菜田種養復合系統氮/磷平衡分析*

白娜玲，呂衛光，鄭憲清，李雙喜，何 宇，張娟琴，張海韻，張翰林**

（1.上海市農業科學院生態環境保護研究所，上海 201403；2.農業農村部上海農業環境與耕地保育科學觀測試驗站，上海201403；3.上海市農業環境保護監測站，上海 201403；4.上海市設施園藝技術重點實驗室，上海 201403；5.上海海洋大學海洋生態與環境學院，上海 201306）

農田生態系統是人類建立的最大限度產出有效產品的生態系統，傳統農業的單一生產模式受諸多自然條件限制，從而導致其生產工藝和經濟轉化效率不斷降低。農牧分離、種養分離，導致原本互補的種植業和養殖業均成為環境污染的罪魁禍首。農業面源污染問題主要來源于種植業大量使用化學肥料造成氮（N）、磷（P）流失，養殖業產生并排放大量廢尾水。因此，基于立體農業的種養復合生產模式逐步發展起來，并成為提升農業效應和改善生態環境的有效途徑[1?2]。

稻田種養模式已在世界范圍內得到深入研究和廣泛推廣，主要有稻魚、稻蝦、稻鴨、稻蟹、稻鱉、稻蛙等，以及在此基礎上衍生的其它復合生態種養模式[3]。菜田立體種養模式將原本分離的旱地蔬菜種植、水產動物養殖耦合在同一生態系統中，運用現代生態農業措施，集合發揮各生產因子優勢，提高養分及資源利用效率，達到共同促進與效益疊加的效果[4]。以往的菜田種養模式主要指水培蔬菜和水產動物共生，蔬菜只能吸取水中養分，限制了蔬菜種植的種類和生長需求[5]。而水旱共作的菜田種養復合系統，擴大了作物和水產動物選擇范圍，防澇防旱，增產增收，植物?微生物?水產品生態關系可實現生態循環農業的創新發展[6]。

N、P 養分是農業生態系統物質循環的重要組成部分，明確其循環與平衡特征有利于提高生態系統生產力與穩定性。已有學者針對稻田種養復合模式下的養分循環與平衡狀況開展了大量研究。李成芳等[7]指出，稻鴨、稻魚共作生態系統中鴨和魚的存在使系統N 輸出大于N 輸入，加速了土壤有機N 營養周轉，顯著提高了水稻N 的輸出。而佀國涵等[8]發現稻蝦共作模式降低了N、P 的輸出/輸入比，促進了土壤中N、P 累積，但增加了系統表觀損失量。因此，種養復合系統的N、P 循環特征可能與具體模式、水產動物、施肥狀況等有關[9]。對于菜田種養復合系統而言，干旱與濕潤并存的菜?鱔?蚓復合生態系統可提高單位面積產量50%以上，使水災、病蟲害造成的經濟損失減少30%以上，實現農業廢棄物（如秸稈）的100%回收再利用[10]。水旱共存可通過小氣候影響菜田種養復合系統內物理化學反應、植物生長及土壤細菌的結構和豐度[11]。此外，與稻田種養相比，菜田種養復合系統中水產動物生長在溝渠中，對陸地作物的擾動作用相對較小。菜田種養復合系統內的N、P 能量流動規律、養分盈余與損失量是否會有差異，還未見研究報道。因此，本研究通過設置田間試驗，研究菜田種養復合系統中N 和P 的輸入、輸出及平衡狀況，以期為菜田種養復合模式下科學合理的生產管理制度提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點位于上海市崇明島西部的三星鎮（31°4l′15″N，121°54′00″E），具體為西新村菜田種養復合模式長期定位試驗田。崇明島平均海拔4m，屬北亞熱帶季風氣候，盛行東南風，溫暖濕潤，夏季濕熱，冬季干冷。年均降水量1003.70mm，降水集中在4?9月，全年無霜期229d，年均氣溫15.3℃，≥10℃年均積溫2559.60℃·d。

