施氮量对成都平原直播油菜氮肥利用率和农田氮素表观平衡的影响

张芳芳，胡 跃，刘士山，杨云飞，严红梅，吴永成，2，3*

（1.四川农业大学农学院，成都 611130；2.农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室，成都 611130；3.作物生理生态及栽培四川省重点实验室，成都 611130）

油菜是我国重要的油料作物之一，菜籽油是我国食用植物油的主要来源之一，发展油菜生产的意义重大[1]。四川省是我国油菜的主要产区之一，该区域主要通过与水稻复种，进行冬油菜种植[2]。油菜对氮素需求量较高[3]，合适的氮肥施用可使油菜增产达20%[4-6]，农户往往为了追求高产而增施氮肥，但一味地增施氮肥不仅会导致氮肥利用率降低[7]，还会使农田生态系统中氮素盈余增加带来不良环境问题[8]。因此，兼顾产量、氮肥利用率和农田环境的适宜氮肥施用量研究已成为四川成都平原区油菜生产亟待解决的问题。

氮素平衡被认为是最主要的农田环境优良的指标，过多的氮素排放到农田将会破坏环境生物多样性，水资源质量等[9]。目前关于油菜施氮的研究主要集中在氮肥与密度、产量和氮肥利用差异等方面[10-15]，有关土壤氮平衡的研究多见报道于小麦、玉米、水稻等[16-18]作物，而在稻-油复种当中，油菜氮肥利用率变化、农田氮素表观平衡以及氮素盈余等相关研究鲜有报道。另外，上述研究受试验点的环境，特别是土壤理化性质影响较大。

本试验在成都平原区稻茬直播条件下进行，通过2a大田定位试验，以期为四川省稻田直播冬油菜的氮肥合理施用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点

试验于2015年10月—2017年5月在四川省广汉市西高镇进行定位试验。该区域属中亚热带湿润气候区，年均气温16.3℃，年均降水量890.8 mm，年均日照时数1 229.2 h，年均无霜期281 d以上。试验前茬为水稻，试验土壤为水稻土，2015年油菜试验前对耕作层0～20 cm土壤进行取样分析测试，土壤基础肥力为：pH值6.05，有机质38.8 g/kg，全氮2.17 g/kg，铵态氮7.87 mg/kg，硝态氮18.26 mg/kg，速效磷16.38 mg/kg，速效钾30.8 mg/kg。

1.2 试验材料

供试品种：四川省主栽品种“川油36”，由四川省农业科学研究院提供。

供试肥料：氮肥为普通尿素（N的质量分数为46.7%），由河南心连心化肥有限公司提供；磷肥为过磷酸钙（P2O5的质量分数为12%），由江苏美乐肥料有限公司提供；钾肥为氯化钾（K2O的质量分数为60%），由中农集团控股股份有限公司提供；硼肥为硼砂（B的质量分数为10.8%），由上海益田生物科技有限公司提供。

1.3 试验设计

试验采取单因素随机区组试验设计，设置5个施氮处理，施氮量分别为 0、135、180、225和270 kg N/hm2（分别以N0、N135、N180、N225、N270表示），重复3次，15个小区，小区面积为21 m2（3 m×7 m）。试验于每年10月上旬采用人工拉线点播，行距33 cm，穴距20 cm，每穴留2株，直播后于3～5叶期定苗，定苗密度为30万株/hm2。每年5月上旬收获。

氮肥按底肥：苗期（5∶5）比例施用。磷钾硼肥施用量分别为P2O560 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2和硼砂15 kg/hm2，作为底肥一次性施入，所有施肥方式均为人工撒施并用锄头将肥料与耕层土混匀。其他田间管理措施与当地习惯一致。

1.4 取样及测定

1.4.1 土壤取样及测定

在试验前和每一生长季的油菜成熟期用“土壤环刀取样器”分别采集0～20 cm土层土样，采集后装入自封袋带回实验室用于测定0～20 cm土层土壤容重。土壤容重用环刀法测定，含水率利用烘干法测定[19]。在试验前采用5点取样法，各点取0～20 cm耕层土，去除植物残体等杂质后装入自封袋带回实验室用于测定土壤基础理化性状。在每一生长季在油菜成熟期每小区采用5点取样法，各点取0～20 cm耕层土，组成混合样1 kg左右，去除植物残体等杂质后装入自封袋做好标记带回实验室，放4℃冰箱储存，用于测定土壤无机氮含量。土壤基础理化性状、土壤无机氮含量参照《土壤农化分析》的具体方法测定[19]。

