菜田种养复合系统氮/磷平衡分析*

白娜玲，吕卫光，郑宪清，李双喜，何 宇，张娟琴，张海韵，张翰林**

（1.上海市农业科学院生态环境保护研究所，上海 201403；2.农业农村部上海农业环境与耕地保育科学观测试验站，上海201403；3.上海市农业环境保护监测站，上海 201403；4.上海市设施园艺技术重点实验室，上海 201403；5.上海海洋大学海洋生态与环境学院，上海 201306）

农田生态系统是人类建立的最大限度产出有效产品的生态系统，传统农业的单一生产模式受诸多自然条件限制，从而导致其生产工艺和经济转化效率不断降低。农牧分离、种养分离，导致原本互补的种植业和养殖业均成为环境污染的罪魁祸首。农业面源污染问题主要来源于种植业大量使用化学肥料造成氮（N）、磷（P）流失，养殖业产生并排放大量废尾水。因此，基于立体农业的种养复合生产模式逐步发展起来，并成为提升农业效应和改善生态环境的有效途径[1−2]。

稻田种养模式已在世界范围内得到深入研究和广泛推广，主要有稻鱼、稻虾、稻鸭、稻蟹、稻鳖、稻蛙等，以及在此基础上衍生的其它复合生态种养模式[3]。菜田立体种养模式将原本分离的旱地蔬菜种植、水产动物养殖耦合在同一生态系统中，运用现代生态农业措施，集合发挥各生产因子优势，提高养分及资源利用效率，达到共同促进与效益叠加的效果[4]。以往的菜田种养模式主要指水培蔬菜和水产动物共生，蔬菜只能吸取水中养分，限制了蔬菜种植的种类和生长需求[5]。而水旱共作的菜田种养复合系统，扩大了作物和水产动物选择范围，防涝防旱，增产增收，植物−微生物−水产品生态关系可实现生态循环农业的创新发展[6]。

N、P 养分是农业生态系统物质循环的重要组成部分，明确其循环与平衡特征有利于提高生态系统生产力与稳定性。已有学者针对稻田种养复合模式下的养分循环与平衡状况开展了大量研究。李成芳等[7]指出，稻鸭、稻鱼共作生态系统中鸭和鱼的存在使系统N 输出大于N 输入，加速了土壤有机N 营养周转，显著提高了水稻N 的输出。而佀国涵等[8]发现稻虾共作模式降低了N、P 的输出/输入比，促进了土壤中N、P 累积，但增加了系统表观损失量。因此，种养复合系统的N、P 循环特征可能与具体模式、水产动物、施肥状况等有关[9]。对于菜田种养复合系统而言，干旱与湿润并存的菜−鳝−蚓复合生态系统可提高单位面积产量50%以上，使水灾、病虫害造成的经济损失减少30%以上，实现农业废弃物（如秸秆）的100%回收再利用[10]。水旱共存可通过小气候影响菜田种养复合系统内物理化学反应、植物生长及土壤细菌的结构和丰度[11]。此外，与稻田种养相比，菜田种养复合系统中水产动物生长在沟渠中，对陆地作物的扰动作用相对较小。菜田种养复合系统内的N、P 能量流动规律、养分盈余与损失量是否会有差异，还未见研究报道。因此，本研究通过设置田间试验，研究菜田种养复合系统中N 和P 的输入、输出及平衡状况，以期为菜田种养复合模式下科学合理的生产管理制度提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于上海市崇明岛西部的三星镇（31°4l′15″N，121°54′00″E），具体为西新村菜田种养复合模式长期定位试验田。崇明岛平均海拔4m，属北亚热带季风气候，盛行东南风，温暖湿润，夏季湿热，冬季干冷。年均降水量1003.70mm，降水集中在4−9月，全年无霜期229d，年均气温15.3℃，≥10℃年均积温2559.60℃·d。

