馬 鵬，楊志遠，李 郁，林 鄲，孫永健，馬 均

(四川農(nóng)業(yè)大學 水稻研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室，四川 成都 611130)

氮是作物生長發(fā)育的主要營養(yǎng)元素之一，也是作物產(chǎn)量的限制因子[1]。合理的氮肥投入能明顯改善作物的生長，提高作物產(chǎn)量；而不合理的氮肥施用往往會降低氮肥和氮素的利用率，甚至會造成作物產(chǎn)量的下降。隨著氮肥施用量的增加，我國糧食作物的產(chǎn)量也不斷增加，但是肥料利用率卻逐漸降低。造成肥料利用率降低的主要原因是過量施用肥料，忽視了環(huán)境、土壤養(yǎng)分的有效利用。氮肥施入土壤后，大部分會殘留在土壤中，只有一部分被植物吸收或者經(jīng)揮發(fā)損失掉[2-3]，一般地，一季作物收獲后土壤中殘留的氮占總施氮量的15%～30%，最高的可達40%。殘留的氮主要以無機氮、固定態(tài)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，在小麥-玉米輪作體系下，若考慮小麥季氮肥的后效作用，則玉米季氮肥用量可下調(diào)6.5%[6]。在水旱輪作體系下，合理配施氮肥可以提高作物的產(chǎn)量和養(yǎng)分積累量[7-8]。但是，目前在周年輪作體系的施肥量設計中并未充分考慮前茬殘留養(yǎng)分的作用。

嚴奉君等[9]研究表明，秸稈覆蓋條件下，氮肥運籌以基肥∶蘗肥∶穗肥用量比為3∶3∶4時水稻根系生長旺盛，物質(zhì)生產(chǎn)能力強，氮肥利用效率最高。也有研究表明，不增加氮肥用量，適當提高基肥比例，即可提高水稻產(chǎn)量、干物質(zhì)積累量、氮素積累量和氮肥利用效率[10-12]。李曉峰等[13]研究表明，隨基蘗氮肥占總施氮量的比例下降，秸稈全量還田機插粳稻產(chǎn)量呈先增后減趨勢，基蘗氮肥與穗氮肥的比例為7∶3時，水稻產(chǎn)量最高。

總的來看，關于輪作模式下氮肥對作物產(chǎn)量和氮肥利用的研究很多，但大多數(shù)研究僅局限于單季稻或前茬作物的氮肥調(diào)控研究，涉及輪作模式下減量施氮與肥料運籌方式對作物產(chǎn)量和周年養(yǎng)分吸收利用影響的研究仍較少。麥/油-稻輪作是四川盆地主要的輪作模式，季節(jié)間的干濕交替變化影響系統(tǒng)氮素的循環(huán)。水稻和旱季作物收獲后，土壤中的氮素主要以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的形式存在[14-18]，前茬作物氮肥殘留在土壤中的氮素可能會對后茬作物的產(chǎn)量等產(chǎn)生很大的影響。同時，秸稈還田也會影響作物生長季的氮肥運籌。本研究以四川盆地小麥-水稻和油菜-水稻2種輪作模式為例開展氮肥運籌試驗，分析小麥季和油菜季減量施氮和稻季氮肥運籌對小麥、油菜、水稻產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的影響，尋求麥/油-稻輪作體系的適宜施肥量和氮肥運籌模式，旨在為制定周年作物水旱輪作的氮肥科學施用技術提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017—2018年在四川省成都市溫江區(qū)四川農(nóng)業(yè)大學水稻研究所試驗田(103.87°E，30.71°N)進行。供試土壤類型為砂壤土，0～20 cm土層理化性狀：有機質(zhì)含量24.21 g·kg-1，全氮含量1.52 g·kg-1，堿解氮含量114.93 mg·kg-1，速效磷含量23.89 mg·kg-1，速效鉀含量52.61 mg·kg-1，pH值6.19。

