施氮量對成都平原直播油菜氮肥利用率和農(nóng)田氮素表觀平衡的影響

張芳芳，胡 躍，劉士山，楊云飛，嚴紅梅，吳永成，2，3*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，成都 611130；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，成都 611130；3.作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室，成都 611130）

油菜是我國重要的油料作物之一，菜籽油是我國食用植物油的主要來源之一，發(fā)展油菜生產(chǎn)的意義重大[1]。四川省是我國油菜的主要產(chǎn)區(qū)之一，該區(qū)域主要通過與水稻復種，進行冬油菜種植[2]。油菜對氮素需求量較高[3]，合適的氮肥施用可使油菜增產(chǎn)達20%[4-6]，農(nóng)戶往往為了追求高產(chǎn)而增施氮肥，但一味地增施氮肥不僅會導致氮肥利用率降低[7]，還會使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氮素盈余增加帶來不良環(huán)境問題[8]。因此，兼顧產(chǎn)量、氮肥利用率和農(nóng)田環(huán)境的適宜氮肥施用量研究已成為四川成都平原區(qū)油菜生產(chǎn)亟待解決的問題。

氮素平衡被認為是最主要的農(nóng)田環(huán)境優(yōu)良的指標，過多的氮素排放到農(nóng)田將會破壞環(huán)境生物多樣性，水資源質(zhì)量等[9]。目前關(guān)于油菜施氮的研究主要集中在氮肥與密度、產(chǎn)量和氮肥利用差異等方面[10-15]，有關(guān)土壤氮平衡的研究多見報道于小麥、玉米、水稻等[16-18]作物，而在稻-油復種當中，油菜氮肥利用率變化、農(nóng)田氮素表觀平衡以及氮素盈余等相關(guān)研究鮮有報道。另外，上述研究受試驗點的環(huán)境，特別是土壤理化性質(zhì)影響較大。

本試驗在成都平原區(qū)稻茬直播條件下進行，通過2a大田定位試驗，以期為四川省稻田直播冬油菜的氮肥合理施用提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地點

試驗于2015年10月—2017年5月在四川省廣漢市西高鎮(zhèn)進行定位試驗。該區(qū)域?qū)僦衼啛釒駶櫄夂騾^(qū)，年均氣溫16.3℃，年均降水量890.8 mm，年均日照時數(shù)1 229.2 h，年均無霜期281 d以上。試驗前茬為水稻，試驗土壤為水稻土，2015年油菜試驗前對耕作層0～20 cm土壤進行取樣分析測試，土壤基礎(chǔ)肥力為：pH值6.05，有機質(zhì)38.8 g/kg，全氮2.17 g/kg，銨態(tài)氮7.87 mg/kg，硝態(tài)氮18.26 mg/kg，速效磷16.38 mg/kg，速效鉀30.8 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試品種：四川省主栽品種“川油36”，由四川省農(nóng)業(yè)科學研究院提供。

供試肥料：氮肥為普通尿素（N的質(zhì)量分數(shù)為46.7%），由河南心連心化肥有限公司提供；磷肥為過磷酸鈣（P2O5的質(zhì)量分數(shù)為12%），由江蘇美樂肥料有限公司提供；鉀肥為氯化鉀（K2O的質(zhì)量分數(shù)為60%），由中農(nóng)集團控股股份有限公司提供；硼肥為硼砂（B的質(zhì)量分數(shù)為10.8%），由上海益田生物科技有限公司提供。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采取單因素隨機區(qū)組試驗設(shè)計，設(shè)置5個施氮處理，施氮量分別為 0、135、180、225和270 kg N/hm2（分別以N0、N135、N180、N225、N270表示），重復3次，15個小區(qū)，小區(qū)面積為21 m2（3 m×7 m）。試驗于每年10月上旬采用人工拉線點播，行距33 cm，穴距20 cm，每穴留2株，直播后于3～5葉期定苗，定苗密度為30萬株/hm2。每年5月上旬收獲。

氮肥按底肥：苗期（5∶5）比例施用。磷鉀硼肥施用量分別為P2O560 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2和硼砂15 kg/hm2，作為底肥一次性施入，所有施肥方式均為人工撒施并用鋤頭將肥料與耕層土混勻。其他田間管理措施與當?shù)亓晳T一致。