1.2 试验设计

菜田复合种养田间试验始于2009年，种植制度为芋艿（崇明香酥芋）−花菜（台松）轮作。花菜种植和收获时间分别为2018年9月5日和2019年3月20日。设置两个处理：（1）菜田种养复合模式（VE）：开沟养水产动物，同时水面上设有诱集灯以诱集飞虫作为水产动物饵料；花菜收获后茎叶取出，根部还田。（2）单一种植模式（对照，CK）：沟中有水，无水产动物；花菜收获后茎叶取出，根部还田。每个处理3 次重复，随机区组设计。

试验田布局见图1。每个处理小区分4 个菜畦，菜畦间水沟上宽为1.50m，下宽为0.50m，沟深为1.00m。小区总面积为 1744.00m2，陆地面积为1440.00m2，水体面积为304.00m2，水体面积占比为17.43%。耕作区深度按0.20m 计算，基本可反映土壤养分状况；底泥和边沟深度分别为0.20m和0.10m。蔬菜生育期内不排水，期间需引水浇灌花菜。花菜整个种植周期需引入灌溉水约40m3，灌溉水来自于就近河水。种植季和收获季水沟中水深分别保持0.70m 和0.50m。

图1 菜田种养复合系统（VE）的田间布局正面(a)和侧面(b)示意图Fig.1 Schematic top(a) and lateral(b) views of the integrated planting and breeding system of the vegetable field(VE)

施肥情况。花菜种植施用N、P（P2O5）和K（K2O）肥分别为309.00、102.00 和102.00kg·hm−2。CK 处理中底肥为375.00kg·hm−2复合肥（17−17−17），返青肥为150.00kg·hm−2尿素，发棵肥为300.00kg·hm−2尿素，花球肥为225.00kg·hm−2复合肥。VE 处理中底肥以等氮量有机肥代替，不足部分用过磷酸钙和硫酸钾补足，其余时期施肥量与CK 处理一致。

水产动物养殖情况。VE 模式中投入水产动物幼苗（螃蟹37.50kg·hm−2、黄鳝 67.50kg·hm−2和鱼45.00kg·hm−2）。水产动物以诱集灯捕获飞虫及水中营养为食物，无需额外投加饲料。花菜收获季时一并捕捞收集。

1.3 样品采集与测定方法

土壤氮磷含量测定。分别于花菜种植前2018年8月28日和花菜收获后2019年4月3日，依据“S”形五点采样法采集耕作区（0.20m）、边沟（0.10m）和底泥（0.20m）土样。按照“四分法”取1kg 土壤于阴凉通风处风干，磨细过筛后置于干燥处保存待测。烘干称重法测定土壤样品含水量。土壤总氮采用凯氏定氮法−自动定氮仪测定，土壤总磷（以P2O5计）采用酸溶−钼锑抗比色法测定。

水体中氮磷含量测定。花菜种植期间取灌溉水水样1L，并分别于花菜种植前2018年8月28日和花菜收获后2019年4月3日在水面下10～20cm 深度取水样1L。水样经预先灼烧称重过的Whatman GF/F 玻璃纤维素膜（0.45μm）过滤，待测。总氮采用过硫酸钾氧化−紫外分光光度计法测定，总磷采用过硫酸钾氧化−钼蓝比色法测定[12]。

产品（包括花菜和水产动物）中氮磷含量测定。收获季节，选择长势良好且一致的花菜5 株（水产动物5 条）用于氮磷含量测定。在花菜成熟期取全株样品，分别测定花球、茎叶、根部的氮磷含量。其中取根方法：以植株为圆心，以0.20m 为半径，挖取深度为0.20m 的柱状土块，保证根的完整性，清洗干净。水产动物则需先饥饿处理使其体内食物消化排泄而成空腹，清洗干净。将植株不同部位和完整的螃蟹/黄鳝/鱼在105℃杀青0.5h 后75℃烘干至恒重，粉碎过筛后采用硫酸−过氧化氢消煮，凯氏定氮法−自动定氮仪测定全氮含量，酸溶−钼锑抗比色法测定全磷含量[13]。烘干称重法测定各样品含水量。花菜和水产动物实收测产。

