在当前国际环境下，我国大豆进口的不确定性一直存在，因此，保证国内油料作物的安全生产至关重要^[1]。油菜是我国食用植物油和饲用蛋白的主要来源，也是轮作换茬的优势越冬作物。芝麻是我国古老的特色油料作物，营养价值极高，消费群体庞大。油菜和芝麻对红壤旱地适应性较强，但芝麻不耐连作^[2]，油菜与芝麻轮作可充分利用冬闲旱地并有效减轻芝麻连作障碍^[3]。因此，油菜―芝麻轮作已成为南方红壤旱地的主要种植模式之一。然而，该模式还存在2个主要制约因素，一是油菜产量、肥料利用率和经济效益均偏低，不合理施肥（尤其是氮肥）现象十分突出^[4]；二是前茬油菜有较多的氮肥残留，增施过多的氮肥会进一步加剧芝麻的连作障碍^[5]。相比芝麻，油菜需氮量更大，而且生育期较长，一般需追肥2~3次^[6-7]。由于人工成本上升，通过多次追肥提高肥效已难以为继，因此一次性基施即可满足作物全生育期氮素需求的控释氮肥备受青睐^[8]。近年来，随着缓控释技术优化和工艺成本降低，控释氮肥在小麦―玉米（水稻）和油菜―水稻等粮油作物轮作体系上的应用已十分普遍^[9⇓-11]，但在红壤旱地油菜―芝麻轮作模式中的试验与应用较少，且控释氮肥的后效也未引起足够重视。研究^[12-13]表明，一季作物收获后残留的化肥中氮素约占总施氮量的15%~30%，而且有效性明显高于土壤固有的氮素，很容易被下季作物吸收利用，从而替代一部分氮肥。而较之普通氮肥，施用控释氮肥减少了氮素损失^[14]，可以同步提高作物氮素利用率和土壤氮素肥力^[11,15]。因此，本研究在典型的红壤旱地开展田间试验，探究油菜―芝麻轮作模式下油菜专用控释氮肥施用效果及后效，为该模式轻简高效施肥提供参考。

试验于2019-2020年油菜季（10月-次年5月）和芝麻季（6-9月）在江西省红壤及种质资源研究所进贤县张公核心试验基地进行。试验期间气象条件总体利于油菜和芝麻生长，气温分布和降水量如图1所示。油菜选用双低品种赣油杂8号，芝麻选用当地黑芝麻品种赣芝7号。试验区为集中连片的红壤旱地，土壤肥力中等，0~20 cm耕层土壤含有机质18.7 g/kg、全氮1.43 g/kg、碱解氮120.4 mg/kg、铵态氮7.2 mg/kg、硝态氮10.8 mg/kg、有效磷27.7 mg/kg、速效钾98.4 mg/kg，pH为5.26。

试验为油菜―芝麻轮作，其中油菜季（R）采用完全随机区组设计，设置3个氮肥施用处理，分别为一次性基施控释氮肥180 N kg/hm²（CRN，含氮44%的油菜专用控释尿素）、分次施普通氮肥180 N kg/hm²（CN，含氮46%普通尿素，基肥:苗肥:薹肥=6:2:2）和不施氮肥处理（CK），每个处理3次重复，小区面积40m²（4 m×10 m）。在油菜收获时秸秆切碎还田，随后的芝麻季（S）将每个小区分裂成2个副区种植芝麻，其中1/2小区为芝麻不施氮处理（N₀），另外1/2小区为芝麻施氮处理（N₁，105 N kg/hm²，底施与初花期追施比例为5:2）。油菜季其他肥料为钙镁磷肥（含P₂O₅ 12%）、氯化钾（含K₂O 60%）和硼砂（含B 11%），用量分别为P₂O₅ 60 kg/hm²、K₂O 90 kg/hm²和硼砂15 kg/hm²，所有处理均一次性基施磷、钾、硼肥，随后用微型机械旋耕，再按照行距25 cm、播种量4.5 kg/hm²进行人工开沟条播。芝麻季钙镁磷肥（含P₂O₅ 12%）和氯化钾（含K₂O 60%）用量分别为P₂O₅ 45 和K₂O 75 kg/hm²，所有处理均一次性基施磷、钾肥，随后用微型机械旋耕，再按照行距25 cm、播种量4.5 kg/hm²进行人工开沟条播。

在前茬芝麻收获后，按五点取样法采集耕作层（0~20 cm）土壤，自然风干后磨碎过筛，采用常规方法分别测定土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量。

