不同轮作模式下氮肥施用对油菜产量形成及养分利用的影响

2023-04-11李小勇黄威刘红菊李银水顾炽明代晶胡文诗杨璐廖星秦璐

中国农业科学 2023年6期

李小勇，黄威，刘红菊，李银水，顾炽明，代晶，胡文诗，杨璐，廖星，秦璐

李小勇1，黄威2，刘红菊3，李银水1，顾炽明1，代晶1，胡文诗1，杨璐1，廖星1，秦璐1

1中国农业科学院油料作物研究所/农业农村部油料作物生物学与遗传育种重点开放实验室，武汉 430062；2黄冈市农业科学院，湖北黄冈 438000；3应城市农业技术推广中心，湖北应城 432400

【目的】探究施氮量对不同轮作模式下油菜产量形成及养分利用的影响。【方法】以甘蓝型油菜品种‘中油杂19’为材料，在湖北黄冈进行大田裂区试验，设置两个轮作模式（稻油轮作，RO；豆油轮作，SO）为主区，4个施氮量（N0，0；N1，90 kg·hm-2；N2，180 kg·hm-2；N3，270 kg·hm-2）为副区，测定产量构成、干物质积累、农艺性状、养分积累及籽粒品质等相关指标。【结果】（1）豆油轮作油菜籽粒产量显著高于稻油轮作，增加施氮量，不同轮作模式下油菜单株角果数、每角果粒数及千粒重均呈显著上升趋势，与N0相比，在N1、N2和N3处理下，稻油轮作油菜籽粒产量分别增长176.68%、436.49%和835.40%，豆油轮作油菜籽粒产量分别增长123.96%、344.46%和547.25%。豆油轮作较稻油轮作在N0、N1、N2和N3处理下大田籽粒产量分别增长62.09%、31.33%、71.79%和12.21%；（2）成熟期豆油轮作油菜根颈粗、株高、第一有效分枝高度和有效分枝数显著高于稻油轮作，且随施氮量增加不同轮作模式下各农艺性状指标显著增加；各生育期豆油轮作单株油菜根干重及地上部干重显著高于稻油轮作，但根冠比低于稻油轮作，且随施氮量增加，两种轮作模式下苗期后根冠比显著下降；（3）豆油轮作油菜根系、角果壳、茎秆、籽粒氮含量和氮积累量均高于稻油轮作，且随着施氮量增加各部位氮含量和氮积累量显著增加。豆油轮作籽粒氮素表观利用率高于稻油轮作，随施氮量的增加，稻油轮作下氮素表观利用率增加，而豆油轮作氮素表观利用率呈现先上升后下降趋势；（4）与稻油轮作模式相比，相同施氮量下豆油轮作油菜角果壳可溶性糖含量低，而游离氨基酸含量和游离氨基酸含量/可溶性糖含量比值高，随施氮量增加可溶性糖含量降低，游离氨基酸含量和游离氨基酸含量/可溶性糖含量比值增加。因此，豆油轮作油菜籽粒因脂肪酸合成底物受限，含油率低于稻油轮作模式，且随施氮量增加，籽粒含油率在各轮作模式下均显著下降。两年试验结果显示，在270 kg·hm-2施氮量水平时，产油量在两个轮作模式下均达到最大，稻油轮作两年产油量分别为1 678.60和1 665.33 kg·hm-2，豆油轮作两年产油量分别为1 684.03和1 687.10 kg·hm-2，但豆油轮作在180和270 kg·hm-2施氮量下产油量差异不显著。【结论】稻油轮作油菜氮肥施用可控制在270 kg·hm-2左右，而豆油轮作氮肥施用可控制在180 kg·hm-2左右，以保证较高氮肥利用效率，并获得较高产油量。

