化肥減量配合有機替代對赤紅壤常年菜地蔬菜生長及土壤氮平衡的影響

寧建鳳 艾紹英 李盟軍 姚建武 余丹妮 王思源 申健

摘? 要? 以赤紅壤常年菜地系統為研究對象，采用田間小區試驗方法，設置不同處理[對照CK、常規施肥CF、優化施肥OPT及優化施肥化肥氮10%、20%、30%有機替代（T10、T20、T30）]，研究菜地養分優化減施及有機替代對小白菜生長及土壤氮平衡影響。試驗連續種植4茬。結果顯示，施肥顯著增加小白菜產量，不同施肥處理肥料增產貢獻率為23.1%～39.6%。常規施肥處理小白菜產量在3169～3369 kg/667 m2之間，4茬小白菜總吸氮量為33.4 kg/667 m2、平均氮肥利用率31.2%。相比常規施肥，優化施肥及優化施肥化肥氮有機替代10%、20%、30%處理分別降低化肥用量35%、38%、41%和44%，小白菜產量、氮吸收量及氮肥利用率均與常規施肥處理無顯著差異。常規施肥條件下小白菜種植系統（4茬）氮盈余量10.3 kg/667 m2，優化施肥及化肥氮有機替代降低土壤氮盈余量18%～48%。總體上，赤紅壤常年菜地系統化肥減量使用35%～44%可保障蔬菜產量不降低基礎上，有效降低土壤氮盈余及潛在面源污染風險。優化施肥條件下化肥氮有機替代有利于進一步降低化肥氮投入量，實現菜地系統化肥深度減施。優化施肥及化肥氮有機替代可作為區域菜地系統推薦施肥技術方案。

關鍵詞? 赤紅壤;常年菜地;減量施肥;有機替代;氮平衡

中圖分類號? S156.6? ? ? 文獻標識碼? A

Abstract? A plot experiment with six treatments （i.e. CK， unfertilized control; CF， conventional fertilization; OPT， optimized fertilization; ON， chemical fertilizer nitrogen substituted partially by organic nitrogen under OPT mode： T10， T20 and T30） was conducted in a perennial planting vegetable field in the latosolic red soil zone to investigate the effect of optimal fertilization with or without organic nitrogen substituting partial chemical fertilizer nitrogen on vegetable growth and soil nitrogen balance. Four successive crops with a leafy vegetable Pakchoi （Brassica chinensis L.） were carried out. The results showed that the yields of Pakchoi increased significantly after different fertilizers applied， and the contribution rate of fertilizer on yield increase ranged from 23.1% to 39.6%. The yield of Pakchoi was 3169—3369 kg/667 m2 and the plant total nitrogen uptake was 33.4 kg/667 m2 with nitrogen use efficiency of 31.2% under CF treatment for four successive crop periods. As compared to CF， vegetable yields， plant nitrogen uptake and nitrogen use efficiency in treatment of OPT， T10， T20 and T30 showed no significant differences. It was estimated that chemical fertilizer application rate in OPT， T10， T20 and T30 was reduced by 35%， 38%， 41% and 44%， respectively. Nitrogen surplus in the Pakchoi planting system was 33.42 kg/667 m2 under CF treatment， which decreased by 18%—48% with treatment of OPT， T10， T20 and T30. It was suggested that the reduction of 35%—44% in chemical fertilizer application rate under conventional fertilization mode was feasible based on the stability of vegetable production and lower soil nitrogen surplus and its potential risks of nonpoint source pollution. The partial chemical fertilizer nitrogen in OPT treatment substituted by organic nitrogen contributed to further reduction of fertilizer input， leading to more reduction of fertilization in the vegetable planting system. It was concluded that OPT or T10， T20 and T30 treatment should be considered as a recommendation for regional vegetable production in the latosolic red soil zone.

