0 引言
油菜是世界上仅次于大豆的第二大油料作物,2012—2013年全球油菜播种面积为3 487万公顷,产量6 093万吨,占到油料作物总产量的13.6%[1]。除作为食用油外,油菜也是饲用蛋白和生物柴油的重要来源,因此提高油菜的种植面积和产量对于解决全球不断增加的人口对食物和能源的需求至关重要。中国是油菜种植大国,其种植面积和产量均居世界前列,然而由于油菜种植比较效益低,农民种植油菜积极性普遍偏低,油菜种植面积和单产徘徊不前。在目前中国食用油消费60%以上依赖进口的情况下,实现油菜产业新跨越对于维护国家食用油供给安全具有重要作用[2]。氮素是油菜产量最重要的限制因子之一,在中国油菜产业快速发展的各阶段均起到非常重要作用,施氮对油菜产量的贡献率从20世纪60年代的31.2%提高到现阶段的72.2%[3],合理的氮肥施用是油菜产量和品质的重要保证。但从目前中国油菜生产的调查发现,氮肥过量和不足施用现象非常普遍,并且氮肥品种、施用时期等也存在各种问题[4-5],严重限制了油菜的产量潜力。油菜氮素吸收量较大,但其氮肥利用效率偏低[6-7],一方面是由油菜本身的特性决定,油菜收获指数平均仅为0.29[8],远低于其他作物,油菜在苗期和薹期积累的大量氮素主要分配于叶片,而开花后叶片氮素没有得到充分转移和再利用,大量脱落的叶片增加了氮素损失,因此培育氮肥高效吸收利用品种是提高油菜产量和氮肥利用率的重要手段[9];另一方面,油菜生产中不合理氮肥施用影响了油菜的产量和氮肥利用率,完善油菜氮肥施用技术和策略对于实现油菜的高产和高效同样重要[10-11]。
作物氮素需求和外源氮素供应（土壤+肥料+环境）不协调是造成作物氮肥利用率低下的主要原因,提高作物产量和氮肥利用率的关键就在于协调两者的关系,实现作物氮素需求和外源氮素供应的同步[12]。因此本文综述了国内外油菜氮肥管理的进展,结合中国冬油菜种植的特点,以及笔者团队近几年在油菜氮肥高效施用方面的研究,围绕着作物-土壤-肥料三者的协调和同步,从油菜氮素吸收、油菜种植土壤氮素供应特点、油菜氮肥施用的关键技术以及配套措施等多个方面介绍油菜氮肥高效施用的养分管理策略,以
期为中国冬油菜高产和氮肥高效提供参考。
1 油菜氮素吸收
油菜氮素吸收量较大,当产量为1 000—4 000 kg·hm-2时地上部氮素吸收量为52.7—332.9 kg N·hm-2（图1）。随着产量的增加,油菜地上部氮积累量呈直线增加的趋势。百公斤籽粒吸氮量和产量之间并没有明显线性关系,平均吸氮量为6.49 kg N,变幅为3.92—9.55 kg N。不同区域、品种和栽培条件下油菜百公斤籽粒的吸氮量差异明显,李慧[13]研究发现长江流域旱旱轮作区冬油菜百公斤籽粒吸氮量最高,为5.67 kg,显著高于长江流域水旱轮作两季区和三季区油菜的百公斤籽粒吸氮量。利用QUEFTS模型预测不同产量水平下冬油菜氮素吸收[8],当目标产量小于3 000 kg·hm-2时,油菜氮素吸收量随着产量的提高呈直线增加的趋势;当产量超过3 000 kg·hm-2时,油菜地上部氮素吸收明显增加,呈现抛物线增加的趋势。大群体是油菜获得高产的关键,然而高群体下作物种间竞争增大,为了获得有限的空间和光温等资源,作物吸收的氮素更多用于非籽粒（茎秆、叶片和角果）部分的生长,而籽粒部分吸收的氮素则相对稳定,因此高产条件下作物的氮素吸收除了满足籽粒的正常需求外,更多用于非籽粒部分的生长,从而提高光合有效面积和光合速率,保证产量的形成。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1油菜产量、地上部吸氮量和百公斤籽粒需氮量的关系（根据文献[3, 14-24]中的数据重新作图）
-->Fig. 1The relationships between seed yield, shoot N uptake and N uptake per 100 kg seed (plotting according to the data from the reference3, 14-24)