油菜；轮作模式；施氮量；产量；氮素利用效率

0 引言

【研究意义】油菜作为重要食用油来源，我国种植面积及总产均占世界的22%左右，是我国第一大自产食用植物油，目前我国食用油自给率只有31%，提高油菜产量对保障我国粮油安全至关重要[1]。但由于目前油菜种植投入成本高、劳动力需求量大、机械化普及程度一般、经济效益不高及农村劳动力流失等问题，我国油菜种植面积一直徘徊不前。因此，提高油菜种植经济效益势在必行。长江流域作为我国油菜主产区，水稻-油菜轮作模式（以下简称：稻油模式）较为普遍，大豆-油菜轮作模式（以下简称：豆油模式）由于其良好的养地功能而被逐渐推广。但针对两种不同模式的油菜生产氮肥施用差异研究较少，农户施肥主要凭经验，易造成生产成本增加及资源浪费。【前人研究进展】油菜种植轮作模式不同，土壤养分、物理结构等存在差异，从而影响后茬作物生长环境及对养分的利用[2-3]。前人研究发现不同轮作模式前茬秸秆还田后引起的氮素竞争存在明显差异，特别是禾本科作物秸秆，C/N较高，秸秆还田腐解过程中往往出现微生物和作物争夺氮素的现象，不仅改变了土壤有机碳氮的稳定，也造成作物不同程度的减产[4]，因此还田后需要配施适量速效性氮肥调节C/N，加速秸秆腐解，及时释放养分供作物利用，以缓解微生物与作物争氮现象[5]。不同轮作模式下，土壤理化性质差异较大，根系作为直接从土壤中吸收养分的营养器官，其建成和功能受土壤理化性质及生物学性质影响显著。稻油轮作模式下，水田土壤紧实，透气性差，含水量高，不利于油菜根系发育[6]；而豆油轮作模式下土壤孔隙度较高，透气性好，有利于油菜根系生长，但保水能力差[7]，在干旱少雨年份会对油菜生长产生不利影响。前人研究表明水旱轮作前茬水稻秸秆还田后，油菜前期生长受到抑制[8-9]，从而影响后期油菜产量形成，而在旱旱轮作条件下，对后茬作物根系生长及产量形成起到积极促进作用[10-11]。不同轮作模式土壤性状差异和不同前茬差异直接影响土壤氮素有效性，进而影响作物根系-地上部生长，其作用机制还需进一步深入研究。油菜是需氮较多的作物，在油菜形态建成中，氮素对油菜株型调控效果显著[12]。前人研究发现在一定范围内增施氮肥，可提高叶面积，增加作物的光能利用率，促进干物质积累，但过度的氮肥施用，氮肥利用率下降[13-15]，株高过高，营养生长延长，茎秆充实度下降，重心高度增加，倒伏风险增大[16-17]。油菜倒伏后，仅上层角果能接受充足光照，下层角果光能不足，光能利用率下降影响产量形成，且不利于机械收获[18-20]。虽然增加氮素供应可显著提高油菜籽粒产量[21]，但是增加氮素供应会限制碳代谢途径，导致含油量的降低，蛋白质含量增加，影响籽粒品质[22]。氮代谢所需的能量和碳架产生于光合碳代谢，同时碳代谢与氮代谢会竞争光合作用所产生的能量和中间产物[23]。只有协调好碳氮代谢之间的平衡，才能实现油菜优质、高产的双重目标。【本研究切入点】前人关于不同轮作模式或施氮量对油菜产量、品质形成及养分利用的研究较多，但是很少研究长江流域不同轮作模式和施氮量互作下油菜生长及其与产量、品质形成和养分利用的关系。【拟解决的关键问题】围绕施氮量对不同轮作模式下油菜产量形成及养分利用的影响，测定分析大田油菜产量构成、农艺性状、干物质积累、养分积累及籽粒品质等相关指标，探究不同轮作模式油菜氮素吸收利用对油菜植株生长影响及与产量、品质形成之间的关系，为指导长江流域不同轮作模式下油菜生产科学施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点、土壤状况及材料

试验于2019年9月至2021年5月在黄冈现代农业科技示范园（30°20’N，114°33’E）进行。不同轮作模式试验地相邻，前茬水稻和大豆收获后秸秆粉碎翻压还田，水稻秸秆还田量按平均亩产500 kg折算为7.5×103kg·hm-2，大豆秸秆还田量按平均亩产200 kg折算为3×103kg·hm-2。水稻含氮量约为0.83%，大豆秸秆含氮量约为1.63%[24]。

试验田土壤为长江冲积砂壤土，2019—2020年水稻田耕层土壤（0—20 cm）理化性状为碱解氮86.98 mg·kg-1、速效磷9.68 mg·kg-1、速效钾79.32 mg·kg-1、有机质13.82 g·kg-1、容重1.34 g·cm-3；大豆田耕层土壤（0—20 cm）理化性状为碱解氮101.54 mg·kg-1、速效磷10.16 mg·kg-1、速效钾81.53 mg·kg-1、有机质12.75 g·kg-1、容重1.25 g·cm-3。2020—2021年水稻田耕层土壤（0—20 cm）理化性状为碱解氮88.42 mg·kg-1、速效磷9.57 mg·kg-1、速效钾88.68 mg·kg-1、有机质13.63 g·kg-1、容重1.38 g·cm-3；大豆田耕层土壤（0—20 cm）理化性状为碱解氮97.13 mg·kg-1、速效磷9.25 mg·kg-1、速效钾89.13 mg·kg-1、有机质12.32 g·kg-1、容重1.23 g·cm-3。试验材料为甘蓝型油菜品种‘中油杂19’。

1.2 试验设计

采用裂区试验设计，以不同轮作模式为主区，分别是稻油轮作，RO；豆油轮作，SO；4个施氮量为裂区，分别为N0，0；N1，90 kg·hm-2；N2，180 kg·hm-2；N3，270 kg·hm-2。油菜采用条播方式播种，种植密度为45×104株/hm2。

供试氮、磷、钾、硼肥种类分别为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）、氯化钾（含K2O 60%）和硼砂（含B 10.6%）。氮肥按基肥﹕苗肥﹕薹肥为6﹕2﹕2施用；P2O5、K2O用量均为150 kg·hm-2，硼砂用量15 kg·hm-2，且均作基肥一次性基施。基施肥料撒于地表，用旋耕机将肥料与耕层土壤混匀。出苗后去窝堆苗，3—5叶期定苗。5叶期和薹期分别施用氮肥总量20%尿素作追肥。采用“三沟”配套，厢沟、腰沟均为宽0.30 m、深0.20 m，围沟宽0.30 m、深0.30 m。小区面积为20 m2（2 m×10 m），每处理设3个重复。其他管理同农户常规操作。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 产量及产量构成成熟期各小区连续取10株进行考种，考察单株有效角果数、每角果粒数、千粒重等产量构成指标，以小区实收产量计产。

