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新疆属典型大陆性干旱气候，具有得天独厚的光热资源，是中国重要的优质棉产区。氮素是作物产量形成的重要限制因子之一[1]。氮状况精准诊断、评价和氮素优化管理是棉花产量形成和棉纤维品质改善的重要研究内容[2]。前人在棉花氮营养状况诊断和评价方法方面开展了广泛和深入的研究。叶片 SPAD 值[3]的准确测定受比叶面积、比叶重等因素的影响，无法对棉花生育期氮状况进行精确评价；图像分析[4]、光谱遥感[5]和机器视觉法[6-7] 数据获取较为繁复，计算过程过于复杂，可操作性和便捷性不强；叶绿素荧光法[8] 无法实时定量对棉花生育期氮状况进行精确诊断和评价。
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临界氮浓度具有明确的生物学意义，被定义为作物生育期内获得最大生物量时的最小氮浓度值[9-10]。Lemaire 等[11]进一步补充和完善了临界氮浓度的概念，明确了限制稀释曲线下可利用的氮素是限制作物地上部生物量增加的因子。氮营养指数（NNI）丰富了作物氮状况的诊断和评价方法[12]，临界氮浓度和氮营养指数已在冬油菜[13]、马铃薯[14]、向日葵[15]、高粱[16]、加工番茄[17-18]、玉米[19-20]、甜菜[21]、烤烟[22]的氮状况诊断和评价方面得到了较好的应用。
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薛晓萍等[23]、王子胜等[24]分别构建了不同生态区（长江中下游棉区和黄淮棉区、东北特早熟棉区）棉花适宜施氮水平和适宜群体地上部生物量的氮稀释曲线。薛晓萍等[23]研究地上部生物量取样时间仅为开花后，并不能代表棉花全生育期地上部生物量和氮浓度的变化状况且两者未对模型进行检验，模型的广适性不足。马露露等[25]构建了西北内陆区（新疆北疆早熟棉区）滴灌棉花临界氮稀释曲线，模型是在单一棉花品种条件下建立的，不同棉花品种临界氮稀释曲线模型参数的差异性未做研究。
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以上学者均是针对地上部生物量为基础建立的不同作物临界氮稀释曲线。叶片是作物光合作用、生物量积累的重要器官。强生才等[26]研究发现，以冬小麦叶片干物质量为基础建立的临界氮稀释曲线可较好地评估植株氮状况，但未对模型的预测精度进行检验，模型的普适性受到限制。马晓晶等[27]建立不同冬小麦品种叶片生物量的临界氮稀释曲线，模型在年际间有较好的稳定性，能准确对小麦氮状况进行诊断和评价。付江鹏等[28]研究表明，基于叶片干物质量构建的临界氮稀释曲线可在滴灌玉米拔节期至吐丝期提供准确的氮状况估测。薛晓萍等[29]建立了（长江中下游棉区和黄淮棉区）棉花开花后果枝叶生物量的临界氮稀释曲线，并得到了果枝叶在盛花期和吐絮期的适宜氮浓度和施氮量。果枝叶氮浓度、生物量的动态变化与整株叶片氮浓度、生物量的动态变化存在差异，模型参数如何还需试验验证。
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本文通过连续两年的田间定位试验，建立以棉花叶片生物量为基础的西北内陆区（新疆南疆中熟棉区）盐碱地不同棉花品种临界氮稀释曲线，推导出的叶氮营养指数模型、叶片氮浓度与氮水平和籽棉产量关系模型对不同棉花品种氮状况和适宜施氮量诊断和评价结果一致，以期为西北内陆区（新疆南疆中熟棉区）盐碱地滴灌棉花氮状况的精确诊断和评价及氮素优化管理提供理论依据和方法参考。
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1 材料与方法
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1.1 试验设计
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试验分别于 2018 和 2019 年在新疆生产建设兵团第三师图木舒克市 44 团 5 连试验田开展两年的定位试验。试验点位于塔克拉玛干沙漠西缘的叶尔羌河和喀什噶尔河流域（39°49′21.01″N， 79°6′34.16″E），属温带极干旱荒漠气候。年平均气温、无霜期、年降水量分别为 11.6℃、225 d、 38.3 mm。土壤类型为轻度盐碱性砂壤土，pH 值7.8，0~20 cm 土层含盐量 2.0%，有机质 10.2 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾分别为 42.3、18.9、 215 mg/kg。供试品种为 2018 年南疆棉区主栽品种新陆中 55 号和新陆中 78 号。2018 年新陆中 55 号、新陆中 78 号于 4 月 9 日播种，分别于 4 月 18 日、 4 月 20 日出苗，2019 年新陆中 55 号、新陆中 78 号于 4 月 11 日播种，分别于 4 月 19 日、4 月 21 日出苗。按照当地氮肥投入量设置 5 个氮（纯 N）水平：0、75、150、300、450 kg/hm2，分别以 N0、 N75、N150、N300、N450 表示。
