有机无机氮配施对红壤旱地油菜光化学效率及氮肥利用率的影响

汪瑞清，吕丰娟，胡立勇，肖运萍，魏林根，林洪鑫，张志华

（1.江西省农业科学院 土壤肥料与资源环境研究所/农业农村部长江中下游作物生理生态与耕作重点实验室/国家红壤改良工程技术研究中心，江西 南昌 330200；2.华中农业大学 植物科学技术学院，湖北 武汉 430070）

0 引言

我国长江流域是油菜的主要种植区域，但与欧洲相比较，油菜产量和氮素利用效率都较低，制约了油菜种植面积的增长与稳定［1］。研究表明，在我国长江中游地区（湖北、湖南、江西）油菜适宜的氮肥用量为150～270 kg/hm2，该水平下能够使油菜保持较高的叶面积指数和产量［2-4］，氮肥利用率为34.0%～39.2%［2-7］。因此，需要合理调整施肥技术以提高我国油菜氮肥利用率。

叶绿素荧光动力学技术在研究叶片光合作用过程中对光的吸收、透射、耗散和分布方面具有独特的作用［8］。氮肥用量是影响作物叶片叶绿素荧光参数的关键因素之一［9-10］，适宜的施氮量可以提高叶片中的电子传递速率和PSⅡ的实际光化学效率，从而增强叶片的光吸收，促进同化物的积累和转运，增加作物千粒重［10-11］；可以延缓作物灌浆后期叶片衰老，使作物获得较好的光合性能，从而提高产量［12-13］；可以有效调节作物氮素的积累和转运，增加作物氮肥利用率［14］，从而显著减少作物的氮素损失，获得更高的经济和环境效益［15］。有关油菜叶片叶绿素荧光参数的研究主要集中在铝胁迫［16］、干旱［17］、渍害［18］等处理。

近年来，我国菜籽饼粕年产量在860 万t 以上［19］。油菜枯饼富含蛋白质，一般含氮量为6%左右，也含有碳水化合物、脂质、矿物质和维生素等多种营养物质。同时，粗纤维、钙、植酸磷等含量都较高［19］。因此，它不仅是一种重要的植物蛋白质饲料资源，也是一种非常优质的有机肥料，但相关的应用研究报道较少。关于氮肥和栽培因素对油菜产量和氮肥利用率影响的研究报道较多，主要集中在氮肥用量［20］、控释氮肥用量［21］、氮肥追施时期［22］、不同栽培模式及施氮方式［23］、施氮量与生育期水分胁迫互作等方面［24］。有机无机肥配施是一种有效提高作物产量和氮肥利用率的措施。但关于有机无机肥配施对油菜叶绿素荧光参数、产量形成规律、氮肥利用率的研究报道较少。因此，研究不同施氮量和添加有机含氮肥料对油菜叶片叶绿素荧光参数的影响，有助于了解油菜增产的生理机制。同时，也为进一步探索油菜高产栽培和高氮回收利用率提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料与试验地点

油菜品种为长江中下游地区大面积应用的华油杂62和华油杂9号，均为华中农业大学选育。试验地点在江西省南昌市南昌县良种场（115°57′E，28°30′N）。试验地为红壤旱地，前作为西瓜，成土母质为湖积母质，时间为2014年10月～2015年5月。土壤理化性质为pH值5.1、有机质含量为23.46 g/kg、全氮为1.78 g/kg、速效氮为108.80 mg/kg，速效磷为102.08 mg/kg、速效钾为159.65 mg/kg、有效硼为0.71 mg/kg。

1.2 试验设计

田间试验采用单因素随机区组设计，3次重复。小区面积为15 m2（2 m×7.5 m），周围有1.5 m宽的保护行。以尿素（46.4% N）为无机氮源、过磷酸钙（12% P2O5）为无机磷源、氯化钾（60% K2O）为无机钾源、硼酸（10% BO33-）为硼源，施用油菜枯饼后减少相应的无机氮、磷、钾肥用量。设置5个施肥处理：T0（CK1），0；T1，180；T2，270；T3，180#；T4，270#（表1），数值后加#代表添加了油菜枯饼（1500 kg/hm2）。所采用的有机氮来源于菜籽饼（氮5.98%、磷1.75%、钾0.97%）。将油菜枯饼与基肥混合一次性施用于土壤中。磷肥、钾肥、硼肥用量分别为90、126和15 kg/hm2，同时，油菜磷肥和硼肥作为基肥一次性施入土壤，油菜氮肥和钾肥的基追肥比例（基肥∶苗肥∶薹肥）为5∶2∶3。