1.3.2 农艺性状相关指标成熟期各小区连续取10株，调查根颈粗、株高、第一有效分枝高度、有效分枝数等指标。根颈粗为游标卡尺测定的子叶节下1 cm粗度；株高以子叶节至植株顶端的高度表示；第一有效分枝高度为子叶节至第一有效分枝的高度；有效分枝数为具有有效角果的分枝数量。

1.3.3 干物质积累及根冠比取苗期、薹期、花期、成熟期关键生育期各小区连续10株，将根系及地上部于105℃下杀青30 min，80℃烘干至恒重，测定干物质量并计算根冠比。

1.3.4 可溶性糖及氨基酸含量植株主花序开花50%时，每个小区随机选取长势一致的植株，对当日所开油菜花进行标记。于花后15、25 d，在9：00—12：00取各小区标记的角果30个，室内冰浴（4℃）条件下将角果皮和籽粒分离。可溶性糖及游离氨基酸含量采用苏州科铭生物技术有限公司试剂盒进行测定。

1.3.5 器官氮含量及籽粒含油率采用H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮仪（KDY-9820）测各部位器官氮含量。籽粒含油率采用中国农业科学院油料作物研究所近红外光谱扫描测定。

籽粒产油量=籽粒含油率×大田实际产量。

1.3.6 氮素利用效率氮素表观利用率=（施氮肥区作物吸氮量-不施氮肥区作物吸氮量）/氮肥投入量×100%。

1.4 数据处理与分析

数据采用SPSS 10.0软件进行统计分析、Origin 9.0 软件进行作图。处理间比较采用最小显著差法（LSD）。

2 结果

2.1 不同轮作模式下施氮量对油菜产量及产量构成的影响

由表1可知，不同轮作模式相同施氮量下，每角果粒数差异不显著，豆油轮作单株角果数、千粒重高于稻油轮作，因此豆油轮作大田实际产量高于稻油轮作。施氮后每角果粒数增加，但不同施氮量之间差异不显著。且随施氮量增加不同轮作模式下单株角果数、千粒重增加，大田实际产量上升，与N0处理相比，N1、N2和N3处理下，稻油轮作大田籽粒产量分别增长176.68%、436.49%和835.40%，豆油轮作大田籽粒产量分别增长123.96%、344.46和547.25%。豆油轮作较稻油轮作在N0、N1、N2和N3处理下大田籽粒产量分别增长62.09%、31.33%、71.79%和12.21%。不同年份之间变化趋势一致。方差分析结果表明，单株角果数、每角果粒数、千粒重及大田实际产量受施氮量影响达到极显著水平。每角果粒数受轮作模式影响不显著，单株角果数、千粒重及大田实际产量受轮作模式影响达显著或极显著。单株角果数和大田实际产量受两者之间互作影响极显著，但每角果粒数和千粒重受两者之间互作影响不显著。

表1 轮作模式和施氮量对油菜产量及产量构成的影响

RO、SO分别表示稻油轮作模式和豆油轮作模式；N0、N1、N2和N3分别表示施氮量为0、90、180及270 kg·hm-2；表中同一列不同字母表示差异达 0.05水平；*、**表示在0.05和0.01的水平差异，NS表示差异不显著；C，轮作模式；N，施氮量；C×N，轮作模式和施氮量间的互作。下同

RO, SO indicate the rice-oilseed cropping system and soybean-oilseed cropping system; N0, N1, N2 and N3 indicate the nitrogen rate of 0, 90, 180 and 270 kg·hm-2, respectively; Different letters in the table indicate a difference of 0.05 level; * and **, significant difference at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; NS, not significant; C, cropping system; N, nitrogen rate; C×N, interaction variance analysis between cropping system and nitrogen rate. The same as below

2.2 不同轮作模式下施氮量对油菜成熟期农艺性状的影响

如表2所示，豆油轮作油菜根颈粗、株高、第一有效分枝高度及有效分枝数均高于稻油轮作，且随施氮量增加，各成熟期农艺性状指标增加显著。与N0处理相比，N1、N2和N3处理下稻油轮作根颈粗增加48.4%、62.6%和84.4%，豆油轮作根颈粗增加35.5%、51.7%和78.9%；稻油轮作株高增加30.8%、58.9%和73.9%，豆油轮作株高增加66.9%、76.4%和87.5%；稻油轮作第一有效分枝高度增加23.0%、84.6%和93.6%，豆油轮作第一有效分枝高度增加39.1%、95.6%和99.3%；稻油轮作有效分枝数增加128.2%、161.9%和247.1%，豆油轮作有效分枝数增加141.3%、162.9%和220.3%。不同年份之间变化趋势一致。方差分析结果表明，油菜成熟期根颈粗、株高、第一有效分枝高度指标均受轮作模式和施氮量影响显著或极显著，有效分枝数受施氮量影响极显著，受不同轮作模式影响在不同年份间有差异。株高受轮作模式和施氮量互作影响极显著，而根颈粗、第一有效分枝高度和有效分枝数受轮作模式和施氮量互作影响不显著。

2.3 不同轮作模式下施氮量对油菜干物质积累、根冠比的影响

由图1可知，在不同生育期豆油轮作地上干重和根干重均高于稻油轮作。苗期后根冠比随施氮量增加而下降，稻油轮作根冠比随生育期推进而呈现逐渐下降趋势，而豆油轮作根冠比在薹期时先上升再下降，豆油轮作根冠比整体趋势低于相同施氮量下稻油轮作根冠比，且不同年份之间变化趋势一致。