Keywords? latosolic red soil; perennial planting vegetable fields; reduced fertilization; inorganic nitrogen substituted by organic nitrogen; nitrogen balance

DOI? 10.3969/j.issn.1000-2561.2019.05.025

隨著農業產業結構調整，蔬菜業逐漸成為我國種植業的主要產業之一。2016年，我國蔬菜種植面積2232.8萬hm2，占農作物播種總面積13.4%[1]。廣東地處南亞熱帶季風氣候區，是我國重要的蔬菜生產地，得益于充足的水、熱資源條件，多茬連作、周年生產是本地區蔬菜生產的主要特點。產量達全省蔬菜總產量一半的葉菜年均種植頻率高達8～10茬[2]。蔬菜由于種植效益高，經濟利益驅動下，菜地高投入高產出的生產模式十分普遍。針對珠江三角洲施肥現狀的調查顯示，菜地年均N、P2O5、K2O投入量每667 m2為 67 kg、61.1 kg和54.7 kg，且N∶P2O5∶K2O為1∶1∶1的均衡性復合肥使用普遍[3]。全國范圍來看，蔬菜化肥養分（N + P2O5 + K2O）用量是農作物養分用量的3.3倍，露地蔬菜N、P2O5、K2O施用總量平均分別是各自推薦量的2.7、5.9和1.5倍[4]。此外，重化肥、輕有機肥以及氮磷鉀養分比例不合理也是目前蔬菜施肥中存在的突出問題。我國化肥施用環境風險自1994年進入低度風險狀態，2014年化肥施用環境風險指數為0.54，總體呈現上升的趨勢[5]。陜西關中平原菜地硝態氮累積量比一般農田高4.5～5.2倍[6]，太湖水網區菜地硝態氮含量是水田的20倍[7]，福州市郊菜地地表和地下水環境氮濃度均處于不同程度超標狀態，與菜地超量不合理施肥密切相關[8]。廣東地區菜地耕作頻繁，加之本地區降雨量大、降雨強度高的自然環境特征，導致常年菜地系統成為化肥面源污染高風險區。蔬菜化肥減量增效應成為區域施肥調控的主要方向。

基于常年菜地系統化肥超量不合理施用現狀，研究蔬菜養分優化管理措施下蔬菜生長及土壤氮平衡特征，以期為蔬菜科學施肥及菜地化肥面源污染源頭控制提供理論依據，對于實現區域菜地系統水、土資源可持續利用具有重要社會和現實意義。

1? 材料與方法

1.1? 材料

試驗點位于廣州市白云區鐘落潭鎮（113.36°E，23.15°N）。供試土壤為砂質赤紅壤，0～20 cm土壤基本理化性質為：pH 6.97，有機質24.35 g/kg，全氮1.70 g/kg，堿解氮117.9 mg/kg， 銨態氮15.9 mg/kg，硝態氮27.1 mg/kg，速效磷129.55 mg/kg，速效鉀179.0 mg/kg，容重1.31 g/cm3。供試蔬菜為小白菜（雜交黑葉白菜，玉兔3號）。供試化肥為尿素（含N 46%），磷酸氫二銨（含N 21%、P2O5 53%），氯化鉀（含K2O 60%）和挪威復合肥（含N 15%、P2O5 15%、K2O 15%）。供試有機肥為廣州新農科肥業科技有限公司生產的生物有機肥，基本性質為：pH 6.5，有機質426.7 g/kg，總氮（N）11.5 g/kg，總磷（P2O5）11.0 g/kg，總鉀（K2O）30.0 g/kg，含水量40%。

1.2? 方法

1.2.1? 試驗設計? 試驗于2016年9月—2017年2月之間進行。試驗設對照（CK，不施肥），常規施肥（CF），優化施肥（OPT），優化施肥條件下化肥氮有機替代10%（T10）、20%（T20）和30%（T30）。共6個處理，每處理3次重復，隨機區組排列。各處理養分用量見表1，其中常規施肥（CF）養分用量采用當地菜農習慣施肥量。田間小區面積為12 m2（1.2 m×10 m）。試驗連續種植4茬小白菜，小白菜播種采用密植模式，畝播種量為556 g。試驗期間，4茬小白菜生長期在27～32 d之間。具體試驗時間分別為：第1茬，2016.9.9—2016.10.6;第2茬，2016.10.11— 2016.11.10;第3茬，2016.11.15—2016.12.17;第4茬，2017.1.8—2017.2.8。常規施肥處理化肥采用農戶習慣使用的挪威復合肥，優化施肥及優化施肥有機替代處理肥料采用尿素、磷酸氫二銨、氯化鉀及生物有機肥，磷肥、鉀肥和有機肥以基

