氮鉀配施對油菜產量及氮素利用的影響

李 靜 閆金垚 胡文詩 李小坤 叢日環 任 濤 魯劍巍

華中農業大學資源與環境學院 / 農業農村部長江中下游耕地保育重點實驗室, 湖北武漢 430070

自20世紀50年代以來, 農業生產中化學氮肥的施用量急劇增加[1], 在許多農業集約化產區, 為了提高作物產量, 往往施用大量氮肥, 導致氮肥利用率明顯下降。過量的氮素進入環境中造成水體富營養化、土壤酸化、溫室氣體排放加劇、氮沉降量增加等一系列嚴重的環境問題[2-4]。與氮肥施用相比, 鉀肥的施用在農業生產中一直被忽視,我國鉀肥用量遠低于氮肥用量[5]。鉀肥投入不足導致農業生態系統中的鉀素失衡和產量停滯, 將隨著時間的推移更加明顯[6], 在中國不同的種植系統和農業生態區內, 鉀素虧缺廣泛存在, 導致了土壤中鉀的不斷枯竭[7]。Khan等[8]在小麥上的研究表明, 隨著施氮、鉀量的增加, 小麥的生物量和產量均顯著提高, 小麥對鉀施用量的響應隨著施氮量的增加而增加, Jackson等[9]在玉米上最新研究結果表明, 缺鉀既限制了玉米產量, 也限制了玉米對氮肥的響應能力, 而氮鉀肥施用顯著增加了玉米籽粒產量, 且鉀供應充足時玉米對氮肥的響應更高。由此可見, 合理的氮鉀肥配比有利于作物的生長, 增加作物產量, 提高肥料利用率。

油菜是世界第二大油料作物, 在氣候溫和地區廣泛種植[10]。油菜為我們提供了優質的植物油, 菜籽油占我國國產油料作物產油量的57.2%[11], 因此, 油菜高產和穩產對于保證我國食用油供給具有重要的意義。作為油菜高產和穩產的重要措施, 我國冬油菜合理施用氮肥和鉀肥的平均增產率分別為42.5%和16.1%[12]。但據調查, 在我國油菜主產區的長江流域, 冬油菜生產中氮肥平均用量為175 kg N hm-2, 而鉀肥施用量僅為42 kg K2O hm-2, 甚至有22.8%農戶在實際生產中并不施用鉀肥[13]。農民往往重視氮肥, 而忽視鉀肥的施用, 氮鉀肥不協調施用已經成為限制油菜產量及肥料利用率的重要因子。重氮輕鉀是我國農業生產中的突出問題, 為了達到 2020年化肥零增長,走資源節約、環境友好型現代農業發展之路的目標, 實現油菜生產減肥增效、綠色增產增效, 本研究在冬油菜主產區開展了連續2年的氮鉀配施田間試驗, 旨在探明氮鉀配施對油菜產量及氮素利用的影響, 為冬油菜生產中氮鉀肥合理配施實現油菜的高產、高效提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

湖北省武穴市梅川鎮(30°06'N, 115°36'E), 供試土壤為花崗片麻巖母質發育的水稻土, 0～20 cm耕層土壤 pH 5.76, 含有機質32.1 g kg-1、全氮1.75 g kg-1、速效鉀54.5 mg kg-1、速效磷3.4 mg kg-1、有效硼0.48 mg kg-1。試驗點前茬作物為水稻。

1.2 試驗設計

采用氮鉀兩因素完全試驗設計, 氮、鉀各設置0、90、180、270 kg N hm-2和 0、60、120、180 kg K2O hm-24 個水平, 記做 N0、N90、N180、N270及 K0、K60、K120、K180。共16個處理, 每個處理3次重復, 完全隨機區組排列, 小區面積為20 m2。

各處理磷硼肥用量相同, 分別為90 kg P2O5hm-2、硼沙15 kg hm-2。供試肥料分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含 P2O512%)、氯化鉀(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。

