氮肥减施对油菜产量、氮素吸收与利用的影响

张 智，乔 艳，刘东海，陈云峰，胡 诚，李双来

（农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室，湖北省农业科学院植保土肥研究所，湖北 武汉 430064）

油菜的经济价值体现在“菜籽油、油菜薹、油菜花、油菜花蜜、饲用油菜、绿肥油菜”方面的普遍应用，在世界范围内均有广泛种植，前景广阔［1］。过去几十年以来，我国油菜产量出现了三次大幅度的提高，近年来，油菜籽单产水平基本在1 900 kg/hm2上下波动，处于国际中等水平［2-3］。维持当前产量水平稳步提升的前提下，提高资源利用效率、减轻环境压力，是油菜产业绿色发展的主要目标。油菜对氮肥的依赖性较高，氮肥施用对油菜产量的贡献尤为突出。由于区域差异、产量水平、品种等因素的影响，我国油菜氮肥用量为65～325 kg/hm2［4］，而农户实际施用时往往会加大用量以保证氮素供应，另外，由于部分农户种植积极性不高，施肥不合理，施肥技术难以下地等现象也普遍存在［5］。这种粗放的氮肥管理措施，不仅会造成产量损失，还会引起一系列的资源浪费和环境污染问题。由于油菜是越冬性作物，生育期较长且气温较低，氮肥的田间管理应以轻简化和易于操作为准则，缓/控释肥料一次性施用技术的研究与应用，对于实现油菜产业绿色发展具有重要意义。

我国农业研究从20世纪90年代开始关注缓/控释肥料，即采用聚合物包膜将尿素包裹在内核，从而达到控制氮素释放速度的目的［6-7］。国内外关于包膜材料的筛选及其释放机制的研究较为普遍，且越来越多的研究将控释尿素应用到大田作物［8］，考虑到成本的问题，实际生产中缓控释肥的应用仍处于起步阶段。在“化肥零增长”、“农业绿色发展”等国家行动的背景下［9-10］，系统的研究和评价控释尿素在油菜上施用效果，可为油菜籽高产增效提供技术支撑。为满足油菜生长的氮素需求，任涛和鲁剑巍［4］提出了“前促后稳”的氮素管理策略，通过调控氮素的供应以保障前期的积累和后期的利用。氮素调控机制的核心即“4R”技术，油菜优化氮肥用量为162～200 kg/hm2［11］，基肥采用集中施用的方式、施于8～10 cm处［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］。控释尿素是在尿素表面包覆聚合物材料［6］，如硫磺加树脂双层包膜，从而达到定量释放养分并延长释放周期，以满足作物各生育期内的养分需求。油菜施用控释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］，从控释尿素释放规律、籽粒产量与构成、油菜生长、氮素吸收与利用、土壤氮素供应、氮素损失等不同角度，对比分析控释尿素、普通尿素或两者配施之间的差异［17-19］。

油菜作为氮素需求量较高的作物，直接降低氮肥用量不足以保证油菜各生育阶段的氮素需求，氮肥减量难以实施，为了进一步挖掘油菜氮肥减施潜力，控释尿素因其较长的养分释放周期使其成为可能，又由于油菜重要的经济价值，控释尿素的应用前景逐渐开阔。本研究在我国油菜主产区-长江中游开展连续6年的田间定位试验，采用油菜-水稻的轮作方式，以180 kg/hm2为氮肥全量施用处理，并设置减施比例为30%和50%，以及不施氮处理，对比分析普通尿素和控释尿素对油菜生长、产量、氮素吸收与利用的影响，并探讨氮肥减施潜力，为油菜实现氮肥减量施用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2007～2013年连续6年在湖北省枝江市仙女镇仙女村（东经111°45′26″，北纬30°29′30″）进行，种植模式为油菜-水稻轮作。该区域属亚热带季风气候，每年9月至次年5月油菜生育期内气候特征如图1所示，平均气温为13.6℃，平均年降水量为582 mm。

