不同养分管理措施下常年菜地蔬菜生长及氮素径流特征

李盟军， 姚建武， 王荣辉， 曾招兵， 宁建凤， 艾绍英

(广东省农业科学院农业资源与环境研究所，农业部南方植物营养与肥料重点实验室，广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室，广东广州 510640)

不同养分管理措施下常年菜地蔬菜生长及氮素径流特征

李盟军， 姚建武， 王荣辉， 曾招兵， 宁建凤， 艾绍英*

(广东省农业科学院农业资源与环境研究所，农业部南方植物营养与肥料重点实验室，广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室，广东广州 510640)

【目的】蔬菜生产超量施肥现象十分普遍,由此导致的面源污染问题日益严重。研究探讨常年菜地的合理施肥技术，明确蔬菜合理的氮肥投入阈值范围，从污染源头控制氮的迁移、流失，对于降低氮肥对水体的污染风险具有积极意义。【方法】本试验采用大田小区试验方法，设置不施肥对照和不同用量化肥配施有机肥处理(N0，化肥氮空白；CON，习惯施肥；OPT，优化施肥；OPT+N，优化增氮；OPT+P，优化增磷；OPT+NPK，优化增氮磷钾)，研究了不同养分管理措施对常年菜地甘蓝—茄子—甘蓝轮作模式下蔬菜生长及氮素径流流失的影响。【结果】连续三茬、为期一年的蔬菜试验，共采集径流样品18次。整个试验期间，不同处理的菜地地表径流铵态氮浓度均低于2.0 mg/L的地表水V类水标准限值，且施肥对铵态氮的影响无明显规律性。地表径流硝态氮和总氮具有相似的浓度变化特征，浓度范围分别为0.03～28.43 mg/L和1.06～31.79 mg/L，硝态氮是土壤矿质氮流失的主要氮素形态。施氮不同程度增加总氮和硝态氮浓度，且化肥氮的作用尤为明显。几乎所有径流样品的总氮浓度均超过2.0 mg/L的地表水V类水的标准限值，OPT+NPK处理总氮浓度及硝态氮超标率均最高。对照处理的菜地总氮年流失负荷为30.8 kg/hm2，化肥氮空白处理与对照间无显著差异。其他有机无机肥配施处理中CON、OPT、OPT+N、OPT+P和OPT+NPK处理总氮年流失负荷分别为69.81、54.95、76.6、55.45和90.73 kg/hm2，分别较对照显著提高126.51%、78.29%、148.54%、79.92%和194.39%，且以OPT+NPK处理的流失负荷(90.73 kg/hm2)最高、OPT处理负荷较低(54.95 kg/hm2)。菜地施肥处理的氮肥流失系数在1.47%～3.44%之间，总体随化肥氮用量增加而升高。施肥显著增加蔬菜产量，化肥氮空白处理的甘蓝和茄子产量较相应对照处理分别增加67.50%和114.20%，其他有机无机肥配施处理下两种蔬菜产量的增幅分别为5.1～5.5倍和4.5～5.9倍。相同有机肥用量条件下，施用氮、磷、钾化肥对蔬菜的增产作用明显，且以氮、磷、钾肥用量均最高的OPT+NPK处理的蔬菜产量增幅最大。【结论】从兼顾经济效益和环境效益角度出发，综合分析蔬菜产量、肥料投入成本及总氮流失负荷，优化施肥(OPT)处理可作为常年菜地推荐施肥技术方案。

氮素径流；有机无机配施；常年菜地；养分管理；流失系数

氮肥在促产增收、保障粮食安全方面发挥着极其重要的作用。蔬菜由于种植效益高，超量施氮现象十分普遍[1-2]。大量施氮保证蔬菜丰产、增收的同时，也导致过量氮肥通过流失或淋溶等途径进入水环境，由此产生的面源污染问题日益突出[3]。广东地处热带、亚热带季风气候区，蔬菜常年种植现象十分普遍。菜地过量施肥及长期高强度连作生产模式，加之本地区降雨量大、降雨强度高的自然环境特征，极易导致菜地养分流失。针对广州流溪河流域的研究表明，该流域颗粒态氮养分年流失量高达582.49 t，农田过量施肥是流域面源污染的重要来源[4]。课题组在广州市郊菜地连续3年的定位监测结果显示，菜农习惯施肥导致总氮年径流流失量高达321 kg/hm2，占氮肥投入量的14%[5]。农田养分地表径流流失规律的研究对于提高化肥利用率、减轻农业面源污染具有重要的现实意义[6]。