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试验采用膜下滴灌，膜上点播，底墒出苗， （66+10）cm 机采棉栽培模式，株距 10 cm，理论株数 24.0 万株 /hm2，采用高强度地膜，地膜厚度 0.01 mm，覆膜宽 205 cm，1 条膜种植 6 行棉花，铺设 3 条滴灌带，滴灌带铺设在 2 行棉花中间，小区面积 20.5 m2，小区在田间随机排列，3 次重复。全生育期共灌水 9~10 次，灌水总量 5500 m3 / hm2，冬灌总量 1800 m3 / hm2，氮肥为尿素（N 46%）， 20% 基肥施入，剩余随水滴施，磷肥为磷酸二氢钾（P2O5 52% 和 K2O 34%），钾肥为硫酸钾（K2SO4 34%）均按照 150 kg/hm2 一次性作为基肥施入，田间病虫草害按照高产田管理进行。
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1.2 器官生物量和氮含量测定
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于苗期、现蕾期、开花期、结铃期和吐絮期进行田间取样。自 4 叶期开始取样，每个生育时期取样 2~3 次，每次取样 3 株，取样间隔时间为 7~10 d，分器官称量鲜重，105℃下烘 15 min 杀青，72℃ 下烘至恒重，计算各器官生物量。棉株样烘干后分器官用小型粉碎机粉碎过筛，利用凯氏定氮仪测定棉花各器官氮含量。为避免因取样造成的不同叶位叶片氮含量的差异，本文叶片氮含量为取棉株整株叶片的氮含量。
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1.3 产量测定
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收获前在试验区内划定测产小区 6.67 m2，测定株数、铃数、单铃重，并计算产量，重复 3 次。
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1.4 数据分析与模型检验
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采用 Excel 2010 进行数据的汇总和分析，OriginPro8.5 作图。
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采用根均方差（RMSE）、模型效率指数（ME） 和 1∶1 关系的直线来显示模型的拟合度和可靠性。 RMSE 值越小，表明模型的预测精度越高。ME 的取值范围小于 1，ME 值越接近 1，表示模拟值与观测值的符合度越高，ME 值为负值时，表明模拟值与观测值间的变异性较大，符合度较低。
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式中，OBSi 为观测值，SIMi为模拟值，N 为样本容量，Qi 为观测值的平均值。
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2 模型描述
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2.1 临界氮稀释曲线
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根据 Justes 等[12]提出的临界氮稀释曲线构建方法，综合前人研究成果[22-30]，本文建模方法如下：（1）对不同氮水平下叶片生物量及相对应的氮浓度值进行方差分析，对限氮组和非限氮组进行分类；（2）对受氮水平影响的试验数据将叶片生物量与氮浓度值进行线性拟合；（3）对不受氮水平影响的试验数据，其叶片生物量的平均值代表叶片生物量的最大值；（4）每次取样日的临界氮浓度值由上述曲线与以叶片最大生物量为横坐标垂线交点的纵坐标决定。因此，基于叶片生物量（LBM）的临界氮稀释曲线模型可用公式（3） 表示：
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式中，LNCc 为叶片临界氮浓度值（g/100 g）；a、b 为模型参数；LBMmax 为叶片生物量的最大值（t/hm2）。
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2.2 叶氮营养指数
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可用公式（4）叶氮营养指数（LNNI）来诊断和评价棉株的氮状况。
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式中，LNNI 为叶氮营养指数；LNCa 为叶片氮浓度的实测值（g/100 g）。当 LNNI=1 时，氮状况最为适宜； LNNI>1 时，氮过剩；LNNI<1 时，氮亏缺。
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3 结果与分析
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3.1 叶片生物量和氮浓度生育期的动态变化
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由图1 可知，氮水平对 LBM 具有显著影响。不同氮水平下新陆中 55 号和 78 号 LBM 的动态变化符合“S”形曲线。2018—2019 年，新陆中 55 号和 78 号 LBM 分别在 0.83～3.57 和 0.95～4.07 t/hm2 间变化。LBM 随氮水平的增加而增加，N300 和 N450 处理下 LBM 显著高于低氮处理（N0、N75、N150）， N300 和 N450 处理下 LBM 较为接近，且以 N300 处理的 LBM 最高。当 LBM 达到某一临界值时，LBM 随氮水平的增加而下降，这与不同棉花品种的储氮能力和氮素吸收、利用率有关[31]。
