氮肥和密度對胡麻水分、氮素利用率及產量的影響

吳 兵，高玉紅，李鵬紅，剡 斌，崔政軍，牛俊義

(1.甘肅農業大學生命科學技術學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070；4.中南財經政法大學公共管理學院，湖北 武漢 430073)

在雨養農業區，干旱與土壤貧瘠一直是作物產量提升的主要限制因子。如何最大程度地利用自然降水、提升作物對水分和土壤肥力的利用效率，是旱區農業生產面臨的主要課題[1]。研究表明，作物群體適宜種植密度和氮肥的調控是其對水肥資源高效利用的重要途徑[2-3]。氮素是作物必需營養元素之一，直接參與植株器官建成和多種生理生化過程，合理施用可以提高作物產量、改善作物品質，過量或不合理施用會導致氮肥利用率降低、污染環境和水源，浪費能源[4]。目前，世界范圍氮肥的平均利用率約為33%，我國主要農作物的氮肥利用率遠低于國際平均水平[5-6]。在當前兼顧作物高產及環境安全背景下，施肥與耕作技術的深入協作研究已成為農業工作者關注的熱點問題之一。種植密度是調控作物群體特征、改善作物對水肥資源利用效率與庫源平衡的重要措施，以往在小麥[7]、玉米[8]、油菜[9]和水稻[10]等作物的研究均表明，適宜種植密度有利于促進土壤氮素高效吸收、增加群體光合性能、平衡花后物質分配比例、提高水分及肥料利用率，進而實現作物高產增效。

胡麻(LinumusitatissimumL.)是我國北方干旱半干旱區主要油料作物，分布在甘肅、青海、寧夏、內蒙古、河北等地區，具有抗旱、耐瘠、耐寒、適應性廣等特點[11]。近年來，隨著胡麻籽油市場及其深加工產品的需求增長及農業種植結構調整的要求，亟需改進種植技術、培育高產優質品種。胡麻是需肥較多又不耐高氮的作物[12-14]，適宜的施肥水平可使其產量增加20.5%～77.3%[15]，劉德平等[16]的研究亦表明在保證產量的前提下，合理配施氮、磷肥可促進水肥利用、減少農業面源污染。Pegeau等[17]則指出，胡麻高產的獲得同氮肥及密度間互作緊密相關。當前，肥料與密度組合對胡麻產量影響的研究已有報道[18-20]，而在有效水分條件下，通過合理施氮和選擇適宜種植密度，能否改善土壤肥力狀況，調控作物對土壤水分的消耗，提高胡麻水氮利用率及產量的綜合研究鮮見報道。為此，本研究在黃土高原典型旱作條件下，探討密度與氮肥互作后的胡麻水肥高效利用機理，構建胡麻高產栽培技術模式，以期為合理施用氮肥配套適宜密度實現胡麻高產和資源高效提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2014年在甘肅省定西農業科學院油料試驗站基地進行。該區地處黃河中游黃土高原溝壑區，海拔高度1 793 m，年平均氣溫7℃，年日照時數2 500 h，無霜期146 d，年降水量300～400 mm，年蒸發量平均為1 524.8 mm。胡麻為當地的主要油料作物。供試土壤為黑壚土，有機質含量為11.06 g·kg-1，全氮0.99 g·kg-1，堿解氮72.15 mg·kg-1，速效磷8.31 mg·kg-1，速效鉀247.02 mg·kg-1，pH值8.3。2014年試驗區年降雨量分布情況見圖1。

圖1 2014年試驗區降水量逐月分布Fig.1 Distribution of rainfall for experiment area in 2014

1.2 試驗設計

采用二因素隨機區組試驗設計，試驗因素為氮肥和密度。氮肥設3個水平，分別為：N0：不施氮，N1：施氮75 kg·hm-2(中氮)，N2：施氮150 kg·hm-2(高氮)；種植密度設3個水平，分別為：D1：4.5×106粒·hm-2(低密度)，D2：7.5×106粒·hm-2(中密度)，D3：10.5×106粒·hm-2(高密度)。分9個處理，每個處理重復3次，共27個小區。處理代號分別為：N0D1、N0D2、N0D3、N1D1、N1D2、N1D3、N2D1、N2D2、N2D3，氮肥品種分別為尿素(含純氮46.4%)，2/3作為基肥，1/3作為追肥于現蕾前追施。供試胡麻品種選用“隴亞雜1號”，來自甘肅省農業科學院胡麻育種室。胡麻為露地條播，播深3cm，行距20cm。各處理的氮肥、密度配置情況見表1。

