氮、磷和钾肥施用对冻害条件下油菜产量的影响

《Crop and Environment》：Effects of nitrogen, phosphorous, and potassium fertilization on rapeseed yield under freeze stress

油菜在2023-2024年冻害下产量下降13.4%-63.3%，氮磷钾肥最佳配比分别为239kg N·ha?1、110kg P?O?·ha?1、169kg K?O·ha?1。隶属函数值（MFV）综合评估显示：高磷肥率（≥120kg·ha?1）减少武汉冻害导致的角果数损失（降13.3%），钾肥（≥180kg·ha?1）通过维持细胞渗透压降低产量损失（降幅达10.7%）。研究表明，氮肥过量（>180kg·ha?1）会加剧冻害敏感性，而磷钾协同增效可提升抗逆性

　　全球气候的不稳定性，特别是冻害，对农作物产量构成了重大挑战。本研究聚焦于2024年初中国长江流域油菜产量受到的冻害影响，并评估了氮（N）、磷（P）和钾（K）肥料对产量的响应情况。通过在两个地点开展六项田间试验，研究发现冻害对产量的影响因土壤养分状况和肥料施用量而异。2023–2024年的严重冻害导致产量损失范围在13.4%至63.3%之间，显示了冻害对油菜生产的严重影响。氮肥在不同地点对缓解冻害的影响存在差异，而高磷肥施用量则与冻害下的产量下降幅度减少有关。钾肥的使用也减轻了冻害对产量的负面影响。冻害对产量构成中的各个部分，尤其是每株油菜的角果数量，造成了不成比例的影响。为了量化冻害和肥料施用量对油菜产量的综合影响，研究中采用了隶属函数值（MFV）作为关键指标。2022–2023和2023–2024年，实现MFV最大化的最佳肥料施用量分别为343 kg N/ha、118 kg P?O?/ha和166 kg K?O/ha，以及239 kg N/ha、110 kg P?O?/ha和169 kg K?O/ha。这些结果突显了在冻害多发地区，通过平衡养分管理提升油菜抗冻能力的重要性，并为优化养分管理提供了实际的建议。

气候变化和极端天气事件的频率和强度正在增加，这使得农业面临前所未有的挑战。冻害对作物的损害主要体现在细胞结构破坏、代谢过程受阻和光合作用减弱等方面，从而导致产量损失。油菜作为重要的油料作物，其产量受到气候条件的显著影响，特别是在长江流域，由于其生长周期和对低温的敏感性，冻害成为影响其产量的主要因素之一。研究指出，在油菜苗期，当温度降至-3°C以下时，就会出现生理损伤，导致叶片变硬、细胞内外水分结冰，以及叶片出现皱缩或冻伤斑点。若温度进一步降至-5°C并持续几天，茎部可能破裂，严重影响产量形成。此外，气候变暖导致作物在冬季前生长更加旺盛，从而增加了冻害的脆弱性。因此，在这种气候背景下，合理调控N、P和K的施肥量对于维持和提升油菜产量至关重要。

在研究中，研究人员选择了两个典型的实验地点：华中农业大学位于湖北省武汉市的试验站，以及湖北省武穴市梅川镇。这两个地点均具有湿润的亚热带季风气候，年均气温分别为16°C和17°C，年降水量分别为1100 mm和1500 mm。在2022–2023和2023–2024两个生长季中，分别进行了N、P和K的施肥试验。在2023–2024年的冻害期间，Wuhan的累积温度比2022–2023年下降了11.7%，而Wuxue则下降了10.6%。同时，降水增加了27.6%和2.2%。在2023–2024年，Wuhan和Wuxue的平均气温均在0°C以下，持续时间分别为21天和3天。这些天气变化为研究冻害对油菜产量的影响提供了宝贵的机会。

试验中，N、P和K的施用量被设计为不同水平，以评估其对油菜产量的影响。N肥料的施用量在Wuhan为0、75、150、225 kg/ha，而在Wuxue则为0、90、180、270、360 kg/ha。P肥料的施用量在Wuhan为0、30、60、90、120 kg/ha，而在Wuxue为0、45、90、135、180 kg/ha。K肥料的施用量在Wuhan和Wuxue均为0、60、120、180、240 kg/ha。所有肥料均以基肥方式施用，N肥则分为60%基肥、20%冬季追肥和20%花前追肥。每项试验均采用完全随机区组设计，每处理有三个重复，面积分别为20 m2和18 m2。油菜种植采用苗床移栽方式，种植密度为112,500株/ha。在2022–2023年，Wuhan和Wuxue的移栽时间分别为2022年10月22日和2022年10月28日，收获时间分别为2023年5月13日和5月8日。在2023–2024年，移栽时间分别为2023年10月31日和2023年10月29日，收获时间分别为2024年5月3日和5月2日。之前的作物在Wuhan为玉米，在Wuxue为稻谷。