2016年9月至2018年5月2年試驗供試油菜品種均為華油雜9號, 采用育苗移栽的方式。在每年的9月中下旬播種育苗, 選取4～5片葉(苗齡約45 d)大小均一的油菜幼苗移栽到試驗田, 移栽的密度為11.25×104plants hm-2。所有試驗小區布置完成后在整個試驗外圍設保護區, 保護區內亦種植移栽油菜, 在試驗過程中, 所有的田間管理,包括除草劑施用和病蟲害的防治等, 均采用當地的栽培管理方法。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品的采集與分析 土壤基礎樣品在前茬水稻收獲后油菜基肥施用前采集。以整個試驗田塊為采樣單元, 在試驗田塊內以“S”形均勻布點15個, 取0～20 cm耕作層土壤, 實驗室風干磨細過20目和100目篩, 供理化分析用。按常規方法測定土壤基本理化性質[14]。按水土比2.5∶1.0, 后用pH計測定土壤pH； 采用重鉻酸鉀容量法測定有機質； 采用半微量開氏法測定全氮； 采用 1 mol L-1NH4OAc浸提火焰光度計測定速效鉀； 采用 0.5 mol L-1NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定速效磷； 采用熱水回流姜黃素比色法測定有效硼。

1.3.2 成熟期樣品采集與測定 收獲前 2～3 d調查移栽冬油菜所有試驗處理的產量構成因素, 包括單位面積角果數(通過單株角果數和移栽密度換算)和每角粒數(角果中油菜籽的個數, 每株隨機選取30個角果, 計平均值),及收獲后的千粒重(采用千粒板隨機測定2000粒風干后油菜籽的質量)。每個試驗處理 3次重復, 選取每個小區10株有代表性的植株進行調查, 各項指標取平均值作為調查結果。

油菜成熟后從各小區隨機取樣6株, 齊地收割地上部,放入網袋內懸掛風干脫粒后分別測定籽粒、莖稈和角殼干重, 各部位樣品經烘干、磨細、過篩后供養分含量測定分析用。籽粒產量以各小區實收風干重計量。濃H2SO4-H2O2聯合消煮后, 用流動注射分析儀(AA3, SEAL, Germany)測定全氮含量, 火焰光度計測定全鉀含量。

1.4 參數計算與統計分析

植株各部位氮、鉀積累量為植株地上部不同部位干物質量與相應部位氮、鉀養分含量之積； 參考彭少兵等方法[15-16]用氮肥回收利用率表征氮肥利用率：

氮肥回收利用率(nitrogen fertilizer recovery efficiency,REN, %), 反映作物對施入土壤中肥料氮素的回收效率,即REN= (U-U0) × 100/F, 其中U為施氮區作物收獲時地上部氮總積累量, U0為不施氮區作物收獲時地上部氮總積累量, F為施氮量。

本研究對不同施鉀量下油菜產量對氮肥響應的 2個施肥模型(線性加平臺和二次多項式模型)[17-18]進行比較,選取最小殘差平方和[19]的模型擬合肥料用量和作物產量間的關系。采用Microsoft Excel 2013軟件計算處理試驗數據, 利用SPSS 18.0軟件進行統計分析, 采用Origin Pro 8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同氮鉀肥用量對冬油菜產量及產量構成的影響

2年油菜產量存在明顯差異(F=15.9**), 但籽粒產量對氮肥和鉀肥施用的響應趨勢相似, 鉀肥用量在 0～120 kg K2O hm-2范圍內, 油菜產量隨鉀肥用量的增加顯著增加, 繼續增施鉀肥增產效果不顯著； 隨著鉀肥用量的增加,氮肥肥效明顯增加, 在鉀供應不足時(K0和 K60), 冬油菜施用氮肥的平均增產率為 113.7%； 而在鉀供應充足的條件下(K120和K180), 施用氮肥的平均增產率高達172.9%。施氮不施鉀時油菜產量嚴重下降, 特別在 N270K0時產量降幅最多達1345 kg hm-2； 施氮處理具有較高F值, 表明氮肥施用對油菜產量的貢獻大于鉀肥, 氮鉀配施對油菜產量形成具有顯著交互作用(表1)。

表1 不同氮肥和鉀肥用量對2016-2017和2017-2018年油菜產量的影響Table 1 Effects of different nitrogen and potassium fertilizer application rates on rapeseed yield in 2016-2017 and 2017-2018 growing season

氮鉀配施對油菜產量構成因子的影響 2年表現出相似的變化趨勢, 氮鉀配施主要增加了移栽油菜單位面積角果數, 從而增加油菜產量, 氮肥施用對油菜單位面積角果數形成的影響大于鉀肥, 鉀肥施用對每角粒數增加的貢獻大于氮肥, 氮肥施用對千粒重的影響大于鉀肥, 同一施氮量下不同鉀處理間籽粒千粒重無顯著差異(表2)。

