不同輪作模式下氮肥施用對油菜產量形成及養分利用的影響

李小勇，黃威，劉紅菊，李銀水，顧熾明，代晶，胡文詩，楊璐，廖星，秦璐

不同輪作模式下氮肥施用對油菜產量形成及養分利用的影響

李小勇1，黃威2，劉紅菊3，李銀水1，顧熾明1，代晶1，胡文詩1，楊璐1，廖星1，秦璐1

1中國農業科學院油料作物研究所/農業農村部油料作物生物學與遺傳育種重點開放實驗室，武漢 430062；2黃岡市農業科學院，湖北黃岡 438000；3應城市農業技術推廣中心，湖北應城 432400

【目的】探究施氮量對不同輪作模式下油菜產量形成及養分利用的影響。【方法】以甘藍型油菜品種‘中油雜19’為材料，在湖北黃岡進行大田裂區試驗，設置兩個輪作模式（稻油輪作，RO；豆油輪作，SO）為主區，4個施氮量（N0，0；N1，90 kg·hm-2；N2，180 kg·hm-2；N3，270 kg·hm-2）為副區，測定產量構成、干物質積累、農藝性狀、養分積累及籽粒品質等相關指標。【結果】（1）豆油輪作油菜籽粒產量顯著高于稻油輪作，增加施氮量，不同輪作模式下油菜單株角果數、每角果粒數及千粒重均呈顯著上升趨勢，與N0相比，在N1、N2和N3處理下，稻油輪作油菜籽粒產量分別增長176.68%、436.49%和835.40%，豆油輪作油菜籽粒產量分別增長123.96%、344.46%和547.25%。豆油輪作較稻油輪作在N0、N1、N2和N3處理下大田籽粒產量分別增長62.09%、31.33%、71.79%和12.21%；（2）成熟期豆油輪作油菜根頸粗、株高、第一有效分枝高度和有效分枝數顯著高于稻油輪作，且隨施氮量增加不同輪作模式下各農藝性狀指標顯著增加；各生育期豆油輪作單株油菜根干重及地上部干重顯著高于稻油輪作，但根冠比低于稻油輪作，且隨施氮量增加，兩種輪作模式下苗期后根冠比顯著下降；（3）豆油輪作油菜根系、角果殼、莖稈、籽粒氮含量和氮積累量均高于稻油輪作，且隨著施氮量增加各部位氮含量和氮積累量顯著增加。豆油輪作籽粒氮素表觀利用率高于稻油輪作，隨施氮量的增加，稻油輪作下氮素表觀利用率增加，而豆油輪作氮素表觀利用率呈現先上升后下降趨勢；（4）與稻油輪作模式相比，相同施氮量下豆油輪作油菜角果殼可溶性糖含量低，而游離氨基酸含量和游離氨基酸含量/可溶性糖含量比值高，隨施氮量增加可溶性糖含量降低，游離氨基酸含量和游離氨基酸含量/可溶性糖含量比值增加。因此，豆油輪作油菜籽粒因脂肪酸合成底物受限，含油率低于稻油輪作模式，且隨施氮量增加，籽粒含油率在各輪作模式下均顯著下降。兩年試驗結果顯示，在270 kg·hm-2施氮量水平時，產油量在兩個輪作模式下均達到最大，稻油輪作兩年產油量分別為1 678.60和1 665.33 kg·hm-2，豆油輪作兩年產油量分別為1 684.03和1 687.10 kg·hm-2，但豆油輪作在180和270 kg·hm-2施氮量下產油量差異不顯著。【結論】稻油輪作油菜氮肥施用可控制在270 kg·hm-2左右，而豆油輪作氮肥施用可控制在180 kg·hm-2左右，以保證較高氮肥利用效率，并獲得較高產油量。