1.2 試驗設計

試驗采用3因素裂裂區(qū)設計。主區(qū)為2種前茬作物，分別為油菜和小麥。裂區(qū)為前茬作物2種氮肥(N)投入量：小麥，常規(guī)施氮(Nc)150 kg·hm-2，減量施氮(Nr)120 kg·hm-2；油菜，常規(guī)施氮(Nc)180 kg·hm-2，減量施氮(Nr)150 kg·hm-2。裂裂區(qū)為水稻季施氮量，在N 150 kg·hm-2用量基礎上設計3個運籌：M1，基肥、分蘗肥、穗肥用量比為2∶2∶6；M2，基肥、分蘗肥、穗肥用量比為3∶3∶4；M3，基肥、分蘗肥、穗肥用量比為4∶4∶2；以不施氮(M0)為對照。共計16個處理，每處理重復3次，小區(qū)面積12.9 m2，小區(qū)間筑埂(30 cm)并用塑料薄膜包裹，以防串水串肥。試驗基肥均在移栽前1 d施入，分蘗肥于移栽后7 d施用，穗肥分促花肥和?；ǚ?次，分別于倒4葉和倒2葉期等量施用。

供試小麥品種為蜀麥969，油菜品種為綿油15號，水稻品種為雜交稻F優(yōu)498。小麥于2017年10月27日播種，用種量為150 kg·hm-2；油菜于2017年10月5日育秧，11月12日移栽，移栽密度為5.70×104株·hm-2；小麥、油菜收獲后秸稈全量還田。水稻采用旱育秧，2018年4月17日播種，5月23日人工移栽，移栽規(guī)格33.3 cm×16.7 cm，每穴單株。以常規(guī)施氮量為基準，小麥季N、P2O5、K2O配比為2∶1∶1，氮肥按基肥、追肥5∶5的比例施用；油菜季N、P2O5、K2O配比為2∶1∶2，氮肥按基肥、追肥5∶5的比例配施；水稻季N、P2O5、K2O配比為2∶1∶2。同茬作物不同處理的P、K肥用量一致，全部作基肥施用。蟲害、病害、鳥害和草害防控都按常規(guī)田間管理進行。試驗用氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤基礎理化性狀

土壤樣品在作物播栽前用5點采樣法采集，取0～20 cm耕層土壤，揀除雜草等雜物，帶回實驗室于陰涼通風處風干，磨細過篩后于干燥處保存。土壤pH值按照水土比2.5∶1的比例浸提，用電位法測定；有機質(zhì)含量采用K2Cr2O7-H2SO4稀釋熱法測定；全氮含量采用FOSS-8400凱氏定氮儀測定；堿解氮含量采用堿解擴散測定；速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用火焰光度法測定。

1.3.2 植株養(yǎng)分測定和收獲計產(chǎn)

成熟時，油菜每小區(qū)隨機取3株，小麥在每個小區(qū)按照1 m2樣方取植株，水稻每小區(qū)隨機取5株。水稻和小麥分籽粒和莖稈，油菜分籽粒、角殼和莖稈，分別風干，在75 ℃烘箱烘至恒重并稱其質(zhì)量。經(jīng)磨碎、過篩后，用H2SO4-H2O2消煮，并用FOSS-8400凱氏定氮儀測定植株全氮含量。小麥、油菜和水稻以各小區(qū)實際收獲產(chǎn)量計產(chǎn)。

計算作物地上部氮素吸收量(收獲期單位面積地上部干物質(zhì)質(zhì)量與相應植株含氮量的乘積)、麥/油-稻周年氮素吸收量(麥/油地上部和水稻地上部氮素吸收量之和)，以及氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016整理數(shù)據(jù)；采用DPS 7.05數(shù)據(jù)處理軟件進行統(tǒng)計分析，對有顯著差異的處理，采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進行多重比較；采用Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 對水稻季土壤起始理化性質(zhì)的影響