图1 油菜生育期内气候特征

1.2 试验材料

供试土壤为白鳝泥田，试验开始前0～20 cm耕层土壤pH为6.15，有机质和全氮分别为22.42和1.16 g/kg，有效磷为7.5 mg/kg，速效钾为111.8 mg/kg，有效硼为0.71 mg/kg。

试验所用氮肥为普通尿素（代号为U，含N 46%）和控释尿素（代号为CRU，含N 33%），控释尿素为硫磺和树脂双层包膜的控释尿素。磷肥为过磷酸钙（P2O512%）、钾肥为氯化钾（K2O 60%）、硼肥为硼砂（B 11%）。

不同年份油菜品种均采用当地的主推品种，主要包括华油杂9号、华油杂13号、甘油杂1号和南油杂3号。采用移栽的种植方式，密度为每公顷9万株，于每年9月下旬育苗，10月下旬移栽，次年5月下旬收获。

1.3 试验设计

定位试验共设置7个处理，分别为：不施氮（CK）、普通尿素减氮50%（U-50%）、普通尿素减氮30%（U-30%）、普通尿素全量施用（U）、控释尿素减氮50%（CRU-50%）、控释尿素减氮30%（CRU-30%）、控释尿素全量施用（CRU）。氮肥全量施用为N 180 kg/hm2，氮肥减量50%和30%用量分别为N 90和126 kg/hm2。各处理磷肥、钾肥和硼砂用量均相同，分别为60、67.5和15 kg/hm2。不同处理普通尿素分3次施用，即50%作基肥、20%作越冬肥、30%作薹肥追施，控释尿素、磷肥、钾肥和硼肥均作基肥一次性施用。除施肥措施外，其他田间管理措施均与当地农民习惯保持一致。各处理3次重复，小区面积为20 m2，随机区组排列。

1.4 样品采集与测定

苗期（12月下旬，冬至左右）对油菜叶片数进行调查。每年成熟期对油菜生长与产量构成因素进行田间调查，调查内容包括株高、根茎粗、分支数、单株角果数、角粒数和千粒重。收获时对每个小区进行单打单收并测定籽粒含水率，以晒干后重量表示油菜籽产量。每个小区取代表性植株8株，105℃杀青，60℃烘干至恒重，磨碎过筛，采用H2SO4-H2O2联合消煮［20］，凯氏定氮仪测定氮素含量。

1.5 数据处理

氮肥偏生产力（kg/kg）=作物产量/氮肥用量

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮处理作物产量-不施氮处理作物产量）/氮肥用量

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

数据采用Excel 2013软件进行统计，SPSS 20.0进行统计分析，LSD法进行差异显著性检验，Origin 2017软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 油菜苗期叶片数和成熟期生长状况

氮肥的施用显著促进了油菜苗期和成熟期的生长，连续6年的平均结果如表1所示，所有施氮处理苗期（冬至）叶片数均显著高于不施氮处理，且随着氮肥用量的增加呈现上升的趋势。与全量氮肥处理相比，无论是普通尿素还是控释尿素，氮肥减量30%时苗期叶片数、成熟期株高和根茎粗差异均未达到显著，而减量达到50%时则显著降低。然而，成熟期分枝数在同一施肥方式下随氮肥用量的增加而显著增加（P＜0.05）。总的来看，在氮肥减施比例相同的情况下，控释尿素处理的油菜长势要好于普通尿素；氮肥减量30%油菜成熟期株高、根茎粗和分枝数均能达到较高的水平，分别为170～180 cm、1.7～1.8 cm和11～12个。

