不同有机肥用量对京郊设施西瓜产量及土壤硝态氮含量累积的影响

刘立娟，吴甜甜，刘慧，史鑫蕊，焦玉英，陈文钊，孙超

（1.北京市延庆区农业技术推广站，北京 102100；2.北京市延庆区种植业服务中心，北京 102100；3.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

西瓜是我国广泛栽培的重要经济作物之一，不但营养丰富，而且具有很高的药用价值和保健作用[1]。随着西瓜栽培面积的不断增加和集约化栽培程度的提高，大量使用氮肥等不合理施肥现象日益加重[2-3]。众多研究表明，过量施用化肥会引起土壤酸化、板结，导致西瓜产量和品质下降，甚至污染环境[4-8]。由于有机肥能为农作物提供多种营养，促进土壤微生物繁殖，改善土壤的理化性质和生物活性，提高土壤持水能力，增强土壤的保肥供肥与缓冲能力，对作物增产具有重要作用[9-10]，因此受到广泛应用。但是不合理的施用有机肥同样会带来养分的流失和病虫害的多发，甚至出现农作物根系吸水困难，发生烧根、僵苗等现象[11-13]。因此，确定有机肥的合理用量、降低有机肥使用对环境的负面影响，已经成为目前亟待解决的问题[14]。

西瓜长季节地爬式栽培模式是北京京郊较有发展前景的种植模式之一，具有土地集约化程度高和投入高、产出高等特点。本研究从土壤硝态氮含量变化角度出发，通过分析不同鸡粪用量处理对西瓜产量、土壤硝态氮累积规律及水氮利用效率等的影响，旨在确定西瓜种植上有机肥的合理用量、为有效控制农田面源污染提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验地点设在北京延庆沈家营镇下花园村的设施大棚内，该地属温带季风气候，年平均气温8.4 ℃，最高气温39 ℃，最低气温-27.3 ℃。无霜期152～175 d，年均降雨量466 mm。供试土壤类型为砂壤土，pH 8.5，有机质18.35 g/kg，全氮0.91 g/kg，碱解氮74.8 mg/kg，有效磷6.75 mg/kg，速效钾107.3 mg/kg。

1.2 试验设计

西瓜供试品种为超越梦想，2016 年北京北农种业有限公司生产。试验于2017 年3 月15 日育苗，4 月27 日定植，共收获3 次（6 月30 日、8 月1 日和8 月28 日）。共设置5 个不同鸡粪用量处理（见表1），鸡粪养分含量（以N、P2O5和K2O 计）分别为1%、0.95%和0.86%，鸡粪主要作为基肥，化肥主要作为追肥，各处理化肥用量均一样。每个处理小区面积80 m2，3 次重复。西瓜定植株距45 cm，行距2 m。定植前鸡粪撒施后立即机械旋耕。试验田日常管理措施如灌溉、翻耕、除草、整枝等，各处理均相同。具体田间水肥管理见表2 和表3。

表1 不同处理的有机肥和化肥的施用量（kg/hm2）Table 1 Application amount of chicken manure and chemical fertilizer under different treatments(kg/hm2)

表2 各处理的田间水管理Table 2 Irrigation under different treatments

表3 各处理的田间追肥管理Table 3 Fertilization under different treatments

1.3 测定项目与方法

分别在西瓜定植期、坐果期以及每批次成熟期进行土壤样品采集，每个小区用土钻随机取3 个点，取样深度0～80 cm，每20 cm 一层，共4 层，每个处理小区相同土层的土壤混合为一个样品，置于冰柜中冷藏保存。土壤容重采用环刀法测定；土壤含水量采用烘干法测定；硝态氮含量用1 mol/L KCl 浸提土样（水土质量比5：1），采用流动分析仪测定；植株全氮含量采用浓硫酸-双氧水消煮，半微量凯氏定氮法测定。单次收获产量：单次收获时称量西瓜质量；3 次单次收获产量之和即为总产量。

水分利用效率（WUE）计算公式见式（1）。采用农田水量平衡关系式计算得到，由于采用的是滴灌系统，忽略水分渗漏。

式中，产量单位为kg/hm2，蒸散量单位为mm。

参考化肥氮利用效率的计算方法[8,14]，有机氮的农学和吸收利用率的计算公式见式（2）（3）。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥用量对西瓜产量的影响

图1（见下页）显示了各处理西瓜的单次收获产量及总产量，可以看出，3 次收获中，除T1 处理，其他处理均是第一次收获时产量最高，之后均依次递减，T3处理每次产量和总产量均是5 个处理中最高的，总产量达到106 400 kg/hm2，此时鸡粪施用量为75 000 kg/hm2。西瓜总产量为T3>T5>T2>T4>T1。从TI 处理到T3处理随着有机肥施用量的增加，产量呈逐渐增加的趋势，但有机肥用量增加到T4 后，之后产量反而降低，说明在一定范围内西瓜产量随着有机肥用量的增加而增加，超过一定范围后，增施有机肥反而会导致产量降低。采用线性加平台模型拟合，得到西瓜产量达到最高值所需鸡粪的最佳施用量为59 000 kg/hm2，此时西瓜产量为98 600 kg/hm2。

