水氮耦合对油菜生长及氮肥利用效率的影响

张 赛, 王龙昌, 陈 娇, 石 超

(西南大学农学与生物科技学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，南方山地农业教育部工程研究中心，重庆 400716)

据统计，全国2013年化肥施用量5 912万t(折纯)，农作物每666.7m2化肥用量21.9 kg，而世界平均水平仅仅只有8 kg，中国是美国的2.6倍，是欧盟的2.5倍；当季氮肥利用率只有30%～35%，而美欧可以达到50%～60%。科学施肥是保证作物稳产高产、减少环境污染破坏的重要前提。在化肥使用量零增长行动方案等政策主导下，化肥消费量持续下降，然而由于近年来不合理施用化肥尤其是重氮肥轻磷钾肥、重化肥轻有机肥、重大量元素肥料轻中微量元素肥料的“三重三轻”做法，导致氮肥的利用率普遍不高。氮肥施入农田后的去向基本有3个：被作物吸收即氮肥的当季利用率、残留在土壤中以及通过不同机制和途径损失。氮肥施用量的确定应采用宏观控制与微观调节的方式[1]，即宏观控制施氮量与土壤-植株测试推荐施氮量相结合。宏观控制施氮量是指在特定地区、一定的种植制度下，施氮量应该有一个范围，这个范围对目前农户盲目过量施氮具有重要的指导意义。根据文献资料显示，西南地区油菜(BrassicanapusL.)施氮量在180 kg·hm-2时，平均可以达到2 001～2 087 kg·hm-2的产量水平，地上部分干重可达7 042～7 422 kg·hm-2[2-3]。实行宏观控制施氮量对油菜生产上大面积将氮肥用量降低到适宜的范围具有重要的现实意义。同时，通过土壤-植株测试进行推荐施氮，在目前的小规模经营体系下由于各个地块的差异而引起的肥力不同，可实现氮肥的精确调控。水氮耦合是水分和氮肥相互作用、共同影响作物生长发育及氮肥利用效率的现象[4]。国内外学者围绕水肥耦合对作物的生长进行了广泛而深入的研究并最终提出了“以肥调水、以水促肥”的观点[5-8]，但是大多数集中在地上部分[9]，缺乏对地上和地下部分的系统研究，从土壤-作物系统整体出发研究氮素的吸收转移较为鲜见。因此，在当今倡导化肥使用量零增长大背景下，通过水氮耦合微观控制实验，探讨不同水氮组合下油菜生长及氮素吸收利用规律，为西南地区油菜栽培管理实现氮肥的精确调控提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验采取盆栽方式，供试作物为油菜，供试土壤来源于西南大学教学试验农场0～20 cm土层(2015—2016年度)和2号温室水槽内0～20 cm土层(2016—2017年度)，土壤类型均属于旱地紫色土，田间持水量为31%。设置水分梯度3个(田间持水量的90%、70%、50%，分别用W1、W2、W3表示)，氮肥水平3个(正常施氮量的150%、100%和50%，分别用N1、N2、N3表示)，共10个处理，分别为W1N1、W1N2、W1N3、W2N1、W2N2、W2N3、W3N1、W3N2、W3N3、CK(田间持水量的70%+不施肥)，每个处理重复3次。在整个试验时期，通过称重法来监测和控制水分含量。试验盆钵由PVC管制成，圆柱形，高20 cm，直径15 cm，每个盆钵装过5 mm筛的风干土样4 kg，具体施肥方案如表1，氮、磷、钾的施用量以干土计算。肥料在油菜移栽之前和土壤混匀后装盆，提前一天浇透水。每盆移栽1株油菜，总共120盆。

1.2 指标测定

在油菜苗期、蕾薹期、角果期和成熟期分别测定其株高、茎粗、地上及地下干物质积累；油菜根系生长动态变化，包括根长、根直径、根体积和根表面积等指标以及油菜植株各部位和土壤的全N含量。在油菜每个关键生育期取植株3株，从基部剪断，将全部土壤反复过2 mm筛，挑出根系，把挑出的根连同附着于根上的土壤用水浸泡，轻轻振荡，20 min后过1 mm筛，并把筛上的根系冲洗干净。所有根系先用根系扫描仪分析，然后将作物地上部分和根系分别在105℃杀青30 min，60℃下烘干，称干重后缩分研磨，过0.15 mm筛备用。土壤风干保存备用。其中植株和土壤全氮含量采用凯氏定氮仪测定。

表1 2015—2017年油菜盆栽试验土壤基础含氮量及施肥水平

1.3 数据处理[2,10]

