有機無機氮配施對紅壤旱地油菜光化學效率及氮肥利用率的影響

汪瑞清，呂豐娟，胡立勇，肖運萍，魏林根，林洪鑫，張志華

（1.江西省農業科學院 土壤肥料與資源環境研究所/農業農村部長江中下游作物生理生態與耕作重點實驗室/國家紅壤改良工程技術研究中心，江西 南昌 330200；2.華中農業大學 植物科學技術學院，湖北 武漢 430070）

0 引言

我國長江流域是油菜的主要種植區域，但與歐洲相比較，油菜產量和氮素利用效率都較低，制約了油菜種植面積的增長與穩定［1］。研究表明，在我國長江中游地區（湖北、湖南、江西）油菜適宜的氮肥用量為150～270 kg/hm2，該水平下能夠使油菜保持較高的葉面積指數和產量［2-4］，氮肥利用率為34.0%～39.2%［2-7］。因此，需要合理調整施肥技術以提高我國油菜氮肥利用率。

葉綠素熒光動力學技術在研究葉片光合作用過程中對光的吸收、透射、耗散和分布方面具有獨特的作用［8］。氮肥用量是影響作物葉片葉綠素熒光參數的關鍵因素之一［9-10］，適宜的施氮量可以提高葉片中的電子傳遞速率和PSⅡ的實際光化學效率，從而增強葉片的光吸收，促進同化物的積累和轉運，增加作物千粒重［10-11］；可以延緩作物灌漿后期葉片衰老，使作物獲得較好的光合性能，從而提高產量［12-13］；可以有效調節作物氮素的積累和轉運，增加作物氮肥利用率［14］，從而顯著減少作物的氮素損失，獲得更高的經濟和環境效益［15］。有關油菜葉片葉綠素熒光參數的研究主要集中在鋁脅迫［16］、干旱［17］、漬害［18］等處理。

近年來，我國菜籽餅粕年產量在860 萬t 以上［19］。油菜枯餅富含蛋白質，一般含氮量為6%左右，也含有碳水化合物、脂質、礦物質和維生素等多種營養物質。同時，粗纖維、鈣、植酸磷等含量都較高［19］。因此，它不僅是一種重要的植物蛋白質飼料資源，也是一種非常優質的有機肥料，但相關的應用研究報道較少。關于氮肥和栽培因素對油菜產量和氮肥利用率影響的研究報道較多，主要集中在氮肥用量［20］、控釋氮肥用量［21］、氮肥追施時期［22］、不同栽培模式及施氮方式［23］、施氮量與生育期水分脅迫互作等方面［24］。有機無機肥配施是一種有效提高作物產量和氮肥利用率的措施。但關于有機無機肥配施對油菜葉綠素熒光參數、產量形成規律、氮肥利用率的研究報道較少。因此，研究不同施氮量和添加有機含氮肥料對油菜葉片葉綠素熒光參數的影響，有助于了解油菜增產的生理機制。同時，也為進一步探索油菜高產栽培和高氮回收利用率提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料與試驗地點

油菜品種為長江中下游地區大面積應用的華油雜62和華油雜9號，均為華中農業大學選育。試驗地點在江西省南昌市南昌縣良種場（115°57′E，28°30′N）。試驗地為紅壤旱地，前作為西瓜，成土母質為湖積母質，時間為2014年10月～2015年5月。土壤理化性質為pH值5.1、有機質含量為23.46 g/kg、全氮為1.78 g/kg、速效氮為108.80 mg/kg，速效磷為102.08 mg/kg、速效鉀為159.65 mg/kg、有效硼為0.71 mg/kg。

1.2 試驗設計

田間試驗采用單因素隨機區組設計，3次重復。小區面積為15 m2（2 m×7.5 m），周圍有1.5 m寬的保護行。以尿素（46.4% N）為無機氮源、過磷酸鈣（12% P2O5）為無機磷源、氯化鉀（60% K2O）為無機鉀源、硼酸（10% BO33-）為硼源，施用油菜枯餅后減少相應的無機氮、磷、鉀肥用量。設置5個施肥處理：T0（CK1），0；T1，180；T2，270；T3，180#；T4，270#（表1），數值后加#代表添加了油菜枯餅（1500 kg/hm2）。所采用的有機氮來源于菜籽餅（氮5.98%、磷1.75%、鉀0.97%）。將油菜枯餅與基肥混合一次性施用于土壤中。磷肥、鉀肥、硼肥用量分別為90、126和15 kg/hm2，同時，油菜磷肥和硼肥作為基肥一次性施入土壤，油菜氮肥和鉀肥的基追肥比例（基肥∶苗肥∶薹肥）為5∶2∶3。