2.2 不同有机肥用量下西瓜对氮磷钾的吸收量

图2 显示了各处理西瓜对氮磷钾养分的吸收量。可以看出，西瓜对氮、钾的吸收量远大于对磷的吸收量。不同处理的吸氮量大小顺序为T3>T5>T4>T2>T1；吸磷量顺序为T5>T3>T4>T2>T1；吸钾量顺序为T5>T3>T4>T2>T1，其中T3 和T5 处理对氮磷钾养分的吸收量都是较高的。相关性分析结果表明，西瓜总产量与吸氮量呈正相关，而与吸磷和吸钾量的关系不太明显。吸氮量越高，西瓜产量越高，说明氮素对西瓜产量贡献率较大。

2.3 有机肥用量对不同土层硝态氮累积量的影响

图3 显示了各处理不同土层硝态氮含量在生育期内的动态变化。各处理硝态氮含量均表现为从土壤表层到深层逐渐递减的趋势，但不同处理土层之间的差异较大。T1 处理各层硝态氮含量差异较小，T2～T5 处理表层硝态氮含量明显高于下层土壤，且随着有机肥用量的增加，差值增大，下层土壤硝态氮含量差异不明显，尤其是T3～T5处理40～60 cm 和60～80 cm 土层硝态氮含量基本相同。各处理化肥施用量完全相同，但有机肥用量不同。由于有机肥主要在表层发生矿化，因此增施有机肥对表层硝态氮的影响较大，对下层影响较小。第三次硝态氮测定值明显高于前两次，这是因为从坐果期到第一次收获期间连续进行了三次追肥，施用速效化肥对土壤中的硝态氮影响显著，硝态氮含量迅速增加，尤其是表层增加最明显，而后期追肥效果不明显，主要是西瓜生物量大，对养分的需求量也比较大。

从0～80 cm 土壤硝态氮累积总量来看（图4），生育期内追施化肥对土壤氮素累积影响显著，施肥后氮素累积量明显增加。第一次收获前各处理硝态氮累积总量总体表现为T5>T4>T2>T3>T1，之后表现为T5>T4≈T2>T1>T3。T5 处理有机肥施用量最高，因此氮素累积量也最高，生长后期T3 处理土壤中氮累积量较低，可能是因为西瓜的吸氮量较高。而在第一次收获期间，T2 和T1 处理的土壤硝态氮累积量高于其它处理，这可能是由于T2 和T1 处理的西瓜吸氮量较低所致（图2）。

表4 不同有机肥处理的农田水分和有机氮利用效率Table 4 Water and organic nitrogen use efficiencies of watermelon under different treatments

2.4 不同有机肥用量对水氮利用效率的影响

各处理的水分利用效率（WUE）测定结果见表4。5个处理中，T3 处理的WUE最高。WUE的大小顺序为T3>T5>T2>T4>T1。具体表现为鸡粪施用量从T1 水平增加到T3 水平时，WUE逐渐升高，继续增加到T4 和T5 水平时，两处理的WUE反而都比T3 处理低，说明相比单施化肥，适宜的有机肥用量配施化肥可以提高西瓜的WUE。

从表4 可以看出，不同有机肥用量下有机氮的农学利用率范围为11.3～38.5 kg/kg，其大小顺序为T3>T2>T5>T4。其中T3 处理的有机氮的农学利用率最高。不同处理有机氮的吸收利用率为2.51%～6.69%，其大小顺序为T3>T4>T2>T5，T3 处理有机氮的吸收利用率是最高的。

3 讨论

3.1 不同有机肥用量对西瓜产量和氮磷钾吸收量的影响

本研究中各处理西瓜三次单产和总产大小顺序为T3>T5>T2>T4>T1，其中T1 处理的三次单产和总产量最低，说明增施有机肥比单施化肥有利于提高西瓜产量。T3 处理的三次单产和总产量均为最高，说明在一定范围内西瓜产量会随着有机肥用量的增加而增加，超过一定范围后，增施有机肥反而会导致产量降低，这与要晓玮等[15]的研究结果一致。由于有机肥施用量过高，土壤中含有的养分含量超过了西瓜生长所需，导致作物营养生长过旺，不利于生殖生长，同时有机肥施用过量也会增加土壤中致病微生物量，致使西瓜病虫害较严重，导致减产[16]。Dawe 等[17]分析了亚洲25 个长期定位试验，结果指出现有的长期定位试验设计可能高估了有机肥对作物的增产作用，有机肥不能替代化肥，只能作为推荐化肥用量基础上的一种补充施肥措施。因此，提高产量不应该无限制地增加有机肥用量，更应该注意有机、无机肥的配比。本研究拟合得到西瓜产量最大值为98 600 kg/hm2时，所需鸡粪的最佳施用量为59 000 kg/hm2；但实际测定的最高产量为106 400 kg/hm2，此时鸡粪施用量为75 000 kg/hm2，因此鸡粪合理的施用量应为59 000～75 000 kg/hm2。本试验设计时设定各处理化肥用量相同，仅施用不同量的有机肥，因此最佳的有机无机配施比例还有待于进一步的研究验证。