1.4 取樣及測定

1.4.1 土壤取樣及測定

在試驗前和每一生長季的油菜成熟期用“土壤環(huán)刀取樣器”分別采集0～20 cm土層土樣，采集后裝入自封袋帶回實驗室用于測定0～20 cm土層土壤容重。土壤容重用環(huán)刀法測定，含水率利用烘干法測定[19]。在試驗前采用5點取樣法，各點取0～20 cm耕層土，去除植物殘體等雜質(zhì)后裝入自封袋帶回實驗室用于測定土壤基礎(chǔ)理化性狀。在每一生長季在油菜成熟期每小區(qū)采用5點取樣法，各點取0～20 cm耕層土，組成混合樣1 kg左右，去除植物殘體等雜質(zhì)后裝入自封袋做好標記帶回實驗室，放4℃冰箱儲存，用于測定土壤無機氮含量。土壤基礎(chǔ)理化性狀、土壤無機氮含量參照《土壤農(nóng)化分析》的具體方法測定[19]。

1.4.2 植株取樣及測定

在油菜成熟期的每個小區(qū)取代表性的植株10株進行農(nóng)藝性狀考查，包括株高、分枝部位高度、一次分枝數(shù)[20]。農(nóng)藝性狀考察完后將植株樣分成莖稈、角果和籽粒，放于烘箱中105℃殺青30 min，然后于80℃恒溫烘干至恒重，磨細過0.5 mm篩，用全自動凱氏定氮儀法（FOSS 8400，丹麥）測定各部位全氮含量。

1.4.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成測定

在油菜成熟期對每個小區(qū)取代表性的植株10株進行考種，考察油菜單株有效角果數(shù)、每角果粒數(shù)及千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成指標。分別對各小區(qū)進行人工割稈，晾曬幾天后實收計產(chǎn)，按9%籽粒水分含量折算出單位面積產(chǎn)量。

1.4.4 氮肥利用率相關(guān)計算

（1）氮肥農(nóng)學利用率（nitrogen agronomic effi?ciency，NAE，kg/kg）=（施氮區(qū)作物產(chǎn)量-不施氮區(qū)作物產(chǎn)量）/施氮量；

（2）氮肥偏生產(chǎn)力（nitrogen partial factor produc?tivity，NPFP，kg/kg）=施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量/施氮量；

（3）氮肥貢獻率（nitrogen contribution rate，NCR，%）=（施氮肥區(qū)作物產(chǎn)量-不施氮肥區(qū)作物產(chǎn)量）×100/施氮肥區(qū)產(chǎn)量；

（4）氮肥表觀利用率（nitrogen apparent recovery efficiency，NARE，%）=（施氮肥區(qū)作物吸氮量-不施氮肥區(qū)作物吸氮量）×100/施氮量[21]。

1.4.5 氮素平衡相關(guān)計算

氮素表觀平衡為氮投入與氮輸出之差[22]。參照文獻[23-25]中有關(guān)氮平衡的計算方法，不考慮種子、降水和大氣沉降等帶入的養(yǎng)分，將氮投入分為肥料氮的施入量、播前土壤無機氮量和氮凈礦化量；不考慮因淋洗、揮發(fā)和反消化造成等的養(yǎng)分損失，氮輸出分為作物吸氮量、土壤無機氮殘留量。各參數(shù)計算公式如下：

（1）土壤硝態(tài)氮（銨態(tài)氮）累積量（kg/hm2）=土層厚度×土壤容重×土壤硝態(tài)氮（銨態(tài)氮）含量/10，式中土層厚度指0～20 cm耕層土層，土壤容重指0～20 cm土層的土壤容重；

（2）土壤氮素凈礦化量（kg/hm2）=不施氮區(qū)作物吸氮量+不施氮區(qū)土壤無機氮殘留量-不施氮區(qū)播前土壤無機氮累積量，式中土壤無機氮殘留量為0～20 cm土層土壤無機氮累積量；

（3）氮素表觀損失量（kg/hm2）=（施氮量+土壤起始無機氮累積量+土壤氮素凈礦化量）-（作物吸氮量+收獲后土壤無機氮殘留量）；

（4）氮素盈余量（kg/hm2）=氮素表觀損失量+收獲后土壤無機氮殘留量；

（5）氮肥表觀殘留率（nitrogen apparent residual rate，NARR，%）=（施氮區(qū)土壤無機氮殘留量-不施氮區(qū)土壤無機氮殘留量）×100/施氮量；

（6）氮肥表觀損失率（nitrogen apparent loss rate，NALR，%）=100%-氮肥表觀利用率-氮肥表觀殘留率[23-25]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)基本統(tǒng)計，利用SPSS 19.0進行差異顯著性檢驗和方差分析（LSD）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對直播油菜產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀的影響