2.4 不同轮作模式下施氮量对油菜氮素积累及利用效率的影响

2.4.1 器官氮含量及氮积累量由表3可知，豆油轮作植株根系、茎秆、角果壳及籽粒含氮量及氮素积累量均不同程度高于稻油轮作植株，且随着施氮量增加根系、茎秆、角果壳及籽粒含氮量及氮素积累量显著上升。不同年份之间变化趋势一致。方差分析结果表明，油菜各器官含氮量及氮素积累量受轮作模式和施氮量影响显著或极显著，根系、茎秆、角果壳及籽粒含氮量受轮作模式和施氮量互作影响不显著，而其氮素积累量受轮作模式和施氮量互作影响极显著。

表2 轮作模式和施氮量对油菜成熟期农艺性状的影响

RO、SO分别表示稻油轮作模式和豆油轮作模式；N0、N1、N2和N3分别表示施氮量为0、90、180和270 kg·hm-2。*、**分别表示在0.05和0.01的水平上显著，NS表示处理间差异不显著。下同

2.4.2 氮素表观利用率由图2可知，豆油轮作氮素表观利用率高于稻油轮作，且随施氮量增加稻油轮作氮素表观利用率呈上升趋势，在施氮量为270 kg·hm-2时达到最大，而豆油轮作氮素表观利用率呈现先上升再下降趋势，在施氮量为180 kg·hm-2时达到最大。不同年份之间变化趋势一致。方差分析结果表明，油菜氮素表观利用率受轮作模式和施氮量影响极显著，且受轮作模式和施氮量互作影响极显著。

2.5 不同轮作模式下施氮量对油菜角果壳碳氮代谢底物及含油率的影响

2.5.1 角果壳可溶性糖及游离氨基酸由图3可知，随角果发育（终花后15—25 d）油菜角果壳可溶性糖、游离氨基酸含量及游离氨基酸/可溶性糖下降。不同轮作模式下相同时期豆油轮作角果壳可溶性糖含量低于稻油轮作，但豆油轮作角果壳游离氨基酸含量及游离氨基酸/可溶性糖高于稻油轮作。且施氮后随施氮量增加，角果壳可溶性糖含量逐渐降低，而游离氨基酸含量和游离氨基酸/可溶性糖逐渐增加，不同年份之间变化趋势一致。

表3 轮作模式和施氮量对油菜各器官氮含量和氮积累量的影响

C，轮作模式；N，施氮量；C×N，轮作模式和施氮量间的互作。下同

图3 不同轮作模式和施氮量下角果壳可溶性糖及氨基酸含量

2.5.2 籽粒含油率及产油量由图4可知，稻油轮作籽粒含油率高于相同施氮量下豆油轮作籽粒含油率，且随着施氮量增加，含油率先升后降，在90 kg·hm-2施氮量时含油率达到最大。在产油量方面，豆油轮作产油量整体高于稻油轮作产油量，且随着施氮量增加产油量呈上升的趋势，在270 kg·hm-2施氮量时产油量达到最大，稻油轮作两年最大产油量分别为1 678.60和1 665.33 kg·hm-2，豆油轮作两年最大产油量分别为1 684.03和1 687.10 kg·hm-2，但豆油轮作在180和270 kg·hm-2施氮量下产油量变化不显著。不同年份之间变化趋势一致。方差分析结果表明，籽粒含油率及产油量受轮作模式及施氮量影响极显著，籽粒含油率受轮作模式和施氮量互作影响显著，产油量受两个因素互作影响极显著。

2.5.3 角果壳碳氮代谢底物和籽粒产量及含油率的相关性由表4可知，油菜籽粒含油率与花后15 d和25 d的角果壳可溶性糖含量呈极显著正相关，与氨基酸含量及氨基酸/可溶性糖呈极显著负相关。大田籽粒产量与花后15 d和25 d的角果壳可溶性糖含量呈极显著负相关，而与氨基酸含量及氨基酸/可溶性糖呈极显著正相关。

