轮作体系下麦/油减量施氮与水稻氮肥运筹对作物产量和氮素吸收的影响

马 鹏，杨志远，李 郁，林 郸，孙永健，马 均

(四川农业大学 水稻研究所，农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室，作物生理生态及栽培四川省重点实验室，四川 成都 611130)

氮是作物生长发育的主要营养元素之一，也是作物产量的限制因子[1]。合理的氮肥投入能明显改善作物的生长，提高作物产量；而不合理的氮肥施用往往会降低氮肥和氮素的利用率，甚至会造成作物产量的下降。随着氮肥施用量的增加，我国粮食作物的产量也不断增加，但是肥料利用率却逐渐降低。造成肥料利用率降低的主要原因是过量施用肥料，忽视了环境、土壤养分的有效利用。氮肥施入土壤后，大部分会残留在土壤中，只有一部分被植物吸收或者经挥发损失掉[2-3]，一般地，一季作物收获后土壤中残留的氮占总施氮量的15%～30%，最高的可达40%。残留的氮主要以无机氮、固定态氮等形式存在，容易被后茬作物吸收利用[4-5]。前人研究表明，在小麦-玉米轮作体系下，若考虑小麦季氮肥的后效作用，则玉米季氮肥用量可下调6.5%[6]。在水旱轮作体系下，合理配施氮肥可以提高作物的产量和养分积累量[7-8]。但是，目前在周年轮作体系的施肥量设计中并未充分考虑前茬残留养分的作用。

严奉君等[9]研究表明，秸秆覆盖条件下，氮肥运筹以基肥∶蘖肥∶穗肥用量比为3∶3∶4时水稻根系生长旺盛，物质生产能力强，氮肥利用效率最高。也有研究表明，不增加氮肥用量，适当提高基肥比例，即可提高水稻产量、干物质积累量、氮素积累量和氮肥利用效率[10-12]。李晓峰等[13]研究表明，随基蘖氮肥占总施氮量的比例下降，秸秆全量还田机插粳稻产量呈先增后减趋势，基蘖氮肥与穗氮肥的比例为7∶3时，水稻产量最高。

总的来看，关于轮作模式下氮肥对作物产量和氮肥利用的研究很多，但大多数研究仅局限于单季稻或前茬作物的氮肥调控研究，涉及轮作模式下减量施氮与肥料运筹方式对作物产量和周年养分吸收利用影响的研究仍较少。麦/油-稻轮作是四川盆地主要的轮作模式，季节间的干湿交替变化影响系统氮素的循环。水稻和旱季作物收获后，土壤中的氮素主要以铵态氮和硝态氮的形式存在[14-18]，前茬作物氮肥残留在土壤中的氮素可能会对后茬作物的产量等产生很大的影响。同时，秸秆还田也会影响作物生长季的氮肥运筹。本研究以四川盆地小麦-水稻和油菜-水稻2种轮作模式为例开展氮肥运筹试验，分析小麦季和油菜季减量施氮和稻季氮肥运筹对小麦、油菜、水稻产量和氮肥偏生产力的影响，寻求麦/油-稻轮作体系的适宜施肥量和氮肥运筹模式，旨在为制定周年作物水旱轮作的氮肥科学施用技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017—2018年在四川省成都市温江区四川农业大学水稻研究所试验田(103.87°E，30.71°N)进行。供试土壤类型为砂壤土，0～20 cm土层理化性状：有机质含量24.21 g·kg-1，全氮含量1.52 g·kg-1，碱解氮含量114.93 mg·kg-1，速效磷含量23.89 mg·kg-1，速效钾含量52.61 mg·kg-1，pH值6.19。

1.2 试验设计

试验采用3因素裂裂区设计。主区为2种前茬作物，分别为油菜和小麦。裂区为前茬作物2种氮肥(N)投入量：小麦，常规施氮(Nc)150 kg·hm-2，减量施氮(Nr)120 kg·hm-2；油菜，常规施氮(Nc)180 kg·hm-2，减量施氮(Nr)150 kg·hm-2。裂裂区为水稻季施氮量，在N 150 kg·hm-2用量基础上设计3个运筹：M1，基肥、分蘖肥、穗肥用量比为2∶2∶6；M2，基肥、分蘖肥、穗肥用量比为3∶3∶4；M3，基肥、分蘖肥、穗肥用量比为4∶4∶2；以不施氮(M0)为对照。共计16个处理，每处理重复3次，小区面积12.9 m2，小区间筑埂(30 cm)并用塑料薄膜包裹，以防串水串肥。试验基肥均在移栽前1 d施入，分蘖肥于移栽后7 d施用，穗肥分促花肥和保花肥2次，分别于倒4叶和倒2叶期等量施用。