如表1所示，前季作物減量施氮均顯著(P<0.05)降低了水稻季土壤的起始有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量：對麥季而言，降幅分別為9.52%、14.20%、4.25%、6.78%和13.02%；對油菜季而言，降幅分別為8.02%、11.76%、8.64%、4.46%和6.89%。整體上看，油菜季土壤的有機質(zhì)、速效磷和速效鉀含量顯著(P<0.05)高于麥季，種植油菜后的土壤肥力高于種植小麥。

表1 不同處理對水稻季土壤起始理化性質(zhì)的影響

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

處理TreatmentOM/(g·kg-1)TN/(g·kg-1)AN/(mg·kg-1)AP/(mg·kg-1)AK/(mg·kg-1)pH麥季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，有機質(zhì)；TN，全氮；AN，堿解氮；AP，速效磷；AK，速效鉀。同列數(shù)據(jù)后無相同字母的表示差異顯著(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 對作物產(chǎn)量的影響

2.2.1 麥-稻輪作

對于小麥季(圖1-A)，常規(guī)施氮處理下小麥的平均產(chǎn)量為4.42 t·hm-2，而減量施氮處理下的產(chǎn)量為3.74 t·hm-2，較常規(guī)施氮處理顯著(P<0.05)下降15.36%。對于水稻季(圖1-B)，在小麥季常規(guī)施氮處理下，M3運籌的水稻產(chǎn)量最高，顯著(P<0.05)高于其他運籌，M2和M1運籌的水稻產(chǎn)量次之，相互間無顯著差異，均顯著(P<0.05)高于M0運籌；但在小麥季減量施氮處理下，M1、M2、M3運籌的水稻產(chǎn)量間無顯著差異，均顯著(P<0.05)高于M0運籌。減量施氮處理下M1和M2運籌的水稻產(chǎn)量比常規(guī)施氮處理下顯著(P<0.05)增加。綜上，在小麥季減量施氮的基礎上搭配稻季M2運籌模式對水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有利。

2.2.2 油-稻輪作

對于油菜季(圖1-C)，常規(guī)施氮處理下油菜的平均產(chǎn)量為2.59 t·hm-2，而減量施氮處理下油菜的平均產(chǎn)量為2.22 t·hm-2，較常規(guī)施氮處理顯著(P<0.05)下降14.28%。對于水稻季(圖1-D)，在油菜季常規(guī)施氮處理下，M3和M2運籌的水稻產(chǎn)量最高，M1運籌的水稻產(chǎn)量次之，三者均顯著(P<0.05)高于M0運籌；在油菜季減量施氮處理下，M3運籌的水稻產(chǎn)量最高，顯著(P<0.05)高于其他運籌，M2和M1運籌的水稻產(chǎn)量次之，相互間無顯著差異，但均顯著(P<0.05)高于M0運籌。油菜季減量施氮和常規(guī)施氮處理下相同氮肥運籌的水稻產(chǎn)量間并無顯著差異。綜合來看，在油菜季減量施氮的基礎上搭配稻季M3運籌模式可以實現(xiàn)水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

2.3 對作物地上部生物量的影響

2.3.1 麥-稻輪作

對于小麥季(圖2-A)，常規(guī)施氮處理下小麥的平均地上部生物量為12.81 t·hm-2，而減量施氮處理下為10.99 t·hm-2，較常規(guī)施氮處理顯著(P<0.05)下降14.21%。對于水稻季(圖2-B)，小麥季常規(guī)施氮和減量施氮處理下均表現(xiàn)為M3和M2運籌的水稻地上部生物量最高，M1運籌次之，三者均顯著(P<0.05)高于M0運籌。小麥季減量施氮和常規(guī)施氮處理下相同氮肥運籌的水稻地上部生物量并無顯著差異。

A、B，麥-稻輪作；C、D，油-稻輪作。柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(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.圖1 不同處理對麥/油-稻輪作體系作物產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of different treatments on crop yield under wheat/rape-rice rotation system