一些研究表明，西瓜在整个生育期中对氮磷钾的吸收量表现为钾素吸收最多，氮素次之，磷素最少[18-19]。本研究中，各处理西瓜对氮钾的吸收量要远大于磷素吸收量，这与上述研究结果是一致的。有研究表明西瓜产量与吸氮量呈正相关[19-20]。本研究也发现，西瓜氮磷钾总吸收量随鸡粪施用量的增加呈现增加的趋势，吸氮量对西瓜产量贡献率较大，吸氮量越高，西瓜产量越高。而西瓜产量与其磷钾吸收量的关系不太明显，这主要是因为氮素是西瓜生长所需最多的元素[21]，且移动性强和损失量大，而本研究中磷钾的施用量远大于西瓜生育期的需要量，故不存在缺磷缺钾的情况。

3.2 不同有机肥用量对土壤硝酸盐累积的影响

化肥或有机肥施用过量都会造成土壤NO3--N 的大量累积[22]，一般认为畜禽粪便更容易造成矿质氮的累积[23]。本研究中不同处理土壤硝态氮含量均表现为从表层到深层逐渐递减的趋势，这是由于各处理化肥施用量完全相同，而有机肥用量不同，加上有机肥移动性差，主要在表层进行矿化的特点，因此增施有机肥对表层硝态氮的影响较大，对下层影响较小。大量研究结果表明，施用等量氮条件下，作物吸氮量高，可明显降低土壤剖面中NO3--N的累积[24-28]。但是施入土壤中的有机肥越多会使土壤表层的硝态氮累积越多，可能会加大表层硝态氮向下层土壤迁移的风险[29]。从不同处理0～80 cm 土壤硝态氮累积总量在西瓜生育期内的动态变化来看，生育期内追施化肥对土壤硝态氮累积影响大，施肥后硝态氮累积量明显增加；其中T3 处理土壤表层的硝态氮累积量最低，T4 处理的较高，T2 和T5 最高，这是因为T3 处理下的西瓜产量最高，西瓜吸氮量也最高，致使土壤中硝态氮累积量最低。

3.3 不同有机肥用量对土壤水氮利用效率的影响

从WUE来看，有机无机配施的T2～T5 处理的WUE率均高于单施化肥的T1 处理，有研究表明，施用有机肥可以明显改善土壤结构、提高土壤总孔隙度，提高土壤蓄水持水能力[30]，说明适宜的有机肥用量结合化肥可以提高土壤的WUE。

有研究表明鸡粪施用过量会明显降低氮素收获指数与生理利用效率以及氮肥的农学利用率和回收率[31]。本研究中不同处理下有机氮的农学利用率和吸收利用率均以T3 处理最高，这与上述结果一致。另外，本研究中各处理有机氮吸收利用普遍偏低，这是由于有机氮当季矿化不完全，养分释放慢，而化肥施用量较高，导致西瓜吸收化肥氮多一些。

本研究仅仅考虑了有机肥用量的不同，没有考虑化肥用量，下一步将针对有机肥用量相对合理的T3 处理（75 000 kg/hm2），进一步设置不同化肥用量的试验，从而得到该地区适宜的有机无机配施比例。另外，本研究发现，增施有机肥明显提高了土壤蓄水保肥能力，但未测定土壤结构性指标，下一步研究中需考虑土壤结构的变化对水氮利用效率的影响。

4 结论

在一定范围内西瓜产量随有机肥用量的增加而增加，但超过一定范围后，产量反而下降。西瓜总产量与吸氮量呈正相关，而与吸磷和吸钾量的关系不明显。吸氮量越高，西瓜产量越高，说明氮素对西瓜产量的贡献较大。各处理土壤硝态氮累积量均表现为从表层到深层呈逐渐递减的趋势，其中施用有机肥的处理，硝态氮主要累积在表层土壤。

有机无机配施处理的水分利用效率均高于单施化肥的T1 处理，可见，适量的有机肥配施化肥可以提高水分利用效率。此外，T3 处理有机氮的农学利用率和吸收利用率均高于其他处理。综合考虑西瓜产量、土壤硝态氮累积量、农田水分利用效率和有机氮利用效率，T3 处理（鸡粪用量为75 000 kg/hm2）在5 个处理中均是最佳的，可以在该地区推广应用。