3 讨论

3.1 轮作模式及施氮量对油菜产量形成及养分利用的影响

不同轮作模式秸秆还田后对土壤理化性质有显著差异，水稻C/N约40[25]、大豆C/N约15[26]，还田后引起的氮素竞争存在明显差异，特别是禾本科作物秸秆，C/N较高，还田后腐解过程中往往出现微生物和作物争夺氮素的现象，不仅改变了土壤有机碳氮的稳定，也造成后茬作物不同程度的减产[4]，因此秸秆还田后需要配施适量速效氮肥调节C/N，加速秸秆腐解，及时释放养分供作物利用，以缓解微生物与作物争氮现象[3]。同时不同轮作模式下土壤理化性质差异较大，水田土壤容重大，土壤含水量高，土壤较板结，大豆旱地土壤容重相对较低，孔隙度大[27-28]，板结的水田土壤不利于油菜前期根系发育，植株长势弱，根颈粗、株高等基本农艺性状测定指标显著低于旱作土壤田块，而适当增加氮肥施用，可以改善株型，提高油菜籽粒产量。目前关于轮作模式研究主要集中在单一模式下秸秆还田与肥料配施，对土壤养分及作物产量形成与养分利用的影响[29-30]，前人研究发现适当的轮作可以提升土壤微生物多样性，缓解连茬障碍，同时秸秆还田后适当氮肥配施可缓解前期因微生物争氮而带来的生长受抑制的现象，显著提高油菜籽粒产量[5,31]。在氮肥施用方面，适当的氮肥施用可提高籽粒产量和品质[12]，而过度氮肥施用，不仅易造成环境污染，还会导致油菜贪青晚熟，倒伏加剧，降低产量、品质同时还降低养分利用效率[16,22]。目前关于长江流域不同轮作模式下氮肥施用对油菜产量形成及养分利用研究还是较少的。本试验选用长江流域较为典型两种种植模式，研究氮肥施用差异对油菜生产的影响，研究发现两种轮作模式对油菜生长影响差异较大，稻油轮作油菜冬前根系发育明显弱于豆油轮作油菜生长，冬前苗架搭建不如豆油轮作，因此后期农艺性状指标均低于豆油轮作，干物质积累量也较低。油菜在冬前生物量积累与产量密切相关，主要由于在冬季结束前分枝、叶片、花和胚珠等器官的数量就已经基本确定，这决定了收获季油菜生物量和籽粒产量[32]。养分利用效率与作物对养分的吸收利用、养分的流失及土壤残留等因素相关。在本研究中，选择基础地力较低地块作为试验用地，越冬前低氮处理油菜较高氮处理长势明显偏弱，可能最终导致收获季低氮处理较高氮处理增产量不足，从而出现低氮处理氮素表观利用效率低于高氮处理的情况。本试验中随施氮量增加，稻油轮作下油菜产量增加显著，当施氮量为270 kg·hm-2时产量和产油量均达最大且氮素表观利用率最高。而豆油轮作下油菜施氮量提升了其株型和整体长势，虽然施氮量为270 kg·hm-2时产量和产油量均达最大，但施氮量为180与270 kg·hm-2时产油量差异不显著，且施氮量为270 kg·hm-2时，氮素表观利用率呈下降趋势。因此针对长江流域这两种不同轮作模式对后茬油菜施氮量需求还是存在较明显差异，而造成这种差异的生理、分子机制还有待深入研究。

表4 角果壳碳氮代谢底物和籽粒产量及含油率相关性分析

3.2 轮作模式及施氮量对油菜籽粒含油率的影响

油菜是需氮较多的作物，增加氮素供应可显著提高油菜籽粒产量[33]。但是，增加氮素供应会限制碳代谢途径，导致含油量降低、蛋白质含量增加，影响籽粒品质[22]。氮代谢所需的能量和碳架产生于光合碳代谢，同时碳代谢与氮代谢会竞争光合作用所产生的能量和中间产物[23]。只有协调好碳氮代谢之间的平衡，才能实现优质、高产的目的。可溶性糖作为光合作用的直接产物，是碳代谢转运贮藏的主要形式，也是植物体内多糖、蛋白质、脂肪等大分子化合物的物质基础，对产量、品质形成发挥着极其重要的作用[34]；游离氨基酸是氮素同化主要产物和蛋白质合成主要底物来源，是植物氮素循环和氮素储存的主要形式[35]，在氮素代谢中处于中心位置，油菜生长过程中角果壳内可溶性糖和游离氨基酸含量对籽粒产量、品质形成有重要的影响[36]。花后10—35 d是油菜籽粒碳水化合物合成转运及脂质代谢关键时期，显著影响籽粒生长发育和品质形成[37-38]。因此该时期角果壳游离氨基酸/可溶性糖含量比值对籽粒品质形成有重要影响。在本研究中，随生育进程推进，角果壳中的可溶性糖和游离氨基酸含量均呈现显著下降趋势。但不同轮作模式下角果壳可溶性糖和游离氨基酸含量差异较大，相同时期豆油轮作角果壳可溶性糖含量低于稻油轮作，游离氨基酸含量及游离氨基酸/可溶性糖含量比值显著高于稻油轮作。角果壳可溶性糖和游离氨基酸含量对氮素响应差异显著，可溶性糖随施氮量增加而降低，而游离氨基酸随施氮量增加而增加，高施氮量下游离氨基酸/可溶性糖含量比值较高，豆油轮作游离氨基酸/可溶性糖含量比值高于稻油轮作。由于豆油轮作下油菜角果壳氮素含量较高，游离氨基酸/可溶性糖含量比值较大，限制碳代谢途径，稻油轮作油菜籽粒含油率高于豆油轮作，且随施氮量增加，含油率下降显著。关于油菜籽粒含油率受不同轮作模式及施氮量影响差异的物质基础基本明晰，生理及分子机制还需进一步研究。

4 结论

豆油轮作较稻油轮作更利于油菜植株生长及株型改善，从而提升大田实际产量。增加施氮量可提高不同轮作模式下的籽粒产量，但是也降低根冠比，提高游离氨基酸/可溶性糖含量比值，降低油菜籽粒含油率，稻油轮作在施氮量270 kg·hm-2时籽粒产量、产油量及氮素利用效率达最大。而豆油轮作虽然在施氮量270 kg·hm-2时籽粒产量达最大，但其产油量和施氮量与180 kg·hm-2无显著差异，且施氮量为180 kg·hm-2时表观氮素利用效率达最大。综上所述，增加氮肥施用可显著提高不同轮作模式下油菜产量，稻油轮作油菜施氮量应控制在270 kg·hm-2，而豆油轮作油菜施氮量应控制在180 kg·hm-2，以保持最高氮素利用效率，并获得最大经济效益。

[1] FAO. Statistical Databases, Food and Agriculture Organization (FAO) of the United Nations. 2020. http://www.fao.org.

