累量，结果表明（表2）：随施氮量的增加，烤烟植株叶片干物质积累量表现为先增加后降低的趋势，N4（60 kg/hm2）处理达到最高值，从烤烟整个生育期来看，烟株叶片干物质积累量在N0、N1、N2、N3之间差异显著；N4、N5之间差异不显著。说明烤烟叶片干物质积累量并不随施氮量的增加而增加。依据前人建立临界氮浓度稀释曲线的方法，对烤烟叶片干物质积累量进行方差分析，即每次取样日差异显著的处理为限氮组，反之为非限氮组。由表2可知，N0、N1、N2、N3处理的取样值为限氮组数据，非限氮组数据为N4、N5处理取样值。

表2 不同氮素水平下烤烟叶片干物质积累变化规律Tab.2 The change law of dry matter accumulation of tobacco leaves under different nitrogen application rates

2016年试验取样的66组数据中，烤烟植株叶片干物质的变化范围为0.01～6.03 t/hm2，氮浓度变化范围是1.46%～5.22%。由于2016年移栽后20 d的N0-N5、30 d的N0-N5、40 d的N0-N3及50 d的N0取样时烟株较小，烤烟叶片干物质积累量均小于1 t/hm2，且取样较少，叶片干物质积累量小于1 t/hm2时（取样数n=17），干物质量和氮浓度的数据量没有显著关系（图1a）。当叶片干物质积累量大于1 t/hm2时（取样数n=49），随着叶片干物质积累量的增加氮浓度逐渐降低（图1b），二者的关系为N=4.5193LDW-0.595，决定系数为0.6742，达到极显著水平。

图1 氮浓度和烟株叶片干物质的关系Fig.1 Relationship between nitrogen concentration and dry matter accumulation of tobacco leaves

2.2 烤烟临界氮浓度稀释曲线模型与氮素吸收模型的建立

分析2016年烟株叶片干物质积累量与其对应的氮浓度值之间的关系，将其进行曲线拟合，找出取样日的临界氮浓度值，由公式（1）将确定的临界氮浓度值与相对应的烟株最大叶片干物质积累量进行曲线拟合，即可得到烤烟临界氮浓度稀释曲线模型（Nc=4.8071LDWmax-0.6，R2=0.8768，图2），拟合度达到极显著水平。将公式（1）代入公式（2）、公式（3）进行计算得到烤烟氮素吸收曲线模型（表3）。

图2 烟株叶片的氮浓度稀释曲线Fig.2 Nitrogen concentration dilution curve in dry matter of tobacco leaves

分析烟株叶片干物质积累量与叶片氮浓度，结果表明：在烟株叶片干物质积累量相同的情况下，烟株叶片的氮浓度值表现出很大的变异性，利用每次取样所得到的氮浓度的最大值（Nmax）、最小值（Nmin）可得到2个烤烟最大、最小氮浓度稀释边界模型（Nmax=6.8222LDW-0.546，Nmin=2.9408LDW-0.489），模型参数见表3。

表3 烟株叶片临界氮浓度稀释曲线模型和异速生长模型的参数值Tab.3 The parameters of critical nitrogen concentration dilution curve model and allometric growth model of tobacco leaves

2.3 烤烟临界氮浓度稀释曲线模型的验证

2017年水肥一体化施肥试验可作为相对独立的试验数据进行验证烤烟临界氮浓度稀释曲线模型，N3、N4和N5施氮量处理均能满足烤烟生长所需氮素营养，甚至超过烤烟生育期所需氮用量，因此文中仅选取N3即施氮量为45 kg/hm2的大田试验来对此模型进行验证。试验选用7次采样的单株烤烟叶片干物质，将该年试验的烟株叶片干物质数据，代入水肥一体化条件下烤烟临界氮浓度稀释曲线模型中得到模拟值，用1:1直方图直观显示烤烟氮浓度模拟值与实测值之间的关系（图3）。用RRMSE和Rn-RMSE来评价模型的精准度，根据公式（4）和（5）分别求得豫烟10号的RRMSE=0.4686，Rn-RMSE=19.39%，由于10%＜Rn-RMSE＜20%，表示模型稳定度高。该结果表明，基于烤烟叶片干物质的临界氮浓度稀释曲线可用于水肥一体化条件下豫中烟区豫烟10号的氮素营养诊断。

