有机肥替代氮肥及节水对设施番茄和辣椒菜田氮淋溶的影响

骆晓声，吕宏伟，寇长林*

（1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2.新野县农村能源站，河南 新野 473500）

中国是世界上蔬菜种植大国，播种面积和产量均居世界第一位。随着社会经济的发展，设施蔬菜种植模式发展迅速，中国设施蔬菜种植面积超386.7万hm2，产值占蔬菜总产值的一半以上［1］。设施蔬菜种植追求高产量、高效益，农户过量氮肥投入的现象较为普遍，如在北京郊区菜田年氮肥投入量可达1700 kg/hm2［2］。高量的氮肥投入及不合理的灌溉导致设施菜田高氮素淋失，使氮肥利用率大大降低［3］。氮素的淋溶导致地下水硝酸盐浓度超标，威胁居民身体健康［4-5］。有机肥以农业废弃物为主，含有各种营养元素，有机肥施用对于提高作物产量和品质有积极意义［6-7］。有机肥替代化学氮肥能够降低农田硝态氮的淋溶［8-9］。设施菜田水分管理对硝态氮淋溶有较大影响，通过节水灌溉可以降低氮素淋溶［10-11］。因此，在设施蔬菜种植区，开展菜田有机肥替代氮肥及节水灌溉，是降低菜田氮素淋溶的有效手段。

番茄和辣椒是人民生活较为常用的蔬菜消费品，也是中国设施栽培的主要作物类型，其在生产中存在的施肥不合理现象较为普遍［12］。通过水肥管理降低番茄和辣椒种植产生的氮素淋溶对于缓解菜区农业面源污染具有重要意义。本研究通过有机肥替代氮肥及滴灌条件下的节水，研究设施番茄和辣椒农田氮素的淋溶特征及蔬菜产量变化，以期为设施番茄和辣椒的氮肥优化管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验点位于河南省新野县城郊乡郭湖村。试验大棚为连栋温室大棚，棚龄为6年。试验地土壤类型为黄褐土。土壤基础理化性状为：有机质14.5 g/kg，全氮0.77 g/kg，硝态氮58.4 mg/kg，全磷0.54 g/kg，有效磷54.5 mg/kg，速效钾192.7 mg/kg，pH值6.8。试验区属北亚热带大陆性季风气候，年平均气温15.1℃；年平均降水量721.0 mm。

1.2 试验设计

试验设置3个处理，分别为纯施化肥氮（HF），有机肥替代化肥氮40%（TDN），有机肥替代化肥氮40%+节水30%（TDN+JS）。每个处理3个重复，小区面积40 m2。HF处理番茄季氮磷钾（N、P2O5、K2O）养分投入量分别为378、336、564 kg/hm2；辣椒季氮磷钾（N、P2O5、K2O）养分投入量分别为342、321、435 kg/hm2。不同处理具体施肥量见表1。番茄季和辣椒季的氮肥均分为基肥和追肥施用，基肥均施用N∶P2O5∶K2O=17∶17∶17的复合肥1800 kg/hm2，折合氮磷钾养分分别为306、306、306 kg/hm2。追肥为N∶P2O5∶K2O=12∶5∶43的复合肥，番茄季追肥4次，每次150 kg/hm2；辣椒季追肥2次，每次150 kg/hm2。TDN处理及TDN+JS处理番茄季和辣椒季有机肥氮均替代HF处理当季总化肥氮的40%。TDN和TDN+JS处理追肥方法和HF处理一致。有机肥为猪粪，氮、磷、钾（N、P2O5、K2O）养分含量分别为2.13%、1.37%、0.96%，含水量为35.8%。番茄季有机肥施入量为11.0 t/hm2；辣椒季有机肥施入量为10.0 t/hm2。2017年番茄季和辣椒季基肥施用日期分别为2月25日和7月26日，追肥 日 期 为6月12日、6月20日、7月2日、7月17日、8月10日、9月23日。2018年番茄季和辣椒季基肥施用日期分别为3月5日和7月26日，追肥日期为5月25日、6月10日、6月20日、7月3日、8月17日、9月19日。番茄品种为欧蓝德，辣椒品种为优选国宝。2017年番茄3月4日移栽，7月12日清茬；辣椒7月20日种植，12月23日清茬。2018年番茄3月20日移栽，7月20日清茬；辣椒8月11日移栽，12月18日清茬。行距为0.63 m，株距为0.3 m。灌溉方式为滴灌，HF、TDN处理番茄、辣椒2017年灌水量分别为124.9、148.5 mm，2018年分别为156.6、152.0 mm，节水灌溉处理灌水量减少30%。

