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作者简介:

杨泽鹏(1995-),男,山西运城人,研究实习员,硕士,主要研究方向为油菜高产高效栽培研究。E-mail:zepengyang@126.com。

通讯作者:

刘定辉,E-mail:dinghuiliu@163.com。

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目录contents

    摘要

    基于 2 个轮作周期的定位试验,研究了耕作与施肥方式对直播油菜产量、养分积累规律和肥料利用率的影响,为成都平原稻油轮作区科学施肥提供理论依据。试验设置 8 个耕作与施肥处理:免耕不施肥(NCK)、 旋耕不施肥(RCK)、免耕撒施(NS)、免耕穴施(NHF)、免耕条施(NBP)、旋耕撒施(RS)、旋耕穴施 (RHF)、旋耕条施(RBP),分析了油菜成熟期氮、磷和钾养分积累规律、肥料利用率和产量差异。结果表明: 1)与免耕相比,土壤旋耕方式下,油菜根、茎、枝、角果壳和籽粒中的氮含量分别显著提高 46.9%、14.0%、 19.3%、9.5% 和 4.2%,磷含量分别显著提高 65.3%、34.6%、17.9%、7.8% 和 4.8%,整株氮、磷积累量分别显著增加 14.8 ~ 22.5 和 2.1 ~ 2.9 kg·hm-2,增幅达 13.0% 和 11.6%(P< 0.05)。油菜根部养分含量对耕作方式差异响应较敏感,旋耕方式下根部氮、磷积累量及分配比例较免耕方式均明显提高。2)与撒施相比,肥料穴施和条施能显著提高成熟期油菜植株氮素吸收利用,根、枝、角果壳和籽粒的氮含量分别提高 34.5%、36.4%、31.6% 和 12.8%,整株氮积累量增加 9.2 ~ 27.4 kg·hm-2,增幅达 6.9% ~ 18.3%。油菜磷素和钾素的吸收利用对施肥方式的响应不及氮素。3)旋耕较免耕,肥料穴施、条施较撒施均能提高直播油菜籽粒产量和氮肥利用率,RHF 处理的籽粒产量与氮肥利用率最高,与 NS 处理相比,产量显著提高 16.1%,氮肥表观利用率、农学利用率及偏生产力分别提高 36.8%、13.4% 和 16.2%(P< 0.05)。因此,土壤旋耕与肥料穴施结合是该地区油菜高效生产较为适宜的种植方式,在油菜大面积生产中,旋耕条件下应选择穴施和条施,免耕条件下以穴施为宜。

    Abstract

    Based on the two rotation cycles site-specific experiment,the effects of different tillage and fertilization methods on the nutrient accumulation,yield and fertilizer utilization rate of rapeseed in Chengdu Plain were studied,in order to provide theoretical basis for the efficient management of rape nutrients in Chengdu Plain. Eight tillage and fertilization treatments were set up in the experiment: no tillage without fertilization(NCK),rotary tillage without fertilization(RCK),no tillage-spreading without soil cover(NS),rotary tillage with spreading(RS),no-tillage with hole fertilization(NHF),rotary tillage with hole fertilization(RHF),no-tillage with band placement(NBP),rotary tillage with band placement(RBP). Results showed:1)Compared with no tillage,the nitrogen content in the root,stem,branche,silique husks and oilseed of rapeseed increased by 46.9%,14.0%,19.3%,9.5% and 4.2%,while the phosphorus content increased by 65.3%,34.6%,17.9%,7.8% and 4.8%,the accumulation of nitrogen and phosphorus in the whole plant increased by 14.8 ~ 22.5 and 2.1 ~ 2.9 kg·hm-2 ,respectively,with an average increase of 13.0% and 11.6%(P< 0.05). The root nutrient content of rapeseed was sensitive to the difference of tillage methods,and the accumulation and distribution of nitrogen and phosphorus in roots were significantly increased. 2)Compared with broadcast application,the nitrogen absorption and utilization of rape plants in mature stage were significantly improved by applying fertilizer in holes and strips. The nitrogen content of rape root,branche, silique husks and oilseed increased by 34.5%,36.4%,31.6% and 12.8% on average. The nitrogen accumulation of the whole rape plant increased by 9.2 ~ 27.4 kg·hm-2 ,with an increase of 6.9% ~ 18.3%. The response of phosphorus and potassium uptake and utilization to fertilization was less than nitrogen. 3)Compared with no tillage treatment,rotary tillage treatment can improve the oilseed yield and nitrogen use efficiency of rapeseed,which showed the trend of rotary tillage > no tillage and hole fertilization > band placement > spreading. In the treatment of tillage and fertilization,the oilseed yield and nitrogen utilization rate of RHF treatment increased significantly by 16.1% compared with NS treatment,and the apparent nitrogen utilization rate,agronomic utilization rate and partial productivity increased by 36.8%,13.4% and 16.2%(P< 0.05),respectively. Therefore,rotary tillage and hole fertilization are suitable for high-efficiency production of rapeseed in this area. In the large-scale production of rapeseed,hole fertilization and band application should be selected under the condition of rotary tillage,and hole fertilization is suitable under the condition of no tillage. At the same time,rotary tillage and centralized fertilization improved the absorption of nitrogen,phosphorus and potassium in rapeseed,and the current fertilizer application should be further adjusted after straw returning to the field.

