不同輪作和氮肥分配季節(jié)下土壤氮素供應(yīng)和油菜氮素吸收差異

卜容燕，任 濤，廖世鵬，李小坤，叢日環(huán)，張洋洋，魯劍巍

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)微量元素研究中心，湖北武漢 430070）

水旱輪作 (水稻與油菜輪作) 和旱地輪作 (棉花、玉米、大豆與油菜輪作) 是我國常見的油菜輪作模式。高強度種植方式下，土壤養(yǎng)分消耗較大，恢復(fù)期較短，合理施肥已成為提高油菜產(chǎn)量和維持地力的重要措施[1]。長江流域油菜主產(chǎn)區(qū)進行的大量田間試驗結(jié)果表明合理施肥可以顯著提高油菜產(chǎn)量，其中氮、磷、鉀肥的貢獻率分別為72.2%、27.2%和13.1%，氮肥的貢獻率最大[2]。合理施用氮肥能顯著增加油菜株高、分枝數(shù)、角果數(shù)和生物學(xué)產(chǎn)量；施用不足或者過量均會制約油菜產(chǎn)量，降低氮肥收益[3]。

明確土壤氮素供應(yīng)和作物對氮素的需求是合理施氮的關(guān)鍵。土壤中92%～98%的氮以有機態(tài)存在，需通過礦化作用轉(zhuǎn)化為無機態(tài)氮后才能被作物吸收利用[4]。土壤有機氮礦化是在微生物參與下進行的，有機物質(zhì)量 (有機酸含量、蛋白質(zhì)構(gòu)成等)[5]、土壤性質(zhì) (土壤pH、通氣性等)[6]、微生物活性 (微生物的種類和群落構(gòu)成)、外界環(huán)境 (溫度和水分含量)[7]以及土地管理措施 (輪作方式、翻耕等)[8]等都是影響土壤氮素供應(yīng)的重要因素。輪作方式對土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響是多方面的。不同于旱地輪作，水旱輪作存在明顯的季節(jié)間干濕交替，從而形成特有的土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)[9]。水旱輪作土壤保水性能優(yōu)于旱地輪作，不僅有利于土壤有機質(zhì)的積累，也改變了土壤活性有機質(zhì)的含量和組成，從而影響土壤氮素供應(yīng)[10-12]。Rathke等[13]研究還表明，前茬作物殘留在土壤的有機質(zhì)含量和有效性是影響當(dāng)季土壤氮素供應(yīng)和作物養(yǎng)分吸收的重要因素。輪作方式不同，土壤水分管理以及前季作物殘留明顯不同，研究兩種輪作方式下油菜季土壤的氮素供應(yīng)特點和油菜的養(yǎng)分吸收規(guī)律對指導(dǎo)油菜的氮肥施用具有極其重要的意義。因此我們采用原位礦化培養(yǎng)法對水旱輪作和旱地輪作兩種輪作方式下油菜生長季土壤氮素礦化量和作物氮素吸收量進行動態(tài)監(jiān)測，研究不同輪作方式對土壤氮素礦化和油菜氮素吸收的影響，以期為油菜氮肥科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

田間試驗于2012年6月—2014年5月在湖北省武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)田間試驗基地 (30°28′40.7″N ，114°28′35.4″E) 進行，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，雨熱同期，年均氣溫15～17℃，年均降雨量1400～1570 mm。試驗田土壤類型為黃棕壤，土壤的機械組成為12%砂粒 (2～0.02 mm)、58%粉粒(0.02～0.002 mm) 和 30% 粘粒 (＜ 0.002 mm)。0—20 cm土層土壤基本理化性質(zhì)為pH 7.40、有機碳6.72 g/kg、全氮0.72 g/kg、銨態(tài)氮4.60 mg/kg、硝態(tài)氮1.79 mg/kg、速效磷7.16 mg/kg、速效鉀181 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