1.2 試驗設計

菜田復合種養田間試驗始于2009年，種植制度為芋艿（崇明香酥芋）?花菜（臺松）輪作。花菜種植和收獲時間分別為2018年9月5日和2019年3月20日。設置兩個處理：（1）菜田種養復合模式（VE）：開溝養水產動物，同時水面上設有誘集燈以誘集飛蟲作為水產動物餌料；花菜收獲后莖葉取出，根部還田。（2）單一種植模式（對照，CK）：溝中有水，無水產動物；花菜收獲后莖葉取出，根部還田。每個處理3 次重復，隨機區組設計。

試驗田布局見圖1。每個處理小區分4 個菜畦，菜畦間水溝上寬為1.50m，下寬為0.50m，溝深為1.00m。小區總面積為 1744.00m2，陸地面積為1440.00m2，水體面積為304.00m2，水體面積占比為17.43%。耕作區深度按0.20m 計算，基本可反映土壤養分狀況；底泥和邊溝深度分別為0.20m和0.10m。蔬菜生育期內不排水，期間需引水澆灌花菜。花菜整個種植周期需引入灌溉水約40m3，灌溉水來自于就近河水。種植季和收獲季水溝中水深分別保持0.70m 和0.50m。

圖1 菜田種養復合系統（VE）的田間布局正面(a)和側面(b)示意圖Fig.1 Schematic top(a) and lateral(b) views of the integrated planting and breeding system of the vegetable field(VE)

施肥情況。花菜種植施用N、P（P2O5）和K（K2O）肥分別為309.00、102.00 和102.00kg·hm?2。CK 處理中底肥為375.00kg·hm?2復合肥（17?17?17），返青肥為150.00kg·hm?2尿素，發棵肥為300.00kg·hm?2尿素，花球肥為225.00kg·hm?2復合肥。VE 處理中底肥以等氮量有機肥代替，不足部分用過磷酸鈣和硫酸鉀補足，其余時期施肥量與CK 處理一致。

水產動物養殖情況。VE 模式中投入水產動物幼苗（螃蟹37.50kg·hm?2、黃鱔 67.50kg·hm?2和魚45.00kg·hm?2）。水產動物以誘集燈捕獲飛蟲及水中營養為食物，無需額外投加飼料。花菜收獲季時一并捕撈收集。

1.3 樣品采集與測定方法

土壤氮磷含量測定。分別于花菜種植前2018年8月28日和花菜收獲后2019年4月3日，依據“S”形五點采樣法采集耕作區（0.20m）、邊溝（0.10m）和底泥（0.20m）土樣。按照“四分法”取1kg 土壤于陰涼通風處風干，磨細過篩后置于干燥處保存待測。烘干稱重法測定土壤樣品含水量。土壤總氮采用凱氏定氮法?自動定氮儀測定，土壤總磷（以P2O5計）采用酸溶?鉬銻抗比色法測定。

水體中氮磷含量測定。花菜種植期間取灌溉水水樣1L，并分別于花菜種植前2018年8月28日和花菜收獲后2019年4月3日在水面下10～20cm 深度取水樣1L。水樣經預先灼燒稱重過的Whatman GF/F 玻璃纖維素膜（0.45μm）過濾，待測。總氮采用過硫酸鉀氧化?紫外分光光度計法測定，總磷采用過硫酸鉀氧化?鉬藍比色法測定[12]。

產品（包括花菜和水產動物）中氮磷含量測定。收獲季節，選擇長勢良好且一致的花菜5 株（水產動物5 條）用于氮磷含量測定。在花菜成熟期取全株樣品，分別測定花球、莖葉、根部的氮磷含量。其中取根方法：以植株為圓心，以0.20m 為半徑，挖取深度為0.20m 的柱狀土塊，保證根的完整性，清洗干凈。水產動物則需先饑餓處理使其體內食物消化排泄而成空腹，清洗干凈。將植株不同部位和完整的螃蟹/黃鱔/魚在105℃殺青0.5h 后75℃烘干至恒重，粉碎過篩后采用硫酸?過氧化氫消煮，凱氏定氮法?自動定氮儀測定全氮含量，酸溶?鉬銻抗比色法測定全磷含量[13]。烘干稱重法測定各樣品含水量。花菜和水產動物實收測產。