基于本地区菜地面源污染现状，研究不同养分管理措施下常年菜地氮素地表径流流失浓度及负荷变化特征，以期为菜地养分优化管理、面源污染源头控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

1.2 试验设计

基于珠三角地区常年菜地施肥管理中存在化肥用量大、有机肥用量偏低及肥料用量比例失调等突出问题，本试验对比当地农户习惯施肥措施，验证优化施肥技术效果，并在优化技术基础上进一步增加氮、磷、钾化肥用量水平，旨在探讨适宜本地区蔬菜安全、清洁生产的合理的氮、磷投入阈值范围，以期综合分析、评价不同养分管理措施下菜地养分的流失特征及其环境风险。试验设对照(CK)，不施肥；化肥氮空白(N0)，有机肥配施磷肥和钾肥；农户习惯施肥(CON)；优化施肥(OPT)；优化施肥增施氮肥(OPT+N)；优化施肥增施磷肥(OPT+P)以及优化施肥同时增施氮磷钾(OPT+NPK)，共7个处理，每处理3次重复，随机排列。试验中化肥采用尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)和氯化钾(含K2O 60%)，有机肥采用商品有机肥。小区面积为18.72 m2(5.2 m×3.6 m)，每个小区对应一个水泥径流池，用于收集地表径流。径流池容积为2.71 m3(长2.55 m，宽1.06 m，高1.0 m)，采用塑料波浪瓦覆盖水泥池顶部，防止雨水等进入池内。每个小区排水口处埋设有1支内径10 cm的PVC塑料管道，用于连通小区和水泥池。降雨产生径流后，用塑料尺量取径流池水面高度，计算径流液体积。然后将径流水搅匀，采集3 L径流液于洁净塑料桶内，带回实验室放入冰箱4℃冷藏，并于1周内完成样品分析测试。每次采集径流液后，用抽水泵将径流水抽干，并清洗径流池，便于下次径流液的收集。

试验采用甘蓝—茄子—甘蓝的轮作模式，均采用育苗移栽种植方式。其中，第一茬甘蓝于2011年10月28日播种，12月14日移栽，2012年4月8日收获。第二茬茄子播种时间为2012年3月31日，5月16日移栽，9月12日收获。第三茬甘蓝于2012年9月23日播种，10月23日移栽，2013年1月22日收获。各处理氮、磷、钾养分用量情况见表1。甘蓝和茄子的灌水、喷药等均采用常规管理方式。试验期间，用雨量计记录降雨量为1602.7 mm，第二茬和第三茬蔬菜共灌溉115.9 mm(流量计记录)。全年共采集18次径流样品。其中第1和第2次径流于第1茬甘蓝生长期间采集，第3至第7次径流于第1茬甘蓝收获后至第2茬茄子移栽前采集。第2茬茄子生长期间共发生7次径流，茄子收获后至第三茬甘蓝移栽期间有1次径流事件，第三茬甘蓝生长期间采集3次径流样品。

1.3 径流液养分含量测定及相关计算方法

养分径流负荷(kg/hm2)=[小区径流氮浓度(mg/L)×径流水体积(L)/106]×10000(m2)/小区面积(m2)。

氮流失系数(%)=(施氮处理氮流失负荷-不施肥处理氮流失负荷)×100/施氮量。

1.4 数据处理

使用Excel 2003程序和SAS9.0统计分析软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 蔬菜生长期径流量

不同施肥处理下，三茬蔬菜的地表总径流量在1052.27～1101.29 mm之间(图1)，各处理间无明显差异，同时各茬蔬菜生长期间各处理的径流量也无明显差异。

[注(Note): 不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平 Different letters mean significant differences at the 5% level among treatments.]