表1 不同处理下氮肥与有机肥用量 kg/hm2

1.3 数据收集

油菜成熟期在每个地块的中间行（剔除病株和不育株）连续采集10株植物进行进一步分析，包括产量构成因素和产量（单株角果数、每角粒数、千粒重、分枝数量、每个分枝产量和小区产量）。考种结束后将不同器官（茎、角果皮、籽粒）分别存放在网袋中，并对每个样品进行编号；在完全自然晒干后测量植株各部分的干物质重，然后用小型植物粉碎机粉碎，并保留一部分样品，用于分析各植株部分的氮含量。经浓H2SO4和H2O2硝化后，采用流动注射分析仪测定油菜植株各部位的全氮含量［25］。

参考Feng等［10］的 方法，在48、78、90、110和149 DAS（Days After Sowing）5个 时 期，用PAM-2500叶绿素荧光仪测定了从顶部开始的倒数第3叶的叶绿素荧光参数，每个小区测定3株并取平均值。在油菜蕾薹期（2015-01-24，91 DAS）测定每片叶片的叶绿素荧光参数。此时温度显著升高，油菜同时进入营养生长和生殖生长期，其生长状况对成熟期油菜产量形成有显著的正向影响。氮肥利用效率指标计算如下：（1）累积氮肥吸收利用率（%）=（施氮处理的作物收获后累积总氮－未施氮作物收获后累积总氮）/总氮量×100%；（2）累积氮肥生理效率（kg/kg）=（施氮处理的作物收获后累积产量－不施氮处理后作物收获后累积产量）/（施氮处理的地上部分累积氮总量－不施氮处理地上部分累积氮总量）；（3）累积氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮处理后作物收获后累积总产量－不施氮处理的作物收获后累积总产量）/氮肥总量；（4）累积氮肥偏生产力（kg/kg）=施用氮肥后的作物收获累积总产量/总施氮量［26-27］。

1.4 统计分析

采用Excel 2010进行数据整理，利用SAS 9.1软件进行单因素和双因素方差分析。采用LSD法（最小显著性差异）进行处理间的多重比较，所有图片均由数据绘图软件Origin 8.0软件绘制。

2 结果与分析

2.1 油菜叶片叶绿素荧光参数

不同氮肥处理对PSⅡ潜在活性（potential activity of PSⅡ，PAP）和最大光化学量子产量（maximum photochemical quantum yield of PSⅡ，MPQP）的影响，在不同时期表现不一致（表2）。增加施氮量和添加少量有机肥能有效提高PAP和MPQP，华油杂62在78、90和110 DAS 3个时期的T0、T1、T33个处理间有显著差异，T1处理的PAP和MPQP分别比T0高2.80%～4.00%和13.44%～20.23%。110 DAS时，华油杂9号中T3处理的PAP和MPQP分别比T0高3.44%和14.44%，而149 DAS时分别下降1.13%和6.32%（表2）；电子传递速率（electron transport rate，ETR）在5个时期的总体表现为先升后降，以蕾薹期（90 DAS）的最高。在78 DAS时，T3处理的PSⅡ总量子产量（total photochemical quantum yield of PSⅡ，TPQY）在华油杂62和华油杂9号中较T0的分别增加了10.52%和16.79%，而T3的ETR值分别比T0的高9.31%和16.59%（表2）。149 DAS时，T3处理在华油杂62的TPQY和ETR值下降，与T0相比分别下降12.38%和12.93%。78 DAS时，T3处理的华油杂62中的光化学猝灭系数（photochemical quenching coefficient，qP）比T0显著增加6.23%，149 DAS时下降41.32%，且T1和T3处理之间也有显著差异（表2）。