表1 各處理氮肥、密度配置實施表

各小區磷、鉀肥的施用量均為P2O575.0 kg·hm-2和K2O 52.5 kg·hm-2。磷、鉀肥品種分別為過磷酸鈣和硫酸鉀，均作為基肥施用。小區面積為 20 m2(5 m×4 m)。小區間隔30 cm，各重復間隔50 cm，四周設1 m的保護行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水量 分別在胡麻播種前、苗期、現蕾期、盛花期、青果期、成熟期和收獲后，采用土鉆取土烘干法測定0～200 cm土層的土壤含水量，每20 cm為一個取樣距離，重復3次。稱土壤鮮重后，在105℃恒溫下烘24 h至恒重，稱土壤干重，計算土壤含水量。

式中,w為土壤相對含水量(%),Sw為土壤水分(%),Ms為總干重(g),m為鋁盒質量(g)。

1.3.2 土壤貯水量及水分利用效率 根據土壤含水量計算土壤貯水量。依據胡麻播種前、收獲后的土壤貯水量和胡麻全生育期降雨量，計算胡麻耗水量，依據產量和耗水量計算胡麻水分利用效率[21]。

土壤貯水量：

SW=d×r×w/10

式中,SW為土壤的貯水量(mm)，d為土層厚度(cm)，r為土壤容重(g·cm-3)，w為土壤含水量(%)。

耗水量：

ET=P+ΔE

式中,ET為耗水量(mm)，P為降水量(mm)，ΔE為胡麻播種前、收獲后土壤貯水量的變化(mm)。

水分利用效率：

WUE=Y/ET

式中,WUE為作物水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，Y為作物籽粒產量(kg·hm-2)，ET為耗水量(mm)。

上述歐盟第八和第九研發框架計劃預算經費比較凸顯了歐盟未來7年（2021—2027）科技創新政策的著力點，即歐盟將重點資助應對全球挑戰和以市場為導向的創新活動，這兩塊的資助經費都比“地平線2020”上浮30%～40%。尤其需要指出的是，歐盟意識到計劃下大量的研發成果未能及時發揮推動經濟、社會發展的價值，降低了歐盟科技計劃和政策的社會影響力，所以“地平線歐洲”大大強化了對以市場為導向的高風險、顛覆性創新活動的經費支持，專設了歐洲創新理事會，形成了支持市場化創新的兩個專項經費渠道，劃撥專款支持創新生態系統建設，從經費和制度構建上保障創新成果從實驗室走向市場，將知識資本轉化為社會經濟價值。

由于試驗地平整，地下水位較深，且降雨量少，故未考慮深層滲漏量、毛管上升水和徑流量。

1.3.3 胡麻植株氮素含量測定及氮素利用率 各小區隨機選取成熟期胡麻植株20株，分為秸稈和籽粒兩部分，60℃分別烘干至恒重后稱重。之后粉碎過篩，以濃H2SO4-H2O2消化，半微量凱氏定氮法[22]測定秸稈和籽粒的含氮量，計算氮總吸收量和氮素吸收利用率[23]。

氮總吸收量=胡麻秸稈生物量(kg·hm-2)×秸稈氮含量(%)+胡麻籽粒生物量(kg·hm-2)×籽粒氮含量(%)

氮素吸收利用率(ANRE)=(施氮區植株總吸收氮量(kg·hm-2)-空白區植株總吸收氮量(kg·hm-2)/施氮量(kg·hm-2)×100%

1.3.4 收獲后農藝性狀與產量 胡麻成熟后，按小區單打單收，測定各小區實際產量。每小區隨機取樣20株，進行室內考種，測定株高、分莖數、分枝數、蒴果數、蒴果種子粒數、千粒重、秕粒率等產量構成因子。

1.4 數據處理

采用SPSS 22. 0進行數據處理和方差分析，用Microsoft Excel 2013和Origin 2018進行數據統計和作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理胡麻田土壤水分的垂直變化

圖2表明，不同氮肥、密度處理0～200 cm土層土壤含水量因生育時期及土層深度變化趨勢有所差異，苗期、青果及成熟期隨土層深度增加呈現“先降后升”趨勢，含水量變化拐點均出現在60～80 cm；現蕾期與盛花期含水量呈隨土層加深而逐步增加態

圖2 不同處理胡麻生育期內土壤水分的垂直變化Fig.2 Vertical change of soil water content during oil flax growth stages under different treatments

