氮肥用量对冬油菜籽粒产量和品质的影响

宋 毅 李 静 谷贺贺 陆志峰 廖世鹏 李小坤 丛日环 任 涛鲁剑巍

华中农业大学资源与环境学院 / 农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室 / 华中农业大学微量元素研究中心, 湖北武汉 430070

氮(N)是作物生长必需营养元素之一, 是叶绿素、蛋白质等结构的组成元素, 直接参与了作物的光合作用和物质积累[1], 影响作物产量形成和品质构建[2]。大量研究表明, 土壤缺氮后作物光合速率降低、生长延缓, 植株矮小、冠层低效, 影响产量构成因子, 严重限制作物产量[3-4]。为提高作物产量、保障国家粮食安全, 在农业生产过程中广泛施用氮肥[5]。但为片面追求高产, 长期过量的氮肥施用不仅造成资源浪费和环境污染, 而且也降低了作物品质。氮肥施用后鲜食型甘薯的糊化特性变差, 降低其食用品质[6]。随着氮肥用量增加, 稻米产量出现先增加后降低趋势, 加工品质提高, 外观品质、蒸煮食味品质降低[7]。因此, 优化氮肥用量以实现作物高产和优质协同是亟待解决的重要问题。

随着我国居民生活水平日益提高, 油脂需求量快速增长[8]。油菜是国产植物油最大油源, 国产菜籽油占国产油料作物植物油产量的55%以上[9]。同时, 随着“双低”油菜大面积推广和普及[10-11], 人们对菜籽油品质的要求也越来越高。因此, 保证油菜高产稳产、提升菜籽油品质对我国食用油安全具有重要意义。对于油菜籽产量和品质的提高, 除育种技术革新外[12], 养分管理措施也在其中起着重要作用[13]。氮是油菜产量的最重要的限制因子, 前人已在氮肥用量、氮肥运筹以及氮肥形态等方面对油菜生长和产量等方面影响做出大量研究[4,14-16]。施氮显著提高油菜籽产量, 并随氮肥用量的增加, 籽粒产量呈线性加平台趋势或过量施氮后呈下降趋势, 并已制定出不同区域适宜氮肥用量[17]。施氮能够显著增加籽粒蛋白质含量, 降低籽粒含油量[18], 但对于脂肪酸组成目前研究较少, 且说法不一[17-19]。以往研究多关注于氮肥用量对于油菜产量、肥料利用率等方面, 对于氮肥对油菜籽产量和品质的协同调控研究较少。本研究通过在冬油菜主产区开展连续2年氮肥用量的田间试验, 旨在探究不同氮肥用量下长江流域冬油菜产量以及品质变化, 以期明确基于产量目标和品质目标的最佳氮肥用量, 为长江流域冬油菜绿色优质生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验于2019年9月至2020年5月和2020年9月至2021年5月在湖北省武穴市梅川镇(30°06′N, 115°36′E)同一区域内2个临近的田块进行, 供试土壤为花岗片麻岩发育的水稻土, 0～20 cm耕层土壤理化性状2019/2020年为:pH 5.76, 有机质32.1 g kg-1, 全氮1.75 g kg-1, 有效磷13.4 mg kg-1, 速效钾54.5 mg kg-1, 有效硼0.48 mg kg-1;2020/2021年为: pH 5.81, 有机质35.0 g kg-1, 全氮1.80 g kg-1, 有效磷11.4 mg kg-1, 速效钾44.5 mg kg-1, 有效硼0.33 mg kg-1。试验点前茬作物为水稻。

1.2 试验设计

试验采用完全随机区组设计, 设置5个氮肥用量, 分别是0、90、180、270、360 kg N hm-2。每个试验处理3次重复, 每个试验小区20 m2。

各处理磷、钾和硼肥用量相同, 分别为90 kg P2O5hm-2、120 kg K2O hm-2、9 kg硼沙 hm-2。供试肥料品种分别为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)、氯化钾(含K2O 60%)和硼沙(含B 11%)。氮肥按基肥∶越冬肥∶薹肥=6∶2∶2比例分3次施用, 其他肥料均一次性基施。