1.4 指标计算

根据李丹丹等[14]对长三角地区大气N 沉降的研究结果，确定本试验期间N 沉降值为30kg·hm−2。

分析系统氮总量（TN）、磷总量（TP）平衡特征时，背景值为花菜种植前土壤和水体的TN/TP 起始量，现值为花菜收获后土壤和水体的TN/TP 残留量。TN/TP 输入主要是肥料、花菜和水产动物幼苗、灌溉水、大气沉降等，输出主要考虑花菜产量、水产动物产量。

（1）系统TN/TP 总输入量

化肥：施肥量（kg·hm−2）×小区陆地面积（hm2）×N/P 含量（%）。

花菜幼苗：花菜幼苗鲜重（g·株−1）×种植密度（株·hm−2）×小区陆地面积（hm2）×[1−花菜幼苗含水量（%）]×花菜幼苗N/P 含量（g·kg−1）。

水产动物幼苗：幼苗投放量（kg·hm−2）×小区水体面积（hm2）×[1−水产幼苗含水量（%）]×水产幼苗N/P 含量（g·kg−1）。

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

大气沉降：试验期间N 沉降值（kg·hm−2）×小区面积（hm2）。

（2）系统TN/TP 总输出量

花菜：花菜各器官产量（kg·hm−2）×小区陆地面积（hm2）×[1−花菜各器官含水量（%）]×花菜各器官N/P 含量（g·kg−1）。

水产动物：水产动物产量（kg·hm−2）×小区水体面积（hm2）×[1−水产动物含水量（%）]×水产动物N/P 含量（g·kg−1）。

（3）其它指标

土壤TN/TP 截留量：收获季土壤TN/TP 量（kg）−种植前土壤TN/TP 量（kg）。

水体TN/TP 截留量：收获季水体TN/TP 量（kg）−种植前水体TN/TP 量（kg）。

系统TN/TP 盈余量：系统TN/TP 输入（kg）−系统TN/TP 输出（kg）+土壤TN/TP 截留量（kg）+水体TN/TP 截留量（kg）+循环量（kg）[14]。

1.5 统计分析

试验数据采用SPSS 16.0 进行统计分析，应用独立样本t−检验对比分析两组处理间的差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 菜田种养复合系统的氮磷输入量分析

2.1.1 花菜种植前土壤及水样中TN/TP 背景值

花菜种植前分别对VE 和CK 模式耕作区土壤、底泥土壤、边沟土壤和水体样品中氮磷含量进行测定，结果见表1。由表可知，VE 模式土壤TN/TP 总量分别为533.64kg 和537.20kg，CK 模式土壤TN/TP总量分别为551.35kg 和574.63kg，且CK 模式土壤TP 总量显著高于VE 模式（P＜0.05），但不同处理间TN 总量无显著差异。表2为各土壤区基本数据特征，花菜种植前水体深度为0.70m，计算可知水体体积为133.40m3，因此，VE 和CK 模式水体中TN/TP 总量分别为36.02、1.07g 和26.68、0.80g。

表1 花菜种植前种养复合系统（VE）与单一种植系统（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 试验田各土壤区基本数据Table 2 The basic characteristics of each soil region in the vegetable field

2.1.2 花菜种植前系统外TN/TP 输入值

系统外TN/TP 输入主要由施用肥料、作物幼苗和水产动物幼苗、灌溉水、大气沉降等带入。由表3可见，VE 和CK 模式肥料、花菜幼苗、灌溉水、大气沉降等输入量相同。种植花菜施用肥料带入TN/TP总量分别为44.50kg 和14.69kg。花菜种植密度为27000 株·hm−2，幼苗平均单重为5.00g，故花菜幼苗总鲜重为135.00kg·hm−2，因此系统外带入TN 总量为135.00kg·hm−2×1440m2×（1−87.00%）×38.70g·kg−1=97.80g。同理，系统外带入TP 总量为12.26g。花菜整个种植周期需引入灌溉水约为40m3，根据其氮磷含量分别为1.50mg·kg−1和0.20mg·kg−1计算，带入的TN/TP 总量分别为60.00g 和8.00g。本试验田中氮沉降值为5.23kg。

