氮肥和密度对胡麻水分、氮素利用率及产量的影响

吴 兵，高玉红，李鹏红，剡 斌，崔政军，牛俊义

(1.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070；3.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；4.中南财经政法大学公共管理学院，湖北 武汉 430073)

在雨养农业区，干旱与土壤贫瘠一直是作物产量提升的主要限制因子。如何最大程度地利用自然降水、提升作物对水分和土壤肥力的利用效率，是旱区农业生产面临的主要课题[1]。研究表明，作物群体适宜种植密度和氮肥的调控是其对水肥资源高效利用的重要途径[2-3]。氮素是作物必需营养元素之一，直接参与植株器官建成和多种生理生化过程，合理施用可以提高作物产量、改善作物品质，过量或不合理施用会导致氮肥利用率降低、污染环境和水源，浪费能源[4]。目前，世界范围氮肥的平均利用率约为33%，我国主要农作物的氮肥利用率远低于国际平均水平[5-6]。在当前兼顾作物高产及环境安全背景下，施肥与耕作技术的深入协作研究已成为农业工作者关注的热点问题之一。种植密度是调控作物群体特征、改善作物对水肥资源利用效率与库源平衡的重要措施，以往在小麦[7]、玉米[8]、油菜[9]和水稻[10]等作物的研究均表明，适宜种植密度有利于促进土壤氮素高效吸收、增加群体光合性能、平衡花后物质分配比例、提高水分及肥料利用率，进而实现作物高产增效。

胡麻(LinumusitatissimumL.)是我国北方干旱半干旱区主要油料作物，分布在甘肃、青海、宁夏、内蒙古、河北等地区，具有抗旱、耐瘠、耐寒、适应性广等特点[11]。近年来，随着胡麻籽油市场及其深加工产品的需求增长及农业种植结构调整的要求，亟需改进种植技术、培育高产优质品种。胡麻是需肥较多又不耐高氮的作物[12-14]，适宜的施肥水平可使其产量增加20.5%～77.3%[15]，刘德平等[16]的研究亦表明在保证产量的前提下，合理配施氮、磷肥可促进水肥利用、减少农业面源污染。Pegeau等[17]则指出，胡麻高产的获得同氮肥及密度间互作紧密相关。当前，肥料与密度组合对胡麻产量影响的研究已有报道[18-20]，而在有效水分条件下，通过合理施氮和选择适宜种植密度，能否改善土壤肥力状况，调控作物对土壤水分的消耗，提高胡麻水氮利用率及产量的综合研究鲜见报道。为此，本研究在黄土高原典型旱作条件下，探讨密度与氮肥互作后的胡麻水肥高效利用机理，构建胡麻高产栽培技术模式，以期为合理施用氮肥配套适宜密度实现胡麻高产和资源高效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2014年在甘肃省定西农业科学院油料试验站基地进行。该区地处黄河中游黄土高原沟壑区，海拔高度1 793 m，年平均气温7℃，年日照时数2 500 h，无霜期146 d，年降水量300～400 mm，年蒸发量平均为1 524.8 mm。胡麻为当地的主要油料作物。供试土壤为黑垆土，有机质含量为11.06 g·kg-1，全氮0.99 g·kg-1，碱解氮72.15 mg·kg-1，速效磷8.31 mg·kg-1，速效钾247.02 mg·kg-1，pH值8.3。2014年试验区年降雨量分布情况见图1。

图1 2014年试验区降水量逐月分布Fig.1 Distribution of rainfall for experiment area in 2014

1.2 试验设计

采用二因素随机区组试验设计，试验因素为氮肥和密度。氮肥设3个水平，分别为：N0：不施氮，N1：施氮75 kg·hm-2(中氮)，N2：施氮150 kg·hm-2(高氮)；种植密度设3个水平，分别为：D1：4.5×106粒·hm-2(低密度)，D2：7.5×106粒·hm-2(中密度)，D3：10.5×106粒·hm-2(高密度)。分9个处理，每个处理重复3次，共27个小区。处理代号分别为：N0D1、N0D2、N0D3、N1D1、N1D2、N1D3、N2D1、N2D2、N2D3，氮肥品种分别为尿素(含纯氮46.4%)，2/3作为基肥，1/3作为追肥于现蕾前追施。供试胡麻品种选用“陇亚杂1号”，来自甘肃省农业科学院胡麻育种室。胡麻为露地条播，播深3cm，行距20cm。各处理的氮肥、密度配置情况见表1。