油菜；輪作模式；施氮量；產量；氮素利用效率

0 引言

【研究意義】油菜作為重要食用油來源，我國種植面積及總產均占世界的22%左右，是我國第一大自產食用植物油，目前我國食用油自給率只有31%，提高油菜產量對保障我國糧油安全至關重要[1]。但由于目前油菜種植投入成本高、勞動力需求量大、機械化普及程度一般、經濟效益不高及農村勞動力流失等問題，我國油菜種植面積一直徘徊不前。因此，提高油菜種植經濟效益勢在必行。長江流域作為我國油菜主產區，水稻-油菜輪作模式（以下簡稱：稻油模式）較為普遍，大豆-油菜輪作模式（以下簡稱：豆油模式）由于其良好的養地功能而被逐漸推廣。但針對兩種不同模式的油菜生產氮肥施用差異研究較少，農戶施肥主要憑經驗，易造成生產成本增加及資源浪費。【前人研究進展】油菜種植輪作模式不同，土壤養分、物理結構等存在差異，從而影響后茬作物生長環境及對養分的利用[2-3]。前人研究發現不同輪作模式前茬秸稈還田后引起的氮素競爭存在明顯差異，特別是禾本科作物秸稈，C/N較高，秸稈還田腐解過程中往往出現微生物和作物爭奪氮素的現象，不僅改變了土壤有機碳氮的穩定，也造成作物不同程度的減產[4]，因此還田后需要配施適量速效性氮肥調節C/N，加速秸稈腐解，及時釋放養分供作物利用，以緩解微生物與作物爭氮現象[5]。不同輪作模式下，土壤理化性質差異較大，根系作為直接從土壤中吸收養分的營養器官，其建成和功能受土壤理化性質及生物學性質影響顯著。稻油輪作模式下，水田土壤緊實，透氣性差，含水量高，不利于油菜根系發育[6]；而豆油輪作模式下土壤孔隙度較高，透氣性好，有利于油菜根系生長，但保水能力差[7]，在干旱少雨年份會對油菜生長產生不利影響。前人研究表明水旱輪作前茬水稻秸稈還田后，油菜前期生長受到抑制[8-9]，從而影響后期油菜產量形成，而在旱旱輪作條件下，對后茬作物根系生長及產量形成起到積極促進作用[10-11]。不同輪作模式土壤性狀差異和不同前茬差異直接影響土壤氮素有效性，進而影響作物根系-地上部生長，其作用機制還需進一步深入研究。油菜是需氮較多的作物，在油菜形態建成中，氮素對油菜株型調控效果顯著[12]。前人研究發現在一定范圍內增施氮肥，可提高葉面積，增加作物的光能利用率，促進干物質積累，但過度的氮肥施用，氮肥利用率下降[13-15]，株高過高，營養生長延長，莖稈充實度下降，重心高度增加，倒伏風險增大[16-17]。油菜倒伏后，僅上層角果能接受充足光照，下層角果光能不足，光能利用率下降影響產量形成，且不利于機械收獲[18-20]。雖然增加氮素供應可顯著提高油菜籽粒產量[21]，但是增加氮素供應會限制碳代謝途徑，導致含油量的降低，蛋白質含量增加，影響籽粒品質[22]。氮代謝所需的能量和碳架產生于光合碳代謝，同時碳代謝與氮代謝會競爭光合作用所產生的能量和中間產物[23]。只有協調好碳氮代謝之間的平衡，才能實現油菜優質、高產的雙重目標。【本研究切入點】前人關于不同輪作模式或施氮量對油菜產量、品質形成及養分利用的研究較多，但是很少研究長江流域不同輪作模式和施氮量互作下油菜生長及其與產量、品質形成和養分利用的關系。【擬解決的關鍵問題】圍繞施氮量對不同輪作模式下油菜產量形成及養分利用的影響，測定分析大田油菜產量構成、農藝性狀、干物質積累、養分積累及籽粒品質等相關指標，探究不同輪作模式油菜氮素吸收利用對油菜植株生長影響及與產量、品質形成之間的關系，為指導長江流域不同輪作模式下油菜生產科學施肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點、土壤狀況及材料

試驗于2019年9月至2021年5月在黃岡現代農業科技示范園（30°20’N，114°33’E）進行。不同輪作模式試驗地相鄰，前茬水稻和大豆收獲后秸稈粉碎翻壓還田，水稻秸稈還田量按平均畝產500 kg折算為7.5×103kg·hm-2，大豆秸稈還田量按平均畝產200 kg折算為3×103kg·hm-2。水稻含氮量約為0.83%，大豆秸稈含氮量約為1.63%[24]。

試驗田土壤為長江沖積砂壤土，2019—2020年水稻田耕層土壤（0—20 cm）理化性狀為堿解氮86.98 mg·kg-1、速效磷9.68 mg·kg-1、速效鉀79.32 mg·kg-1、有機質13.82 g·kg-1、容重1.34 g·cm-3；大豆田耕層土壤（0—20 cm）理化性狀為堿解氮101.54 mg·kg-1、速效磷10.16 mg·kg-1、速效鉀81.53 mg·kg-1、有機質12.75 g·kg-1、容重1.25 g·cm-3。2020—2021年水稻田耕層土壤（0—20 cm）理化性狀為堿解氮88.42 mg·kg-1、速效磷9.57 mg·kg-1、速效鉀88.68 mg·kg-1、有機質13.63 g·kg-1、容重1.38 g·cm-3；大豆田耕層土壤（0—20 cm）理化性狀為堿解氮97.13 mg·kg-1、速效磷9.25 mg·kg-1、速效鉀89.13 mg·kg-1、有機質12.32 g·kg-1、容重1.23 g·cm-3。試驗材料為甘藍型油菜品種‘中油雜19’。

1.2 試驗設計

采用裂區試驗設計，以不同輪作模式為主區，分別是稻油輪作，RO；豆油輪作，SO；4個施氮量為裂區，分別為N0，0；N1，90 kg·hm-2；N2，180 kg·hm-2；N3，270 kg·hm-2。油菜采用條播方式播種，種植密度為45×104株/hm2。

供試氮、磷、鉀、硼肥種類分別為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）、氯化鉀（含K2O 60%）和硼砂（含B 10.6%）。氮肥按基肥﹕苗肥﹕薹肥為6﹕2﹕2施用；P2O5、K2O用量均為150 kg·hm-2，硼砂用量15 kg·hm-2，且均作基肥一次性基施。基施肥料撒于地表，用旋耕機將肥料與耕層土壤混勻。出苗后去窩堆苗，3—5葉期定苗。5葉期和薹期分別施用氮肥總量20%尿素作追肥。采用“三溝”配套，廂溝、腰溝均為寬0.30 m、深0.20 m，圍溝寬0.30 m、深0.30 m。小區面積為20 m2（2 m×10 m），每處理設3個重復。其他管理同農戶常規操作。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 產量及產量構成 成熟期各小區連續取10株進行考種，考察單株有效角果數、每角果粒數、千粒重等產量構成指標，以小區實收產量計產。