与CK 模式不同，VE 模式还引入了螃蟹、黄鳝和鱼幼苗，系统水体面积为304m2，利用表3中各自氮磷含量，得出水产动物幼苗带入的TN/TP 总量分别为58.98g 和15.47g。因此，VE 模式TN/TP 输入总量分别为49.95kg 和14.73kg，CK 模式TN/TP 输入总量分别为49.89kg 和14.71kg。

表3 花菜种植季种养复合系统（VE）与单一种植系统（CK）TN/TP 含量及输入值Table 3 The TN/TP input in the planting and breeding system(VE) and singly planting system(CK) in cauliflower plantationseason

综上所述，VE 模式系统 TN/TP 背景值为533.68kg 和537.20kg；输入值为49.95kg 和14.73kg。CK 模式系统TN/TP 背景值为551.38kg 和574.63kg；输入值为49.89kg 和14.71kg。花菜种植季，CK 模式TP 背景值高出VE 模式6.95%（P＜0.05），两种模式间TN 背景值、TN/TP 输入总量无显著差异。

2.1.3 系统外TN/TP 输入占比

对于TN 输入而言，化肥输入44.50kg，分别占VE 模式和CK 模式总输入量的89.09%和89.20%。相应地，作物和水产动物幼苗占比较小，仅分别占VE 模式和CK 模式总输入量的0.31%和0.20%。对于TP 输入而言，化肥输入14.69kg，占VE 模式和CK 模式总输入量的99.73%和99.86%。相应地，作物和水产动物幼苗的TP 总量分别占VE 模式和CK模式总输入量的0.19%和0.08%。

2.2 菜田种养复合系统的氮磷输出量分析

2.2.1 花菜收获后土壤及水样中TN/TP 现值

花菜收获后分别对VE 和CK 模式耕作区土壤、底泥土壤、边沟土壤和水体中氮磷含量进行测定（表4）。由表4并结合表2中基本数据特征可知，VE 模式土壤TN/TP 总量分别为404.24kg 和520.73kg；而CK 模式土壤TN/TP 总量分别为386.59、533.71kg。种植季水体深度为0.50m，故其体积为86.56m3，VE和CK 模式水体TN/TP 总量现值分别为56.26、77.90g和54.53、48.47g。

表4 花菜收获季种养复合系统（VE）与单一种植系统（CK）土壤和水体中TN/TP 现值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 系统向外界TN/TP 输出值

系统向外界TN/TP 输出值包括花菜和水产动物所输出的TN/TP 量（表5）。按菜地面积1440m2计算，VE 模式中花球、茎叶输出TN 总量分别为12.63、20.42kg，TP 分别为1.96、3.71kg；CK 模式中花球、茎叶输出TN/TP 总量分别为12.74、20.56kg 和1.97、3.74kg。根部全量还田，参与系统养分循环，VE 模式和CK 模式根部TN/TP 总量分别为2.78、0.83kg和2.83、0.84kg。

表5 花菜收获季种养复合系统（VE）与单一种植系统（CK）产量及TN/TP 输出量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 模式引入了水产动物，使得系统的TN 和TP总产出和平衡特征发生改变。VE 模式中螃蟹、黄鳝和鱼的产量分别为187.50、262.50、135.00kg·hm−2；根据水体面积304m2计算，螃蟹输出的TN/TP 分别为92.81g 和32.04g，黄鳝输出的TN/TP 分别为208.20g 和88.62g，鱼输出的TN/TP 分别为115.58g和27.95g。因此，水产动物输出的TN/TP 总量分别为416.59g 和148.61g。