表2 不同氮肥处理对不同时期油菜叶片叶绿素荧光参数的影响

华油杂62在T1处理中，Y2和Y3的实际光化学效率分别提高了3.99%和3.53%，而在T3处理中，Y4的实际光化学效率比T0的提高了4.51%。华油杂9号的Y2～Y4实际光化学效率T3比T0高1.77%～3.74%，其他部位差异不显著（表3）。

表3 不同氮肥处理对油菜越冬期不同部位叶片叶绿素荧光参数的影响

2.2 油菜产量及产量构成因素

总体上2个油菜品种的单株角果数差异不明显，华油杂9号的每角粒数比华油杂62的高10.82%（P＜0.05），但是华油杂9号的千粒重比华油杂62的低9.14%（P＜0.05）。T1的单株角果数在5个处理中最高，比T0增加72.22%（P＜0.05），5个处理间的每角粒数和千粒重差异不显著。这说明在相同施氮量下（T1和T3、T2和T4），有机氮代替部分无机氮肥对油菜产量构成因素的影响较小（表4）。互作分析结果表明，品种对油菜各产量构成因素有显著或极显著影响，同时氮肥处理对油菜单株角果数有极显著影响（表4）；与华油杂62相比，华油杂9号的油菜产量提高了41.70%。T1的产量较T3（有机肥替代部分无机肥）的产量高出0.92%（P＞0.05），T1的氮肥回收利用率较T3的高1.09个百分点。在相同施氮量下，有机氮代替部分无机肥，对油菜产量的影响较小。品种和氮肥处理的交互作用无显著影响，但是品种和氮肥处理分别对油菜产量有极显著的影响（表4）。

表4 不同氮肥处理对油菜产量和产量构成因素的影响

不同处理的分枝产量结果表明，主花序的产量高于各分枝的，施氮处理的主花序产量高于不施氮处理的，不同分枝的产量大致呈先升后降的趋势。各处理的产量峰位为第3、4分枝（图1a、1b），总体表现为T1处理不同位置的产量都要高于其他处理。在华油杂62中，T0处理的产量都要显著低于其他4个施肥处理，而4个施肥处理间仅T1处理的产量在第2分枝部位较T3的显著增加了25.3%。华油杂9号中，T0处理仅在第2、3、5、6分枝位置的产量显著低于T1处理，而4个施肥处理中，仅T1处理在第2、3分枝部位较T3处理分别显著增加了83.0%和66.1%。

图1 不同氮肥条件下不同部位油菜分枝的产量变化

2.3 氮素积累量和氮肥利用率

方差分析结果表明，试验品种、施氮量和添加有机肥对油菜不同器官氮素积累量有显著影响。与华油杂9号相比，华油杂62的茎和果皮氮素积累量分别提高了45.45%和32.59%（P＜0.05），籽粒的氮素积累量下降了28.32%（P＜0.05），5个处理中T2处理不同器官的氮素积累量最高。与T1相比，T2的籽粒和总的氮素积累量分别增加了17.60%和17.59%（P＜0.05），而T1和T3间茎、果皮和籽粒的氮素积累量差异不显著（表5）。方差分析结果表明，除品种对氮素总累积量无显著影响外，品种和氮肥处理对各器官的氮素累积量都有极显著的影响，而两者的交互作用无显著影响。

油菜氮肥利用效率指数受品种、施氮量和添加有机肥的显著影响。与华油杂62相比，华油杂9号的氮肥回收效率（Nitrogen fertilizer recovery efficiency，NRE）无显著差异，但是氮肥生理效率（Nitrogen physiological efficiency，NPE）、氮肥农学效率（Nitrogen agronomic efficiency，NAE）和氮肥偏生产力（Nitrogen partial factor productivity，NPFP）分别提高了38.19%、42.34%和28.93%（P＜0.05）。施肥处理间的NRE 无显著差异，但是T2较T1低4.44个百分点（P＞0.05），而T2的NPE和NAE分别较T1的低1.24个百分点（P＜0.05）和4.03个百分点（P＜0.05）。添加有机肥处理T4的产量较T2的低1.21%，氮肥回收利用率低1.94个百分点，但都无显著差异。T3的NPE和NAE分别比T2的高1.14和2.93个百分点（P＜0.05）（表5）。方差分析结果表明，品种对NPE、NAE和NPFP有极显著的影响，氮肥处理对油菜NPE和NAE有显著影响，而两者的交互作用无显著影响。