2年试验供试油菜品种均为华油杂9号, 试验采用育苗移栽的方式。在每年9月中下旬播种育苗, 选取苗龄约45 d且大小均一的油菜幼苗移栽到试验田, 移栽密度为11.25×104株 hm-2。所有试验小区布置完成后在整个试验外围设置保护区, 保护区内也种植移栽油菜, 在试验过程中, 所有的田间管理, 包括除草剂施用和病虫害防治等,均采用当地的栽培管理方法。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤样品的采集与分析 土壤基础样品在前茬水稻收获后油菜基肥施用前采集。以整个试验田块为采样单元, 在试验田块内以“S”形均匀取样15个, 取0～20 cm耕作层土壤, 混匀后于实验室内风干磨细过20目和100目筛, 供理化分析用。按常规方法测定[20]土壤基础理化性质, 土壤pH按水土比2.5∶1.0, 用pH计测定; 采用重铬酸钾容量法测定有机质含量; 采用半微量开氏法测定全氮含量; 采用0.5 mol L-1NaHCO3浸提钼锑抗比色法测定有效磷含量; 采用1 mol L-1NH4OAc浸提火焰光度计测定速效钾含量; 采用热水回流姜黄素比色法测定有效硼含量。

1.3.2 产量构成因子调查 在油菜收获前对所有试验处理的产量构成因子进行调查, 调查内容包括单株角果数和每角粒数(角果中油菜籽的个数, 每株从上中下3个部位各取10个角果, 计算平均值), 收获后测定千粒重(采用千粒板随机测定2000粒风干油菜籽的质量)。每个试验处理的3次重复均进行调查, 每个小区选取10株具有代表性的植株进行调查, 各项指标取平均值作为调查结果。

1.3.3 成熟期测产以及籽粒养分测定 油菜成熟后各小区随机取样6株, 齐地收割地上部, 放入网袋内悬挂风干脱粒后测定籽粒重, 在60℃下烘干称重, 计算含水率,然后磨细过20目筛后供养分含量测定分析用。籽粒产量以各小区实收风干重计量。籽粒全氮采用浓H2SO4-H2O2联合消煮, 后用流动注射分析仪(德国SEAL, AA3)测定。

1.3.4 油菜籽粒品质测定 参考智文良等[21]研究, 利用粮油品质分析仪(NYDL3000)进行测定, 主要品质指标包括油分、蛋白质、油酸、亚油酸、芥酸、硫甙、硬脂酸、亚麻酸和棕榈酸。

1.4 参数计算和数据分析

产油量(kg hm-2)=油菜籽产量×籽粒含油率/100[22]

蛋白质产量(kg hm-2)=油菜籽产量×籽粒蛋白质含量/100[22]

采用Microsoft Excel 2016软件对试验数据进行处理,利用SPSS 18.0软件进行统计分析, 采用Origin Pro 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 氮肥用量对油菜籽粒产量以及产量构成因子的影响

施氮显著提高油菜籽粒产量, 虽年份对产量有一定影响, 但在2年中表现出相同趋势, 均随氮肥用量的增加而显著提高(表1)。与不施氮相比, 施氮量在0～270 kg N hm-2范围内, 油菜籽粒产量随氮肥施用量的增加而显著提高, 平均增产1548 kg hm-2, 平均增产率为32.9%。当氮肥用量超过270 kg N hm-2时, 油菜籽粒产量不再变化或有降低趋势。施氮影响了油菜产量构成因子(表2), 氮肥施用后油菜单株角果数、每角粒数、千粒重均明显增加,且对于单株角果数的影响最大。与不施氮相比, 氮肥施用后, 单株角果数平均增加177个。随氮肥用量的增加, 单株角果数呈增加趋势。在施氮量为0～270 kg N hm-2时, 单株角果数随氮肥用量增加显著增加, 但继续增施氮肥, 单株角果数不再增加。

表1 氮肥用量对2019/2020和2020/2021年油菜产量的影响Table 1 Effects of N fertilizer rates on rapeseed yield during 2019/2020 and 2020/2021 season

表2 氮肥用量对2019/2020和2020/2021年油菜产量构成因子的影响Table 2 Effects of N application rates on yield components of rapeseed during 2019/2020 and 2020/2021 season

2.2 氮肥用量对油菜籽粒氮含量的影响

施氮显著提高油菜籽粒氮含量(图1), 与不施氮相比,施氮后籽粒氮含量提高了10.8%～50.7%。籽粒氮含量随着氮肥用量的增加而显著提高, 在氮肥用量为270 kg N hm-2时达到最高, 氮肥用量在0～270 kg N hm-2范围内,平均每增施100 kg N hm-2, 籽粒氮含量提高0.5个百分点。