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除氮素吸收量较大外,油菜氮素吸收和利用存在明显的阶段特征（图2）。研究表明,在中国冬油菜生产中苗期干物质积累仅占全生育期的20%—30%,但其氮素积累量可占生育期最大积累量28%—80%[14-16, 25]。尽管与中国冬油菜种植区域气候条件差异明显,欧洲冬油菜苗期（秋冬季）生长较为缓慢,但很多研究表明其苗期氮素吸收也超过100 kg N·hm-2[26-27]。苗期充足的氮素营养往往和油菜高产密切联系,一方面充足氮素营养可以提高油菜对于冬季多变环境的抵抗力,降低直播油菜的死亡率[25, 27],另一方面苗期吸收的氮素84%分配于叶片[28],充足的氮素营养有助于形成强大的叶片群体,满足薹期之后油菜快速生长的需要。薹期到花期是油菜干物质和氮素快速积累的关键时期,到角果期油菜干物质和氮素积累达到最大值。然而进入花期后,油菜根系生物量和活力逐渐降低,其对土壤养分吸收和利用能力也随之降低,油菜体内氮素转移再利用则是油菜生殖生长和生育后期氮素需要的重要保证,油菜籽粒吸收的氮素55%—73%来自于营养器官氮素的再分配[6, 29-30],促进营养生长阶段氮素再利用则是提高油菜产量和氮素利用率的关键[31]。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2冬油菜的干物质和氮素积累特点（根据文献[15]的数据作图）
-->Fig. 2Characteristic of dry matter and N uptake accumulation of winter oilseed rape (plotting according to the date from the reference 15)
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2 油菜种植季土壤氮素供应特点
作为中国冬油菜的主要种植区域,长江流域冬油菜种植土壤有机质和碱解氮平均含量分别为26.1 g·kg-1和132.4 mg·kg-1[13]。有机质含量是影响土壤氮素供应的重要因素,随着有机质含量的增加土壤氮素矿化能力明显增强[32]。姜丽娜等[33]和李银水等[34]分别利用有机质和碱解氮构建了油菜种植土壤的氮素供应指标,但从大数据分析来看,土壤有机质和碱解氮含量与油菜产量以及氮肥施用效果并无明显的相关关系,有机质和碱解氮含量并非评价油菜种植土壤氮素供应能力的最优指标。不施氮处理油菜的产量和氮素吸收则为评价油菜种植土壤氮素供应提供了重要参考[33,35],冬油菜主产区不施氮处理油菜的产量为179—3 763 kg·hm-2,平均为1 474 kg·hm-2,相当于施氮处理油菜产量的57.5%[13],油菜种植季土壤呈现较低的氮素供应能力。以不施氮处理油菜地上部氮素吸收表征土壤氮素供应能力（图3）,可以看出油菜种植季土壤氮素供应仅占作物氮素吸收的17.1%—28.5%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3油菜种植季土壤和肥料氮素供应特点（根据文献[25]的数据作图）
-->Fig. 3Characteristics of soil and mineral fertilizer supply during winter oilseed rape growing season (plotting according to the date from the reference 25)