本研究為同一田塊內(nèi)的對比田間試驗。在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地選取一塊地力均勻的旱地作為試驗田，該田長和寬均為40 m。在布置試驗之前，先用翻耕機將整塊田翻耕一遍 (翻耕深度為30 cm)，然后再用小型的旋耕機旋耕一遍，以保證該試驗田地力均勻，土壤理化性質(zhì)一致。旋耕完以后在試驗田的中間做一個100 cm寬，高于地面30 cm的水泥田埂將田塊分為兩塊小區(qū)，其中一塊小區(qū)用作水稻-油菜輪作 (rice-rapeseed，簡稱RR) 種植，另一塊小區(qū)用作棉花-油菜輪作 (cotton-rapeseed，簡稱CR) 種植。

本試驗采用裂區(qū)試驗設(shè)計，主處理為兩種輪作方式，即水旱輪作 (水稻-油菜輪作) 和旱地輪作 (棉花-油菜輪作)；副處理為氮肥 (N 150 kg/hm2) 施用季節(jié)。每種輪作方式下設(shè)3個氮肥施用季節(jié)處理，分別為：1) 兩季均不施氮肥(N0-0)；2) 水稻/棉花季施氮，油菜當(dāng)季不施氮(N150-0)；3) 油菜前季不施氮，油菜當(dāng)季施氮(N0-150)。另外本試驗中水稻、棉花和油菜各處理磷、鉀肥用量保持一致，分別為75和120 kg/hm2，同時為了保證棉花和油菜的正常生長，各小區(qū)增施15 kg/hm2硼砂。每個處理設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)面積20 m2，隨機區(qū)組排列。水稻季氮肥分基肥、分蘗肥和穗肥3次施用，施用比例分別為50%、35%和15%；棉花季氮肥分為基肥、苗肥、花鈴肥和補桃肥4次施用，施用比例分別為45%、10%、30%和15%；油菜季氮肥分為基肥、越冬肥和薹肥3次施用，施用比例分別為60%、20%和20%。各個小區(qū)水稻、棉花和油菜磷肥和硼肥全部基施，水稻季鉀肥70%做基肥，30%做分蘗肥；棉花季鉀肥60%做基肥，40%做花鈴肥；油菜季鉀肥60%做基肥，20%做越冬肥，20%做薹肥。

水稻采用育苗移栽，移栽密度為20萬兜/hm2；棉花采用營養(yǎng)缽育苗移栽，移栽密度為5萬株/hm2；油菜采用苗床育苗，移栽密度為10萬株/hm2。本試驗所采用的作物品種及作物的移栽和收獲時間如表1所示。田間管理按照常規(guī)的栽培技術(shù)要求進行，病蟲害及雜草的防治同湖北省農(nóng)田管理措施一致。按照農(nóng)民習(xí)慣水稻收獲后留根茬5—10 cm，在油菜移栽前，利用旋耕機將根茬翻埋到土壤中；棉花收獲后除了落葉掉落在土壤表面，其余部分全部移出試驗田。

1.3 樣品采集與測定

土壤基本理化性質(zhì)在水稻和棉花移栽前，以整個試驗田塊為采樣單元，采用“S”形取樣方法在試驗田塊內(nèi)采集15點0—20 cm土壤。作為基礎(chǔ)土壤樣品，風(fēng)干過篩，供土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)分析用。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定；全氮采用濃H2SO4消化—流動注射分析儀測定；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用1 mol/LNH4OAc浸提—火焰光度法測定；pH按照水土比2.5∶1，pH計測定[14]。

油菜季土壤無機氮動態(tài)監(jiān)測：在油菜移栽前1天、冬前期、越冬期、薹期、花期、角果期和成熟期采用“S”形取樣的方法在試驗田塊內(nèi)采集6點0—20 cm土壤，過5 mm篩混合均勻測定無機氮含量。