表5 不同氮肥处理对油菜氮素积累量和氮素利用效率指标的影响

3 结论与讨论

3.1 施用氮肥对油菜叶绿素荧光参数的影响明显

叶绿素荧光参数的变化可以定性和定量地评价植物的生长状况。PSⅡ最大光化学量子产量（MQYP，Fv/Fm）反映了潜在的最大光化学量子产量和植物进行光化学反应的能力范围。Živčák［28］和Boussadia等［29］的研究结果都显示，PSⅡ最大光化学量子产量对氮肥处理几乎不敏感。但是Shangguan［30］和Jin等［31］的研究结果表明，施氮提高了PS反应中心的实际光化学效率，施用氮肥显著提高了最大光化学效率，MQYP的变化模式 为“低—高—低”［31］。在华油杂62的78、90和110 DAS期间，MQYP对氮处理敏感。这一结果与Shangguan［30］和Jin等［31］的研究结果一致。原因可能是高等植物的MQYP值是由其自身特性决定的，在健康生理条件下进行MQYP比较，平衡施肥对其影响不大［32］。但在氮胁迫等非健康生理条件下，其最大荧光产量和光化学活性降低。以往的研究表明，适当的施氮量可以增强叶片的光捕获能力，提高光合电子传输速率和光化学量子产量，并减少叶片非辐射能量的散热量［11-12］。

在水稻［32］、小麦［33］、烟叶［34］、甜瓜［35］等作物上都显示，有机肥与化肥配施相对于长期单施化肥和有机肥有利于作物叶片叶绿素荧光参数的改善，尤其是提高叶片的最大光化学量子产量（MQYP，Fv/Fm）、光化学荧光猝灭系数（qP），降低初始荧光（Fo）和PSⅡ吸收光能用于天线色素耗散的能量，且随着叶龄的增加，有机肥作用效果日趋明显，增施有机肥可延缓植株衰老，提高叶片光能利用效率。侯红乾等［32］研究表明，等养分条件下配施30%有机肥具有最优的叶绿素荧光指标组合及籽粒产量，而配施超过50%有机肥由于前期热耗散增大使得用于光合作用的光能份额减少，而施用氮磷钾肥处理则由于后期的衰老使得光能利用效率下降，且水稻叶绿素荧光参数PSⅡ最大光化学量子产量随水稻生育期的推进呈降低趋势，不施氮处理的PSⅡ最大光化学量子产量值最低，而施氮处理比不施氮处理Fv/Fm值增加了2.85%～4.18%。本研究结果表明，在油菜越冬过程中（78 DAS），无机氮中加少量有机肥较空白对照能显著提高叶片TPQY（10.52%～16.79%）和ETR（9.31%～16.59%）。然而，这2个指标值在华油杂62的开花期（149 DAS）显著降低了12.93%和12.38%，而在华油杂9号中则增加了12.92%和12.78%（表2）。本研究结果与上述结果［32-35］有一定的差异。产生这种现象的原因，可能与作物类型、种植区域、土壤类型等不一样有关，也可能与品种特性差异有较大的联系。从整个生育期田间表现来看，华油杂9号属于肥料高效利用类型的品种，对氮肥的响应不及华油杂62敏感。因此，施用氮肥与有机肥对油菜生育期叶绿素荧光参数的影响较明显，对后期油菜产量的提高将起到积极作用。今后将会进一步开展不同类型油菜品种在有机无机肥配施条件下的荧光参数差异特征探索，并明确差异形成的生理生态机制。

