有机肥配施化肥对直播油菜产量及养分吸收利用的影响

2022-01-18卜容燕程文龙胡现荣郭子琪周锦寒

中国土壤与肥料 2021年6期

王慧，卜容燕，韩上，程文龙，李敏，唐杉，胡现荣，武际*，郭子琪，周锦寒

（1．安徽省农业科学院土壤肥料研究所/养分循环与资源环境安徽省重点实验室，安徽合肥 230031；2．当涂县农业技术推广中心，安徽马鞍山 243100；3．安徽农业大学资源与环境学院，安徽合肥 230036；4．北京林业大学环境科学与工程学院，北京 100083）

近些年来在农业生产中过分依赖化肥和化肥过量使用现象比较普遍，这不仅降低作物对养分的吸收利用效率，影响作物的产量和品质，并引起了一系列的环境问题，如土壤酸化，土壤养分失调，面源污染以及农产品品质降低等［1-2］。针对这些突出问题，全国深入开展和推进“化肥使用量零增长行动”，确保化肥的减量增效，其中增加有机肥，实现化肥的有机替代是“化肥农药两减”综合技术体系中的重要技术手段。有机肥来源非常广泛，2016年我国畜禽粪便共计6.5亿t，秸秆量约9亿t，商品有机肥的使用量大概为2200多万t，以有机肥形式的用量约为1000万t［3］，加大有机肥的施用和推广力度对2020年实现化肥使用量零增长和双减政策有重要意义。

有机肥不仅含有丰富的有机质、氨基酸等有机养分，也含有氮、磷、钾以及微量元素等养分，施用有机肥料能够提高土壤养分含量、改善土壤的理化性质和提升微生物活性，从而对作物的生长发育和产量等产生影响［4-5］。但是有机肥中的养分含量较低、肥效慢，作物生长中最需要养分的时候有机肥不能及时的供应，不足以维持植物的生长需求，导致有机肥不能充分发挥作用。而化肥可以提供作物所需的大部分的营养元素，肥效作用快。将有机肥和化肥配合施用不仅可以缓解过量施肥带来的土壤质量退化，还能满足作物在各生育期对养分的需求、改善作物品质和提高肥料利用率［5-8］。

油菜是我国重要的油料作物，且是一种对氮肥需求高和氮素缺乏敏感的作物，氮素是影响油菜产量的最主要养分因素［9］。合理的施肥措施可以有效促进油菜生长发育，增加养分吸收和提高籽粒产量［10］。长江流域是我国冬油菜的主产区，常年种植油菜的面积约为1300万hm2［10-11］。在安徽沿江流域耕地以中低产田为主，土壤环境亟待改善，作物复种指数高，产量水平高，农田养分消耗大，且偏重氮肥，忽略磷钾肥、微量元素供应以及土壤持续培肥等因素，致使该地区油菜肥料利用率低，施肥效益差等问题，因此有机-无机养分配施有利于该区域培肥地力，提高化肥利用率［9，12-13］。因此，如何实现在油菜生产种植中保证油菜产量的同时，降低化肥投入量，确保油菜种植节肥增效，提高肥料利用效率是该区域在油菜种植中亟须解决的问题。同时与育苗移栽油菜相比，直播油菜不需要育苗和移栽环节，直接播种入大田，具有操作简单、省时省工、经济效益好，有利于机械化播种和收获的优点；且直播油菜较移栽油菜相比，其根系发达，主根粗长，吸收深层土壤养分和水分能力以及抗旱和抗倒能力都相对较强［14］。同时随着长江中下游油菜生产机械化程度不断提高以及农村劳动力结构的改变，使直播油菜逐渐成为该区域主要的种植方式［15］。

