甘蓝—二月兰轮作模式下化肥减施对甘蓝产量和经济效益的影响

冯伟，胡文娟，刘振宇，智健飞，谢楠，高玉霞，刘雅祯*，刘忠宽*

（1.河北省农林科学院农业资源环境研究所/河北省肥料工程技术研究中心，河北 石家庄 050051；2.张家口市崇礼区农业农村局，河北 张家口 076350）

农业面源污染，又称农业非点源污染，指在农业生产活动中，污染物在降水和径流冲刷作用下，通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏，进入河流、湖泊、水库、海湾等水体而引起的污染。农业生产和生活活动引起的农业面源污染，已成为水环境污染最重要的来源[1]。资料显示，中国受农业面源污染影响的耕地面积有近2 000万hm2，过量使用化肥是造成农田面源污染的主要原因[1，2]。2015年我国农田化肥总施用量达6 022.6万t；单位面积施用量为490 kg/hm2，远远高于发达国家的安全施用标准（225 kg/hm2）[3]。究其原因是我国化肥利用率仅30%～40%，大量剩余的化肥被淋洗或通过径流损失，平均每年流失的氮肥量达170万t[4]以上。因此，加强农业面源污染防治技术研究已迫在眉睫。

绿肥为清洁的有机肥源，是我国传统农业的精华，也是生态农业的重要组成部分，具有提高土壤肥力、改善土壤环境质量、防止水土流失、抑制扬尘和杂草、改善生态环境的功能，对种植业结构调整、农业面源污染削减、农田生态环境改善、耕地用养结合、农产品提质增效等具有独特且有效的作用[5，6]。水为人类生存和发展的重要资源，保护水资源免受污染是当前面临的一个巨大挑战[7，8]。张家口地区是京津冀重要的水源涵养区，也是错季蔬菜的主要生产区[9，10]，2017年全市蔬菜种植面积为10.31万hm2，产量达570.31万t，每年向北京供应错季蔬菜约200万t[11，12]。崇礼区主要错季蔬菜为甘蓝、花椰菜和架豆，因多年蔬菜种植中施肥以化肥为主，土壤生态环境有恶化趋势，对下游官厅水库的水质具有重要影响[11]。轮作休耕制度是探索藏粮于地、藏粮于技的具体实现途径，对推动我国农业绿色发展意义重大。蔬菜轮作可以提高土壤细菌群落多样性和微生物多样性，有利于发挥改良土壤营养循环和防治土壤病虫害的作用[13]。刘玉华等[14]利用土地当量比对不同种植方式的土地利用效率进行评价，结果显示，轮作的土地利用效率较单作提高21%。当前绿肥应用的主要目的是在主作物生长周期下，将绿肥纳入现有种植制度，实现绿肥与主作物合理搭配以及在主作物—绿肥模式基础上重建施肥结构和方式，充分发挥绿肥的生态和经济功能。二月兰具有抗寒、抗旱的优良特性，是我国北方地区很好的冬季绿肥。将二月兰纳入崇礼甘蓝种植模式，建立良好的农业生态系统，对张家口错季蔬菜绿色生产模式创建、减轻露地菜田土壤养分流失、削减潜在土壤面源污染等非常必要。

在进入受纳水域前，源头和过程控制可以将大部分氮和磷从农业径流中清除，从而降低源头的排放和污染负荷[15]。目前张家口地区错季蔬菜技术措施主要有农艺措施[16～18]和品种筛选[19]等，但鲜有与绿肥搭配种植的报道。通过化肥减施和二月兰嵌入单季甘蓝种植模式，探索甘蓝—二月兰轮作模式下化肥减施对甘蓝产量、土壤养分含量和种植经济效益的影响，以期建立张家口地区错季蔬菜—冬绿肥轮作模式下的优化施肥技术，为降低或减缓常年连作的露地菜田面源污染风险提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年7月～2019年8月在张家口市崇礼区白旗乡上窝铺村进行。张家口市崇礼区属温带大陆性气候，土壤类型为次生黄土淡栗钙土，多年平均降水量为387 mm，是张家口地区降水最多的区域[10]。试验前，0～20 cm基础土壤（foundation soil，FT）的养分含量为有机质31.99 g/kg、碱解氮177.27 mg/kg、速效磷191.28 mg/kg、速效钾203.24 mg/kg。

