氮肥減施對油菜產(chǎn)量、氮素吸收與利用的影響

張 智，喬 艷，劉東海，陳云峰，胡 誠，李雙來

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，湖北 武漢 430064）

油菜的經(jīng)濟(jì)價(jià)值體現(xiàn)在“菜籽油、油菜薹、油菜花、油菜花蜜、飼用油菜、綠肥油菜”方面的普遍應(yīng)用，在世界范圍內(nèi)均有廣泛種植，前景廣闊［1］。過去幾十年以來，我國油菜產(chǎn)量出現(xiàn)了三次大幅度的提高，近年來，油菜籽單產(chǎn)水平基本在1 900 kg/hm2上下波動，處于國際中等水平［2-3］。維持當(dāng)前產(chǎn)量水平穩(wěn)步提升的前提下，提高資源利用效率、減輕環(huán)境壓力，是油菜產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的主要目標(biāo)。油菜對氮肥的依賴性較高，氮肥施用對油菜產(chǎn)量的貢獻(xiàn)尤為突出。由于區(qū)域差異、產(chǎn)量水平、品種等因素的影響，我國油菜氮肥用量為65～325 kg/hm2［4］，而農(nóng)戶實(shí)際施用時(shí)往往會加大用量以保證氮素供應(yīng)，另外，由于部分農(nóng)戶種植積極性不高，施肥不合理，施肥技術(shù)難以下地等現(xiàn)象也普遍存在［5］。這種粗放的氮肥管理措施，不僅會造成產(chǎn)量損失，還會引起一系列的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題。由于油菜是越冬性作物，生育期較長且氣溫較低，氮肥的田間管理應(yīng)以輕簡化和易于操作為準(zhǔn)則，緩/控釋肥料一次性施用技術(shù)的研究與應(yīng)用，對于實(shí)現(xiàn)油菜產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展具有重要意義。

我國農(nóng)業(yè)研究從20世紀(jì)90年代開始關(guān)注緩/控釋肥料，即采用聚合物包膜將尿素包裹在內(nèi)核，從而達(dá)到控制氮素釋放速度的目的［6-7］。國內(nèi)外關(guān)于包膜材料的篩選及其釋放機(jī)制的研究較為普遍，且越來越多的研究將控釋尿素應(yīng)用到大田作物［8］，考慮到成本的問題，實(shí)際生產(chǎn)中緩控釋肥的應(yīng)用仍處于起步階段。在“化肥零增長”、“農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展”等國家行動的背景下［9-10］，系統(tǒng)的研究和評價(jià)控釋尿素在油菜上施用效果，可為油菜籽高產(chǎn)增效提供技術(shù)支撐。為滿足油菜生長的氮素需求，任濤和魯劍?。?］提出了“前促后穩(wěn)”的氮素管理策略，通過調(diào)控氮素的供應(yīng)以保障前期的積累和后期的利用。氮素調(diào)控機(jī)制的核心即“4R”技術(shù)，油菜優(yōu)化氮肥用量為162～200 kg/hm2［11］，基肥采用集中施用的方式、施于8～10 cm處［12］，基施比例控制在50%～60%，于苗期和薹期追施剩余的氮肥［13-14］?？蒯屇蛩厥窃谀蛩乇砻姘簿酆衔锊牧希?］，如硫磺加樹脂雙層包膜，從而達(dá)到定量釋放養(yǎng)分并延長釋放周期，以滿足作物各生育期內(nèi)的養(yǎng)分需求。油菜施用控釋尿素的研究主要集中在最佳用量和最佳尿素配比方面［15-16］，從控釋尿素釋放規(guī)律、籽粒產(chǎn)量與構(gòu)成、油菜生長、氮素吸收與利用、土壤氮素供應(yīng)、氮素?fù)p失等不同角度，對比分析控釋尿素、普通尿素或兩者配施之間的差異［17-19］。

