李 静 闫金垚 胡文诗 李小坤 丛日环 任 涛 鲁剑巍

华中农业大学资源与环境学院 / 农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室, 湖北武汉 430070

自20世纪50年代以来, 农业生产中化学氮肥的施用量急剧增加[1], 在许多农业集约化产区, 为了提高作物产量, 往往施用大量氮肥, 导致氮肥利用率明显下降。过量的氮素进入环境中造成水体富营养化、土壤酸化、温室气体排放加剧、氮沉降量增加等一系列严重的环境问题[2-4]。与氮肥施用相比, 钾肥的施用在农业生产中一直被忽视,我国钾肥用量远低于氮肥用量[5]。钾肥投入不足导致农业生态系统中的钾素失衡和产量停滞, 将随着时间的推移更加明显[6], 在中国不同的种植系统和农业生态区内, 钾素亏缺广泛存在, 导致了土壤中钾的不断枯竭[7]。Khan等[8]在小麦上的研究表明, 随着施氮、钾量的增加, 小麦的生物量和产量均显著提高, 小麦对钾施用量的响应随着施氮量的增加而增加, Jackson等[9]在玉米上最新研究结果表明, 缺钾既限制了玉米产量, 也限制了玉米对氮肥的响应能力, 而氮钾肥施用显著增加了玉米籽粒产量, 且钾供应充足时玉米对氮肥的响应更高。由此可见, 合理的氮钾肥配比有利于作物的生长, 增加作物产量, 提高肥料利用率。

油菜是世界第二大油料作物, 在气候温和地区广泛种植[10]。油菜为我们提供了优质的植物油, 菜籽油占我国国产油料作物产油量的57.2%[11], 因此, 油菜高产和稳产对于保证我国食用油供给具有重要的意义。作为油菜高产和稳产的重要措施, 我国冬油菜合理施用氮肥和钾肥的平均增产率分别为42.5%和16.1%[12]。但据调查, 在我国油菜主产区的长江流域, 冬油菜生产中氮肥平均用量为175 kg N hm-2, 而钾肥施用量仅为42 kg K2O hm-2, 甚至有22.8%农户在实际生产中并不施用钾肥[13]。农民往往重视氮肥, 而忽视钾肥的施用, 氮钾肥不协调施用已经成为限制油菜产量及肥料利用率的重要因子。重氮轻钾是我国农业生产中的突出问题, 为了达到 2020年化肥零增长,走资源节约、环境友好型现代农业发展之路的目标, 实现油菜生产减肥增效、绿色增产增效, 本研究在冬油菜主产区开展了连续2年的氮钾配施田间试验, 旨在探明氮钾配施对油菜产量及氮素利用的影响, 为冬油菜生产中氮钾肥合理配施实现油菜的高产、高效提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

湖北省武穴市梅川镇(30°06'N, 115°36'E), 供试土壤为花岗片麻岩母质发育的水稻土, 0～20 cm耕层土壤 pH 5.76, 含有机质32.1 g kg-1、全氮1.75 g kg-1、速效钾54.5 mg kg-1、速效磷3.4 mg kg-1、有效硼0.48 mg kg-1。试验点前茬作物为水稻。

1.2 试验设计

采用氮钾两因素完全试验设计, 氮、钾各设置0、90、180、270 kg N hm-2和 0、60、120、180 kg K2O hm-24 个水平, 记做 N0、N90、N180、N270及 K0、K60、K120、K180。共16个处理, 每个处理3次重复, 完全随机区组排列, 小区面积为20 m2。