图3 烤烟叶片临界氮浓度稀释曲线验证Fig.3 Calibration of Nc dilution curve of tobacco leaves

2.4 施氮量对水肥一体化条件下烤烟经济性状的影响

由表4可知，随着氮肥施入量的增加，水肥一体化条件下烤烟产量得到了明显地提高，但当施入的氮肥量达到了一定量后，烤烟的产量不再升高，反而呈现出下降的趋势。综合两年产量数据，以施氮量N4为处理的产量最高。产值、均价和上等烟比例均表现为先增加后降低，N3处理的产量虽然低于N4处理，但产值、均价和上等烟比例均高于其它处理，N2处理较N3处理次之。由此可知，N3处理即45 kg/hm2施氮量是较适宜于豫烟10号的。

2.5 基于氮营养指数（NNI）的烤烟适宜施氮量分析

本研究采用氮营养指数（NNI）作为水肥一体化条件下的烤烟适宜施氮量的判断依据。由公式（6）进行计算，可得到不同氮素水平下烤烟NNI随烤烟移栽后天数的动态变化曲线。如图4所示，在不同氮素水平处理下，NNI的变化趋势基本一致，6个处理均在一定程度上出现波动性。同一移栽后时期，NNI的值随着施氮量的增加逐渐变大。在烤烟生长的旺长期，此时期烤烟植株生长旺盛，对于氮素的需求量也增加，从而使得不同氮素水平处理之间的NNI值差距也逐步递增，N0（0 kg/hm2）、N1（15 kg/hm2）、N2（30 kg/hm2）水平在移栽后第40d～120d内NNI值均小于1，说明N0、N1和N2水平下，此小区内氮肥不足，出现了氮亏缺，烤烟的生长受到了氮素的限制；在N4（60 kg/hm2）和N5（75 kg/hm2）处理下，NNI的值均大于1，由此可见该小区内氮肥施入量较充足，氮肥施用甚至过量；N3（45 kg/hm2）处理的NNI最接近1或在1附近变化，表明该处理的氮素水平相对其他氮素水平来说最为适宜。因此，由NNI可以看出该地区在水肥一体化条件下30～45 kg/hm2的施氮量是较为适宜的。

表4 不同施氮量处理经济效益的比较（2年田间试验的均值）Tab.4 Comparison of economic benefits under different nitrogen application rates （Mean of two-year field experiment）

图4 不同氮素水平下烤烟氮素营养指数的动态变化Fig.4 Dynamic change of nitrogen nutrient index of flue-cured tobacco under different nitrogen application rates

3 讨论

3.1 烤烟临界氮浓度稀释曲线模型与其他作物模型

本研究将2年6个氮水平的烤烟大田数据进行整理分析，建立了临界氮浓度稀释曲线模型（Nc=4.807LDWmax-0.6），对氮吸收量与烤烟叶片干物质积累量的关系进行了研究，并对氮吸收模型及氮营养指数与施氮量的关系进行了分析；研究结果表明，烤烟植株在生长发育过程中叶片临界氮含量与叶片干物质积累量之间的关系符合幂函数关系，所得方程的决定系数为0.8768，拟合度达到了极显著的水平。将该模型与前人在不同作物上构建的临界氮浓度稀释曲线模型进行对比，发现该模型与王新等[3]研究的滴灌番茄临界氮浓度模型（Nc=4.352DW-0.274），李正鹏[28]等建立的关中平原冬小麦Nc模型（Nc=4.82W-0.49），强生才等[16]基于叶片干物质建立的冬小麦Nc模型（Nc=4.43LDW-0.3）和杨慧[14]等建立的水氮耦合条件下番茄临界氮浓度模型参数相差不大；但与李正鹏[15]等构建的关中地区玉米Nc模型（Nc=22.5W-0.27和Nc=25.3W-0.26），梁效贵等构建的华北地区夏玉米Nc模 型（Nc=34.914W-0.4134）和Plènet 和Lemaire等[7]2000年在法国建立的临界氮浓度与地上部干物重的Nc模型（Nc=34.0W-0.37）的形式一致，但参数不同，造成参数出现差异的主要原因有：1）Greenwood等构建的是C3、C4作物通用模型，而且是在无氮素限制条件下拟合得出的；2）不同作物吸收养分和营养代谢机制及其机理不同，因此可能造成了Nc模型参数出现差异；3）不同的生态环境、土壤质地、作物品种及氮素水平差异也会造成曲线参数不同。