1.4.2 植株取样及测定

在油菜成熟期的每个小区取代表性的植株10株进行农艺性状考查，包括株高、分枝部位高度、一次分枝数[20]。农艺性状考察完后将植株样分成茎秆、角果和籽粒，放于烘箱中105℃杀青30 min，然后于80℃恒温烘干至恒重，磨细过0.5 mm筛，用全自动凯氏定氮仪法（FOSS 8400，丹麦）测定各部位全氮含量。

1.4.3 产量及产量构成测定

在油菜成熟期对每个小区取代表性的植株10株进行考种，考察油菜单株有效角果数、每角果粒数及千粒重等产量构成指标。分别对各小区进行人工割秆，晾晒几天后实收计产，按9%籽粒水分含量折算出单位面积产量。

1.4.4 氮肥利用率相关计算

（1）氮肥农学利用率（nitrogen agronomic effi⁃ciency，NAE，kg/kg）=（施氮区作物产量-不施氮区作物产量）/施氮量；

（2）氮肥偏生产力（nitrogen partial factor produc⁃tivity，NPFP，kg/kg）=施氮区籽粒产量/施氮量；

（3）氮肥贡献率（nitrogen contribution rate，NCR，%）=（施氮肥区作物产量-不施氮肥区作物产量）×100/施氮肥区产量；

（4）氮肥表观利用率（nitrogen apparent recovery efficiency，NARE，%）=（施氮肥区作物吸氮量-不施氮肥区作物吸氮量）×100/施氮量[21]。

1.4.5 氮素平衡相关计算

氮素表观平衡为氮投入与氮输出之差[22]。参照文献[23-25]中有关氮平衡的计算方法，不考虑种子、降水和大气沉降等带入的养分，将氮投入分为肥料氮的施入量、播前土壤无机氮量和氮净矿化量；不考虑因淋洗、挥发和反消化造成等的养分损失，氮输出分为作物吸氮量、土壤无机氮残留量。各参数计算公式如下：

（1）土壤硝态氮（铵态氮）累积量（kg/hm2）=土层厚度×土壤容重×土壤硝态氮（铵态氮）含量/10，式中土层厚度指0～20 cm耕层土层，土壤容重指0～20 cm土层的土壤容重；

（2）土壤氮素净矿化量（kg/hm2）=不施氮区作物吸氮量+不施氮区土壤无机氮残留量-不施氮区播前土壤无机氮累积量，式中土壤无机氮残留量为0～20 cm土层土壤无机氮累积量；

（3）氮素表观损失量（kg/hm2）=（施氮量+土壤起始无机氮累积量+土壤氮素净矿化量）-（作物吸氮量+收获后土壤无机氮残留量）；

（4）氮素盈余量（kg/hm2）=氮素表观损失量+收获后土壤无机氮残留量；

（5）氮肥表观残留率（nitrogen apparent residual rate，NARR，%）=（施氮区土壤无机氮残留量-不施氮区土壤无机氮残留量）×100/施氮量；

（6）氮肥表观损失率（nitrogen apparent loss rate，NALR，%）=100%-氮肥表观利用率-氮肥表观残留率[23-25]。

1.5 数据处理与分析方法

采用Microsoft Excel 2010进行数据基本统计，利用SPSS 19.0进行差异显著性检验和方差分析（LSD）。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对直播油菜产量及农艺性状的影响