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由图2 可知，不同氮水平下，叶片氮浓度 （LNC）随氮水平的增加而增加，随生育期的推进而下降。2018—2019 年，新陆中 55 号和 78 号的 LNC 分别在 1.19%～3.81% 和 1.28%～3.97% 间变化。
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图1 不同氮水平下棉花叶片生物量动态变化
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注：SS 为现蕾期，AS 为开花期，BS 为结铃期，OS 为吐絮期。图2、图5 同。
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图2 不同氮水平下棉花叶片氮浓度动态变化
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3.2 模型建立
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由图3 可知，棉花临界氮浓度值随 LBM 的增加而降低。利用 2018 年试验数据建立基于 LBM 的新陆中 55 号和 78 号临界氮稀释曲线，相关系数均达到显著水平（新陆中 55 号：LNCc=3.14×LBM-0.38，R2 =0.872**； 新陆中 78 号：LNCc=4.08×LBM-0.43，R2 =0.925**）。
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图3 基于棉花叶片生物量的临界氮稀释曲线
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注：** 表示在 0.01 水平显著。下同。
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棉花在苗期时叶片生物量较小且在营养生长转向生殖生长前均保持相对恒定的 LNC，新陆中 55 号和 78 号苗期的 LBM 分别在 0.63～0.89 和 0.79～0.90 t/hm2 间变化，因此，本文新陆中 55 号和 78 号苗期叶片恒定的氮浓度值应以非限氮组的最小氮浓度值（1.02%、1.09%）与限氮组的最大氮浓度值（3.34%、4.13%）的平均值来确定。基于 LBM 的新陆中 55 号和 78 号临界氮稀释曲线可分别以公式（5）和（6）表示：
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3.3 模型检验
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利用 2019 年试验资料对新陆中 55 号和 78 号基于 LBM 的临界氮稀释曲线模型进行检验。由图4 可以看出，新陆中 55 号和 78 号基于 1∶1 直线的 R2、RMSE、ME 分别为 0.941**，0.116 g/100 g、0.944 和 0.975、0.008 g/100 g、0.975**。结果表明，该模型在南疆中熟棉区盐碱地滴灌棉田具有较好的适应性和稳定性，可用于南疆盐碱地滴灌棉花氮状况的诊断。
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图4 叶片临界氮浓度观测值与模拟值的 1∶1 关系图
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3.4 叶氮营养指数动态变化
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由图5 可知，氮水平对 LNNI 具有不同程度地影响，不同年份、氮水平下 LNNI 在现蕾期至吐絮期均呈现出一定的波动性，新陆中 55 号和 78 号的 LNNI 随氮水平的增加而增加。2018—2019 年新陆中 55 号和 78 号的 LNNI 分别在在 0.76～1.12 和 0.70～1.09 间波动。低氮（N0、N75、N150）处理 LNNI<1，表明小区氮亏缺；高氮（N450）处理 LNNI >1，表明小区氮素满足棉株生长，甚至超过了棉株对氮素的需求量。N300 处理的 LNNI 始终在 1 附近波动，表明此时氮水平最为适宜。因此，LNNI 可用于南疆中熟棉区盐碱地滴灌棉花氮状况的评价和诊断。
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图5 不同氮水平下叶片氮营养指数动态变化
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3.5 叶片氮浓度与籽棉产量和氮水平的关系
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图6 是新陆中 55 号和 78 号结铃期、吐絮期叶片氮浓度（LNCBS、LNCOS）与最终籽棉产量（YBS、 YOS）和氮水平的动态变化。对 2018 和 2019 年两年平均 LNC、Y、Nlevel 的试验数据进行曲线拟合，得到新陆中 55 号和 78 号的 LNCBS、LNCOS 与 YBS、YOS（公式 7、9）和 Nlevel（公式 8、10）的定量关系模型。