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进一步田间原位矿化的试验表明,不同轮作模式下（水稻-油菜和棉花-油菜轮作）冬油菜种植季土壤氮素净矿化总量为25.9—36.8 kg N·hm-2;土壤氮素矿化呈现明显阶段变化特征,水旱（稻-油）轮作中油菜种植季前期土壤氮素矿化总量占整个生育时期的比例明显低于旱地（棉-油）轮作。研究发现水旱轮作中由于根茬还田以及长期淹水的环境促进了土壤活性有机质组分的积累,其颗粒有机物碳氮含量明显高于旱地轮作土壤,在一些长期水旱轮作田块同样发现了生物有效性较低物质在颗粒有机物的积累[36]。尽管油菜为旱地种植,但常年的水旱轮作促进了土壤颗粒黏质化,即使转为旱地,其土壤含水量也往往高于旱地轮作油菜种植季土壤含水量,因此在充足的碳源和适宜水分条件下,促进了土壤氮素固定,导致了水旱轮作中油菜种植季前期土壤氮素供应能力降低。然而苗期是冬油菜氮素吸收的关键时期,土壤氮素供应和植株氮素吸收的不协调可能是导致中国长江流域水旱轮作体系冬油菜种植季不施氮处理产量显著降低的重要原因。这也是与欧洲冬油菜种植不同的地方,尽管欧洲冬油菜苗期的氮素积累较高[26],但由于上一季作物较高土壤氮素残留以及秋冬季较高的土壤氮素矿化能力[37],土壤氮素供应即可满足油菜苗期的氮素需求,因此秋冬季（苗期）往往不施或施用少量的氮肥,推荐的氮肥施用时期是薹期和花期[10]。但在中国的长江流域冬油菜主产区,前期充足的化学氮肥则对于协调土壤氮素供应和油菜植物氮素吸收具有重要作用。
3 合理的氮肥管理
3.1 适宜氮肥用量
油菜适宜的氮肥用量为65—325 kg N·hm-2,不同国家、产量水平、品种、耕作制度下油菜适宜的氮肥用量存在明显差异（表1）。肥料效应方程,包括抛物线、线性+平台、抛物线+平台方程,是确定作物最佳氮肥用量的常见方法[26, 38]。肥料效应方程的基本假设是不同田块作物对于氮肥的响应是相似的,显然土壤间的变异决定了由肥料效应方程得到的最佳施氮量不能适用于每个田块的氮肥推荐,区域平均适宜氮肥用量则是一种比较行之有效的氮肥推荐方法。邹娟[3]利用74个田间试验评价了180 kg N·hm-2作为长江流域冬油菜主产区平均适宜氮肥用量的潜力,王寅等[38]进一步利用不同肥料效应方程确定了江浙地区冬油菜平均适宜氮肥用量为199 kg N·hm-2,李慧[13]通过整理长江流域开展的1 800多个田间肥料效应试验,确定了长江流域不同区域冬油菜的适宜平均氮肥用量。区域平均适宜氮肥用量能明显提高油菜的产量、经济效益和肥料利用率,但也有26.7%的试验点并无明显的增产效果[35],因此在平均适宜氮肥用量的基础上,结合各田块的具体情况进行调整对于进一步提高油菜的产量和氮肥利用率具有重要意义。Table 1
表1
表1不同国家油菜的推荐氮肥用量
Table 1Oilseed rape N fertilizer recommendation rate in different countries
| 国家 Country | 产量 Yield (t·hm-2) | 推荐氮肥用量 Recommend N fertilizer rate (kg N·hm-2) | 资料来源 Date resource |
|---|---|---|---|
| 加拿大 Canada | 0.87-3.92 | 65-200 | [39, 40] |
| 中国 China | 1.33-4.02 | 90-325 | [19, 21, 34, 38, 41-43] |
| 德国 Germany | 2.50-5.71 | 137-220 | [27, 44-45] |
| 法国 France | 3.50 | 140 | [46] |
| 澳大利亚 Australia | 2.00-3.00 | 75-100 | [47-48] |
| 波兰 Poland | 3.81 | 160 | [49] |
| 英国 England | 5.73 | 200 | [50-51] |