2.2 不同處理胡麻田0～200 cm土層土壤貯水量變化

圖3表明，在胡麻整個生長期內，不同密度、氮肥處理下0～200 cm土層貯水量變化趨勢基本相同，呈現“倒S”型曲線。苗期、盛花期及青果期0～200 cm土壤貯水量均表現為N2D1高于其他處理，分別較同時期最低處理N0D1、N1D3、N1D3高出16.84 mm、26.87 mm和14.29 mm，成熟期除低于N0D1處理3.7%外，較其他處理N0D2、N0D3、N1D1、N1D2、N1D3、N2D2、N2D3分別高出6.6%、8.4%、2.5%、5.3%、0.8%、0.2%、0.9%。分時期貯水量未表現出規律性趨勢。0～200 cm土壤平均貯水量則表現為N2D1、N0D1和N0D2間差異不顯著，但均顯著高于其余處理，分別與最低N1D3處理間相差4.62%、3.98%和4.30%。

圖3 胡麻生育期內0～200 cm土層貯水量變化Fig.3 Variation of 0～200 cm soil water storage during oil flax growth stages

2.3 不同處理對胡麻產量和產量構成因子的影響

2.3.1 不同處理對胡麻產量構成因子的影響及其與產量相關性 由表2可以看出，不同氮肥、密度處理下，有效分莖數、有效分枝數、單株有效碩果數均呈現先增加后下降的趨勢，N1D2處理有效分莖數達到了0.44，N1D3處理有效分枝數達到了22.69。

表2 氮肥密度處理對胡麻產量構成因子的影響

每果粒數、千粒重無明顯的變化規律， N2D1處理千粒重達到7.56 g，比最低N1D1處理高出9.7%。可見，密度、氮肥互作，分莖數、分枝數受密度影響程度大于施氮量，而千粒重受施氮量影響更明顯。結合各產量構成因子與產量間的相關分析可見(圖4)，密度、氮肥互作后，籽粒產量與有效分莖數間(0.688*)、有效分枝數與單株有效果數間(0.877*)均達到了顯著相關關系，其余因子及與產量兩兩之間相關性不明顯，高產相應適宜氮肥及密度的選擇顯著影響分莖數、分枝數及有效果數。

2.3.2 不同處理對胡麻籽粒產量的影響 由表3可見，處理間農田耗水量、籽粒產量及水分利用效率均表現出差異性。N1D2的農田耗水量為247.70 mm，分別顯著高出N0D1、N0D2、N2D1和N2D2處理18.7%、10.6%、8.2%和8.1%。N2D1處理下籽粒產量最高，為1 802 kg·hm-2，與N2D3間差異不顯著，但較其他處理分別顯著高出23.7%、6.2%、18.8%、16.0%、37.1%、12.4%、13.1%。產量、水分利用效率隨施氮量和密度增加呈現先降后升趨勢，而處理間變化規律不明顯，但最高處理N2D1除與N2D3、N0D2間差異不顯著外，均顯著高于其他處理。

表3 氮肥密度處理對胡麻籽粒產量和水分利用效率的影響

2.4 不同處理對胡麻水分及氮素利用效率的影響

2.4.1 水分利用效率 如圖5A所示，同一氮肥量不同密度條件下，在N0水平下，D2比D1、D3水平的水分利用效率分別提高了8.5%、17.5%，差異達到顯著水平；在N1水平下，D3比D1、D2水平的水分利用效率提高了10.5%、24.1%，且與D3間差異顯著；在N2水平下，D1、D3間差異不顯著，但分別較D2水分利用效率顯著增加13.07%、10.20%。在N0、N1、N2不同水平下，水分利用效率最高的D2、D3、D1處理分別達7.58、6.94 kg·hm-2·mm-1和7.87 kg·hm-2·mm-1。同一密度不同施氮量條件下(圖5B)，在D1水平，N2較N0、N1水平的水分利用效率顯著提高12.7%、20.2%；在D2水平下，N0比N1、N2水平增加了43.8%、8.9%，且N0、N2均顯著高于N水平；在D3水平下，N2比N0、N1水平的水分利用效率顯著提高了7.6%、9.5%。在D1、D2、D3不同水平下，對應施氮水平為N2、N0、N2時獲得同密度水平最高水分利用效率，分別為7.87、7.58 kg·hm-2·mm-1和7.67 kg·hm-2·mm-1。可見，密度和氮肥交互處理后均顯著影響胡麻的水分利用效率，其中，N2D1處理胡麻水分利用效率具有優勢，較其他處理的分別上升了12.8% 、3.8%、22.4%、25.3%、48.2%、13.4%、13.1%、2.6%。水肥互作后，以肥調水、提高水分利用效率效應顯著。