1.4 指標計算

根據李丹丹等[14]對長三角地區大氣N 沉降的研究結果，確定本試驗期間N 沉降值為30kg·hm?2。

分析系統氮總量（TN）、磷總量（TP）平衡特征時，背景值為花菜種植前土壤和水體的TN/TP 起始量，現值為花菜收獲后土壤和水體的TN/TP 殘留量。TN/TP 輸入主要是肥料、花菜和水產動物幼苗、灌溉水、大氣沉降等，輸出主要考慮花菜產量、水產動物產量。

（1）系統TN/TP 總輸入量

化肥：施肥量（kg·hm?2）×小區陸地面積（hm2）×N/P 含量（%）。

花菜幼苗：花菜幼苗鮮重（g·株?1）×種植密度（株·hm?2）×小區陸地面積（hm2）×[1?花菜幼苗含水量（%）]×花菜幼苗N/P 含量（g·kg?1）。

水產動物幼苗：幼苗投放量（kg·hm?2）×小區水體面積（hm2）×[1?水產幼苗含水量（%）]×水產幼苗N/P 含量（g·kg?1）。

灌溉水：體積（m3）×密度（kg·m?3）×N/P 含量（mg·kg?1）。

大氣沉降：試驗期間N 沉降值（kg·hm?2）×小區面積（hm2）。

（2）系統TN/TP 總輸出量

花菜：花菜各器官產量（kg·hm?2）×小區陸地面積（hm2）×[1?花菜各器官含水量（%）]×花菜各器官N/P 含量（g·kg?1）。

水產動物：水產動物產量（kg·hm?2）×小區水體面積（hm2）×[1?水產動物含水量（%）]×水產動物N/P 含量（g·kg?1）。

（3）其它指標

土壤TN/TP 截留量：收獲季土壤TN/TP 量（kg）?種植前土壤TN/TP 量（kg）。

水體TN/TP 截留量：收獲季水體TN/TP 量（kg）?種植前水體TN/TP 量（kg）。

系統TN/TP 盈余量：系統TN/TP 輸入（kg）?系統TN/TP 輸出（kg）+土壤TN/TP 截留量（kg）+水體TN/TP 截留量（kg）+循環量（kg）[14]。

1.5 統計分析

試驗數據采用SPSS 16.0 進行統計分析，應用獨立樣本t?檢驗對比分析兩組處理間的差異顯著性（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 菜田種養復合系統的氮磷輸入量分析

2.1.1 花菜種植前土壤及水樣中TN/TP 背景值

花菜種植前分別對VE 和CK 模式耕作區土壤、底泥土壤、邊溝土壤和水體樣品中氮磷含量進行測定，結果見表1。由表可知，VE 模式土壤TN/TP 總量分別為533.64kg 和537.20kg，CK 模式土壤TN/TP總量分別為551.35kg 和574.63kg，且CK 模式土壤TP 總量顯著高于VE 模式（P＜0.05），但不同處理間TN 總量無顯著差異。表2為各土壤區基本數據特征，花菜種植前水體深度為0.70m，計算可知水體體積為133.40m3，因此，VE 和CK 模式水體中TN/TP 總量分別為36.02、1.07g 和26.68、0.80g。

表1 花菜種植前種養復合系統（VE）與單一種植系統（CK）中TN/TP 背景值Table 1 The background values of TN/TP in the planting and breeding system(VE) and singly planting system(CK) before cauliflower plantation

表2 試驗田各土壤區基本數據Table 2 The basic characteristics of each soil region in the vegetable field

2.1.2 花菜種植前系統外TN/TP 輸入值

系統外TN/TP 輸入主要由施用肥料、作物幼苗和水產動物幼苗、灌溉水、大氣沉降等帶入。由表3可見，VE 和CK 模式肥料、花菜幼苗、灌溉水、大氣沉降等輸入量相同。種植花菜施用肥料帶入TN/TP總量分別為44.50kg 和14.69kg。花菜種植密度為27000 株·hm?2，幼苗平均單重為5.00g，故花菜幼苗總鮮重為135.00kg·hm?2，因此系統外帶入TN 總量為135.00kg·hm?2×1440m2×（1?87.00%）×38.70g·kg?1=97.80g。同理，系統外帶入TP 總量為12.26g。花菜整個種植周期需引入灌溉水約為40m3，根據其氮磷含量分別為1.50mg·kg?1和0.20mg·kg?1計算，帶入的TN/TP 總量分別為60.00g 和8.00g。本試驗田中氮沉降值為5.23kg。