[2] Preiti G, Romeo M, Bacchi M, Monti M. Soil loss measure from Mediterranean arable cropping systems: Effects of rotation and linage system on C-factor. Soil & Tillage Research, 2017, 170: 85-93.

[3] Gan Y, Malhi S S, Brandt S, Katepa-Mupondwa, Stevenson C. Nitrogen use efficiency and nitrogen uptake of canola under diverse environments. Agronomy Journal, 2008, 100(2): 285-295.

[4] LI X C, HU F, SHI W. Plant material addition affects soil nitrous oxide production differently between aerobic and oxygen-limited conditions. Applied Soil Ecology, 2013, 64: 91-98.

[5] YU M, WANG Q X, SU Y, XI H, QIAO Y Y, GUO Z L, WANG Y L, SHEN A L. Response of soil environment and microbial community structure to different ratios of long-term straw return and nitrogen fertilizer in wheat-maize system. Sustainability, 2023, 15(3): 1-16.

[6] Zuo Q S, Kuai J, Zhao L, Hu Z, Wu J S, Zhou G S. The effect of sowing depth and soil compaction on the growth and yield of rapeseed in rice straw returning field-ScienceDirect. Field Crops Research, 2017, 203: 47-54.

[7] Copeland P J, Allmaras R R, Crookston R K, Nelson W W. Corn-soybean rotation effects on soil water depletion. Agronomy Journal, 1994, 85(2): 203-210.

[8] 董志强, 朱红霞, 白昕欣, 刘璐, 刘远. 秸秆还田对小麦幼苗生长和土壤养分变化的影响. 中国农学通报, 2014, 30(6): 77-81.

Dong Z Q, Zhu H X, Bai X X, Liu L, Liu Y.Effect of straw returning on wheat seedling growth and the change of soil nutrient. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2014, 30(6): 77-81. (in Chinese)

[9] Geng J B, Sun Y B, Zhang M, Li C L, Yang Y C, Liu Z G, Li S L. Long-term effects of controlled release urea application on crop yields and soil fertility under rice-oilseed rape rotation system. Field Crops Research, 2015, 184: 65-73.

[10] 张素瑜, 王和洲, 杨明达, 王静丽, 贺德先. 水分与玉米秸秆还田对小麦根系生长和水分利用效率的影响. 中国农业科学, 2016, 49(13): 2484-2496.

Zhang S Y, Wang H Z, Yang M D, Wang J L, He D X.Influence of returning corn stalks to field under different soil moisture contents on root growth and water use efficiency of wheat (L.). Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(13): 2484-2496. (in Chinese)

[11] 林蔚刚, 吴俊江, 董德健, 钟鹏, 王金生, 周全. 不同秸秆还田模式对大豆根系分布的影响. 大豆科学, 2012, 31(4): 584-588.

LIN W G, WU J J, DONG D J, ZHONG P, WANG J S, ZHOU Q. Impact of different residue retention system on soybean root distribution in soil profile. Soybean Science, 2012, 31(4): 584-588. (in Chinese)

[12] Li X H, Li Q B, Yang T W, Nie Z N, Chen G X, Hu L Y. Responses of plant development, biomass and seed production of direct sown oilseed rape () to nitrogen application at different stages in Yangtze River Basin. Field Crops Research, 2016, 194: 12-20.

[13] Gu X, Li Y, Du Y, Yin M. Ridge-furrow rainwater harvesting with supplemental irrigation to improve seed yield and water use efficiency of winter oilseed rape (L.). Journal of Integrative Agriculture, 2017, 16(5): 1162-1172.

[14] Gu X, Li Y, Du Y, Zhou C, Yin M, Yang D. Effects of water and nitrogen coupling on nitrogen nutrition index and radiation use efficiency of winter oilseed rape (l.). Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(2): 122-132.

[15] Qi W, Liu H, Liu P, Dong S, Zhao B. Morphological and physiological characteristics of corn (L.) roots from cultivars with different yield potentials. European Journal of Agronomy, 2012, 38(2): 54-63.

[16] Kuai J, Sun Y, Zhou M, Zhang P, Zuo Q, Wu J, Zhou G. The effect of nitrogen application and planting density on the radiation use efficiency and the stem lignin metabolism in rapeseed (L.). Field Crops Research, 2016, 199: 89-98.

[17] 左青松, 刘浩, 蒯婕, 冯倩南, 冯云艳, 张含笑, 刘靖怡, 杨光, 周广生. 氮肥和密度对毯状苗移栽油菜碳氮积累、运转和利用效率的影响. 中国农业科学, 2016, 49(18): 3522-3531.

Zuo Q S, Liu H, Kuai J, Feng Q N, Feng Y Y, Zhang H X, Liu J Y, Yang G, Zhou G S. Effects of nitrogen and planting density on accumulation, translocation and utilization efficiency of carbon and nitrogen in transplanting rapeseed with blanket seedling. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(18): 3522-3531. (in Chinese)

[18] Kendalla S L, Holmesb H, Whitea C A, Clarkea S M, Berry P M. Quantifying lodging-induced yield losses in oilseed rape. Field Crops Research, 2017, 211: 106-113.