1.2 试验材料

甘蓝品种为中甘15，株行距均为35 cm。二月兰种子由河北桑梓农业科技有限公司提供。化肥种类有磷酸二铵（N含量18%、P2O5含量46%，美国嘉吉磷肥工业集团有限公司生产）和尿素（N含量46%，内蒙古鄂尔多斯化学工业有限公司生产）。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 2017年开始进行露地环境下错季蔬菜（甘蓝）与冬绿肥（二月兰）轮作模式替代一年一季错季蔬菜（甘蓝）模式的试验，主要时间节点为2017年7月28日播种二月兰—2018年6月1日二月兰粉碎还田（还田量17.5 t/hm2）—2018年6月7日定植甘蓝幼苗—2018年7月31日收获甘蓝—2018年8月3日播种二月兰—2019年5月30日二月兰粉碎还田（还田量17.5 t/hm2）—2019年6月5日定植甘蓝幼苗—2019年8月2日收获甘蓝。

试验设6个处理（表1），小区面积20 m2，采用随机区组排列，3次重复。施肥量基准为当地农民传统施肥量，磷酸二铵作为底肥一次性施入，旋耕深度15 cm。6月初选健壮甘蓝幼苗移栽至大田，株距33 cm、行距35 cm，种植密度86 625株/hm2，之后浇缓苗水900 m3/hm2；15 d后再浇水1次，浇水量900 m3/hm2，并一次性追施尿素；其他田间管理措施同当地常规。甘蓝收获后立即行播二月兰，行距20 cm，播种量30 kg/hm2，播种深度1～2 cm，播后及时镇压；翌年5月底粉碎还田。

表1 试验设计的不同处理及其化肥施用量Table 1 Experimental treatments and fertilization amounts

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 甘蓝产量。7月底至8月初分批次全小区收获甘蓝，用1/10天平现场称量商品产量。折算为单位面积产量。

1.3.2.2 土壤养分含量。2019年5月30日二月兰粉碎还田前，取土壤样品测定养分含量。其中，有机质含量测定采用重铬酸钾容量法-外加热法；碱解氮含量测定采用1 mol/L NaOH扩散法；有效磷含量测定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；速效钾含量测定采用火焰光度计法[21]。

1.3.2.3 植株养分含量。分别于2018年和2019年的5月底，每小区选长势均匀的二月兰1 m2，贴地面刈割，用1/10天平称量地上部鲜重；取0.25 m2称量鲜重，105℃杀青后80℃烘干至恒重，称量干重。植株样品经H2SO4-H2O2消煮，采用凯式定氮仪测定全氮含量；采用钒钼黄比色法测定全磷含量；采用火焰光度法测定全钾含量[20]。

1.3.2.4 经济效益指标。根据公式，计算得到甘蓝—二月兰轮作模式的各经济效益指标：

肥料成本（元/hm2）=肥料施用量（t/hm2）×单价（元/t）

机械成本（元/hm2）=二月兰播种成本＋甘蓝整地成本

其他费用（元/hm2）=绿肥种子费用＋甘蓝种子费用＋育秧成本＋人工费用＋水电费用

总投入（元/hm2）=肥料成本＋机械成本＋其他费用

甘蓝收益（元/hm2）＝甘蓝产量（t/hm2）×甘蓝价格（元/t）

二月兰养分价值（元/hm2）＝生物量干重（t/hm2）×植株N含量（mg/kg）×尿素单价（元/kg）/（0.46×106）+生物量干重（t/hm2）×植株P2O5含量（mg/kg）×过磷酸钙单价（元/kg）/（0.12×106）＋生物量干重（t/hm2）×植株K2O含量（mg/kg）×硫酸钾单价（元/kg）/（0.50×106）＋生物量干重（t/hm2）×植株有机碳含量（g/kg）×1.724×有机肥单价（元/kg）/1 000

总收益（元/hm2）=甘蓝收益＋二月兰养分价值

经济效益（元/hm2）＝总收益-总投入

产投比＝总收益/总投入

二月兰养分蓄积量（kg/hm2）＝二月兰鲜草产量（kg/hm2）×干鲜比×植株养分（mg/kg）×10-6

二月兰蓄水价值＝［地上部鲜重（t/hm2）×地上部含水量（%）＋地下部鲜重（t/hm2）×地下部含水量（%）］×水资源单价（元/t）[22]

