不同新型包膜尿素对油菜产量、品质及氮肥利用率的综合影响

2022-08-15王小军王春丽杨建利高亚军

中国土壤与肥料 2022年6期

王小军，张智，王春丽，杨建利*，高亚军

（1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100；2.陕西省杂交油菜研究中心，陕西杨凌 712100；3.农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100）

油菜是重要的油料作物和能源作物，在世界范围内有着广泛的种植，中国作为世界油料消费大国，油料长期处于短缺状态，因此保证中国油料作物的安全生产十分重要［1-2］。氮是作物生长发育过程中必需的大量元素之一［3］。在油菜的生长发育中，氮肥的合理分配会增加油菜植株对氮素的吸收利用，进而提高油菜单产［4-5］。近年来，由于农村劳动力呈现结构性紧缺，劳动力、生产资料的价格大幅上涨，加之化肥农药投入过量和油菜生产机械化程度低，导致我国油菜种植的效益偏低，农户种植油菜的积极性下降。另外，传统施肥方式繁琐、用工量大，很难适应当前农业实际生产的状况［6］。因此，利用新型包膜控释氮肥开展冬油菜轻简化施肥是解决目前长江流域大量冬闲田、提高农民冬油菜种植积极性、保障中国油料自给率及促进油菜产业发展的主要措施和重要途径。

冬油菜生育期长，养分需求量大，如果养分供应不足，会影响最终的油菜产量及品质［7］。而且随着国家重点研发项目的资金支持，其中围绕“新型缓/控释肥料研制”项目价廉质高的包膜材料、新型绿色包膜工艺和规模化包膜设备以及高性能包膜缓/控释肥料新产品出现和应用得到大力发展［8］。已有研究表明，施用控释氮肥可以满足作物整个生长期的氮素需求，提高作物产量，与农民传统施肥相比，施用控释氮肥可以提高作物的氮肥利用效率和改善品质［9-13］。这些研究已经受到国内外研究者的重视，但针对于不同的土壤类型和农业气候区域，仍然需要得到验证。

目前市场销售的缓/控释肥品牌种类较多、品质大多参差不齐，而且以往的研究往往只是选取其中的某一两种缓/控释肥料进行替代传统施肥的效应研究，选取面比较窄，而在实际的生产实践中，农民在对市场上现存的大量新型包膜尿素选择时，针对性不强。本研究以直播冬油菜为对象，选取了市场上主要的7种不同类型的新型包膜尿素为试验材料，在当地推荐施肥量的基础上来探究其对油菜产量、氮肥利用率和品质的影响，将产量、品质和氮肥利用率作为评价油菜综合效益的三大指标，由于品质属于一个综合性概念，很难将其量化和数字化与产量和氮肥利用效率作比较，因此，很少有人基于产量、品质和氮肥利用率对油菜进行综合效益评价。该研究以主成分综合得分将油菜的品质进行量化，利用变异系数法对油菜的产量、品质和氮肥利用率赋权，通过TOPSIS法对各种新型包膜尿素进行综合效益评价［14］。为长江上游油菜轻简化施肥技术的推广应用和油菜产业的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在陕西省汉中市勉县周家山镇黄沙社区陕西省杂交油菜研究中心油菜绿色高效试验示范基地（33°09′38″N，106°54′56″E）进行。该地区处南北方过渡带，属温暖湿润气候，年均气温14℃，年均降水量800～1000 mm，无霜期260 d，≥10℃积温4480℃。供试土壤为水稻土，基本理化性质为：pH 5.91，有机质26.30 g/kg，全氮1.95 g/kg，硝态氮4.43 mg/kg，铵态氮4.18 mg/kg，有效磷30.51 mg/kg，速效钾122.67 mg/kg。供试油菜品种陕油28为当地主栽品种。