表1 各处理氮肥、密度配置实施表

各小区磷、钾肥的施用量均为P2O575.0 kg·hm-2和K2O 52.5 kg·hm-2。磷、钾肥品种分别为过磷酸钙和硫酸钾，均作为基肥施用。小区面积为 20 m2(5 m×4 m)。小区间隔30 cm，各重复间隔50 cm，四周设1 m的保护行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量 分别在胡麻播种前、苗期、现蕾期、盛花期、青果期、成熟期和收获后，采用土钻取土烘干法测定0～200 cm土层的土壤含水量，每20 cm为一个取样距离，重复3次。称土壤鲜重后，在105℃恒温下烘24 h至恒重，称土壤干重，计算土壤含水量。

式中,w为土壤相对含水量(%),Sw为土壤水分(%),Ms为总干重(g),m为铝盒质量(g)。

1.3.2 土壤贮水量及水分利用效率 根据土壤含水量计算土壤贮水量。依据胡麻播种前、收获后的土壤贮水量和胡麻全生育期降雨量，计算胡麻耗水量，依据产量和耗水量计算胡麻水分利用效率[21]。

土壤贮水量：

SW=d×r×w/10

式中,SW为土壤的贮水量(mm)，d为土层厚度(cm)，r为土壤容重(g·cm-3)，w为土壤含水量(%)。

耗水量：

ET=P+ΔE

式中,ET为耗水量(mm)，P为降水量(mm)，ΔE为胡麻播种前、收获后土壤贮水量的变化(mm)。

水分利用效率：

WUE=Y/ET

式中,WUE为作物水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，Y为作物籽粒产量(kg·hm-2)，ET为耗水量(mm)。

上述欧盟第八和第九研发框架计划预算经费比较凸显了欧盟未来7年（2021—2027）科技创新政策的着力点，即欧盟将重点资助应对全球挑战和以市场为导向的创新活动，这两块的资助经费都比“地平线2020”上浮30%～40%。尤其需要指出的是，欧盟意识到计划下大量的研发成果未能及时发挥推动经济、社会发展的价值，降低了欧盟科技计划和政策的社会影响力，所以“地平线欧洲”大大强化了对以市场为导向的高风险、颠覆性创新活动的经费支持，专设了欧洲创新理事会，形成了支持市场化创新的两个专项经费渠道，划拨专款支持创新生态系统建设，从经费和制度构建上保障创新成果从实验室走向市场，将知识资本转化为社会经济价值。

由于试验地平整，地下水位较深，且降雨量少，故未考虑深层渗漏量、毛管上升水和径流量。

1.3.3 胡麻植株氮素含量测定及氮素利用率 各小区随机选取成熟期胡麻植株20株，分为秸秆和籽粒两部分，60℃分别烘干至恒重后称重。之后粉碎过筛，以浓H2SO4-H2O2消化，半微量凯氏定氮法[22]测定秸秆和籽粒的含氮量，计算氮总吸收量和氮素吸收利用率[23]。

氮总吸收量=胡麻秸秆生物量(kg·hm-2)×秸秆氮含量(%)+胡麻籽粒生物量(kg·hm-2)×籽粒氮含量(%)

氮素吸收利用率(ANRE)=(施氮区植株总吸收氮量(kg·hm-2)-空白区植株总吸收氮量(kg·hm-2)/施氮量(kg·hm-2)×100%

1.3.4 收获后农艺性状与产量 胡麻成熟后，按小区单打单收，测定各小区实际产量。每小区随机取样20株，进行室内考种，测定株高、分茎数、分枝数、蒴果数、蒴果种子粒数、千粒重、秕粒率等产量构成因子。

1.4 数据处理

采用SPSS 22. 0进行数据处理和方差分析，用Microsoft Excel 2013和Origin 2018进行数据统计和作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理胡麻田土壤水分的垂直变化

图2表明，不同氮肥、密度处理0～200 cm土层土壤含水量因生育时期及土层深度变化趋势有所差异，苗期、青果及成熟期随土层深度增加呈现“先降后升”趋势，含水量变化拐点均出现在60～80 cm；现蕾期与盛花期含水量呈随土层加深而逐步增加态

图2 不同处理胡麻生育期内土壤水分的垂直变化Fig.2 Vertical change of soil water content during oil flax growth stages under different treatments