3.2 蕾薹期不同部位的荧光参数与油菜产量的关系密切

有关不同胁迫条件对作物叶片荧光参数影响的报道较多。在这些报道中测定的叶片部位因作物种类而异，例如油菜是倒数第3叶［36］、水稻是倒数第2叶［37］、棉花是倒数第4叶［38］。以往的研究也表明，小麦倒数第1、2、4叶的叶绿素荧光参数的差异可以作为氮素状况的评价指标，用于田间诊断和指导氮肥施用［10］。本研究表明，氮处理对油菜不同部位叶片的PSⅡ实际光化学效率有显著的正向影响，尤其是Y2～Y4部位（表3）。这项研究结果与以前在其他作物上的研究结果基本一致［36-38］。导致这一现象的原因可能是倒数第2～4片叶属于新叶，它们对各种环境因素最为敏感。因此，可以区分不同处理下油菜叶片叶绿素荧光参数的变化，为今后不同条件下油菜叶片叶绿素荧光参数的测定和氮素状况评价提供理论参考。

油菜是一种多分枝的作物，以往研究表明在种植密度为3×105株/hm2的情况下，油菜从第1分枝到最后一个分枝（自上而下）的产量呈现先增后降的趋势，第3和第4分枝的产量较高［3］，这一结论与本研究结果基本一致。在本研究中，油菜第2～4分枝的平均籽粒产量较其他分枝平均产量高1.3倍（图2）。结合蕾薹期的荧光参数结果，可以看出油菜倒2～倒4分枝产量偏高的可能原因是该位置的叶片能够保持长时间的光照，叶片对光照吸收较好，导致该位置的叶片光合作用优于其他位置，生成了更多的光合产物，从而有利于该位置油菜籽粒高产的形成。因此，可以认为蕾薹期不同部位的荧光参数与油菜产量的关系十分密切。今后将进一步开展不同位置叶片光合作用参数和荧光参数的联合研究分析，对其油菜高产的光合生理机制进行深入探索。

3.3 适宜的氮肥用量有利于提高油菜产量和累积氮肥利用率

氮肥用量是影响作物产量的关键因素，但不同作物的适宜氮肥用量不同［1-2，4，39-40］，以及同一作物的不同区域也会有差异［1，5，41］。与华油杂62相比，华油杂9号的油菜产量提高了41.70%（P＜0.05），主要是华油杂9号的每角粒数比华油杂62的高10.82%（P＜0.05）。可能原因是华油杂9号对江西的适宜性要强于华油杂62，能够适应当地的气候和土壤等条件，有利于发挥油菜产量潜力。当施氮量从180 kg/hm2（T1）增加到270 kg/hm2（T2）时，油菜产量有一定程度的提高但无显著差异。但是，T2的总氮吸收利用率仅为36.71%，比T1的低4.44个百分点（表5）。氮回收率接近以前研究报道的油菜氮吸收利用率（34.0%～39.2%）［1，7］。T1的产量较T3的高出0.92%，但无显著差异，T1的氮肥回收利用率较T3的高1.09个百分点。因此，结合产量和氮肥累积利用效率指标，认为T1是提高油菜氮肥吸收利用率和产量的适宜施氮量。如果从有机肥能够改良土壤的特性和下茬作物的肥料利用来考虑，也可以选择T3。总之，适宜氮肥用量可以提高油菜产量和氮肥利用率，这为长江中游地区油菜施肥技术提供了理论参考。

3.4 结论

添加有机肥能提高越冬期油菜叶片的电子传递速率和PSⅡ光化学总量子产量，且不同施氮量对蕾薹期2个品种倒数第2～4叶的PSⅡ实际光化学效率的影响最为明显；同时，施氮量能够显著影响不同分枝部位的籽粒产量，其中倒数第2～4分枝的产量高于其他分枝。T1的油菜产量与T2的无显著差异，但是T1的NRE高于其他3个处理。T1的产量和氮肥回收利用率较T3（有机肥替代部分无机肥）的高出0.92%（P＞0.05）和1.09个百分点（P＞0.05）。因此，可以认为增施氮肥对新叶的PSⅡ实际光化学效率影响最为明显，且油菜适宜氮肥用量为180 kg/hm2，并采用全部无机肥或采用部分有机肥替代无机肥，能够保持较高的产量和氮肥回收利用率。