本研究在安徽沿江流域开展直播油菜的有机肥替代化学氮肥的裂区试验，通过分析直播油菜产量、产量构成因子、养分吸收积累以及肥料利用率，研究该区域不同量氮肥配施有机肥在直播油菜生产中的增产减肥潜力，确定配施有机肥下合适的氮肥施用量，为沿江流域直播油菜生产中化肥减量有机替代技术的推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2018年10月至2019年6月在安徽省马鞍山市当涂县开展。该地处于长江中下游，中纬度区域，属亚热带季风气候，年平均气温15.7℃，平均无霜期233 d。土壤为长江河流冲积物母质上发育的潮土。

1.2 试验设计

采用裂区试验，主处理为有机肥用量，包括0、2250 kg/hm2两个水平。副处理为氮肥用量，包括0、90、135、180、225、270 kg/hm2共6个水平。小区面积50 m2，每个处理3次重复。其中氮肥按照60%基肥+20%提苗肥+20%越冬肥比例施用，磷（75 kg/hm2）、钾（75 kg/hm2）肥按照推荐用量作基肥一次性施用。有机肥由南京农业大学资源与环境学院提供，其中：含水量63.5%、N 2.22%、P2O56.94%、K2O 2.11%、有效活菌数≥2亿/g、有机质≥50%、氨基酸≥1%。肥料品种包括尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）、氯化钾（K2O 60%）、硼砂（B 10.8%）和有机肥。每个处理均施用硼砂9.0 kg/hm2做基肥。供试油菜品种为浙杂903号，播种量为6 kg/hm2。播种方式为直播，前茬作物为水稻，水稻秸秆全部移出。

1.3 样品采集与分析

在油菜基肥施用前和油菜收获后，采用多点采样法采集0～20 cm耕层土样，经风干、磨细、过筛后，按常规方法测定土壤的基础理化性质［16］。供试土壤的基本理化性质为：有机质26.37 g/kg，全氮1.81 g/kg，有效磷11.69 mg/kg，速效钾69.31 mg/kg，pH 7.58。

试验前，将每个小区划定成两块，一块用作试验取样，另一块用作产量收获。油菜成熟期在每个小区选择长势相对一致、具有代表性的油菜进行采集，分为茎秆、角壳和籽粒，于105℃杀青30 min，60℃恒温烘干称重，测定其生物量，然后将植物样品粉碎、过筛后，用H2SO4-H2O2联合消煮，半微量凯氏法测定全氮含量，钼锑抗比色法测定全磷含量，火焰光度法测定全钾含量。

1.4 数据分析

化肥偏生产力（kg/kg）=施氮后作物产量/施氮量；

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区作物产量-不施氮区作物产量）/施氮量；

氮肥贡献率（%）=（施氮区油菜产量-不施氮区油菜产量）/施氮区油菜产量×100。

采用Excel 2010进行数据分析和图表处理，SPSS 17.0进行方差分析、多重比较（Duncan）。

2 结果与分析

2.1 油菜产量及产量构成因素

施入普通化肥和有机肥的油菜的产量见表1。在单施化肥处理中，不施化肥的油菜产量最低，且随着氮肥施用量的增加而增加。在氮肥施入270 kg/hm2（N270）时，产量达到最高，为3310 kg/hm2，显著高于不施肥处理（N0）177.14%，但与N135、N180、N225之间差异不显著。通过线性加平台模型［y=1071+14.07x，0

在有机肥处理中，油菜产量随着施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势，施用有机肥的油菜产量在N180+OM处理达到最高，为3947 kg/hm2，显著高于N0+OM处理49.98%；也比N270+OM处理的产量显著增加14.08%，但N180+OM处理与N135+OM处理之间差异不显著。在施氮量相同的情况下，油菜施用有机肥的产量均明显高于施用普通化肥，增产量在351～1510 kg/hm2，其中不施氮肥下有机肥处理（N0+OM）比不施有机肥（N0）增产量最高（增产量为1510 kg/hm2）；施入氮肥270 kg/hm2下，有机肥处理的油菜产量与施化肥处理之间增量最低（增产量351 kg/hm2）。同时只施化学氮肥270 kg/hm2的油菜产量与施化学氮肥90 kg/hm2配施有机肥处理的产量相当，二者之间只相差167 kg/hm2，也即在配施有机肥的条件下，施化肥90 kg/hm2的油菜产量可以达到施加270 kg/hm2化肥的肥效。单施化肥的油菜产量在施用化肥135 kg/hm2基本达到平衡，维持在3070～3110 kg/hm2，且没有显著性差异；但在配施有机肥情况下，氮肥施加135～180 kg/hm2油菜的最高产量可达3833～3947 kg/hm2，显著地提高有机肥对油菜的增产潜力。