2.2 铵态氮径流浓度变化

本试验采用尿素作为供试氮肥，尿素施入旱地后，1周之内即完全水解成铵态氮，之后进行硝化作用[9]。第一茬甘蓝种植期间(图2)，第1次径流事件(2012-3-5)距离最后一次施氮时间(2012-1-9)间隔长达46 d，鉴于尿素氮在土壤中的转化特性，本试验中施氮对前两次径流的铵氮浓度影响较小。对照处理的铵氮浓度为0.10～0.26 mg/L，其他施肥处理浓度在0.09～0.47 mg/L之间。与前两次径流液铵态氮浓度相比，第3次至第7次径流的铵态氮浓度明显增高，其中对照处理浓度为0.20～0.44 mg/L，施肥处理浓度为0.28～0.96 mg/L。地表所覆盖的植被因植物茎叶对降雨的截留效应、植物根系对土壤的固结作用以及植被对径流传递的阻碍作用等，可有效降低降雨导致的土壤侵蚀和养分流失[10-11]。Zhang 等[12]研究显示，与无植被生长覆盖的裸地相比，拧条锦鸡儿覆盖的地表其径流量和沉积物分别显著降低20%和65%，且高覆盖度的土壤较低覆盖度的土壤进一步降低土壤氮流失量20%。土壤耕翻是影响养分流失的另一重要因素。据Xu等[13]报道，土壤耕翻导致土壤侵蚀率提高10.2倍。本文中，这5次径流事件发生在第1茬甘蓝收获后至第2茬茄子移栽前，在此期间菜地没有进行施肥，可以排除肥料对铵态氮浓度的影响。由于菜地处于无作物覆盖状态，土壤耕翻导致表土结构疏松，土壤胶体和颗粒吸附、固定的铵态氮极易在降雨作用下随径流水流失，因此可以认为，径流液铵态氮浓度的增加与此时菜地土壤的耕翻作用及无蔬菜种植有关。

第二茬茄子生长期间共采集7次径流样品，径流事件发生于施肥后5～15 d。这7次径流样品中，对照处理铵态氮浓度为0.17～0.46 mg/L，施肥处理浓度为0.11～0.61 mg/L，施肥与对照处理之间的消长变化无明显规律性。不同径流事件之间铵态氮浓度表现出一定的升降变化，与施肥和降雨时间间隔、降雨强度及降雨时间等多种因素有关[14]。第二茬茄子收获后至第三茬甘蓝移栽前仅产生1次径流，各处理铵态氮浓度在0.30～0.54 mg/L之间，变幅较小。第三茬甘蓝生长期间共收集3次径流样品，各次径流距最近一次施肥的时间间隔在7～14 d，与对照铵态氮浓度(0.11～0.34 mg/L)相比，施肥处理浓度0.12～0.53 mg/L，基于尿素在土壤中的转化特性，铵态氮经硝化作用迅速转化为硝态氮，导致施氮处理铵态氮径流浓度并未完全表现出高于不施氮的对照处理的规律。

总体上，全年18次径流事件中，不同处理的径流液铵态氮浓度表现出一定的时空变化特点，但均低于2.0 mg/L，即在《地表水环境质量标准GB3838-2002》V类水标准范围内，对周边水环境的面源污染风险较低。