由表1可知，与不施氮处理（N0）相比，增施氮肥显著提高了油菜株高和分枝部位高度，但各施氮处理之间差异不明显，两年趋势基本一致。另外氮肥显著增加了单株角果数，2015—2016年间与N0处理相比分别增加37.05%、65.13%、88.70%和59.40%，最大值出现在N225处理。2016—2017年间同比增加88.21%、163.38%、183.97%和205.26%，最大值出现在N270处理。与N0处理相比，增施氮肥能显著增加直播油菜籽粒产量，但千粒重无明显差异，同时各增施氮肥处理（N135、N180、N225、N270）之间无明显差异，两年试验结果趋势相同。在施氮量135～270 kg N/hm2范围内，两年试验的籽粒产量极差分别为214.04、280.71 kg/hm2。

表1 不同施氮量对直播油菜产量及农艺性状的影响Table 1 Effects of different nitrogen application rates on yield and agronomic characters of direct seeding rapeseed

2.2 不同施氮量对氮肥利用率的影响

由表2可知，在2015—2016年，随着施氮量的增加，氮肥农学利用率与氮肥偏生产力呈下降趋势，且各施氮处理（N135、N180、N225、N270）之间存在显著差异。2016—2017年氮肥农学利用率与氮肥偏生产力与2015—2016年的试验结果趋势相同。两年的试验表明，施氮量对氮肥贡献率均无显著影响。

表2 不同施氮量对油菜氮素利用的影响Table 2 Effects of different nitrogen application rates on nitrogen utilization in rapeseed

2.3 不同施氮量对农田氮素表观平衡的影响

两年农田氮素表观平衡结果分析表明（表3），在氮素输入项中，以施氮用量为主，分别占氮输入总量的65.81%～79.38%、63.20%～77.03%。而氮素输出项中，以作物吸收量为主，分别占氮输出总量的79.49%～87.64%、78.36%～83.02%。当施氮量为135～180 kg N/hm2时，氮输出总量与氮输入总量差异不大，因而氮素表观损失较低甚至出现负值。而当施氮量为225～270 kg N/hm2时，氮输入总量远大于氮输出总量，导致氮素表观损失较高。2015—2016年作物收获后土壤无机氮残留以N225处理残留最多，占氮输出总量的20.51%；而2016—2017年以N270处理残留最多，占氮输出总量的16.97%。两年间在施氮量为180 kg N/hm2及以下时，氮素盈余以土壤无机氮残留为主，氮素盈余较低，但当施氮量为超过180 kg N/hm2时，作物吸收量并未随着施氮量的增加而明显上升，而氮素盈余随着施氮量的增加而上升。并且第2年的氮素表观损失和氮素盈余均高于第1年相同施氮处理。

表3 不同施氮量对直播油菜田氮素表观平衡的影响Table 3 Effects of different nitrogen application rates on apparent nitrogen balance in direct seeding rapeseed fields kg⋅hm-2

2.4 施氮对直播油菜氮肥表观、残留及损失的影响

两年试验的氮肥表观残留、氮肥表观利用及氮肥表观损失率变化趋势基本一致（表4）。随施氮量（N135、N180、N225、N270）增加，氮肥表观利用率和氮肥表观残留率均呈先上升后下降的趋势。当施氮量为225 kg N/hm2时，氮肥表观利用率达到最大值，分别为63.20%、41.68%。氮肥表观损失率随着施氮量的增加总体上表现为下降趋势。

表4 不同施氮量对直播油菜氮肥表观利用、残留和损失率的影响Table 4 Effects of different nitrogen application rates on apparent utilization,residue and loss of nitrogen fertilizer in direct seeding rapeseed %

3 讨论

合理运筹氮肥提高作物产量一直是作物栽培研究的重要课题，但施氮量与作物吸收量并不是呈完全正相关[26]，存在着一个适宜范围，一旦超过界限作物对氮肥的吸收量不仅不会增加还会降低，进一步造成资源浪费和生态破坏[27-28]。其主要原因便是农田氮肥输入与输出的失衡，研究直播油菜下氮肥利用，农田氮素表观平衡不仅能为合理施肥提供科学依据还能为环境生态科学研究提供基础理论。