  • 油菜是我国主要的油料作物,种植面积和总产量均占世界30%左右,对保障我国植物油安全具有重要作用[1-2]。成都平原是我国油菜的重要产区,近年来,区域油菜生产的耕作与施肥方式主要以土壤免耕、肥料表施为主,由此导致的农田耕层变浅、土壤紧实粘重、透气性差和肥料利用低等问题日益突出。改变油菜耕作施肥方式是提高土壤生产能力、构建合理耕层结构的重要途径之一[3]

  • 耕作与施肥影响耕层土壤的结构和养分状况,改变根际土壤微环境进而影响作物对养分的吸收利用和产量[3]。有研究表明,稻-油轮作系统连续免耕有利于提高作物产量,改善稻田表层土壤肥力[4-7]。免耕在减少土壤扰动的条件下,能够提高土壤团聚体稳定性和孔隙度,利于微生物含量的增加,促进有机碳的积累[7-10]。丁晋利等[11]研究表明,与翻耕相比,免耕可显著提高小麦植株营养器官氮素转运量及对籽粒氮的贡献率而实现增产。但亦有研究表明,免耕油菜在杂草养分竞争和土壤紧实等不利条件影响下,生物量和氮、磷、钾养分吸收量均较翻耕处理显著降低[12]。Pittelkow等[13]研究指出在半干旱区免耕总体上会造成作物减产,尤其在黏质土壤上长期免耕会造成土体板结和排水不畅。

  • 土壤是肥料养分供应和作物养分吸收过程的中介与载体,施肥方式的不同直接关系到肥效的发挥和作物产量的高低[14]。刘波等[15]对湖北和江西油菜主产区研究发现,等氮条件下尿素集中施用(穴施和条施)的油菜产量、氮素吸收和氮肥利用率大于翻施和表施处理。而刘苹等[14]对山东地区小麦的研究结果表明,将控释氮肥撒施后旋耕的小麦产量、氮肥偏生产力较条施更高,氮肥利用率无显著差异。Sleight等[16]通过温室试验得出,磷肥在燕麦根区范围内分散施用较集中点施更能有效提高干物质积累和磷素吸收。因此,针对耕作与施肥方式在不同生态区域的适宜性尚存在较大差异。

  • 目前众多学者关于耕作与施肥单一因素对水稻[5-717-18]、小麦[31114]、油菜[61215]、玉米[1019] 等作物的产量和土壤养分、理化性质的影响进行了大量研究,而就耕作与施肥双因素对成都平原直播油菜的产量、氮磷钾养分积累规律及利用率的影响研究鲜见报道。因此,本研究基于在成都平原2017年开始的定位试验,通过分析第2年不同耕作与施肥方式对油菜产量和养分吸收利用的影响,以期为该区域直播油菜科学施肥和绿色生产提供理论基础和参考依据。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 试验地概况

  • 试验点位于四川省广汉市高坪镇李堰村 (31°03′N,104°10′E),地处成都平原东北部,是我国西部地区重要粮油产区。该地区属于中亚热带湿润气候区,四季分明,季风气候显著,年平均气温为16.3℃,日照时数1229.2h;年均降水量为890.8mm。试验地土壤为灰棕冲积水稻土,土壤质地为粉砂质壤土。前茬作物为水稻。土壤耕层基础理化性状:有机质31.78g·kg-1,全氮1.97g·kg-1,碱解氮211.27mg·kg-1,有效磷12.08mg·kg-1,速效钾49.90mg·kg-1,pH 6.38。