[19] Wang C, Wang Z, Chen T, Yang J, Chen W, Mu J, Tian J, Zhao X. Relationship between Yield and photosynthesis of leaf and silique of differentL. varieties during reproduction period. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2016, 36(7): 1417-1426.

[20] Wang C, Hai, J, Yang J, Tian J, Chen W, Chen T, Luo H, Wang H. Influence of leaf and silique photosynthesis on seeds yield and seeds oil quality of oilseed rape (L.). European Journal of Agronomy, 2016, 74: 112-118.

[21] Vasile G, Halmajan H V, Ciuboata G. The Influence of application timing of nitrogen fertilisers on yield components in oilseed rape. Bulletin of University of Agricultural Sciences and Veterinary Medicine Cluj-Napoca, Agriculture, 2007, 63: 321.

[22] Brennan R F, Mason M G, Walton G H. Effect of nitrogen fertilizer on the concentrations of oil and protein in Canola () seed. Journal of Plant Nutrition, 2000, 23(3): 339-348.

[23] Gundel A, Rolletschek H, Wagner S, Muszynska A, Borisjuk L. Micro imaging displays the sucrose landscape within and along its allocation pathways. Plant physiology, 2018, 178(4): 1448-1460.

[24] 宋大利, 侯胜鹏, 王秀斌, 梁国庆, 周卫. 中国秸秆养分资源数量及替代化肥潜力. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(1): 1-21.

Song D L, Hou S P, Wang X B, Liang G Q, Zhou W.Nutrient resource quantity of crop straw and its potential of substituting. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2018, 24(1): 1-21. (in chinese)

[25] 伍玉鹏, 刘田, 彭其安, Muhammad S, 胡荣桂.氮肥配施下不同C/N作物残渣还田对红壤温室气体排放的影响. 农业环境科学学报, 2014, 33(10): 2053-2062.

Wu Y P, Liu T, Peng Q A,Muhammad S, Hu R G. Greenhouse gas emissions in red soil as influenced by different C/N residues under nitrogen applications. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(10): 2053-2062. (in Chinese)

[26] 曹莹菲, 张红, 赵聪, 刘克, 吕家珑. 秸秆腐解过程中结构的变化特征. 农业环境科学学报, 2016, 35(5): 976-984.

Cao Y F, Zhang H, Zhao C, Liu K, Lü J L. Changes of organic structures of crop residues during decomposition. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(5): 976-984. (in Chinese)

[27] 朱利群, 张大伟, 卞新民. 连续秸秆还田与耕作方式轮换对稻麦轮作田土壤理化性状变化及水稻产量构成的影响. 土壤通报, 2011, 42(1): 81-85.

Zhu L Q, Zhang D W, Bian X M. Effects of continuous returning straws to field and shifting different tillage methods on changes of physical-chemical properties of soil and yield components of rice. Chinese Journal of Soil Science, 2011. 42(1): 81-85. (in Chinese)

[28] 盖琼辉, 张述强, 张义凡, 郑秀堂. 不同覆膜种植方式对大豆产量及土壤理化性质的影响. 陇东学院学报, 2017, 28(3): 52-55.

Gai Q H, Zhang S Q, Zhang Y F, Zheng X T. Effects of different film mulching planting on soybean yields and physical and chemical properties of soil. Journai of Longdong University, 2017, 28(3): 52-55. (in Chinese)

[29] Zhao S C, He P, Qiu S J, Jia L L, Liu M C, Jin J Y, Johnston A M. Long-term effects of potassium fertilization and straw return on soil potassium levels and crop yields in north-central China. Field Crops Research, 2014, 169: 116-122.

[30] Malhi S S, Nyborg M, Solberg E D, Mcconkey B, Dyck M, Puurveen D. Long-term straw management and N fertilizer rate effects on quantity and quality of organic C and N and some chemical properties in two contrasting soils in Western Canada. Biology and Fertility of Soils, 2011, 47(7): 785-800.

[31] 张顺涛, 鲁剑巍, 丛日环, 任涛, 李小坤, 廖世鹏, 张跃强, 郭世伟, 周明华, 黄益国, 程辉. 油菜轮作对后茬作物产量的影响. 中国农业科学, 2020, 53(14): 2852-2858.

Zhang S T, Lu J W, Cong R H, Ren T, Li X K, Liao S P, Zhang Y Q, Guo S W, Zhou M H, Huang Y G, Cheng H. Effect of rapeseed rotation on the yield of next-stubble crops. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(14): 2852-2858. (in Chinese)

[32] Bouchet A S, Laperche A, Bissuel-Belaygue C, Snowdon R, Nesi N, Stahl A. Nitrogen use efficiency in rapeseed. A review. Agronomy for Sustainable Development, 2016, 36(2): 38.

[33] Li X, Li Q, Yang T, Nie Z, Chen G, Hu L. Responses of plant development, biomass and seed production of direct sown oilseed rape () to nitrogen application at different stages in Yangtze River Basin. Field Crops Research, 2016, 194: 12-20.

[34] Vigeolas H. Lipid storage metabolism is limited by the prevailing low oxygen concentrations within developing seeds of oilseed rape. Plant Physiology, 2003, 133(4): 2048-2060.