1.3.2 農藝性狀相關指標 成熟期各小區連續取10株，調查根頸粗、株高、第一有效分枝高度、有效分枝數等指標。根頸粗為游標卡尺測定的子葉節下1 cm粗度；株高以子葉節至植株頂端的高度表示；第一有效分枝高度為子葉節至第一有效分枝的高度；有效分枝數為具有有效角果的分枝數量。

1.3.3 干物質積累及根冠比 取苗期、薹期、花期、成熟期關鍵生育期各小區連續10株，將根系及地上部于105℃下殺青30 min，80℃烘干至恒重，測定干物質量并計算根冠比。

1.3.4 可溶性糖及氨基酸含量 植株主花序開花50%時，每個小區隨機選取長勢一致的植株，對當日所開油菜花進行標記。于花后15、25 d，在9：00—12：00取各小區標記的角果30個，室內冰浴（4℃）條件下將角果皮和籽粒分離。可溶性糖及游離氨基酸含量采用蘇州科銘生物技術有限公司試劑盒進行測定。

1.3.5 器官氮含量及籽粒含油率 采用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮儀（KDY-9820）測各部位器官氮含量。籽粒含油率采用中國農業科學院油料作物研究所近紅外光譜掃描測定。

籽粒產油量=籽粒含油率×大田實際產量。

1.3.6 氮素利用效率 氮素表觀利用率=（施氮肥區作物吸氮量-不施氮肥區作物吸氮量）/氮肥投入量×100%。

1.4 數據處理與分析

數據采用SPSS 10.0軟件進行統計分析、Origin 9.0 軟件進行作圖。處理間比較采用最小顯著差法（LSD）。

2 結果

2.1 不同輪作模式下施氮量對油菜產量及產量構成的影響

由表1可知，不同輪作模式相同施氮量下，每角果粒數差異不顯著，豆油輪作單株角果數、千粒重高于稻油輪作，因此豆油輪作大田實際產量高于稻油輪作。施氮后每角果粒數增加，但不同施氮量之間差異不顯著。且隨施氮量增加不同輪作模式下單株角果數、千粒重增加，大田實際產量上升，與N0處理相比，N1、N2和N3處理下，稻油輪作大田籽粒產量分別增長176.68%、436.49%和835.40%，豆油輪作大田籽粒產量分別增長123.96%、344.46和547.25%。豆油輪作較稻油輪作在N0、N1、N2和N3處理下大田籽粒產量分別增長62.09%、31.33%、71.79%和12.21%。不同年份之間變化趨勢一致。方差分析結果表明，單株角果數、每角果粒數、千粒重及大田實際產量受施氮量影響達到極顯著水平。每角果粒數受輪作模式影響不顯著，單株角果數、千粒重及大田實際產量受輪作模式影響達顯著或極顯著。單株角果數和大田實際產量受兩者之間互作影響極顯著，但每角果粒數和千粒重受兩者之間互作影響不顯著。

表1 輪作模式和施氮量對油菜產量及產量構成的影響

RO、SO分別表示稻油輪作模式和豆油輪作模式；N0、N1、N2和N3分別表示施氮量為0、90、180及270 kg·hm-2；表中同一列不同字母表示差異達 0.05水平；*、**表示在0.05和0.01的水平差異，NS表示差異不顯著；C，輪作模式；N，施氮量；C×N，輪作模式和施氮量間的互作。下同

RO, SO indicate the rice-oilseed cropping system and soybean-oilseed cropping system; N0, N1, N2 and N3 indicate the nitrogen rate of 0, 90, 180 and 270 kg·hm-2, respectively; Different letters in the table indicate a difference of 0.05 level; * and **, significant difference at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; NS, not significant; C, cropping system; N, nitrogen rate; C×N, interaction variance analysis between cropping system and nitrogen rate. The same as below

2.2 不同輪作模式下施氮量對油菜成熟期農藝性狀的影響

如表2所示，豆油輪作油菜根頸粗、株高、第一有效分枝高度及有效分枝數均高于稻油輪作，且隨施氮量增加，各成熟期農藝性狀指標增加顯著。與N0處理相比，N1、N2和N3處理下稻油輪作根頸粗增加48.4%、62.6%和84.4%，豆油輪作根頸粗增加35.5%、51.7%和78.9%；稻油輪作株高增加30.8%、58.9%和73.9%，豆油輪作株高增加66.9%、76.4%和87.5%；稻油輪作第一有效分枝高度增加23.0%、84.6%和93.6%，豆油輪作第一有效分枝高度增加39.1%、95.6%和99.3%；稻油輪作有效分枝數增加128.2%、161.9%和247.1%，豆油輪作有效分枝數增加141.3%、162.9%和220.3%。不同年份之間變化趨勢一致。方差分析結果表明，油菜成熟期根頸粗、株高、第一有效分枝高度指標均受輪作模式和施氮量影響顯著或極顯著，有效分枝數受施氮量影響極顯著，受不同輪作模式影響在不同年份間有差異。株高受輪作模式和施氮量互作影響極顯著，而根頸粗、第一有效分枝高度和有效分枝數受輪作模式和施氮量互作影響不顯著。

2.3 不同輪作模式下施氮量對油菜干物質積累、根冠比的影響

由圖1可知，在不同生育期豆油輪作地上干重和根干重均高于稻油輪作。苗期后根冠比隨施氮量增加而下降，稻油輪作根冠比隨生育期推進而呈現逐漸下降趨勢，而豆油輪作根冠比在薹期時先上升再下降，豆油輪作根冠比整體趨勢低于相同施氮量下稻油輪作根冠比，且不同年份之間變化趨勢一致。