表1 不同處理下氮肥與有機肥用量 kg/hm2

1.3 數據收集

油菜成熟期在每個地塊的中間行（剔除病株和不育株）連續采集10株植物進行進一步分析，包括產量構成因素和產量（單株角果數、每角粒數、千粒重、分枝數量、每個分枝產量和小區產量）。考種結束后將不同器官（莖、角果皮、籽粒）分別存放在網袋中，并對每個樣品進行編號；在完全自然曬干后測量植株各部分的干物質重，然后用小型植物粉碎機粉碎，并保留一部分樣品，用于分析各植株部分的氮含量。經濃H2SO4和H2O2硝化后，采用流動注射分析儀測定油菜植株各部位的全氮含量［25］。

參考Feng等［10］的 方法，在48、78、90、110和149 DAS（Days After Sowing）5個 時 期，用PAM-2500葉綠素熒光儀測定了從頂部開始的倒數第3葉的葉綠素熒光參數，每個小區測定3株并取平均值。在油菜蕾薹期（2015-01-24，91 DAS）測定每片葉片的葉綠素熒光參數。此時溫度顯著升高，油菜同時進入營養生長和生殖生長期，其生長狀況對成熟期油菜產量形成有顯著的正向影響。氮肥利用效率指標計算如下：（1）累積氮肥吸收利用率（%）=（施氮處理的作物收獲后累積總氮－未施氮作物收獲后累積總氮）/總氮量×100%；（2）累積氮肥生理效率（kg/kg）=（施氮處理的作物收獲后累積產量－不施氮處理后作物收獲后累積產量）/（施氮處理的地上部分累積氮總量－不施氮處理地上部分累積氮總量）；（3）累積氮肥農學效率（kg/kg）=（施氮處理后作物收獲后累積總產量－不施氮處理的作物收獲后累積總產量）/氮肥總量；（4）累積氮肥偏生產力（kg/kg）=施用氮肥后的作物收獲累積總產量/總施氮量［26-27］。

1.4 統計分析

采用Excel 2010進行數據整理，利用SAS 9.1軟件進行單因素和雙因素方差分析。采用LSD法（最小顯著性差異）進行處理間的多重比較，所有圖片均由數據繪圖軟件Origin 8.0軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 油菜葉片葉綠素熒光參數

不同氮肥處理對PSⅡ潛在活性（potential activity of PSⅡ，PAP）和最大光化學量子產量（maximum photochemical quantum yield of PSⅡ，MPQP）的影響，在不同時期表現不一致（表2）。增加施氮量和添加少量有機肥能有效提高PAP和MPQP，華油雜62在78、90和110 DAS 3個時期的T0、T1、T33個處理間有顯著差異，T1處理的PAP和MPQP分別比T0高2.80%～4.00%和13.44%～20.23%。110 DAS時，華油雜9號中T3處理的PAP和MPQP分別比T0高3.44%和14.44%，而149 DAS時分別下降1.13%和6.32%（表2）；電子傳遞速率（electron transport rate，ETR）在5個時期的總體表現為先升后降，以蕾薹期（90 DAS）的最高。在78 DAS時，T3處理的PSⅡ總量子產量（total photochemical quantum yield of PSⅡ，TPQY）在華油雜62和華油雜9號中較T0的分別增加了10.52%和16.79%，而T3的ETR值分別比T0的高9.31%和16.59%（表2）。149 DAS時，T3處理在華油雜62的TPQY和ETR值下降，與T0相比分別下降12.38%和12.93%。78 DAS時，T3處理的華油雜62中的光化學猝滅系數（photochemical quenching coefficient，qP）比T0顯著增加6.23%，149 DAS時下降41.32%，且T1和T3處理之間也有顯著差異（表2）。

