水氮耦合對油菜生長及氮肥利用效率的影響

張 賽, 王龍昌, 陳 嬌, 石 超

(西南大學農學與生物科技學院，三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，南方山地農業教育部工程研究中心，重慶 400716)

據統計，全國2013年化肥施用量5 912萬t(折純)，農作物每666.7m2化肥用量21.9 kg，而世界平均水平僅僅只有8 kg，中國是美國的2.6倍，是歐盟的2.5倍；當季氮肥利用率只有30%～35%，而美歐可以達到50%～60%?？茖W施肥是保證作物穩產高產、減少環境污染破壞的重要前提。在化肥使用量零增長行動方案等政策主導下，化肥消費量持續下降，然而由于近年來不合理施用化肥尤其是重氮肥輕磷鉀肥、重化肥輕有機肥、重大量元素肥料輕中微量元素肥料的“三重三輕”做法，導致氮肥的利用率普遍不高。氮肥施入農田后的去向基本有3個：被作物吸收即氮肥的當季利用率、殘留在土壤中以及通過不同機制和途徑損失。氮肥施用量的確定應采用宏觀控制與微觀調節的方式[1]，即宏觀控制施氮量與土壤-植株測試推薦施氮量相結合。宏觀控制施氮量是指在特定地區、一定的種植制度下，施氮量應該有一個范圍，這個范圍對目前農戶盲目過量施氮具有重要的指導意義。根據文獻資料顯示，西南地區油菜(BrassicanapusL.)施氮量在180 kg·hm-2時，平均可以達到2 001～2 087 kg·hm-2的產量水平，地上部分干重可達7 042～7 422 kg·hm-2[2-3]。實行宏觀控制施氮量對油菜生產上大面積將氮肥用量降低到適宜的范圍具有重要的現實意義。同時，通過土壤-植株測試進行推薦施氮，在目前的小規模經營體系下由于各個地塊的差異而引起的肥力不同，可實現氮肥的精確調控。水氮耦合是水分和氮肥相互作用、共同影響作物生長發育及氮肥利用效率的現象[4]。國內外學者圍繞水肥耦合對作物的生長進行了廣泛而深入的研究并最終提出了“以肥調水、以水促肥”的觀點[5-8]，但是大多數集中在地上部分[9]，缺乏對地上和地下部分的系統研究，從土壤-作物系統整體出發研究氮素的吸收轉移較為鮮見。因此，在當今倡導化肥使用量零增長大背景下，通過水氮耦合微觀控制實驗，探討不同水氮組合下油菜生長及氮素吸收利用規律，為西南地區油菜栽培管理實現氮肥的精確調控提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗采取盆栽方式，供試作物為油菜，供試土壤來源于西南大學教學試驗農場0～20 cm土層(2015—2016年度)和2號溫室水槽內0～20 cm土層(2016—2017年度)，土壤類型均屬于旱地紫色土，田間持水量為31%。設置水分梯度3個(田間持水量的90%、70%、50%，分別用W1、W2、W3表示)，氮肥水平3個(正常施氮量的150%、100%和50%，分別用N1、N2、N3表示)，共10個處理，分別為W1N1、W1N2、W1N3、W2N1、W2N2、W2N3、W3N1、W3N2、W3N3、CK(田間持水量的70%+不施肥)，每個處理重復3次。在整個試驗時期，通過稱重法來監測和控制水分含量。試驗盆缽由PVC管制成，圓柱形，高20 cm，直徑15 cm，每個盆缽裝過5 mm篩的風干土樣4 kg，具體施肥方案如表1，氮、磷、鉀的施用量以干土計算。肥料在油菜移栽之前和土壤混勻后裝盆，提前一天澆透水。每盆移栽1株油菜，總共120盆。