2.4 不同輪作模式下施氮量對油菜氮素積累及利用效率的影響

2.4.1 器官氮含量及氮積累量 由表3可知，豆油輪作植株根系、莖稈、角果殼及籽粒含氮量及氮素積累量均不同程度高于稻油輪作植株，且隨著施氮量增加根系、莖稈、角果殼及籽粒含氮量及氮素積累量顯著上升。不同年份之間變化趨勢一致。方差分析結果表明，油菜各器官含氮量及氮素積累量受輪作模式和施氮量影響顯著或極顯著，根系、莖稈、角果殼及籽粒含氮量受輪作模式和施氮量互作影響不顯著，而其氮素積累量受輪作模式和施氮量互作影響極顯著。

表2 輪作模式和施氮量對油菜成熟期農藝性狀的影響

RO、SO分別表示稻油輪作模式和豆油輪作模式；N0、N1、N2和N3分別表示施氮量為0、90、180和270 kg·hm-2。*、**分別表示在0.05和0.01的水平上顯著，NS表示處理間差異不顯著。下同

2.4.2 氮素表觀利用率 由圖2可知，豆油輪作氮素表觀利用率高于稻油輪作，且隨施氮量增加稻油輪作氮素表觀利用率呈上升趨勢，在施氮量為270 kg·hm-2時達到最大，而豆油輪作氮素表觀利用率呈現先上升再下降趨勢，在施氮量為180 kg·hm-2時達到最大。不同年份之間變化趨勢一致。方差分析結果表明，油菜氮素表觀利用率受輪作模式和施氮量影響極顯著，且受輪作模式和施氮量互作影響極顯著。

2.5 不同輪作模式下施氮量對油菜角果殼碳氮代謝底物及含油率的影響

2.5.1 角果殼可溶性糖及游離氨基酸 由圖3可知，隨角果發育（終花后15—25 d）油菜角果殼可溶性糖、游離氨基酸含量及游離氨基酸/可溶性糖下降。不同輪作模式下相同時期豆油輪作角果殼可溶性糖含量低于稻油輪作，但豆油輪作角果殼游離氨基酸含量及游離氨基酸/可溶性糖高于稻油輪作。且施氮后隨施氮量增加，角果殼可溶性糖含量逐漸降低，而游離氨基酸含量和游離氨基酸/可溶性糖逐漸增加，不同年份之間變化趨勢一致。

表3 輪作模式和施氮量對油菜各器官氮含量和氮積累量的影響

C，輪作模式；N，施氮量；C×N，輪作模式和施氮量間的互作。下同

圖3 不同輪作模式和施氮量下角果殼可溶性糖及氨基酸含量

2.5.2 籽粒含油率及產油量 由圖4可知，稻油輪作籽粒含油率高于相同施氮量下豆油輪作籽粒含油率，且隨著施氮量增加，含油率先升后降，在90 kg·hm-2施氮量時含油率達到最大。在產油量方面，豆油輪作產油量整體高于稻油輪作產油量，且隨著施氮量增加產油量呈上升的趨勢，在270 kg·hm-2施氮量時產油量達到最大，稻油輪作兩年最大產油量分別為1 678.60和1 665.33 kg·hm-2，豆油輪作兩年最大產油量分別為1 684.03和1 687.10 kg·hm-2，但豆油輪作在180和270 kg·hm-2施氮量下產油量變化不顯著。不同年份之間變化趨勢一致。方差分析結果表明，籽粒含油率及產油量受輪作模式及施氮量影響極顯著，籽粒含油率受輪作模式和施氮量互作影響顯著，產油量受兩個因素互作影響極顯著。

2.5.3 角果殼碳氮代謝底物和籽粒產量及含油率的相關性 由表4可知，油菜籽粒含油率與花后15 d和25 d的角果殼可溶性糖含量呈極顯著正相關，與氨基酸含量及氨基酸/可溶性糖呈極顯著負相關。大田籽粒產量與花后15 d和25 d的角果殼可溶性糖含量呈極顯著負相關，而與氨基酸含量及氨基酸/可溶性糖呈極顯著正相關。