分别在油菜苗期、蕾薹期、初花期和芝麻苗期及初花期，每个小区选定长势匀称的20株植株，用SPAD-502叶绿素仪测定倒数第2片全展叶SPAD值。

在油菜和芝麻收获前1 d，每个小区选定有代表性的0.75 m²（连续3行，每行1 m）样方调查有效株数，然后收获样方内油菜，考察每株角果数、每角粒数和千粒重。随后分小区单独收获籽粒（边行除外），晾干后测定实际产量。

成熟期地上部烘干并称重后，分别将茎秆、角壳与籽粒分开并粉碎，过0.5 mm筛，经H₂SO₄-H₂O₂联合消煮，用FOSS-2300型全自动定氮仪测定氮含量。

地上部氮素积累量（kg/hm²）=（茎秆干物质重×茎秆氮素含量）+（角壳干物质重×角壳氮素含量）+（籽粒干物质重×籽粒氮素含量）。

氮肥利用率（%）=（施氮区氮素积累量−不施氮区氮素积累量）/施氮量×100。

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区产量−不施氮区产量）/施氮量。

氮肥残留利用率（%）=（油菜季施氮而芝麻不施氮处理产量−两季都不施氮处理产量）/施氮量×100。

前茬芝麻和当季油菜收获后，每小区取耕层（0~20 cm）土壤，用2 mol/L KCl浸提，用流动注射分析仪测定土壤硝态氮和铵态氮含量。

参考相关方法^[11-12]计算各处理经济效益，产值（元/hm²）=籽粒价格×籽粒产量；施肥成本（元/hm²）=肥料成本+施肥成本；纯收入（元/hm²）=产值−施肥成本。

采用软件Microsoft Excel 2016进行数据分析与制图，采用SPSS 17.0进行方差分析。

由表1可知，与CK相比，施用氮肥显著提高了油菜各生育时期叶片SPAD值和株高，并且随着生育期的推进叶片SPAD值和株高的增加效果越明显。与不施氮处理（CK）相比，施氮处理（CN和CRN）苗期、蕾薹期和初花期的SPAD值分别平均增加了13.1%、19.2%和33.8%，蕾薹期、初花期和成熟期的株高分别平均增加了16.4%、18.6和21.7%，而一次性基施控释氮肥（CRN）与分次施用普通氮肥（CN）之间均无显著差异。可见，控释氮肥一次性基施可以保证油菜正常生长。

从表2可以看出，施用氮肥显著提高了油菜每株角果数、每角粒数、千粒重及籽粒产量。CRN和CN处理产量及其构成均无显著差异，与CK相比，二者分别增产1428和1361 kg/hm²，增产率分别达123.8%和117.4%，表明本试验条件下，油菜控释氮肥一次性基施可以达到普通氮肥分次施用的效果。

由表3可知，施用氮肥显著提高了油菜成熟期地上部生物量和各部位氮素积累量。与CK相比，CN和CRN处理油菜成熟期地上部生物量分别显著提高了6712和6876 kg/hm²，氮素积累总量分别显著提高71.3和73.5 kg/hm²，生物量增幅分别为202.8%和207.9%，氮素积累总量增幅分别为121.6%和125.4%。其中，施氮肥处理油菜茎秆氮素积累量分别显著提高了11.9和12.5 kg/hm²，角壳提高了6.9和7.2，籽粒提高了52.5和53.8 kg/hm²，增幅分别为茎秆147.6%和154.3%，角壳116.3%和121.8%，籽粒117.6%和120.6%。相比CN处理，CRN处理油菜成熟期生物量、各部位氮素吸收量和氮肥利用率均有增加的趋势，但总体差异不显著。

由表4可知，施用氮肥显著提高了油菜收获后土壤耕层无机氮含量，尤其是硝态氮含量。与CK相比，CN和CRN处理油菜收获后土壤耕层无机氮含量分别显著提高了10.4和24.8 mg/kg，增幅分别为85.9%和204.8%。施氮处理之间油菜收获后耕层土壤的铵态氮含量无明显差异，但硝态氮含量和总无机氮含量差异显著。与CN处理相比，CRN处理土壤耕层硝态氮含量显著提高了13.9 mg/kg，增幅为94.6%；总无机氮含量显著提高了14.4 mg/kg，增幅为64.3%。