本研究在水肥一体化条件下构建的烤烟临界氮浓度稀释曲线模型可以很好地反应烟株叶片干物质与氮浓度的关系，并且依据Nc模型构建了氮素吸收、营养指数模型，可对烤烟的需氮量及氮素营养状况进行估算和诊断；但是该模型是在单一品种、同一生态地点下构建的，因此关于此模型的通用性可能需要进行进一步的深入研究。

3.2 烤烟最佳施氮量的确定及氮素营养诊断的可行性分析

目前，在烤烟生产过程中，氮肥不合理施用现象非常普遍，造成氮肥利用效率低、土壤氮素残留量大，因此需要建立快速而有效的方法加强对烤烟氮素营养诊断的研究，而明确烤烟不同生长发育阶段的临界氮浓度，是实现氮肥合理施用的基础。本研究通过6种氮素水平的产量，表明氮肥不足会显著降低产量，过量施氮产量亦会有所降低，与李明福[29-30]等研究结果一致；在不同氮素水平处理，相同氮肥施用时期的情况下，NNI值可以反映出烤烟的氮素盈亏状况，NNI值随着氮肥施用量的增加不断增大。本研究表明，在水肥一体化的滴灌条件下，豫中烟区以30～45 kg/hm2施氮量最适宜。

氮素营养诊断的方法很多，包括植物全氮分析法、土壤无机氮测定法、叶绿素仪测定法、硝酸盐快速诊断法和高光谱遥感法等[31-32]。目前在烤烟生产实践中进行氮素营养诊断一般多采用叶绿素测定仪及硝酸盐快速诊断法。但是采用叶绿素测定仪测定SPAD读数时较易受光照强度和水分的影响，而且该方法需要测定多个样本的多点数据，求得平均值作为测定结果，以此才能降低SPAD值的变异度，工作量较大且数据不稳定[33]，同时，测定结果受栽培环境和作物品种的影响也比较大。硝酸盐快速诊断方法有两种，二苯胺法和反射仪法均可以准确而快速地对作物氮素营养状况进行诊断，但是都受到一定限制，二苯胺法适合用于含氮水平较低的植物而烟株含氮量相对较高，反射仪法测定费用较高所以不适合大量检测[34]。

在烤烟大田生长实际操作过程中，采用本研究所提出的方法对烤烟进行氮素营养诊断，只需对烤烟叶片的干物质量和叶片的氮含量进行取样测定，然后将其值代入Nc曲线，就可以快速地对整株烟的氮营养状况进行判断。该方法相对于测土配方施肥技术、叶绿素测定仪、及光谱遥感等测定方法，成本比较低，而且相对于用地上干物质（DM）建模的方法，叶片烘干的时间更短，测定的样本更多，测定较快进行更方便，能很好地反应整株烟的营养状况。水肥一体化条件下施肥遵循“少量多次”的原则，既能满足烟株生长发育的需要，又能避免因肥料过量而造成的挥发或淋溶等损失，可以进一步提高氮肥利用率[35]；同时这种“少量多次”的施肥方法，为烤烟氮素营养诊断提供了基础，将烤烟临界氮浓度稀释曲线模型与氮肥利用率相结合，对于水肥一体化条件下烤烟定量、精准地施用氮肥具有良好的生产意义。

4 结论

本文依据2年6个氮素水平的试验数据，构建了基于烤烟叶片干物质的临界氮浓度稀释模型为（Nc=4.8071LDWmax-0.6），结果表明，烤烟叶片临界氮浓度、烤烟最高（Nmax）、最低（Nmin）氮浓度稀释模型与叶片干物质积累量之间均呈现幂指数的关系，利用该模型可以对烤烟临界氮含量进行预测，进而可以对烤烟移栽后40 d到成熟期的氮素营养状况进行诊断，从而优化大田烤烟氮素管理；基于烤烟叶片临界氮浓度构建了氮素吸收模型和氮营养指数模型（NNI），可以直观地反映出烤烟在不同生育期的氮素营养盈亏状况，根据本研究建立的烤烟氮营养指数模型推荐豫中烟区烤烟在水肥一体化条件下施肥适宜施氮量范围在30～45 kg/hm2之间，这与本地区常规栽培的烤烟氮用量（45～60 kg/hm2）相比减少了25%～33.3%。