1.2 指標測定

在油菜苗期、蕾薹期、角果期和成熟期分別測定其株高、莖粗、地上及地下干物質積累；油菜根系生長動態變化，包括根長、根直徑、根體積和根表面積等指標以及油菜植株各部位和土壤的全N含量。在油菜每個關鍵生育期取植株3株，從基部剪斷，將全部土壤反復過2 mm篩，挑出根系，把挑出的根連同附著于根上的土壤用水浸泡，輕輕振蕩，20 min后過1 mm篩，并把篩上的根系沖洗干凈。所有根系先用根系掃描儀分析，然后將作物地上部分和根系分別在105℃殺青30 min，60℃下烘干，稱干重后縮分研磨，過0.15 mm篩備用。土壤風干保存備用。其中植株和土壤全氮含量采用凱氏定氮儀測定。

表1 2015—2017年油菜盆栽試驗土壤基礎含氮量及施肥水平

1.3 數據處理[2,10]

(1)植株氮總累積量U(kg·hm-2)=[根系生物量(kg·hm-2)×根系氮素含量(%)+莖稈生物量(kg·hm-2)×莖稈氮素含量(%)+角果皮生物量(kg·hm-2)×角果皮氮素含量(%)+籽粒生物量(kg·hm-2)×子粒氮素含量(%)]

(2)氮素收獲指數NHI(kg·kg-1)=子粒吸氮量/植株總吸氮量

(3)收獲指數HI(kg·kg-1)=籽粒產量/植株總產量

(4)氮肥偏生產力PFPN=Y/F，指單位投入的肥料氮所能生產的作物籽粒產量。

(5)氮肥農學效率AEN(kg·kg-1)=(Y-Y0)/F，指單位施氮量所增加的作物籽粒產量。

(6)氮肥表觀利用率REN(%)=(U-U0)/F×100，反映了作物對施入土壤中的肥料氮的回收效率。

(7)氮肥生理利用率PEN(kg·kg-1)=(Y-Y0)/(U-U0)，是指作物每吸收單位肥料的氮所獲得的籽粒產量的增加量。

(8)氮肥利用率NUE(%)=植株氮吸收量/(施氮量+初始土壤含氮量)×100%

(9)增產率(%)=(Y-Y0)/Y0×100

式中，Y表示施氮后所獲得的籽粒產量(kg·hm-2)，Y0表示不施氮條件下籽粒產量(kg·hm-2)，F代表施氮量(kg·hm-2)，U表示施氮下作物收獲期植株總吸氮量(kg·hm-2)，U0表示不施氮條件下的植株總吸氮量(kg·hm-2)。不同處理的油菜生長性狀及全N含量的差異性采用一維方差分析。所有數據處理在SPSS 17.0和Excel 2007中完成統計分析與制圖。

2 結果與分析

2.1 油菜生長性狀與產量

2.1.1 不同水氮處理對油菜單株產量的影響 圖1顯示在盆栽試驗條件下，油菜單株產量對水氮因素的響應規律在兩個年度試驗中表現基本一致，即隨著土壤水分的增加呈增加趨勢，在同一水分梯度下受施氮水平的影響差異不顯著，說明水氮處理對油菜產量的影響在年度間具有較好的重演性。第二年的單株產量低于第一年的數據，究其原因可能是因為第一年油菜施肥采取的基肥+追肥方式，第二年采取一次性施肥，施肥總量雖然保持一致，但是由于肥料的有效性有限，導致兩年的產量不一致。下文主要取2015—2016年度的數據作進一步分析。

圖1 水氮耦合對油菜單株產量的影響Fig.1 Effect of coupled irrigation and nitrogen on yield of rapeseed (Brassica napus L.)