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，共设9个氮肥处理：处理1（CK）：不施氮肥；处理2：普通尿素；处理3：控氮尿素；处理4：多肽尿素；处理5：腐殖酸尿素；处理6：聚氨酯尿素；处理7：控失尿素；处理8：树脂尿素；处理9：控释尿素。除处理1（CK）不施氮肥外，普通尿素按照7∶3分为基肥、越冬肥，其它处理的氮肥均为一次性基施，所有处理氮肥用量均按当地推荐施肥施氮150 kg/hm2。各处理磷肥和硼肥用量相等，分别为P2O590 kg/hm2和B 1.65 kg/hm2，不施钾肥。其中，供试肥料为过磷酸钙（P2O512%）、硼砂（为B 11%）。每个试验处理设3次生物学重复，小区面积24 m2，共27个小区，各处理氮肥具体信息见表1。2017年10月11日播种油菜，采用人工模拟机械直播的种植方式，于五叶期人工定苗（行距30 cm，株距8.9 cm，密度37.5万株/hm2），其它田间管理同当地常规生产。2018年5月15日收获。

表1 各处理氮肥信息一览表

1.3 样品的采集与测定

1.3.1 土壤样品的采集与测定

油菜种植前，各试验田采集0～20 cm耕层土壤，经风干磨细过筛后，采用常规方法测定土壤基础理化性质［15］。具体为：pH值按水土比2.5∶1用pH计测定；有机质采用外加热-重铬酸钾容量法测定；全氮用半微量凯氏法测定；硝态氮、铵态氮采用流动注射分析仪（AA3，德国）测定；有效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾用1 mol/LNH4OAc浸提-火焰光度法测定。在油菜收获时每个小区随机选取3个点，采集0～200 cm的土壤样品，每隔20 cm为一层，混匀，用1 mol/L氯化钾浸提-流动分析仪法测定土壤硝态氮、铵态氮含量。

1.3.2 植物样品的采集与测定

成熟期各小区选取5株具有代表性的植株，分为茎秆、角果皮和籽粒3个部分，烘干后得到干物质重。样品经粉碎后，采用H2SO4-H2O2联合消煮，流动分析仪测定植株各器官氮素含量。

1.3.3 产量构成因子调查与产量收获

油菜收获前，分别在各小区选择10株有代表性的植株，调查株高、单株角果数和每角粒数。将代表性植株齐地割后装入网袋带回室内，悬挂风干脱粒后将籽粒烘干，随机选取一定量的籽粒测定千粒重。油菜成熟后，各小区单收单打并记录产量。

1.3.4 品质测定

从每个小区收获的籽粒中随机抽取一部分，使其含水量保持在7%～8%之间，然后从中取出3～4 g用Foss-NIR systems 2500近红外光谱仪（丹麦）来测定油菜籽粒中的含油量、油酸、亚油酸、亚麻酸、饱和脂肪酸、蛋白质、硫苷、芥酸等主要品质，测定的光谱结果利用WINISI系统进行处理分析［16-17］。

1.4 参数计算

氮肥利用率的计算方法［18］：

地上部氮素积累量（N kg/hm2）=地上部干物质重×氮素含量；

氮肥利用率（NUE，%）=（施氮区氮素积累量-不施氮区氮素积累量）/施氮量×100；

土壤硝态氮储量［19］：RN=CN×d×p/10

式中，CN是土壤硝态氮含量（mg/kg）；d是土层厚度（cm）；p是土壤容重（g/cm3）；

1.5 品质综合评价

1.5.1 品质评价指标

选取能够表征油菜籽粒主要品质的指标含油量（X1）、油酸（X2）、亚油酸（X3）、亚麻酸（X4）、饱和脂肪酸（X5）、蛋白质（X6）、硫甙（X7）、芥酸（X8）共8项指标作为评价变量，采用主成分分析法对油菜品质进行综合评价。

