我國主要蔬菜的養分吸收和需求特征

李書田 艾 超 何 萍 張佳佳 崔榮宗 魏建林 串麗敏 李明悅 金崇偉

（1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2 山東省農業科學院農業資源與環境研究所，山東濟南 250100；3 北京市農林科學院，北京 100097；4 天津市農業資源與環境研究所，天津 300192；5 浙江大學環境與資源學院，浙江杭州 310058）

近年來我國蔬菜種植面積和產量不斷增加，產量年均增長率約10%，到2016 年蔬菜播種面積約2 313 萬hm，總產量8.25 億t，人均約600 kg，但最近兩年蔬菜種植面積和產量略微有縮減（薛亮等，2021）。與糧食作物相比，種植蔬菜收益高，但投入也高，尤其是肥料投入。根據2011—2016年《全國農產品成本收益資料匯編》，蔬菜生產中化肥和農家肥兩項投資費用平均占總成本的39%。部分地區和蔬菜上養分的投入較多，甚至過量，尤其是在保護地蔬菜上，施肥過量的問題尤為嚴重。不能被吸收的大量養分排放到環境中，對生態環境也造成了嚴重威脅。因此，蔬菜的養分需求、管理和科學施肥對協調我國蔬菜產業經濟與環境效益，實現綠色生產和農業可持續發展具有重要性和緊迫性。

我國蔬菜種類繁多，其中2/3 以上是葉菜類、根莖類、茄果類、蔥蒜類，分別占蔬菜種植面積的20.8%、16.9%、19.6%和10.9%（中華人民共和國農業部，2012）。而有關不同蔬菜養分吸收和需求特征只是依據個別試驗數據報道，鮮見依據大量數據的系統報道。因此，研究葉菜類、根莖類、茄果類、蔥蒜類等主要蔬菜，如白菜（以大白菜為主）、蘿卜、番茄和大蔥的養分吸收與需求特征，對確定典型蔬菜的施肥量和建立蔬菜推薦施肥新方法，以及指導蔬菜主產區肥料的合理分配和施用，提高施肥的經濟效益和環境效益具有重要意義。

應用線性-拋物線-平臺函數來評估作物產量和養分吸收之間的關系，是在一定季節和氣候的潛在產量下估算不同目標產量養分需求的通用方法（Smaling &Janssen，1993）。QUEFTS 模型考慮了氮、磷、鉀養分間的交互效應（Janssen et al.，1990），并利用大量養分吸收數據進行估算，避免了用大量數據的平均值或利用有限數據指導施肥帶來的偏差。利用QUEFTS 模型擬合產量與養分吸收關系時，在不同潛在產量下擬合的N、P 和K 最佳養分需求曲線存在一定差異，但是不論潛在產量為多少，當目標產量達到潛在產量的一定比例如70%～80%時，產量與養分吸收量呈直線關系，每生產單位經濟產量所需吸收的養分是一致的，從而能夠得出最佳養分需求量。已有研究利用QUEFTS模型成功估算了玉米、水稻、小麥的最佳養分需求，并成功指導推薦施肥（Pathak et al.，2003；Chuan et al.，2013；Xu et al.，2013；Xu et al.，2015）。本試驗利用QUEFTS 模型估算露地白菜、露地蘿卜、設施番茄和露地大蔥的最佳養分需求，旨在為指導幾種主要蔬菜合理施肥提供理論參數。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本試驗的數據來源由3 部分組成，一是通過中國知網（CNKI）檢索全國范圍內2000—2017 年公開發表期刊論文、學術會議論文和學位論文中的白菜、蘿卜、設施番茄、大蔥的產量和養分吸收數據；二是國際植物營養研究所中國項目未公開發表的田間試驗數據；三是為彌補文獻和前期試驗數據不足，于2016—2018 年在主產區進行實地采樣和實驗室分析，獲得4 種蔬菜的最新產量和養分吸收數據。實地采樣方法：在露地白菜、露地蘿卜、設施番茄、露地大蔥主要種植區進行調查和采樣，測定蔬菜產量，并采集蔬菜樣品，根據食用和非食用的標準，利用四分法分別采取經濟和非經濟部分的樣品，稱取鮮質量，裝在塑料袋中封口，帶回實驗室，105 ℃殺青0.5 h，65 ℃烘干至恒重，稱量干質量，計算收獲指數和含水量。取部分烘干樣品粉碎，采用濃HSO-HO消煮后蒸餾定氮法測定全氮含量，用釩鉬黃比色法測定全磷含量，用火焰光度法測定全鉀含量（中國土壤學會農業化學專業委員會，1983）。白菜采樣在北京、天津、遼寧、河北、河南、山東、陜西、浙江、江西進行，共75 個樣品；蘿卜采樣在北京、天津、河北、山東、浙江、江西進行，共67 個樣品；設施番茄采樣在北京、天津、山東、浙江進行，共60 個樣品；大蔥采樣在北京、天津、山東、河北進行，共47 個樣品。