肥方式一次性施入土壤，氮肥1/3用量以基肥施用，2/3用量平均分2次追肥。試驗過程中，按照農戶習慣模式進行蔬菜管理。小白菜采用噴灌方式灌溉，每天早晚各1次。

每茬小白菜收獲后測定其產量，并于每小區采集適量小白菜植株樣品進行養分含量分析。同時，小白菜收獲后采集表層（0～20 cm）土壤樣品備測。由于小白菜等葉菜類蔬菜屬于淺根系，根系生長及養分吸收主要集中于表層土壤，針對表層土壤的分析測定可以明確土壤養分的變化情況。

1.2.2? 測試指標與方法? （1）植株。采用土壤農化常規分析法[9]測定小白菜地上部全氮含量。

（2）土壤。將新鮮土樣過篩、充分混勻后，準確稱取10 g土壤于鋁盒中在105 ℃下烘干測定土壤含水量。同時稱取5 g新鮮土壤加入50 mL的2 mol/L KCl溶液震蕩30 min后過濾，濾液NH4+-N、NO3?-N采用流動分析儀（Alliance-FuturaⅡ，法國）測定。土壤NH4+-N、NO3?-N含量經折算以kg/667 m2表示，礦質氮為NH4+-N、NO3?-N之和。

（3）計算公式：

氮肥表觀利用率[10]=（施氮區作物吸氮量?對照區作物吸氮量）/施氮量×100%

肥料增產貢獻率[11]=（施氮區作物產量?對照區作物產量）/施氮區作物產量×100%

菜地氮平衡計算參照Widowati等（2011）[12]方法稍加改動，氮素平衡=（起始礦質氮+有機肥N+化肥氮）?（植物吸收氮+收獲后土壤礦質氮）。

土壤表層（0～20 cm）礦質氮含量（Yi）依公式（1）計算[13]：

式（1）中，Yi為土壤礦質氮含量（kg/667 m2），Ti為土層厚度20 cm，RWCi為土層含水量（%），[TMN]i為土層礦質氮濃度（mg/kg），0.1為單位換算系數，BDi為土層容重 g/cm3。

1.3? 數據分析

使用Excel 2010軟件、Origin 8.0程序和SAS 9.0統計分析軟件進行數據分析和處理。

2? 結果與分析

2.1? 不同處理下蔬菜產量及肥料增產貢獻率

試驗連續種植4茬小白菜。圖1A顯示，隨種植茬數增加，不施肥對照處理小白產量呈降低趨勢。相比對照，施肥顯著增加小白菜產量。常規施肥處理小白菜產量在3168～3369 kg/667 m2之間，優化施肥小白菜產量與常規施肥相比無顯著差異。相比優化施肥處理，T10、T20、T30處理的小白菜產量均無明顯變化。連續4茬小白菜產量結果表明，較農戶常規施肥，肥料養分減量35%（優化施肥）及其T10、T20、T30處理的小白菜產量均不受影響。

不同處理下肥料對產量增加的貢獻率表明，常規施肥處理肥料增產貢獻率為26.3%～38.2%，優化施肥處理的肥料增產貢獻率與常規施肥較為接近，為25.5%～38.6%（圖1B）?；实袡C替代處理的肥料增產貢獻率在23.1%～39.6%之間，與常規施肥和優化施肥處理相比無明顯規律性變化。

總體上，各處理第1茬的肥料增產貢獻率均較低，第2茬至第4茬肥料增產貢獻率相比第1茬均有不同程度提高。結果表明，施肥有利于維持蔬菜產量水平，隨著種植茬數增加，肥料增產貢獻效應明顯。