供试小麦品种为蜀麦969，油菜品种为绵油15号，水稻品种为杂交稻F优498。小麦于2017年10月27日播种，用种量为150 kg·hm-2；油菜于2017年10月5日育秧，11月12日移栽，移栽密度为5.70×104株·hm-2；小麦、油菜收获后秸秆全量还田。水稻采用旱育秧，2018年4月17日播种，5月23日人工移栽，移栽规格33.3 cm×16.7 cm，每穴单株。以常规施氮量为基准，小麦季N、P2O5、K2O配比为2∶1∶1，氮肥按基肥、追肥5∶5的比例施用；油菜季N、P2O5、K2O配比为2∶1∶2，氮肥按基肥、追肥5∶5的比例配施；水稻季N、P2O5、K2O配比为2∶1∶2。同茬作物不同处理的P、K肥用量一致，全部作基肥施用。虫害、病害、鸟害和草害防控都按常规田间管理进行。试验用氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤基础理化性状

土壤样品在作物播栽前用5点采样法采集，取0～20 cm耕层土壤，拣除杂草等杂物，带回实验室于阴凉通风处风干，磨细过筛后于干燥处保存。土壤pH值按照水土比2.5∶1的比例浸提，用电位法测定；有机质含量采用K2Cr2O7-H2SO4稀释热法测定；全氮含量采用FOSS-8400凯氏定氮仪测定；碱解氮含量采用碱解扩散测定；速效磷含量采用钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用火焰光度法测定。

1.3.2 植株养分测定和收获计产

成熟时，油菜每小区随机取3株，小麦在每个小区按照1 m2样方取植株，水稻每小区随机取5株。水稻和小麦分籽粒和茎秆，油菜分籽粒、角壳和茎秆，分别风干，在75 ℃烘箱烘至恒重并称其质量。经磨碎、过筛后，用H2SO4-H2O2消煮，并用FOSS-8400凯氏定氮仪测定植株全氮含量。小麦、油菜和水稻以各小区实际收获产量计产。

计算作物地上部氮素吸收量(收获期单位面积地上部干物质质量与相应植株含氮量的乘积)、麦/油-稻周年氮素吸收量(麦/油地上部和水稻地上部氮素吸收量之和)，以及氮肥偏生产力(PFPN)。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016整理数据；采用DPS 7.05数据处理软件进行统计分析，对有显著差异的处理，采用最小显著差数法(LSD)进行多重比较；采用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 对水稻季土壤起始理化性质的影响

如表1所示，前季作物减量施氮均显著(P<0.05)降低了水稻季土壤的起始有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量：对麦季而言，降幅分别为9.52%、14.20%、4.25%、6.78%和13.02%；对油菜季而言，降幅分别为8.02%、11.76%、8.64%、4.46%和6.89%。整体上看，油菜季土壤的有机质、速效磷和速效钾含量显著(P<0.05)高于麦季，种植油菜后的土壤肥力高于种植小麦。

表1 不同处理对水稻季土壤起始理化性质的影响

Table1Effect of different treatments on initial physicochemical properties of soil in rice season

处理TreatmentOM/(g·kg-1)TN/(g·kg-1)AN/(mg·kg-1)AP/(mg·kg-1)AK/(mg·kg-1)pH麦季Nc28.56 b1.76 b124.24 b24.63 c62.51 b6.02 aWheat seasonNr25.84 d1.51 c118.95 c22.96 d54.37 d6.11 a油菜季Nc29.39 a1.87 a128.47 a26.20 a65.86 a6.19 aRape seasonNr27.03 c1.65 c117.36 d25.03 b61.32 c6.15 a

OM，有机质；TN，全氮；AN，碱解氮；AP，速效磷；AK，速效钾。同列数据后无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。

OM， Organic matter; TN， Total nitrogen; AN， Available nitrogen; AP， Available phosphorus; AK， Available potassium. Data marked without the same letters in the same column indicated significant difference atP<0.05.