2.2 不同处理胡麻田0～200 cm土层土壤贮水量变化

图3表明，在胡麻整个生长期内，不同密度、氮肥处理下0～200 cm土层贮水量变化趋势基本相同，呈现“倒S”型曲线。苗期、盛花期及青果期0～200 cm土壤贮水量均表现为N2D1高于其他处理，分别较同时期最低处理N0D1、N1D3、N1D3高出16.84 mm、26.87 mm和14.29 mm，成熟期除低于N0D1处理3.7%外，较其他处理N0D2、N0D3、N1D1、N1D2、N1D3、N2D2、N2D3分别高出6.6%、8.4%、2.5%、5.3%、0.8%、0.2%、0.9%。分时期贮水量未表现出规律性趋势。0～200 cm土壤平均贮水量则表现为N2D1、N0D1和N0D2间差异不显著，但均显著高于其余处理，分别与最低N1D3处理间相差4.62%、3.98%和4.30%。

图3 胡麻生育期内0～200 cm土层贮水量变化Fig.3 Variation of 0～200 cm soil water storage during oil flax growth stages

2.3 不同处理对胡麻产量和产量构成因子的影响

2.3.1 不同处理对胡麻产量构成因子的影响及其与产量相关性 由表2可以看出，不同氮肥、密度处理下，有效分茎数、有效分枝数、单株有效硕果数均呈现先增加后下降的趋势，N1D2处理有效分茎数达到了0.44，N1D3处理有效分枝数达到了22.69。

表2 氮肥密度处理对胡麻产量构成因子的影响

每果粒数、千粒重无明显的变化规律， N2D1处理千粒重达到7.56 g，比最低N1D1处理高出9.7%。可见，密度、氮肥互作，分茎数、分枝数受密度影响程度大于施氮量，而千粒重受施氮量影响更明显。结合各产量构成因子与产量间的相关分析可见(图4)，密度、氮肥互作后，籽粒产量与有效分茎数间(0.688*)、有效分枝数与单株有效果数间(0.877*)均达到了显著相关关系，其余因子及与产量两两之间相关性不明显，高产相应适宜氮肥及密度的选择显著影响分茎数、分枝数及有效果数。

2.3.2 不同处理对胡麻籽粒产量的影响 由表3可见，处理间农田耗水量、籽粒产量及水分利用效率均表现出差异性。N1D2的农田耗水量为247.70 mm，分别显著高出N0D1、N0D2、N2D1和N2D2处理18.7%、10.6%、8.2%和8.1%。N2D1处理下籽粒产量最高，为1 802 kg·hm-2，与N2D3间差异不显著，但较其他处理分别显著高出23.7%、6.2%、18.8%、16.0%、37.1%、12.4%、13.1%。产量、水分利用效率随施氮量和密度增加呈现先降后升趋势，而处理间变化规律不明显，但最高处理N2D1除与N2D3、N0D2间差异不显著外，均显著高于其他处理。

表3 氮肥密度处理对胡麻籽粒产量和水分利用效率的影响

2.4 不同处理对胡麻水分及氮素利用效率的影响

2.4.1 水分利用效率 如图5A所示，同一氮肥量不同密度条件下，在N0水平下，D2比D1、D3水平的水分利用效率分别提高了8.5%、17.5%，差异达到显著水平；在N1水平下，D3比D1、D2水平的水分利用效率提高了10.5%、24.1%，且与D3间差异显著；在N2水平下，D1、D3间差异不显著，但分别较D2水分利用效率显著增加13.07%、10.20%。在N0、N1、N2不同水平下，水分利用效率最高的D2、D3、D1处理分别达7.58、6.94 kg·hm-2·mm-1和7.87 kg·hm-2·mm-1。同一密度不同施氮量条件下(图5B)，在D1水平，N2较N0、N1水平的水分利用效率显著提高12.7%、20.2%；在D2水平下，N0比N1、N2水平增加了43.8%、8.9%，且N0、N2均显著高于N水平；在D3水平下，N2比N0、N1水平的水分利用效率显著提高了7.6%、9.5%。在D1、D2、D3不同水平下，对应施氮水平为N2、N0、N2时获得同密度水平最高水分利用效率，分别为7.87、7.58 kg·hm-2·mm-1和7.67 kg·hm-2·mm-1。可见，密度和氮肥交互处理后均显著影响胡麻的水分利用效率，其中，N2D1处理胡麻水分利用效率具有优势，较其他处理的分别上升了12.8% 、3.8%、22.4%、25.3%、48.2%、13.4%、13.1%、2.6%。水肥互作后，以肥调水、提高水分利用效率效应显著。

