化肥减量配合有机替代对赤红壤常年菜地蔬菜生长及土壤氮平衡的影响

宁建凤 艾绍英 李盟军 姚建武 余丹妮 王思源 申健

摘  要  以赤紅壤常年菜地系统为研究对象，采用田间小区试验方法，设置不同处理[对照CK、常规施肥CF、优化施肥OPT及优化施肥化肥氮10%、20%、30%有机替代（T10、T20、T30）]，研究菜地养分优化减施及有机替代对小白菜生长及土壤氮平衡影响。试验连续种植4茬。结果显示，施肥显著增加小白菜产量，不同施肥处理肥料增产贡献率为23.1%～39.6%。常规施肥处理小白菜产量在3169～3369 kg/667 m2之间，4茬小白菜总吸氮量为33.4 kg/667 m2、平均氮肥利用率31.2%。相比常规施肥，优化施肥及优化施肥化肥氮有机替代10%、20%、30%处理分别降低化肥用量35%、38%、41%和44%，小白菜产量、氮吸收量及氮肥利用率均与常规施肥处理无显著差异。常规施肥条件下小白菜种植系统（4茬）氮盈余量10.3 kg/667 m2，优化施肥及化肥氮有机替代降低土壤氮盈余量18%～48%。总体上，赤红壤常年菜地系统化肥减量使用35%～44%可保障蔬菜产量不降低基础上，有效降低土壤氮盈余及潜在面源污染风险。优化施肥条件下化肥氮有机替代有利于进一步降低化肥氮投入量，实现菜地系统化肥深度减施。优化施肥及化肥氮有机替代可作为区域菜地系统推荐施肥技术方案。

关键词  赤红壤;常年菜地;减量施肥;有机替代;氮平衡

中图分类号  S156.6      文献标识码  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

隨着农业产业结构调整，蔬菜业逐渐成为我国种植业的主要产业之一。2016年，我国蔬菜种植面积2232.8万hm2，占农作物播种总面积13.4%[1]。广东地处南亚热带季风气候区，是我国重要的蔬菜生产地，得益于充足的水、热资源条件，多茬连作、周年生产是本地区蔬菜生产的主要特点。产量达全省蔬菜总产量一半的叶菜年均种植频率高达8～10茬[2]。蔬菜由于种植效益高，经济利益驱动下，菜地高投入高产出的生产模式十分普遍。针对珠江三角洲施肥现状的调查显示，菜地年均N、P2O5、K2O投入量每667 m2为 67 kg、61.1 kg和54.7 kg，且N∶P2O5∶K2O为1∶1∶1的均衡性复合肥使用普遍[3]。全国范围来看，蔬菜化肥养分（N + P2O5 + K2O）用量是农作物养分用量的3.3倍，露地蔬菜N、P2O5、K2O施用总量平均分别是各自推荐量的2.7、5.9和1.5倍[4]。此外，重化肥、轻有机肥以及氮磷钾养分比例不合理也是目前蔬菜施肥中存在的突出问题。我国化肥施用环境风险自1994年进入低度风险状态，2014年化肥施用环境风险指数为0.54，总体呈现上升的趋势[5]。陕西关中平原菜地硝态氮累积量比一般农田高4.5～5.2倍[6]，太湖水网区菜地硝态氮含量是水田的20倍[7]，福州市郊菜地地表和地下水环境氮浓度均处于不同程度超标状态，与菜地超量不合理施肥密切相关[8]。广东地区菜地耕作频繁，加之本地区降雨量大、降雨强度高的自然环境特征，导致常年菜地系统成为化肥面源污染高风险区。蔬菜化肥减量增效应成为区域施肥调控的主要方向。

基于常年菜地系统化肥超量不合理施用现状，研究蔬菜养分优化管理措施下蔬菜生长及土壤氮平衡特征，以期为蔬菜科学施肥及菜地化肥面源污染源头控制提供理论依据，对于实现区域菜地系统水、土资源可持续利用具有重要社会和现实意义。