2.2 对作物产量的影响

2.2.1 麦-稻轮作

对于小麦季(图1-A)，常规施氮处理下小麦的平均产量为4.42 t·hm-2，而减量施氮处理下的产量为3.74 t·hm-2，较常规施氮处理显著(P<0.05)下降15.36%。对于水稻季(图1-B)，在小麦季常规施氮处理下，M3运筹的水稻产量最高，显著(P<0.05)高于其他运筹，M2和M1运筹的水稻产量次之，相互间无显著差异，均显著(P<0.05)高于M0运筹；但在小麦季减量施氮处理下，M1、M2、M3运筹的水稻产量间无显著差异，均显著(P<0.05)高于M0运筹。减量施氮处理下M1和M2运筹的水稻产量比常规施氮处理下显著(P<0.05)增加。综上，在小麦季减量施氮的基础上搭配稻季M2运筹模式对水稻高产稳产有利。

2.2.2 油-稻轮作

对于油菜季(图1-C)，常规施氮处理下油菜的平均产量为2.59 t·hm-2，而减量施氮处理下油菜的平均产量为2.22 t·hm-2，较常规施氮处理显著(P<0.05)下降14.28%。对于水稻季(图1-D)，在油菜季常规施氮处理下，M3和M2运筹的水稻产量最高，M1运筹的水稻产量次之，三者均显著(P<0.05)高于M0运筹；在油菜季减量施氮处理下，M3运筹的水稻产量最高，显著(P<0.05)高于其他运筹，M2和M1运筹的水稻产量次之，相互间无显著差异，但均显著(P<0.05)高于M0运筹。油菜季减量施氮和常规施氮处理下相同氮肥运筹的水稻产量间并无显著差异。综合来看，在油菜季减量施氮的基础上搭配稻季M3运筹模式可以实现水稻高产稳产。

2.3 对作物地上部生物量的影响

2.3.1 麦-稻轮作

对于小麦季(图2-A)，常规施氮处理下小麦的平均地上部生物量为12.81 t·hm-2，而减量施氮处理下为10.99 t·hm-2，较常规施氮处理显著(P<0.05)下降14.21%。对于水稻季(图2-B)，小麦季常规施氮和减量施氮处理下均表现为M3和M2运筹的水稻地上部生物量最高，M1运筹次之，三者均显著(P<0.05)高于M0运筹。小麦季减量施氮和常规施氮处理下相同氮肥运筹的水稻地上部生物量并无显著差异。

A、B，麦-稻轮作；C、D，油-稻轮作。柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。A， B， Wheat-rice rotation; C， D， Rape-rice rotation. Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05. The same as below.图1 不同处理对麦/油-稻轮作体系作物产量的影响Fig.1 Effects of different treatments on crop yield under wheat/rape-rice rotation system

A、B，麦-稻轮作；C、D，油-稻轮作。A， B， Wheat-rice rotation; C， D， Rape-rice rotation.图2 不同处理对麦/油-稻轮作体系作物地上部生物量的影响Fig.2 Effect of different treatments on aboveground biomass under wheat/rape-rice rotation system

2.3.2 油-稻轮作

对于油菜季(图2-C)，常规施氮处理下油菜的平均地上部生物量为7.42 t·hm-2，而减量施氮处理下为7.25 t·hm-2，两者差异不显著。对于水稻季(图2-D)，小麦季常规施氮和减量施氮处理下均表现为M3、M2、M1运筹的水稻地上部生物量无显著差异，但三者均显著(P<0.05)高于M0运筹。

2.4 对作物地上部氮素吸收量的影响

2.4.1 麦-稻轮作

对于小麦季(图3-A)，常规施氮处理下小麦地上部氮素(N)吸收量均值为94.69 kg·hm-2，而减量施氮处理下为78.46 kg·hm-2，较常规施氮处理显著(P<0.05)降低17.14%。对于水稻季(图3-B)，在小麦季常规施氮和减量施氮处理下，水稻季不同氮肥运筹下地上部氮素吸收量均表现为M2>M3>M1>M0，且各处理间差异均达到显著水平(P<0.05)。在M1、M2和M3运筹模式下，小麦季减量施氮处理的水稻地上部氮素吸收量相对于常规施氮处理均显著(P<0.05)降低，降幅分别为5.53%、9.42%和11.43%，但M0运筹模式下二者差异不显著。从麦-稻轮作周年效果(图3-C)可以看出，水稻季相同氮肥运筹的作物地上部氮素吸收量在小麦季减量施氮处理下均显著(P<0.05)低于常规施氮处理；无论是小麦季减量施氮还是常规施氮处理，4种运筹模式下，作物地上部氮素吸收量均以M2最高、M0最低。