1.5.2 原始数据的标准化、同趋化处理

为了消除不同品质指标量纲的影响和保证指标优劣方向的一致，主成分分析法需要对数据进行同趋化处理，具体方法为［20］：

对于高优指标：BQj=Qj/Qmax×100（Qj≤Qmax）（1）

对于低优指标：BQj=Qmin/Qj×100（Qj≥Qmin）（2）

式中，BQj为指标j同趋化后的值，Qj为指标j的值，Qmax、Qmin分别为指标j测定值中的最大值、最小值。

1.5.3 主成分分析

采用SPSS 24.0进行主成分分析。SPSS将主成分分析有机地嵌入到了因子分析之中，数据经过标准化、同趋化处理后，调用Factor Analysis 过程进行主成分分析。主成分个数的提取原则一般是选取特征值大于1的主成分。用主成分载荷矩阵中的数据除以主成分相对应的特征值开平方根，便得到每个主成分中各指标所对应的系数，以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重计算综合得分模型［21］。

1.5.4 评价指标权重的确定

采用主成分分析法确定指标权重。主成分分析得到各项指标的公因子方差，方差的大小表示该项指标对总体变异贡献的多少，以每个指标的公因子方差占全部指标的公因子方差之和的比例作为权重的大小［22］。

1.6 品质、产量、氮肥利用率综合效益评价

1.6.1 评价指标权重的确定

采用变异系数法对品质、产量、NUE赋权［14］。变异系数（CV）是衡量数据离散程度大小的统计量，CV越大，表明指标越难实现，该指标应当被赋予较大的权重；反之则应被赋予较小的权重［23］。在该研究中确定权重的公式为：

式中，Zj为指标j的权重，CVj为指标j的变异系数，为指标j的标准差，Xj为指标j的平均值。

1.6.2 综合效益评价模型

采用逼近理想解排序法（TOPSIS法）对各处理下油菜的品质、产量、NUE综合效益进行评价。TOPSIS法是在有限方案多目标决策分析时常用的一种距离综合评价法［24］，其基本原理是：基于归一化后的决策矩阵，以确定正理想解A+和负理想解A-，来评价对象靠近正理想解的距离S+和远离负理想解的距离S-，计算得到理想解的贴进度Ci，根据Ci值的大小对各评价目标进行排序，Ci的值最大的为最优评价目标。

针对本试验，将9个试验处理和3个评价指标构建初始决策矩阵Xij=（xij）9×3。根据下面公式得到标准化后的加权决策矩阵Zij=（yij）9×3：

通过公式（6）、（7）确定正、负理想解：

计算各处理到正、负理想解的距离以及理想解的贴进度Ci：

根据Ci的值对各处理按从大到小的顺序排序，Ci的值越大，表明产量、品质、NUE的综合效益越大。

1.7 数据处理

数据计算和方差分析采用SPSS 24.0，使用LSD法进行多重比较，差异显著性水平为α=0.05，采用Excel 2019和PowerPoint 2019作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理下的油菜产量及产量构成因子

表2结果显示，与不施氮处理相比，分次施用普通尿素和一次性基施不同种类的新型包膜尿素均显著增加了油菜的产量及分支角果数，增加了主花序角果数和每角粒数。在施氮量相同的情况下，不同类型的氮肥对油菜产量的响应程度也各不相同。按照其对产量的响应将其划分为3类：（1）产量显著高于施用普通尿素；（2）产量和施用普通尿素之间不显著；（3）产量显著低于施用普通尿素；其中，施用控失尿素和控释尿素油菜产量显著高于施用普通尿素，控氮尿素和多肽尿素和普通尿素产量之间差异不显著，而腐殖酸尿素、聚氨酯尿素和树脂尿素产量显著低于施用普通尿素。此外，不同尿素对油菜产量构成要素的影响也存在着差异。其中，树脂尿素处理的油菜分枝数、主花序角果数和单株角果数低于其它处理。

表2 各处理对油菜产量及产量构成因子的影响

2.2 不同处理下的油菜地上部吸氮量及氮肥利用效率

施用不同尿素对油菜地上部吸氮量和NUE的影响结果显示（表3），施氮显著提高了油菜地上部的吸氮量，其中，施用控释尿素、控失尿素和多肽尿素明显提高了油菜地上部角果皮、籽粒和茎秆中的氮素积累；此外，各施氮处理间的NUE存在着明显差异，与传统施用氮肥（普通尿素分次施用）相比，一次性基施控释尿素、控失尿素和多肽尿素NUE分别提高了10.3、6.3和5.0个百分点，而施用聚氨酯尿素、控氮尿素和腐殖酸尿素的NUE分别降低了7.3、7.0和3.7个百分点。