  • 1.2 试验设计

  • 试验于2017年9月到2019年5月开展,种植制度为水稻(5月下旬至9月下旬)-油菜(10月上旬至5月中旬)轮作,田间试验共设置8个处理(表1),每个处理3次重复,随机区组排列。小区面积为20m2 (5m×4m),小区间隔1.5m,各小区筑埂30cm厚、30cm高,并用塑料薄膜对0~100cm土层进行水分隔离。供试油菜品种为 ‘川油36’,株行距均为25cm,五叶期每穴定苗两株,种植密度32.00万株·hm-2,水稻品种为‘川优6203’,株距为25cm,行距为30cm,每穴移栽一株,种植密度13.33万株·hm-2。除不施肥对照外,油菜季和水稻季各处理施肥量均为600kg·hm-2 美丰比利夫复合肥(N ∶ P2O5 ∶ K2O=28 ∶ 6 ∶ 6)。油菜季施肥均为一次性基施,水稻季均为移栽后10d一次性撒施。其他管理措施与当地高产栽培管理措施一致。

  • 表1 试验处理及代码描述

  • 1.3 样品采集与测定

  • 2019年5月油菜成熟后,每小区选取有代表性植株6株,分为根、茎、枝、角果壳、籽粒5个部位,将相同部位混合成一个样品,样品均进行烘干、称重、磨细、过筛后用于养分含量测定分析。使用凯氏法测定油菜氮含量,使用矾钼黄比色法测定磷含量,使用火焰光度法测定钾含量[12]。所有小区均单打单收,采用水分测定仪测定油菜籽粒水分含量,调查小区实收产量。

  • 1.4 数据处理与计算方法

  • 养分积累量(kg·hm-2)=植株干物质量 × 养分含量 (1)

  • 氮肥表观利用率(%)=(施肥区地上部吸氮量−对照区地上部吸氮量)/施氮量 ×100 (2)

  • 氮肥农学利用率(kg·kg-1)=(施肥区籽粒产量−对照区籽粒产量)/施氮量 (3)

  • 氮肥偏生产力(kg·kg-1)=施肥区籽粒产量/施氮量 (4)

  • 籽粒生产效率(kg·kg-1)=籽粒产量/植株养分积累量 (5)[1220]

  • 养分表观平衡量=养分输入(当季肥料投入)-养分输出(当季地上部养分带走量)[1719]

  • 利用Excel 2010和SPSS 22.0处理试验数据和绘制图表,采用Duncan法(新复极差法)进行多重比较。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 耕作与施肥方式对油菜产量的影响

  • 研究结果表明,与不施肥相比,施肥能显著提高油菜产量192.8%以上;各处理中以旋耕穴施 (RHF)产量最高,达3053.7kg·hm-2,较农户习惯方式(免耕撒施不覆土,NS)显著增产16.1%(P<0.05)(图1)。相同施肥方式下,旋耕处理的油菜产量均高于免耕处理,增产4.2%~8.3%;相同耕作方式下,不同施肥方式油菜产量均表现为穴施>条施>撒施,免耕条件下穴施(NHF)和条施(NBP)分别较表土撒施不覆土(NS)显著增产8.9%和6.2%(P<0.05),旋耕方式下穴施(RHF) 和条施(RBP)分别较表土撒施(RS)增产7.3%和2.1%。对施肥区进行方差分析发现,耕作与施肥方式分别对油菜产量的影响达显著水平,而两者的交互作用影响不显著(P>0.05)。

  • 图1 耕作与施肥处理对油菜籽粒产量的影响

  • 注:不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

  • 2.2 耕作与施肥方式对油菜氮、磷和钾养分含量的影响

  • 各处理不同器官养分含量分析结果表明,氮、磷含量在籽粒中最高,分别为31.85~36.51和5.21~5.90g·kg-1,在不同器官中的大小顺序表现为籽粒>茎>角果壳>枝>根;钾含量在角果壳中最高,为18.50~21.79g·kg-1,在不同器官中的大小顺序表现为角果壳>枝>茎>籽粒>根 (表2)。

