我国主要蔬菜的养分吸收和需求特征

李书田 艾 超 何 萍 张佳佳 崔荣宗 魏建林 串丽敏 李明悦 金崇伟

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2 山东省农业科学院农业资源与环境研究所，山东济南 250100；3 北京市农林科学院，北京 100097；4 天津市农业资源与环境研究所，天津 300192；5 浙江大学环境与资源学院，浙江杭州 310058）

近年来我国蔬菜种植面积和产量不断增加，产量年均增长率约10%，到2016 年蔬菜播种面积约2 313 万hm，总产量8.25 亿t，人均约600 kg，但最近两年蔬菜种植面积和产量略微有缩减（薛亮等，2021）。与粮食作物相比，种植蔬菜收益高，但投入也高，尤其是肥料投入。根据2011—2016年《全国农产品成本收益资料汇编》，蔬菜生产中化肥和农家肥两项投资费用平均占总成本的39%。部分地区和蔬菜上养分的投入较多，甚至过量，尤其是在保护地蔬菜上，施肥过量的问题尤为严重。不能被吸收的大量养分排放到环境中，对生态环境也造成了严重威胁。因此，蔬菜的养分需求、管理和科学施肥对协调我国蔬菜产业经济与环境效益，实现绿色生产和农业可持续发展具有重要性和紧迫性。

我国蔬菜种类繁多，其中2/3 以上是叶菜类、根茎类、茄果类、葱蒜类，分别占蔬菜种植面积的20.8%、16.9%、19.6%和10.9%（中华人民共和国农业部，2012）。而有关不同蔬菜养分吸收和需求特征只是依据个别试验数据报道，鲜见依据大量数据的系统报道。因此，研究叶菜类、根茎类、茄果类、葱蒜类等主要蔬菜，如白菜（以大白菜为主）、萝卜、番茄和大葱的养分吸收与需求特征，对确定典型蔬菜的施肥量和建立蔬菜推荐施肥新方法，以及指导蔬菜主产区肥料的合理分配和施用，提高施肥的经济效益和环境效益具有重要意义。

应用线性-抛物线-平台函数来评估作物产量和养分吸收之间的关系，是在一定季节和气候的潜在产量下估算不同目标产量养分需求的通用方法（Smaling &Janssen，1993）。QUEFTS 模型考虑了氮、磷、钾养分间的交互效应（Janssen et al.，1990），并利用大量养分吸收数据进行估算，避免了用大量数据的平均值或利用有限数据指导施肥带来的偏差。利用QUEFTS 模型拟合产量与养分吸收关系时，在不同潜在产量下拟合的N、P 和K 最佳养分需求曲线存在一定差异，但是不论潜在产量为多少，当目标产量达到潜在产量的一定比例如70%～80%时，产量与养分吸收量呈直线关系，每生产单位经济产量所需吸收的养分是一致的，从而能够得出最佳养分需求量。已有研究利用QUEFTS模型成功估算了玉米、水稻、小麦的最佳养分需求，并成功指导推荐施肥（Pathak et al.，2003；Chuan et al.，2013；Xu et al.，2013；Xu et al.，2015）。本试验利用QUEFTS 模型估算露地白菜、露地萝卜、设施番茄和露地大葱的最佳养分需求，旨在为指导几种主要蔬菜合理施肥提供理论参数。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本试验的数据来源由3 部分组成，一是通过中国知网（CNKI）检索全国范围内2000—2017 年公开发表期刊论文、学术会议论文和学位论文中的白菜、萝卜、设施番茄、大葱的产量和养分吸收数据；二是国际植物营养研究所中国项目未公开发表的田间试验数据；三是为弥补文献和前期试验数据不足，于2016—2018 年在主产区进行实地采样和实验室分析，获得4 种蔬菜的最新产量和养分吸收数据。实地采样方法：在露地白菜、露地萝卜、设施番茄、露地大葱主要种植区进行调查和采样，测定蔬菜产量，并采集蔬菜样品，根据食用和非食用的标准，利用四分法分别采取经济和非经济部分的样品，称取鲜质量，装在塑料袋中封口，带回实验室，105 ℃杀青0.5 h，65 ℃烘干至恒重，称量干质量，计算收获指数和含水量。取部分烘干样品粉碎，采用浓HSO-HO消煮后蒸馏定氮法测定全氮含量，用钒钼黄比色法测定全磷含量，用火焰光度法测定全钾含量（中国土壤学会农业化学专业委员会，1983）。白菜采样在北京、天津、辽宁、河北、河南、山东、陕西、浙江、江西进行，共75 个样品；萝卜采样在北京、天津、河北、山东、浙江、江西进行，共67 个样品；设施番茄采样在北京、天津、山东、浙江进行，共60 个样品；大葱采样在北京、天津、山东、河北进行，共47 个样品。