與CK 模式不同，VE 模式還引入了螃蟹、黃鱔和魚幼苗，系統水體面積為304m2，利用表3中各自氮磷含量，得出水產動物幼苗帶入的TN/TP 總量分別為58.98g 和15.47g。因此，VE 模式TN/TP 輸入總量分別為49.95kg 和14.73kg，CK 模式TN/TP 輸入總量分別為49.89kg 和14.71kg。

表3 花菜種植季種養復合系統（VE）與單一種植系統（CK）TN/TP 含量及輸入值Table 3 The TN/TP input in the planting and breeding system(VE) and singly planting system(CK) in cauliflower plantationseason

綜上所述，VE 模式系統 TN/TP 背景值為533.68kg 和537.20kg；輸入值為49.95kg 和14.73kg。CK 模式系統TN/TP 背景值為551.38kg 和574.63kg；輸入值為49.89kg 和14.71kg。花菜種植季，CK 模式TP 背景值高出VE 模式6.95%（P＜0.05），兩種模式間TN 背景值、TN/TP 輸入總量無顯著差異。

2.1.3 系統外TN/TP 輸入占比

對于TN 輸入而言，化肥輸入44.50kg，分別占VE 模式和CK 模式總輸入量的89.09%和89.20%。相應地，作物和水產動物幼苗占比較小，僅分別占VE 模式和CK 模式總輸入量的0.31%和0.20%。對于TP 輸入而言，化肥輸入14.69kg，占VE 模式和CK 模式總輸入量的99.73%和99.86%。相應地，作物和水產動物幼苗的TP 總量分別占VE 模式和CK模式總輸入量的0.19%和0.08%。

2.2 菜田種養復合系統的氮磷輸出量分析

2.2.1 花菜收獲后土壤及水樣中TN/TP 現值

花菜收獲后分別對VE 和CK 模式耕作區土壤、底泥土壤、邊溝土壤和水體中氮磷含量進行測定（表4）。由表4并結合表2中基本數據特征可知，VE 模式土壤TN/TP 總量分別為404.24kg 和520.73kg；而CK 模式土壤TN/TP 總量分別為386.59、533.71kg。種植季水體深度為0.50m，故其體積為86.56m3，VE和CK 模式水體TN/TP 總量現值分別為56.26、77.90g和54.53、48.47g。

表4 花菜收獲季種養復合系統（VE）與單一種植系統（CK）土壤和水體中TN/TP 現值Table 4 The N and P content in the planting and breeding system(VE) and singly planting system(CK) in the cauliflower harvest season

2.2.2 系統向外界TN/TP 輸出值

系統向外界TN/TP 輸出值包括花菜和水產動物所輸出的TN/TP 量（表5）。按菜地面積1440m2計算，VE 模式中花球、莖葉輸出TN 總量分別為12.63、20.42kg，TP 分別為1.96、3.71kg；CK 模式中花球、莖葉輸出TN/TP 總量分別為12.74、20.56kg 和1.97、3.74kg。根部全量還田，參與系統養分循環，VE 模式和CK 模式根部TN/TP 總量分別為2.78、0.83kg和2.83、0.84kg。

表5 花菜收獲季種養復合系統（VE）與單一種植系統（CK）產量及TN/TP 輸出量Table 5 The production and TN/TP output in the planting and breeding system(VE) and singly planting system(CK) in the cauliflower harvest season

VE 模式引入了水產動物，使得系統的TN 和TP總產出和平衡特征發生改變。VE 模式中螃蟹、黃鱔和魚的產量分別為187.50、262.50、135.00kg·hm?2；根據水體面積304m2計算，螃蟹輸出的TN/TP 分別為92.81g 和32.04g，黃鱔輸出的TN/TP 分別為208.20g 和88.62g，魚輸出的TN/TP 分別為115.58g和27.95g。因此，水產動物輸出的TN/TP 總量分別為416.59g 和148.61g。