A、B，麥-稻輪作；C、D，油-稻輪作。A， B， Wheat-rice rotation; C， D， Rape-rice rotation.圖2 不同處理對麥/油-稻輪作體系作物地上部生物量的影響Fig.2 Effect of different treatments on aboveground biomass under wheat/rape-rice rotation system

2.3.2 油-稻輪作

對于油菜季(圖2-C)，常規(guī)施氮處理下油菜的平均地上部生物量為7.42 t·hm-2，而減量施氮處理下為7.25 t·hm-2，兩者差異不顯著。對于水稻季(圖2-D)，小麥季常規(guī)施氮和減量施氮處理下均表現(xiàn)為M3、M2、M1運籌的水稻地上部生物量無顯著差異，但三者均顯著(P<0.05)高于M0運籌。

2.4 對作物地上部氮素吸收量的影響

2.4.1 麥-稻輪作

對于小麥季(圖3-A)，常規(guī)施氮處理下小麥地上部氮素(N)吸收量均值為94.69 kg·hm-2，而減量施氮處理下為78.46 kg·hm-2，較常規(guī)施氮處理顯著(P<0.05)降低17.14%。對于水稻季(圖3-B)，在小麥季常規(guī)施氮和減量施氮處理下，水稻季不同氮肥運籌下地上部氮素吸收量均表現(xiàn)為M2>M3>M1>M0，且各處理間差異均達到顯著水平(P<0.05)。在M1、M2和M3運籌模式下，小麥季減量施氮處理的水稻地上部氮素吸收量相對于常規(guī)施氮處理均顯著(P<0.05)降低，降幅分別為5.53%、9.42%和11.43%，但M0運籌模式下二者差異不顯著。從麥-稻輪作周年效果(圖3-C)可以看出，水稻季相同氮肥運籌的作物地上部氮素吸收量在小麥季減量施氮處理下均顯著(P<0.05)低于常規(guī)施氮處理；無論是小麥季減量施氮還是常規(guī)施氮處理，4種運籌模式下，作物地上部氮素吸收量均以M2最高、M0最低。

2.4.2 油-稻輪作

對于油菜季(圖3-D)，常規(guī)施氮處理下油菜地上部氮素吸收量均值為90.75 kg·hm-2，而減量施氮處理下為75.54 kg·hm-2，較常規(guī)施氮處理顯著(P<0.05)降低16.76%。對于水稻季(圖3-E)，在油菜季常規(guī)施氮和減量施氮處理下，水稻季不同氮肥運籌下地上部氮素吸收量均表現(xiàn)為M3>M2>M1>M0，且各處理間差異均達到顯著水平(P<0.05)，水稻季相同氮肥運籌的作物地上部氮素吸收量在油菜季減量施氮處理下圴顯著(P<0.05)低于常規(guī)施氮處理，且在4種運籌模式下，作物地上部氮素吸收量均以M3最高、M0最低。從油-稻輪作周年效果(圖3-F)來看，與水稻地上部氮素吸收量的變化相似。

2.5 對作物氮肥偏生產(chǎn)力的影響

2.5.1 麥-稻輪作

對于小麥季(圖4-A)，常規(guī)施氮處理下小麥的氮肥偏生產(chǎn)力均值為29.49 kg·kg-1，而減量施氮處理下為31.20 kg·kg-1，較常規(guī)施氮處理顯著(P<0.05)增加5.79%。對于水稻季(圖4-B)，在小麥季常規(guī)施氮處理下，不同氮肥運籌的水稻氮肥偏生產(chǎn)力無顯著差異，但在小麥季減量施氮處理下，M1和M2運籌的水稻氮肥偏生產(chǎn)力顯著(P<0.05)高于M3。此外，在M3運籌模式下，小麥季減量施氮處理的水稻氮肥偏生產(chǎn)力較小麥季常規(guī)施肥處理顯著(P<0.05)下降9.45%。