注：圖中每列的第一個圖分別是產量構成因子與產量的箱線圖。*表示在0.05水平下相關性顯著。Note: The first graph is a box plot of yield component factor and yield in each column, respectively. * indicates a significant correlation at the 0.05 level.圖4 產量構成因子散點矩陣統計分析圖Fig.4 Statistical analysis of scatter matrix for oil flax yield component factors

2.4.2 氮素利用率 表4表明，氮肥水平和種植密度對胡麻氮素吸收量和氮素利用率有顯著的影響。胡麻氮素吸收量在相同密度水平下均呈現隨施氮量增加而上升的趨勢，高氮(N2)更有利于氮素的吸收，比中氮(N1)和不施氮(N0)分別提高15.7%、82.2%，并與后者間差異顯著；但在相同施氮量條件下，則呈現隨密度增加而下降趨勢，低密度(D1)獲得最高的氮素吸收量。氮素吸收利用率均呈現隨施氮量和種植密度增加而下降的趨勢，高氮(N2)比中氮(N1)處理氮素吸收利用率顯著降低42.0%；高(D3)、中密度(D2)平均氮素利用率分別較低密度(D1)處理顯著降低58.45%和35.19%。可見，過量施氮雖能增加氮素吸收量，但高氮與增加密度均不利于提高氮素吸收利用率，氮肥、密度交互處理后，中氮(N1)和低密度(D1)更有利用于氮素利用率的提高。

注:柱上不同字母表示同一氮肥量和密度水平下水分利用效率在P<0.05水平差異顯著。Note: Different letters above the bars indicate a significant difference in water use efficiency among treatments (P<0.05) same water use efficiency of nitrogen and planting density.圖5 不同處理對胡麻水分利用效率的影響Fig.5 Effects of water use efficiency under different treatments

表4 氮肥與密度互作對胡麻氮素吸收量及氮素吸收利用率的影響

2.5 密度、氮肥與產量的回歸分析

為了準確反映不同密度氮肥處理下胡麻產量隨氮肥密度水平變化的規律，探索密度、氮肥與胡麻產量間存在的定量關系，對其進行回歸分析，得出密度、氮肥與產量間的回歸分析方程為：

式中，y為胡麻估計產量，x1為試驗中實際氮肥量，x2為試驗中實際密度，R2為回歸系數，回歸模型的參數估計見表5，經檢驗回歸模型達到顯著水平(P<0.05)。從密度、氮肥與產量間的回歸圖(圖6)可知，密度、氮肥處理與產量之間呈現三維凹面，不同的氮肥密度處理下胡麻產量具有最大值和最小值，最優產量值出現在高氮肥水平，中密度和中氮肥水平下產量具有最小值。為了反映實際產量與預期產量之間的差別，利用回歸方程計算預期產量，并得出預期實際產量與實際產量的殘差(實際產量-預期產量)，見表6。其中N0D1、N0D3、N1D2、N2D2處理下實際產量低于預期產量值，N0D2、N1D1、N1D3、N2D1、N2D3處理下實際產量高于預期產量，其中N1D1、N2D1、N2D3處理具備實際產量優勢的同時，也高于預期值，分別高出預期值3.38%、2.46%和1.98%。因此，選擇N2D1、N1D1處理水平在實際胡麻種植中更加高產高效。

表5 模型回歸參數估計

圖6 密度、氮肥與產量的回歸圖Fig.6 Regression relationship between density, nitrogen fertilizer and yield

表6 實際產量與預期產量比較

3 討論與結論

在旱作農田生態系統中，土壤水分狀況直接影響著作物的生長發育和籽粒產量形成。研究認為，水肥之間存在耦合效應，養分不足在很大程度上限制水分作用的發揮，而過量施肥不僅導致肥料的經濟效益降低、污染環境的潛勢增加，還會造成作物對深層土壤水分的過度消耗[24-26]。亦有研究表明，適宜的種植密度可優化根系對土壤水分和養分吸收的空間，實現有限水分的最高利用效率[27]。本研究中，施氮量與密度配合后對土壤水分垂直變化的影響主要體現在胡麻生育前期，土壤含水量處理間變化主要表現在苗期～盛花期0～60 cm土層中，苗期、現蕾期及盛花期含水量最高處理分別為N1D1、N0D2、N1D1，盛花期后，處理間土壤水分含量無顯著差異。當季水分運移動態中，適氮(N1)結合減密(D1)在保證耕層土壤綜合可利用水分的同時，促進植株營養生長階段的形態建成，此優勢效應在生育后期則可能因植株耗水增加、降水減少、土壤蒸散加劇等而有所減弱。這與我們前期研究結果一致[28]。已有在小麥[29,30]等作物上的研究也表明，0～60 cm土層土壤含水量受灌水和降水等影響顯著，其下深層水分受影響較小。本試驗中，土壤含水量變化拐點均出現在60～80 cm土層，表明氮肥密度處理后也具備相應的“以肥調水”效應，由耕層60 cm有所下移，這亦與高氮(N2)和中氮(N1)水平平均農田耗水量分別高出不施氮水平(N0)3.56%和8.71%的結果一致。土壤貯水是作物水分的重要來源，尤其是深層水分的利用程度是提高作物水分利用效率的重要途徑[31-32]。N2D1全生育期內0～200 cm土壤平均貯水量及在苗期、盛花期及青果期優于其他處理的表現，也證實了這一點。由土壤含水量、貯水量時空變化可見，在密度氮肥因素中，生育前、中期耕層土壤含水量及全生育期貯水量對施氮量響應更顯著，處理組合內，高氮低密度處理(N2D1)經歷了前期的水分吸收利用損耗后，其總體水分保持優勢降低了植株群體的競爭，促進了肥水耦合，為其同化物累積和生殖器官的形成奠定了光合水分基礎，有利于胡麻植株旺盛生長。