3 討論

3.1 輪作模式及施氮量對油菜產量形成及養分利用的影響

不同輪作模式秸稈還田后對土壤理化性質有顯著差異，水稻C/N約40[25]、大豆C/N約15[26]，還田后引起的氮素競爭存在明顯差異，特別是禾本科作物秸稈，C/N較高，還田后腐解過程中往往出現微生物和作物爭奪氮素的現象，不僅改變了土壤有機碳氮的穩定，也造成后茬作物不同程度的減產[4]，因此秸稈還田后需要配施適量速效氮肥調節C/N，加速秸稈腐解，及時釋放養分供作物利用，以緩解微生物與作物爭氮現象[3]。同時不同輪作模式下土壤理化性質差異較大，水田土壤容重大，土壤含水量高，土壤較板結，大豆旱地土壤容重相對較低，孔隙度大[27-28]，板結的水田土壤不利于油菜前期根系發育，植株長勢弱，根頸粗、株高等基本農藝性狀測定指標顯著低于旱作土壤田塊，而適當增加氮肥施用，可以改善株型，提高油菜籽粒產量。目前關于輪作模式研究主要集中在單一模式下秸稈還田與肥料配施，對土壤養分及作物產量形成與養分利用的影響[29-30]，前人研究發現適當的輪作可以提升土壤微生物多樣性，緩解連茬障礙，同時秸稈還田后適當氮肥配施可緩解前期因微生物爭氮而帶來的生長受抑制的現象，顯著提高油菜籽粒產量[5,31]。在氮肥施用方面，適當的氮肥施用可提高籽粒產量和品質[12]，而過度氮肥施用，不僅易造成環境污染，還會導致油菜貪青晚熟，倒伏加劇，降低產量、品質同時還降低養分利用效率[16,22]。目前關于長江流域不同輪作模式下氮肥施用對油菜產量形成及養分利用研究還是較少的。本試驗選用長江流域較為典型兩種種植模式，研究氮肥施用差異對油菜生產的影響，研究發現兩種輪作模式對油菜生長影響差異較大，稻油輪作油菜冬前根系發育明顯弱于豆油輪作油菜生長，冬前苗架搭建不如豆油輪作，因此后期農藝性狀指標均低于豆油輪作，干物質積累量也較低。油菜在冬前生物量積累與產量密切相關，主要由于在冬季結束前分枝、葉片、花和胚珠等器官的數量就已經基本確定，這決定了收獲季油菜生物量和籽粒產量[32]。養分利用效率與作物對養分的吸收利用、養分的流失及土壤殘留等因素相關。在本研究中，選擇基礎地力較低地塊作為試驗用地，越冬前低氮處理油菜較高氮處理長勢明顯偏弱，可能最終導致收獲季低氮處理較高氮處理增產量不足，從而出現低氮處理氮素表觀利用效率低于高氮處理的情況。本試驗中隨施氮量增加，稻油輪作下油菜產量增加顯著，當施氮量為270 kg·hm-2時產量和產油量均達最大且氮素表觀利用率最高。而豆油輪作下油菜施氮量提升了其株型和整體長勢，雖然施氮量為270 kg·hm-2時產量和產油量均達最大，但施氮量為180與270 kg·hm-2時產油量差異不顯著，且施氮量為270 kg·hm-2時，氮素表觀利用率呈下降趨勢。因此針對長江流域這兩種不同輪作模式對后茬油菜施氮量需求還是存在較明顯差異，而造成這種差異的生理、分子機制還有待深入研究。

表4 角果殼碳氮代謝底物和籽粒產量及含油率相關性分析

3.2 輪作模式及施氮量對油菜籽粒含油率的影響

油菜是需氮較多的作物，增加氮素供應可顯著提高油菜籽粒產量[33]。但是，增加氮素供應會限制碳代謝途徑，導致含油量降低、蛋白質含量增加，影響籽粒品質[22]。氮代謝所需的能量和碳架產生于光合碳代謝，同時碳代謝與氮代謝會競爭光合作用所產生的能量和中間產物[23]。只有協調好碳氮代謝之間的平衡，才能實現優質、高產的目的。可溶性糖作為光合作用的直接產物，是碳代謝轉運貯藏的主要形式，也是植物體內多糖、蛋白質、脂肪等大分子化合物的物質基礎，對產量、品質形成發揮著極其重要的作用[34]；游離氨基酸是氮素同化主要產物和蛋白質合成主要底物來源，是植物氮素循環和氮素儲存的主要形式[35]，在氮素代謝中處于中心位置，油菜生長過程中角果殼內可溶性糖和游離氨基酸含量對籽粒產量、品質形成有重要的影響[36]。花后10—35 d是油菜籽粒碳水化合物合成轉運及脂質代謝關鍵時期，顯著影響籽粒生長發育和品質形成[37-38]。因此該時期角果殼游離氨基酸/可溶性糖含量比值對籽粒品質形成有重要影響。在本研究中，隨生育進程推進，角果殼中的可溶性糖和游離氨基酸含量均呈現顯著下降趨勢。但不同輪作模式下角果殼可溶性糖和游離氨基酸含量差異較大，相同時期豆油輪作角果殼可溶性糖含量低于稻油輪作，游離氨基酸含量及游離氨基酸/可溶性糖含量比值顯著高于稻油輪作。角果殼可溶性糖和游離氨基酸含量對氮素響應差異顯著，可溶性糖隨施氮量增加而降低，而游離氨基酸隨施氮量增加而增加，高施氮量下游離氨基酸/可溶性糖含量比值較高，豆油輪作游離氨基酸/可溶性糖含量比值高于稻油輪作。由于豆油輪作下油菜角果殼氮素含量較高，游離氨基酸/可溶性糖含量比值較大，限制碳代謝途徑，稻油輪作油菜籽粒含油率高于豆油輪作，且隨施氮量增加，含油率下降顯著。關于油菜籽粒含油率受不同輪作模式及施氮量影響差異的物質基礎基本明晰，生理及分子機制還需進一步研究。

4 結論

豆油輪作較稻油輪作更利于油菜植株生長及株型改善，從而提升大田實際產量。增加施氮量可提高不同輪作模式下的籽粒產量，但是也降低根冠比，提高游離氨基酸/可溶性糖含量比值，降低油菜籽粒含油率，稻油輪作在施氮量270 kg·hm-2時籽粒產量、產油量及氮素利用效率達最大。而豆油輪作雖然在施氮量270 kg·hm-2時籽粒產量達最大，但其產油量和施氮量與180 kg·hm-2無顯著差異，且施氮量為180 kg·hm-2時表觀氮素利用效率達最大。綜上所述，增加氮肥施用可顯著提高不同輪作模式下油菜產量，稻油輪作油菜施氮量應控制在270 kg·hm-2，而豆油輪作油菜施氮量應控制在180 kg·hm-2，以保持最高氮素利用效率，并獲得最大經濟效益。

[1] FAO. Statistical Databases, Food and Agriculture Organization (FAO) of the United Nations. 2020. http://www.fao.org.