| 巴基斯坦 Pakistan | 1.73-1.83 | 90 | [52] |
| 爱沙尼亚 Estonia | 5.29-5.76 | 120 | [53] |
| 土耳其 Turkey | 1.18 | 160 | [54] |
| 匈牙利 Hungary | 4.27-4.39 | 210 | [55] |
| 西班牙 Spain | 3.00 | 220 | [46] |
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此外,借助植物和土壤的快速诊断对于氮肥用量及时调整也是改进区域平均适宜氮肥用量的方法。李银水等[56]对比SPAD仪、硝酸盐反射仪和GreenSeeker 3种氮素营养快速诊断方法在油菜上的适宜性,魏全全等[57]利用数字图像技术,选取红光标准化值作为冬油菜氮素营养诊断的指标。同样利用高光谱进行油菜氮素营养诊断的研究不断增多[58],借助卫星遥感以及无人机等工具可以实现大范围内的作物氮素营养诊断。根据植物营养诊断的结果,结合冬油菜氮素营养的临界值[59],及时判断作物的氮素营养状况,反馈调节氮肥的用量。
土壤无机氮是植物氮素营养的主要来源,根据施肥前土壤无机氮含量确定氮肥适宜用量在旱地作物上已经得到广泛应用[12]。SMITH等[60]根据油菜的产量响应曲线确定不同氮肥和油菜籽价格比值情况下油菜最佳氮素供应（土壤测试值+化学氮肥用量）为89—290 kg N·hm-2,英国油菜生产指南上明确指出油菜春季追
施时总的氮素供应为175 kg N·hm-2,施肥时需要根据土壤无机氮含量测试值,结合氮肥利用率以及目标产量进行调整[61]。
3.2 适宜的氮肥形态
调查显示目前长江流域冬油菜生产中常见的氮肥有尿素、碳铵和复合肥,其中尿素的施用比例高达79.2%,油菜的氮肥品种呈现单一化[4]。尽管施入土壤中氮肥经过一系列的转化均会转化为铵态氮和硝态氮被作物吸收利用,但与单一氮素营养供应相比,适宜的硝态氮和铵态氮配比能够促进作物根系的生长发育,改善根际环境[62],进而促进植物的生长,提高作物的产量[49]。张萌[63]研究发现施用铵态氮肥处理油菜苗期的生长明显好于硝态氮处理,但薹期之后不同氮肥形态处理之间油菜生长并无明显差异,其中以铵态氮和硝态氮比为3:1时油菜的产量最高;但同样有研究发现铵态氮抑制油菜苗期的生长,相反硝态氮供应对油菜产量起到积极作用[64-65]。种植模式、土壤、环境条件等均会影响不同形态氮肥施用效果,在中国长江流域冬油菜的水旱轮作区,常年水旱交替影响了土壤物理、化学和生物学性质,水旱（稻-油）轮作中油菜种植季土壤总硝化速率明显低于旱地（棉-油）轮作,尤其是冬季低温,施入土壤中的铵态氮肥或尿素可以较长时间以铵态氮形态留存在土壤中,而土壤中维持相对较高的铵态氮含量,能明显刺激根系的生长发育[63, 66],因此油菜苗期铵态氮肥处理明显好于硝态氮肥处理。因此目前中国长江流域水旱轮作冬油菜生产中,应在以酰胺态氮肥为主基础上,调整铵硝配比,从而促进油菜的生长,提高油菜的产量和氮肥利用率。缓控释氮肥对于提高油菜产量和氮肥利用率同样具有重要意义,冬油菜生育期较长,氮肥分次施用对于提高油菜产量和氮肥利用率固然非常重要,然而由于农村劳动力短缺,氮肥一次性施用同样是油菜轻简化生产的关键技术。缓控释氮肥通过不同包膜材料以及添加剂减/控氮素的释放,实现肥料氮素供应和作物氮素吸收的同步[67]。王素萍等[68]研究表明控释尿素一次性基础可以保证油菜生长后期的氮素供应,促进油菜的生长发育,达到普通尿素分次施用的效果。然而目前缓控释尿素成本普遍较高,通过缓控释氮肥和尿素配合,一方面可以减少生产成本,另一方面通过适宜的配比可以实现氮素供应（土壤+肥料）和作物氮素需求的同步,研究表明控释氮肥和尿素配施比例为7﹕3—6﹕4时油菜增产效果最好[67, 69]。
3.3 适宜的氮肥施用方式