油菜季土壤原位礦化量動態(tài)監(jiān)測：參考田昆等[15]原位礦化培養(yǎng)方法，采用原位礦化培養(yǎng)裝置以油菜不同生育期 (移栽—冬前期，冬前期—越冬期，越冬期—薹期，薹期—花期，花期—角果期，角果期—成熟期) 為時段，在每個小區(qū)設(shè)3個定位點 (距離油菜根系8—10 cm處) 定位監(jiān)測油菜在不同生育期內(nèi)土壤氮素凈礦化量。每個培養(yǎng)時段起始時在3個定位點各埋入兩組培養(yǎng)裝置，一組培養(yǎng)裝置立刻取出測定裝置里面土壤無機氮含量，另一組培養(yǎng)裝置密封培養(yǎng)，在培養(yǎng)時段結(jié)束時取出測定培養(yǎng)裝置里土壤的無機氮含量。由于本試驗是采用密封培養(yǎng)，而且油菜生長期間內(nèi)較大降雨并不多，田間只有油菜移栽當(dāng)天和移栽后第三天用自來水進行定根灌溉，對灌溉的影響因素已通過試驗設(shè)計人為排除，故油菜季每一計算時段內(nèi)耕層土壤的氮淋失量可以忽略不計。因此以培養(yǎng)后土壤無機氮含量與培養(yǎng)前土壤無機氮含量差值表示為該培養(yǎng)時間段土壤氮的凈礦化量。

表 1 2012—2014年不同輪作方式下作物的品種和試驗生育期Table 1 Crop cultivars and growing period in the two rotation systems during 2012-2014

油菜樣品采集與分析：分別在油菜的苗期、越冬期、薹期、花期、角果期和成熟期在每個小區(qū)隨機選擇6株油菜地上部樣品，分器官于105℃殺青30 min，然后所有樣品經(jīng)過60℃烘干磨細過篩用于氮素含量測定。采用濃H2SO4-H2O2消化后用連續(xù)流動注射分析儀 (德國SEAL，AA3) 測定氮含量。

試驗進程和取樣時間見圖1。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel數(shù)據(jù)表和SPSS17.0軟件進行分析整理；用最小顯著性法 (LSD) 檢驗數(shù)據(jù)差異的顯著性水平 (P＜ 0.05)。所有圖形均用Origin2017軟件進行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 油菜生長季土壤無機氮的動態(tài)變化

油菜生長季土壤無機氮含量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化 (圖2)。油菜當(dāng)季不施肥，土壤無機氮含量在苗期緩慢增加，在薹期快速增加，并在花期達到最大。輪作方式不同，土壤無機氮含量變化趨勢有所不同，在花期以前棉油輪作高于稻油輪作，但是之后趨勢相反。不同年份間土壤無機氮含量變化趨勢有所不同，在2012—2013年度試驗中棉油輪作下苗期土壤無機氮含量增加了2.0 kg/hm2，但在2013—2014年度試驗中下降了1.7 kg/hm2。施用基肥和越冬肥后油菜季土壤無機氮含量在短時間內(nèi)顯著增加，之后迅速降低；但是追施薹肥后土壤無機氮含量變化不顯著。與不施氮肥處理變化趨勢相同，在薹期以前，棉油輪作條件下油菜季土壤無機氮含量高于稻油輪作。從薹期到花期，稻油輪作土壤無機氮含量平均增加了2.0 kg/hm2，而棉油輪作土壤無機氮含量則沒有明顯的變化。雖然在花期以后兩種輪作模式下土壤無機氮含量都表現(xiàn)為下降的趨勢，但是稻油輪作下土壤無機氮含量下降速率小于棉油輪作，稻油輪作下土壤無機氮含量高于棉油輪作。

2.2 油菜生長季土壤氮素凈礦化量

圖 1 2012—2014年稻油和棉油輪作油菜季試驗進程及取樣安排示意圖Fig. 1 Schematic diagram of experiment progress in the rice-rapeseed and cotton-rapeseed rotation during 2012-2014