表2 不同氮肥處理對不同時期油菜葉片葉綠素熒光參數的影響

華油雜62在T1處理中，Y2和Y3的實際光化學效率分別提高了3.99%和3.53%，而在T3處理中，Y4的實際光化學效率比T0的提高了4.51%。華油雜9號的Y2～Y4實際光化學效率T3比T0高1.77%～3.74%，其他部位差異不顯著（表3）。

表3 不同氮肥處理對油菜越冬期不同部位葉片葉綠素熒光參數的影響

2.2 油菜產量及產量構成因素

總體上2個油菜品種的單株角果數差異不明顯，華油雜9號的每角粒數比華油雜62的高10.82%（P＜0.05），但是華油雜9號的千粒重比華油雜62的低9.14%（P＜0.05）。T1的單株角果數在5個處理中最高，比T0增加72.22%（P＜0.05），5個處理間的每角粒數和千粒重差異不顯著。這說明在相同施氮量下（T1和T3、T2和T4），有機氮代替部分無機氮肥對油菜產量構成因素的影響較小（表4）。互作分析結果表明，品種對油菜各產量構成因素有顯著或極顯著影響，同時氮肥處理對油菜單株角果數有極顯著影響（表4）；與華油雜62相比，華油雜9號的油菜產量提高了41.70%。T1的產量較T3（有機肥替代部分無機肥）的產量高出0.92%（P＞0.05），T1的氮肥回收利用率較T3的高1.09個百分點。在相同施氮量下，有機氮代替部分無機肥，對油菜產量的影響較小。品種和氮肥處理的交互作用無顯著影響，但是品種和氮肥處理分別對油菜產量有極顯著的影響（表4）。

表4 不同氮肥處理對油菜產量和產量構成因素的影響

不同處理的分枝產量結果表明，主花序的產量高于各分枝的，施氮處理的主花序產量高于不施氮處理的，不同分枝的產量大致呈先升后降的趨勢。各處理的產量峰位為第3、4分枝（圖1a、1b），總體表現為T1處理不同位置的產量都要高于其他處理。在華油雜62中，T0處理的產量都要顯著低于其他4個施肥處理，而4個施肥處理間僅T1處理的產量在第2分枝部位較T3的顯著增加了25.3%。華油雜9號中，T0處理僅在第2、3、5、6分枝位置的產量顯著低于T1處理，而4個施肥處理中，僅T1處理在第2、3分枝部位較T3處理分別顯著增加了83.0%和66.1%。

圖1 不同氮肥條件下不同部位油菜分枝的產量變化

2.3 氮素積累量和氮肥利用率

方差分析結果表明，試驗品種、施氮量和添加有機肥對油菜不同器官氮素積累量有顯著影響。與華油雜9號相比，華油雜62的莖和果皮氮素積累量分別提高了45.45%和32.59%（P＜0.05），籽粒的氮素積累量下降了28.32%（P＜0.05），5個處理中T2處理不同器官的氮素積累量最高。與T1相比，T2的籽粒和總的氮素積累量分別增加了17.60%和17.59%（P＜0.05），而T1和T3間莖、果皮和籽粒的氮素積累量差異不顯著（表5）。方差分析結果表明，除品種對氮素總累積量無顯著影響外，品種和氮肥處理對各器官的氮素累積量都有極顯著的影響，而兩者的交互作用無顯著影響。

油菜氮肥利用效率指數受品種、施氮量和添加有機肥的顯著影響。與華油雜62相比，華油雜9號的氮肥回收效率（Nitrogen fertilizer recovery efficiency，NRE）無顯著差異，但是氮肥生理效率（Nitrogen physiological efficiency，NPE）、氮肥農學效率（Nitrogen agronomic efficiency，NAE）和氮肥偏生產力（Nitrogen partial factor productivity，NPFP）分別提高了38.19%、42.34%和28.93%（P＜0.05）。施肥處理間的NRE 無顯著差異，但是T2較T1低4.44個百分點（P＞0.05），而T2的NPE和NAE分別較T1的低1.24個百分點（P＜0.05）和4.03個百分點（P＜0.05）。添加有機肥處理T4的產量較T2的低1.21%，氮肥回收利用率低1.94個百分點，但都無顯著差異。T3的NPE和NAE分別比T2的高1.14和2.93個百分點（P＜0.05）（表5）。方差分析結果表明，品種對NPE、NAE和NPFP有極顯著的影響，氮肥處理對油菜NPE和NAE有顯著影響，而兩者的交互作用無顯著影響。