已有諸多密度、肥料單因素試驗對作物水分及氮素利用效率的研究均表明，在一定范圍內，產量隨種植密度或施肥量的增加呈現單峰曲線。如謝亞萍等[33]研究表明，在施氮量單因素條件下，氮素利用率隨施氮量的增加呈現先增加后降低的趨勢，施純氮55.2 kg·hm-2時，氮素利用率達到68.63%。劉青林等[34]認為，當施氮量達到221 kg·hm-2時，春小麥產量與水分利用效率分別達到最大值6 365 kg·hm-2、14.51 kg·hm-2·mm-1。本研究中，施氮量與密度互作后，同水平下胡麻平均產量呈現隨施氮量和密度增加呈先降后升趨勢，未顯現適氮與適密組合后的產量優勢效應。N2D1處理下獲得了最高籽粒產量和水分利用效率，二者對施氮水平呈現明顯的正效應，增加密度對胡麻產量和水分利用效率并未有顯著影響[35]。而氮素吸收利用率并未呈現出一致趨勢，過量施氮雖能增加氮素吸收量，但高氮配合增密并不利于提高氮素吸收利用率，氮肥、密度交互處理后，中氮(N1)和低密度(D1)組合更有利用于氮素利用率的提高。這也進一步解釋了崔政軍[36]等提出的關于高產、高水分利用率同最優氮素利用率間的矛盾。氮肥過量施用是導致胡麻氮素利用率降低的重要原因之一，過量的氮肥隨雨水淋溶、滲漏，旱作條件下作物吸收緩慢；減少種植密度利于提高氮素的吸收量，減少氮素的流失，進而提高胡麻的氮素利用率[37]。曹秀霞等[38]在提出胡麻適宜氮肥、密度水平的同時，認為氮肥、密度處理后，密度對產量構成因子影響較大，除株高外，隨種植密度的增加，主莖分枝數、單株果數、單株粒數、分莖數逐漸減少。本研究則表明，密度氮肥互作后籽粒產量與有效分莖數間(0.688*)、有效分枝數與單株有效果數間(0.877*)均顯著相關，且分莖數、分枝數受密度影響程度大于施氮量，而千粒重受限于施氮量更甚。增大密度不利于產量構成因子中分莖數及分枝數的積累，與曹秀霞等人[38]結論一致；千粒重因施氮量上升而增加則可能由于氮素水平的上升促進了植株蛋白質與氨基酸代謝，進而提高千粒重，調控產量形成[39-40]，有關胡麻氮肥精準運籌后籽粒產量構成及品質間關系的探索還需進一步深入研究。

本研究通過胡麻產量隨密度氮肥水平變化，初步建立了其三維響應面定量回歸模型(P<0.05)，驗證了密度氮肥雙因素處理后的實際產量同預期產量間的差異，其中，N1D1、N2D1、N2D3處理在具備實際產量優勢的同時，也高于預期值。結合中氮(N1)低密度(D1)處理后胡麻氮肥利用率的充分挖掘，產量、水分利用效率及水肥耦合對高氮(N2)低密度(D1)處理的優勢響應，均奠定了高產獲得的生理基礎。因此，在本試驗及相似農田生態類型環境下，兼顧節本增效和環境安全，選擇施氮量75～150 kg·hm-2、種植密度45×105粒·hm-2，在實際胡麻種植過程更加高產高效。同時，還需結合當地生產條件、土壤肥力、種子質量和環境條件等因素綜合考慮。