表2 不同氮肥和鉀肥用量對2016-2017和2017-2018年油菜籽產量構成因素的影響Table 2 Effects of different nitrogen and potassium fertilizer application rates on yield components of rapeseed in 2016-2017 and 2017-2018 growing season

2.2 氮鉀配施對油菜地上部氮鉀積累量的影響

氮鉀配施顯著增加了油菜地上部氮鉀積累量(圖 1)。同一施氮量下, 施鉀顯著增加油菜地上部氮積累量, 且鉀肥用量在0～120 kg K2O hm-2范圍內, 油菜地上部氮積累量隨鉀肥用量的增加顯著增加, 繼續增施鉀肥, 地上部氮積累量增加不顯著； 不同施氮量下, 施鉀對油菜地上部氮積累量的增幅作用不同, 不施氮(N0)或低氮(N90)下, 施鉀地上部氮積累量平均增加 18.4%和 26.4%, 供氮充足時(N120和 N180), 施鉀地上部氮積累量平均增幅高達 41.9%和 60.9%； 成熟期油菜地上部氮主要累積在籽粒中, 且同一施氮量下, 隨施鉀量的增加籽粒氮積累量占地上部氮積累量的比例逐漸增加。與氮積累不同, 油菜地上部鉀主要積累在莖稈和角殼中, 施鉀顯著增加了油菜地上部鉀積累量, 低鉀條件下施氮對地上部鉀積累量的增幅作用明顯小于供鉀充足時的增幅作用, 氮、鉀及氮鉀交互對成熟期油菜地上部鉀吸收產生極顯著影響。

2.3 氮鉀肥施用對氮肥利用的影響

鉀肥施用顯著提高了氮肥回收利用率(圖2), 與K0處理相比, K120處理冬油菜氮肥回收利用率平均提高了16.6%, 繼續增施鉀肥對不同施氮量下冬油菜氮肥回收利用率的進一步提高無明顯作用； 不同施氮量下, 施鉀對氮素回收利用率的提升作用不同, 整體表現為 N270＞N180＞N90, 氮肥和鉀肥施用對冬油菜氮素回收利用率產生顯著影響。

2.4 不同氮鉀肥用量下油菜籽產量效應及適宜氮鉀肥用量

采用線性加平臺模型對不同氮鉀肥用量下油菜籽粒產量和相應氮肥用量進行擬合, 由圖3可知, 在氮鉀肥投入不均衡時, 油菜產量潛力受到極大的限制, 而隨著鉀肥用量的增加, 達到平臺產量前, 單位氮肥增產率逐漸增加, 單位氮肥增產率增幅逐漸減小, 說明在油菜生產中鉀供應充足時,氮肥可更好發揮其增產效應, 而偏施氮肥或鉀肥要達到一定目標產量所需的代價逐漸增大； 同時, 隨著鉀供應量的增加, 不同施氮量下油菜產量增幅逐漸減小, 在不同鉀肥用量下, 當氮肥用量大于208 kg N hm-2時, 油菜產量不再增加,結果表明, 在油菜生長中存在較強的氮、鉀相互作用, 但過量施用氮鉀肥油菜產量不會進一步增長； 目前長江流域冬油菜主產區氮磷鉀肥配合施用后, 油菜籽平均產量為 2562 kg hm-2, 以油菜籽粒產量2500 kg hm-2為目標產量時, 鉀供應充足較低鉀(K60)投入平均降低 33.9%的氮肥用量； 當以3000 kg hm-2為區域高產量水平時, 鉀肥用量為120 kg K2O hm-2, 氮肥用量為179 kg N hm-2, 當鉀肥用量提高到180 kg K2O hm-2時, 達到相同目標產量氮肥用量降低10.1%。

圖1 氮鉀肥配施對2016-2017和2017-2018年收獲期地上部氮鉀積累量的影響Fig. 1 Effect of combined application of N and K fertilizer on shoot N and K accumulation at harvest during 2016-2017 and 2017-2018 growing season

圖2 氮鉀肥配施對2016-2017和2017-2018年冬油菜氮素利用效率的影響Fig. 2 Effect of combined application of N and K fertilizer application rates on N use efficiency of winter oilseed rape during 2016-2017 and 2017-2018 growing season

圖 3 不同施鉀量下油菜產量對氮肥的響應及與目標產量對應的最佳施氮量Fig. 3 Rapeseed yield responses to N fertilizer application under different K fertilizer application rates and the optimal N and K fertilizer application rate for corresponding target seed yield