  • 相同施肥方式下,土壤旋耕能够显著提高油菜氮、磷含量,与免耕相比,旋耕方式下油菜根、茎、枝、角果壳和籽粒中的平均氮含量分别提高46.9%、 14.0%、19.3%、9.5%和4.2%,平均磷含量分别提高65.3%、34.6%、17.9%、7.8%和4.8%,相同耕作方式下,肥料穴施和条施处理较撒施处理均提高了油菜根、枝、角果壳和籽粒的氮含量。方差分析结果表明,耕作、施肥方式对油菜根的氮、磷、钾含量影响均达极显著水平,耕作方式对茎、枝中的氮,角壳中的氮、磷的影响均达显著或极显著水平,施肥方式对角果壳中的氮、磷含量影响显著,但两者的交互效应对油菜各器官的氮、磷、钾养分含量影响均不显著(P>0.05)。

  • 2.3 耕作与施肥方式对油菜养分累积及其分配比例的影响

  • 与不施肥相比,施肥后油菜整株氮、磷和钾平均积累量分别显著提高238.0%、212.2%和256.6%(P<0.05)。相同施肥方式下,与免耕相比,旋耕均提高了施肥区油菜各器官中的氮、磷积累量,整株氮、磷积累量平均提高了13.0%和11.6%;钾积累量在除根部和角果壳外的其余器官均无显著差异。相同耕作方式下,与肥料撒施相比,穴施和条施均增加了油菜根、枝、角果壳和籽粒的平均氮积累量,分别提高34.5%、36.4%、31.6%和12.8%,而茎的平均氮积累量下降了12.1%;同时,枝与角果壳中的氮、磷分配比例升高,茎的氮、磷分配比例降低,这表明穴施和条施后油菜的分枝与角果中储存更多的氮素和磷素,为油菜的高产奠定基础。方差分析结果表明,耕作方式对除角果壳以外的其余器官氮积累量,对各器官的磷积累量,根的钾积累量均有显著或极显著影响;施肥方式对各器官的氮积累量,根和角果壳的磷、钾积累量均有显著或极显著影响;除角果壳的磷积累量以外,二者的交互作用对油菜其它器官氮磷钾积累量均无显著影响。

  • 表2 不同耕作与施肥处理对油菜植株养分含量的影响

  • 注:T:耕作因素;F:施肥因素。不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05),* 和 ** 分别表示在0.05和0.01水平上差异显著。ns表示处理间无显著差异。下同。

  • 表3 不同耕作与施肥处理对油菜养分积累量及其分配比例的影响

  • 2.4 耕作与施肥方式对油菜养分利用率的影响

  • 由表4可见,旋耕较免耕,肥料穴施、条施较撒施均提高了直播油菜氮肥表观利用率、农学利用率及偏生产力,相同耕作方式下均呈现出穴施>条施>撒施的趋势。各处理中氮肥表观利用率、农学利用率及氮肥偏生产力均以RHF处理最高,分别较NS处理显著提高36.8%、13.4%和16.2%(P<0.05)。氮素籽粒生产效率以RCK处理最高,较最低的RHF处理显著升高13.2%,其余各处理间差异均不显著(P<0.05);磷素籽粒生产效率以NBP处理最高,免耕方式下穴施和条施分别较撒施提高9.5%和12.0%。各处理间钾素籽粒生产效率均无显著差异 (P<0.05)。方差分析结果表明,耕作方式对油菜氮肥偏生产力和氮、磷素籽粒生产效率的影响显著或极显著,施肥方式对油菜氮肥表观利用率、农学利用率、偏生产力和磷素籽粒生产效率的影响均达极显著水平(P<0.01),但耕作与施肥方式的交互作用对氮、磷和钾各养分利用效率指标均无显著影响。