1  材料与方法

1.1  材料

试验点位于广州市白云区钟落潭镇（113.36°E，23.15°N）。供试土壤为砂质赤红壤，0～20 cm土壤基本理化性质为：pH 6.97，有机质24.35 g/kg，全氮1.70 g/kg，碱解氮117.9 mg/kg， 铵态氮15.9 mg/kg，硝态氮27.1 mg/kg，速效磷129.55 mg/kg，速效钾179.0 mg/kg，容重1.31 g/cm3。供试蔬菜为小白菜（杂交黑叶白菜，玉兔3号）。供试化肥为尿素（含N 46%），磷酸氢二铵（含N 21%、P2O5 53%），氯化钾（含K2O 60%）和挪威复合肥（含N 15%、P2O5 15%、K2O 15%）。供试有机肥为广州新农科肥业科技有限公司生产的生物有机肥，基本性质为：pH 6.5，有机质426.7 g/kg，总氮（N）11.5 g/kg，总磷（P2O5）11.0 g/kg，总钾（K2O）30.0 g/kg，含水量40%。

1.2  方法

1.2.1  试验设计  试验于2016年9月—2017年2月之间进行。试验设对照（CK，不施肥），常规施肥（CF），优化施肥（OPT），优化施肥条件下化肥氮有机替代10%（T10）、20%（T20）和30%（T30）。共6个处理，每处理3次重复，随机区组排列。各处理养分用量见表1，其中常规施肥（CF）养分用量采用当地菜农习惯施肥量。田间小区面积为12 m2（1.2 m×10 m）。试验连续种植4茬小白菜，小白菜播种采用密植模式，亩播种量为556 g。试验期间，4茬小白菜生长期在27～32 d之间。具体试验时间分别为：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。常规施肥处理化肥采用农户习惯使用的挪威复合肥，优化施肥及优化施肥有机替代处理肥料采用尿素、磷酸氢二铵、氯化钾及生物有机肥，磷肥、钾肥和有机肥以基

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。试验过程中，按照农户习惯模式进行蔬菜管理。小白菜采用喷灌方式灌溉，每天早晚各1次。

每茬小白菜收获后测定其产量，并于每小区采集适量小白菜植株样品进行养分含量分析。同时，小白菜收获后采集表层（0～20 cm）土壤样品备测。由于小白菜等叶菜类蔬菜属于浅根系，根系生长及养分吸收主要集中于表层土壤，针对表层土壤的分析测定可以明确土壤养分的变化情况。

1.2.2  测试指标与方法  （1）植株。采用土壤农化常规分析法[9]测定小白菜地上部全氮含量。

（2）土壤。将新鲜土样过筛、充分混匀后，准确称取10 g土壤于铝盒中在105 ℃下烘干测定土壤含水量。同时称取5 g新鲜土壤加入50 mL的2 mol/L KCl溶液震荡30 min后过滤，滤液NH4+-N、NO3?-N采用流动分析仪（Alliance-FuturaⅡ，法国）测定。土壤NH4+-N、NO3?-N含量经折算以kg/667 m2表示，矿质氮为NH4+-N、NO3?-N之和。

（3）计算公式：

氮肥表观利用率[10]=（施氮区作物吸氮量?对照区作物吸氮量）/施氮量×100%

肥料增产贡献率[11]=（施氮区作物产量?对照区作物产量）/施氮区作物产量×100%

菜地氮平衡计算参照Widowati等（2011）[12]方法稍加改动，氮素平衡=（起始矿质氮+有机肥N+化肥氮）?（植物吸收氮+收获后土壤矿质氮）。

土壤表层（0～20 cm）矿质氮含量（Yi）依公式（1）计算[13]：

式（1）中，Yi为土壤矿质氮含量（kg/667 m2），Ti为土层厚度20 cm，RWCi为土层含水量（%），[TMN]i为土层矿质氮浓度（mg/kg），0.1为单位换算系数，BDi为土层容重 g/cm3。

1.3  数据分析

使用Excel 2010软件、Origin 8.0程序和SAS 9.0统计分析软件进行数据分析和处理。

2  结果与分析

2.1  不同处理下蔬菜产量及肥料增产贡献率

试验连续种植4茬小白菜。图1A显示，随种植茬数增加，不施肥对照处理小白产量呈降低趋势。相比对照，施肥显著增加小白菜产量。常规施肥处理小白菜产量在3168～3369 kg/667 m2之间，优化施肥小白菜产量与常规施肥相比无显著差异。相比优化施肥处理，T10、T20、T30处理的小白菜产量均无明显变化。连续4茬小白菜产量结果表明，较农户常规施肥，肥料养分减量35%（优化施肥）及其T10、T20、T30处理的小白菜产量均不受影响。