[2] Preiti G, Romeo M, Bacchi M, Monti M. Soil loss measure from Mediterranean arable cropping systems: Effects of rotation and linage system on C-factor. Soil & Tillage Research, 2017, 170: 85-93.

[3] Gan Y, Malhi S S, Brandt S, Katepa-Mupondwa, Stevenson C. Nitrogen use efficiency and nitrogen uptake of canola under diverse environments. Agronomy Journal, 2008, 100(2): 285-295.

[4] LI X C, HU F, SHI W. Plant material addition affects soil nitrous oxide production differently between aerobic and oxygen-limited conditions. Applied Soil Ecology, 2013, 64: 91-98.

[5] YU M, WANG Q X, SU Y, XI H, QIAO Y Y, GUO Z L, WANG Y L, SHEN A L. Response of soil environment and microbial community structure to different ratios of long-term straw return and nitrogen fertilizer in wheat-maize system. Sustainability, 2023, 15(3): 1-16.

[6] Zuo Q S, Kuai J, Zhao L, Hu Z, Wu J S, Zhou G S. The effect of sowing depth and soil compaction on the growth and yield of rapeseed in rice straw returning field-ScienceDirect. Field Crops Research, 2017, 203: 47-54.

[7] Copeland P J, Allmaras R R, Crookston R K, Nelson W W. Corn-soybean rotation effects on soil water depletion. Agronomy Journal, 1994, 85(2): 203-210.

[8] 董志強, 朱紅霞, 白昕欣, 劉璐, 劉遠. 秸稈還田對小麥幼苗生長和土壤養分變化的影響. 中國農學通報, 2014, 30(6): 77-81.

Dong Z Q, Zhu H X, Bai X X, Liu L, Liu Y.Effect of straw returning on wheat seedling growth and the change of soil nutrient. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2014, 30(6): 77-81. (in Chinese)

[9] Geng J B, Sun Y B, Zhang M, Li C L, Yang Y C, Liu Z G, Li S L. Long-term effects of controlled release urea application on crop yields and soil fertility under rice-oilseed rape rotation system. Field Crops Research, 2015, 184: 65-73.

[10] 張素瑜, 王和洲, 楊明達, 王靜麗, 賀德先. 水分與玉米秸稈還田對小麥根系生長和水分利用效率的影響. 中國農業科學, 2016, 49(13): 2484-2496.

Zhang S Y, Wang H Z, Yang M D, Wang J L, He D X.Influence of returning corn stalks to field under different soil moisture contents on root growth and water use efficiency of wheat (L.). Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(13): 2484-2496. (in Chinese)

[11] 林蔚剛, 吳俊江, 董德健, 鐘鵬, 王金生, 周全. 不同秸稈還田模式對大豆根系分布的影響. 大豆科學, 2012, 31(4): 584-588.

LIN W G, WU J J, DONG D J, ZHONG P, WANG J S, ZHOU Q. Impact of different residue retention system on soybean root distribution in soil profile. Soybean Science, 2012, 31(4): 584-588. (in Chinese)

[12] Li X H, Li Q B, Yang T W, Nie Z N, Chen G X, Hu L Y. Responses of plant development, biomass and seed production of direct sown oilseed rape () to nitrogen application at different stages in Yangtze River Basin. Field Crops Research, 2016, 194: 12-20.

[13] Gu X, Li Y, Du Y, Yin M. Ridge-furrow rainwater harvesting with supplemental irrigation to improve seed yield and water use efficiency of winter oilseed rape (L.). Journal of Integrative Agriculture, 2017, 16(5): 1162-1172.

[14] Gu X, Li Y, Du Y, Zhou C, Yin M, Yang D. Effects of water and nitrogen coupling on nitrogen nutrition index and radiation use efficiency of winter oilseed rape (l.). Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(2): 122-132.

[15] Qi W, Liu H, Liu P, Dong S, Zhao B. Morphological and physiological characteristics of corn (L.) roots from cultivars with different yield potentials. European Journal of Agronomy, 2012, 38(2): 54-63.

[16] Kuai J, Sun Y, Zhou M, Zhang P, Zuo Q, Wu J, Zhou G. The effect of nitrogen application and planting density on the radiation use efficiency and the stem lignin metabolism in rapeseed (L.). Field Crops Research, 2016, 199: 89-98.

[17] 左青松, 劉浩, 蒯婕, 馮倩南, 馮云艷, 張含笑, 劉靖怡, 楊光, 周廣生. 氮肥和密度對毯狀苗移栽油菜碳氮積累、運轉和利用效率的影響. 中國農業科學, 2016, 49(18): 3522-3531.

Zuo Q S, Liu H, Kuai J, Feng Q N, Feng Y Y, Zhang H X, Liu J Y, Yang G, Zhou G S. Effects of nitrogen and planting density on accumulation, translocation and utilization efficiency of carbon and nitrogen in transplanting rapeseed with blanket seedling. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(18): 3522-3531. (in Chinese)

[18] Kendalla S L, Holmesb H, Whitea C A, Clarkea S M, Berry P M. Quantifying lodging-induced yield losses in oilseed rape. Field Crops Research, 2017, 211: 106-113.