通过方差分析表明，氮肥用量和肥料类型对油菜产量的影响都达到了显著水平，但二者的交互作用效果不显著，表明施加化肥和有机肥都对油菜产量提升具有积极的作用。

从表2可以看出，在单施化肥各处理中，随着施氮量的增加，油菜单株角果数逐渐增加，在N270处达到最高；角粒数则随着施氮量的增加出现先增加后降低的趋势，在施氮量为180 kg/hm2（N180）时达到最高，并显著高于其他处理；各处理的千粒重差异不显著。施用有机肥的处理中，N135+OM和N180+OM处理的油菜单株角果数最多，并显著高于其他处理，为N0+OM处理的2.13～2.36倍；角粒数为20.3～24.9，其中N135+OM、N180+OM和N225+OM显著高于其他处理；N180+OM处理的千粒重最大，为3.79 g，但各处理的千粒重差异不明显。

通过油菜产量与产量构成因子之间的相关性可知（表3），施用普通化肥的各处理产量的提升与油菜的角果数相关性较高；配施有机肥后油菜的产量与油菜角果数和角粒数之间的相关性都达到显著水平。因此，施氮肥可以通过增加油菜的角果数增加油菜产量，配施有机肥后在增加角果数的同时还可以通过增加角粒数提高油菜产量。

表3 油菜产量与产量构成因素之间的相关分析

2.2 油菜成熟期的养分累积

2.2.1 油菜成熟期的氮素累积量

施用有机肥和普通氮肥对油菜成熟期氮素累积的影响见表4。根据油菜各部位氮素累积量来看，籽粒中的氮素累积量最大，占地上部的79.42%～83.78%，茎秆和荚壳中占比较小。与不施氮（N0+OM）相比，施用氮肥配施有机肥的茎秆、荚壳、籽粒的氮素累积量分别增加了16.04%～54.81%、18.86%～40.66%、21.6%～59.68%。配施有机肥的情况下，茎秆和荚壳的氮素累积量均以N225+OM处理最高，N180+OM处理籽粒的氮素累积量最高，为123.21 kg/hm2，当施氮量超过180 kg/hm2时，籽粒的氮素累积量则开始下降，说明过多施氮量不宜于油菜籽粒的氮素累积。N180+OM处理与N135+OM、N225+OM、N270+OM处理籽粒的氮素累积量之间差异不显著。在不施用有机肥下，茎秆、籽粒、荚壳的氮素累积量在N270处理达到最高，且与N180处理均未达显著性差异。同时由表4可以看出，增施有机肥处理的地上各部位的氮素累积量都显著高于普通尿素的处理。相同氮肥投入下，增施有机肥的各处理油菜籽粒的氮素累积量平均比普通尿素高出23.99%～149.11%。说明有机肥的施用可以提高油菜各部位的氮素累积量，促进氮素在油菜籽粒中的储存。

表4 施用有机肥和化肥对冬油菜成熟期地上部氮素累积量的影响（kg/hm2）

2.2.2 油菜成熟期的磷素累积量

单施尿素处理的地上部的茎秆磷素累积量最低，籽粒磷素累积量最高，占地上部总磷素累积量的90.15%～93.63%（表5）。籽粒的积累量在N270处理达到最高,单施化肥处理的茎秆磷素积累量差异不显著，荚壳磷素积累量随着施氮量增加呈增加趋势。