(1)植株氮总累积量U(kg·hm-2)=[根系生物量(kg·hm-2)×根系氮素含量(%)+茎秆生物量(kg·hm-2)×茎秆氮素含量(%)+角果皮生物量(kg·hm-2)×角果皮氮素含量(%)+籽粒生物量(kg·hm-2)×子粒氮素含量(%)]

(2)氮素收获指数NHI(kg·kg-1)=子粒吸氮量/植株总吸氮量

(3)收获指数HI(kg·kg-1)=籽粒产量/植株总产量

(4)氮肥偏生产力PFPN=Y/F，指单位投入的肥料氮所能生产的作物籽粒产量。

(5)氮肥农学效率AEN(kg·kg-1)=(Y-Y0)/F，指单位施氮量所增加的作物籽粒产量。

(6)氮肥表观利用率REN(%)=(U-U0)/F×100，反映了作物对施入土壤中的肥料氮的回收效率。

(7)氮肥生理利用率PEN(kg·kg-1)=(Y-Y0)/(U-U0)，是指作物每吸收单位肥料的氮所获得的籽粒产量的增加量。

(8)氮肥利用率NUE(%)=植株氮吸收量/(施氮量+初始土壤含氮量)×100%

(9)增产率(%)=(Y-Y0)/Y0×100

式中，Y表示施氮后所获得的籽粒产量(kg·hm-2)，Y0表示不施氮条件下籽粒产量(kg·hm-2)，F代表施氮量(kg·hm-2)，U表示施氮下作物收获期植株总吸氮量(kg·hm-2)，U0表示不施氮条件下的植株总吸氮量(kg·hm-2)。不同处理的油菜生长性状及全N含量的差异性采用一维方差分析。所有数据处理在SPSS 17.0和Excel 2007中完成统计分析与制图。

2 结果与分析

2.1 油菜生长性状与产量

2.1.1 不同水氮处理对油菜单株产量的影响 图1显示在盆栽试验条件下，油菜单株产量对水氮因素的响应规律在两个年度试验中表现基本一致，即随着土壤水分的增加呈增加趋势，在同一水分梯度下受施氮水平的影响差异不显著，说明水氮处理对油菜产量的影响在年度间具有较好的重演性。第二年的单株产量低于第一年的数据，究其原因可能是因为第一年油菜施肥采取的基肥+追肥方式，第二年采取一次性施肥，施肥总量虽然保持一致，但是由于肥料的有效性有限，导致两年的产量不一致。下文主要取2015—2016年度的数据作进一步分析。

图1 水氮耦合对油菜单株产量的影响Fig.1 Effect of coupled irrigation and nitrogen on yield of rapeseed (Brassica napus L.)

与对照CK相比(表2)，当土壤处于中等水分条件时产量会随着施入氮肥的增加而增加，但是高、中、低氮水平的产量差异并不显著，说明此时各处理的氮肥均充足，而土壤水分是油菜增产的限制因素；再增加土壤水分含量时，增产率可以达到114.43%～144.11%；而减少土壤水分时，高氮条件下显著降低产量60.82%。收获指数HI和氮素收获指数NHI随着施氮量的增加呈下降趋势，随土壤含水量增加呈增加趋势。植株氮总累积量与施氮量和土壤含水量均呈正相关关系。因此，施肥过多不仅肥料利用率低，而且易造成营养器官比例加大，生物产量增加，油菜虽然可以获得较大的干物质和氮素累积，但不能适时向生殖器官转移，产量降低。

2.1.2 不同水氮处理下油菜生长性状动态变化 图2对油菜苗期、蕾薹期、角果期和成熟期的株高、茎粗进行测定分析发现，在不同生育期株高、茎粗均随着施氮量的增加而增加，而同一施氮水平下株高和茎粗随土壤含水量的增减无显著变化。因此，水氮因素对油菜株高、茎粗的影响主要以氮素为主。

表2 不同水氮处理下油菜收获指数及增产率

注：不同小写字母表示同一生育期内不同水氮处理下各指标的差异达到显著水平，下同。Note: Different lowercase letters denote significant difference between treatments at 5% probability level. The same below.图2 油菜株高、茎粗对不同水氮的响应Fig.2 The response of height and stem diameter to different water and nitrogen

表3分析了油菜不同生育期的叶片数与有效分枝数受水氮因素的影响，结果显示随着生育期的推进，水氮对叶片数量的影响程度增强，苗期各处理下叶片数没有显著差异，到了蕾薹期时优先在低水低氮处理显著下降，角果期时同一水分梯度下低氮处理显著低于中、高氮处理。因此，叶片数量在油菜生长后期时容易因施氮不足导致其数量显著减少。有效分枝数随施氮量的减少而减少，二次有效分枝数表现更为显著。