3.1 不同施氮量对直播油菜氮肥利用率的影响

油菜作为高需氮作物[11]对氮肥的吸收与利用是合理施肥的重要衡量指标[29-30]。已有研究表明，不同施氮水平下作物氮素利用率有所不同[31-32]。本研究表明随着施氮量的增加氮肥农学利用率和氮肥偏生产力均呈下降趋势，这与刘宝林等[33]在江西省稻——油复种试验区的研究结果略有差异，该研究指出氮肥农学利用率随施氮量的增加表现为先增加后降低，而氮肥偏生产力变化与本研究结果一致，这可能是由不同品种或土壤或生态环境差异造成。本研究表明氮肥贡献率虽然随着施氮量的增加而上升但差异不明显，与刘士山等[34]的研究结论相近。表明油菜在稻田直播条件下氮肥贡献率受到的影响较小，氮肥农学利用率和氮肥偏生产力变化较大。

3.2 不同施氮量对直播油菜农田氮素表观平衡的影响

相关研究表明，过多地施氮肥用量会造成土壤中氮素盈余[35]。这些氮素的基本去向一般分为两种：一是被其他作物吸收；二是以氨挥发、硝化-反硝化、淋洗或径流等其他途径损失，但仍有一部分残留在土壤中[36]。过多的氮肥施用量既不利于作物生长发育，也会造成资源浪费，特别是会对农田土壤生态造成破坏[24,37]。因此，在研究氮肥运筹是否合理时不仅要考虑作物的高产增收，对土壤氮素平衡也应予重视。

本试验条件下，对直播油菜氮素平衡研究结果表明，不同施氮量（135～270 kg N/hm2）下，2015—2016年直播油菜土壤无机氮残留量为31.34～54.91 kg/hm2；而2016—2017年土壤无机氮残留量为36.14～49.5 kg/hm2。其中高氮肥用量（225～270 kg N/hm2）的土壤无机氮残留量明显高于低氮肥用量（135～180 kg N/hm2），各施氮处理中以N135和N180处理的氮输入和氮输出基本保持平衡。当氮肥用量为225 kg N/hm2时，于2016—2017年间氮素盈余到达最高114.71 kg/hm2，氮素表观损失量到达最高74.8 kg/hm2。姜丽娜等[38]研究氮肥对麦田氮素平衡的影响得出施氮量为220 kg N/hm2时，氮素投入与氮素输出保持平衡，故能降低大量氮素损失到环境中的风险，这与本试验N180处理施肥量情况接近。刘瑞等[39]结合夏玉米-土壤系统研究农田氮素平衡表明，土壤氮素平衡值随施氮量的增加而逐渐增大。其中，当施氮量为90～150 kg N/hm2时，土壤氮素基本达到平衡，而本研究两年间氮素盈余最低值分别出现在N180和N135处理；当施氮量达270～450 kg N/hm2时，土壤氮素有明显盈余与本研究（高施氮处理N225和N270下氮素盈余偏高均超过100 kg/hm2）趋势基本一致。证明在油菜中随着施氮量的增加，氮素盈余也会随之增加。叶东靖和候云鹏等[40-41]分别对春玉米和水稻研究表明在不同施氮处理中，以施氮180 kg N/hm2处理氮素表观损失量最少，氮素输入与氮素输出基本保持平衡。本研究发现在N135低氮处理下氮肥表观损失量最少，但损失率最高，同时氮肥表观利用率也最低。说明油菜对氮肥的吸收利用是一个复杂的过程，从增产效应、氮肥利用和农田氮素平衡等方面综合评价氮肥运筹很有必要。

基于上述结果，施氮量控制在135～180 kg N/hm2范围内，农田氮肥表观损失量和氮素盈余量均低，并且氮肥表观残留率偏低，氮肥表观利用率较高，有利于减少氮肥损失，降低土壤氮素盈余，减少环境破坏维持农田生态。

4 结论

施氮量对直播油菜的产量与农艺性状、氮素利用及农田氮素表观平衡影响明显。氮肥主要通过增加油菜植株角果数以促进增产（本研究中以N180处理增产效果为优），但施氮量过高氮肥农学利用率，氮肥偏生产力随之降低。氮肥表观损失量和氮素盈余量增加，导致农田氮素失衡。因此，综合考虑提高产量，提高氮肥利用效率减少氮素盈余，在目前生产水平下，成都平原稻——油复种中，直播油菜高产、氮肥高效利用且环境友好的施氮量为180 kg N/hm2。