2.2? 不同處理下蔬菜氮吸收量

由表2可知，施肥顯著增加小白菜氮吸收量。相比常規施肥處理，優化施肥及化肥氮有機替代處理的吸氮量均無顯著變化。不同施肥處理下4茬小白菜總吸氮量在31.7～33.7 kg/667 m2 之間，處理之間無明顯差異。經計算，小白菜氮肥利用率在30.1%～35.2%之間，優化施肥及化肥氮有機替代相比常規施肥處理的氮利用率無明顯差異。結果表明，化肥氮減量及有機氮替代對小白菜氮素吸收量及氮利用率無明顯影響。

2.3? 不同處理下土壤礦質氮含量變化

小白菜收獲后土壤礦質氮含量變化如圖2所示。對照處理土壤礦質氮含量水平在5.61～ 6.31 kg/667 m2之間，施肥不同程度增加土壤礦質氮累積量。常規施肥和優化施肥處理礦質氮含量較對照明顯或顯著提高35.8%～105.9%、28.3%～98.4%，T10、T20、T30處理的礦質氮含量的增幅相對較低，分別為9.8%～64.4%、16.1%～44.6%和9.1%～53.3%。總體上，隨著種植茬數的增加，常規施肥及優化施肥處理土壤礦質氮含量呈現降低趨勢，且與化肥氮有機替代處理間的差異不明顯。

2.4? 菜地氮平衡特征

連續種植4茬小白菜，常規施肥處理氮（N）總投入量42 kg/667 m2（表3），優化施肥及優化施肥條件下有機替代處理氮總投入量均為38 kg/667 m2。不施肥對照處理4茬小白菜氮總攜出量20.3 kg/667 m2，各施肥處理小白菜氮攜出量較對照顯著提高56.3%～66.0%，且各施肥處理間無明顯差異。第4茬小白菜收獲后，對照處理土壤殘留礦質氮為5.61 kg/667 m2，施肥明顯或顯著提高土壤礦質氮殘留量28.2%～64.3%。與常規施肥相比，優化施肥及優化施肥有機替代處理礦質氮殘留量均無顯著差異。小白菜系統氮平衡分析表明，對照處理氮素處于虧缺狀態，常規施肥處理氮盈余10.27 kg/667 m2，優化施肥及優化施肥有機替代處理系統的氮盈余量低于常規施肥處理18.3%～47.5%，說明小白菜減量施肥及化肥有機替代均有利于降低菜地系統氮盈余量。

3? 討論

化肥超量投入、有機肥用量不足、氮磷鉀（N、P2O5、K2O）比例和有機無機養分比例失調是目前我國蔬菜施肥中主要問題[4]。依據不同地區土壤肥力水平的差異，葉菜類蔬菜氮磷鉀養分推薦施用量分別為每667 m2 N用量8.5～13.5 kg、P2O5用量1.5～4.5 kg、K2O用量5～11 kg，折合N∶P2O5∶K2O用量比例為1∶0.11～0.53∶0.37～ 1.29[14]。本文中，相比習慣施肥，優化施肥處理化肥減量35%，且養分比例符合葉菜推薦施肥方案，連續4茬優化施肥小白菜產量無明顯變化，說明養分優化減施有利于葉菜生長及保持產量穩定。針對集約化菜地系統的研究顯示，化肥優化減施25%～40%對蔬菜產量均無顯著影響[15-18]。本研究結果與已有報道相似。有機肥對于增加作物產量、改善作物品質的作用已有諸多研究和報道[19-21]。宋以玲等[22]研究表明，化肥減量10%～30%配施生物有機肥相比常規單施化肥提高油菜產量4.6%～24.6%。等養分量條件下，生物有機無機復合肥相比無機復合肥顯著增加大白菜產量15.4%、結球甘藍產量10.4%、辣椒產量4.5%和茄子產量38.4%[23]。本研究中，與習慣施肥相比，化肥氮有機替代10%～30%降低化肥投入量38%～44%，小白菜產量無顯著變化，即化肥優化減施條件下有機肥替代部分化肥有利于進一步降低化肥投入量，說明本試驗條件下赤紅壤常年菜地化肥優化減施潛力較大。黃紹文等[4]研究指出，我國主要露地蔬菜化肥養分減施潛力在41.9%～76.8%之間。本文研究結果接近這一報道范圍。山東壽光設施菜地調查顯示，蔬菜產量對化肥氮、磷、鉀施用量沒有顯著響應，而有機肥投入對蔬菜表現出明顯的增產效果[20]。不同比例有機替代處理下小白菜產量效應一定程度上說明有機肥有助于維持蔬菜產量水平。不同施肥處理小白菜肥料增產貢獻率在23.1%～39.6%之間，與我國主要糧食作物氮肥增產率（26.4%～30.9%）接近[24]。有機肥相比化肥養分釋放慢，不同比例有機替代處理間小白菜產量無明顯差異，可能與試驗周期短有關。優化施肥及有機替代處理中來源于化肥和有機肥的氮、磷、鉀養分對小白菜產量貢獻及其差異性、有機肥肥效評價尚需進一步開展長期試驗進行探討。