2.3 硝态氮径流浓度变化

旱地土壤中，硝态氮是主导矿质氮形态[15]。与铵态氮不同，硝态氮本身带有负电荷，不易被土壤胶体等吸附，极易随水分流失。不同处理下径流液硝态氮浓度总体高于铵态氮(图3)。前7次径流中，与最后一次施肥间隔时间最短的第1次径流，发生在施肥后46 d。因此，施入土壤的尿素均已转化为硝态氮。随着时间推移，由于蔬菜对硝态氮吸收及硝态氮的淋失等因素影响，前7次径流事件中，不同处理的硝态氮浓度基本随时间延长呈降低趋势，且化肥氮处理的硝态氮浓度高于不施氮的对照和化肥氮空白处理。其中，对照和化肥氮空白处理的硝态氮浓度分别为0.38～1.00 mg/L和0.03～0.85 mg/L，其他有机无机肥配施处理的硝态氮浓度基本随化肥氮用量增加而增加: 习惯施肥(CON)硝态氮浓度为1.03～3.01 mg/L，优化施肥(OPT)处理较低，为0.84～1.66 mg/L，优化施肥基础上增加氮、磷肥和钾肥用量，硝态氮浓度均有不同程度增加，分别为OPT+N 0.79～6.30 mg/L；OPT+P 0.58～3.89 mg/L；OPT+NPK 0.51～11.9 mg/L。

第二茬茄子生长期间共采集7次(第8次～14次)径流样品，对照和化肥氮空白处理的硝态氮浓度分别在0.54～2.51 mg/L和0.54～3.25 mg/L，其他有机无机肥配施处理的硝态氮浓度明显较高，且均在第10 次径流事件中出现浓度峰值，在6.39～15.15 mg/L之间，其中OPT处理浓度最低，而OPT+NPK处理浓度最高。与其他几次径流发生在最近施肥后5～11 d相比，第10次径流发生在茄子第三次施肥后15 d，时间间隔相对较长。分析其原因，是由于第三次施氮量占总氮量25%，高于其他几次径流前施肥量(10%～20%)，且降雨量(89.8 mm)与其他几次径流的降雨量(55.0～89.6 mm)持平或较高，因此，在高量施肥及降雨作用下导致菜地硝态氮浓度出现明显的峰值。降雨量与土壤养分流失量之间的关系已有诸多研究和报道[10,16-17]。茄子收获后至第三茬甘蓝移栽前发生1次径流(第15次)，此次径流液硝态氮浓度为 0.44～4.5 mg/L，由于此时土壤无植物覆盖以及农田耕翻等原因，与茄子生长后期发生的两次径流(第13次，015～2.67 mg/L；第14次，0.32～2.50 mg/L)相比，各处理硝态氮径流浓度均有一定程度增加。

第三茬甘蓝生长期间共采集3次(第16～18次)径流样品，其中第16次径流硝态氮浓度出现峰值，浓度范围在7.90～28.43 mg/L之间，之后两次径流的硝态氮随时间延长出现明显下降变化。在施肥及施肥与降雨时间间隔方面，第16次径流发生在施用基肥(20% N)后的第14 d，第17次和18次径流发生在第1次追肥后7～14 d，且追肥量分别为总氮量25%和30%。降雨方面，第16次径流事件的降雨量为55.7 mm(1 d降雨量)，高于第18次的26.6 mm(1 d降雨量)，低于第17次的181.7 mm(连续5 d累积降雨量)。综合上述因素分析，第16次径流在施肥量、施肥与降雨时间间隔及降雨量等方面与后面的两次径流相比均无明显优势，而出现明显的硝态氮浓度峰值可能与此次降雨强度高、且此时甘蓝移栽时间较短、幼苗对氮的吸收能力有限及菜地地表覆盖度低等因素有关，从而导致土壤多余的硝态氮大量流失。降雨强度作为影响养分径流损失的主要因子之一[18-20]，也有诸多报道。Zhang 等[19]研究显示，随降雨强度(60、100和140 mm/h)的增加，土壤颗粒及其携带养分流失量均明显增加。Liu 等[20]报道，农田径流量随降雨强度增加而增加，氮、磷养分流失量与降雨强度之间表现出正相关关系。

《地表水环境质量标准GB3838-2002》中硝态氮浓度的标准限值为10 mg/L。对比此标准，OPT+NPK处理在18次径流事件中，有5次径流样品的硝态氮浓度高于10 mg/L，超标率达28%，其他有机无机肥配施处理的硝态氮浓度超标现象均发生在第16次径流事件中。总体上，优化施肥同时增施氮磷钾用量的处理(OPT+NPK)硝态氮浓度超标率最高。