表5 不同氮肥處理對油菜氮素積累量和氮素利用效率指標的影響

3 結論與討論

3.1 施用氮肥對油菜葉綠素熒光參數的影響明顯

葉綠素熒光參數的變化可以定性和定量地評價植物的生長狀況。PSⅡ最大光化學量子產量（MQYP，Fv/Fm）反映了潛在的最大光化學量子產量和植物進行光化學反應的能力范圍。?iv?ák［28］和Boussadia等［29］的研究結果都顯示，PSⅡ最大光化學量子產量對氮肥處理幾乎不敏感。但是Shangguan［30］和Jin等［31］的研究結果表明，施氮提高了PS反應中心的實際光化學效率，施用氮肥顯著提高了最大光化學效率，MQYP的變化模式 為“低—高—低”［31］。在華油雜62的78、90和110 DAS期間，MQYP對氮處理敏感。這一結果與Shangguan［30］和Jin等［31］的研究結果一致。原因可能是高等植物的MQYP值是由其自身特性決定的，在健康生理條件下進行MQYP比較，平衡施肥對其影響不大［32］。但在氮脅迫等非健康生理條件下，其最大熒光產量和光化學活性降低。以往的研究表明，適當的施氮量可以增強葉片的光捕獲能力，提高光合電子傳輸速率和光化學量子產量，并減少葉片非輻射能量的散熱量［11-12］。

在水稻［32］、小麥［33］、煙葉［34］、甜瓜［35］等作物上都顯示，有機肥與化肥配施相對于長期單施化肥和有機肥有利于作物葉片葉綠素熒光參數的改善，尤其是提高葉片的最大光化學量子產量（MQYP，Fv/Fm）、光化學熒光猝滅系數（qP），降低初始熒光（Fo）和PSⅡ吸收光能用于天線色素耗散的能量，且隨著葉齡的增加，有機肥作用效果日趨明顯，增施有機肥可延緩植株衰老，提高葉片光能利用效率。侯紅乾等［32］研究表明，等養分條件下配施30%有機肥具有最優的葉綠素熒光指標組合及籽粒產量，而配施超過50%有機肥由于前期熱耗散增大使得用于光合作用的光能份額減少，而施用氮磷鉀肥處理則由于后期的衰老使得光能利用效率下降，且水稻葉綠素熒光參數PSⅡ最大光化學量子產量隨水稻生育期的推進呈降低趨勢，不施氮處理的PSⅡ最大光化學量子產量值最低，而施氮處理比不施氮處理Fv/Fm值增加了2.85%～4.18%。本研究結果表明，在油菜越冬過程中（78 DAS），無機氮中加少量有機肥較空白對照能顯著提高葉片TPQY（10.52%～16.79%）和ETR（9.31%～16.59%）。然而，這2個指標值在華油雜62的開花期（149 DAS）顯著降低了12.93%和12.38%，而在華油雜9號中則增加了12.92%和12.78%（表2）。本研究結果與上述結果［32-35］有一定的差異。產生這種現象的原因，可能與作物類型、種植區域、土壤類型等不一樣有關，也可能與品種特性差異有較大的聯系。從整個生育期田間表現來看，華油雜9號屬于肥料高效利用類型的品種，對氮肥的響應不及華油雜62敏感。因此，施用氮肥與有機肥對油菜生育期葉綠素熒光參數的影響較明顯，對后期油菜產量的提高將起到積極作用。今后將會進一步開展不同類型油菜品種在有機無機肥配施條件下的熒光參數差異特征探索，并明確差異形成的生理生態機制。