表5 施用有机肥和化肥对冬油菜成熟期地上部磷素累积量的影响（kg/hm2）

在配施有机肥下，N135+OM茎秆磷素累积量最大，达到1.00 kg/hm2；荚壳和籽粒在施氮量为180 kg/hm2时达到最大，磷累积量分别为1.69、24.29 kg/hm2；随后继续增加施氮量地上部的夹壳和籽粒磷累积量逐渐下降，特别是荚壳的降低达到显著性差异，说明随着施氮量的继续提高，籽粒和茎秆的磷素积累量都出现降低，其中对茎秆的影响最为明显。同时N135+OM、N225+OM与N180+OM处理荚壳和籽粒的磷累积量差异不显著；而N270+OM与N135+OM、N180+OM处理相比，茎秆和籽粒的磷素累积量差异不明显，但是荚壳磷素积累量显著降低。

同时对比单施化肥和配施有机肥各处理，在相同氮施用量下，配施有机肥的油菜茎秆、荚壳和籽粒的磷素累积量均明显高于普通化肥，说明施用有机肥可以提高油菜地上各部位的磷累积量。通过方差分析发现氮肥用量、肥料类型显著影响了油菜的地上部分磷累积量，但二者的交互作用不明显（表5）。

2.2.3 油菜成熟期的钾素累积量

由表6可以看出，施用有机肥和化肥的各处理中，荚壳中的钾累积量占比最大，占48.80%～60.52%，而籽粒中的钾累积量最小。不施用有机肥的情况下，在施氮量为135 kg/hm2时，油菜茎秆中的钾累积量达到最大，当施氮量大于135 kg/hm2，茎秆的钾素积累量逐渐降低；而荚壳和籽粒均以N270处理最高，且与N135处理差异不显著。在配施有机肥下，茎秆和荚壳在施氮量为135 kg/hm2时钾累积量达到最大，分别为58.13和87.02 kg/hm2。在不施氮时（N0+OM）籽粒的钾素积累量最低，并与其它处理达到显著性差异，在N180+OM处理达到最大，施氮的各处理之间差异不显著。

表6 施用有机肥和化肥对冬油菜成熟期地上部钾素累积量的影响（kg/hm2）

在相同施氮量下，配施有机肥处理的茎秆、荚壳和籽粒的钾素积累量均高于单施化肥处理。通过方差分析表明氮肥用量、肥料类型均显著影响钾素的累积总量，但二者的交互作用不明显。

2.3 氮肥利用率

氮肥的施用量和肥料类型均影响了直播油菜的偏生产力、农学效率和氮肥贡献率（表7）。在单施化肥处理和化肥与有机肥配施中，氮肥各处理偏生产力均随着施氮量增加而逐渐降低，并达到显著性差异，即施氮量的增加降低了油菜的氮肥偏生产力。比较氮肥农学效率，在单施化肥中当施氮量大于135 kg/hm2，氮肥的农学效率随着施氮量的增加而逐渐降低；而在配施有机肥处理中氮肥农学效率随着施氮量的增加而逐渐降低，并达到显著性差异。对比氮肥贡献率，单施化肥处理中N90处理的氮贡献率最低，只有48.72%，在N270处理氮肥贡献率最高，达到63.94%，但各个处理之间差异不显著。在配施有机肥处理中，氮肥贡献率在N180+OM处理最高，之后随着施氮量的增加而降低，但各个处理之间的氮肥贡献率之间差异均未达到显著。

