李 靜 閆金垚 胡文詩 李小坤 叢日環(huán) 任 濤 魯劍巍

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北武漢 430070

自20世紀(jì)50年代以來, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)氮肥的施用量急劇增加[1], 在許多農(nóng)業(yè)集約化產(chǎn)區(qū), 為了提高作物產(chǎn)量, 往往施用大量氮肥, 導(dǎo)致氮肥利用率明顯下降。過量的氮素進(jìn)入環(huán)境中造成水體富營養(yǎng)化、土壤酸化、溫室氣體排放加劇、氮沉降量增加等一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題[2-4]。與氮肥施用相比, 鉀肥的施用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一直被忽視,我國鉀肥用量遠(yuǎn)低于氮肥用量[5]。鉀肥投入不足導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的鉀素失衡和產(chǎn)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(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)內(nèi), 鉀素虧缺廣泛存在, 導(dǎo)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(chǎn)量均顯著提高, 小麥對鉀施用量的響應(yīng)隨著施氮量的增加而增加, Jackson等[9]在玉米上最新研究結(jié)果表明, 缺鉀既限制了玉米產(chǎn)量, 也限制了玉米對氮肥的響應(yīng)能力, 而氮鉀肥施用顯著增加了玉米籽粒產(chǎn)量, 且鉀供應(yīng)充足時玉米對氮肥的響應(yīng)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(chǎn)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(qū)廣泛種植[10]。油菜為我們提供了優(yōu)質(zhì)的植物油, 菜籽油占我國國產(chǎn)油料作物產(chǎn)油量的57.2%[11], 因此, 油菜高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)對于保證我國食用油供給具有重要的意義。作為油菜高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的重要措施, 我國冬油菜合理施用氮肥和鉀肥的平均增產(chǎn)率分別為42.5%和16.1%[12]。但據(jù)調(diào)查, 在我國油菜主產(chǎn)區(qū)的長江流域, 冬油菜生產(chǎn)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(nóng)戶在實(shí)際生產(chǎn)中并不施用鉀肥[13]。農(nóng)民往往重視氮肥, 而忽視鉀肥的施用, 氮鉀肥不協(xié)調(diào)施用已經(jīng)成為限制油菜產(chǎn)量及肥料利用率的重要因子。重氮輕鉀是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的突出問題, 為了達(dá)到 2020年化肥零增長,走資源節(jié)約、環(huán)境友好型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展之路的目標(biāo), 實(shí)現(xiàn)油菜生產(chǎn)減肥增效、綠色增產(chǎn)增效, 本研究在冬油菜主產(chǎn)區(qū)開展了連續(xù)2年的氮鉀配施田間試驗(yàn), 旨在探明氮鉀配施對油菜產(chǎn)量及氮素利用的影響, 為冬油菜生產(chǎn)中氮鉀肥合理配施實(shí)現(xiàn)油菜的高產(chǎn)、高效提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

湖北省武穴市梅川鎮(zhèn)(30°06'N, 115°36'E), 供試土壤為花崗片麻巖母質(zhì)發(fā)育的水稻土, 0～20 cm耕層土壤 pH 5.76, 含有機(jī)質(zhì)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(yàn)點(diǎn)前茬作物為水稻。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用氮鉀兩因素完全試驗(yàn)設(shè)計(jì), 氮、鉀各設(shè)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(fù), 完全隨機(jī)區(qū)組排列, 小區(qū)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(yàn)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(yàn)田, 移栽的密度為11.25×104plants hm-2。所有試驗(yàn)小區(qū)布置完成后在整個試驗(yàn)外圍設(shè)保護(hù)區(qū), 保護(hù)區(qū)內(nèi)亦種植移栽油菜, 在試驗(yàn)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(dāng)?shù)氐脑耘喙芾矸椒ā?/p>

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤樣品的采集與分析 土壤基礎(chǔ)樣品在前茬水稻收獲后油菜基肥施用前采集。以整個試驗(yàn)田塊為采樣單元, 在試驗(yàn)田塊內(nèi)以“S”形均勻布點(diǎn)15個, 取0～20 cm耕作層土壤, 實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干磨細(xì)過20目和100目篩, 供理化分析用。按常規(guī)方法測定土壤基本理化性質(zhì)[14]。按水土比2.5∶1.0, 后用pH計(jì)測定土壤pH； 采用重鉻酸鉀容量法測定有機(jī)質(zhì)； 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(jì)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(diào)查移栽冬油菜所有試驗(yàn)處理的產(chǎn)量構(gòu)成因素, 包括單位面積角果數(shù)(通過單株角果數(shù)和移栽密度換算)和每角粒數(shù)(角果中油菜籽的個數(shù), 每株隨機(jī)選取30個角果, 計(jì)平均值),及收獲后的千粒重(采用千粒板隨機(jī)測定2000粒風(fēng)干后油菜籽的質(zhì)量)。每個試驗(yàn)處理 3次重復(fù), 選取每個小區(qū)10株有代表性的植株進(jìn)行調(diào)查, 各項(xiàng)指標(biāo)取平均值作為調(diào)查結(jié)果。