3.2 蕾薹期不同部位的熒光參數與油菜產量的關系密切

有關不同脅迫條件對作物葉片熒光參數影響的報道較多。在這些報道中測定的葉片部位因作物種類而異，例如油菜是倒數第3葉［36］、水稻是倒數第2葉［37］、棉花是倒數第4葉［38］。以往的研究也表明，小麥倒數第1、2、4葉的葉綠素熒光參數的差異可以作為氮素狀況的評價指標，用于田間診斷和指導氮肥施用［10］。本研究表明，氮處理對油菜不同部位葉片的PSⅡ實際光化學效率有顯著的正向影響，尤其是Y2～Y4部位（表3）。這項研究結果與以前在其他作物上的研究結果基本一致［36-38］。導致這一現象的原因可能是倒數第2～4片葉屬于新葉，它們對各種環境因素最為敏感。因此，可以區分不同處理下油菜葉片葉綠素熒光參數的變化，為今后不同條件下油菜葉片葉綠素熒光參數的測定和氮素狀況評價提供理論參考。

油菜是一種多分枝的作物，以往研究表明在種植密度為3×105株/hm2的情況下，油菜從第1分枝到最后一個分枝（自上而下）的產量呈現先增后降的趨勢，第3和第4分枝的產量較高［3］，這一結論與本研究結果基本一致。在本研究中，油菜第2～4分枝的平均籽粒產量較其他分枝平均產量高1.3倍（圖2）。結合蕾薹期的熒光參數結果，可以看出油菜倒2～倒4分枝產量偏高的可能原因是該位置的葉片能夠保持長時間的光照，葉片對光照吸收較好，導致該位置的葉片光合作用優于其他位置，生成了更多的光合產物，從而有利于該位置油菜籽粒高產的形成。因此，可以認為蕾薹期不同部位的熒光參數與油菜產量的關系十分密切。今后將進一步開展不同位置葉片光合作用參數和熒光參數的聯合研究分析，對其油菜高產的光合生理機制進行深入探索。

3.3 適宜的氮肥用量有利于提高油菜產量和累積氮肥利用率

氮肥用量是影響作物產量的關鍵因素，但不同作物的適宜氮肥用量不同［1-2，4，39-40］，以及同一作物的不同區域也會有差異［1，5，41］。與華油雜62相比，華油雜9號的油菜產量提高了41.70%（P＜0.05），主要是華油雜9號的每角粒數比華油雜62的高10.82%（P＜0.05）。可能原因是華油雜9號對江西的適宜性要強于華油雜62，能夠適應當地的氣候和土壤等條件，有利于發揮油菜產量潛力。當施氮量從180 kg/hm2（T1）增加到270 kg/hm2（T2）時，油菜產量有一定程度的提高但無顯著差異。但是，T2的總氮吸收利用率僅為36.71%，比T1的低4.44個百分點（表5）。氮回收率接近以前研究報道的油菜氮吸收利用率（34.0%～39.2%）［1，7］。T1的產量較T3的高出0.92%，但無顯著差異，T1的氮肥回收利用率較T3的高1.09個百分點。因此，結合產量和氮肥累積利用效率指標，認為T1是提高油菜氮肥吸收利用率和產量的適宜施氮量。如果從有機肥能夠改良土壤的特性和下茬作物的肥料利用來考慮，也可以選擇T3。總之，適宜氮肥用量可以提高油菜產量和氮肥利用率，這為長江中游地區油菜施肥技術提供了理論參考。

3.4 結論

添加有機肥能提高越冬期油菜葉片的電子傳遞速率和PSⅡ光化學總量子產量，且不同施氮量對蕾薹期2個品種倒數第2～4葉的PSⅡ實際光化學效率的影響最為明顯；同時，施氮量能夠顯著影響不同分枝部位的籽粒產量，其中倒數第2～4分枝的產量高于其他分枝。T1的油菜產量與T2的無顯著差異，但是T1的NRE高于其他3個處理。T1的產量和氮肥回收利用率較T3（有機肥替代部分無機肥）的高出0.92%（P＞0.05）和1.09個百分點（P＞0.05）。因此，可以認為增施氮肥對新葉的PSⅡ實際光化學效率影響最為明顯，且油菜適宜氮肥用量為180 kg/hm2，并采用全部無機肥或采用部分有機肥替代無機肥，能夠保持較高的產量和氮肥回收利用率。