综上所述油菜株高、茎粗、叶片数、有效分枝数对水分因素不敏感，主要受氮素影响。

2.1.3 油菜不同生育期的根系特征 由表4可知，各处理下油菜的根长和根表面积的差异不大，根直径和根体积在油菜的生育后期差异开始显著，表现为随着土壤含水量的下降而下降，随着施氮量的减少而下降。通过对油菜成熟期的根系形态指标进行显著性检验发现，根直径和根体积在高水分管理下随着施氮量的增加而增加；但是中等水分和低水分情况下各施氮量对它们几乎没有影响。因此，当土壤含水量达到较高水平时，本实验中达到田间最大持水量的90%，施氮量才对根系形态特征指标产生影响。

2.2 油菜植株与土壤全氮含量变化

由图3看出，油菜不同器官的含氮量依次为根10～20 g·kg-1，茎20 g·kg-1，叶40 g·kg-1，籽粒40～60 g·kg-1，蕾70 g·kg-1。苗期施氮量和土壤水分管理对茎、叶含氮量的影响较大，但是对根的影响不大。蕾薹期低氮处理下根的氮含量有了明显下降，中高氮差异不明显；水分管理差异不显著。花果期和成熟期低水分管理下促进了氮素营养的吸收。随着施氮量减少各器官全氮含量呈现减少趋势。

图3显示不施肥处理(CK)的油菜各部位全氮含量均为最低，而低水分高氮肥处理(W3N1)的均最高。 在同一水分管理下，各器官的全氮含量均随着施氮量的增加而增加，尤其在角果皮部位各处理均达到显著水平。在籽粒上，除了低水分下的不同氮肥达到显著水平外，高水分和中水分下高、中氮的处理差异不显著。 因此，解除了水分胁迫后，当氮肥达到中等水平后，油菜的籽粒对氮素的吸收趋于饱和，不会随着氮肥的增施而增多。但是角果皮的吸收氮素能力还在增加，但最终并没有转移到籽粒上去。

土壤含氮量的变化规律为：苗期不同处理下土壤含氮量差异不大(图4)。蕾薹期时由于追肥土壤含氮量在不同氮肥梯度下呈现由高到低的趋势，但是土壤水分管理对土壤含氮量的影响不大。花果期时土壤含氮量差异又变得不显著。成熟期时不施肥处理(CK)的土壤含氮量最低，其他处理间土壤含氮量差异不显著。总体来看，各个处理下土壤含氮量的差异不显著，那么可以肯定的是大量的氮肥都被吸收到植株体内了。

2.3 油菜氮肥利用情况

由表5可以看出，氮肥表观利用率、氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥生理利用率均与施氮量呈负相关关系，与土壤含水量呈正相关。W1N3和W2N3表现出较高的氮肥利用效率，其中氮肥表观利用率在W2N3处理下最大，氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥生理利用率均在W1N3处理下最大。因此，从氮肥利用效率角度来看，W1N3处理最优，W2N3次之。根据氮肥农学效率、氮肥生理利用率和氮肥表观利用率的计算公式推导，可以得出氮肥表观利用率=氮肥农学效率/氮肥生理利用率×100。在计算氮肥生理利用率的时候，大多学者只考虑了地上部分植株的吸氮量，忽略了根系部分的吸氮，而根系作为植株的一部分，在计算氮肥生理利用率的时候应该考虑进去，不然会造成氮肥生理利用率的高估，进而导致氮肥表观利用率偏低。

因此，本实验条件下施氮水平对土壤全氮含量的影响不大，结合图2分析可以得出：土壤施氮水平主要影响作物的全氮含量，进而可能影响作物的一系列生理生化指标及品质。

表3 油菜叶片数、有效分枝数受水氮因素的影响

表4 油菜不同生育期根系形态特征对水氮因素的影响

图3 油菜不同器官全氮含量受水肥因素的影响Fig.3 The influence of nitrogen content in different part of plant with water and nitrogen

图4 油菜整个生育期内土壤全氮含量的动态变化Fig.4 The variation of total soil nitrogen content during the whole growth period of rapeseed