1.2 計算方法

①養分內效率（IE），即蔬菜吸收單位養分所能生產的經濟產量。IE=EY/NU，EY 為蔬菜的經濟產量，NU 為蔬菜吸收的養分總量。

②單位經濟產量（RIE），通常為生產1 000 kg或1 t 蔬菜所需吸收的養分量，為養分內效率IE 的倒數。

③QUEFTS 模型。QUEFTS 模型假定目標產量為潛在產量的50%～80%時單位產量所需吸收的養分量不變。因此模型在選擇數據時只選擇作物生長和產量受N、P、K 養分影響而不受其他因素如病蟲、旱澇等影響的數據。本試驗所用的文獻數據和前期試驗數據都是在可控條件下獲得，實地采樣也是選擇生長良好，無病蟲害和旱澇等外界影響的菜地，因此受養分以外的其他因素影響較小。QUEFTS 模型修正中蘿卜和設施番茄去除收獲指數小于0.4 kg·kg的產量和養分吸收量數據（Zhang et al.，2019），白菜和大蔥去除小于2.5分位和大于97.5分位的產量和養分吸收量數值（Pathak et al.，2003）。

據QUEFTS 模型分析蔬菜收獲物產量和養分吸收之間的關系，結合Microsoft Office Excel 中的規劃求解（Solver）過程，模擬分析養分最大積累邊界（YA）和養分最大稀釋邊界（YD），求解出不同潛在產量下一定目標產量的最佳養分吸收量，得出不同的潛在產量下N、P、K 最佳吸收曲線（YU），估算單位蔬菜產量的最佳養分需求量。

2 結果與分析

2.1 露地白菜N、P、K 養分吸收特征與最佳養分需求

2.1.1 露地白菜養分吸收特征 露地栽培白菜產量變異范圍較大，從0.9～200.0 t·hm不等，平均產量為84.3 t·hm（=2 758）；含水量89.1%～98.7%，平均為94.8%；干質量在0.1～12.0 t·hm之間，平均為5.9 t·hm；收獲指數（經濟產量干質量/地上部產量干質量）0.27～1.00 kg·kg，平均為0.77 kg·kg。白菜地上部N、P、K養分累積量平均為176.4、33.6、208.4 kg·hm，養分內效率（IE）平均為539.3、2 901.6、458.2 kg·kg；生產1 t 白菜（RIE）平均需要N 2.08 kg·t、P 0.41 kg·t、K 2.45 kg·t，N、P、K 比例為1∶0.20∶1.18（表1）。

表1 露地白菜養分吸收特征

2.1.2 露地白菜最佳養分需求估算 應用QUEFTS模型模擬不同潛在產量下白菜植株N、P、K 最佳養分需求量。圖1 顯示，在不同潛在產量下QUEFTS 模型擬合的N、P、K 最佳養分需求曲線（YU）存在一定差異，但是不論潛在產量為多少，當目標產量達到潛在產量的50%～60%時，RIE 是一致的，最佳養分需求量為N 1.96 kg·t、P 0.41 kg·t、K 2.39 kg·t，N、P、K比例為1∶0.21∶1.22，相應的IE 值分別為511.0、2 466.4、418.5 kg·kg（FW）。隨著目標產量繼續增加接近潛在產量，IE值逐漸降低，對應的RIE 逐漸增多，形成奢侈吸收，養分利用效率也降低。

圖1 QUEFTS 模型擬合不同潛在產量下露地白菜最佳養分需求量

2.2 露地蘿卜養分吸收特征與最佳養分需求

2.2.1 露地蘿卜養分吸收特征 表2 表明，露地栽培蘿卜肉質根產量為4.6～119.8 t·hm，平均63.5 t·hm；含水量88.0%～97.8%，平均為94.4%；干質量在0.68～8.2 t·hm之間，平均3.8 t·hm；肉質根收獲指數（DW）（肉質根干質量/全株干質量）為0.37～0.95 kg·kg，平均0.65 kg·kg。蘿卜植株（肉質根+地上部葉片）N、P、K 養分吸收量分別為11.3～333.2 kg·hm、1.7～78.5 kg·hm、14.4～517.4 kg·hm，平均為155.4、30.9、217.9 kg·hm。養分收獲指數（肉質根N、P、K吸收量/植株N、P、K 吸收量）分別為N 0.13～0.91 kg·kg、P 0.21～0.96 kg·kg、K 0.23～0.94 kg·kg，平均為0.60、0.68、0.72 kg·kg。表明蘿卜植株累積的N、P、K 約有60%、68%、72%轉移到肉質根中，肉質根是N、P 和K 的主要貯存器官，因此研究蘿卜肉質根中的養分轉移量有助于確定一定目標產量下的N、P、K 肥施用量。