[35] 李燕婷, 米国华, 陈范骏, 张福锁, 劳秀荣. 玉米幼苗地上部／根间氮的循环及其基因型差异. 植物生理学报, 2001, 27(3): 226-230．

Li Y T, Mi G H, Chen F J, Zhang F S, Lao X R. Genotypic difference of nitrogen recycling between root and dhoot of maize seedlings. Acta Phytophysiologica Sinica, 2001, 27(3): 226-230. (in Chinese)

[36] 李旭霞, 宋海星, 杨志长, 胡宇倩, 熊庭浩. 油菜角果SPS活性变化对其碳氮代谢及油分形成的影响. 南方农业学报, 2018, 49(2): 234-238.

Li X X, Song H X, Yang Z C, Hu Y Q, Xiong T H. Effects of SPS activity variation on carbon and nitrogen metabolism, and oil formation in rape silique. Journal of Southern Agriculture, 2018, 49(2): 234-238. (in Chinese)

[37] Ni F, Liu J, Zhang J, Khan M N, Luo T, Xu Z, Hu L. Effect of soluble sugar content in silique wall on seed oil accumulation during the seed-filling stage in. Crop and Pasture Science, 2019, 69: 1251-1563.

[38] Tan H, Yang X, Zhang F, Zheng X, Qu C, Mu J, Fu F, Li J, Guan R, Zhang H. Enhanced seed oil production in canola by conditional expression ofleafy cotyledon1 and LEC1-like in developing seeds. Plant Physiology, 2011, 156: 1577-1588.

Effect of nitrogen rates on yield formation and nitrogen use efficiency in oilseed under different cropping systems

LI Xiaoyong1, HUANG Wei2, LIU Hongju3, LI Yinshui1, GU Chiming1, DAI Jing1, HU Wenshi1, YANG Lu1, LIAO Xing1, QIN Lu1

1Oil Crops Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Biology and Genetics Improvement of Oil Crops, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Wuhan 430062;2Huanggang Academy of Agricultural Sciences, Huanggang 438000, Hubei;3Yingcheng Agricultural Technology Extension Center, Yingcheng 432400, Hubei

【Objective】 The aim of this study was to investigate the effects of nitrogen application on yield formation and nutrient utilization of oilseed (L.) under different cropping systems. 【Method】a field experiment was carried out in Huanggang, Hubei province. An oilseed variety ‘Zhongyouza19’ was used as the material, setting with two cropping systems (rice-oil rotation, RO; soybean-oil rotation, SO) and four nitrogen rates (N0, 0; N1, 90 kg·hm-2; N2, 180 kg·hm-2; N3, 270 kg·hm-2) in this study. The yield and its components, dry matter accumulation, agronomic traits, nitrogen content and seeds quality were measured. 【Result】(1) the oilseed yield of SO was significantly higher than that of RO, and the pods per plant, seeds per pod and 1000-seeds weight of oilseed in different cropping systems all tended to increase significantly by increasing the amount of nitrogen. Compared with N0, the seed yield of RO increased by 176.68%, 436.49% and 835.40% under N1, N2 and N3 treatments, respectively, while that of SO increased by 123.96%, 344.46% and 547.25%, respectively. Compared with RO, the seed yield under SO increased by 62.09%, 31.33%, 71.79% and 12.21% under N0, N1, N2 and N3 treatments, respectively. (2) The root crown diameter, plant height, first effective branch height and branch number of SO oilseed were significantly higher than those of RO at maturity stage, and the increase in each agronomic trait index was significant under different cropping systems with the increase in nitrogen application; the root biomass and above-ground biomass of SO were significantly higher than those of RO at all growth stages, but the root shoot ratio was lower than that of RO. the root shoot ratio decreased significantly after seedling stage in both cropping system with increasing nitrogen application. (3) Nitrogen content and nitrogen accumulation in the root, pod shell, stalk and seeds of SO were higher than those in RO, and the increases in nitrogen content and nitrogen accumulation in each part were significant with the increase in nitrogen application; the apparent nitrogen recovery efficiency under SO was higher than that under RO, and the apparent nitrogen recovery efficiency under RO increased with the increase in nitrogen application. (4) Compared with the RO, the soluble sugar content of pod shell under SO was lower, while the amino acid content and amino acid/soluble sugar content were higher with the same nitrogen application. The soluble sugar content decreased, but the amino acid content and amino acid/soluble sugar content increased with the increase of nitrogen application. Therefore, the oil content of oilseed under SO was lower than that under RO due to the limitation of fatty acid synthesis substrate, and the oil content of seeds decreased significantly with the increase of nitrogen application in cropping system. Oil yield was the maximum in both cropping system at 270 kg·hm-2nitrogen application level, 1 678.60 and 1 665.33 kg·hm-2for RO, and 1 684.03 and 1 687.10 kg·hm-2for SO, respectively, but the difference in oil yield between 180 and 270 kg·hm-2nitrogen application for SO was not significant. 【Conclusion】In conclusion, the nitrogen rate for RO could be controlled at about 270 kg·hm-2, but the nitrogen rate for SO could be controlled at about 180 kg·hm-2to ensure higher nitrogen use efficiency and higher oil yield.

oilseed (L.); cropping system;nitrogen rate; yield; nitrogen use efficiency