VE 模式系統TN/TP 現值分別為404.30kg 和520.81kg；產出（含根部）總量分別為36.25kg 和6.65kg。CK 模式系統TN/TP 現值分別為386.64kg和533.76kg；產出（含根部）總量分別為36.13kg 和6.55kg。收獲季節，兩種模式間TN/TP 現值、輸出總量均無顯著差異。

2.2.3 系統外TN/TP 輸出占比

對于TN 輸出而言，花菜花球占VE 模式和CK模式總輸出量（根部不計入）的37.74%和38.26%。相應地，水產動物占比較小，占VE 模式TN 總輸出量的1.24%。對于TP 輸出而言，花球占VE 模式和CK模式總輸出量（根部不計入）的33.69%和34.50%。相應地，水產動物占比較小，占VE 模式TP 總輸出量的2.55%。

2.3 菜田種養復合系統的氮磷平衡分析

2.3.1 水土環境中TN/TP 盈余分析

對于土壤TN/TP 截存量而言，應以收獲后與種植前所測數據之差值計算（式8）。VE 模式和CK模式土壤TN/TP 截存量分別為?129.40、?16.47kg 和?164.76、?40.92kg。對于水體TN/TP 截存量而言，應以收獲后與種植前所測數據之差計算（式9），因此，VE 模式和CK 模式水體TN/TP 截存量分別為20.24、76.83g 和27.85、47.67g。根據式（10）可得，VE 模式的系統TN/TP 盈余量分別為?110.12kg 和?6.65kg。由表6可知，CK 模式氮磷虧損顯著高于VE 模式（P＜0.05），說明VE 模式有助于減少系統TN/TP 損失。

表6 種養復合系統（VE）與單一種植系統（CK）TN/TP 平衡分析Table 6 The analysis of the balance characteristics of TN/TP in the planting and breeding system(VE) and singly planting system(CK)

2.3.2 菜田種養復合模式TN/TP 平衡特征

VE 模式與CK 模式的差異主要為水產動物的輸入與輸出。花菜種植前，VE 模式水產動物幼苗的TN輸入量為0.06kg；花菜收獲后，VE 模式中水產動物TN 輸出量為0.42kg。因此，VE 模式中水產動物的生長輸出也是系統TN 的重要能量流向。VE 和CK模式系統TN 盈余量分別為?110.12kg 和?145.31kg，即表觀損失量分別為110.12kg 和145.31kg，說明兩個模式中系統TN 總量均有損失。VE 和CK 模式系統TP 表觀損失量分別為6.65kg 和31.03kg，說明兩系統中TP 總量均有損失。VE 模式中系統TN/TP 表觀損失低于 CK 模式，分別降低了 35.19kg 和24.38kg。

系統TN/TP 的輸出/輸入比可代表系統表觀養分利用情況[8]。VE 模式的TN/TP 輸出/輸入比分別為67.01%、39.51%，CK 模式分別為66.75%、38.82%，為了維持系統的穩定產出與生態平衡，均需要額外添加N/P，且CK 模式需求比VE 模式多出0.26 個和0.69 個百分點。

3 討論與結論

3.1 討論

傳統農業以大量施用化肥、農藥為特點，由此帶來了系列負面效應，例如，土壤板結、面源污染、生物多樣性減少及產量不可持續性等問題[15]。近年來，以低污染、低能耗為基礎的立體種養復合模式成為重要的生態農業生產模式，有利于系統內生循環，在改善環境、提升農產品品質、提高農業效益等方面優勢顯著。但有關水旱共作的菜田種養復合系統的養分循環與平衡特征方面的研究報道極少。本研究中，TN/TP 主要輸出途徑是花球和莖葉部，表明初級生產在該系統N 和P 循環中十分重要。VE模式由于水產動物的存在使其TN/TP 輸出均高于CK 模式，水產動物輸出的TN/TP 分別為0.42kg 和0.15kg，分別占總輸出量的1.25%和2.58%。該模式中的水產動物通過攝食小飛蟲、系統中的浮游動物、有機養分、碎屑等，將CK 模式中流失的物質和能量截留并利用，從而提高系統輸出量，也有利于系統養分循環[16]。在以往稻田種養系統中也有類似發現，稻鴨共作處理能夠維持系統養分平衡，該模式N、P歸還率是施用化肥處理的4.5 倍和3.7 倍[17]。孫琳琳等[18]指出，復合種養模式可避免傳統養殖模式下由飼料殘余引起的水體富營養化；本試驗中觀測到水體TN/TP 差異不大，有待于后續深入研究。