表2 露地蘿卜養分吸收特征

蘿卜N、P、K 的IE 值分別為170.0～1 213.0 kg·kg、757.4～6 118.9 kg·kg、132.5～1 043.4 kg·kg，平均為455.0、2 328.7、361.9 kg·kg。每生產1 t 蘿卜所需吸收的N、P、K 養分（RIE）分別為0.82～5.88 kg·t、0.16～1.32 kg·t、0.96～7.55 kg·t，平均為2.45、0.49、3.40 kg·t，N、P、K比例為1∶0.20∶1.39。

2.2.2 露地蘿卜最佳養分需求估算 如圖2 所示，應用QUEFTS 模型擬合蘿卜在不同潛在產量（40～120 t·hm）和目標產量下的N、P、K 最佳養分需求。在不同潛在產量下QUEFTS 模型擬合的N、P、K 最佳養分需求曲線（YU）存在一定差異，當目標產量達到潛在產量的60%～70%時，RIE 是一致的，最佳養分需求量分別為N 2.2 kg·t、P 0.4kg·t、K 2.6 kg·t，N、P、K 比例為1∶0.19∶1.18，相應的IE 值分別為N 462.9 kg·kg、P 2 245.8 kg·kg、K 386.2 kg·kg。

圖2 QUEFTS 模型擬合不同潛在產量下露地蘿卜最佳養分需求量

2.3 設施番茄養分吸收特征與最佳養分需求

2.3.1 設施番茄養分吸收特征 表3 表明，設施栽培番茄產量為14.2～168.9 t·hm，平均85.0 t·hm；含水量92.4%～97.2%，平均為94.7%；干質量為1.9～9.6 t·hm，平均4.8 t·hm；果實收獲指數（DW）（果實干質量/全株干質量）為0.34～0.81 kg·kg，平均0.51 kg·kg。設施番茄植株（果實 +莖葉）N、P、K 養分吸收量分別為48.1～574.2 kg·hm、5.2～153.9 kg·hm、43.5～650.3 kg·hm，平均為213.5、55.1、352.1 kg·hm。養分收獲指數（果實N、P、K 吸收量/植株N、P、K 吸收量）分別為N 0.29～0.83 kg·kg、P 0.16～0.80 kg·kg、K 0.26～0.81 kg·kg，平均為0.49、0.48、0.55 kg·kg。

表3 設施番茄養分吸收特征

設施番茄N、P、K 的IE 值分別為219.2～1 134.3 kg·kg、800.4～7 027.4 kg·kg、143.2～1 152.9 kg·kg，平均為458.2、1 941.5、287.9 kg·kg。每生產1 t 設施番茄需要吸收的N、P、K 養分（RIE）分別為0.88～4.56 kg·t、0.14～1.25 kg·t、0.87～6.98 kg·t，平均為2.32、0.59、3.77 kg·t，N、P、K 比例為1∶0.25∶1.63。

2.3.2 設施番茄最佳養分需求估算 應用QUEFTS模型模擬設施番茄不同潛在產量和目標產量下N、P、K 地上部最佳養分吸收需求。圖3 所示，當目標產量達到潛在產量60%～70%時，RIE是一致的，養分與產量關系呈直線關系。設施番茄最佳養分需求量分別為N 2.19 kg·t、P 0.56 kg·t、K 3.36 kg·t，N、P、K 比例為1∶0.26∶1.53，相應的IE 值分別為456.6、1 785.7、297.3 kg·kg。