常见氮肥施用方式包括表面撒施、翻施、穴施、条施等,相比于表面撒施,集中施用能明显减少氮素损失[70],促进根系生长,增大根系和养分的接触面积,提高作物产量和氮肥利用率。在油菜上的研究明确条施或穴施方式下油菜产量最高[67, 71],通过集中施用能减少氮素损失,保证后期氮素供应,促进花后根系的生长和物质的积累,进而提高油菜的产量和氮肥利用率。对于氮肥的集中施用,施肥位置是非常关键的参数。施肥过浅会影响种子的出苗和根系的生长,HOCKING等[72]明确指出种肥同播处理油菜的成苗密度明显低于其他施肥位置,苏伟[73]利用盆栽试验也发现施肥深度为2 cm和4 cm油菜的出苗率不足65%,并且根系生长明显滞后其他施肥处理,但在施肥深度较浅的情况下（1.5 cm和4.5 cm）可以通过侧位施肥的方式提高油菜的出苗率。尽管肥料深施能诱导根系下扎,但同时增加施肥动力投入,SU等[74]研究表明施肥深度15 cm和10 cm油菜地上部生长和产量并无明显差异。总体来看,氮肥施在10 cm处能明显促进油菜根系生长,增加干物质积累,提高油菜的产量和氮肥利用率[74-75]。
3.4 适宜的施用时期
养分临界期和最大养分效率期是作物施肥的关键时期,根据作物的养分吸收规律,分次施用能明显减少氮素损失,提高作物产量和氮肥利用率。苗期是油菜氮素吸收的关键时期,氮素供应不足影响油菜幼苗的生长和物质积累;薹期是油菜干物质快速积累的时期,因此众多的研究指出了油菜最适的氮肥施用时期和比例为基肥50%—60%、越冬肥（苗肥）20%和薹肥20%—30%[76-78]。氮肥分次施用的关键在于通过氮肥的分次施用协调土壤和肥料氮素供应与作物氮素需求同步,因此除了作物氮素吸收外,土壤氮素供应特点也是影响氮肥分次施用的关键因素。在欧洲,尽管油菜苗期氮素吸收可达100 kg N·hm-2,但前季作物氮素的残留以及秋冬季高的土壤氮素矿化可以满足油菜苗期的氮素需要,因此在油菜生产中往往建议春季施用氮肥,秋季施用少量基肥或者不施氮肥[10]。但不同土壤上氮肥施用也略有不同,GRANT等[71]研究指出由于黏壤土上较高的氮素固定和损失,其秋季施用氮肥效果弱于春季施用氮肥,而在砂壤土上秋季和春季施用氮肥效果相同。与欧洲和加拿大的油菜种植不同,水旱轮作是中国冬油菜主产区重要的轮作方式,水稻收获后土壤无机氮残留往往较低,并且水分状况的改变以及土壤中充足的活性有机质促进了土壤氮素的固定,降低了油菜种植前期土壤氮素的供应,因此基肥充足的氮肥供应对于保证油菜的生长具有积极的作用。进入薹期后随着温度的升高,土壤氮素矿化能力逐渐增强,土壤氮素供应可以满足此时油菜快速生长的需要,因此可以适当减少氮肥投入。
氮肥的分次施用同样需要考虑氮肥的推荐用量,当目标产量较高,土壤氮素供应能力较低,而氮肥推荐用量处于适宜或者偏低时,氮肥的分次施用降低了前期的氮素供应,相反,氮肥一次性施用能明显提高前期的氮素供应,促进油菜干物质和氮素积累,提高油菜的产量和氮肥利用率;当土壤氮素供应较高时,氮肥分次施用则可以明显提高氮肥利用率。
综上所述,“4R（Right rate、Right time、Right source和Right place）”是油菜氮肥高效施用技术的核心,根据不同区域土壤氮素供应特征确定不同目标产量下区域适宜氮肥用量,进一步结合具体田块的土壤无机氮测试以及植株氮素营养诊断的结果优化氮肥的适宜用量。在明确油菜氮肥用量的基础上,根据不同的种植制度和土壤条件选择适宜的氮肥形态,通过铵硝的适宜配比促进油菜根系的生长,通过缓释氮肥和速效氮肥配合的方式,实现氮肥的一次性施用,在减少油菜生产的劳动力成本的同时提高油菜的产量和氮肥利用率。氮肥集中施用则可进一步减少氮素损失,提高氮肥利用率,10 cm的施肥深度是目前油菜生产中较适宜的氮肥施用位置。最后根据油菜氮素吸收规律,合理分配氮肥施用时期,协调土壤和肥料氮素供应与作物氮素需求同步,油菜最适的氮肥施用时期为基肥50%—60%、越冬肥（苗肥）20%和薹肥20%—30%。