表1 氮肥施用对油菜苗期叶片数和成熟期生长的影响

2.2 油菜产量及其构成因子

连续6年氮肥减施对油菜籽产量的影响如图2所示，不施氮处理油菜籽产量平均为861 kg/hm2，不同年份间变幅为735～1 158 kg/hm2。氮肥全量施用时产量达到最高，普通尿素和控释尿素平均分别为2 339和2 513 kg/hm2，约为不施氮处理的3倍，不同年份间两个处理的产量变异系数分别为19.2%和17.7%，这可能与油菜品种和当年的气候差异有关。与氮肥全量施用相比，减量施用均会引起不同程度的产量损失，减施30%时普通尿素和控释尿素的产量损失分别为9.2%和5.4%，减施50%时分别为18.5%和14.5%，说明相同氮肥供应条件下普通尿素产量损失高于控释尿素。氮肥减施50%、减施30%和全量施用时控释尿素与普通尿素之间的产量差平均分别为242、253和174 kg/hm2，相对产量差分别为11.2%、10.7%和6.9%，表明控释尿素在低氮供应条件下更具有稳定产量的优势。另外，控释尿素减量30%与普通尿素全量施用处理之间，以及控释尿素减量50%与普通尿素减量30%处理之间，产量差异不显著（P＜0.05），表明采用控释尿素是维持油菜籽产量，挖掘氮肥减施潜力的一种有效途径。

图2 氮肥施用对油菜籽产量的影响

油菜籽产量构成因子的调查结果如表2所示，氮肥减量施用主要影响了油菜的单株角果数，对每角粒数和千粒重的影响不明显。不施氮处理单株角果数平均仅为166个，远低于其他施氮处理。控释尿素全量施用时单株角果数最高，平均为415个，比普通尿素全量施用处理高6.7%。随着氮肥用量的减少，单株角果数呈现降低的趋势，当氮素减施比例为50%时，普通尿素处理单株角果数显著下降到315个，而控释尿素减施50%处理仍保持在较高的水平（355个）。另外，不同处理每角粒数和千粒重均无显著差异，平均变幅分别为18.4～20.1个和3.47～3.55 g。

表2 氮肥施用对油菜籽产量构成因子的影响

2.3 油菜氮素吸收量

不同年份油菜氮素吸收量的结果如图3所示，不同处理间表现的规律与产量结果类似。连续6年不施氮处理油菜氮素吸收量平均仅为38.2 kg/hm2，远低于其他施氮处理。氮肥全量施用时氮素吸收量最高，且控释尿素（142.9 kg/hm2）显著高于普通尿素处理（121.4 kg/hm2），达到17.7%。随着氮肥减施比例的增加，氮素吸收量呈现明显降低的趋势。另一方面，当控释尿素氮肥减施30%时，其氮素吸收量为119.7 kg/hm2，接近于普通尿素氮素全量施用处理；同样，当控释尿素氮肥减施50%时，其氮素吸收量接近于普通尿素减施30%处理，说明在维持相同氮素供应的条件下，控释尿素处理油菜氮素吸收能力比普通尿素更高。

图3 不同年份氮肥施用对油菜氮素吸收量的影响

图4 氮肥施用对油菜氮肥利用效率的影响

2.4 油菜氮肥利用效率

氮肥偏生产力、农学效率和回收利用率的6年平均结果如图4所示。氮肥偏生产力表示单位氮肥投入所产生的作物产量，是作物产量与氮肥用量的直接比值，因此，受氮肥用量的影响较大；氮肥偏生产力在全量施用（用量为180 kg/hm2）时，普通尿素和控释尿素处理平均分别为13.0和14.0 kg/kg，且差异未达到显著水平；随着氮肥用量的降低，偏生产力呈现增加的趋势，在减施比例达到50%时，氮肥偏生产力达到20 kg/kg以上。氮肥农学效率表示单位氮肥投入所产生的增产量，其表现的规律与氮肥偏生产力较为一致；氮肥全量施用时，普通尿素和控释尿素的农学效率分别为8.0和9.0 kg/kg，均显著低于相应的氮肥减施处理。氮肥回收利用率反映了作物对氮肥的吸收利用状况；在不同氮肥用量条件下，普通尿素和控释尿素处理氮肥回收利用率整体表现差异较小，平均变幅分别为46.2%～52.2%和58.2%～66.0%；但在同一氮肥用量条件下，控释尿素处理普遍高于普通尿素。从另一个角度来看，控释尿素减氮30%处理的氮肥偏生产力、农学效率和回收利用率均高于普通尿素全量施用处理，进一步表明采用控释尿素减施氮肥不仅能保证产量，还能提高氮肥利用效率。