圖3 QUEFTS 模型擬合不同潛在產量下設施番茄最佳養分需求量

2.4 露地大蔥養分吸收特征與最佳養分需求

2.4.1 露地大蔥養分吸收特征 由表4 可知，露地栽培大蔥經濟產量為15.1～150.0 t·hm，平均60.4 t·hm；含水量84.3%～94.3%，平均為91.1%；干 質量 為1.8～15.4 t·hm，平 均5.4 t·hm；收獲指數（大蔥經濟產量干質量/大蔥全株產量干質量）0.41～0.90 kg·kg，平均0.74 kg·kg。大蔥植株（蔥白+蔥葉）對N、P、K 養分吸收量分別為42.8～296.6 kg·hm、7.1～36.3 kg·hm、40.4～250.9 kg·hm，平 均 為128.8、18.9、117.7 kg·hm。N、P、K 的IE 值 分 別 為303.5～992.3 kg·kg、2 006.8～5 647.2 kg·kg、277.4～1 221.7 kg·kg，平均為503.7、3 368.7、593.3 kg·kg；每生產1 t 大蔥植株養分需求（RIE）分 別 為1.01～3.30 kg·t、0.18～0.50 kg·t、0.82～3.60 kg·t，平均為2.07、0.31、1.98 kg·t，N、P、K 比列為1∶0.15∶0.96。

表4 露地大蔥養分吸收特征

2.4.2 露地大蔥最佳養分需求估算 應用QUEFTS模型模擬大蔥不同潛在產量和目標產量下N、P、K 地上部最佳養分吸收需求。圖4 顯示，當目標產量達到潛在產量60%～70%時，RIE 是一致的。大蔥最佳養分需求量為N 1.92 kg·t、P 0.28 kg·t、K 1.69 kg·t，N、P、K 比 例 為1∶0.15∶0.88。相應的IE 值分別為N 521.2 kg·kg、P 3 566.7 kg·kg、K 591.3 kg·kg。

圖4 QUEFTS 模型擬合不同潛在產量下露地大蔥最佳養分需求量

3 討論與結論

確定蔬菜養分吸收和需求特征對了解蔬菜的養分投入和產出，根據養分供應平衡確定合理施肥量，避免過量施肥具有重要價值，尤其對磷、鉀養分推薦施肥至關重要。一般磷、鉀推薦量主要依據其投入產出平衡計算，考慮一定產量反應下需要施用量、基礎地力產量移走量（維持地力）、秸稈移走量和上季殘留量四部分。其中上季蔬菜磷、鉀殘留量為投入量減去移走量，如果平衡為負值則按“0”計，平衡為正值按磷素平衡的50%和鉀素平衡的80%作為上季作物殘余養分帶入本季蔬菜磷、鉀用量（馬征 等，2020；山楠 等，2020）。另外，根據蔬菜養分需求，即生產單位蔬菜需要吸收的養分（RIE），也可以估算一定目標產量下的氮磷鉀用量：施氮量=目標產量× RIE/氮素利用率。研究表明，露地白菜、露地蘿卜、設施番茄、露地大蔥氮肥的利用率平均分別為26.5%、24.5%、15.1%和25.2%（何萍 等，2021）；磷、鉀用量按照投入產出平衡計算：施磷（鉀）量=目標產量× RIE。由此可見，準確確定蔬菜的養分吸收量和養分需求對確定蔬菜養分管理和推薦施肥具有重要價值。

利用QUEFTS 模型擬合計算的養分需求量在一定目標產量范圍（50%～80%的潛在產量）內是一致的，這與其他作物上的研究結果相似（Chuan et al.，2013；Xu et al.，2013；Xu et al.，2015）。利用QUEFTS 模型擬合計算的養分需求量進行一定目標產量下的養分推薦比利用養分需求量的平均值更科學和準確。

不同蔬菜養分吸收量存在很大差異，本試驗中設施番茄的養分吸收量平均值高于白菜、蘿卜和大蔥，大蔥的養分吸收量最低。4 種蔬菜的單位經濟產量（1 t）的最佳養分需求量分別為：白菜需N 1.96 kg·t、P 0.41 kg·t、K 2.39 kg·t，蘿卜需N 2.2 kg·t、P 0.4 kg·t、K 2.6 kg·t，設施番茄果實需N 2.19 kg·t、P 0.56 kg·t、K 3.36 kg·t，大 蔥 需N 1.92 kg·t、P 0.28 kg·t、K 1.69 kg·t。白菜、蘿卜、設施番茄、大蔥對氮磷鉀養分的吸收比例分別為1∶0.20∶1.18、1∶0.20∶1.39、1∶0.25∶1.63、1∶0.15∶0.96，表明相較于K 素，4 種蔬菜對P 素的吸收量較低，白菜、蘿卜、設施番茄對K 素的吸收量較高，需求量也較高。因此，充足的氮、鉀供應對蔬菜生長和產量形成至關重要。