A、B、C，麥-稻輪作；D、E、F，油-稻輪作。A， B， C， Wheat-rice rotation; D， E， F， Rape-rice rotation.圖3 不同處理對麥/油-稻輪作體系作物地上部氮素吸收量的影響Fig.3 Effect of different treatments on nitrogen uptake in aboveground part under wheat/rape-rice rotation system

A、B，麥-稻輪作；C、D，油-稻輪作。A， B， Wheat-rice rotation; C， D， Rape-rice rotation.圖4 不同處理對麥/油-稻輪作體系作物氮肥偏生產(chǎn)力的影響Fig.4 Effect of different treatments on partial factor productivity of applied N under wheat/rape-rice rotation system

2.5.2 油-稻輪作

對于油菜季(圖4-C)，常規(guī)施氮處理下油菜的氮肥偏生產(chǎn)力均值為14.39 kg·kg-1，而減量施氮處理下為14.81 kg·kg-1，兩者差異不顯著。對于水稻季(圖4-D)，在油菜季常規(guī)施氮處理下，水稻氮肥偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為M3>M2>M1，且各處理間差異顯著(P<0.05)；但在減量施氮處理下，水稻的氮肥偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為M3最高，顯著(P<0.05)高于M1和M2，而M1與M2的水稻氮肥偏生產(chǎn)力無顯著差異。此外，在M2運籌模式下，油菜季減量施氮處理的水稻氮肥偏生產(chǎn)力較油菜季常規(guī)施氮處理顯著(P<0.05)下降2.75%。

3 討論

3.1 減量施氮與氮肥運籌對麥/油-稻輪作體系作物產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量是表征土壤綜合生產(chǎn)力的一項重要指標?；适┯昧考捌溥\籌對土壤的綜合生產(chǎn)力有很大影響，最終會影響作物的產(chǎn)量和肥料利用率。已有研究表明，施用氮肥能明顯增加作物的產(chǎn)量，促進氮素吸收[19-23]。減量施氮必須建立在保障糧食產(chǎn)量的前提下，最低限度地施用氮肥，最高限度地提高作物產(chǎn)量，從而達到作物的高產(chǎn)和氮肥資源的高效利用。前人研究表明，如果土壤的背景氮含量較高，氮肥減量至常規(guī)施氮量的50%并不會造成作物產(chǎn)量的明顯下降[24-25]。本研究發(fā)現(xiàn)，小麥季減量施氮時，小麥產(chǎn)量顯著降低。麥-稻輪作體系下，在麥季常規(guī)施氮條件下，以M3(基肥、分蘗肥、穗肥用量比為4∶4∶2)氮肥運籌模式的水稻產(chǎn)量最高；在麥季減量施氮條件下，以M2(基肥、分蘗肥、穗肥用量比為3∶3∶4)氮肥運籌模式的產(chǎn)量最高。這可能是因為，小麥季常規(guī)施氮導致稻田的土壤肥力比較高，土壤的供氮能力比較強，稻季M3運籌模式下，前期較高的基蘗肥比例可以增加水稻抽穗期的莖鞘干物質(zhì)量，同時促進抽穗期莖鞘所儲存的干物質(zhì)向籽粒的運轉(zhuǎn)從而增加水稻的產(chǎn)量；在小麥季減量施氮條件下，土壤的供氮能力和保肥能力弱，稻季M2運籌模式通過適當減少基蘗肥比例、重施穗肥可以有效降低高峰苗、提高成穗率，以保證足夠的穗數(shù)，同時可以提高水稻抽穗至成熟期的群體光合勢，提高氮素的當季利用效率，從而最終增產(chǎn)。