[19] Wang C, Wang Z, Chen T, Yang J, Chen W, Mu J, Tian J, Zhao X. Relationship between Yield and photosynthesis of leaf and silique of differentL. varieties during reproduction period. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2016, 36(7): 1417-1426.

[20] Wang C, Hai, J, Yang J, Tian J, Chen W, Chen T, Luo H, Wang H. Influence of leaf and silique photosynthesis on seeds yield and seeds oil quality of oilseed rape (L.). European Journal of Agronomy, 2016, 74: 112-118.

[21] Vasile G, Halmajan H V, Ciuboata G. The Influence of application timing of nitrogen fertilisers on yield components in oilseed rape. Bulletin of University of Agricultural Sciences and Veterinary Medicine Cluj-Napoca, Agriculture, 2007, 63: 321.

[22] Brennan R F, Mason M G, Walton G H. Effect of nitrogen fertilizer on the concentrations of oil and protein in Canola () seed. Journal of Plant Nutrition, 2000, 23(3): 339-348.

[23] Gundel A, Rolletschek H, Wagner S, Muszynska A, Borisjuk L. Micro imaging displays the sucrose landscape within and along its allocation pathways. Plant physiology, 2018, 178(4): 1448-1460.

[24] 宋大利, 侯勝鵬, 王秀斌, 梁國慶, 周衛. 中國秸稈養分資源數量及替代化肥潛力. 植物營養與肥料學報, 2018, 24(1): 1-21.

Song D L, Hou S P, Wang X B, Liang G Q, Zhou W.Nutrient resource quantity of crop straw and its potential of substituting. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2018, 24(1): 1-21. (in chinese)

[25] 伍玉鵬, 劉田, 彭其安, Muhammad S, 胡榮桂.氮肥配施下不同C/N作物殘渣還田對紅壤溫室氣體排放的影響. 農業環境科學學報, 2014, 33(10): 2053-2062.

Wu Y P, Liu T, Peng Q A,Muhammad S, Hu R G. Greenhouse gas emissions in red soil as influenced by different C/N residues under nitrogen applications. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(10): 2053-2062. (in Chinese)

[26] 曹瑩菲, 張紅, 趙聰, 劉克, 呂家瓏. 秸稈腐解過程中結構的變化特征. 農業環境科學學報, 2016, 35(5): 976-984.

Cao Y F, Zhang H, Zhao C, Liu K, Lü J L. Changes of organic structures of crop residues during decomposition. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(5): 976-984. (in Chinese)

[27] 朱利群, 張大偉, 卞新民. 連續秸稈還田與耕作方式輪換對稻麥輪作田土壤理化性狀變化及水稻產量構成的影響. 土壤通報, 2011, 42(1): 81-85.

Zhu L Q, Zhang D W, Bian X M. Effects of continuous returning straws to field and shifting different tillage methods on changes of physical-chemical properties of soil and yield components of rice. Chinese Journal of Soil Science, 2011. 42(1): 81-85. (in Chinese)

[28] 蓋瓊輝, 張述強, 張義凡, 鄭秀堂. 不同覆膜種植方式對大豆產量及土壤理化性質的影響. 隴東學院學報, 2017, 28(3): 52-55.

Gai Q H, Zhang S Q, Zhang Y F, Zheng X T. Effects of different film mulching planting on soybean yields and physical and chemical properties of soil. Journai of Longdong University, 2017, 28(3): 52-55. (in Chinese)

[29] Zhao S C, He P, Qiu S J, Jia L L, Liu M C, Jin J Y, Johnston A M. Long-term effects of potassium fertilization and straw return on soil potassium levels and crop yields in north-central China. Field Crops Research, 2014, 169: 116-122.

[30] Malhi S S, Nyborg M, Solberg E D, Mcconkey B, Dyck M, Puurveen D. Long-term straw management and N fertilizer rate effects on quantity and quality of organic C and N and some chemical properties in two contrasting soils in Western Canada. Biology and Fertility of Soils, 2011, 47(7): 785-800.

[31] 張順濤, 魯劍巍, 叢日環, 任濤, 李小坤, 廖世鵬, 張躍強, 郭世偉, 周明華, 黃益國, 程輝. 油菜輪作對后茬作物產量的影響. 中國農業科學, 2020, 53(14): 2852-2858.

Zhang S T, Lu J W, Cong R H, Ren T, Li X K, Liao S P, Zhang Y Q, Guo S W, Zhou M H, Huang Y G, Cheng H. Effect of rapeseed rotation on the yield of next-stubble crops. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(14): 2852-2858. (in Chinese)

[32] Bouchet A S, Laperche A, Bissuel-Belaygue C, Snowdon R, Nesi N, Stahl A. Nitrogen use efficiency in rapeseed. A review. Agronomy for Sustainable Development, 2016, 36(2): 38.

[33] Li X, Li Q, Yang T, Nie Z, Chen G, Hu L. Responses of plant development, biomass and seed production of direct sown oilseed rape () to nitrogen application at different stages in Yangtze River Basin. Field Crops Research, 2016, 194: 12-20.

[34] Vigeolas H. Lipid storage metabolism is limited by the prevailing low oxygen concentrations within developing seeds of oilseed rape. Plant Physiology, 2003, 133(4): 2048-2060.