油菜作為氮素需求量較高的作物，直接降低氮肥用量不足以保證油菜各生育階段的氮素需求，氮肥減量難以實(shí)施，為了進(jìn)一步挖掘油菜氮肥減施潛力，控釋尿素因其較長的養(yǎng)分釋放周期使其成為可能，又由于油菜重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，控釋尿素的應(yīng)用前景逐漸開闊。本研究在我國油菜主產(chǎn)區(qū)-長江中游開展連續(xù)6年的田間定位試驗(yàn)，采用油菜-水稻的輪作方式，以180 kg/hm2為氮肥全量施用處理，并設(shè)置減施比例為30%和50%，以及不施氮處理，對比分析普通尿素和控釋尿素對油菜生長、產(chǎn)量、氮素吸收與利用的影響，并探討氮肥減施潛力，為油菜實(shí)現(xiàn)氮肥減量施用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究于2007～2013年連續(xù)6年在湖北省枝江市仙女鎮(zhèn)仙女村（東經(jīng)111°45′26″，北緯30°29′30″）進(jìn)行，種植模式為油菜-水稻輪作。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，每年9月至次年5月油菜生育期內(nèi)氣候特征如圖1所示，平均氣溫為13.6℃，平均年降水量為582 mm。

圖1 油菜生育期內(nèi)氣候特征

1.2 試驗(yàn)材料

供試土壤為白鱔泥田，試驗(yàn)開始前0～20 cm耕層土壤pH為6.15，有機(jī)質(zhì)和全氮分別為22.42和1.16 g/kg，有效磷為7.5 mg/kg，速效鉀為111.8 mg/kg，有效硼為0.71 mg/kg。

試驗(yàn)所用氮肥為普通尿素（代號為U，含N 46%）和控釋尿素（代號為CRU，含N 33%），控釋尿素為硫磺和樹脂雙層包膜的控釋尿素。磷肥為過磷酸鈣（P2O512%）、鉀肥為氯化鉀（K2O 60%）、硼肥為硼砂（B 11%）。

不同年份油菜品種均采用當(dāng)?shù)氐闹魍破贩N，主要包括華油雜9號、華油雜13號、甘油雜1號和南油雜3號。采用移栽的種植方式，密度為每公頃9萬株，于每年9月下旬育苗，10月下旬移栽，次年5月下旬收獲。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

定位試驗(yàn)共設(shè)置7個處理，分別為：不施氮（CK）、普通尿素減氮50%（U-50%）、普通尿素減氮30%（U-30%）、普通尿素全量施用（U）、控釋尿素減氮50%（CRU-50%）、控釋尿素減氮30%（CRU-30%）、控釋尿素全量施用（CRU）。氮肥全量施用為N 180 kg/hm2，氮肥減量50%和30%用量分別為N 90和126 kg/hm2。各處理磷肥、鉀肥和硼砂用量均相同，分別為60、67.5和15 kg/hm2。不同處理普通尿素分3次施用，即50%作基肥、20%作越冬肥、30%作薹肥追施，控釋尿素、磷肥、鉀肥和硼肥均作基肥一次性施用。除施肥措施外，其他田間管理措施均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣保持一致。各處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為20 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。

1.4 樣品采集與測定

苗期（12月下旬，冬至左右）對油菜葉片數(shù)進(jìn)行調(diào)查。每年成熟期對油菜生長與產(chǎn)量構(gòu)成因素進(jìn)行田間調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括株高、根莖粗、分支數(shù)、單株角果數(shù)、角粒數(shù)和千粒重。收獲時(shí)對每個小區(qū)進(jìn)行單打單收并測定籽粒含水率，以曬干后重量表示油菜籽產(chǎn)量。每個小區(qū)取代表性植株8株，105℃殺青，60℃烘干至恒重，磨碎過篩，采用H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮［20］，凱氏定氮儀測定氮素含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=作物產(chǎn)量/氮肥用量

氮肥農(nóng)學(xué)效率（kg/kg）=（施氮處理作物產(chǎn)量-不施氮處理作物產(chǎn)量）/氮肥用量

氮肥回收利用率（%） = （施氮處理作物吸氮量-不施氮處理作物吸氮量）/氮肥用量

數(shù)據(jù)采用Excel 2013軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，Origin 2017軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 油菜苗期葉片數(shù)和成熟期生長狀況