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新陆中55号
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新陆中78号
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根据公式（7）、（9）计算得到新陆中 55 号和 78 号的 LNCBS、LNCOS 和 YBS、YOS，分别为 2.32%、 1.95% 和 5850、5860 kg/hm2 及 2.30%、1.99% 和 6070、5970 kg/hm2。若仅考虑 LNC 与 Y 的关系，将计算得出的 LNCBS、LNCOS 值分别代入公式（8）、 （10）得到新陆中 55 号、78 号适宜施氮量分别在 313.3～380.0、335.0～385.0 kg/hm2 之间。
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图6 叶片氮浓度与籽棉产量、氮水平的定量关系
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3.6 氮水平和籽棉产量的关系
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利用 2018 和 2019 年两年的平均籽棉产量数据对新陆中 55 号和 78 号籽棉产量与氮水平关系进行曲线拟合，得到平均籽棉产量（Y）与氮水平 （Nlevel）的定量关系，见公式（11）和（12）。由图7 可知，氮水平对棉花籽棉产量具有显著影响，随氮水平的增加，籽棉产量显著提高，再增加氮水平，籽棉产量不仅没有提高，反而随氮水平的增加而降低，说明不同棉花品种存在临界氮吸收量，超过临界氮吸收量的氮素不能被棉花吸收和利用，反而会造成氮素的淋洗和浪费。不同氮水平下，新陆中 55 号和 78 号籽棉产量均以 300 kg/hm2 处理最高，这一结论与 LNNI 的诊断和评价结果一致。曲线拟合得出新陆中 55 号和 78 号适宜施氮量和最高籽棉产量分别为：322.7、5952.3 kg/hm2 和 336.4、 6172.6 kg/hm2，这一结论与 3.5 分析结果一致。
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图7 氮水平对棉花籽棉产量的影响
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新陆中55号
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新陆中78号
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4 讨论
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4.1 棉花临界氮稀释曲线比较
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棉花生长发育存在营养生长和生殖生长两个过程[32]。现蕾至开花和开花至结铃期是棉花营养生长和生殖生长的并进期，随着棉株个体的增大， LBM 显著增加，棉株对水分、光照、氮营养的需求和竞争逐渐加强，茎叶比的不断变化形成了氮稀释现象[33] （图2、图3）。
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本文新陆中 55 号和 78 号叶片临界氮稀释曲线参数 a 值分别为 3.41% 和 4.08%，均高于生长初期的 LNC（2.18% 和 2.61%），这与生长发育初期棉株个体对光照、养分需求和竞争较小，LNC 和 LBM 相对稳定，氮稀释不明显有关。
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表1 描述了基于地上部生物量和叶片生物量的棉花临界氮稀释曲线，其模型形式与前人研究一致，均为幂指数关系[30]。从品种熟性、类型、生态区和氮浓度来源看，4 种模型参数 a 值与品种特性、氮素吸收利用等生长发育特性、生态区和氮浓度来源具有相关性。研究表明，氮水平设置、土壤氮含量等均会对参数 a 值产生影响[34]，故参数 a 值受多种因素影响，只有在控制变量的情况下才能明确各个因素对参数 a 值的影响机理。研究发现，土壤含盐量会对棉花生长和氮素吸收利用产生不利影响，同等土壤含盐量条件下，耐盐碱能力强的棉花品种叶片氮浓度显著高于耐盐碱能力弱的品种[35-36]。以本文轻度盐碱条件下熟性相同的 2 个棉花品种来看，新陆中 78 号参数 a 值（4.08%）高于新陆中 55 号（3.41%），可能是新陆中 78 号抗盐碱的能力高于新陆中 55 号，这一结论还需试验验证。
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参数 b 是控制曲线斜率的统计学参数，由 LNC 与 LBM 的比值决定[37]。本文新陆中 55 号和 78 号模型参数 b 值（0.38、0.43）均高于其他 3 种模型 （0.241、0.248；0.24；0.126、0.087），这与新疆南疆中熟棉区光热资源丰富、日照时数长、中熟型棉花品种具有较强的生长势、叶片光合速率和生物量积累量较高有关。
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4.2 适宜施氮量的确定
