等氮量有機(jī)替代對油菜根系和產(chǎn)量的影響

摘要：為減少高原湖泊流域農(nóng)田化肥施用量并為化肥減施和高效利用提供技術(shù)支撐，以洱海流域油菜為研究對象，設(shè)置單施化肥（CK）、有機(jī)替代25%（T1）、有機(jī)替代50%（T2）、有機(jī)替代75%（T3）、有機(jī)替代100%（T4） 5個等氮量有機(jī)替代處理；待油菜成熟后進(jìn)行采樣，測定油菜根系形態(tài)、農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量。結(jié)果表明：油菜的根系總長度、根總體積、根系平均直徑、根分化程度總體隨著有機(jī)替代量的增加而增加；有機(jī)替代量的增加會抑制油菜根系面積的擴(kuò)增。與CK相比，T1（197.40 cm）、T2（269.04 cm）、T3（366.99 cm）、T4（386.46 cm）處理的油菜根系總長度均大于CK處理（189.98 cm）；油菜根尖數(shù)量和根系交叉數(shù)從高到低分別依次為T4（11 315個）、T2（9 719個）、T3（9 229個）、T1（6 567個）和T4（2 301.88個）、T2（2 190.40個）、T3（2 126.50個）、T1（1 526.88個）；CK處理下的油菜根系總表面積（100.61 cm2）和總投影面積（32.02 cm2）均大于其他處理。有機(jī)替代量的增加還有利于促進(jìn)油菜秸稈及籽粒的生長發(fā)育和產(chǎn)量的增加，T4處理油菜平均株高（143.9 cm）顯著性高于其他處理，分別是CK、T1、T2、T3處理的1.55倍、1.85倍、1.42倍、1.32倍；T4處理的平均角果長度（6.1 cm）顯著高于其他處理，分別是CK、T1、T2、T3處理的1.05倍、1.17倍、1.15倍、1.10倍；T3處理油菜產(chǎn)量最高（2 068.73 kg/hm2），比純施化肥處理（CK）產(chǎn)量提高29.23%，比純施有機(jī)肥處理提高14.19%；T2處理油菜產(chǎn)量為2 051.79 kg/hm2，比純施化肥處理（CK）提高28.17%，比純施有機(jī)肥（T4）提高13.25%。綜合考慮下有機(jī)替代量為50%時綜合效益最高，是洱海流域最適宜的有機(jī)替代量。

關(guān)鍵詞：洱海流域；等氮量；有機(jī)替代；根系形態(tài)；油菜；產(chǎn)量

中圖分類號：S634.306" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）23-0072-05

于冠楠，胡萬里，趙" 崢，等. 等氮量有機(jī)替代對油菜根系和產(chǎn)量的影響［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024，52（23）：72-77.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.23.010

收稿日期：2023-11-08

基金項目：云南省重大科技專項計劃（編號：202102AE090032）；云南省高層次科技人才及創(chuàng)新團(tuán)隊選拔專項（編號：202305AS350013）；云南省野外科學(xué)研究站建設(shè)專項（編號：202205AM070002）；云南省“萬人計劃”青年拔尖人才專項（編號：YNWR-QNBJ-2018-371）。

作者簡介：于冠楠（1999—），男，黑龍江綏棱人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)資源利用研究。E-mail：807890071@qq.com。

通信作者：胡萬里，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)面源污染治理研究，E-mail：13888167144@163.com；趙" 崢，博士，副教授，主要從事植物生態(tài)學(xué)研究，E-mail：zhaozheng2118@163.com。