图1 氮肥用量对2019/2020和2020/2021年油菜籽粒氮含量的影响Fig. 1 Effects of N application rates on nitrogen content in rapeseed seeds in 2019/2020 and 2020/2021 seasonN0、N90、N180、N270、N360表示氮肥施用量为0、90、180、270、360 kg N hm-2。图中小写字母表示相同年份不同氮肥处理间在0.05概率水平差异显著。**表示P＜ 0.01, ns表示无显著差异。N: 氮肥用量; Y: 不同年份; N×Y: 氮肥用量和年份的交互效应。N0, N90, N180, N270, and N360 indicate that the N application rate are 0, 90, 180, 270, and 360 kg N hm-2, respectively. Lowercase letters in the same year mean no significant differences atP＜ 0.05 among the different N fertilizer treatments by LSR test. **:P＜0.01; ns: no significant difference. N: N fertilizer rate; Y: year; N×Y:the interaction of N fertilizer rate and year.

2.3 氮肥用量对油菜籽粒品质指标和产油量、蛋白质产量的影响

施氮显著提高了蛋白质和硫甙含量, 降低了油脂含量, 而对籽粒含水量没有影响(表3)。与不施氮相比, 氮肥施用后籽粒蛋白质含量提高6.1%～27.8%, 油脂含量降低3.4%～14.7%。随氮肥用量的增加, 蛋白质含量在施氮量为270 kg N hm-2时达最高, 而油脂含量在施氮量为270 kg N hm-2时达最低, 每增加100 kg N hm-2, 籽粒蛋白质含量增加1.5个百分点, 含油率下降1.6个百分点。

表3 氮肥用量对2019/2020和2020/2021年油菜籽粒油脂含量、蛋白质含量、硫甙、含水量、产油量和蛋白质产量的影响Table 3 Effects of N application rates on oil concentration, protein concentration, glucosinolate, water concentration, oil yield and protein yield of rapeseed seeds in 2019/2020 and 2020/2021 season

产油量和蛋白质产量是油菜经济效益中2个重要的因素。施氮后籽粒产油量和蛋白质产量与产量趋势一致,均随氮肥施用量的增加而增加。施氮量在0～270 kg hm-2时, 油菜籽粒产油量以及蛋白质产量增幅较大, 增幅分别为142.7%～223.7%和161.2%～362.1%。当施氮量超过270 kg N hm-2时, 产油量和蛋白质产量不再明显增加。

2.4 氮肥用量对油菜籽粒脂肪酸组成的影响

油菜籽粒中脂肪酸的组成对油菜籽食味、储存品质有重要影响。不同施氮处理油菜籽粒油酸和芥酸含量存在明显差异。随着氮肥用量的增加, 2种脂肪酸含量均呈现增加的趋势。与不施氮处理相比, 施氮肥后油酸和芥酸含量平均增加21.6%和138.1% (表4)。油菜籽粒亚油酸含量随氮肥用量增加缓慢降低, 亚麻酸、硬脂酸和棕榈酸缓慢增加。

表4 氮肥用量对2019/2020和2020/2021年油菜籽粒脂肪酸含量的影响Table 4 Effects of N application rates on fatty acids concentration inrapeseed seeds during 2019/2020 and 2020/2021 season

2.5 籽粒氮含量与产量、品质、脂肪酸组成的关系

施氮显著提高了油菜籽产量, 增加油菜籽氮含量,改善油菜的营养状况, 因此籽粒产量和氮含量与油菜籽品质以及物质组成也有着密切联系。从相关性分析(图2)中可以看出, 油菜籽产量与各产量构成因子之间存在显著正相关关系, 与蛋白质含量、硫甙含量、产油量、蛋白质产量以及芥酸含量也存在显著的正相关关系, 而与含油率存在显著负相关关系, 相关系数为-0.72。油菜籽粒氮含量与油菜籽含油率呈显著负相关, 相关系数为-0.65,与蛋白质含量呈显著正相关, 相关系数为0.86, 与含水量没有相关性。同时, 籽粒氮含量与脂肪酸组分间均存在显著正相关关系, 但与亚油酸和亚麻酸无显著相关关系。

图2 油菜籽产量与品质性状间的相关关系Fig. 2 Correlation between rapeseed yield and quality traits相关性分析使用试验所有养分、产量、品质和脂肪酸数据。*、**和***分别表示在0.05、0.01和0.001概率水平差异显著。The data used for correlation analysis are nutrient, yield, quality and fatty acid data of all the experiment. *, **, and *** indicate significant difference at the 0.05, 0.01, and 0.001 probability levels, respectively.