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叶片氮浓度与植株的光合作用、呼吸速率和生物量积累具有显著相关性[38]。本文明确了新陆中 55 号和 78 号 Y 与 LNC 的定量关系，结果表明，LNC 值并不是越高越好，过高或过低均不利于籽棉产量的形成，棉花每个生育期都存在一个 LNCc 值，低于 LNCc 值，叶片光合作用、氮素吸收和代谢等生理生态过程都会受到影响，进而影响棉花产量的形成和提高。
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本文建立基于叶片生物量的不同棉花品种临界氮稀释曲线模型较基于棉花花后果枝叶建立的模型更能精确表征整株叶片氮浓度的动态变化。本模型和适宜氮量范围是在盐碱地条件下建立和得到的，模型和适宜施氮量是否适用于不同土壤类型、棉花品种和不同盐碱梯度，以及是否会对模型参数 a、b 产生影响还需进一步验证。
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5 结论
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（1）棉花 LNC 值随 LBM 的增加而降低，符合氮浓度稀释理论。建立了基于 LBM 的西北内陆区（新疆南疆中熟棉区）盐碱地滴灌棉花临界氮稀释曲线（ 新陆中 55 号：LBM ≥ 1.02 t/hm2，LNCc= 3.41× LBM-0.38、LBM<1.02 t/hm2，LNCc=2.18%；新陆中 78 号： LBM ≥ 1.07 t/hm2，LNCc=4.08×LBM-0.43、LBM<1.07 t/hm2，LNCc=2.61%）。
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（2）模型检验结果表明，基于 LBM 的临界氮稀释曲线模型在西北内陆区（新疆南疆中熟棉区） 盐碱地滴灌棉田具有较好的适应性和稳定性，可用于南疆中熟棉区盐碱地滴灌棉花氮状况诊断与评价，推导出的 LNNI 对新陆中 55 号和 78 号适宜氮水平诊断结果均以 300 kg/hm2 处理最优。
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（3）明确 LNC 与 Y 和 Nlevel 的定量关系，得到盐碱地条件下新陆中 55 号和 78 号施氮量范围分别在 313.3～380.0、335.0～385.0 kg/hm2 间变化，这与氮水平和产量拟合结果一致，与当地氮肥用量基本相符。
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摘要
为验证基于叶片生物量的西北内陆区（新疆南疆中熟棉区）盐碱地滴灌棉花临界氮稀释曲线年际间的稳定性和适应性，明确叶氮营养指数（LNNI）模型、叶片氮浓度（LNC）、氮水平（Nlevel）和籽棉产量（Y）间的关系模型对西北内陆区（新疆南疆中熟棉区）盐碱地滴灌棉花氮状况和适宜施氮量诊断、评价结果的一致性，通过 2 年定位 5 个氮水平（0、75、150、300、450 kg/hm2 ）的田间试验，建立了基于叶片生物量（LBM）不同棉花品种的临界氮（LNCc）稀释曲线、LNNI 及 LNC 与 Nlevel 和 Y 间的关系模型。结果表明：（1）LNC 与 LBM 符合幂指数关系，模型可分为两部分描述：新陆中 55 号（当 LBM ≥ 1.02 t/hm2 时，LNCc=3.41×LBM-0.38；LBM<1.02 t/hm2 时，LNCc=2.18%），新陆中 78 号（ 当 LBM ≥ 1.07 t/hm2 时，LNCc=4.08×LBM-0.43； 当 LBM<1.07 t/hm2 时， LNCc=2.61%）；（2）新陆中 55 号和 78 号 LNCc 基于 1∶1 直线的 R2 、RMSE、ME 分别为 0.941、0.116 g/100 g、0.944 和 0.975、0.088 g/100 g、0.975，年际间具有较好的稳定性和适应性；（3）不同年际间，氮水平下新陆中 55 号和 78 号 LNNI 分别在 0.76 ～ 1.12、0.70 ～ 1.09 间波动，LNNI 模型对新陆中 55 号和 78 号适宜氮水平诊断结果均以 300 kg/hm2 处理最优；（4）LNC 与 Nlevel 和 Y 关系模型得到新陆中 55 号和 78 号结铃期（BS）、吐絮期（OS）的 LNC 和 Y 分别为 2.32%、1.95% 和 5850、5860 kg/hm2 及 2.30%、1.99% 和 6070、5970 kg/hm2 ，适宜施氮量范围在 313.3 ～ 380.0、335.0 ～ 385.0 kg/hm2 之间，这与氮水平和籽棉产量关系模型对新陆中 55 号和 78 号的适宜施氮量评价结果基本一致。研究结果可为西北内陆区（新疆南疆中熟棉区）盐碱地滴灌棉花氮状况精确诊断和适宜施氮量评价提供理论依据和方法参考。
Abstract