此外,氮肥的施用是影响油菜籽粒品质的重要因素。高含油率和低芥酸、硫甙含量是油菜品质的关键指标,而籽粒蛋白质和芥酸含量则与氮肥用量呈显著的正相关,含油率和硫甙含量则与施氮量呈负相关。随着氮肥用量的增加,油菜籽粒的蛋白质和芥酸含量呈增加的趋势,而含油率和硫甙则呈降低的趋势[79-81]。与不施氮或低施氮处理相比,尽管适宜的氮肥投入降低了油菜籽粒的含油率,但由于其显著增加油菜的产量,进而提高了产油量。氮肥施用方式对油菜籽粒品质的影响较小,但也有研究[82]指出随着追施氮肥比例的增加,油菜籽粒含油率成降低的趋势。油菜氮肥高效施用技术的合理运用不仅有利于提高油菜的产量和氮肥利用率,同时有利于改善油菜籽粒的品质,提高产油量。
4 配套管理措施
4.1 栽培方式
育苗移栽和直播是中国两种重要的油菜栽培模式,在不同历史阶段、劳动力条件和生产力水平下,两者对中国油菜产业发展和油料安全均起到关键作用[83]。移栽油菜采用壮苗移栽,其个体发育普遍较强,尽管在移栽过程中会造成根系损伤,但由于其根系较直播油菜粗壮[84],因此移栽油菜抵抗外界环境能力较强,产量也较直播油菜高和稳定。与之相比,直播油菜群体大,根系分布更深和更广,但由于其个体发育较弱,因此直播油菜对氮肥施用更加敏感,氮肥供应不足会影响直播油菜的出苗和成苗,进而影响油菜的产量[24]。从生产调查来看,直播油菜产量要低于移栽油菜[5],但从多年多点的试验中可以看出,直播油菜产量可以接近,甚至高于移栽油菜[85]。直播油菜的产量构成因子包括密度、单株角果数、角粒数和千粒重,密度和单株角果数是直播油菜获得高产的关键。由于养分、环境的胁迫以及种内竞争引起直播油菜生育期内密度逐渐降低,导致收获时群体较小。充足的氮素供应可以提高油菜的抗逆性,减少生育期内植株的死亡率,同时合理的氮肥能促进油菜个体的发育,弥补过高密度下植物个体较弱的问题,因此氮肥管理则至关重要。王寅等[83]提出“前促后稳”直播油菜养分管理策略,在前期需要充足的氮肥供应,以促进油菜幼苗的发育,提高其抵抗外界环境胁迫的能力,提高存活率;后期持续稳定的氮素供应保证油菜个体的发育,增加单株角果数,提高油菜的产量。4.2 密度
密度是影响作物产量的关键因素,适当增加密度是作物获得高产的重要前提。随着密度的增加,作物产量往往呈现抛物线增加,当密度超过最适密度之后,作物的产量明显降低[86]。对于油菜而言,高密度条件下,植株个体发育较弱,单株角果数明显减少;相反在低密度情况下,单株角果数明显增加,强壮的个体可以弥补低密度对产量的影响。在密度相差较大的情况下,尽管低密度下单株角果数、千粒重表现出明显优势,但其产量仍明显低于高密度处理[87],因此适宜密度是油菜高产的首要前提,欧洲、加拿大和澳大利亚适宜的油菜种植密度为50—80株/m2[10, 88-90],在中国适宜的密度则为30—59株/m2 [87, 91-92]。气候条件的差异可能是影响不同区域油菜适宜密度的重要因素,在中国,春季高温多雨,过大的密度极易增加病虫害的发生,影响油菜的产量和品质。
密度和氮肥存在明显的交互作用,在低密度情况下,合理的氮肥施用能明显促进个体的发育,进一步提高油菜单株角果数,从而提高油菜产量;在高密情况下,过量的氮肥投入会增大个体之间的竞争,导致油菜产量降低,而高密和适宜的氮肥用量可以明显提高油菜产量、地上部氮积累量和氮肥利用率。LI等[91]指出在相同目标产量下,与低密度相比,高密度可以减少22.8%—25.4%的氮肥投入。因此对于相同目标产量,低密条件下可以通过适当增加氮肥投入促进个体的发育进而提高油菜的产量;相反,在高密的情况下则应适当减少氮肥投入,控制种间竞争,达到“以密省肥”的目的,从而获得较高的产量和氮肥利用率。
4.3 轮作