3 讨论

本研究中，随着氮肥用量的降低，普通尿素和控释尿素处理油菜的生长、产量形成和氮素吸收均受到不同程度的抑制，表明足够的氮肥供应是保证油菜籽高产的基础。但值得一提的是，控释尿素减施30%处理油菜的生长指标和产量构成因子均与普通尿素全量施用处理基本持平，以至于两者产量无显著差异。因此，在“化肥减施”的大背景下，采用控释尿素是油菜氮肥减施稳定产量的一个有效途径。本试验条件下，不论是控释尿素还是普通尿素，氮肥减施均显著提高了氮肥偏生产力和农学效率，但回收效率并未随着氮肥的减施而增加，这可能是因为本试验田块土壤基础氮素供应能力（38.2 kg/hm2）相对较低，处于中低等水平［21］，氮肥减施后油菜吸氮量显著降低。然而，对比控释尿素和普通尿素之间的差异可知，控释尿素减施30%处理氮肥回收效率显著高于普通尿素全量施用，表明采用控释尿素可以达到稳定油菜籽产量的同时提高氮肥效率，即实现“减施增效”。

匹配肥料氮素供应与油菜氮素吸收规律，是实现控释尿素高效一次性施用的关键。根据油菜籽产量和氮素吸收量大样本数据分析结果可知，1 000 kg油菜籽的氮素需求量为45.9 kg，高于小麦、水稻等作物［1，22］。油菜的氮素吸收主要集中在苗期，占总吸收量的69%～78%，且主要贮藏在叶片中，为后期的氮素供应建立足够的氮库。早期有研究表明，油菜冬前期每增加1片绿叶数，产量提高158 kg/hm2［23］，本研究中，油菜冬至叶片数每增加1片，普通尿素和控释尿素处理的产量增幅分别为318和409 kg/hm2（数据未显示），这可能与当前高产品种与优化田间管理有关。随着生育期推进，叶片中的氮素逐渐转移到茎秆，以供应薹期茎秆和分支的构建，普通尿素分次施用一般可满足前期的氮素需求，控释尿素因其长效释放的特性，提高了生育期中后段土壤酶活性和无机氮的供应，使得一次性基施即可达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时，控释尿素油菜吸氮量比尿素分次施用高达17.7%（图3）。控释尿素的包膜材料阻隔了内部尿素与土壤中脲酶和水分的接触，从而降低了氮素损失［26］，油菜生育期内氮素损失以氨挥发为主，不同材料控释尿素较普通尿素可降低氨挥发8%～23%左右［27］，这正是氮肥高效利用的主要原因。本研究中，由于土壤基础氮素供应能力较低，控释尿素利用效率平均可达到60%左右，较普通尿素约提高了10个百分点，这是控释尿素维持土壤氮素供应、促进植物氮素吸收、减少氮素损失等综合作用的结果。

通过大样本数据的研究发现［21］，土壤氮素供应能力处于中低水平的田块，油菜最高产量可达到潜在目标产量（3 500 kg/hm2）的70%左右，相当于国内推荐的平均水平。判断该环境条件下油菜氮肥能否在推荐用量的基础上减量施用，其首要标准是产量损失，若产量损失超过潜在目标产量的65%，则不能减施，可直接采用全量普通尿素；若产量损失低于潜在目标产量的65%，则可以采用控释尿素进行减施；若控释尿素减施比例在30%（氮肥用量为126 kg/hm2）以内，可维持植株氮素吸收量和利用率分别达到120 kg/hm2和50%以上。

4 结论

氮肥减量施用在一定程度上抑制了油菜的生长、氮素吸收和产量形成，然而控释尿素减量30%处理不仅产量和氮素吸收量与普通尿素全量施用处理持平，其氮肥利用效率更是显著高于后者，且在同等氮肥供应条件下，控释尿素处理油菜氮素吸收与利用能力均高于普通尿素，控释尿素的施用为油菜氮肥减施增效提供了途径。在目前国内普遍推荐的油菜氮肥用量的基础上，对于中低土壤供氮田块，应用控释尿素减量30%以内，可维持65%的潜在目标产量水平，且氮素吸收量和回收利用率分别可达到120 kg/hm2和50%以上。