2.3 不同新型包膜尿素对油菜品质的影响

从表4的结果可以看出，施用不同尿素对油菜的品质影响不一致，与不施氮处理相比较，施氮显著提高了油菜籽粒的含油量，在施氮量相同的条件下，腐殖酸尿素和树脂尿素的处理含油量明显高于普通尿素处理，均达到了48.3%；树脂尿素的油酸含量和蛋白质含量也高于其它处理，分别为60.1%、23.3%；不同类型的包膜尿素对亚油酸、亚麻酸和饱和脂肪酸的影响不大，各处理之间差异不显著；施氮有增加油菜籽粒中硫苷和芥酸含量的风险，其中，施用控释尿素处理的硫苷含量明显高于其它处理，达到了20.4μmol/g，腐殖酸尿素和多肽尿素处理的芥酸含量最高，分别为1.3%和1.2%，而树脂尿素和聚氨酯尿素的处理降低了芥酸含量，分别为0.5%和0.4%，其中，树脂尿素处理与不施氮处理相同。

表3 各处理的油菜地上部吸氮量及氮肥利用效率

表4 各处理对油菜品质的影响

2.4 油菜品质的综合评价

2.4.1 油菜品质指标的同趋化、标准化

为了评价各处理对油菜品质指标的综合影响，得到品质最优的施肥处理，采用主成分分析法对油菜品质进行综合评价。初始数据的标准化、同趋化合并进行，其中，含油量、油酸、亚油酸、亚麻酸、饱和脂肪酸、蛋白质为高优指标，硫苷、芥酸为低优指标［25］。根据公式（1）、（2）数据标准化、同趋化后的结果见表5。

表5 参评品质指标同趋化、标准化值

2.4.2 主成分分析法对油菜品质的综合评价

利用SPSS 24.0将品质同趋化、标准化后的数据进行主成分分析，特征值在某种程度上可以被看成是表示主成分影响力度大小的指标，提取特征值大于1的主成分，得到评价体系的主成分方差累积表（表6），输出结果显示，提取的前3个主成分累积贡献率已经达到了87.755%，既保留大量原始数据的变异信息，又有比较好的代表性，因此，可以用这3个主成分对油菜籽粒的8项品质指标进行评价。

初始因子载荷矩阵（表7）能够反映所提取主成分中不同指标的负载信息。结果显示，8个品质指标变量中有5个在第1主成分上有较高载荷，2个品质指标变量在第2主成分上有较高载荷，1个品质指标变量在第3主成分上有较高载荷。因此，提取的这3个主成分可以基本反映全部指标的信息。

表6 主成分分析总方差解释

表7 初始因子载荷矩阵

用主成分初始因子载荷矩阵中的数据除以主成分相对应的特征值，开平方根便得到两个主成分中每个指标所对应的系数，再以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重计算主成分的综合模型：

式中，Ft表示第t个处理的主成分综合得分，ZXt1、ZXt2……ZXt8表示第t处理的8项油菜品质指标初始数据经标准化、同趋化处理后的数值。由该得分模型计算各处理的主成分得分情况见表8，某个处理的综合得分越高，表示该处理下油菜籽粒的品质越好。主成分分析结果表明，聚氨酯尿素处理的品质结果得分最高，品质最优；控氮尿素处理的综合得分最低，品质最差。

表8 各施肥处理的主成分综合得分和排序情况

2.5 油菜品质、产量、氮肥利用率的综合效益评价

以各处理品质指标在主成分分析中的综合得分作为量化的品质指标，并结合产量和NUE，对8个施氮处理进行综合评价，进而筛选出符合油菜优质、高产、高效的氮肥品种。采用变异系数法对油菜的品质、产量、NUE进行加权，利用公式（3）、（4）得到加权后的结果见表9。结果显示，以主成分综合得分为量化的品质指标和产量、NUE进行加权后得到的权重顺序为：NUE＞产量＞品质。