注：图中每列的第一个图分别是产量构成因子与产量的箱线图。*表示在0.05水平下相关性显著。Note: The first graph is a box plot of yield component factor and yield in each column, respectively. * indicates a significant correlation at the 0.05 level.图4 产量构成因子散点矩阵统计分析图Fig.4 Statistical analysis of scatter matrix for oil flax yield component factors

2.4.2 氮素利用率 表4表明，氮肥水平和种植密度对胡麻氮素吸收量和氮素利用率有显著的影响。胡麻氮素吸收量在相同密度水平下均呈现随施氮量增加而上升的趋势，高氮(N2)更有利于氮素的吸收，比中氮(N1)和不施氮(N0)分别提高15.7%、82.2%，并与后者间差异显著；但在相同施氮量条件下，则呈现随密度增加而下降趋势，低密度(D1)获得最高的氮素吸收量。氮素吸收利用率均呈现随施氮量和种植密度增加而下降的趋势，高氮(N2)比中氮(N1)处理氮素吸收利用率显著降低42.0%；高(D3)、中密度(D2)平均氮素利用率分别较低密度(D1)处理显著降低58.45%和35.19%。可见，过量施氮虽能增加氮素吸收量，但高氮与增加密度均不利于提高氮素吸收利用率，氮肥、密度交互处理后，中氮(N1)和低密度(D1)更有利用于氮素利用率的提高。

注:柱上不同字母表示同一氮肥量和密度水平下水分利用效率在P<0.05水平差异显著。Note: Different letters above the bars indicate a significant difference in water use efficiency among treatments (P<0.05) same water use efficiency of nitrogen and planting density.图5 不同处理对胡麻水分利用效率的影响Fig.5 Effects of water use efficiency under different treatments

表4 氮肥与密度互作对胡麻氮素吸收量及氮素吸收利用率的影响

2.5 密度、氮肥与产量的回归分析

为了准确反映不同密度氮肥处理下胡麻产量随氮肥密度水平变化的规律，探索密度、氮肥与胡麻产量间存在的定量关系，对其进行回归分析，得出密度、氮肥与产量间的回归分析方程为：

式中，y为胡麻估计产量，x1为试验中实际氮肥量，x2为试验中实际密度，R2为回归系数，回归模型的参数估计见表5，经检验回归模型达到显著水平(P<0.05)。从密度、氮肥与产量间的回归图(图6)可知，密度、氮肥处理与产量之间呈现三维凹面，不同的氮肥密度处理下胡麻产量具有最大值和最小值，最优产量值出现在高氮肥水平，中密度和中氮肥水平下产量具有最小值。为了反映实际产量与预期产量之间的差别，利用回归方程计算预期产量，并得出预期实际产量与实际产量的残差(实际产量-预期产量)，见表6。其中N0D1、N0D3、N1D2、N2D2处理下实际产量低于预期产量值，N0D2、N1D1、N1D3、N2D1、N2D3处理下实际产量高于预期产量，其中N1D1、N2D1、N2D3处理具备实际产量优势的同时，也高于预期值，分别高出预期值3.38%、2.46%和1.98%。因此，选择N2D1、N1D1处理水平在实际胡麻种植中更加高产高效。

表5 模型回归参数估计

图6 密度、氮肥与产量的回归图Fig.6 Regression relationship between density, nitrogen fertilizer and yield

表6 实际产量与预期产量比较

3 讨论与结论

在旱作农田生态系统中，土壤水分状况直接影响着作物的生长发育和籽粒产量形成。研究认为，水肥之间存在耦合效应，养分不足在很大程度上限制水分作用的发挥，而过量施肥不仅导致肥料的经济效益降低、污染环境的潜势增加，还会造成作物对深层土壤水分的过度消耗[24-26]。亦有研究表明，适宜的种植密度可优化根系对土壤水分和养分吸收的空间，实现有限水分的最高利用效率[27]。本研究中，施氮量与密度配合后对土壤水分垂直变化的影响主要体现在胡麻生育前期，土壤含水量处理间变化主要表现在苗期～盛花期0～60 cm土层中，苗期、现蕾期及盛花期含水量最高处理分别为N1D1、N0D2、N1D1，盛花期后，处理间土壤水分含量无显著差异。当季水分运移动态中，适氮(N1)结合减密(D1)在保证耕层土壤综合可利用水分的同时，促进植株营养生长阶段的形态建成，此优势效应在生育后期则可能因植株耗水增加、降水减少、土壤蒸散加剧等而有所减弱。这与我们前期研究结果一致[28]。已有在小麦[29,30]等作物上的研究也表明，0～60 cm土层土壤含水量受灌水和降水等影响显著，其下深层水分受影响较小。本试验中，土壤含水量变化拐点均出现在60～80 cm土层，表明氮肥密度处理后也具备相应的“以肥调水”效应，由耕层60 cm有所下移，这亦与高氮(N2)和中氮(N1)水平平均农田耗水量分别高出不施氮水平(N0)3.56%和8.71%的结果一致。土壤贮水是作物水分的重要来源，尤其是深层水分的利用程度是提高作物水分利用效率的重要途径[31-32]。N2D1全生育期内0～200 cm土壤平均贮水量及在苗期、盛花期及青果期优于其他处理的表现，也证实了这一点。由土壤含水量、贮水量时空变化可见，在密度氮肥因素中，生育前、中期耕层土壤含水量及全生育期贮水量对施氮量响应更显著，处理组合内，高氮低密度处理(N2D1)经历了前期的水分吸收利用损耗后，其总体水分保持优势降低了植株群体的竞争，促进了肥水耦合，为其同化物累积和生殖器官的形成奠定了光合水分基础，有利于胡麻植株旺盛生长。