2.4 总氮径流浓度变化

对比地表水环境质量标准，18次径流样品中包括不施肥的对照处理在内，几乎所有径流样品的总氮浓度均超过2.0 mg/L的V类水标准限值，具有一定的环境污染风险。

2.5 菜地氮素流失负荷及流失系数

三茬蔬菜中(表2)，化肥氮空白处理总氮流失负荷相比对照处理无显著差异，其他有机无机肥配施处理的氮流失负荷均显著高于对照，以年度氮流失负荷来计算，增幅在79.92%～194.39%之间。总体上，菜地氮流失负荷随化肥氮用量增加而增加。以OPT和OPT+P处理为例，两处理的施氮量相同，处理间氮流失负荷无明显变化。而OPT+N处理的总氮流失负荷显著高于OPT处理，OPT+NPK处理的总氮流失量达最高。由此可知，相同氮用量条件下单纯增施磷肥对氮流失负荷无明显影响，而增氮或同时增施氮磷钾显著增加氮流失量，且以后者的作用效果最为显著。对各茬蔬菜生长期内总氮流失负荷占相应年度流失负荷的比例进行分析，施氮量较高的OPT+N和OPT+NPK处理的氮流失负荷在三茬蔬菜生长期内的分配比例无明显变化，分别为32.08%～34.06%、31.83%～34.82%和33.10%～34.11%，而其他处理的氮流失负荷分配比例随种植茬数增加呈降低趋势，分别为38.05%～52.95%、29.81%～38.8%和13.53%～31.09%。

养分流失系数即为养分流失率。有机无机肥配施处理的氮素流失系数为2.36%～3.44%(表2)，明显高于化肥氮空白处理(1.47%)，其中OPT+NPK处理的流失系数与化肥氮空白处理之间差异达显著水平。有机无机肥配施处理中，氮素流失系数总体随化肥氮用量增加而增加。谢如林等[27]针对广西旱地平原区缓坡地甘蔗田的研究显示，氮肥流失系数在0.78%～1.33%之间；张怀志[28]针对黄浦江上游水源保护区农田的研究显示，集约化菜地农田和稻麦轮作田总氮流失系数分别为7.32%和0.44%；张玉树等[29]对闽西北烟—稻轮作系统养分流失的研究表明，农户习惯施肥的氮肥流失系数为0.76%～1.27%，而优化施肥的氮流失系数为0.76%～1.43%；杨皓宇等[30]在四川紫色丘陵区开展的研究表明，坡耕地氮肥流失系数为0.01%。通常，农田养分径流损失受地形、土地利用方式、土壤性质及降雨等多种因素影响[31]，从本试验(表2)及相关文献的报道来看，不同地区因其农田利用模式、地形和施肥管理习惯等因素的差异，导致农田氮素流失系数存在较大差异。

2.6 不同养分管理措施下蔬菜产量

施肥显著增加蔬菜产量(图5)。对照处理甘蓝(2茬均值)和茄子产量分别为8.1和6.78 t/hm2，化肥氮空白处理中，有机肥矿化释放的养分对蔬菜的增产作用显著，相比对照处理产量分别显著提高67.47%和114.16%。其他有机无机肥配施处理甘蓝和茄子产量分别为57.59～60.87 t/hm2和43.88～53.83 t/hm2，分别较相应对照处理增加5.1～5.5 倍和4.5～5.9倍。无机化肥具有养分释放快、肥效快的特点，本试验中施用相同有机肥的基础上配施不同用量化肥，蔬菜产量均较化肥氮空白处理显著增加3.23～3.48倍(甘蓝)和2.02～2.71倍(茄子)。适宜的氮、磷、钾养分用量在促进植物生长发育、养分吸收及产量形成方面存在协同作用[32]。不同有机无机肥配施处理对甘蓝产量无明显影响(图5)。与OPT处理相比，无机化肥养分用量较高的CON、OPT+N、OPT+P和OPT+NPK处理的茄子产量均明显或显著增加，增幅分别为14.0%、22.7%、8.6% 和20.7%，说明无机化肥用量对茄子产量影响明显。

注(Note): 同列数据后不同小写字母表示差异达5%显著水平 Values within the same column followed by different small letters are significantly different at the 5% level.