油菜成熟后從各小區(qū)隨機(jī)取樣6株, 齊地收割地上部,放入網(wǎng)袋內(nèi)懸掛風(fēng)干脫粒后分別測定籽粒、莖稈和角殼干重, 各部位樣品經(jīng)烘干、磨細(xì)、過篩后供養(yǎng)分含量測定分析用。籽粒產(chǎn)量以各小區(qū)實(shí)收風(fēng)干重計(jì)量。濃H2SO4-H2O2聯(lián)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(jì)測定全鉀含量。

1.4 參數(shù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)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(zhì)量與相應(yīng)部位氮、鉀養(yǎng)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(qū)作物收獲時地上部氮總積累量, U0為不施氮區(qū)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(chǎn)量對氮肥響應(yīng)的 2個施肥模型(線性加平臺和二次多項(xiàng)式模型)[17-18]進(jìn)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(chǎn)量間的關(guān)系。采用Microsoft Excel 2013軟件計(jì)算處理試驗(yàn)數(shù)據(jù), 利用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 采用Origin Pro 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮鉀肥用量對冬油菜產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

2年油菜產(chǎn)量存在明顯差異(F=15.9**), 但籽粒產(chǎn)量對氮肥和鉀肥施用的響應(yīng)趨勢相似, 鉀肥用量在 0～120 kg K2O hm-2范圍內(nèi), 油菜產(chǎn)量隨鉀肥用量的增加顯著增加, 繼續(xù)增施鉀肥增產(chǎn)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(yīng)不足時(K0和 K60), 冬油菜施用氮肥的平均增產(chǎn)率為 113.7%； 而在鉀供應(yīng)充足的條件下(K120和K180), 施用氮肥的平均增產(chǎn)率高達(dá)172.9%。施氮不施鉀時油菜產(chǎn)量嚴(yán)重下降, 特別在 N270K0時產(chǎn)量降幅最多達(dá)1345 kg hm-2； 施氮處理具有較高F值, 表明氮肥施用對油菜產(chǎn)量的貢獻(xiàn)大于鉀肥, 氮鉀配施對油菜產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量構(gòu)成因子的影響 2年表現(xiàn)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(shù), 從而增加油菜產(chǎn)量, 氮肥施用對油菜單位面積角果數(shù)形成的影響大于鉀肥, 鉀肥施用對每角粒數(shù)增加的貢獻(xiàn)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?zé)o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(chǎn)量構(gòu)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(nèi), 油菜地上部氮積累量隨鉀肥用量的增加顯著增加, 繼續(xù)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(dá) 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(chǎn)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(xù)增施鉀肥對不同施氮量下冬油菜氮肥回收利用率的進(jìn)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(xiàn)為 N270＞N180＞N90, 氮肥和鉀肥施用對冬油菜氮素回收利用率產(chǎn)生顯著影響。

2.4 不同氮鉀肥用量下油菜籽產(chǎn)量效應(yīng)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(chǎn)量和相應(yīng)氮肥用量進(jìn)行擬合, 由圖3可知, 在氮鉀肥投入不均衡時, 油菜產(chǎn)量潛力受到極大的限制, 而隨著鉀肥用量的增加, 達(dá)到平臺產(chǎn)量前, 單位氮肥增產(chǎn)率逐漸增加, 單位氮肥增產(chǎn)率增幅逐漸減小, 說明在油菜生產(chǎn)中鉀供應(yīng)充足時,氮肥可更好發(fā)揮其增產(chǎn)效應(yīng), 而偏施氮肥或鉀肥要達(dá)到一定目標(biāo)產(chǎn)量所需的代價逐漸增大； 同時, 隨著鉀供應(yīng)量的增加, 不同施氮量下油菜產(chǎn)量增幅逐漸減小, 在不同鉀肥用量下, 當(dāng)?shù)视昧看笥?08 kg N hm-2時, 油菜產(chǎn)量不再增加,結(jié)果表明, 在油菜生長中存在較強(qiáng)的氮、鉀相互作用, 但過量施用氮鉀肥油菜產(chǎn)量不會進(jìn)一步增長； 目前長江流域冬油菜主產(chǎn)區(qū)氮磷鉀肥配合施用后, 油菜籽平均產(chǎn)量為 2562 kg hm-2, 以油菜籽粒產(chǎn)量2500 kg hm-2為目標(biāo)產(chǎn)量時, 鉀供應(yīng)充足較低鉀(K60)投入平均降低 33.9%的氮肥用量； 當(dāng)以3000 kg hm-2為區(qū)域高產(chǎn)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(dāng)鉀肥用量提高到180 kg K2O hm-2時, 達(dá)到相同目標(biāo)產(chǎn)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(chǎn)量對氮肥的響應(yīng)及與目標(biāo)產(chǎn)量對應(yīng)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(chǎn)量的影響