與對照CK相比(表2)，當土壤處于中等水分條件時產量會隨著施入氮肥的增加而增加，但是高、中、低氮水平的產量差異并不顯著，說明此時各處理的氮肥均充足，而土壤水分是油菜增產的限制因素；再增加土壤水分含量時，增產率可以達到114.43%～144.11%；而減少土壤水分時，高氮條件下顯著降低產量60.82%。收獲指數HI和氮素收獲指數NHI隨著施氮量的增加呈下降趨勢，隨土壤含水量增加呈增加趨勢。植株氮總累積量與施氮量和土壤含水量均呈正相關關系。因此，施肥過多不僅肥料利用率低，而且易造成營養器官比例加大，生物產量增加，油菜雖然可以獲得較大的干物質和氮素累積，但不能適時向生殖器官轉移，產量降低。

2.1.2 不同水氮處理下油菜生長性狀動態變化 圖2對油菜苗期、蕾薹期、角果期和成熟期的株高、莖粗進行測定分析發現，在不同生育期株高、莖粗均隨著施氮量的增加而增加，而同一施氮水平下株高和莖粗隨土壤含水量的增減無顯著變化。因此，水氮因素對油菜株高、莖粗的影響主要以氮素為主。

表2 不同水氮處理下油菜收獲指數及增產率

注：不同小寫字母表示同一生育期內不同水氮處理下各指標的差異達到顯著水平，下同。Note: Different lowercase letters denote significant difference between treatments at 5% probability level. The same below.圖2 油菜株高、莖粗對不同水氮的響應Fig.2 The response of height and stem diameter to different water and nitrogen

表3分析了油菜不同生育期的葉片數與有效分枝數受水氮因素的影響，結果顯示隨著生育期的推進，水氮對葉片數量的影響程度增強，苗期各處理下葉片數沒有顯著差異，到了蕾薹期時優先在低水低氮處理顯著下降，角果期時同一水分梯度下低氮處理顯著低于中、高氮處理。因此，葉片數量在油菜生長后期時容易因施氮不足導致其數量顯著減少。有效分枝數隨施氮量的減少而減少，二次有效分枝數表現更為顯著。

綜上所述油菜株高、莖粗、葉片數、有效分枝數對水分因素不敏感，主要受氮素影響。

2.1.3 油菜不同生育期的根系特征 由表4可知，各處理下油菜的根長和根表面積的差異不大，根直徑和根體積在油菜的生育后期差異開始顯著，表現為隨著土壤含水量的下降而下降，隨著施氮量的減少而下降。通過對油菜成熟期的根系形態指標進行顯著性檢驗發現，根直徑和根體積在高水分管理下隨著施氮量的增加而增加；但是中等水分和低水分情況下各施氮量對它們幾乎沒有影響。因此，當土壤含水量達到較高水平時，本實驗中達到田間最大持水量的90%，施氮量才對根系形態特征指標產生影響。

2.2 油菜植株與土壤全氮含量變化

由圖3看出，油菜不同器官的含氮量依次為根10～20 g·kg-1，莖20 g·kg-1，葉40 g·kg-1，籽粒40～60 g·kg-1，蕾70 g·kg-1。苗期施氮量和土壤水分管理對莖、葉含氮量的影響較大，但是對根的影響不大。蕾薹期低氮處理下根的氮含量有了明顯下降，中高氮差異不明顯；水分管理差異不顯著。花果期和成熟期低水分管理下促進了氮素營養的吸收。隨著施氮量減少各器官全氮含量呈現減少趨勢。

圖3顯示不施肥處理(CK)的油菜各部位全氮含量均為最低，而低水分高氮肥處理(W3N1)的均最高。 在同一水分管理下，各器官的全氮含量均隨著施氮量的增加而增加，尤其在角果皮部位各處理均達到顯著水平。在籽粒上，除了低水分下的不同氮肥達到顯著水平外，高水分和中水分下高、中氮的處理差異不顯著。 因此，解除了水分脅迫后，當氮肥達到中等水平后，油菜的籽粒對氮素的吸收趨于飽和，不會隨著氮肥的增施而增多。但是角果皮的吸收氮素能力還在增加，但最終并沒有轉移到籽粒上去。