表7 施用普通化肥和有机肥配施下直播冬油菜的氮肥利用率

3 讨论

3.1 配施有机肥对油菜产量的影响

在本研究中随着施氮量的增加，在单施化肥中油菜产量随着施氮量的增加而增加，在施氮量为135～180 kg/hm2，油菜产量达到平衡。因此施氮量并不是越高越好，氮肥施用量过高则会导致油菜营养器官对氮素过分吸收，不利于油菜增产。我国油菜的适宜施氮量为90～325 kg/hm2，不同地区之间变幅较大，洞庭湖平原油菜适宜施氮量为180 kg/hm2，湖北省油菜适宜施氮量为150 kg/hm2，江浙油菜主产区冬油菜的氮肥适宜用量为180～270 kg/hm2，安徽江淮地区在一次性基施的条件下氮肥用量为180 kg/hm2［9，17-20］。本试验的结果再次明确了安徽沿江区域油菜氮肥的最佳施用量。

单施有机肥（N0+OM）与N0相比油菜产量增产134.57%，说明有机肥可以在油菜苗期提供必需的养分，在油菜生殖生长期间持续提供养分，可以在一定程度提高氮磷钾含量，促进油菜增产。在相同氮肥用量下有机肥对油菜的增产效果显著。在施用氮肥180 kg/hm2的基础上增施有机肥，油菜的产量有显著提高，施用有机肥处理的产量比单施普通尿素增产867 kg/hm2，高出28.16%。施用有机肥与普通氮肥相比，有机肥施用可以提高油菜的单株角果数和角粒数，提高油菜产量。单株角果数、角粒数和千粒重这3个因素是影响油菜产量的主要因素，其中角果数对油菜产量的影响较大。一些研究者用谷壳粉、饼肥等做成有机肥施用，认为有机肥可以通过提高油菜的有效角果数，促进油菜增产［21-22］；有机肥替代化肥10%时角粒数与油菜产量达到显著性相关，角粒数增加促进油菜增产［23］。同时研究认为直播冬油菜应该保证较高植株密度上增加单株角果数更有利油菜增产［24］。本研究条件下，配施有机肥处理的单株角果数比单施氮处理高出41.88%～155.11%，同时角粒数也显著提高。通过相关关系分析，在有机肥配施条件下，角粒数和角果数与油菜产量的提升紧密相关。这主要由于有机肥养分释放缓慢，可以在油菜生长后期持续提供养分，特别到了生殖生长期间，提高油菜角果数和角粒数。

在有机肥处理中施氮量为135 kg/hm2时，有机肥的角果数达到最大，产量也达到最高，为3833 kg/hm2，继续增加施氮量，油菜的产量先增加平缓，然后因为施肥过量而开始下降，增产率从49.98%降低到41.39%，角果数的增长率从135.40%降低到77.20%。合理的施氮量可以提升油菜的角果数，从而达到增产的效果，超过一定的施肥量，不利于角果的生长，也会导致油菜产量的下降。

本研究中单施化肥处理下，随着施氮量的增加，油菜的产量不断提高，施氮量为135～180 kg/hm2，油菜产量达到平衡；且在相同氮肥用量下有机肥对油菜的增产效果显著。利用线性加平台方程拟合结果表明，在单施化肥下，氮肥最佳用量为141 kg/hm2，此时平台产量为3005 kg/hm2；施用有机肥2250 kg/hm2时，施氮90 kg/hm2时油菜的产量已经达到3277 kg/hm2，且高于单施氮肥的平台产量。因此相对于最佳氮肥推荐用量（141 kg/hm2），施用有机肥2250 kg/hm2可以替代36.17%的氮肥，具有明显的化肥减施作用。另外，化学氮肥180 kg/hm2配施有机肥达到最高的产量，比单施化学氮肥平台产量提高29.32%。

3.2 配施有机肥对油菜生长期养分累积量的影响

在本研究中，随着施氮量的增加，油菜的氮素累积量不断增加，当施用普通尿素处理和施用有机肥处理施肥量分别超过180和135 kg/hm2时，氮素的累积量逐渐下降，成熟期油菜的磷和钾累积量也有相同的规律。在适宜施氮量的情况下，氮素首先向籽粒提供营养，再向茎秆和角壳中分配；施氮量过多则会导致养分向营养器官转移，导致荚壳和茎秆中吸收过多的氮素。因此过量施氮不利于养分累积量的提高。