  • 表4 不同耕作与施肥处理对油菜氮、磷和钾养分利用效率的影响

  • 2.5 耕作与施肥方式对油菜-土壤系统氮、磷、钾养分表观平衡的影响

  • 本文仅从作物-土壤系统的投入与带走上简单计算肥料养分的表观平衡,不考虑肥料挥发、径流等损失,以及灌水和沉降等其他途径带入的养分。结果如图2显示,各施肥处理中,RHF处理的氮、磷、钾均呈现亏缺现象,其余各处理的养分收支平衡整体呈现出氮盈余(N 10.5~36.4kg·hm-2)、磷略有亏损状态(P-2.4~5.3kg·hm-2)、钾养分严重表观亏缺(K 83.7~94.1kg·hm-2)。旋耕条件下撒施、穴施和条施处理氮素表观盈缺量分别较免耕显著降低了38.9%、121.5%和62.6%;对磷素表观盈缺量而言,旋耕方式加大了油菜对磷养分的吸收与携带,RS、RHF、RBP处理分别较NS、 NHF、NBP处理亏缺了1.9、3.2和2.9kg·hm-2。 RHF处理的磷素表观盈缺量分别较RS、RBP处理显著降低6.4%和5.2%,而免耕方式下无显著差异;各施肥处理中,钾素表观盈缺量无显著差异,施肥区较不施肥区显著降低43.0~62.8kg·hm-2

  • 图2 耕作与施肥方式对油菜-土壤系统养分表观平衡的影响

  • 3 讨论

  • 3.1 耕作方式对油菜产量、养分含量和积累量的影响

  • 土壤耕作通过调节耕层土壤内部位置和结构,对土壤水、肥、气、热等环境条件产生重要影响[1719]。等肥条件下,旋耕处理的油菜产量较免耕增加4.2%~8.3%,油菜整株氮、磷积累量分别显著增加14.8~22.5和2.1~2.9kg·hm-2,平均增幅达13.0%和11.6%。苏伟等[12]认为免耕条件下较高的土壤容重和紧实度抑制了根系的生长与养分吸收,同时大量杂草与油菜进行养分竞争,导致免耕油菜产量较翻耕减产10.7%,干物质量下降17.3%,这一结论与本研究的结论相似。旋耕较免耕能够疏松土壤,增加土壤微生物的活性,提高有机质矿化分解能力[17]。耕作方式同时影响着作物体内的养分累积,本研究中,旋耕油菜地上部(茎、枝、角果壳、籽粒)的氮磷养分含量与积累量显著高于免耕方式(表3),这为旋耕油菜获得高产奠定了基础。耕作方式对产量及作物养分吸收的效应在前人的研究中有较大差异[6-12]。丁晋利等[11]发现连续2年免耕较翻耕显著降低了河南冬小麦茎的氮积累,增加籽粒氮积累。而成臣等[21] 研究发现,在南方双季稻区,与常规翻耕和免耕相比,长期旋耕能够稳步提高土壤肥力和水稻产量。这些截然相反的报道可能与土壤和生态环境、作物类型及栽培措施、持续时间有关[6-12]

  • 3.2 施肥方式对油菜产量、养分含量和积累量的影响

  • 在本研究中,与肥料撒施相比,穴施和条施使油菜籽增产2.1%~8.9%,油菜整株氮积累量增加6.9%~18.3%。这与其他学者在油菜、小麦、水稻等作物体系的研究结果类似[1822-24]。这是由于穴施和条施较撒施极大地减少了肥料与土壤的接触面积,有效延缓养分释放并减少肥料损失[23-24]。另一方面,集中施用肥料亦能增加根际养分浓度,从而增加油菜根系直径和根系生物量,保证油菜生长后期土壤的养分供应,为获得较高籽粒产量提供保障[1525]。本研究中,穴施和条施后油菜根、枝、角果壳和籽粒中氮养分含量和积累量较撒施呈增加趋势,枝与角果壳等营养器官中的氮比例亦有明显上升趋势(表2,3)。这与左青松等[25]、张辉等[26]研究结果一致,原因可能是集中施肥有利于氮素向枝、角果中运输,为构建出发达的茎、枝与角果提供物质基础。对于磷、钾素而言,施肥方式对油菜植株磷、钾素营养积累与分配的影响程度小于氮素,如RBP和RS处理的油菜植株对磷、钾素养分的吸收积累差异不显著,这可能与磷、钾素在土壤中极易被固定的特性有关[2227]。大量研究表明,油菜籽粒产量主要来源于角果皮的光合产物[2528],在本研究中,相同耕作方式下穴施和条施的角果壳氮、磷、钾养分积累量及分配比例均高于撒施,这一结论也证实了前人的研究观点。此外,本研究中肥料穴施和条施在产量提高的同时并没有同比例地提高磷的吸收积累,造成了籽粒中磷元素的稀释,前人在玉米和油菜等作物上也发现了相似规律[29-30],即随着作物收获产量的提高,某些元素或化合物浓度出现不同程度的降低。