各处理磷硼肥用量相同, 分别为90 kg P2O5hm-2、硼沙15 kg hm-2。供试肥料分别为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含 P2O512%)、氯化钾(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年试验供试油菜品种均为华油杂9号, 采用育苗移栽的方式。在每年的9月中下旬播种育苗, 选取4～5片叶(苗龄约45 d)大小均一的油菜幼苗移栽到试验田, 移栽的密度为11.25×104plants hm-2。所有试验小区布置完成后在整个试验外围设保护区, 保护区内亦种植移栽油菜, 在试验过程中, 所有的田间管理,包括除草剂施用和病虫害的防治等, 均采用当地的栽培管理方法。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤样品的采集与分析 土壤基础样品在前茬水稻收获后油菜基肥施用前采集。以整个试验田块为采样单元, 在试验田块内以“S”形均匀布点15个, 取0～20 cm耕作层土壤, 实验室风干磨细过20目和100目筛, 供理化分析用。按常规方法测定土壤基本理化性质[14]。按水土比2.5∶1.0, 后用pH计测定土壤pH； 采用重铬酸钾容量法测定有机质； 采用半微量开氏法测定全氮； 采用 1 mol L-1NH4OAc浸提火焰光度计测定速效钾； 采用 0.5 mol L-1NaHCO3浸提钼锑抗比色法测定速效磷； 采用热水回流姜黄素比色法测定有效硼。

1.3.2 成熟期样品采集与测定 收获前 2～3 d调查移栽冬油菜所有试验处理的产量构成因素, 包括单位面积角果数(通过单株角果数和移栽密度换算)和每角粒数(角果中油菜籽的个数, 每株随机选取30个角果, 计平均值),及收获后的千粒重(采用千粒板随机测定2000粒风干后油菜籽的质量)。每个试验处理 3次重复, 选取每个小区10株有代表性的植株进行调查, 各项指标取平均值作为调查结果。

油菜成熟后从各小区随机取样6株, 齐地收割地上部,放入网袋内悬挂风干脱粒后分别测定籽粒、茎秆和角壳干重, 各部位样品经烘干、磨细、过筛后供养分含量测定分析用。籽粒产量以各小区实收风干重计量。浓H2SO4-H2O2联合消煮后, 用流动注射分析仪(AA3, SEAL, Germany)测定全氮含量, 火焰光度计测定全钾含量。

1.4 参数计算与统计分析

植株各部位氮、钾积累量为植株地上部不同部位干物质量与相应部位氮、钾养分含量之积； 参考彭少兵等方法[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, %), 反映作物对施入土壤中肥料氮素的回收效率,即REN= (U-U0) × 100/F, 其中U为施氮区作物收获时地上部氮总积累量, U0为不施氮区作物收获时地上部氮总积累量, F为施氮量。

本研究对不同施钾量下油菜产量对氮肥响应的 2个施肥模型(线性加平台和二次多项式模型)[17-18]进行比较,选取最小残差平方和[19]的模型拟合肥料用量和作物产量间的关系。采用Microsoft Excel 2013软件计算处理试验数据, 利用SPSS 18.0软件进行统计分析, 采用Origin Pro 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同氮钾肥用量对冬油菜产量及产量构成的影响

2年油菜产量存在明显差异(F=15.9**), 但籽粒产量对氮肥和钾肥施用的响应趋势相似, 钾肥用量在 0～120 kg K2O hm-2范围内, 油菜产量随钾肥用量的增加显著增加, 继续增施钾肥增产效果不显著； 随着钾肥用量的增加,氮肥肥效明显增加, 在钾供应不足时(K0和 K60), 冬油菜施用氮肥的平均增产率为 113.7%； 而在钾供应充足的条件下(K120和K180), 施用氮肥的平均增产率高达172.9%。施氮不施钾时油菜产量严重下降, 特别在 N270K0时产量降幅最多达1345 kg hm-2； 施氮处理具有较高F值, 表明氮肥施用对油菜产量的贡献大于钾肥, 氮钾配施对油菜产量形成具有显著交互作用(表1)。

表1 不同氮肥和钾肥用量对2016-2017和2017-2018年油菜产量的影响Table 1 Effects of different nitrogen and potassium fertilizer application rates on rapeseed yield in 2016-2017 and 2017-2018 growing season

氮钾配施对油菜产量构成因子的影响 2年表现出相似的变化趋势, 氮钾配施主要增加了移栽油菜单位面积角果数, 从而增加油菜产量, 氮肥施用对油菜单位面积角果数形成的影响大于钾肥, 钾肥施用对每角粒数增加的贡献大于氮肥, 氮肥施用对千粒重的影响大于钾肥, 同一施氮量下不同钾处理间籽粒千粒重无显著差异(表2)。