提高油菜產(chǎn)量對我國食用油安全保障具有重要作用［1-2］。油菜施肥過程中“重化肥、輕有機(jī)肥”，局部地方不施有機(jī)肥。由于化肥的占比越來越重，造成了土壤板結(jié)、酸化、反鹽等問題，農(nóng)田土壤出現(xiàn)“肥而不沃”的現(xiàn)象，同時地下水區(qū)域硝酸鹽含量增加，造成地下水污染的環(huán)境問題［3］。有機(jī)肥具有土壤改良、培肥地力的作用，同時對土壤微生物具有活化作用，對土壤氮素具有遲留和緩釋作用，可以有效提高化肥利用效率和降低環(huán)境風(fēng)險［4］。有機(jī)肥和化肥配施已經(jīng)成為作物化肥減施的主要措施之一，可以實(shí)現(xiàn)糧食穩(wěn)產(chǎn)和保護(hù)環(huán)境的雙重目的。根系是作物吸收養(yǎng)分和水分的重要器官，兼顧養(yǎng)分和水分的“吸收和運(yùn)輸”的雙重作用。作物根系的數(shù)量、長度、表面積及在土壤中的空間分布對養(yǎng)分和水分的吸收、利用發(fā)揮著重要作用，直接影響作物的產(chǎn)質(zhì)量［5］。作物根總表面積決定根系和養(yǎng)分的接觸機(jī)會，根系形態(tài)和土壤中空間決定著養(yǎng)分的吸收范圍，最大接觸機(jī)會和有效吸收范圍是影響?zhàn)B分吸收和產(chǎn)量形成的重要因素［6］。作物的生長及資源分配也與根系分布有著緊密的關(guān)系，肥料種類及合理施肥方式也能增加根系對土壤水分和養(yǎng)分的吸收［7］，有機(jī)肥、無機(jī)肥不同比例的配施對于增加作物產(chǎn)量具有重要作用［7-8］。易琴等的研究表明，在30%有機(jī)氮肥替代量處理下，油菜產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最佳，但較高的氮肥替代量會使油菜產(chǎn)生減產(chǎn)的趨勢［9］。胡現(xiàn)榮等研究發(fā)現(xiàn)，施用一定比例的有機(jī)肥替代化肥能夠顯著提高油菜的單株角果數(shù)、角粒數(shù)和千粒重等農(nóng)藝性狀，促進(jìn)油菜生長，有利于提升油菜的產(chǎn)量［10-11］。有機(jī)肥替代化肥為較好的施肥方式，在提高油菜產(chǎn)量的同時還能夠改善土壤的理化性質(zhì)［12］。有機(jī)肥替代化肥與單施化肥相比可以合理地促進(jìn)根系生長，形成良好的根系構(gòu)型，有利于產(chǎn)量的提高［13］。何萬春等的研究表明，有機(jī)肥替代化肥處理也會顯著增加作物根長、根尖數(shù)、根體積等根系形態(tài)參數(shù)［14］。在相同氮素的水平下，增加有機(jī)肥的比例可以促進(jìn)根的持續(xù)伸長［15］。過去的研究主要側(cè)重于有機(jī)無機(jī)配施及其配比對作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率的研究，等氮量條件下有機(jī)肥替代化肥對油菜根系的影響少見報道，不同替代比例下油菜的根系形態(tài)變化的關(guān)系也尚不清楚。以云油雜15號為試驗品種，在洱海流域開展等氮量條件下有機(jī)肥替代化肥對油菜根系形態(tài)、農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響試驗研究，篩選出既能促進(jìn)油菜根系生長又能增產(chǎn)的最佳替代比例，為洱海流域油菜有機(jī)替代技術(shù)應(yīng)用提供科學(xué)參數(shù)，為化肥減施和高效利用提供技術(shù)支撐。

1" 材料與方法

1.1" 試驗區(qū)概況及供試材料

試驗田塊位于大理白族自治州大理市喜洲鎮(zhèn)六綠專業(yè)合作社（100°8′3.75″E，25°50′13.32″N），地處洱海西岸，介于大麗公路與洱海之間。氣候為亞熱帶高原季風(fēng)氣候，年平均降水量1 010 mm左右，年平均溫度13.9 ℃左右，年日照時間約 3 000 h，年無霜期230 d左右。試驗田塊傳統(tǒng)種植模式為水旱輪作，土壤類型為潴育型水稻土，土質(zhì)為沙壤，土壤養(yǎng)分狀況為有機(jī)質(zhì)含量51.05 g/kg、全氮含量 2.06 g/kg、全磷含量 0.86 g/kg、全鉀含量 15.78 g/kg、銨態(tài)氮含量 0.67 mg/kg、硝態(tài)氮含量 37.37 mg/kg、速效磷含量50.25 mg/kg、速效鉀含量88.25 mg/kg，pH值 5.70。試驗采用的供試肥料包含尿素（含N 46%）、普通過磷酸鈣（含P2O5 16%）、硫酸鉀（含K2O 50%）、商品有機(jī)肥（N、P2O5、K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.5%、2.5%、1.2%）。油菜品種為云油雜15號，2022年11月5日播種，2023年5月28日收獲。