不同处理下肥料对产量增加的贡献率表明，常规施肥处理肥料增产贡献率为26.3%～38.2%，优化施肥处理的肥料增产贡献率与常规施肥较为接近，为25.5%～38.6%（图1B）。化肥氮有机替代处理的肥料增产贡献率在23.1%～39.6%之间，与常规施肥和优化施肥处理相比无明显规律性变化。

总体上，各处理第1茬的肥料增产贡献率均较低，第2茬至第4茬肥料增产贡献率相比第1茬均有不同程度提高。结果表明，施肥有利于维持蔬菜产量水平，随着种植茬数增加，肥料增产贡献效应明显。

2.2  不同处理下蔬菜氮吸收量

由表2可知，施肥显著增加小白菜氮吸收量。相比常规施肥处理，优化施肥及化肥氮有机替代处理的吸氮量均无显著变化。不同施肥处理下4茬小白菜总吸氮量在31.7～33.7 kg/667 m2 之间，处理之间无明显差异。经计算，小白菜氮肥利用率在30.1%～35.2%之间，优化施肥及化肥氮有机替代相比常规施肥处理的氮利用率无明显差异。结果表明，化肥氮减量及有机氮替代对小白菜氮素吸收量及氮利用率无明显影响。

2.3  不同处理下土壤矿质氮含量变化

小白菜收获后土壤矿质氮含量变化如图2所示。对照处理土壤矿质氮含量水平在5.61～ 6.31 kg/667 m2之间，施肥不同程度增加土壤矿质氮累积量。常规施肥和优化施肥处理矿质氮含量较对照明显或显著提高35.8%～105.9%、28.3%～98.4%，T10、T20、T30处理的矿质氮含量的增幅相对较低，分别为9.8%～64.4%、16.1%～44.6%和9.1%～53.3%。总体上，随着种植茬数的增加，常规施肥及优化施肥处理土壤矿质氮含量呈现降低趋势，且与化肥氮有机替代处理间的差异不明显。

2.4  菜地氮平衡特征

连续种植4茬小白菜，常规施肥处理氮（N）总投入量42 kg/667 m2（表3），优化施肥及优化施肥条件下有机替代处理氮总投入量均为38 kg/667 m2。不施肥对照处理4茬小白菜氮总携出量20.3 kg/667 m2，各施肥处理小白菜氮携出量较对照显著提高56.3%～66.0%，且各施肥处理间无明显差异。第4茬小白菜收获后，对照处理土壤残留矿质氮为5.61 kg/667 m2，施肥明显或显著提高土壤矿质氮残留量28.2%～64.3%。与常规施肥相比，优化施肥及优化施肥有机替代处理矿质氮残留量均无显著差异。小白菜系统氮平衡分析表明，对照处理氮素处于亏缺状态，常规施肥处理氮盈余10.27 kg/667 m2，优化施肥及优化施肥有机替代处理系统的氮盈余量低于常规施肥处理18.3%～47.5%，说明小白菜減量施肥及化肥有机替代均有利于降低菜地系统氮盈余量。