氮肥的施用顯著促進(jìn)了油菜苗期和成熟期的生長，連續(xù)6年的平均結(jié)果如表1所示，所有施氮處理苗期（冬至）葉片數(shù)均顯著高于不施氮處理，且隨著氮肥用量的增加呈現(xiàn)上升的趨勢。與全量氮肥處理相比，無論是普通尿素還是控釋尿素，氮肥減量30%時(shí)苗期葉片數(shù)、成熟期株高和根莖粗差異均未達(dá)到顯著，而減量達(dá)到50%時(shí)則顯著降低。然而，成熟期分枝數(shù)在同一施肥方式下隨氮肥用量的增加而顯著增加（P＜0.05）。總的來看，在氮肥減施比例相同的情況下，控釋尿素處理的油菜長勢要好于普通尿素；氮肥減量30%油菜成熟期株高、根莖粗和分枝數(shù)均能達(dá)到較高的水平，分別為170～180 cm、1.7～1.8 cm和11～12個。

表1 氮肥施用對油菜苗期葉片數(shù)和成熟期生長的影響

2.2 油菜產(chǎn)量及其構(gòu)成因子

連續(xù)6年氮肥減施對油菜籽產(chǎn)量的影響如圖2所示，不施氮處理油菜籽產(chǎn)量平均為861 kg/hm2，不同年份間變幅為735～1 158 kg/hm2。氮肥全量施用時(shí)產(chǎn)量達(dá)到最高，普通尿素和控釋尿素平均分別為2 339和2 513 kg/hm2，約為不施氮處理的3倍，不同年份間兩個處理的產(chǎn)量變異系數(shù)分別為19.2%和17.7%，這可能與油菜品種和當(dāng)年的氣候差異有關(guān)。與氮肥全量施用相比，減量施用均會引起不同程度的產(chǎn)量損失，減施30%時(shí)普通尿素和控釋尿素的產(chǎn)量損失分別為9.2%和5.4%，減施50%時(shí)分別為18.5%和14.5%，說明相同氮肥供應(yīng)條件下普通尿素產(chǎn)量損失高于控釋尿素。氮肥減施50%、減施30%和全量施用時(shí)控釋尿素與普通尿素之間的產(chǎn)量差平均分別為242、253和174 kg/hm2，相對產(chǎn)量差分別為11.2%、10.7%和6.9%，表明控釋尿素在低氮供應(yīng)條件下更具有穩(wěn)定產(chǎn)量的優(yōu)勢。另外，控釋尿素減量30%與普通尿素全量施用處理之間，以及控釋尿素減量50%與普通尿素減量30%處理之間，產(chǎn)量差異不顯著（P＜0.05），表明采用控釋尿素是維持油菜籽產(chǎn)量，挖掘氮肥減施潛力的一種有效途徑。

圖2 氮肥施用對油菜籽產(chǎn)量的影響

油菜籽產(chǎn)量構(gòu)成因子的調(diào)查結(jié)果如表2所示，氮肥減量施用主要影響了油菜的單株角果數(shù)，對每角粒數(shù)和千粒重的影響不明顯。不施氮處理單株角果數(shù)平均僅為166個，遠(yuǎn)低于其他施氮處理。控釋尿素全量施用時(shí)單株角果數(shù)最高，平均為415個，比普通尿素全量施用處理高6.7%。隨著氮肥用量的減少，單株角果數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢，當(dāng)?shù)販p施比例為50%時(shí)，普通尿素處理單株角果數(shù)顯著下降到315個，而控釋尿素減施50%處理仍保持在較高的水平（355個）。另外，不同處理每角粒數(shù)和千粒重均無顯著差異，平均變幅分別為18.4～20.1個和3.47～3.55 g。