由表1可知，與不施氮處理（N0）相比，增施氮肥顯著提高了油菜株高和分枝部位高度，但各施氮處理之間差異不明顯，兩年趨勢基本一致。另外氮肥顯著增加了單株角果數(shù)，2015—2016年間與N0處理相比分別增加37.05%、65.13%、88.70%和59.40%，最大值出現(xiàn)在N225處理。2016—2017年間同比增加88.21%、163.38%、183.97%和205.26%，最大值出現(xiàn)在N270處理。與N0處理相比，增施氮肥能顯著增加直播油菜籽粒產(chǎn)量，但千粒重無明顯差異，同時各增施氮肥處理（N135、N180、N225、N270）之間無明顯差異，兩年試驗結(jié)果趨勢相同。在施氮量135～270 kg N/hm2范圍內(nèi)，兩年試驗的籽粒產(chǎn)量極差分別為214.04、280.71 kg/hm2。

表1 不同施氮量對直播油菜產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀的影響Table 1 Effects of different nitrogen application rates on yield and agronomic characters of direct seeding rapeseed

2.2 不同施氮量對氮肥利用率的影響

由表2可知，在2015—2016年，隨著施氮量的增加，氮肥農(nóng)學利用率與氮肥偏生產(chǎn)力呈下降趨勢，且各施氮處理（N135、N180、N225、N270）之間存在顯著差異。2016—2017年氮肥農(nóng)學利用率與氮肥偏生產(chǎn)力與2015—2016年的試驗結(jié)果趨勢相同。兩年的試驗表明，施氮量對氮肥貢獻率均無顯著影響。

表2 不同施氮量對油菜氮素利用的影響Table 2 Effects of different nitrogen application rates on nitrogen utilization in rapeseed

2.3 不同施氮量對農(nóng)田氮素表觀平衡的影響

兩年農(nóng)田氮素表觀平衡結(jié)果分析表明（表3），在氮素輸入項中，以施氮用量為主，分別占氮輸入總量的65.81%～79.38%、63.20%～77.03%。而氮素輸出項中，以作物吸收量為主，分別占氮輸出總量的79.49%～87.64%、78.36%～83.02%。當施氮量為135～180 kg N/hm2時，氮輸出總量與氮輸入總量差異不大，因而氮素表觀損失較低甚至出現(xiàn)負值。而當施氮量為225～270 kg N/hm2時，氮輸入總量遠大于氮輸出總量，導致氮素表觀損失較高。2015—2016年作物收獲后土壤無機氮殘留以N225處理殘留最多，占氮輸出總量的20.51%；而2016—2017年以N270處理殘留最多，占氮輸出總量的16.97%。兩年間在施氮量為180 kg N/hm2及以下時，氮素盈余以土壤無機氮殘留為主，氮素盈余較低，但當施氮量為超過180 kg N/hm2時，作物吸收量并未隨著施氮量的增加而明顯上升，而氮素盈余隨著施氮量的增加而上升。并且第2年的氮素表觀損失和氮素盈余均高于第1年相同施氮處理。

表3 不同施氮量對直播油菜田氮素表觀平衡的影響Table 3 Effects of different nitrogen application rates on apparent nitrogen balance in direct seeding rapeseed fields kg?hm-2

2.4 施氮對直播油菜氮肥表觀、殘留及損失的影響

兩年試驗的氮肥表觀殘留、氮肥表觀利用及氮肥表觀損失率變化趨勢基本一致（表4）。隨施氮量（N135、N180、N225、N270）增加，氮肥表觀利用率和氮肥表觀殘留率均呈先上升后下降的趨勢。當施氮量為225 kg N/hm2時，氮肥表觀利用率達到最大值，分別為63.20%、41.68%。氮肥表觀損失率隨著施氮量的增加總體上表現(xiàn)為下降趨勢。

表4 不同施氮量對直播油菜氮肥表觀利用、殘留和損失率的影響Table 4 Effects of different nitrogen application rates on apparent utilization,residue and loss of nitrogen fertilizer in direct seeding rapeseed %

3 討論

合理運籌氮肥提高作物產(chǎn)量一直是作物栽培研究的重要課題，但施氮量與作物吸收量并不是呈完全正相關(guān)[26]，存在著一個適宜范圍，一旦超過界限作物對氮肥的吸收量不僅不會增加還會降低，進一步造成資源浪費和生態(tài)破壞[27-28]。其主要原因便是農(nóng)田氮肥輸入與輸出的失衡，研究直播油菜下氮肥利用，農(nóng)田氮素表觀平衡不僅能為合理施肥提供科學依據(jù)還能為環(huán)境生態(tài)科學研究提供基礎(chǔ)理論。