當(dāng)作物供鉀充足時, 可充分發(fā)揮氮肥的增產(chǎn)作用, 而鉀素供應(yīng)不足則嚴(yán)重限制氮肥肥效。本研究中, 氮鉀配施顯著增加了冬油菜產(chǎn)量, 隨著鉀肥用量的增加, 氮肥肥效明顯增加。鉀供應(yīng)不足時(K0和 K60), 冬油菜施用氮肥的平均增產(chǎn)率為 113.7%； 而在鉀供應(yīng)充足的條件下(K120和K180), 施用氮肥的平均增產(chǎn)率高達(dá) 172.9%, 而施氮不施鉀時, 油菜產(chǎn)量嚴(yán)重下降, 特別在N270K0時產(chǎn)量降幅最多達(dá)1345 kg hm-2, 這與小麥上高氮低鉀供應(yīng)時產(chǎn)量反而下降的結(jié)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(yīng), 發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤鉀素供應(yīng)充足時, 適當(dāng)增施氮肥可進(jìn)一步提高作物的產(chǎn)量。Brennan等[22]在油菜上的研究結(jié)果也表明, 要達(dá)到高產(chǎn)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(yàn)中, 高鉀時氮肥增產(chǎn)率顯著高于低鉀時的氮肥增產(chǎn)率, 可見氮鉀配施是提高油菜產(chǎn)量的關(guān)鍵。而油菜籽產(chǎn)量取決于單位面積角果數(shù)、每角粒數(shù)和千粒重,氮素主要影響冬油菜的分枝數(shù)、角果數(shù)和角粒數(shù)[23], 鉀素對各項(xiàng)產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響較小, 而主要影響單株角果數(shù)和角粒數(shù)[24]。本研究中, 在鉀素供應(yīng)充足時, 施氮對油菜單位面積角果數(shù)的增幅顯著高于低鉀供應(yīng)時, 說明氮鉀配施主要通過增加油菜單位面積角果數(shù)來增加油菜產(chǎn)量, 鉀素對油菜每角粒數(shù)的影響大于氮素。

3.2 氮鉀配施對地上部養(yǎng)分積累及氮素利用的影響

連續(xù)2年試驗(yàn)結(jié)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(jìn)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(jìn)作用更加明顯。研究表明, 作物對施氮量的響應(yīng)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(jìn)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(jīng)過水解、硝化等過程最終轉(zhuǎn)化為 NO3--N被油菜吸收利用,NO3-從根向地上部運(yùn)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(guān)[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(dǎo)光合作用及蛋白質(zhì)合成所需的初級含氮有機(jī)分子的形成,促進(jìn)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(chǎn)適宜的氮鉀肥用量

本研究結(jié)果表明, 氮鉀肥配施是油菜生產(chǎn)獲得高產(chǎn)的先決條件, 達(dá)到區(qū)域平均產(chǎn)量時, 氮鉀配施可顯著降低氮肥用量。據(jù)我國冬油菜主產(chǎn)區(qū)農(nóng)戶氮肥施用情況及推薦施肥調(diào)查結(jié)果顯示, 農(nóng)戶氮肥用量平均變幅為 152～255 kg N hm-2, 產(chǎn)量平均變幅為1722～2360 kg hm-2, 長江流域油菜生產(chǎn)推薦施氮量平均變幅為 140～190 kg N hm-2,產(chǎn)量平均變幅為2265～2751 kg hm-2[30]。在本研究中, 達(dá)到區(qū)域平均產(chǎn)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(nóng)戶施氮降低4.4%～33.5%, 處于區(qū)域氮肥推薦用量范圍內(nèi)； 同時, 鉀供應(yīng)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(qū)域高產(chǎn)量水平, 達(dá)到高產(chǎn)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(chǎn)高產(chǎn)推薦氮鉀肥用量[31]接近。本研究推測區(qū)域施氮變幅較大的原因可能是由生產(chǎn)中氮鉀肥施用不協(xié)調(diào)引起的, 由此可見, 氮鉀配施在油菜生產(chǎn)中具有重要作用, 氮鉀肥平衡施用可以最大限度發(fā)揮氮肥肥效, 減少因氮素過多帶來的負(fù)面效應(yīng)。