3  讨论

化肥超量投入、有机肥用量不足、氮磷钾（N、P2O5、K2O）比例和有机无机养分比例失调是目前我国蔬菜施肥中主要问题[4]。依据不同地区土壤肥力水平的差异，叶菜类蔬菜氮磷钾养分推荐施用量分别为每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用量比例为1∶0.11～0.53∶0.37～ 1.29[14]。本文中，相比习惯施肥，优化施肥处理化肥减量35%，且养分比例符合叶菜推荐施肥方案，连续4茬优化施肥小白菜产量无明显变化，说明养分优化减施有利于叶菜生长及保持产量稳定。针对集约化菜地系统的研究显示，化肥优化减施25%～40%对蔬菜产量均无显著影响[15-18]。本研究结果与已有报道相似。有机肥对于增加作物产量、改善作物品质的作用已有诸多研究和报道[19-21]。宋以玲等[22]研究表明，化肥减量10%～30%配施生物有机肥相比常规单施化肥提高油菜产量4.6%～24.6%。等养分量条件下，生物有机无机复合肥相比无机复合肥显著增加大白菜产量15.4%、结球甘蓝产量10.4%、辣椒产量4.5%和茄子产量38.4%[23]。本研究中，与习惯施肥相比，化肥氮有机替代10%～30%降低化肥投入量38%～44%，小白菜产量无显著变化，即化肥优化减施条件下有机肥替代部分化肥有利于进一步降低化肥投入量，说明本试验条件下赤红壤常年菜地化肥优化减施潜力较大。黄绍文等[4]研究指出，我国主要露地蔬菜化肥养分减施潜力在41.9%～76.8%之间。本文研究结果接近这一报道范围。山东寿光设施菜地调查显示，蔬菜产量对化肥氮、磷、钾施用量没有显著响应，而有机肥投入对蔬菜表现出明显的增产效果[20]。不同比例有机替代处理下小白菜产量效应一定程度上说明有机肥有助于维持蔬菜产量水平。不同施肥处理小白菜肥料增产贡献率在23.1%～39.6%之间，与我国主要粮食作物氮肥增产率（26.4%～30.9%）接近[24]。有机肥相比化肥养分释放慢，不同比例有机替代处理间小白菜产量无明显差异，可能与试验周期短有关。优化施肥及有机替代处理中来源于化肥和有机肥的氮、磷、钾养分对小白菜产量贡献及其差异性、有机肥肥效评价尚需进一步开展长期试验进行探讨。

我国主要粮食作物氮肥利用率为27.3%～ 38.2%，以谷物为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，导致多数蔬菜氮肥利用率较低，仅为20%左右[25]。王荣萍等[26]研究显示，华南地区蔬菜（叶菜、瓜类和豆类蔬菜）氮肥利用率为18.4%～19.7%。本研究优化施肥及有机替代处理4茬小白菜氮肥利用率在30.1%～35.2%之间，高于这一研究结果，且与主要粮食作物氮肥利用率水平相近，可能与叶菜密植方式有关。张学军等[27]结果表明，番茄连续4茬减量施氮其果实产量及总吸氮量随着种植茬数增加明显降低。本试验条件下优化施肥及不同比例有机替代对小白菜氮吸收量及氮肥利用率无显著影响。研究显示，有机肥通过早期促进无机氮的固定及后期促进有机氮再矿化过程提高白菜对无机氮的吸收[28]。不同比例有机替代处理小白菜氮吸收总量与优化施肥及常规施肥处理无显著差异，可能与有机肥对土壤矿质氮的作用有关。从4茬小白菜种植体系来看，前两茬中，有机肥施用对促进土壤矿质氮累积的作用有限，表现为有机替代处理土壤矿质氮累积量均显著低于单施化肥的常规施肥和优化施肥处理。随着种植茬数增加，有机肥对土壤矿质氮累积表现出不同程度的促进效应，主要体现在有机替代处理与常规施肥和优化施肥处理之间矿质氮累积量无显著差异。氮肥投入量、作物携出量、土壤氮素残留量以及氮损失量等共同影响土壤系统氮平衡特征。氮素盈余是衡量氮素投入生产力、环境影响和土壤肥力变化的最有效指标，土壤氮素大量盈余会增加氮向环境损失风险[29]。本研究中，优化施肥及有机替代不同程度降低土壤氮盈余量，说明化肥优化减施及配合有机替代有利于降低氮损失的面源污染风险。

4  结论

赤红壤常年菜地系统连续种植4茬小白菜试验结果显示，施肥对于维持蔬菜产量具有顯著作用，农户习惯施肥模式下化肥投入量具有较大的减施潜力，采用氮磷钾配比优化、化肥用量降低35%的优化施肥方案对小白菜生长及氮素吸收、利用没有明显影响，并不同程度减少土壤-植物系统氮盈余量。结合小白菜种植系统氮平衡特征，优化施肥条件下化肥氮有机替代比例10%～30%，即试验中常年菜地系统农户习惯施肥的化肥减施比例不低于44%。化肥优化减施结合有机替代技术可作为区域常年菜地系统推荐施肥方案，有助于从源头降低菜地化肥面源污染风险。

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