1.2" 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置5個處理：CK為單施化肥，僅施化學(xué)肥料不施有機(jī)肥；T1為有機(jī)替代25%（以N計，磷鉀不足部分用硫酸鉀和普通過磷酸鈣補(bǔ)齊）；T2為有機(jī)替代50%（以N計，磷鉀不足部分用硫酸鉀和普通過磷酸鈣補(bǔ)齊）；T3為化肥替代75%（以N計，磷鉀不足部分用硫酸鉀和普通過磷酸鈣補(bǔ)齊）；T4為有機(jī)替代100%（以N計，磷鉀不足部分用硫酸鉀和普通過磷酸鈣補(bǔ)齊）。試驗小區(qū)隨機(jī)排列，3次重復(fù)。每個小區(qū)面積65 m2（6.5 m×10 m），各試驗小區(qū)之間均以田埂分隔（土埂+塑料膜包埂），試驗小區(qū)四周設(shè)保護(hù)行。以油菜常規(guī)施肥量（氮 270 kg/hm2、磷75 kg/hm2、鉀120 kg/hm2）為對照，有機(jī)替代以氮素為標(biāo)準(zhǔn)計算，磷鉀肥不足部分由普通過磷酸鈣和硫酸鉀補(bǔ)充。各處理油菜施肥：磷鉀作為基肥一次性施完，氮肥為基肥60%、苗肥35%、薹肥5%。各處理施肥量見表1。

1.3" 樣品采集與測定

植株根系樣品采集與測定：在油菜成熟時期，每小區(qū)選取10株長勢具有代表性的植株，完整采集植株根系帶回實(shí)驗室，沖洗干凈后采用分辨率為 800 dpi 的臺式掃描儀對根系進(jìn)行掃描并將圖像存入電腦。采用Win-RHIZO根系分析系統(tǒng)軟件對根系圖像進(jìn)行分析，獲得油菜總根長、總投影面積、根總表面積、根系平均直徑、根系體積等根系形態(tài)特征參數(shù)。

油菜產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀：油菜成熟采收時，每個小區(qū)選擇長勢和產(chǎn)量具有代表性的區(qū)域，采集1 m2的植株（包括秸稈和籽粒）帶回實(shí)驗室，詳細(xì)測定產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀。

1.4" 數(shù)據(jù)分析方法

將Win-RHIZO根系分析系統(tǒng)軟件掃描獲取的根系數(shù)據(jù)通過Excel 2013軟件進(jìn)行整理匯總，并通過統(tǒng)計分析軟件SPSS 18.0進(jìn)行顯著性分析，進(jìn)一步得到的數(shù)據(jù)采用Excel 2013軟件繪圖。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 不同有機(jī)替代量對油菜根系總長度的影響

如圖1所示，試驗區(qū)油菜根系總長度平均為289.66 cm（變異系數(shù)為57.38%），范圍在54.03～858.48 cm，最大長度是最小長度的15.89倍。比較而言，油菜根系總長度隨有機(jī)替代比例的增大而增加，當(dāng)有機(jī)替代量達(dá)到75%及以上時，T3、T4處理的根系總長度與CK處理差異達(dá)顯著水平，分別是CK處理的1.98倍和2.08倍。其中，CK處理的油菜根系總長度為189.98 cm，與其他處理的差異較大，可能是因為CK處理為100%化肥，化肥中無機(jī)氮（NH+4-N和NO-3-N）隨水分運(yùn)動在土壤中移動性較大，灌溉、降雨徑流加劇了氮素的流失，抑制了根系的增長；T1、T2、T3、T4都是有機(jī)替代處理，隨著外源有機(jī)碳的投入，增加了無機(jī)氮（NH+4-N和NO-3-N）向有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化量，促進(jìn)了油菜根系的增長。T1與T3、T4處理根系總長度具有顯著性差異，與T2處理差異不顯著，分別為197.40、366.99、386.46、269.04 cm。說明在洱海流域施肥可促進(jìn)油菜根系總長度增加，大量投入有機(jī)肥能顯著提高油菜根系總長度。