表1 不同处理番茄季和辣椒季施肥量 （kg/hm2）

1.3 样品采集及分析

淋溶水的采集采用田间渗漏池装置，渗漏池深0.9 m。每次灌溉后试采集淋溶水样品。番茄和辣椒的产量采用每个小区标记10株，每次收获称重并记录产量。淋溶水总氮、可溶性总氮的测定采用碱性过硫酸钾消解、紫外分光光度法；NO3--N的测定采用离子色谱法；铵态氮的测定采用靛酚蓝比色法。

1.4 氮淋溶量计算及数据处理分析

氮淋溶量由小区产流体积乘以淋溶液氮浓度获得。数据作图用Sigmaplot 10.0完成，数据显著性检验采用SPSS 13.0软件分析完成。图表中显著性差异为不同处理之间的比较，不同字母代表差异达5%显著水平。

2 结果与分析

2.1 不同处理番茄和辣椒季土壤淋溶液硝态氮浓度

2017年监测期，番茄季土壤淋溶液硝态氮浓度为191.3～202.4 mg/L，不同处理之间没有显著差异（表2）。辣椒季土壤淋溶液硝态氮浓度为70.4～97.3 mg/L，TDN+JS和TDN处理分别比HF处理显著降低27.6%和25.9%（P<0.05）。2018年度番茄季TDN+JS和TDN处理土壤淋溶液硝态氮浓度分别比HF降低3.1%和6.4%。辣椒季TDN+JS和TDN处理淋溶液硝态氮浓度分别比HF处理降低7.1%和9.1%。番茄季土壤淋溶液硝态氮浓度明显高于辣椒季。

表2 试验期不同处理淋溶液的硝态氮浓度 （mg/L）

2.2 不同处理番茄和辣椒季硝态氮淋溶量

表3 为试验期间不同蔬菜季硝态氮淋溶量。2017年度，番茄季不同处理硝态氮淋溶量为57.4～63.9 kg/hm2，不同处理之间差异不显著。辣椒季不同处理硝态氮淋溶量为29.7～56.3 kg/hm2，TDN和HF处理硝态氮淋溶量没有显著性差异，TDN+JS处理硝态氮淋溶量比HF处理显著降低47.2%（P<0.05）。2017年度番茄和辣椒季硝态氮总淋溶量为87.1～120.2 kg/hm2。全年TDN+JS处理硝态氮淋溶量比HF处理显著降低27.5%。

表3 不同处理番茄和辣椒季的硝态氮淋溶量 （kg/hm2）

2018年度，番茄季硝态氮淋溶量为70.6～88.6 kg/hm2，TDN+JS处理最低，不同处理之间差异不显著。辣椒季TDN+JS处理硝态氮淋溶量比HF和TDN处理显著降低。综合2个蔬菜季，TDN+JS处理比HF和TDN处理硝态氮淋溶量分别降低24.2%和16.3%。

2.3 不同形态氮素淋溶特征

表4 为2018年各处理土壤淋溶液不同氮形态的淋溶量。不同处理总氮淋溶量为155.2～194.4 kg/hm2，TDN+JS处 理比HF处理显著降低20.2%。可溶性总氮淋溶量为119.8～152.6 kg/hm2，TDN+JS处理比HF和TDN处理显著降低21.5%和13.9%。硝态氮淋溶量占总氮淋溶量的69.1%～73.1%，可溶性总氮占总氮淋溶量的77.2%～79.3%。铵态氮淋溶比率较小，在不同处理中占总氮淋溶比率为0.15%～0.19%。

2.4 不同处理灌水量及灌溉水氮素输入特征

表5 为试验期间每季蔬菜灌溉水量及氮素输入量。监测期间2018年取4次灌溉水样品，硝态氮平均含量为35.9 mg/L，总氮平均含量为38.1 mg/L。根据灌溉水氮的平均含量及灌水量计算灌溉氮输入量。2017年番茄和辣椒季HF和TDN处理灌水量为273.4 mm，TDN+JS处理为191.4 mm。2018年HF和TDN处 理 灌 水 为308.7 mm，TDN+JS处 理 为215.8 mm。2017和2018年不同处理灌溉水年输入总氮量为72.9～117.6 kg/hm2，硝态氮年输入量为68.6～110.7 kg/hm2。

表4 2018年两个蔬菜季不同形态氮淋溶特征

表5 试验期不同处理灌溉水量及氮输入量

2.5 不同处理番茄和辣椒产量

图1 2个年度不同处理番茄和辣椒产量

图1 为2017和2018年度不同处理番茄和辣椒产量。2017年不同处理番茄产量为49.6～50.8 t/hm2，2018年不同处理番茄产量为33.0～33.7 t/hm2，各处理之间差异不显著。2017年不同处理辣椒产量为17.6～18.7 t/hm2，2018年不同处理辣椒产量为19.6～19.8 t/hm2，不同处理辣椒产量没有显著差异。番茄和辣椒的产量表现出年度差异，2018年番茄产量整体降低，而2018年辣椒产量比2017年略有提高。