如何做到经济效益和环境效益的双赢，是当前国内外农田养分管理的重要课题。本文中，与OPT处理相比，其他有机无机配施处理CON、OPT+N、OPT+P和OPT+NPK的甘蓝产量无明显变化，茄子产量增幅在8.57%～22.68%之间，同时，其相应的肥料投入量(表1)及总氮流失负荷(表2)也相应增加9.22%～50.29%和0.91%～65.11%。从另一角度讲，上述处理中茄子产量增加而产生的经济收益是建立在增加成本投入和环境污染风险大幅增加的基础上的。因此，综合考虑蔬菜产量、成本投入及环境效益，OPT处理是菜地养分管理中较为合理的推荐施肥方案。

3 结论

连续三茬、为期一年的菜地养分径流试验共采集18次径流样品。整个试验期间，不同处理的菜地地表径流铵态氮浓度均低于2.0 mg/L的地表水V类水标准限值，且其浓度消长变化在施肥与不施肥的对照处理间无明显规律性。硝态氮浓度介于0.03～28.43 mg/L之间，高于径流液铵态氮浓度，是主要的矿质氮流失形态。总氮径流浓度为1.06～31.79 mg/L，与硝态氮的浓度变化具有相似性。施氮可不同程度增加总氮和硝态氮浓度，且化肥氮的作用尤为明显。试验期间，几乎所有径流样品的总氮浓度均超过2.0 mg/L的地表水V类水的标准限值，OPT+NPK处理总氮浓度及硝态氮超标率均最高。菜地养分径流浓度受降雨、施肥、施肥与降雨时间间隔及植株生长阶段(覆盖度)等多种因素影响。

[注(Note): 同一蔬菜品种不同小写字母代表处理间产量差异达5%显著水平Different letters mean significant differences at the 5% level among treatments for the same vegetable.]

菜地全年总氮流失负荷的结果表明, 菜地不施肥条件下总氮年流失负荷为30.8 kg/hm2，化肥氮空白对总氮流失负荷无显著影响，有机无机配施处理主要基于化肥的作用显著增加总氮流失负荷78.29%～194.39%，且以OPT+NPK处理的流失负荷(90.73 kg/hm2)最高、OPT处理负荷较低(54.95 kg/hm2)。不同施肥处理的氮肥流失系数在1.47%～3.44%之间，总体随化肥氮用量增加而提高。

施肥显著增加蔬菜产量，无机化肥用量对蔬菜产量的影响作用明显，OPT+NPK处理的蔬菜产量最高。综合分析蔬菜产量、肥料投入成本及总氮流失负荷，兼顾经济效益和环境效益，优化施肥(OPT)处理可作为菜地推荐施肥方案。

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Effects of different nutrition management on vegetable growth and runoff characteristics of soil nitrogen in perennial vegetable field

LI Meng-jun， YAO Jian-wu， WANG Rong-hui， ZENG Zhao-bing， NING Jian-feng， AI Shao-ying*

(InstituteofAgriculturalResourcesandEnvironment,GuangdongAcademyofAgriculturalSciences/KeyLaboratoryofPlantNutritionandFertilizerinSouthRegion,MinistryofAgriculture/GuangdongKeyLaboratoryofNutrientCyclingandFarmlandConservation,Guangzhou510640,China)

nitrogen runoff; combined application of organic and inorganic fertilizers; perennial vegetable field; nutrition management; runoff coefficient

2014-08-26 接受日期: 2014-12-02 网络出版日期: 2015-07-02

公益性行业(农业)科研专项(201003014-02-04)资助。

李盟军(1980—)，男，陕西武功人，学士，助理研究员，主要从事农业面源污染研究。E-mail: li-mengjun@139.com *通信作者Tel: 020-85161453； E-mail: shaoyingai@21cn.com

S147.21+4

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1008-505X(2015)05-1190-10