1.3.3 数据处理与分析 利用Excel 2007软件对试验数据进行处理分析，利用SPSS 17.0软件采用Tukey法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 甘蓝—二月兰轮作模式下化肥减施对甘蓝产量的影响

与CK相比，GM＋100%处理的甘蓝产量提高了6.37%，GM＋90%和GM＋80%处理的甘蓝产量分别降低了3.48%和6.07%，但差异均不显著；GM＋70%处理的甘蓝产量降低了18.81%，差异达显著水平；GM处理的甘蓝产量降低了60.45%，差异达极显著水平（表2）。说明二月兰嵌入甘蓝单季农作制度后，与传统施肥相比，化肥减施量不超过20%不会造成甘蓝产量显著降低；不施化肥会导致甘蓝产量剧减，二月兰全部替代化肥不可行。

表2 不同处理对甘蓝产量的影响Table 2 Effects of different treatments on the yield of cabbage

2.2 甘蓝—二月兰轮作模式下化肥减施对土壤养分含量的影响

与基础土壤（FT）相比，只施用化肥的传统施肥（TF100%）处理对土壤有机质、碱解氮、有效磷和有效钾含量影响均不大（图1～4）。二月兰嵌入甘蓝单季农作制度后，不同化肥施用量处理的土壤有机质含量均＞FT，增幅为0.77%～10.97%，这可能与二月兰还田后土壤有机碳含量增加有关，其中GM＋90%、GM＋80%和GM＋70%处理效果明显；碱解氮、有效磷和有效钾含量均显著＜FT，降幅分别为6.03%～11.48%、13.98%～48.13%和9.36%～20.82%。

与CK相比，二月兰嵌入甘蓝单季农作制度后，土壤有机质含量增加，碱解氮、有效磷和有效钾含量降低，但不同化肥量处理的效果存在较大差异。GM＋100%、GM＋90%、GM＋80%、GM＋70%和GM处理下，土壤有机质含量分别较CK增加了5.34%、9.13%、10.12%、9.54%和2.05%，其中GM＋90%、GM＋80%和GM＋70%处理指标值较高，三者差异不显著，但均显著＞CK；土壤碱解氮含量分别较CK降低了10.49%、6.89%、5.28%、4.98%和7.94%，指标值除GM＋100%处理显著＜CK外，其他处理与CK差异均不显著；土壤有效磷含量分别较CK降低了44.52%、35.99%、33.98%、7.99%和36.70%，指标值除GM＋70%处理与CK差异不显著外，其他处理均显著＜CK；土壤速效钾含量分别较CK降低了11.47%、11.47%、10.36%、7.22%和18.95%，差异均达到显著水平，其中GM＋100%、GM＋90%和GM＋80%处理指标值较低，三者差异不显著，且均与指标值最低（GM）处理差异也不显著。总体来看，二月兰嵌入甘蓝单季农作制度后化肥减施10%和20%效果较好，与传统施肥相比，可在有效提高土壤有机质含量的同时，明显降低土壤有效磷和速效钾含量，其中化肥减施20%较为经济。

图1 不同处理的土壤有机质含量Fig.1 Effects of different treatments on soil organic matter content

图2 不同处理的土壤碱解氮含量Fig.2 Effects of different treatments on soil alkaline hydrolytic nitrogen content

图3 不同处理的土壤有效磷含量Fig.3 Effects of different treatments on soil available phosphorus content

图4 不同处理的土壤速效钾含量Fig.4 Effects of different treatments on soil available potassium content

2.3 甘蓝—二月兰轮作模式下化肥减施对甘蓝经济效益的影响

与CK相比，二月兰嵌入甘蓝单季农作制度后，折合化肥、蓄水、有机质的收益分别为1 644、14.65和2 353.26元/hm2，3项合计生态收益达到4 011.91元/hm2；扣除增加的机械投入900元/hm2、二月兰种子投入750元/hm2后，二月兰种植收益为2 361.91元/hm2。说明种植二月兰可明显提高生态收益。