研究还分析了冻害对油菜产量和生长指标的影响。通过计算隶属函数值（MFV），研究团队量化了冻害与肥料施用量对油菜产量的综合影响。MFV是一种数学方法，用于确定元素在模糊集合中的隶属程度，使不同变量能够在统一框架下进行综合评估。该方法已被广泛应用于农业中，以整合作物的生物和生理特性，评估其对环境胁迫的耐受性。例如，MFV可用于评估作物对干旱和盐碱胁迫的响应。在本研究中，MFV的计算基于2022–2023和2023–2024两年的实验数据，通过比较不同处理下的参数值，计算出MFV的平均值，从而代表特定施肥水平下油菜产量的综合响应。

研究结果表明，N、P和K肥料对油菜产量的影响存在显著差异。在2023–2024年的冻害条件下，N肥料的施用对产量的影响因地点而异，而高P肥料施用量则有助于减少冻害带来的产量损失。K肥料的使用同样减轻了冻害对产量的影响。冻害对油菜的产量构成造成了不成比例的影响，尤其是每株油菜的角果数量。在Wuhan，冻害对N0和P0处理的产量影响尤为明显，而在Wuxue，N180和P90处理的产量损失相对较低。这可能是因为Wuxue的冻害程度相对较轻，而Wuhan则经历了更严重的连续低温和降水事件，导致冻害更加严重。因此，N150在Wuhan造成了最大的产量损失，而在Wuxue，N180处理的产量损失最小。

P肥料对油菜产量的影响主要体现在其对叶膜渗透性和抗氧化酶活性的提升，以及对脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖等关键渗透调节物质水平的增加，从而增强作物的抗寒能力。然而，过量的P肥料可能会抑制进一步的P吸收，导致电解质泄漏和细胞水势下降。在Wuhan，由于土壤中的P含量极低，只有当P肥料施用量达到120 kg/ha时，才能有效减少冻害带来的产量损失。而在Wuxue，P肥料的增加有助于缓解冻害对HI的影响，主要通过减少角果数和千粒重的下降。这表明，除了在越冬期和花芽形成期受到冻害影响外，油菜的种子发育也可能受到冻害的影响，过量的P肥料进一步促进了种子发育，提高了角果数对产量的贡献。

K肥料主要以离子形式存在，通过调节渗透压来增强作物的抗逆性。K的施用有助于改善油菜的叶面水势和冬季抗寒能力，同时减少冻害导致的产量损失。K的补充可以促进淀粉转化为可溶性糖，增加总酚类物质和脯氨酸的含量，从而提高作物的抗寒能力。然而，K在植物中的作用是复杂的，因为其具有多种生理功能。在本研究中，过量的K肥料施用导致产量略微下降，并且在冻害条件下，K的施用反而增加了产量损失。这可能是由于在低温胁迫下，低和高K水平的不平衡导致养分吸收效率下降，从而影响整体植株生长。

本研究的一个局限性在于未评估N、P和K肥料之间的交互作用对产量的影响。营养元素之间的相互作用在确定作物产量方面起着重要作用。N的供应增加会促进作物生长，进而提高对其他营养元素的需求。之前的研究表明，N和P之间存在正向交互作用，有助于提高P的吸收和产量。同时，充足的K水平对于作物高效利用N至关重要，但N浓度的增加可能会影响K在植物组织中的浓度，具体取决于K的水平。虽然本研究分析了这些营养元素对缓解冻害的个体作用，但它们的综合影响仍需进一步研究。未来的研究应关注这些相互作用，以开发更有效的施肥策略，提高作物在气候变化背景下的抗逆性。

为了应对气候变化带来的挑战，研究建议在正常年份和冻害年份采用不同的施肥策略。在正常年份，最佳施肥量为343 kg N/ha、118 kg P?O?/ha和166 kg K?O/ha，而在冻害年份，N的施用量应减少至约239 kg/ha，同时保持中等P和K的施用量（110 kg P?O?/ha和169 kg K?O/ha）。这些推荐施肥量与以往研究基本一致，但在2022–2023年的N施用量方面有所不同。这可能与Wuhan土壤中有机质和总N含量较低有关，因此在正常生长季节需要较高的N肥投入。然而，秋季过量的N肥施用会降低油菜的抗寒能力，强调了合理安排N肥施用时间的重要性，以确保越冬期的存活和最大产量的实现。

综上所述，本研究揭示了N、P和K肥料在缓解冻害对油菜产量影响中的关键作用，特别是在气候敏感地区如长江流域。通过合理调控施肥量，可以有效提高油菜的抗逆能力，从而确保其产量的稳定性。未来的研究应进一步优化施肥时间和方法，以更好地应对日益变化的气候条件，提高油菜及其他主要作物在极端天气下的适应能力。