The interannual stability and adaptability of the critical nitrogen dilution curve（LNCc）of drip-irrigated cotton in alkaline soil in northwest inland region（medium-ripe cotton region in Southern Xinjiang）were verified based on leaf biomass （LBM）. The consistency of nitrogen nutrition status and the dosage of nitrogen fertilizer by leaf nitrogen nutrition index（LNNI） model，the relationship model of leaf nitrogen concentration，nitrogen levels（Nlevel）and seed cotton yield（Y）for alkaline soil drip-irrigated cotton in northwest inland region（medium-ripe cotton region in Southern Xinjiang）were clarified. This study was conducted based on two-year field experiment with five nitrogen levels（0，75，150，300，450 kg/hm2 ）and two cotton cultivars（Xinluzhong55，Xinluzhong78）. LNCc，LNNI and the relationship model of leaf nitrogen concentration and nitrogen levels were established based on LBM of different cotton varieties. The results showed that：（1）The relationship between LNC and LBM could be described by the power equation，and the model described as two parts（for Xinluzhong55： if LBM ≥ 1.02 t/hm2 ，LNCc=3.41×LBM-0.38，while if LBM<1.02 t/hm2 ，LNCc=2.18%；for Xinluzhong78：if LBM ≥ 1.07 t/hm2 ，LNCc=4.08×LBM-0.43，while if LBM<1.07 t/hm2 ，LNCc=2.61%）.（2）Model validation with independent crop growth data showed that the LNCc of alkaline soil drip-irrigated cotton was simulated satisfactorily. Root mean square error （RMSE）and modelling efficiency indexes（ME）of two cotton cultivars（Xinluzhong55，Xinluzhong78）simulated and observed LNCc based on the 1∶1 line were 0.941，0.116 g/100 g，0.944 and 0.975，0.088 g/100 g，0.975，respectively， with fine stability and adaptability among years.（3）The LNNI of Xinluzhong55，Xinluzhong78 ranged from 0.76 ～ 1.12， 0.70 ～ 1.09 with different years and nitrogen levels，respectively，and the LNNI model resulted in the suitable levels of N 300 kg/hm2 for both Xinluzhong 55 and 78.（4）Based on the relational model of LNC and Nlevel and Y，the LNC and Y during the boll setting period（BS）and boll opening period（OS）were 2.32%，1.95%，5850，5860 kg/hm2 ，and 2.30%，1.99%， 6070，5970 kg/hm2 ，respectively. The suitable nitrogen application range was between 313.3~380.0 and 335.0~385.0 kg/hm2 . This was basically consistent with the evaluation results of the appropriate nitrogen application rates for Xinluzhong 55 and 78 using the nitrogen level and seed cotton yield relationship model. The results can provide theoretical basis and method reference for accurate diagnosis of nitrogen status and appropriate nitrogen application evaluation in alkaline soil with dripirrigated cotton in Northwest inland region（medium-ripe cotton region in Southern Xinjiang）.