由图2可知，油菜季施氮和芝麻季施氮处理对芝麻产量产生了显著和极显著的影响，且二者互作效应显著。在芝麻季不施氮条件下，油菜季施氮显著提高了芝麻产量，油菜季CN和CRN处理分别比CK处理提高芝麻产量216.9和301.3 kg/hm²，增幅为29.6%和41.1%，但二者产量无显著差异。在芝麻季施氮条件下，油菜季CN和CRN处理分别比CK处理显著提高芝麻产量269.7和433.7 kg/hm²，增幅为22.1%和35.5%，二者产量也无显著差异。在油菜季相同施氮条件下，芝麻季施氮显著提高了芝麻产量489.3~621.7 kg/hm²，相应增幅达57.1%~ 60.8%。

由图3可知，油菜季施氮和芝麻季施氮处理对芝麻叶片SPAD值具有极显著影响，且二者在苗期存在显著的互作效应。在芝麻季不施氮条件下，油菜季施氮显著提高了芝麻叶片SPAD值，施氮后苗期和初花期的SPAD值分别比CK处理平均提高了19.1%和17.7%，其中油菜季CRN处理比CN处理显著提高苗期SPAD值6.4%。在芝麻季施氮条件下，油菜季CN和CRN处理苗期和初花期的SPAD值分别比CK处理平均提高了14.2%和11.8%，油菜季CRN处理比CN处理显著提高苗期SPAD值，为6.9%。在油菜季相同施氮条件下，芝麻季施氮显著提高了苗期和初花期叶片SPAD值，相应增幅分别为17.3%~23.8%和19.7%~26.2%。

前茬油菜施肥同样也会对芝麻氮素吸收量产生显著影响（表5）。无论芝麻季施氮肥与否，芝麻的氮素吸收量均因前茬油菜施用氮肥而增加，其中在芝麻季施氮肥条件下尤为显著。芝麻的氮素吸收量均以油菜季CRN处理时最高，在芝麻季不施氮肥和施氮肥的条件下，分别比油菜季不施氮肥处理显著增加了15.1和21.9 kg/hm²，平均增幅达25.2%。油菜季CRN和CN处理下芝麻的氮素吸收量及氮肥利用率均显著高于油菜季CK处理，但二者之间无显著差异。此外，前茬油菜施肥（CN和CRN）残留在土壤中的氮肥仍有5.2%和8.4%可以被下季芝麻所吸收利用，相比普通氮肥，控释氮肥的残留氮利用率和累积氮利用率分别显著提高了59.6%和9.2%。

由以上分析可知，在油菜季施氮肥的基础上，芝麻季施用氮肥能显著提高芝麻产量489~622 kg/hm²。如果以油菜季不施氮肥，芝麻季施用氮肥的增产量（489 kg/hm²）作为评估油菜季氮肥后效的依据，那么在油菜季CRN和CN处理下，芝麻季的氮肥用量可在现有的基础上分别减少10.2和22.4 N kg/hm²，氮肥减施幅度分别为9.7%和21.3%（表6）。

由表7可知，合理的氮肥施用能够在降低施肥投入成本的同时提高作物的产量，增加油菜―芝麻轮作模式周年经济效益。不论后茬芝麻施氮肥还是不施氮肥，周年产值和纯收入油菜季一次性基施控释氮肥（CRN）均高于分次施用普通氮肥（CN），其中以油菜季一次性基施控释氮肥（CRN）后茬芝麻施氮肥（N₁）轮作处理最高，较普通氮肥后茬芝麻施氮和不施氮轮作处理提高周年产值8.1%和40.7%，增加周年纯收入10.7%和49.7%。

本研究结果表明，施用氮肥显著增加了油菜、芝麻产量及氮素吸收量，与前人^[5]研究结果一致，说明合理施氮对红壤旱地油菜―芝麻生产至关重要。相比普通氮肥，油菜专用控释氮肥实现了红壤旱地油菜肥料一次性基施，同时还保证了油菜正常生长，达到了相当的产量水平和氮素利用率。这与前人^[11,14]关于水田油菜的研究结果基本一致。其主要原因在于油菜专用控释氮肥采用了高分子包膜技术，有效延缓了氮素养分释放，显著降低了氮素损失，切合了油菜“前促后稳”的需肥规律^[6,8]。然而，本研究中控释氮肥处理对油菜产量及氮肥利用率的提升效应不显著，可能与红壤旱地肥力偏低、试验周期较短，以及肥料类型与轮作模式差异等因素有关^[14,16]。油菜专用控释氮肥适宜用量在各冬油菜主产区之间的差异不大，总体与普通氮肥的推荐施用量相当^[8]。已有研究^[17]表明，一次性基施等量的控释氮肥比分次施普通氮肥产量高，适量减施控释氮肥也可以达到普通氮肥的产量水平，同时显著提高氮肥利用率。且长期连续施用控释氮肥，还有进一步降低氮肥用量的潜力^[11,16]。这有待于通过延长试验周期和适当减少氮肥用量来深入研究控释氮肥对油菜的产量及氮肥利用率的效应。