2.4.2 油-稻轮作

对于油菜季(图3-D)，常规施氮处理下油菜地上部氮素吸收量均值为90.75 kg·hm-2，而减量施氮处理下为75.54 kg·hm-2，较常规施氮处理显著(P<0.05)降低16.76%。对于水稻季(图3-E)，在油菜季常规施氮和减量施氮处理下，水稻季不同氮肥运筹下地上部氮素吸收量均表现为M3>M2>M1>M0，且各处理间差异均达到显著水平(P<0.05)，水稻季相同氮肥运筹的作物地上部氮素吸收量在油菜季减量施氮处理下圴显著(P<0.05)低于常规施氮处理，且在4种运筹模式下，作物地上部氮素吸收量均以M3最高、M0最低。从油-稻轮作周年效果(图3-F)来看，与水稻地上部氮素吸收量的变化相似。

2.5 对作物氮肥偏生产力的影响

2.5.1 麦-稻轮作

对于小麦季(图4-A)，常规施氮处理下小麦的氮肥偏生产力均值为29.49 kg·kg-1，而减量施氮处理下为31.20 kg·kg-1，较常规施氮处理显著(P<0.05)增加5.79%。对于水稻季(图4-B)，在小麦季常规施氮处理下，不同氮肥运筹的水稻氮肥偏生产力无显著差异，但在小麦季减量施氮处理下，M1和M2运筹的水稻氮肥偏生产力显著(P<0.05)高于M3。此外，在M3运筹模式下，小麦季减量施氮处理的水稻氮肥偏生产力较小麦季常规施肥处理显著(P<0.05)下降9.45%。

A、B、C，麦-稻轮作；D、E、F，油-稻轮作。A， B， C， Wheat-rice rotation; D， E， F， Rape-rice rotation.图3 不同处理对麦/油-稻轮作体系作物地上部氮素吸收量的影响Fig.3 Effect of different treatments on nitrogen uptake in aboveground part under wheat/rape-rice rotation system

A、B，麦-稻轮作；C、D，油-稻轮作。A， B， Wheat-rice rotation; C， D， Rape-rice rotation.图4 不同处理对麦/油-稻轮作体系作物氮肥偏生产力的影响Fig.4 Effect of different treatments on partial factor productivity of applied N under wheat/rape-rice rotation system

2.5.2 油-稻轮作

对于油菜季(图4-C)，常规施氮处理下油菜的氮肥偏生产力均值为14.39 kg·kg-1，而减量施氮处理下为14.81 kg·kg-1，两者差异不显著。对于水稻季(图4-D)，在油菜季常规施氮处理下，水稻氮肥偏生产力表现为M3>M2>M1，且各处理间差异显著(P<0.05)；但在减量施氮处理下，水稻的氮肥偏生产力表现为M3最高，显著(P<0.05)高于M1和M2，而M1与M2的水稻氮肥偏生产力无显著差异。此外，在M2运筹模式下，油菜季减量施氮处理的水稻氮肥偏生产力较油菜季常规施氮处理显著(P<0.05)下降2.75%。

3 讨论

3.1 减量施氮与氮肥运筹对麦/油-稻轮作体系作物产量的影响

作物产量是表征土壤综合生产力的一项重要指标。化肥施用量及其运筹对土壤的综合生产力有很大影响，最终会影响作物的产量和肥料利用率。已有研究表明，施用氮肥能明显增加作物的产量，促进氮素吸收[19-23]。减量施氮必须建立在保障粮食产量的前提下，最低限度地施用氮肥，最高限度地提高作物产量，从而达到作物的高产和氮肥资源的高效利用。前人研究表明，如果土壤的背景氮含量较高，氮肥减量至常规施氮量的50%并不会造成作物产量的明显下降[24-25]。本研究发现，小麦季减量施氮时，小麦产量显著降低。麦-稻轮作体系下，在麦季常规施氮条件下，以M3(基肥、分蘖肥、穗肥用量比为4∶4∶2)氮肥运筹模式的水稻产量最高；在麦季减量施氮条件下，以M2(基肥、分蘖肥、穗肥用量比为3∶3∶4)氮肥运筹模式的产量最高。这可能是因为，小麦季常规施氮导致稻田的土壤肥力比较高，土壤的供氮能力比较强，稻季M3运筹模式下，前期较高的基蘖肥比例可以增加水稻抽穗期的茎鞘干物质量，同时促进抽穗期茎鞘所储存的干物质向籽粒的运转从而增加水稻的产量；在小麦季减量施氮条件下，土壤的供氮能力和保肥能力弱，稻季M2运筹模式通过适当减少基蘖肥比例、重施穗肥可以有效降低高峰苗、提高成穗率，以保证足够的穗数，同时可以提高水稻抽穗至成熟期的群体光合势，提高氮素的当季利用效率，从而最终增产。