表5 油菜氮肥利用效率

3 讨 论

3.1 油菜生长性状及产量受水氮因素的影响特性

(1)刘波等[12]研究表明油菜叶片数和叶面积在中、低氮(0～180 kg·hm-2)水平时显著减少，高氮(240～300 kg·hm-2)水平下无明显差异。也就是说油菜的生长发育性状指标在一定氮素范围内与施氮量呈正相关，这在本研究中也得到了验证。本研究中油菜株高、茎粗、叶片数、有效分枝数对水分因素不敏感，主要受氮素影响。其中叶片数量在油菜生长后期时容易因施氮不足导致其数量显著减少，有效分枝数随施氮量的减少而减少，二次有效分枝数表现更为显著。只有在土壤含水量较高时，施氮量才会对根系产生影响，包括根系形态特征和根系干物质量，即油菜根系的影响表现为水分作用>氮素作用。石小虎[13]在水氮供应对番茄根系的影响研究上也得到类似的结论，但刘世全等[14]对小南瓜根系的研究结果则是氮素作用>水分作用。这可能由于作物类型和施肥方式的不同导致。生物量的积累不是随着施氮量的增加而无限制增加，在一定范围内施氮越多地上及地下干物质积累越多，但是超过某一氮肥用量后则表现为下降。赵国苹等[15]在盆栽油菜苗期的研究中也得出一致的结论，并给出了最优组合为水分含量控制在田间持水量的80%、施氮量为0.24 g·kg-1。本研究中W1N2处理下地上及根系干物质量积累均达到最大。

吕丽华等[16]研究表明在供水条件较差时，水分是肥效发挥的限制因素，增施氮肥对增产无效甚至引起产量的降低。本研究结果也表明，在低水分条件下增加氮肥投入造成减产7.93%～60.82%，氮肥用量越多减产越多。当土壤含水量达到较高水平时，施氮量才对根系形态特征指标、根系干物质量产生影响；且对地上部分的生物量的影响也是随着土壤含水量的增加而增强。进一步说明了肥效的发挥需要水分作为条件，当水分达到一定程度时才能实现水肥的高效利用。

(2)宋燕燕等[17]在盆栽条件下得出与不施氮相比，施氮显著提高了油菜植株各器官的氮含量，刘波等[12]研究结果指出渍水处理明显抑制了冬油菜氮素养分的吸收，说明土壤含水量增加不利于植株养分的吸收，这跟本文的研究结果一致，即油菜植株氮含量随着施氮量的增加而增加，随着土壤含水量的增加则呈下降趋势。油菜产量随着土壤含水量的增加呈增加趋势，但是在不同施氮水平下差异不显著。以往的研究结论均证明增施氮肥有利于产量的提高，而本研究结论与其不一致，究其原因可能是在温室盆栽条件下，光照不足等原因导致油菜植株吸收的养分没有最终形成产量，收获指数偏低，平均0.11 kg·kg-1，而田间栽培下重庆地区冬油菜的收获指数通常为0.28 kg·kg-1 [2]。

3.2 不同水氮处理下油菜氮肥利用率

氮肥利用效率随着施氮量的减少而增加，同一施氮水平下随着土壤含水量的增加而增加。这一结论在高娜等[18]的研究中也得到了验证。与以往的研究相比，本研究得出的氮肥利用率(氮肥表观利用率、氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥生理利用率)除了氮肥表观利用率外均在正常范围内(表6)，但是氮肥生理利用率略微偏低，究其原因一方面是因为其他学者在计算氮肥生理利用率时未考虑根系部分造成该指标一定的高估，另一方面是因为本实验条件为盆栽，与大田相比植株生长受到一定程度的限制，产量与收获指数明显偏低。根据文献资料显示，西南地区油菜施氮量在180 kg·hm-2时，平均可以达到2 001～2 087 kg·hm-2的产量水平[2-3]，本研究条件下产量普遍低于平均水平。卢杨[19]在盆栽试验下得出的氮肥生理利用率也同样偏低(表6)。氮肥表观利用率是指投入单位氮被作物吸收的情况，主要反映作物对肥料中氮的吸收能力，却不能反映作物吸收的氮与作物经济产量之间的关系。本研究中氮肥表观利用率远远高于其他学者的研究结果，说明在本研究中油菜对肥料氮的吸收能力很强。

4 结 论

1)油菜生长性状受水肥因素的影响表现为：油菜株高、茎粗、叶片数、有效分枝数对水分因素不敏感，主要受氮素影响。本实验中，当土壤含水量达到田间最大持水量的90%，施氮量才对根系形态特征指标、根系干物质量产生影响；且对地上部分的生物量的影响也是随着土壤含水量的增加而增强。综合考虑本研究中最优水氮组合为W1N3，即灌水水平控制在田间持水量的90%、施氮量为0.12 g·kg-1。

2)油菜土壤-作物吸氮量及产量受水氮因素的影响表现为：在盆栽试验条件下水氮因素对土壤的全氮含量影响不显著，主要影响作物的全氮含量。作物氮含量与施氮量呈正相关关系，而与土壤含水量呈负相关；油菜产量在不同施氮水平下差异不显著，随着土壤含水量的增加呈增加趋势。

3)油菜氮肥利用效率受水氮因素的影响表现为：氮肥表观利用率、氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥生理利用率均与施氮量呈负相关，与土壤含水量呈正相关。

表6 不同试验条件下油菜氮肥利用率比较