油菜季氮肥施用影响后茬芝麻的产量与氮素吸收。无论芝麻季施氮肥与否，芝麻的产量与氮素吸收量均因油菜季氮肥的施用而增加。油菜季施氮（CN和CRN）分别使芝麻增产217和434 kg/hm²，增加氮素吸收量9.6和21.9 kg/hm²，且增幅均以油菜季施用控释氮肥处理最高，其中氮素吸收量增幅表现为芝麻季施氮显著高于不施氮处理。由此可见，前茬油菜氮肥的后效同氮肥类型密切相关，但其后效同样受后茬芝麻氮肥施用的影响，在芝麻施氮条件下油菜季氮肥的后效更为显著，这可能与外源氮对土壤氮产生的激发效应有关^[11-12]。而且，科学施氮能促进芝麻光合作用，协同提高产量与氮肥利用率^[18]。在多熟制生产中，充分利用残留氮以提高作物产量并降低面源污染，同时提升土壤氮有效肥力是科学施氮的根本出发点^[13]。已有研究^[11,19]表明，作物施用氮肥在下季作物的利用率约为0.4%~14.1%，油菜季施入的普通氮肥和控释氮肥在下茬芝麻的利用率分别为5.2%和8.4%，本研究与上述研究结果基本一致。但细究其具体差异，可能是受土壤肥力、肥料类型、轮作模式、秸秆处理、试验周期及方法等因素的综合影响^[13]。例如，在油菜―水稻两季连续施用控释氮肥条件下，前茬施用氮肥在后茬的利用率高达11.6%~14.1%，而在两季连续施用普通氮肥条件下，氮肥残留利用率仅为0.4%~5.7%^[11]；再如，在油菜―芝麻两季连续施用普通氮肥并采用¹⁵N示踪法条件下，油菜季施用氮肥在后茬芝麻的利用率只有1.3%~1.9%^[19]。这主要是因为相比普通氮肥，控释氮肥的养分释放缓慢，一次性深入基施避免了因中后期表面追施造成的氮素损失，提高了后期供氮能力，其肥效可在后茬作物中进一步发挥^[15,20]。本研究中，油菜施用控释氮肥处理显著提高了土壤耕层无机氮含量、下茬芝麻叶片SPAD值及氮素吸收量的结果也佐证了这一点。此外，与前人研究不同，本研究各处理油菜秸秆均已原位全量还田，归还了氮素养分14.1~33.6 N kg/hm²，这也在一定程度上促进了残留氮肥利用率的提高。

尽管本试验中芝麻季未设置不同的氮肥梯度用于直接评估基于油菜季氮肥后效的芝麻氮肥适宜用量，但是参考前人^[12]的研究方法，初步估测了芝麻达到一定的增产量时，施氮量理论上可下调10.2~22.4 kg/hm²。除了氮肥类型，土壤的保肥性能也是影响氮肥后效的重要因素，在实际生产上可能并不能达到该理论值^[13]。值得注意的是，相比普通氮肥，控释氮肥的残留氮利用率和累积氮利用率分别显著提高了59.6%和9.2%。说明在油菜―芝麻轮作模式下，前茬油菜施用控释氮肥比施用普通氮肥的后效更显著，后茬芝麻可再适当减少氮肥用量，顺应化肥减量增效的大趋势。从经济效益上看，虽然油菜专用控释氮肥成本要高于普通氮肥，但其一次性基施能够在降低追肥成本的同时提高作物产量和肥效，增加周年经济效益，具有良好的应用前景。特别是近年来，适应当前生产需求的机械种肥同步播施技术基本成熟，可在油菜播种的同时将控释肥一次性侧位深施^[21]。因此，建议在红壤旱地油菜―芝麻轮作模式下结合机械化种植因地制宜地推广应用控释肥。

在红壤旱地油菜―芝麻轮作模式下，油菜专用控释氮肥一次性基施能够保证全生育期氮素供应，促进油菜的生长发育，可以达到甚至优于普通氮肥分次施用的效果。相比普通氮肥分次施用，油菜专用控释氮肥一次性基施显著提高了油菜收获后土壤耕层硝态氮、总无机氮含量及残留氮和累积氮利用率，对后茬芝麻的增产效果更为显著，在降低施肥人工成本的同时提高了作物的产量，增加了周年经济效益。因此，建议在红壤旱地油菜―芝麻轮作模式下施用油菜专用控释氮肥，且后茬芝麻应适当减施氮肥。