油菜-水稻、油菜-棉花、油菜-玉米、油菜-花生等轮作方式是中国长江流域冬油菜生产中非常重要的轮作方式。作为冬季作物,油菜种植可以有效增加地面覆盖,减少水土流失和氮素损失[93],同时油菜作为一种肥田养地作物,种植油菜有利于改善土壤结构,同时油菜生长季大量落叶有利于培肥土壤,提高下季作物的产量,Christen等[94]的研究发现油菜-小麦轮作中小麦产量平均比小麦-小麦轮作中小麦的产量增加1.1 t·hm-2。前季作物对于油菜产量和氮肥推荐用量同样会产生明显影响,李银水等[5]对湖北省主要油菜轮作模式生产和施肥的调查发现,油菜-花生和油菜-棉花轮作模式下油菜的产量要高于油菜-水稻轮作,REN等[95]总结了70个油菜-水稻和油菜-棉花轮作的田间试验发现稻-油轮作中油菜季土壤氮素供应能力明显低于棉-油轮作,在相同目标产量下,与水旱轮作相比,旱地轮作油菜氮肥用量可以在推荐氮肥用量的基础上减少9—14 kg N·hm-2。前季作物对后季作物产量及氮肥效应的影响受到前季作物氮肥残留的影响,相比于水稻,棉花季氮肥用量较高[5],并且棉花季氮素损失相对较小,因此棉花收获后土壤氮素盈余明显高于水稻[95],进而引起棉-油轮作中油菜季土壤氮素供应要高于稻-油轮作。除了土壤氮素残留外,不同轮作制度下油菜季土壤氮素转化可能也是影响油菜季土壤氮素供应和产量的重要因素。研究发现豆科作物-油菜轮作中豆科作物的残留促进了油菜季土壤氮素矿化,豆科作物-油菜轮作中油菜的产量要明显高于小麦-油菜轮作,与小麦-油菜轮作相比,豆科作物-油菜轮作中可以减少油菜氮肥推荐用量[96]。与旱地轮作不同,水旱轮作的交替变化影响了土壤微生物活性以及群落结构,同时水稻收获后土壤中残留的大量根茬促进了土壤氮素的固定,减少油菜季前期土壤氮素矿化,影响油菜的生长和产量。因此从周年轮作角度,根据土壤氮素供应特点和作物养分吸收规律,协调氮肥施用对于保证作物的产量,提高氮肥利用率具有重要作用。4.4 秸秆还田
秸秆还田是目前油菜生产中非常重要的栽培管理措施,秸秆还田有助于改善土壤温湿度状况[97],提高土壤肥力,促进土壤中活性有机质组分的积累,增加土壤养分供应[98]。常见的秸秆还田方式包括翻压还田和覆盖还田,翻压还田是目前油菜生产中比较常见的秸秆还田方式。水稻收获后借助大型机械将水稻秸秆直接翻压还田,大量秸秆投入往往会导致微生物和植物“争氮”,因此在生产中往往建议适当增加氮肥投入,避免因作物和微生物“争氮”导致作物产量的降低。事实上,由于秸秆较高的碳氮比,在前期的确存在作物和微生物“争氮”的现象,导致作物叶片“黄化”,但随着秸秆腐解,秸秆中氮素会重新释放进入土壤中,提高土壤氮素供应。因此,在不增加氮肥投入总量的基础上,通过调整各时期氮肥施用比例,将后期追施的氮肥适当前移,同样可以在不影响产量的情况下,提高氮肥利用率[99]。油菜生产中冬季温度较低,进入春季后温度逐渐升高,秸秆腐解促进了土壤氮素矿化,提高蕾薹期和花期的土壤氮素供应,进而满足作物氮素需求,因此对于采用秸秆翻压还田的油菜田,适当的“氮肥前移”通过提高前期氮肥供应协调氮素供应和作物氮素需求,而在后期则依靠土壤氮素矿化满足油菜的生长需要。秸秆覆盖还田可以减少对大型机械的依赖,对于规模较小的油菜种植是一种非常有效的秸秆还田方式。它可以提高土壤保水能力[97],有效缓解冬季干旱对油菜苗期生长的影响。但需要注意的是秸秆还田会影响油菜的出苗和后期氮肥的施用。苏伟等[97]研究指出,秸秆覆盖还田油菜出苗率平均降低19.3%,同样覆盖还田增加后期追施氮肥的氨挥发损失,降低氮肥利用率[100],因此对于秸秆覆盖还田,适当增加播种量有利于提高成苗的数量,保证油菜的产量;对于氮肥的施用则可以采取尿素和缓控释氮肥配合一次性施用的方式,这样既可以减少后期追肥的劳动力成本投入,同时减少氮素损失,提高油菜的产量和氮肥利用率。
4.5 其他配套措施