表2 不同氮肥和钾肥用量对2016-2017和2017-2018年油菜籽产量构成因素的影响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 氮钾配施对油菜地上部氮钾积累量的影响

氮钾配施显著增加了油菜地上部氮钾积累量(图 1)。同一施氮量下, 施钾显著增加油菜地上部氮积累量, 且钾肥用量在0～120 kg K2O hm-2范围内, 油菜地上部氮积累量随钾肥用量的增加显著增加, 继续增施钾肥, 地上部氮积累量增加不显著； 不同施氮量下, 施钾对油菜地上部氮积累量的增幅作用不同, 不施氮(N0)或低氮(N90)下, 施钾地上部氮积累量平均增加 18.4%和 26.4%, 供氮充足时(N120和 N180), 施钾地上部氮积累量平均增幅高达 41.9%和 60.9%； 成熟期油菜地上部氮主要累积在籽粒中, 且同一施氮量下, 随施钾量的增加籽粒氮积累量占地上部氮积累量的比例逐渐增加。与氮积累不同, 油菜地上部钾主要积累在茎秆和角壳中, 施钾显著增加了油菜地上部钾积累量, 低钾条件下施氮对地上部钾积累量的增幅作用明显小于供钾充足时的增幅作用, 氮、钾及氮钾交互对成熟期油菜地上部钾吸收产生极显著影响。

2.3 氮钾肥施用对氮肥利用的影响

钾肥施用显著提高了氮肥回收利用率(图2), 与K0处理相比, K120处理冬油菜氮肥回收利用率平均提高了16.6%, 继续增施钾肥对不同施氮量下冬油菜氮肥回收利用率的进一步提高无明显作用； 不同施氮量下, 施钾对氮素回收利用率的提升作用不同, 整体表现为 N270＞N180＞N90, 氮肥和钾肥施用对冬油菜氮素回收利用率产生显著影响。

2.4 不同氮钾肥用量下油菜籽产量效应及适宜氮钾肥用量

采用线性加平台模型对不同氮钾肥用量下油菜籽粒产量和相应氮肥用量进行拟合, 由图3可知, 在氮钾肥投入不均衡时, 油菜产量潜力受到极大的限制, 而随着钾肥用量的增加, 达到平台产量前, 单位氮肥增产率逐渐增加, 单位氮肥增产率增幅逐渐减小, 说明在油菜生产中钾供应充足时,氮肥可更好发挥其增产效应, 而偏施氮肥或钾肥要达到一定目标产量所需的代价逐渐增大； 同时, 随着钾供应量的增加, 不同施氮量下油菜产量增幅逐渐减小, 在不同钾肥用量下, 当氮肥用量大于208 kg N hm-2时, 油菜产量不再增加,结果表明, 在油菜生长中存在较强的氮、钾相互作用, 但过量施用氮钾肥油菜产量不会进一步增长； 目前长江流域冬油菜主产区氮磷钾肥配合施用后, 油菜籽平均产量为 2562 kg hm-2, 以油菜籽粒产量2500 kg hm-2为目标产量时, 钾供应充足较低钾(K60)投入平均降低 33.9%的氮肥用量； 当以3000 kg hm-2为区域高产量水平时, 钾肥用量为120 kg K2O hm-2, 氮肥用量为179 kg N hm-2, 当钾肥用量提高到180 kg K2O hm-2时, 达到相同目标产量氮肥用量降低10.1%。

图1 氮钾肥配施对2016-2017和2017-2018年收获期地上部氮钾积累量的影响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

图2 氮钾肥配施对2016-2017和2017-2018年冬油菜氮素利用效率的影响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

图 3 不同施钾量下油菜产量对氮肥的响应及与目标产量对应的最佳施氮量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 讨论