N、P 養分施入土壤后主要有三種去向，一是被作物吸收利用；二是以不同形態殘留在土壤中供下季作物利用；三是損失到大氣和水體造成環境污染，包括氨揮發、反硝化、淋溶與徑流損失等[19]。營養元素很容易隨水流作用（灌溉、降雨等）直滲到地下或側滲到排水溝內，從而導致N、P 損失引發面源污染[20]。花菜種植季，CK 模式系統土壤TP 背景值顯著高于VE 模式（P＜0.05），推測可能由于長期施用化肥導致作物吸收障礙，從而造成P 素積累。本試驗中，VE 模式和CK 模式系統TN/TP 盈余量分別為?110.12、?6.65kg 和?145.31、?31.03kg，即在花菜種植季兩種模式均有不同程度的TN/TP 表觀損失。VE 模式TN/TP 的總輸出/總輸入比分別為67.01%和39.51%，而CK 模式為66.75%和38.82%，表明系統輸入的TN/TP 除被收獲的農產品（作物、水產動物）吸收外，仍有部分養分盈余未被吸收利用，剩余氮磷殘留于土壤中或通過揮發、滲漏等方式流失[21?22]，同時表明VE 模式的系統養分利用效率高于CK 模式，這與前人研究結果一致[10]。

VE 模式下水產動物的擾動可疏松土壤，增加土壤孔隙度，改善土壤結構，促進養分循環，而CK 模式相對更易使養分流失到溝底（底泥）或者地下水中[11,23]。因此，有必要測定耕作區、底泥、邊溝等土壤N、P 含量變化，且取樣深度需要細化。本研究中，不同模式下的底泥深度均按0.1m 計算，但實際深度變化可能有一定偏差。VE 模式養殖的黃鱔、螃蟹喜在洞中潛伏，使水產動物產量偏低。此外，其它因素也需考慮，例如，溝中水生植物的生物量未計入，將導致TN/TP 總量輸出偏低；0.2m 以下的耕作區也可能存在N、P 含量的波動[24]等。

VE 模式創新性地將旱地種植與水產動物養殖相耦合，擴大了作物和水產選擇范圍，改善了飼料和化學肥料投入量大，以及系統單一造成的資源浪費、收益低等問題，從而最大限度保護生態環境，實現雙贏[9]。該模式能促進資源合理利用[11,25]，提高系統自我穩態與維持力，提升作物品質。此外，VE模式中模仿野生條件養殖黃鱔、螃蟹，養殖密度低、單價高，適合訂單貿易[10,26]。計算可得[10]，本試驗中VE 模式系統凈利潤高出傳統模式（CK）27650元·hm?2，提高了64.59%，且底泥土壤可根據需求翻到陸地（菜地）中，從而起到肥田提質和減少肥料施用的效果。但前期相關設施（誘集燈、防逃設施）、人工成本、技術知識等投入[27]使得復合生產模式成本較高，可能會降低農民生產積極性。同時，應對花菜及水產動物的安全性指標、品質性狀指標、商品性特征等進一步評估與分析。

3.2 結論

養分輸入與支出間的平衡狀況是表征農田養分管理是否可持續的重要指標。菜田種養復合模式中的系統TN/TP 輸出/輸入比分別為67.01%和39.51%，均高于非種養單一種植模式的66.75%和38.82%；當前投入水平下，兩種模式中系統TN/TP 盈余量均為負，菜田種養復合模式減少了系統N、P 表觀損失35.19kg 和24.38kg。兩種模式均需投入適量肥料以利于作物產出和系統平衡。