VE 模式系统TN/TP 现值分别为404.30kg 和520.81kg；产出（含根部）总量分别为36.25kg 和6.65kg。CK 模式系统TN/TP 现值分别为386.64kg和533.76kg；产出（含根部）总量分别为36.13kg 和6.55kg。收获季节，两种模式间TN/TP 现值、输出总量均无显著差异。

2.2.3 系统外TN/TP 输出占比

对于TN 输出而言，花菜花球占VE 模式和CK模式总输出量（根部不计入）的37.74%和38.26%。相应地，水产动物占比较小，占VE 模式TN 总输出量的1.24%。对于TP 输出而言，花球占VE 模式和CK模式总输出量（根部不计入）的33.69%和34.50%。相应地，水产动物占比较小，占VE 模式TP 总输出量的2.55%。

2.3 菜田种养复合系统的氮磷平衡分析

2.3.1 水土环境中TN/TP 盈余分析

对于土壤TN/TP 截存量而言，应以收获后与种植前所测数据之差值计算（式8）。VE 模式和CK模式土壤TN/TP 截存量分别为−129.40、−16.47kg 和−164.76、−40.92kg。对于水体TN/TP 截存量而言，应以收获后与种植前所测数据之差计算（式9），因此，VE 模式和CK 模式水体TN/TP 截存量分别为20.24、76.83g 和27.85、47.67g。根据式（10）可得，VE 模式的系统TN/TP 盈余量分别为−110.12kg 和−6.65kg。由表6可知，CK 模式氮磷亏损显著高于VE 模式（P＜0.05），说明VE 模式有助于减少系统TN/TP 损失。

表6 种养复合系统（VE）与单一种植系统（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 菜田种养复合模式TN/TP 平衡特征

VE 模式与CK 模式的差异主要为水产动物的输入与输出。花菜种植前，VE 模式水产动物幼苗的TN输入量为0.06kg；花菜收获后，VE 模式中水产动物TN 输出量为0.42kg。因此，VE 模式中水产动物的生长输出也是系统TN 的重要能量流向。VE 和CK模式系统TN 盈余量分别为−110.12kg 和−145.31kg，即表观损失量分别为110.12kg 和145.31kg，说明两个模式中系统TN 总量均有损失。VE 和CK 模式系统TP 表观损失量分别为6.65kg 和31.03kg，说明两系统中TP 总量均有损失。VE 模式中系统TN/TP 表观损失低于 CK 模式，分别降低了 35.19kg 和24.38kg。

系统TN/TP 的输出/输入比可代表系统表观养分利用情况[8]。VE 模式的TN/TP 输出/输入比分别为67.01%、39.51%，CK 模式分别为66.75%、38.82%，为了维持系统的稳定产出与生态平衡，均需要额外添加N/P，且CK 模式需求比VE 模式多出0.26 个和0.69 个百分点。

3 讨论与结论

3.1 讨论

传统农业以大量施用化肥、农药为特点，由此带来了系列负面效应，例如，土壤板结、面源污染、生物多样性减少及产量不可持续性等问题[15]。近年来，以低污染、低能耗为基础的立体种养复合模式成为重要的生态农业生产模式，有利于系统内生循环，在改善环境、提升农产品品质、提高农业效益等方面优势显著。但有关水旱共作的菜田种养复合系统的养分循环与平衡特征方面的研究报道极少。本研究中，TN/TP 主要输出途径是花球和茎叶部，表明初级生产在该系统N 和P 循环中十分重要。VE模式由于水产动物的存在使其TN/TP 输出均高于CK 模式，水产动物输出的TN/TP 分别为0.42kg 和0.15kg，分别占总输出量的1.25%和2.58%。该模式中的水产动物通过摄食小飞虫、系统中的浮游动物、有机养分、碎屑等，将CK 模式中流失的物质和能量截留并利用，从而提高系统输出量，也有利于系统养分循环[16]。在以往稻田种养系统中也有类似发现，稻鸭共作处理能够维持系统养分平衡，该模式N、P归还率是施用化肥处理的4.5 倍和3.7 倍[17]。孙琳琳等[18]指出，复合种养模式可避免传统养殖模式下由饲料残余引起的水体富营养化；本试验中观测到水体TN/TP 差异不大，有待于后续深入研究。