土壤含氮量的變化規律為：苗期不同處理下土壤含氮量差異不大(圖4)。蕾薹期時由于追肥土壤含氮量在不同氮肥梯度下呈現由高到低的趨勢，但是土壤水分管理對土壤含氮量的影響不大。花果期時土壤含氮量差異又變得不顯著。成熟期時不施肥處理(CK)的土壤含氮量最低，其他處理間土壤含氮量差異不顯著?？傮w來看，各個處理下土壤含氮量的差異不顯著，那么可以肯定的是大量的氮肥都被吸收到植株體內了。

2.3 油菜氮肥利用情況

由表5可以看出，氮肥表觀利用率、氮肥偏生產力、氮肥農學效率和氮肥生理利用率均與施氮量呈負相關關系，與土壤含水量呈正相關。W1N3和W2N3表現出較高的氮肥利用效率，其中氮肥表觀利用率在W2N3處理下最大，氮肥偏生產力、氮肥農學效率和氮肥生理利用率均在W1N3處理下最大。因此，從氮肥利用效率角度來看，W1N3處理最優，W2N3次之。根據氮肥農學效率、氮肥生理利用率和氮肥表觀利用率的計算公式推導，可以得出氮肥表觀利用率=氮肥農學效率/氮肥生理利用率×100。在計算氮肥生理利用率的時候，大多學者只考慮了地上部分植株的吸氮量，忽略了根系部分的吸氮，而根系作為植株的一部分，在計算氮肥生理利用率的時候應該考慮進去，不然會造成氮肥生理利用率的高估，進而導致氮肥表觀利用率偏低。

因此，本實驗條件下施氮水平對土壤全氮含量的影響不大，結合圖2分析可以得出：土壤施氮水平主要影響作物的全氮含量，進而可能影響作物的一系列生理生化指標及品質。

表3 油菜葉片數、有效分枝數受水氮因素的影響

表4 油菜不同生育期根系形態特征對水氮因素的影響

圖3 油菜不同器官全氮含量受水肥因素的影響Fig.3 The influence of nitrogen content in different part of plant with water and nitrogen

圖4 油菜整個生育期內土壤全氮含量的動態變化Fig.4 The variation of total soil nitrogen content during the whole growth period of rapeseed

表5 油菜氮肥利用效率

3 討 論

3.1 油菜生長性狀及產量受水氮因素的影響特性

(1)劉波等[12]研究表明油菜葉片數和葉面積在中、低氮(0～180 kg·hm-2)水平時顯著減少，高氮(240～300 kg·hm-2)水平下無明顯差異。也就是說油菜的生長發育性狀指標在一定氮素范圍內與施氮量呈正相關，這在本研究中也得到了驗證。本研究中油菜株高、莖粗、葉片數、有效分枝數對水分因素不敏感，主要受氮素影響。其中葉片數量在油菜生長后期時容易因施氮不足導致其數量顯著減少，有效分枝數隨施氮量的減少而減少，二次有效分枝數表現更為顯著。只有在土壤含水量較高時，施氮量才會對根系產生影響，包括根系形態特征和根系干物質量，即油菜根系的影響表現為水分作用>氮素作用。石小虎[13]在水氮供應對番茄根系的影響研究上也得到類似的結論，但劉世全等[14]對小南瓜根系的研究結果則是氮素作用>水分作用。這可能由于作物類型和施肥方式的不同導致。生物量的積累不是隨著施氮量的增加而無限制增加，在一定范圍內施氮越多地上及地下干物質積累越多，但是超過某一氮肥用量后則表現為下降。趙國蘋等[15]在盆栽油菜苗期的研究中也得出一致的結論，并給出了最優組合為水分含量控制在田間持水量的80%、施氮量為0.24 g·kg-1。本研究中W1N2處理下地上及根系干物質量積累均達到最大。