圖 2 2012—2014年油菜季不同氮肥處理0—20 cm土壤無機氮含量的動態(tài)變化Fig. 2 Dynamics of soil inorganic N under the rapeseed growing period in the rice-rapeseed (RR) and cottonrapeseed (CR)rotation during 2012-2014

圖 3 2012—2014年稻油輪作 (RR) 和棉油輪作 (CR) 方式下油菜生長季土壤氮素累積礦化量Fig. 3 The accumulation of soil N mineralization under the rapeseed season in rice-rapeseed (RR)and cotton-rapeseed (CR) rotation during 2012-2014

輪作方式、前季氮肥用量和油菜季氮肥投入均顯著影響土壤氮素凈礦化量 (圖3)。在油菜當(dāng)季不施氮情況下，棉油輪作比稻油輪作平均高10.5%。棉油輪作下油菜苗期—薹期土壤氮素凈礦化量為21.5 kg/hm2，占到總礦化量的64.5% (表2)；稻油輪作下油菜生長前期 (苗期—薹期) 土壤氮素凈礦化量為15.8 kg/hm2，占到總礦化量的52.3%。油菜前季施氮150 kg/hm2，稻油和棉油輪作土壤氮素凈礦化累積量平均增加4.8 和5.5 kg/hm2。當(dāng)季氮肥投入是影響土壤氮素礦化的主要因素，油菜季施氮150 kg/hm2后稻油和棉油輪作土壤氮素凈礦化累積量平均增加101.2和110.0 kg/hm2。從分配比例上看，兩種輪作方式土壤氮素凈礦化量均在苗期最高，占到土壤氮素累積礦化量的50%以上；其次在花期，占到土壤氮素累積礦化量的13%～23%。與不施氮處理變化趨勢一致，油菜當(dāng)季施氮，棉油輪作條件下油菜季土壤氮素凈礦化量在油菜生長前期高于稻油輪作；在油菜生長后期低于稻油輪作。

2.3 油菜氮素積累量

油菜氮素積累動態(tài)呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，在角果期達到最大 (圖4)。前季作物、前季氮肥用量和油菜季氮肥投入均影響油菜氮素積累量。不施氮處理稻油輪作下油菜氮素累積量平均為24.6 kg/hm2，棉油輪作為25.7 kg/hm2。油菜氮素吸收量在角果期時比例最大，其次是花期和薹期。在油菜當(dāng)季不施氮情況下，水稻季和棉花季氮肥投入分別增加油菜氮素吸收量3.0和3.6 kg/hm2。其中水稻季氮肥投入主要增加薹期和花期的氮素吸收量，而棉花季氮肥投入主要增加苗期的氮素吸收量。相對于不施氮肥處理，油菜季施氮150 kg/hm2，稻油輪作和棉油輪作條件下油菜氮素吸收量平均增加了76.8和96.2 kg/hm2，油菜當(dāng)季氮肥投入是增加油菜氮素吸收量的主要影響因素。油菜當(dāng)季施氮150 kg/hm2后，油菜的各個生育期內(nèi)氮素吸收量都顯著增加，其中在苗期和薹期的氮素吸收量增加的比例最高。兩種輪作方式下油菜氮素吸收量具有明顯階段性特征，主要表現(xiàn)在棉油輪作下油菜在生長前期 (苗期—薹期) 積累的氮素占到生育期氮素吸收總量的55.2%，顯著高于稻油輪作下油菜在該生育期內(nèi)的氮素吸收比例 (46.9%)；但是在油菜生長后期 (花期—角果期)稻油輪作下油菜氮素吸收量占生育期氮素吸收總量比例要顯著高于棉油輪作 (表3)。油菜進入成熟期以后，氮素積累量下降，棉油輪作氮素積累下降大于稻油輪作。

圖 4 2012—2014年稻油輪作和棉油輪作方式下不同氮肥處理油菜氮素吸收量動態(tài)Fig. 4 Dynamics of rapeseed N uptake under different N treatments in rice-rapeseed(RR) and cotton-rapeseed(CR)rotation during 2012-2014