3 討論

3.1 氮鉀配施對冬油菜產量的影響

當作物供鉀充足時, 可充分發揮氮肥的增產作用, 而鉀素供應不足則嚴重限制氮肥肥效。本研究中, 氮鉀配施顯著增加了冬油菜產量, 隨著鉀肥用量的增加, 氮肥肥效明顯增加。鉀供應不足時(K0和 K60), 冬油菜施用氮肥的平均增產率為 113.7%； 而在鉀供應充足的條件下(K120和K180), 施用氮肥的平均增產率高達 172.9%, 而施氮不施鉀時, 油菜產量嚴重下降, 特別在N270K0時產量降幅最多達1345 kg hm-2, 這與小麥上高氮低鉀供應時產量反而下降的結果一致[20]。Johnston等[21]研究了不同速效鉀含量土壤上春大麥對施氮量的響應, 發現當土壤鉀素供應充足時, 適當增施氮肥可進一步提高作物的產量。Brennan等[22]在油菜上的研究結果也表明, 要達到高產隨著氮肥用量的增加, 油菜對鉀肥的需求量逐漸增加, 在2年不同梯度氮鉀配施試驗中, 高鉀時氮肥增產率顯著高于低鉀時的氮肥增產率, 可見氮鉀配施是提高油菜產量的關鍵。而油菜籽產量取決于單位面積角果數、每角粒數和千粒重,氮素主要影響冬油菜的分枝數、角果數和角粒數[23], 鉀素對各項產量構成因素的影響較小, 而主要影響單株角果數和角粒數[24]。本研究中, 在鉀素供應充足時, 施氮對油菜單位面積角果數的增幅顯著高于低鉀供應時, 說明氮鉀配施主要通過增加油菜單位面積角果數來增加油菜產量, 鉀素對油菜每角粒數的影響大于氮素。

3.2 氮鉀配施對地上部養分積累及氮素利用的影響

連續2年試驗結果表明, 氮鉀配施對地上部氮素積累量具有顯著影響, 施鉀可以促進地上部氮積累量的增加,提高氮素回收利用率, 且供鉀充足時促進作用更加明顯。研究表明, 作物對施氮量的響應受土壤鉀肥力差異的影響[25], Duncan等[26]在小麥上的研究表明, 氮鉀配施顯著影響作物根系以及地上部生長, 進而提高作物氮素吸收和氮肥利用率。油菜是典型的旱地作物, 施用的氮肥經過水解、硝化等過程最終轉化為 NO3--N被油菜吸收利用,NO3-從根向地上部運輸過程中往往以 K+作為陪伴離子,NO3-和 K+同化和利用存在明顯正相關[27-28]； 此外, 施鉀可以提高葉片碳酸氫酶和硝酸還原酶的活性, 從而誘導光合作用及蛋白質合成所需的初級含氮有機分子的形成,促進氮在地上部的同化[29], 提高作物地上部氮積累量和氮肥利用率。

3.3 氮鉀配施時冬油菜生產適宜的氮鉀肥用量

本研究結果表明, 氮鉀肥配施是油菜生產獲得高產的先決條件, 達到區域平均產量時, 氮鉀配施可顯著降低氮肥用量。據我國冬油菜主產區農戶氮肥施用情況及推薦施肥調查結果顯示, 農戶氮肥用量平均變幅為 152～255 kg N hm-2, 產量平均變幅為1722～2360 kg hm-2, 長江流域油菜生產推薦施氮量平均變幅為 140～190 kg N hm-2,產量平均變幅為2265～2751 kg hm-2[30]。在本研究中, 達到區域平均產量, 氮鉀配施鉀肥用量為 60～120 kg K2O hm-2, 氮肥用量為 134～191 kg N hm-2, 較農戶施氮降低4.4%～33.5%, 處于區域氮肥推薦用量范圍內； 同時, 鉀供應充足較低鉀(K60)投入平均降低33.9%的氮肥用量； 本研究以3000 kg hm-2為區域高產量水平, 達到高產水平時鉀肥用量為120 kg K2O hm-2, 氮肥用量為179 kg N hm-2,這與長江流域冬油菜生產高產推薦氮鉀肥用量[31]接近。本研究推測區域施氮變幅較大的原因可能是由生產中氮鉀肥施用不協調引起的, 由此可見, 氮鉀配施在油菜生產中具有重要作用, 氮鉀肥平衡施用可以最大限度發揮氮肥肥效, 減少因氮素過多帶來的負面效應。