二月兰嵌入甘蓝单季农作制度后，不同化肥量处理的甘蓝收益差异较大，最终经济效益差异极显著（表3）。GM＋100%处理的甘蓝收益最高，加上二月兰的养分和水分效益后，最终经济效益最高且与其他处理差异均达到了极显著水平，较CK增加了4 908.89元/hm2，增幅为25.40%；产投比达到2.09，较CK增加了0.15。化肥减施后甘蓝的收益均＜CK，但加上二月兰生态收益后，不同化肥施用量处理的经济效益较CK增减不一，其中，GM＋90%和GM＋80%的经济效益略＞CK，分别增加了1 270.03和530.95元/hm2，增幅分别为6.57%和2.75%；GM＋70%和GM处理的经济效益极显著＜CK，降幅分别为22.04%和97.32%。可以看出，甘蓝季减施化肥20%是可行的。

3 结论与讨论

研究显示，露地蔬菜施肥量是粮食作物的2.5倍[24]；因施肥过量而未被蔬菜吸收的多余养分，在灌溉和降水过程中容易随农业径流进入受纳水体（江、河、湖、海）或残留在土壤中，进而引起土壤面源污染等[25～28]。连年耕作后露地菜田的NO3-、SO42-、Cl-等累积也会造成土壤生理障碍，进而影响蔬菜对Ca、Mg的吸收，造成蔬菜营养失衡甚至单盐毒害[29，30]。目前张家口市崇礼区错季蔬菜农田养分基础值等级为Ⅰ级（极高）或Ⅱ级（高），与第2次土壤普查时的土壤养分分级标准[31]相比存在面源污染的潜在风险。

表3 不同处理对甘蓝经济效益的影响Table 3 Effects of different treatments on economic benefit of cabbage

贵州省因大量施用化肥和农药而导致的面源污染区，通过豆类作物或绿肥轮作措施减少化肥和农药施用，避免了同一作物或同一类型作物长期连作而导致的土壤质量下降问题[32]。江西省在冬季种植紫云英的早稻田上每翻压1 000 kg鲜草减少化学氮肥（纯氮）施用量2 kg，再结合稻草还田，实现了提高水稻产量、改土培肥、降低农业面源污染等目标[33]。Gustafson等[34]研究表明，主作物生长季之后种植一季填闲作物，可使土壤积累态硝态氮淋溶降低75%。二月兰具有良好的抗逆性，植株盛花期氮、磷、钾养分含量高，与一年一季农作物具有较好的茬口衔接，是冬闲田优良的绿肥作物。本研究结果表明，实施二月兰—甘蓝轮作模式后下茬甘蓝化肥用量较传统施肥量减施10%和20%，甘蓝产量与传统施肥相比差异不显著，且土壤有机质分别提高了9.13%和10.12%，碱解氮含量分别下降了6.89%和5.28%，有效磷含量分别下降了35.99%和33.98%，速效钾含量分别下降了11.47%和10.36%。彭亚静等[35]研究发现，在黄瓜田中种植甜玉米、苋菜和甜高粱3种田闲作物，甜玉米的生物量和吸氮量最大，3 a累积削减0～200 cm土层NO3--N 815.8 kg/hm2，且对下茬黄瓜产量未造成显著影响；甜玉米还为农民带来39 467元/hm2的净收入。本研究中二月兰嵌入甘蓝单季农作制度后，GM＋90%和GM＋80%处理的甘蓝收入虽然较TF100%处理分别降低了1 386.62和2 420.46元/hm2，但加上二月兰的植株养分、水分和有机质价值后，总收入较TF100%处理分别增加了2 625.29和1 591.45元/hm2，最终经济效益分别提高了1 270.04和530.94元/hm2。因此，从生产、生态和经济3个方面综合考虑，采用甘蓝—二月兰轮作模式，在二月兰还田量17.5 t/hm2条件下，甘蓝季化肥施用量较传统施肥量减少20%是可行的。北京市农田总服务价值为120亿元，其中生态服务价值为90亿元，是产品价值的3倍[36]；河北省黑龙港地区不同作物扣除负效益后综合服务功能总价值为25.18×109元，其中生态服务功能价值与提供产品功能价值基本相当[22]。在冬绿肥（二月兰、毛叶苕子）—春玉米农田生态系统中，生态效益占总服务功能价值的79.70%～80.08%，约为直接经济效益的4倍[37]。崇礼区为张家口市草原天路景区的必经之地，二月兰花色艳丽、盛花期长，有规划、成规模地种植二月兰对提升甘蓝栽培区的观光、蜂蜜产业、农家乐等生态附属产业价值意义重大。