本研究表明，油菜季减量施氮时，油菜产量显著降低。油-稻轮作体系下，油菜季无论减氮与否，均以M3氮肥运筹模式的水稻产量最高。这可能是因为，油-稻轮作体系油菜季后土壤的基础肥力略高于麦-稻轮作体系小麦季后土壤的基础肥力，如同麦-稻轮作的试验结果，在较适宜的土壤基础肥力条件下，稻季M3运筹更有助于促进水稻分蘖早生快发，可以适当减少无效分蘖，提高抽穗后的绿叶面积和高效叶面积比率，增加水稻群体的光合势，提高水稻的结实率，促进大穗饱粒的形成，提高群体质量，从而增产。

本研究中，油-稻轮作体系的水稻产量高于麦-稻轮作体系。这可能是因为油菜根系分泌的有机酸可以溶解土壤中难溶的磷素，提高土壤中磷的有效性[26-27]。同时，油菜的还田生物量比较大(在油菜生长过程中，叶片基本上全部脱落还田，占生物量的15%～20%)，因此，民间素有“油菜是一种养地作物”的说法。此外，油菜作为直根系作物，与水稻进行轮作有利于改善土壤结构，而且油菜含有丰富的硫甙，有助于作物高产。

3.2 减量施氮与氮肥运筹对麦/油-稻轮作体系作物氮肥利用的影响

减少氮肥用量、提高氮肥利用率是减少氮素流失的主要措施之一。中国稻田单季水稻的氮肥(N)用量平均为180 kg·hm-2，比世界平均用量约高出75%，水稻的平均单产比世界平均水平高65%，表现出一定的高产不高效的现象[28]。通过减少前期氮肥用量、增加穗肥比例，可以提高水稻的产量；适宜的基蘖肥与穗肥比例也可以提高氮素的回收利用率和氮素生理利用率。吴成龙等[29]研究发现，在稻-麦轮作条件下，秸秆与化肥氮配施后可提高氮肥利用率。陆强等[30]研究表明，在稻-麦轮作体系中，秸秆还田配施化肥能显著提高水稻和小麦的氮肥表观利用率和农学利用率。本研究发现，在麦-稻轮作体系下，无论是水稻单季还是周年的作物氮素吸收量，均以M2运筹模式下的地上部氮素吸收量最高；但在油-稻轮作体系下，无论是水稻单季还是周年的作物氮素吸收量，均以M3运筹模式下最高。这可能是因为油菜田土壤基础肥力比较高，氮肥前移可化解前期秸秆腐解与稻株“争氮”的矛盾，更好满足水稻生长对氮素的需求[31]。本研究还发现，油-稻轮作下水稻的氮肥偏生产力高于麦-稻轮作下，这可能与还田秸秆种类和地力变化有关。

4 结论

本研究表明，在麦-稻轮作体系下，小麦季减量施氮降低了小麦的产量、小麦地上部生物量和小麦地上部氮素吸收量，提高了小麦氮肥偏生产力。小麦季常规施氮时，M3运筹的水稻产量最高，而减量施氮时，M2运筹的水稻产量、地上部氮素吸收量和氮肥偏生产力最高。在油-稻轮作模式下，油菜季减量施氮降低了油菜的产量和地上部氮素吸收量。但是从整个轮作系统看，无论减氮与否，均以M3运筹的水稻产量、地上部生物量和氮肥偏生产力最高。从整个轮作周期来看，合理的氮素分配是作物获得高产和肥料资源实现高效利用的重要途径。但要指出的是，本研究仅是在麦/油-稻轮作体系下以单一作物品种为例分析了减量施氮的效果，模糊了不同品种的氮效率差异，对于不同品种，尚需进一步开展试验进行研究。