呂麗華等[16]研究表明在供水條件較差時，水分是肥效發揮的限制因素，增施氮肥對增產無效甚至引起產量的降低。本研究結果也表明，在低水分條件下增加氮肥投入造成減產7.93%～60.82%，氮肥用量越多減產越多。當土壤含水量達到較高水平時，施氮量才對根系形態特征指標、根系干物質量產生影響；且對地上部分的生物量的影響也是隨著土壤含水量的增加而增強。進一步說明了肥效的發揮需要水分作為條件，當水分達到一定程度時才能實現水肥的高效利用。

(2)宋燕燕等[17]在盆栽條件下得出與不施氮相比，施氮顯著提高了油菜植株各器官的氮含量，劉波等[12]研究結果指出漬水處理明顯抑制了冬油菜氮素養分的吸收，說明土壤含水量增加不利于植株養分的吸收，這跟本文的研究結果一致，即油菜植株氮含量隨著施氮量的增加而增加，隨著土壤含水量的增加則呈下降趨勢。油菜產量隨著土壤含水量的增加呈增加趨勢，但是在不同施氮水平下差異不顯著。以往的研究結論均證明增施氮肥有利于產量的提高，而本研究結論與其不一致，究其原因可能是在溫室盆栽條件下，光照不足等原因導致油菜植株吸收的養分沒有最終形成產量，收獲指數偏低，平均0.11 kg·kg-1，而田間栽培下重慶地區冬油菜的收獲指數通常為0.28 kg·kg-1 [2]。

3.2 不同水氮處理下油菜氮肥利用率

氮肥利用效率隨著施氮量的減少而增加，同一施氮水平下隨著土壤含水量的增加而增加。這一結論在高娜等[18]的研究中也得到了驗證。與以往的研究相比，本研究得出的氮肥利用率(氮肥表觀利用率、氮肥偏生產力、氮肥農學效率和氮肥生理利用率)除了氮肥表觀利用率外均在正常范圍內(表6)，但是氮肥生理利用率略微偏低，究其原因一方面是因為其他學者在計算氮肥生理利用率時未考慮根系部分造成該指標一定的高估，另一方面是因為本實驗條件為盆栽，與大田相比植株生長受到一定程度的限制，產量與收獲指數明顯偏低。根據文獻資料顯示，西南地區油菜施氮量在180 kg·hm-2時，平均可以達到2 001～2 087 kg·hm-2的產量水平[2-3]，本研究條件下產量普遍低于平均水平。盧楊[19]在盆栽試驗下得出的氮肥生理利用率也同樣偏低(表6)。氮肥表觀利用率是指投入單位氮被作物吸收的情況，主要反映作物對肥料中氮的吸收能力，卻不能反映作物吸收的氮與作物經濟產量之間的關系。本研究中氮肥表觀利用率遠遠高于其他學者的研究結果，說明在本研究中油菜對肥料氮的吸收能力很強。

4 結 論

1)油菜生長性狀受水肥因素的影響表現為：油菜株高、莖粗、葉片數、有效分枝數對水分因素不敏感，主要受氮素影響。本實驗中，當土壤含水量達到田間最大持水量的90%，施氮量才對根系形態特征指標、根系干物質量產生影響；且對地上部分的生物量的影響也是隨著土壤含水量的增加而增強。綜合考慮本研究中最優水氮組合為W1N3，即灌水水平控制在田間持水量的90%、施氮量為0.12 g·kg-1。

2)油菜土壤-作物吸氮量及產量受水氮因素的影響表現為：在盆栽試驗條件下水氮因素對土壤的全氮含量影響不顯著，主要影響作物的全氮含量。作物氮含量與施氮量呈正相關關系，而與土壤含水量呈負相關；油菜產量在不同施氮水平下差異不顯著，隨著土壤含水量的增加呈增加趨勢。

3)油菜氮肥利用效率受水氮因素的影響表現為：氮肥表觀利用率、氮肥偏生產力、氮肥農學效率和氮肥生理利用率均與施氮量呈負相關，與土壤含水量呈正相關。

表6 不同試驗條件下油菜氮肥利用率比較