已有诸多密度、肥料单因素试验对作物水分及氮素利用效率的研究均表明，在一定范围内，产量随种植密度或施肥量的增加呈现单峰曲线。如谢亚萍等[33]研究表明，在施氮量单因素条件下，氮素利用率随施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势，施纯氮55.2 kg·hm-2时，氮素利用率达到68.63%。刘青林等[34]认为，当施氮量达到221 kg·hm-2时，春小麦产量与水分利用效率分别达到最大值6 365 kg·hm-2、14.51 kg·hm-2·mm-1。本研究中，施氮量与密度互作后，同水平下胡麻平均产量呈现随施氮量和密度增加呈先降后升趋势，未显现适氮与适密组合后的产量优势效应。N2D1处理下获得了最高籽粒产量和水分利用效率，二者对施氮水平呈现明显的正效应，增加密度对胡麻产量和水分利用效率并未有显著影响[35]。而氮素吸收利用率并未呈现出一致趋势，过量施氮虽能增加氮素吸收量，但高氮配合增密并不利于提高氮素吸收利用率，氮肥、密度交互处理后，中氮(N1)和低密度(D1)组合更有利用于氮素利用率的提高。这也进一步解释了崔政军[36]等提出的关于高产、高水分利用率同最优氮素利用率间的矛盾。氮肥过量施用是导致胡麻氮素利用率降低的重要原因之一，过量的氮肥随雨水淋溶、渗漏，旱作条件下作物吸收缓慢；减少种植密度利于提高氮素的吸收量，减少氮素的流失，进而提高胡麻的氮素利用率[37]。曹秀霞等[38]在提出胡麻适宜氮肥、密度水平的同时，认为氮肥、密度处理后，密度对产量构成因子影响较大，除株高外，随种植密度的增加，主茎分枝数、单株果数、单株粒数、分茎数逐渐减少。本研究则表明，密度氮肥互作后籽粒产量与有效分茎数间(0.688*)、有效分枝数与单株有效果数间(0.877*)均显著相关，且分茎数、分枝数受密度影响程度大于施氮量，而千粒重受限于施氮量更甚。增大密度不利于产量构成因子中分茎数及分枝数的积累，与曹秀霞等人[38]结论一致；千粒重因施氮量上升而增加则可能由于氮素水平的上升促进了植株蛋白质与氨基酸代谢，进而提高千粒重，调控产量形成[39-40]，有关胡麻氮肥精准运筹后籽粒产量构成及品质间关系的探索还需进一步深入研究。

本研究通过胡麻产量随密度氮肥水平变化，初步建立了其三维响应面定量回归模型(P<0.05)，验证了密度氮肥双因素处理后的实际产量同预期产量间的差异，其中，N1D1、N2D1、N2D3处理在具备实际产量优势的同时，也高于预期值。结合中氮(N1)低密度(D1)处理后胡麻氮肥利用率的充分挖掘，产量、水分利用效率及水肥耦合对高氮(N2)低密度(D1)处理的优势响应，均奠定了高产获得的生理基础。因此，在本试验及相似农田生态类型环境下，兼顾节本增效和环境安全，选择施氮量75～150 kg·hm-2、种植密度45×105粒·hm-2，在实际胡麻种植过程更加高产高效。同时，还需结合当地生产条件、土壤肥力、种子质量和环境条件等因素综合考虑。