相对于普通尿素，施用氮肥的基础上增施有机肥可以提高油菜各个部分的养分累积量，其中籽粒和地上部氮素累积量分别比单施化肥处理增加21.65～46.15和21.55～58.95 kg/hm2。有机肥与化肥配施既可以满足油菜前期对养分的需求，又可以保证后期养分供应，增加氮素累积量从而提高产量。养分累积量为生物量与养分含量的乘积，与产量变化规律基本一致，养分含量变化幅度小，养分积累量由生物量决定，所以有机肥配施化肥可促进油菜对养分的吸收，有利于植株生长和产量的提高。

3.3 配施有机肥对肥料利用率的影响

本试验中配施有机肥后氮肥的偏生产力、农学效率和氮肥贡献率都显著升高，分别比相同施氮量提高了11.29%～49.84%、17.66%～102.25%和5.72%～34.98%。这也说明了有机肥配施可以显著提高氮肥利用率。一方面有机肥本身就含有一定的营养元素，可以在化学肥料基础上继续给油菜提供养分，有助于提升直播冬油菜产量；另一方面有机肥的施用可以改善土壤理化性质，提高土壤速效养分，改善土壤物理结构，为油菜的生长提供更好的微环境，提高油菜对养分的吸收能力和肥料利用能力［4，8］。在单施氮肥平台产量为3005 kg/hm2，氮肥最佳用量为141 kg/hm2时，油菜的偏生产力和农学效率分别为21.65%和13.71%。而在配施有机肥下施用氮肥90 kg/hm2，油菜产量（3277 kg/hm2）与平台产量最接近的情况下，油菜的偏生产力和农学效率分别为36.41%和23.96%，有机肥配施在减氮36.17%的基础上不仅增加油菜产量，还显著提升氮肥偏生产力（68.18%）和农学效率（74.76%）。

增施有机肥比单施氮肥处理显著提升直播冬油菜的产量以及成熟期氮磷钾养分累积量，特别在不施氮肥条件下，增施有机肥比不施肥处理分别提升油菜产量134.57%，氮磷钾养分积累量61.28%、51.48%和54.65%（表1，表4～6）。这主要由于直播冬油菜在出苗至越冬期表现出相对于移栽冬油菜更快的养分积累速率，特别是氮磷的养分累积在直播冬油菜前期增长更快［24］，并且直播冬油菜苗期生长量和养分积累量是决定产量的关键因素［24-25］。在加入等量氮肥下，特别是低量氮肥条件下，通过增施有机肥可以向土壤补入油菜生长所需的氮、磷、钾以及微量元素等养分，活化提升土壤养分的有效性，增加直播油菜苗期养分供给量，增强油菜幼苗期光合作用，增加油菜个体的生物量，从而更好抵御冬季逆境胁迫，提高直播油菜越冬期、抽薹期物质积累，保证油菜产量的提升，促进直播冬油菜成熟期养分积累［25］。同时与移栽相比，直播冬油菜具有较好的根系结构，更有利于直播冬油菜吸收利用土壤的养分，包括增施的有机肥，增加其对养分吸收积累，提高肥料利用率。另外，相比移栽冬油菜主要发挥个体优势提高产量，直播冬油菜主要依靠群体优势，而施用氮肥下增施有机肥，在一定群体密度下有利于直播冬油菜个体优势的发挥，在本试验中增施有机肥提高直播冬油菜的单株角果数和角粒数（表3），进而提升油菜产量。因此直播油菜种植生产中，减施化学氮肥时，配施有机肥不仅可以补偿因为氮肥减施引起的苗期油菜养分供给不足的问题，保证直播冬油菜苗期对养分吸收利用；还能提升单株油菜的角果数、角粒数，发挥直播冬油菜个体优势，进而增加直播冬油菜的产量和养分累积量，提升氮肥利用率。