表9 品质、产量、NUE指标权重

利用公式（5）可以得到标准化后的加权决策矩阵，利用公式（6）、（7）得到该矩阵的正、负理想解（表10），在利用公式（8）、（9）、（10）计算得到各处理到正、负理想解的距离以及理想解的贴进度Ci，并且根据计算得到的贴进度Ci对各处理的综合评价进行排序（表11）。排序结果表明，在施氮量相同的条件下，施用控释尿素的油菜综合效益最高，而施用控氮尿素的综合效益最差。

表10 各指标标准化后的加权矩阵

表11 各处理的排序指标值

3 讨论

图1 花后叶片SPAD值

图2 收获后土壤剖面硝态氮储量

通过上述研究结果表明，在施氮量相同的条件下，与传统的氮肥施用模式相比较（普通尿素分次施），控失尿素和控释尿素的增产效果明显，且NUE相比于其它处理提升了3%～15%，主要原因可能与这两种尿素（控释尿素和控失尿素）在土壤中的氮素供应与油菜氮素吸收规律相匹配，在该研究中测定了油菜花后叶片的SPAD值，且发现花后控失尿素的叶片SPAD值明显高于其它处理，说明该时期油菜的营养生长状况良好，为我们的这种猜想提供了一些证据（图1）。此外，研究还发现这两种尿素在油菜收获后土壤根层（0～100 cm）的土壤硝态氮储量要显著高于其它处理（图2），这个结果也表明这两种尿素的氮素释放速率相比于其它处理要缓慢，在油菜生长发育的整个生育期，能够提供稳定的氮肥供应，从而达到高产。目前，还有一些相同的研究表明这类控释/失尿素因为其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，比普通尿素的肥料利用率提高近10个百分点［26］。曹金华等［27］在冬油菜的应用研究中得到了相同结果，控释尿素具有促进氮素吸收来调控油菜收获密度、增加单株角果数和每角粒数的作用。杨士红等［28］、符建荣［29］、郑圣先等［30］在对水稻的研究中也发现控释尿素这一类包膜尿素能显著提高水稻的氮素利用效率和产量。

油菜籽粒品质的优劣会直接关系到油菜本身的经济价值，一般油菜将油菜的品质指标分为两类：（1）有益成分，主要包括含油量、油酸、亚油酸、亚麻酸、饱和脂肪酸、蛋白质；（2）有害成分，主要包括硫苷和芥酸；在本研究中发现，施氮有增加油菜籽粒中硫苷和芥酸含量的风险，其中，施用腐殖酸尿素有助于提高油菜籽粒的含油量和蛋白质含量，但是，同样也增加了油菜籽粒中的硫苷和芥酸的含量，这可能与这种尿素包膜材料中所含有腐殖酸等大分子有关，这一类物质具有特殊的分子结构，是一类很好的土壤活化剂，它可以很好地促进作物生长发育和氮素吸收利用。梁太波等［31］在生姜中的研究发现腐殖酸尿素促进了作物根系的发育，增加了根系对氮素的吸收、同化以及提升了生姜的品质。聚氨酯尿素处理的油菜品质在所有的尿素处理中综合得分第一，主要是和其它处理相比较，它显著降低了油菜籽粒中的芥酸含量。

主成分分析方法本身是一种使用最广泛的数据降维方法，主要通过剔除一部分不重要的数据，保留原始数据中的重要信息，简化数据结构，使用一些少量的综合指标来代替原始数据中多指标之间的复杂关系［32］。该研究对油菜的8项品质指标进行主成分分析，提取的前3个主成分累积贡献率已经达到了87.755%，保留了大量原始数据的变异信息。并且，由于品质指标方向的不一致性、量纲的不同，一般不容易找到比较合适的综合评价方法，所以，我们在进行主成分分析之前，对品质数据进行了优劣分类，并对原始数据进行了标准化、同趋化处理，相对得到比较合理的评价结果。将油菜品质用品质综合评价时得到的主成分综合得分进行量化，通过TOPSIS法对不同尿素处理的品质、产量和NUE进行综合效益评价。