表2 氮肥施用對油菜籽產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

2.3 油菜氮素吸收量

不同年份油菜氮素吸收量的結(jié)果如圖3所示，不同處理間表現(xiàn)的規(guī)律與產(chǎn)量結(jié)果類似。連續(xù)6年不施氮處理油菜氮素吸收量平均僅為38.2 kg/hm2，遠(yuǎn)低于其他施氮處理。氮肥全量施用時(shí)氮素吸收量最高，且控釋尿素（142.9 kg/hm2）顯著高于普通尿素處理（121.4 kg/hm2），達(dá)到17.7%。隨著氮肥減施比例的增加，氮素吸收量呈現(xiàn)明顯降低的趨勢。另一方面，當(dāng)控釋尿素氮肥減施30%時(shí)，其氮素吸收量為119.7 kg/hm2，接近于普通尿素氮素全量施用處理；同樣，當(dāng)控釋尿素氮肥減施50%時(shí)，其氮素吸收量接近于普通尿素減施30%處理，說明在維持相同氮素供應(yīng)的條件下，控釋尿素處理油菜氮素吸收能力比普通尿素更高。

圖3 不同年份氮肥施用對油菜氮素吸收量的影響

圖4 氮肥施用對油菜氮肥利用效率的影響

2.4 油菜氮肥利用效率

氮肥偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)效率和回收利用率的6年平均結(jié)果如圖4所示。氮肥偏生產(chǎn)力表示單位氮肥投入所產(chǎn)生的作物產(chǎn)量，是作物產(chǎn)量與氮肥用量的直接比值，因此，受氮肥用量的影響較大；氮肥偏生產(chǎn)力在全量施用（用量為180 kg/hm2）時(shí)，普通尿素和控釋尿素處理平均分別為13.0和14.0 kg/kg，且差異未達(dá)到顯著水平；隨著氮肥用量的降低，偏生產(chǎn)力呈現(xiàn)增加的趨勢，在減施比例達(dá)到50%時(shí)，氮肥偏生產(chǎn)力達(dá)到20 kg/kg以上。氮肥農(nóng)學(xué)效率表示單位氮肥投入所產(chǎn)生的增產(chǎn)量，其表現(xiàn)的規(guī)律與氮肥偏生產(chǎn)力較為一致；氮肥全量施用時(shí)，普通尿素和控釋尿素的農(nóng)學(xué)效率分別為8.0和9.0 kg/kg，均顯著低于相應(yīng)的氮肥減施處理。氮肥回收利用率反映了作物對氮肥的吸收利用狀況；在不同氮肥用量條件下，普通尿素和控釋尿素處理氮肥回收利用率整體表現(xiàn)差異較小，平均變幅分別為46.2%～52.2%和58.2%～66.0%；但在同一氮肥用量條件下，控釋尿素處理普遍高于普通尿素。從另一個角度來看，控釋尿素減氮30%處理的氮肥偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)效率和回收利用率均高于普通尿素全量施用處理，進(jìn)一步表明采用控釋尿素減施氮肥不僅能保證產(chǎn)量，還能提高氮肥利用效率。

3 討論

本研究中，隨著氮肥用量的降低，普通尿素和控釋尿素處理油菜的生長、產(chǎn)量形成和氮素吸收均受到不同程度的抑制，表明足夠的氮肥供應(yīng)是保證油菜籽高產(chǎn)的基礎(chǔ)。但值得一提的是，控釋尿素減施30%處理油菜的生長指標(biāo)和產(chǎn)量構(gòu)成因子均與普通尿素全量施用處理基本持平，以至于兩者產(chǎn)量無顯著差異。因此，在“化肥減施”的大背景下，采用控釋尿素是油菜氮肥減施穩(wěn)定產(chǎn)量的一個有效途徑。本試驗(yàn)條件下，不論是控釋尿素還是普通尿素，氮肥減施均顯著提高了氮肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率，但回收效率并未隨著氮肥的減施而增加，這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)田塊土壤基礎(chǔ)氮素供應(yīng)能力（38.2 kg/hm2）相對較低，處于中低等水平［21］，氮肥減施后油菜吸氮量顯著降低。然而，對比控釋尿素和普通尿素之間的差異可知，控釋尿素減施30%處理氮肥回收效率顯著高于普通尿素全量施用，表明采用控釋尿素可以達(dá)到穩(wěn)定油菜籽產(chǎn)量的同時(shí)提高氮肥效率，即實(shí)現(xiàn)“減施增效”。