本研究表明，油菜季減量施氮時，油菜產(chǎn)量顯著降低。油-稻輪作體系下，油菜季無論減氮與否，均以M3氮肥運籌模式的水稻產(chǎn)量最高。這可能是因為，油-稻輪作體系油菜季后土壤的基礎肥力略高于麥-稻輪作體系小麥季后土壤的基礎肥力，如同麥-稻輪作的試驗結果，在較適宜的土壤基礎肥力條件下，稻季M3運籌更有助于促進水稻分蘗早生快發(fā)，可以適當減少無效分蘗，提高抽穗后的綠葉面積和高效葉面積比率，增加水稻群體的光合勢，提高水稻的結實率，促進大穗飽粒的形成，提高群體質(zhì)量，從而增產(chǎn)。

本研究中，油-稻輪作體系的水稻產(chǎn)量高于麥-稻輪作體系。這可能是因為油菜根系分泌的有機酸可以溶解土壤中難溶的磷素，提高土壤中磷的有效性[26-27]。同時，油菜的還田生物量比較大(在油菜生長過程中，葉片基本上全部脫落還田，占生物量的15%～20%)，因此，民間素有“油菜是一種養(yǎng)地作物”的說法。此外，油菜作為直根系作物，與水稻進行輪作有利于改善土壤結構，而且油菜含有豐富的硫甙，有助于作物高產(chǎn)。

3.2 減量施氮與氮肥運籌對麥/油-稻輪作體系作物氮肥利用的影響

減少氮肥用量、提高氮肥利用率是減少氮素流失的主要措施之一。中國稻田單季水稻的氮肥(N)用量平均為180 kg·hm-2，比世界平均用量約高出75%，水稻的平均單產(chǎn)比世界平均水平高65%，表現(xiàn)出一定的高產(chǎn)不高效的現(xiàn)象[28]。通過減少前期氮肥用量、增加穗肥比例，可以提高水稻的產(chǎn)量；適宜的基蘗肥與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。吳成龍等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在稻-麥輪作條件下，秸稈與化肥氮配施后可提高氮肥利用率。陸強等[30]研究表明，在稻-麥輪作體系中，秸稈還田配施化肥能顯著提高水稻和小麥的氮肥表觀利用率和農(nóng)學利用率。本研究發(fā)現(xiàn)，在麥-稻輪作體系下，無論是水稻單季還是周年的作物氮素吸收量，均以M2運籌模式下的地上部氮素吸收量最高；但在油-稻輪作體系下，無論是水稻單季還是周年的作物氮素吸收量，均以M3運籌模式下最高。這可能是因為油菜田土壤基礎肥力比較高，氮肥前移可化解前期秸稈腐解與稻株“爭氮”的矛盾，更好滿足水稻生長對氮素的需求[31]。本研究還發(fā)現(xiàn)，油-稻輪作下水稻的氮肥偏生產(chǎn)力高于麥-稻輪作下，這可能與還田秸稈種類和地力變化有關。

4 結論

本研究表明，在麥-稻輪作體系下，小麥季減量施氮降低了小麥的產(chǎn)量、小麥地上部生物量和小麥地上部氮素吸收量，提高了小麥氮肥偏生產(chǎn)力。小麥季常規(guī)施氮時，M3運籌的水稻產(chǎn)量最高，而減量施氮時，M2運籌的水稻產(chǎn)量、地上部氮素吸收量和氮肥偏生產(chǎn)力最高。在油-稻輪作模式下，油菜季減量施氮降低了油菜的產(chǎn)量和地上部氮素吸收量。但是從整個輪作系統(tǒng)看，無論減氮與否，均以M3運籌的水稻產(chǎn)量、地上部生物量和氮肥偏生產(chǎn)力最高。從整個輪作周期來看，合理的氮素分配是作物獲得高產(chǎn)和肥料資源實現(xiàn)高效利用的重要途徑。但要指出的是，本研究僅是在麥/油-稻輪作體系下以單一作物品種為例分析了減量施氮的效果，模糊了不同品種的氮效率差異，對于不同品種，尚需進一步開展試驗進行研究。