3 討論

稻油輪作和棉油輪作是我國長江流域油菜的主要種植方式。本研究表明，輪作方式對油菜季土壤氮素凈礦化產(chǎn)生明顯影響，棉油輪作油菜季土壤氮素凈礦化量明顯高于稻油輪作，李忠佩等[16]研究也證實了本研究結(jié)果。除了總的礦化量不同，本研究還表明兩種輪作模式下油菜季土壤氮素凈礦化階段特征明顯，在油菜生長前期 (苗期—薹期) 棉油輪作土壤氮素凈礦化量明顯高于稻油輪作，在油菜生長后期 (花期—成熟期) 稻油輪作土壤氮素礦化量高于棉油輪作。輪作方式不同，油菜季的殘留存在明顯差異。殘茬數(shù)量和質(zhì)量的不同會對土壤有機質(zhì)積累與礦化產(chǎn)生深遠影響[17]。研究表明，C/N比低的有機物質(zhì)礦化率高，礦化速率快，在土壤中釋放速率較快；C/N比高的礦化慢，釋放也慢[18-20]。Singh等[21]對不同C/N比有機物料進行田間腐解試驗表明，綠肥 (C/N比低)在培養(yǎng)前期釋放速率是水稻根茬 (C/N比高) 的5倍多。黃偉生等[22]研究結(jié)果表明進入土壤中作物殘茬的數(shù)量表現(xiàn)為水田 ＞ 水旱輪作 ＞ 旱地。在本試驗條件下水稻根茬還田干物質(zhì)量為1747～2515 kg/hm2(含氮量為6.2～14.5 kg/hm2)，C/N比為106.6；棉花葉片為 450～1644 kg/hm2(含氮量為 2.8～27.6 kg/hm2)，C/N為24.7。這些大量的作物殘茬投入會促進土壤活性有機質(zhì)組分的累積，從而影響了土壤氮素供應(yīng)。水稻根茬碳氮比含量高，含有大量的木質(zhì)素和纖維素等不易分解的成分，而棉花落葉碳氮比低，主要由碳水化合物和多糖類等易分解的物質(zhì)組成，在一定的時間內(nèi)棉花葉片增加了土壤氮素供應(yīng)能力，而水稻根茬可能會固定一部分無機氮，降低土壤氮素供應(yīng)能力。這可能是影響土壤氮素礦化量的主要原因，棉花葉片分解快提供了油菜前期的養(yǎng)分供應(yīng)，水稻根茬養(yǎng)分釋放慢增加了油菜后期的養(yǎng)分供應(yīng)。在本試驗條件下，油菜當(dāng)季投入氮肥以后，增加了水稻前季作物對油菜氮素吸收的貢獻，說明油菜當(dāng)季氮肥投入，降低了水稻根茬C/N比，有利于水稻根茬養(yǎng)分釋放供油菜吸收利用，這也很好驗證了這部分推測。此外，不同于旱地輪作，水旱輪作季節(jié)間的干濕交替，形成了特有的農(nóng)田土壤理化性質(zhì)，從而影響了土壤養(yǎng)分供應(yīng)[23-24]。有研究表明與旱地輪作相比，水旱輪作轉(zhuǎn)化初期土壤水分“落干”的過程促進了土壤氮素的生物固持[25]。另外水田轉(zhuǎn)化為旱地時，水田表層的泥漿結(jié)構(gòu)土壤易板結(jié)，土壤通氣性差，不利于土壤氮素礦化和油菜苗期的根系生長[26]。但是不可忽視的是，輪作方式不同引起的土壤理化性質(zhì)的改變對土壤氮素供應(yīng)的影響是多方面的，因此在后續(xù)的研究中還需要進行一步探索研究。植物氮素吸收與土壤氮素供應(yīng)是相對應(yīng)的。