匹配肥料氮素供應(yīng)與油菜氮素吸收規(guī)律，是實(shí)現(xiàn)控釋尿素高效一次性施用的關(guān)鍵。根據(jù)油菜籽產(chǎn)量和氮素吸收量大樣本數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，1 000 kg油菜籽的氮素需求量為45.9 kg，高于小麥、水稻等作物［1，22］。油菜的氮素吸收主要集中在苗期，占總吸收量的69%～78%，且主要貯藏在葉片中，為后期的氮素供應(yīng)建立足夠的氮庫。早期有研究表明，油菜冬前期每增加1片綠葉數(shù)，產(chǎn)量提高158 kg/hm2［23］，本研究中，油菜冬至葉片數(shù)每增加1片，普通尿素和控釋尿素處理的產(chǎn)量增幅分別為318和409 kg/hm2（數(shù)據(jù)未顯示），這可能與當(dāng)前高產(chǎn)品種與優(yōu)化田間管理有關(guān)。隨著生育期推進(jìn)，葉片中的氮素逐漸轉(zhuǎn)移到莖稈，以供應(yīng)薹期莖稈和分支的構(gòu)建，普通尿素分次施用一般可滿足前期的氮素需求，控釋尿素因其長效釋放的特性，提高了生育期中后段土壤酶活性和無機(jī)氮的供應(yīng)，使得一次性基施即可達(dá)到甚至高于尿素分次的氮素吸收量［24-25］，本研究中氮肥全量施用時(shí)，控釋尿素油菜吸氮量比尿素分次施用高達(dá)17.7%（圖3）?？蒯屇蛩氐陌げ牧献韪袅藘?nèi)部尿素與土壤中脲酶和水分的接觸，從而降低了氮素?fù)p失［26］，油菜生育期內(nèi)氮素?fù)p失以氨揮發(fā)為主，不同材料控釋尿素較普通尿素可降低氨揮發(fā)8%～23%左右［27］，這正是氮肥高效利用的主要原因。本研究中，由于土壤基礎(chǔ)氮素供應(yīng)能力較低，控釋尿素利用效率平均可達(dá)到60%左右，較普通尿素約提高了10個百分點(diǎn)，這是控釋尿素維持土壤氮素供應(yīng)、促進(jìn)植物氮素吸收、減少氮素?fù)p失等綜合作用的結(jié)果。

通過大樣本數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)［21］，土壤氮素供應(yīng)能力處于中低水平的田塊，油菜最高產(chǎn)量可達(dá)到潛在目標(biāo)產(chǎn)量（3 500 kg/hm2）的70%左右，相當(dāng)于國內(nèi)推薦的平均水平。判斷該環(huán)境條件下油菜氮肥能否在推薦用量的基礎(chǔ)上減量施用，其首要標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)量損失，若產(chǎn)量損失超過潛在目標(biāo)產(chǎn)量的65%，則不能減施，可直接采用全量普通尿素；若產(chǎn)量損失低于潛在目標(biāo)產(chǎn)量的65%，則可以采用控釋尿素進(jìn)行減施；若控釋尿素減施比例在30%（氮肥用量為126 kg/hm2）以內(nèi)，可維持植株氮素吸收量和利用率分別達(dá)到120 kg/hm2和50%以上。

4 結(jié)論

氮肥減量施用在一定程度上抑制了油菜的生長、氮素吸收和產(chǎn)量形成，然而控釋尿素減量30%處理不僅產(chǎn)量和氮素吸收量與普通尿素全量施用處理持平，其氮肥利用效率更是顯著高于后者，且在同等氮肥供應(yīng)條件下，控釋尿素處理油菜氮素吸收與利用能力均高于普通尿素，控釋尿素的施用為油菜氮肥減施增效提供了途徑。在目前國內(nèi)普遍推薦的油菜氮肥用量的基礎(chǔ)上，對于中低土壤供氮田塊，應(yīng)用控釋尿素減量30%以內(nèi)，可維持65%的潛在目標(biāo)產(chǎn)量水平，且氮素吸收量和回收利用率分別可達(dá)到120 kg/hm2和50%以上。