2.2" 不同有機(jī)替代量對油菜根系總表面積和總投影面積的影響

如圖2所示，與純化肥相比，不同比例的有機(jī)替代量處理明顯降低了油菜根系總表面積，油菜施肥后，耕作層土壤氮磷等營養(yǎng)鹽濃度較高，油菜根系處于養(yǎng)分脅迫吸收環(huán)境，抑制了主根生長，促進(jìn)了局部須根增長。在等量養(yǎng)分投入條件下，油菜根系總表面積與有機(jī)肥替代比例呈正相關(guān)，T1處理與T2、T4處理根系總表面積的差異性達(dá)到顯著水平，T2、T3、T4處理的根系總表面積無顯著性差異，其大小順序依次為T4（75.60 cm2）、T2（75.26 cm2）和T3（70.47 cm2）。根系總投影面積的大小表示作物根系地下分布范圍，其面積越大根系吸收養(yǎng)分范圍越大，反之則越小。試驗結(jié)果表明，不同有機(jī)替代量對油菜根系總投影面積的影響大小不同，其變化趨勢與根系總表面積的變化區(qū)域總體一致，CK處理的總根投影面積最大，為32.02 cm2，其他4個處理從大到小依次為T4（24.07 cm2）、T2（23.96 cm2）、T3（22.43 cm2）和T1（14.72 cm2）。可見等氮量條件下，不同比例的有機(jī)替代對提高油菜根總投影面積和根系總表面積無明顯作用，反而隨著比例的提高還會抑制油菜根系面積的擴(kuò)增。

2.3" 不同有機(jī)替代量對油菜根總體積和平均直徑的影響

如圖3所示，CK處理油菜根系總體積和平均根系直徑最大，分別為4.70 cm3和2.22 cm。在養(yǎng)分等量投入的情況下，不同有機(jī)替代量對油菜根系總體積和根平均直徑都有不同程度的影響，隨著有機(jī)替代量的增加，油菜根系總體積和根平均直徑都呈先升后降的趨勢。不同有機(jī)替代量處理的根總體積從高到低依次為T2（1.88 cm3）、T1（1.81 cm3）、T4（1.25 cm3）和T3（1.10 cm3），平均直徑從高到低依次為T2（0.95 cm）、T1（0.93 cm）、T4（0.66 cm）和T3（0.63 cm）?？梢?，根總體積和平均直徑大小均表現(xiàn)為CKgt;T2gt;T1gt;T4gt;T3，說明有機(jī)替代在一定程度上抑制油菜根系的體積和直徑生長，在等量養(yǎng)分投入情況下，適量有機(jī)替代能促進(jìn)油菜根系的體積和直徑生長。

2.4" 不同有機(jī)替代對油菜根分化的影響

根系根尖指植物的根系生長最前端的生長點(diǎn)，功能是吸收水分和養(yǎng)分。根系總根尖數(shù)量可反映根系發(fā)達(dá)程度、吸收水分和養(yǎng)分的能力。如圖4所示，與純施化肥相比，有機(jī)替代對根系總根尖數(shù)、根系交叉數(shù)有明顯影響；在等量養(yǎng)分投入下，油菜總根尖數(shù)總體隨有機(jī)替代量的增加而增加，不同處理間的油菜總根尖數(shù)有明顯差異，其中T4處理總根尖數(shù)最多（11 315個），是T1處理的1.72倍。根尖數(shù)量從高到低依次為T4（11 315個）、T2（9 719個）、T3（9 229個）和T1（6 567個）。根系交叉數(shù)可以用來評估根系的復(fù)雜程度和分支結(jié)構(gòu)的密度。如圖4所示，油菜根系交叉數(shù)隨著有機(jī)替代量增加整體呈升高趨勢，油菜根系交叉數(shù)從高到低依次為T4（2 301.88個）、T2（2 190.40個）、T3（2 126.50個）、T1（1 526.88個）。由此可見，在等量養(yǎng)分投入條件下，

適量的有機(jī)替代具有促進(jìn)油菜根分化作用。

2.5" 不同有機(jī)替代量對油菜農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的影響

由表2可知，有機(jī)替代量對油菜有效分枝數(shù)、角果粒數(shù)和千粒重?zé)o明顯影響，但對油菜株高、全株有效角果數(shù)和角果長度具有顯著影響。油菜株高隨有機(jī)替代量增加呈現(xiàn)上升趨勢，T4處理油菜平均株高（143.9 cm）顯著性高于其他處理，分別是CK、T1、T2、T3處理的1.55倍、1.85倍、1.42倍、1.32倍。T3處理油菜全株平均有效角果數(shù)量（110.3個）顯著高于CK、T1、T4處理，分別是CK、T1、T2、T4處理的1.76倍、1.43倍、1.31倍和1.38倍。T4處理的平均角果長度（6.1 cm）顯著高于其他處理，分別是CK、T1、T2、T3處理的1.05倍、1.17倍、1.15倍、1.10倍。說明有機(jī)替代可以促進(jìn)油菜秸稈及籽粒的生長發(fā)育。