3 讨论

3.1 氮肥用量对油菜籽粒产量的影响

油菜是需氮量较大的作物, 依靠土壤提供的氮素远远不能满足自身生长, 因此氮肥施用能显著提高油菜的产量。目前, 油菜籽产量对氮肥用量的响应研究已较为深入。随氮肥施用量的增加, 籽粒产量增加, 当施氮量在180～270 kg N hm-2范围内, 籽粒产量达到最高, 继续增施氮肥, 籽粒产量不变或出现下降趋势[3,17]。本研究结果表明, 施氮量为270 kg N hm-2油菜籽粒产量最高。油菜籽粒产量取决于单株角果数、每角粒数和千粒重的大小[23], 有研究表明, 氮肥施用后单株角果数的增加是油菜籽粒产量提高的主要原因[15,20]。随着氮肥用量的增加, 单叶面积增大, 冠层总截获率增加, 促进了高效冠层的生长, 提高了油菜植株光合效率和干物质积累效率[24]。过量施氮后,叶片晚熟, 叶片过大且叶倾角变大, 使得油菜叶片间相互重叠, 降低通风透光性能, 从而结角层变薄, 角果数减少, 最终影响籽粒产量形成[25]。油菜籽油脂产量和蛋白质产量是籽粒产量的直接表现形式。本研究结果中, 随施氮量的增加, 籽粒油脂含量显著下降、蛋白质含量显著增加,而油脂产量和蛋白质产量显著增加, 且与籽粒产量趋势一致。因此, 油菜籽粒产量的变化直接影响了油脂和蛋白质产量。

3.2 氮肥用量对油菜籽粒品质的影响

油菜籽粒的含油率、硫甙、芥酸含量以及脂肪酸的组成是其重要的商品品质指标[26]。油菜籽榨油剩余的饼粕作为一种重要的动物饲料来源, 其蛋白质含量常是表征优劣的重要指标[27]。通常认为, 同一油菜品种其油分含量和蛋白质含量是一个定值, 油菜籽粒蛋白质含量与油脂含量呈现此消彼长的关系[28]。本文的结果表明, 施氮显著提高油菜籽蛋白质含量、显著降低含油量, 而蛋白质产量和油脂产量均随施氮量增加而增加, 因此施氮造成的油菜籽含油量的降低, 能够通过提高产量而弥补, 使油脂产量提高。赵继献等[29]、吴永成等[30]研究表明, 施氮增加油菜籽产量, 随着氮肥用量增加, 菜籽产量和产油量均出现先升高后降低趋势, 与本研究结果基本一致。

硫甙和芥酸是油菜籽中最主要的有害成分, 硫甙能够在机体内源酶的作用下形成有害物质[31], 而芥酸难以被人体消化, 易引起心肌脂肪积累[32]。本研究中, 油菜籽的硫甙和芥酸含量均随施氮量增加有不同程度的增加。邹娟等[18]研究表明, 施氮增加了芥酸含量而降低了硫甙含量。另有研究则表明[33], 施氮增加了籽粒芥酸和硫甙含量。王成[34]的研究也表明, 双低油菜品种陕油28随氮肥用量的增加硫甙含量增加。除品种和栽培措施影响油菜籽硫甙含量外, 氮肥可能通过调节硫甙合成前体的氨基酸代谢来影响[35]。根据GB/T11762-2006[36]油菜籽国家标准的双低油菜指标 (芥酸含量小于3%、硫甙含量小于35 μmol g-1), 施氮量低于270 kg N hm-2处理油菜籽均满足双低油菜的标准, 过高的氮肥投入则会导致油菜籽硫甙和芥酸含量超标, 降低油菜籽品质。

脂肪酸是油脂的主要成分, 分为饱和脂肪酸 (如棕榈酸、硬脂酸)、单不饱和脂肪酸 (如油酸、芥酸)以及多不饱和脂肪酸 (亚油酸、亚麻酸)。油酸和亚油酸对于人体有很好的保健作用, 亚麻酸虽是人体必需脂肪酸, 但含量过高会影响菜籽油储藏和食用品质。饱和脂肪酸摄入过量会使人体胆固醇提高, 增加患癌症风险[37]。本文研究表明, 随着氮肥用量的增加, 油菜籽粒油酸含量、亚麻酸含量以及饱和脂肪酸 (硬脂酸和棕榈酸)均呈上升的趋势,亚油酸呈下降趋势。Ghafoor等[38]研究也发现, 随着氮肥用量增加籽粒亚油酸含量显著降低、亚麻酸显著增加, 油酸和饱和脂肪酸均有上升趋势。Zapletalova等[39]则指出,随施氮量增加, 饱和脂肪酸和亚油酸含量增加, 而其他脂肪酸没有变化。考虑到试验中氮肥梯度设置过窄, 推测氮肥用量对于脂肪酸影响效应没有完全体现。赵继献等[29]研究则表明, 氮肥用量和亚油酸呈显著负相关关系, 与油酸和亚麻酸呈显著正相关关系。综上, 虽施氮对籽粒脂肪酸影响说法不一致, 但总体来说施氮降低了籽粒品质,其中包括增加了亚麻酸、饱和脂肪酸含量, 降低了亚油酸含量。