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輪作方式不同，油菜生長季土壤氮素供應(yīng)和油菜養(yǎng)分吸收有差異。2012—2013年度試驗中，不論油菜當(dāng)季是否施氮，油菜氮吸收量均表現(xiàn)為在油菜生長前期 (苗期—薹期) 棉油輪作下土壤氮素供應(yīng)能力大于稻油輪作，油菜氮素吸收量高于稻油輪作；在油菜生長后期 (花期—角果期) 稻油輪作條件下土壤氮素供應(yīng)能力和油菜氮素吸收量均高于棉油輪作。在油菜整個生育期內(nèi)水旱輪作下油菜氮素吸收明顯低于旱地輪作。Meelu等[27]研究也發(fā)現(xiàn)水旱輪作條件下小麥生長季土壤氮素固定能力大于旱地輪作，產(chǎn)量低于旱地輪作。但是在本試驗條件下2013—2014年度試驗中表現(xiàn)有所不同，雖然棉油輪作油菜在冬前期生長速率較快，但是在油菜越冬期由于降雨量較少，土壤含水量不足，土壤氮素礦化能力下降，導(dǎo)致不施氮處理油菜生長發(fā)育受阻，葉片大量脫落，影響了油菜的前期物質(zhì)積累。盡管在越冬期以后較好的天氣情況促進油菜的生長，但是由于前期物質(zhì)積累不充分，在后期與稻油輪作下油菜的生長速率差異不大，因此兩種輪作方式下油菜氮素總積累量差異不顯著。油菜作為我國重要的油料作物，雖然目前關(guān)于油菜氮肥管理方面的研究比較多，但是多集中在對當(dāng)季作物的研究上，往往忽視了輪作土壤養(yǎng)分的供應(yīng)特點。由以上分析可知，科學(xué)的氮肥管理需要充分考慮輪作方式對土壤氮素供應(yīng)的影響，稻油輪作條件下油菜生長前期土壤氮素供應(yīng)能力較差，可以在油菜生長前期增加氮肥投入，促進水旱輪作條件下油菜的生長；而在油菜花期棉油輪作條件下土壤氮素供應(yīng)能力下降，低于稻油輪作，此時可以增加氮肥供應(yīng)，從而促進油菜的養(yǎng)分積累。

4 結(jié)論

稻油和棉油輪作方式下油菜季土壤氮素供應(yīng)和油菜氮素吸收存在明顯差異。當(dāng)季氮肥投入是影響油菜季土壤氮素供應(yīng)的主要因素，相對于不施氮處理，水稻和棉花季氮肥投入分別增加土壤氮素累積礦化量4.8和5.5 kg/hm2；而油菜季施氮150 kg/hm2時，水旱輪作下氮素凈累積礦化量顯著增加101.2 kg/hm2，旱地輪作條件下顯著增加110.0 kg/hm2。當(dāng)季氮肥投入是影響油菜季作物氮素吸收的主要因素，相對于不施肥處理，前季氮肥投入增加油菜季氮素吸收量2.9～4.1 kg/hm2，而當(dāng)季氮肥投入在稻油和棉油輪作中分別增加了氮素吸收量76.8和96.2 kg/hm2。兩種輪作方式下油菜前季作物殘留物不同影響了油菜季土壤氮素供應(yīng)，棉花葉片殘留增加油菜生長前期 (苗期—薹期) 土壤氮素供應(yīng)；水稻根茬增加了油菜生長后期 (花期—成熟期) 土壤氮素供應(yīng)。因此在稻油輪作條件下，油菜生長前期土壤氮素供應(yīng)較低；而棉油輪作條件下，油菜生長后期土壤氮素供應(yīng)較低。對于上述土壤供氮和油菜氮素吸收特點，可以根據(jù)輪作方式不同對油菜氮肥進行優(yōu)化管理。稻油輪作條件下油菜生長前期可適量增加氮肥供應(yīng)，后期降低氮肥供應(yīng)；棉油輪作下油菜生長前期適量降低氮肥供應(yīng)，后期增加氮肥供應(yīng)。