3.1 氮钾配施对冬油菜产量的影响

当作物供钾充足时, 可充分发挥氮肥的增产作用, 而钾素供应不足则严重限制氮肥肥效。本研究中, 氮钾配施显著增加了冬油菜产量, 随着钾肥用量的增加, 氮肥肥效明显增加。钾供应不足时(K0和 K60), 冬油菜施用氮肥的平均增产率为 113.7%； 而在钾供应充足的条件下(K120和K180), 施用氮肥的平均增产率高达 172.9%, 而施氮不施钾时, 油菜产量严重下降, 特别在N270K0时产量降幅最多达1345 kg hm-2, 这与小麦上高氮低钾供应时产量反而下降的结果一致[20]。Johnston等[21]研究了不同速效钾含量土壤上春大麦对施氮量的响应, 发现当土壤钾素供应充足时, 适当增施氮肥可进一步提高作物的产量。Brennan等[22]在油菜上的研究结果也表明, 要达到高产随着氮肥用量的增加, 油菜对钾肥的需求量逐渐增加, 在2年不同梯度氮钾配施试验中, 高钾时氮肥增产率显著高于低钾时的氮肥增产率, 可见氮钾配施是提高油菜产量的关键。而油菜籽产量取决于单位面积角果数、每角粒数和千粒重,氮素主要影响冬油菜的分枝数、角果数和角粒数[23], 钾素对各项产量构成因素的影响较小, 而主要影响单株角果数和角粒数[24]。本研究中, 在钾素供应充足时, 施氮对油菜单位面积角果数的增幅显著高于低钾供应时, 说明氮钾配施主要通过增加油菜单位面积角果数来增加油菜产量, 钾素对油菜每角粒数的影响大于氮素。

3.2 氮钾配施对地上部养分积累及氮素利用的影响

连续2年试验结果表明, 氮钾配施对地上部氮素积累量具有显著影响, 施钾可以促进地上部氮积累量的增加,提高氮素回收利用率, 且供钾充足时促进作用更加明显。研究表明, 作物对施氮量的响应受土壤钾肥力差异的影响[25], Duncan等[26]在小麦上的研究表明, 氮钾配施显著影响作物根系以及地上部生长, 进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, 施用的氮肥经过水解、硝化等过程最终转化为 NO3--N被油菜吸收利用,NO3-从根向地上部运输过程中往往以 K+作为陪伴离子,NO3-和 K+同化和利用存在明显正相关[27-28]； 此外, 施钾可以提高叶片碳酸氢酶和硝酸还原酶的活性, 从而诱导光合作用及蛋白质合成所需的初级含氮有机分子的形成,促进氮在地上部的同化[29], 提高作物地上部氮积累量和氮肥利用率。

3.3 氮钾配施时冬油菜生产适宜的氮钾肥用量

本研究结果表明, 氮钾肥配施是油菜生产获得高产的先决条件, 达到区域平均产量时, 氮钾配施可显著降低氮肥用量。据我国冬油菜主产区农户氮肥施用情况及推荐施肥调查结果显示, 农户氮肥用量平均变幅为 152～255 kg N hm-2, 产量平均变幅为1722～2360 kg hm-2, 长江流域油菜生产推荐施氮量平均变幅为 140～190 kg N hm-2,产量平均变幅为2265～2751 kg hm-2[30]。在本研究中, 达到区域平均产量, 氮钾配施钾肥用量为 60～120 kg K2O hm-2, 氮肥用量为 134～191 kg N hm-2, 较农户施氮降低4.4%～33.5%, 处于区域氮肥推荐用量范围内； 同时, 钾供应充足较低钾(K60)投入平均降低33.9%的氮肥用量； 本研究以3000 kg hm-2为区域高产量水平, 达到高产水平时钾肥用量为120 kg K2O hm-2, 氮肥用量为179 kg N hm-2,这与长江流域冬油菜生产高产推荐氮钾肥用量[31]接近。本研究推测区域施氮变幅较大的原因可能是由生产中氮钾肥施用不协调引起的, 由此可见, 氮钾配施在油菜生产中具有重要作用, 氮钾肥平衡施用可以最大限度发挥氮肥肥效, 减少因氮素过多带来的负面效应。