不饱和脂肪酸是由饱和脂肪酸不断脱饱和作用形成。脂肪酸对于植物体而言是一种重要的能量存储形式, 同时也是植物激素调节的前提物质, 在植物防御作用中起着重要作用[40]。脂肪酸合成的增加直接诱导植物防御反应[41]。研究表明, 植物过量施氮更易引发病虫害[42], 因此高施氮肥情况下可能诱导植物体内脂肪酸合成的增加,以提高植物对于真菌和细菌的基础抗性。此外, 氮肥施用引起的脂肪酸组成的变化, 在不同氮肥用量处理间变异较大, 原因可能是基于光学近红外扫描的脂肪酸测定方法, 由于建模差异, 对于不同脂肪酸的敏感性存在偏差[43],利用更完善的近红外数据库以及结合气相色谱技术准确的分析油菜籽脂肪酸的组成及其对氮肥施用的响应是油菜提质增效研究中需要继续关注的关键科学问题。

3.3 基于不同目标的氮肥适宜用量

合理脂肪酸组成的油脂对人体健康极其重要, 我国营养学会推荐油脂摄入比例为饱和脂肪酸: 单不饱和脂肪酸: 多不饱和脂肪酸 = 1∶4～6∶1[44]。饱和脂肪酸能够从肉食中足量摄取, 因此食用油应以补充不饱和脂肪酸为主, 并且尽可能降低饱和脂肪酸含量[45]。2020年我国食用油消费量达4071万吨, 其中菜籽油消费量为814.2万吨[46]。根据国内油菜产量和平均含油率推算, 我国菜籽油供给缺口为210.1万吨, 油菜种植面临提升产量与品质双重考验。氮肥施用提高了油菜籽产量, 但降低了菜籽油品质。在兼顾产量的同时追求高品质菜籽油, 施氮量约为180 kg N hm-2(图3), 此时油菜籽产量可达最高产量的75%左右, 基本满足产量要求, 同时饱和脂肪酸含量较低,菜籽油品质提高。当以追求油菜籽产量同时考虑饼粕做饲料用途为目标时, 氮肥施用量应约为270 kg N hm-2(图3),此时, 油菜籽粒产量较高, 约为最高产量的95%, 蛋白质含量较高, 油菜籽饼粕产量和品质提高。通过施肥以达到不同生产目标在其他的作物上也有类似应用。唐建昭等[47]根据马铃薯最高产量、最高水分利用效率以及最高经济效益3个生产目标, 确定了3种不同氮肥用量。张庆等[48]也通过研究氮肥用量与稻米产量和品质关系, 发现施氮量在240 kg N hm-2和300 kg N hm-2时均能达到较高产量和较优的加工、外观和食味品质, 在兼顾品质、产量和生态效应时最终将施氮量确定为240 kg N hm-2。因此在未来的油菜生产研究中, 以生产高品质的菜籽油应该控制氮肥用量, 而以动物饲料为目标的油菜生产则需要适当增加氮肥投入, 建立以生产目标为导向的合理施肥非常重要。

图3 氮肥用量与籽粒产量、蛋白质含量、硫甙含量、油含量、和饱和脂肪酸比例的关系Fig. 3 Relationship between N application rates and rapeseed yield, protein content, glucosinolate content, oil content and saturated fatty acid ratio使用2年数据进行拟合, 其氮肥用量与产量使用二次函数进行拟合, 蛋白质产量、含油量、硫甙和饱和脂肪酸比例使用线性拟合, 分别取拟合最高产量的75%和95%为生产目标以确定氮肥施肥量。Two years data are used for fitting. The N application rates and yield are fitted by quadratic function. The protein content, oil content, glucosinolate content and saturated fatty acid rate are fitted by linear fitting. 75% and 95% of the highest yield are taken as production targets to determine the nitrogen fertilizer rate.