由表3可知，油菜產(chǎn)量隨有機(jī)替代量的增加呈先增加后降低的趨勢，T3處理油菜產(chǎn)量最高（2 068.73 kg/hm2），比純施化肥處理（CK）產(chǎn)量提高29.23%，比純施有機(jī)肥處理提高了14.19%。CK、T1和T4處理的產(chǎn)量水平相當(dāng)，T2處理油菜產(chǎn)量為2 051.79 kg/hm2，比純施化肥處理（CK）提高了28.17%，比純施有機(jī)肥（T4）提高13.25%，這可能與試驗地塊土壤地力較高有關(guān)。各處理產(chǎn)量大小順序依次為T3、T2、T4、T1。胡萬里等研究表明，隨著土壤基礎(chǔ)地力增加，化肥對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率較低［16］。本試驗地塊土壤基礎(chǔ)地力較高，土壤硝態(tài)氮、速效磷等養(yǎng)分含量達(dá)到了37.37、50.25 mg/kg，因此會導(dǎo)致化肥對油菜產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率變低。

3" 討論與結(jié)論

根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，也是最先感知根際環(huán)境條件變化的器官，承擔(dān)著水分和營養(yǎng)吸收與運(yùn)輸?shù)碾p重作用，而根長、根表面積、根體積等是反映根系構(gòu)型形態(tài)的主要參數(shù)［17-18］。本研究表明，與單施化肥相比，不同比例有機(jī)替代下的油菜總根長、根投影面積、根總表面積、根系交叉數(shù)和總根尖數(shù)均有一定程度的增加，其中有機(jī)替代量為75%時，根系的總根長、總表面積、根系總交叉數(shù)及根尖數(shù)均較好。這與馬肖等在不同種有機(jī)肥、不同比例有機(jī)肥替代化肥的研究結(jié)果一致，不同比例的有機(jī)替代可以同時兼具化肥的速效性、有機(jī)肥的緩釋性兩大特點(diǎn)，可以更好地滿足作物對養(yǎng)分的需求，促進(jìn)作物的生長發(fā)育［19-20］。李永杰等在對柑橘有機(jī)替代種植研究中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)替代量都具有改善作物根系形態(tài)的作用，其中隨著有機(jī)替代量的增加，作物的根系總體積和平均直徑呈下降趨勢，根系交叉數(shù)和總根尖數(shù)呈增加趨勢，本試驗的研究結(jié)果與之類似，這可能與有機(jī)肥中富含的活性物有關(guān)，其代謝產(chǎn)物促進(jìn)了根系的生長［21-22］。試驗結(jié)果顯示，根系總長、根表面積均隨有機(jī)替代量增加而增加，說明根系總長度、總表面積的增加可以使油菜對深層土壤的氮的吸收能力加大，提高氮素利用效率［6，23］。

本研究結(jié)果表明，一定比例有機(jī)替代可不同程度提高油菜產(chǎn)量，改善油菜的農(nóng)藝性狀指標(biāo)。這與李瑞琳等的研究結(jié)果一致，油菜施用有機(jī)肥替代部分化肥施肥模式能達(dá)到增產(chǎn)的效果，對農(nóng)藝性狀也產(chǎn)生顯著影響影響［24］。張建學(xué)等認(rèn)為，在一定比例下有機(jī)肥替代化肥可以促進(jìn)油菜的生長［25］。楊銳等研究發(fā)現(xiàn)，在不同氮肥用量下有機(jī)肥配施化肥在減氮的同時還會增加油菜的產(chǎn)量以及經(jīng)濟(jì)效益［26］，本研究結(jié)果與之基本一致，有機(jī)替代量為75%時油菜的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量最佳。王慧等的研究表明，在不同比例的有機(jī)氮肥配施無機(jī)氮肥下，油菜的增產(chǎn)效果主要通過增加有效角果數(shù)和角果粒數(shù)來實(shí)現(xiàn)［27］，而本研究中有機(jī)替代對有效角果數(shù)有顯著影響，對角果粒數(shù)無顯著影響。

有機(jī)肥替代化肥對油菜生長具有提升作用，可促進(jìn)根系分化，增加根系總根長、根系表面積，提高養(yǎng)分利用效率，顯著增加油菜的株高和角果長度，提高油菜產(chǎn)量。有機(jī)替代75%油菜產(chǎn)量最高，為 2 068.73 kg/hm2。綜合考慮，有機(jī)替代量為50%時綜合效益最高，是洱海流域最適宜的有機(jī)替代量。

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