水肥协同、病虫草害的防控同样是油菜生产中实现油菜高产和氮肥高效的重要措施。中国长江流域冬油菜种植季降雨充沛,降雨量可达338—1 045 mm[3],但季节分布不均,秋季干旱和春季渍害均会严重影响油菜的产量和氮肥利用率[101-102],水肥协同供应则可以提高油菜的产量和氮肥利用率[103]。油菜田杂草吸收的氮素可占到植物地上部总氮素吸收的13.1%—64.1%,尤其是在不施氮条件下,油菜生长明显受到抑制,杂草的生物量和氮素吸收明显超过油菜[104],这也是影响油菜氮肥利用率不可忽视的因素。通过合理的密植,实现“以密盖草”,同时配合适宜的氮肥投入及病虫草害的防控,从而促进油菜的生长发育,抑制杂草的氮素吸收,提高油菜的产量和氮肥利用率。由此可见,有效的农艺配套措施是油菜高产高效氮肥管理技术体系的重要组成部分,它不仅影响油菜的生长和氮素吸收,同时改变土壤氮素转化和供应。栽培方式和种植密度的差异影响了油菜的生长和氮素吸收,直播油菜苗期根系弱,对外界逆境的适应性差,因此苗期充足的氮素供应对于提高直播油菜的出苗和成苗率,提高油菜的产量至关重要;尽管密植有利于发挥油菜的群体优势,但其个体发育和氮素积累要明显低于稀植,因此通过“密植减氮、稀植增氮”的方式可以有效的协调油菜个体和群体的发展,提高油菜的产量潜力和氮肥利用率。秸秆还田和轮作制度则会影响油菜季土壤和肥料氮素转化,虽然秸秆还田可提高资源的利用效率,但不适宜的氮肥管理则可能会造成油菜苗期缺氮和增加油菜季氮素损失,因此根据不同的秸秆还田方式和轮作制度,优化和调整油菜氮肥的施用方式则是提高油菜产量和氮肥利用率的关键。此外,油菜高产高效氮肥管理技术体系同样需要考虑其他优化的农艺措施如水肥协同、同其他元素的配施、病虫草害的防治等。只有将氮肥高效施用技术和高产高效生产农艺配套技术有机的融合,才能真正实现油菜的高产和养分的高效。
5 结论
作物-土壤-肥料的协调和同步是作物高产和养分高效的关键,油菜氮素吸收和油菜种植土壤氮素供应受到很多因素的影响,包括栽培模式、轮作、种植密度、秸秆还田等,氮肥合理施用包括适宜用量、形态、施肥时期和施肥方式。通过调节氮肥施用时期和施用比例,在前期促进油菜生长和氮素吸收,后期协调油菜氮素转移再利用,以“前促后稳”的方式实现油菜需求和土壤氮素供应的同步（图4）。通过氮肥的集中施用,减少氮素损失,促进根系的生长,利用根系-土壤-肥料互作提高油菜的产量和氮肥利用率。同时综合考虑不同轮作下土壤氮素供应特点及后效,统筹氮肥的施用,提高氮肥效率。此外,适当密植、秸秆还田、水肥协同以及同其他元素的配施对于实现油菜的产量和氮肥高效同样具有积极意义。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4冬油菜高产高效的氮肥管理策略
-->Fig. 4N management strategy with high rapeseed yield and high N fertilizer use efficiency
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油菜全程机械化是实现油菜产业新跨越的关键,在推进油菜全程机械化的过程中,如何将油菜高产高效的氮肥管理策略和农业机械化有机融合则是新形势油菜产业发展的关键。肥料作为油菜高产高效氮肥管理策略物化的最终形式,如何通过合理的配比以及缓/控释手段在满足机械化施用的同时,实现冬油菜“前促后稳”的施肥策略?对于农业机械,如何有效设计,一方面可以实现肥料的集中施用,协调根系-土壤-肥料相互作用,另一方面配套的机械则可以实现油菜适当密植、秸秆还田等。只有油菜氮肥管理策略和农业机械化有机结合才能真正实现油菜的高产和高效,推动油菜产业的新跨越。
致谢：华中农业大学李小坤副教授、丛日环博士和研究生刘波、苏伟、邹娟、李慧、李银水、王素萍、徐华丽、张萌、刘晓伟、李岚涛、魏全全、陆志峰、明日等为本文提供了部分材料。
（责任编辑 杨鑫浩）
The authors have declared that no competing interests exist.