[35] 李燕婷, 米國華, 陳范駿, 張福鎖, 勞秀榮. 玉米幼苗地上部／根間氮的循環及其基因型差異. 植物生理學報, 2001, 27(3): 226-230．

Li Y T, Mi G H, Chen F J, Zhang F S, Lao X R. Genotypic difference of nitrogen recycling between root and dhoot of maize seedlings. Acta Phytophysiologica Sinica, 2001, 27(3): 226-230. (in Chinese)

[36] 李旭霞, 宋海星, 楊志長, 胡宇倩, 熊庭浩. 油菜角果SPS活性變化對其碳氮代謝及油分形成的影響. 南方農業學報, 2018, 49(2): 234-238.

Li X X, Song H X, Yang Z C, Hu Y Q, Xiong T H. Effects of SPS activity variation on carbon and nitrogen metabolism, and oil formation in rape silique. Journal of Southern Agriculture, 2018, 49(2): 234-238. (in Chinese)

[37] Ni F, Liu J, Zhang J, Khan M N, Luo T, Xu Z, Hu L. Effect of soluble sugar content in silique wall on seed oil accumulation during the seed-filling stage in. Crop and Pasture Science, 2019, 69: 1251-1563.

[38] Tan H, Yang X, Zhang F, Zheng X, Qu C, Mu J, Fu F, Li J, Guan R, Zhang H. Enhanced seed oil production in canola by conditional expression ofleafy cotyledon1 and LEC1-like in developing seeds. Plant Physiology, 2011, 156: 1577-1588.

Effect of nitrogen rates on yield formation and nitrogen use efficiency in oilseed under different cropping systems

LI Xiaoyong1, HUANG Wei2, LIU Hongju3, LI Yinshui1, GU Chiming1, DAI Jing1, HU Wenshi1, YANG Lu1, LIAO Xing1, QIN Lu1

1Oil Crops Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Biology and Genetics Improvement of Oil Crops, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Wuhan 430062;2Huanggang Academy of Agricultural Sciences, Huanggang 438000, Hubei;3Yingcheng Agricultural Technology Extension Center, Yingcheng 432400, Hubei

【Objective】 The aim of this study was to investigate the effects of nitrogen application on yield formation and nutrient utilization of oilseed (L.) under different cropping systems. 【Method】a field experiment was carried out in Huanggang, Hubei province. An oilseed variety ‘Zhongyouza19’ was used as the material, setting with two cropping systems (rice-oil rotation, RO; soybean-oil rotation, SO) and four nitrogen rates (N0, 0; N1, 90 kg·hm-2; N2, 180 kg·hm-2; N3, 270 kg·hm-2) in this study. The yield and its components, dry matter accumulation, agronomic traits, nitrogen content and seeds quality were measured. 【Result】(1) the oilseed yield of SO was significantly higher than that of RO, and the pods per plant, seeds per pod and 1000-seeds weight of oilseed in different cropping systems all tended to increase significantly by increasing the amount of nitrogen. Compared with N0, the seed yield of RO increased by 176.68%, 436.49% and 835.40% under N1, N2 and N3 treatments, respectively, while that of SO increased by 123.96%, 344.46% and 547.25%, respectively. Compared with RO, the seed yield under SO increased by 62.09%, 31.33%, 71.79% and 12.21% under N0, N1, N2 and N3 treatments, respectively. (2) The root crown diameter, plant height, first effective branch height and branch number of SO oilseed were significantly higher than those of RO at maturity stage, and the increase in each agronomic trait index was significant under different cropping systems with the increase in nitrogen application; the root biomass and above-ground biomass of SO were significantly higher than those of RO at all growth stages, but the root shoot ratio was lower than that of RO. the root shoot ratio decreased significantly after seedling stage in both cropping system with increasing nitrogen application. (3) Nitrogen content and nitrogen accumulation in the root, pod shell, stalk and seeds of SO were higher than those in RO, and the increases in nitrogen content and nitrogen accumulation in each part were significant with the increase in nitrogen application; the apparent nitrogen recovery efficiency under SO was higher than that under RO, and the apparent nitrogen recovery efficiency under RO increased with the increase in nitrogen application. (4) Compared with the RO, the soluble sugar content of pod shell under SO was lower, while the amino acid content and amino acid/soluble sugar content were higher with the same nitrogen application. The soluble sugar content decreased, but the amino acid content and amino acid/soluble sugar content increased with the increase of nitrogen application. Therefore, the oil content of oilseed under SO was lower than that under RO due to the limitation of fatty acid synthesis substrate, and the oil content of seeds decreased significantly with the increase of nitrogen application in cropping system. Oil yield was the maximum in both cropping system at 270 kg·hm-2nitrogen application level, 1 678.60 and 1 665.33 kg·hm-2for RO, and 1 684.03 and 1 687.10 kg·hm-2for SO, respectively, but the difference in oil yield between 180 and 270 kg·hm-2nitrogen application for SO was not significant. 【Conclusion】In conclusion, the nitrogen rate for RO could be controlled at about 270 kg·hm-2, but the nitrogen rate for SO could be controlled at about 180 kg·hm-2to ensure higher nitrogen use efficiency and higher oil yield.

oilseed (L.); cropping system;nitrogen rate; yield; nitrogen use efficiency

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.06.005

2022-06-19；

2022-08-24

國家重點研發計劃（2020YFD1000900）、中國農業科學院創新工程（CAAS-ASTIP-2013-OCRI）

李小勇，E-mail：dashuai_17@163.com。通信作者秦璐，E-mail：qinlu-123@126.com

（責任編輯 楊鑫浩，岳梅）