3.1 不同施氮量對直播油菜氮肥利用率的影響

油菜作為高需氮作物[11]對氮肥的吸收與利用是合理施肥的重要衡量指標[29-30]。已有研究表明，不同施氮水平下作物氮素利用率有所不同[31-32]。本研究表明隨著施氮量的增加氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力均呈下降趨勢，這與劉寶林等[33]在江西省稻——油復種試驗區(qū)的研究結(jié)果略有差異，該研究指出氮肥農(nóng)學利用率隨施氮量的增加表現(xiàn)為先增加后降低，而氮肥偏生產(chǎn)力變化與本研究結(jié)果一致，這可能是由不同品種或土壤或生態(tài)環(huán)境差異造成。本研究表明氮肥貢獻率雖然隨著施氮量的增加而上升但差異不明顯，與劉士山等[34]的研究結(jié)論相近。表明油菜在稻田直播條件下氮肥貢獻率受到的影響較小，氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力變化較大。

3.2 不同施氮量對直播油菜農(nóng)田氮素表觀平衡的影響

相關(guān)研究表明，過多地施氮肥用量會造成土壤中氮素盈余[35]。這些氮素的基本去向一般分為兩種：一是被其他作物吸收；二是以氨揮發(fā)、硝化-反硝化、淋洗或徑流等其他途徑損失，但仍有一部分殘留在土壤中[36]。過多的氮肥施用量既不利于作物生長發(fā)育，也會造成資源浪費，特別是會對農(nóng)田土壤生態(tài)造成破壞[24,37]。因此，在研究氮肥運籌是否合理時不僅要考慮作物的高產(chǎn)增收，對土壤氮素平衡也應(yīng)予重視。

本試驗條件下，對直播油菜氮素平衡研究結(jié)果表明，不同施氮量（135～270 kg N/hm2）下，2015—2016年直播油菜土壤無機氮殘留量為31.34～54.91 kg/hm2；而2016—2017年土壤無機氮殘留量為36.14～49.5 kg/hm2。其中高氮肥用量（225～270 kg N/hm2）的土壤無機氮殘留量明顯高于低氮肥用量（135～180 kg N/hm2），各施氮處理中以N135和N180處理的氮輸入和氮輸出基本保持平衡。當?shù)视昧繛?25 kg N/hm2時，于2016—2017年間氮素盈余到達最高114.71 kg/hm2，氮素表觀損失量到達最高74.8 kg/hm2。姜麗娜等[38]研究氮肥對麥田氮素平衡的影響得出施氮量為220 kg N/hm2時，氮素投入與氮素輸出保持平衡，故能降低大量氮素損失到環(huán)境中的風險，這與本試驗N180處理施肥量情況接近。劉瑞等[39]結(jié)合夏玉米-土壤系統(tǒng)研究農(nóng)田氮素平衡表明，土壤氮素平衡值隨施氮量的增加而逐漸增大。其中，當施氮量為90～150 kg N/hm2時，土壤氮素基本達到平衡，而本研究兩年間氮素盈余最低值分別出現(xiàn)在N180和N135處理；當施氮量達270～450 kg N/hm2時，土壤氮素有明顯盈余與本研究（高施氮處理N225和N270下氮素盈余偏高均超過100 kg/hm2）趨勢基本一致。證明在油菜中隨著施氮量的增加，氮素盈余也會隨之增加。葉東靖和候云鵬等[40-41]分別對春玉米和水稻研究表明在不同施氮處理中，以施氮180 kg N/hm2處理氮素表觀損失量最少，氮素輸入與氮素輸出基本保持平衡。本研究發(fā)現(xiàn)在N135低氮處理下氮肥表觀損失量最少，但損失率最高，同時氮肥表觀利用率也最低。說明油菜對氮肥的吸收利用是一個復雜的過程，從增產(chǎn)效應(yīng)、氮肥利用和農(nóng)田氮素平衡等方面綜合評價氮肥運籌很有必要。

基于上述結(jié)果，施氮量控制在135～180 kg N/hm2范圍內(nèi)，農(nóng)田氮肥表觀損失量和氮素盈余量均低，并且氮肥表觀殘留率偏低，氮肥表觀利用率較高，有利于減少氮肥損失，降低土壤氮素盈余，減少環(huán)境破壞維持農(nóng)田生態(tài)。

4 結(jié)論

施氮量對直播油菜的產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀、氮素利用及農(nóng)田氮素表觀平衡影響明顯。氮肥主要通過增加油菜植株角果數(shù)以促進增產(chǎn)（本研究中以N180處理增產(chǎn)效果為優(yōu)），但施氮量過高氮肥農(nóng)學利用率，氮肥偏生產(chǎn)力隨之降低。氮肥表觀損失量和氮素盈余量增加，導致農(nóng)田氮素失衡。因此，綜合考慮提高產(chǎn)量，提高氮肥利用效率減少氮素盈余，在目前生產(chǎn)水平下，成都平原稻——油復種中，直播油菜高產(chǎn)、氮肥高效利用且環(huán)境友好的施氮量為180 kg N/hm2。