N、P 养分施入土壤后主要有三种去向，一是被作物吸收利用；二是以不同形态残留在土壤中供下季作物利用；三是损失到大气和水体造成环境污染，包括氨挥发、反硝化、淋溶与径流损失等[19]。营养元素很容易随水流作用（灌溉、降雨等）直渗到地下或侧渗到排水沟内，从而导致N、P 损失引发面源污染[20]。花菜种植季，CK 模式系统土壤TP 背景值显著高于VE 模式（P＜0.05），推测可能由于长期施用化肥导致作物吸收障碍，从而造成P 素积累。本试验中，VE 模式和CK 模式系统TN/TP 盈余量分别为−110.12、−6.65kg 和−145.31、−31.03kg，即在花菜种植季两种模式均有不同程度的TN/TP 表观损失。VE 模式TN/TP 的总输出/总输入比分别为67.01%和39.51%，而CK 模式为66.75%和38.82%，表明系统输入的TN/TP 除被收获的农产品（作物、水产动物）吸收外，仍有部分养分盈余未被吸收利用，剩余氮磷残留于土壤中或通过挥发、渗漏等方式流失[21−22]，同时表明VE 模式的系统养分利用效率高于CK 模式，这与前人研究结果一致[10]。

VE 模式下水产动物的扰动可疏松土壤，增加土壤孔隙度，改善土壤结构，促进养分循环，而CK 模式相对更易使养分流失到沟底（底泥）或者地下水中[11,23]。因此，有必要测定耕作区、底泥、边沟等土壤N、P 含量变化，且取样深度需要细化。本研究中，不同模式下的底泥深度均按0.1m 计算，但实际深度变化可能有一定偏差。VE 模式养殖的黄鳝、螃蟹喜在洞中潜伏，使水产动物产量偏低。此外，其它因素也需考虑，例如，沟中水生植物的生物量未计入，将导致TN/TP 总量输出偏低；0.2m 以下的耕作区也可能存在N、P 含量的波动[24]等。

VE 模式创新性地将旱地种植与水产动物养殖相耦合，扩大了作物和水产选择范围，改善了饲料和化学肥料投入量大，以及系统单一造成的资源浪费、收益低等问题，从而最大限度保护生态环境，实现双赢[9]。该模式能促进资源合理利用[11,25]，提高系统自我稳态与维持力，提升作物品质。此外，VE模式中模仿野生条件养殖黄鳝、螃蟹，养殖密度低、单价高，适合订单贸易[10,26]。计算可得[10]，本试验中VE 模式系统净利润高出传统模式（CK）27650元·hm−2，提高了64.59%，且底泥土壤可根据需求翻到陆地（菜地）中，从而起到肥田提质和减少肥料施用的效果。但前期相关设施（诱集灯、防逃设施）、人工成本、技术知识等投入[27]使得复合生产模式成本较高，可能会降低农民生产积极性。同时，应对花菜及水产动物的安全性指标、品质性状指标、商品性特征等进一步评估与分析。

3.2 结论

养分输入与支出间的平衡状况是表征农田养分管理是否可持续的重要指标。菜田种养复合模式中的系统TN/TP 输出/输入比分别为67.01%和39.51%，均高于非种养单一种植模式的66.75%和38.82%；当前投入水平下，两种模式中系统TN/TP 盈余量均为负，菜田种养复合模式减少了系统N、P 表观损失35.19kg 和24.38kg。两种模式均需投入适量肥料以利于作物产出和系统平衡。