我國主要糧食作物氮肥利用率為27.3%～ 38.2%，以谷物為例其氮肥利用率低于世界平均水平20%～30%[24]。蔬菜由于化肥超量不合理使用，導致多數蔬菜氮肥利用率較低，僅為20%左右[25]。王榮萍等[26]研究顯示，華南地區蔬菜（葉菜、瓜類和豆類蔬菜）氮肥利用率為18.4%～19.7%。本研究優化施肥及有機替代處理4茬小白菜氮肥利用率在30.1%～35.2%之間，高于這一研究結果，且與主要糧食作物氮肥利用率水平相近，可能與葉菜密植方式有關。張學軍等[27]結果表明，番茄連續4茬減量施氮其果實產量及總吸氮量隨著種植茬數增加明顯降低。本試驗條件下優化施肥及不同比例有機替代對小白菜氮吸收量及氮肥利用率無顯著影響。研究顯示，有機肥通過早期促進無機氮的固定及后期促進有機氮再礦化過程提高白菜對無機氮的吸收[28]。不同比例有機替代處理小白菜氮吸收總量與優化施肥及常規施肥處理無顯著差異，可能與有機肥對土壤礦質氮的作用有關。從4茬小白菜種植體系來看，前兩茬中，有機肥施用對促進土壤礦質氮累積的作用有限，表現為有機替代處理土壤礦質氮累積量均顯著低于單施化肥的常規施肥和優化施肥處理。隨著種植茬數增加，有機肥對土壤礦質氮累積表現出不同程度的促進效應，主要體現在有機替代處理與常規施肥和優化施肥處理之間礦質氮累積量無顯著差異。氮肥投入量、作物攜出量、土壤氮素殘留量以及氮損失量等共同影響土壤系統氮平衡特征。氮素盈余是衡量氮素投入生產力、環境影響和土壤肥力變化的最有效指標，土壤氮素大量盈余會增加氮向環境損失風險[29]。本研究中，優化施肥及有機替代不同程度降低土壤氮盈余量，說明化肥優化減施及配合有機替代有利于降低氮損失的面源污染風險。

4? 結論

赤紅壤常年菜地系統連續種植4茬小白菜試驗結果顯示，施肥對于維持蔬菜產量具有顯著作用，農戶習慣施肥模式下化肥投入量具有較大的減施潛力，采用氮磷鉀配比優化、化肥用量降低35%的優化施肥方案對小白菜生長及氮素吸收、利用沒有明顯影響，并不同程度減少土壤-植物系統氮盈余量。結合小白菜種植系統氮平衡特征，優化施肥條件下化肥氮有機替代比例10%～30%，即試驗中常年菜地系統農戶習慣施肥的化肥減施比例不低于44%?；蕛灮瘻p施結合有機替代技術可作為區域常年菜地系統推薦施肥方案，有助于從源頭降低菜地化肥面源污染風險。

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