3 讨论

设施蔬菜种植追求高的产量和经济效益，农户习惯增加水肥投入，从而造成菜田土壤硝态氮残留量高，进而增加淋溶风险［13］。本研究2个年度番茄和辣椒轮作不同处理硝态氮年淋溶量为87.1～141.5 kg/hm2，低于一些设施菜田硝态氮淋溶的研究报道。山东寿光设施蔬菜农田的研究表明，1 m深度土壤淋溶液硝态氮的淋溶量为152.0～347.0 kg/hm2。在江苏宜兴番茄-黄瓜-芹菜轮作模式硝态氮年淋溶量达163.4～249.2 kg/hm2［14-15］。一些蔬菜种植区氮肥长期过量施用，其灌溉水输入的氮素不可忽视，在华北地区较多的研究表明，菜区农村地下灌溉水硝态氮含量较高，山东寿光部分水井灌溉水硝态氮含量最高超200 mg/L［16-17］。试验点灌溉水总氮年输入量为68.6～110.7 kg/hm2，一方面反映了菜区地下水硝态氮污染严重，另一方面，灌溉水中的氮输入增加了菜田氮养分输入，加剧了设施菜田的氮素淋溶，灌溉水氮素养分的输入需要在养分管理中进行考虑。随着设施大棚种植年限的增加，蔬菜大棚土壤硝态氮的累积会不断增加［18-19］，而其硝态氮淋溶量也会不断增加。2018年度硝态氮平均淋溶量比2017年增加21.1%，也初步说明随着种植年限的增加，设施番茄和辣椒菜田硝态氮的淋溶风险会增加。本研究硝态氮淋溶量占总氮淋溶量的69.1%～73.1%，低于习斌等［8］在北京昌平玉米农田的研究结果，两个玉米生长周期不同处理硝态氮占总氮淋溶比率平均分别为89.9%和78.7%。张宏威等［20］研究结果表明，设施菜田土壤0～180 cm可溶性有机氮含量范围为29.1～88.9 mg/kg，占可溶性总氮的27%～50%。高的土壤有机氮含量可能是导致设施菜田土壤硝态氮淋溶比率较低的原因之一。

有机肥含有一定比例的氮素，在高量施用条件下，会增加菜田土壤硝态氮残留及硝态氮淋溶风险［21-22］。有机肥替代化学氮肥能够降低氮素的各种损失，而不同的替代比率对氮损失特征及作物产量也有影响。郝小雨等［9］研究3/4化肥+1/4有机肥设施番茄经济效益最高，有机肥替代氮肥处理硝态氮淋溶量比化肥处理也显著降低。本研究在设施番茄和辣椒季，均用40%有机肥氮替代化肥氮，监测期土壤淋溶液总氮、可溶性总氮、硝态氮、铵态氮淋溶量均有所降低，其中硝态氮淋溶量平均降低11.4%。有机肥替代氮肥处理番茄和辣椒的产量相比于化肥处理，产量没有降低，说明在40%有机替代氮肥条件下，实现了畜禽废弃物的资源化利用及菜田化学氮肥投入的降低。

滴灌施肥可以提高水分和肥料的利用效率，与覆膜结合还可以减少水分蒸发损失，降低温室内湿度和温室蔬菜的病害，提高蔬菜的品质。在滴灌施肥方式下，增加灌水量可以提高黄瓜的株高、叶面积、干物质量和产量［23］。番茄和辣椒在有机替代氮肥基础上，通过滴灌节水30%，氮素淋溶量比化肥处理显著降低，2个年度硝态氮淋溶量平均降低25.9%，说明在本地区设施番茄和辣椒菜田，通过有机肥替代氮肥及适当节水灌溉，能够有效降低菜田氮素淋溶，同时保持蔬菜产量。

4 结论

经过2个年度设施番茄和辣椒菜田的研究表明，不同试验处理硝态氮年淋溶量为87.1～141.5 kg/hm2，硝态氮淋溶量占总氮淋溶量的69.1%～73.1%。通过有机肥替代氮肥40%及滴灌条件下的节水灌溉，2个年度硝态氮淋溶量平均降低25.9%。2个年度不同处理番茄和辣椒的产量没有显著差异，说明有机肥替代氮肥及适当的节水灌溉能有效降低本地区设施番茄和辣椒农田的氮素淋溶。