  • 3.3 耕作与施肥方式对油菜利用率和籽粒生产效率的影响

  • 肥料利用率和籽粒生产效率是反映作物、土壤和肥料之间关系的动态参数,是科学施肥的重要参考指标[2530]。关于作物氮磷钾肥料利用率和籽粒生产效率,前人进行了大量的研究[151725-26]。刘波等[15]研究表明,氮肥集中施用后油菜氮肥表观利用率较表施提高50.7%。本研究中,RHF处理的氮肥表观利用率、农学利用率及偏生产力分别较NS处理分别提高36.8%、13.4%和16.2%,这一增幅低于前人研究,这可能与区域之间气候、品种和具体的栽培措施不同有关。Witt等[31]认为,随着产量水平的提高,水稻的氮磷钾籽粒生产效率呈下降趋势,但本研究中氮磷钾素籽粒生产效率呈现的趋势不一致,旋耕以及穴施方式下氮素籽粒生产效率降低可能是油菜植株营养器官如茎、枝、角果壳中滞留的氮素比例较大,未能转化为籽粒生产优势所致[2532],而油菜的根系能分泌出活化土壤中磷素的物质,穴施及条施增大了根系与磷肥的接触面积,加强了后期营养物质向籽粒迁移的能力,从而增加了油菜磷素籽粒生产效率[33-34]

  • 3.4 耕作与施肥方式对油菜-土壤系统养分表观平衡的影响

  • 土壤养分表观平衡是衡量施肥方法是否合理的指标之一[1835]。本试验条件下,旋耕穴施处理氮、磷呈现少量亏缺,钾严重亏缺,其余各处理的养分收支平衡,整体呈现出氮盈余,磷略有亏损状态,钾养分严重表观亏缺,这一养分亏缺水平与刘晓伟等[18] 和张帆等[36]的相关研究相近,而与朱芸等[35]对稻油轮作系统的氮磷均盈余的研究差异较大,这可能与本研究磷素(P 15.7kg·hm-2)、钾素(K 29.9kg·hm-2)的投入较低有关。韩上等[37]对小麦-玉米轮作区的耕作方式研究表明,单纯增加耕层深度不能明显提高玉米和小麦产量,反而显著降低了土壤有机碳含量和水稳性团聚体比例;配合秸秆还田才能有效改善耕层土壤结构和培肥土壤。本研究中85%左右的钾都存在于油菜的秸秆中,如果不将其适时还田,长此以往整个体系钾养分会持续亏缺,最终影响油菜的产量。相关研究表明,秸秆覆盖还田不仅能弥补养分亏缺,还可以缓解油菜越冬期极端低温和阶段性干旱的问题,促进油菜对氮磷钾的吸收[38]。因此,有关油菜秸秆长期还田对土壤系统养分含量及下茬作物生长发育的影响还有待进一步研究。

  • 4 结论

  • 土壤旋耕与肥料穴施结合下的籽粒产量与氮素利用率最高。土壤旋耕较免耕,肥料穴施、条施较撒施均能提高籽粒产量和氮肥利用率。在相同施肥条件下,成都平原直播油菜在旋耕条件下较免耕能显著提高油菜成熟期氮和磷的累积,油菜根、茎、枝、角果壳和籽粒各器官中氮、磷含量均显著升高,油菜整株氮、磷素积累量平均增幅达13.0%和11.6%。相同耕作方式下,肥料穴施、条施较撒施能显著提高油菜氮累积,油菜根、枝、角果壳和籽粒的氮含量和积累量增加,枝与角果壳中的氮、磷分配比例升高,茎的氮、磷分配比例降低,而籽粒的分配比例无明显差异。

  • 综上,在成都平原油菜大面积生产中,旋耕条件下应选择穴施和条施,免耕条件下以穴施为宜。同时,在当前养分投入下,秸秆要适时还田保证土壤养分平衡,以利于油菜生产的可持续发展。

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