1.2 计算方法

①养分内效率（IE），即蔬菜吸收单位养分所能生产的经济产量。IE=EY/NU，EY 为蔬菜的经济产量，NU 为蔬菜吸收的养分总量。

②单位经济产量（RIE），通常为生产1 000 kg或1 t 蔬菜所需吸收的养分量，为养分内效率IE 的倒数。

③QUEFTS 模型。QUEFTS 模型假定目标产量为潜在产量的50%～80%时单位产量所需吸收的养分量不变。因此模型在选择数据时只选择作物生长和产量受N、P、K 养分影响而不受其他因素如病虫、旱涝等影响的数据。本试验所用的文献数据和前期试验数据都是在可控条件下获得，实地采样也是选择生长良好，无病虫害和旱涝等外界影响的菜地，因此受养分以外的其他因素影响较小。QUEFTS 模型修正中萝卜和设施番茄去除收获指数小于0.4 kg·kg的产量和养分吸收量数据（Zhang et al.，2019），白菜和大葱去除小于2.5分位和大于97.5分位的产量和养分吸收量数值（Pathak et al.，2003）。

据QUEFTS 模型分析蔬菜收获物产量和养分吸收之间的关系，结合Microsoft Office Excel 中的规划求解（Solver）过程，模拟分析养分最大积累边界（YA）和养分最大稀释边界（YD），求解出不同潜在产量下一定目标产量的最佳养分吸收量，得出不同的潜在产量下N、P、K 最佳吸收曲线（YU），估算单位蔬菜产量的最佳养分需求量。

2 结果与分析

2.1 露地白菜N、P、K 养分吸收特征与最佳养分需求

2.1.1 露地白菜养分吸收特征 露地栽培白菜产量变异范围较大，从0.9～200.0 t·hm不等，平均产量为84.3 t·hm（=2 758）；含水量89.1%～98.7%，平均为94.8%；干质量在0.1～12.0 t·hm之间，平均为5.9 t·hm；收获指数（经济产量干质量/地上部产量干质量）0.27～1.00 kg·kg，平均为0.77 kg·kg。白菜地上部N、P、K养分累积量平均为176.4、33.6、208.4 kg·hm，养分内效率（IE）平均为539.3、2 901.6、458.2 kg·kg；生产1 t 白菜（RIE）平均需要N 2.08 kg·t、P 0.41 kg·t、K 2.45 kg·t，N、P、K 比例为1∶0.20∶1.18（表1）。

表1 露地白菜养分吸收特征

2.1.2 露地白菜最佳养分需求估算 应用QUEFTS模型模拟不同潜在产量下白菜植株N、P、K 最佳养分需求量。图1 显示，在不同潜在产量下QUEFTS 模型拟合的N、P、K 最佳养分需求曲线（YU）存在一定差异，但是不论潜在产量为多少，当目标产量达到潜在产量的50%～60%时，RIE 是一致的，最佳养分需求量为N 1.96 kg·t、P 0.41 kg·t、K 2.39 kg·t，N、P、K比例为1∶0.21∶1.22，相应的IE 值分别为511.0、2 466.4、418.5 kg·kg（FW）。随着目标产量继续增加接近潜在产量，IE值逐渐降低，对应的RIE 逐渐增多，形成奢侈吸收，养分利用效率也降低。

图1 QUEFTS 模型拟合不同潜在产量下露地白菜最佳养分需求量

2.2 露地萝卜养分吸收特征与最佳养分需求

2.2.1 露地萝卜养分吸收特征 表2 表明，露地栽培萝卜肉质根产量为4.6～119.8 t·hm，平均63.5 t·hm；含水量88.0%～97.8%，平均为94.4%；干质量在0.68～8.2 t·hm之间，平均3.8 t·hm；肉质根收获指数（DW）（肉质根干质量/全株干质量）为0.37～0.95 kg·kg，平均0.65 kg·kg。萝卜植株（肉质根+地上部叶片）N、P、K 养分吸收量分别为11.3～333.2 kg·hm、1.7～78.5 kg·hm、14.4～517.4 kg·hm，平均为155.4、30.9、217.9 kg·hm。养分收获指数（肉质根N、P、K吸收量/植株N、P、K 吸收量）分别为N 0.13～0.91 kg·kg、P 0.21～0.96 kg·kg、K 0.23～0.94 kg·kg，平均为0.60、0.68、0.72 kg·kg。表明萝卜植株累积的N、P、K 约有60%、68%、72%转移到肉质根中，肉质根是N、P 和K 的主要贮存器官，因此研究萝卜肉质根中的养分转移量有助于确定一定目标产量下的N、P、K 肥施用量。

表2 露地萝卜养分吸收特征

萝卜N、P、K 的IE 值分别为170.0～1 213.0 kg·kg、757.4～6 118.9 kg·kg、132.5～1 043.4 kg·kg，平均为455.0、2 328.7、361.9 kg·kg。每生产1 t 萝卜所需吸收的N、P、K 养分（RIE）分别为0.82～5.88 kg·t、0.16～1.32 kg·t、0.96～7.55 kg·t，平均为2.45、0.49、3.40 kg·t，N、P、K比例为1∶0.20∶1.39。

2.2.2 露地萝卜最佳养分需求估算 如图2 所示，应用QUEFTS 模型拟合萝卜在不同潜在产量（40～120 t·hm）和目标产量下的N、P、K 最佳养分需求。在不同潜在产量下QUEFTS 模型拟合的N、P、K 最佳养分需求曲线（YU）存在一定差异，当目标产量达到潜在产量的60%～70%时，RIE 是一致的，最佳养分需求量分别为N 2.2 kg·t、P 0.4kg·t、K 2.6 kg·t，N、P、K 比例为1∶0.19∶1.18，相应的IE 值分别为N 462.9 kg·kg、P 2 245.8 kg·kg、K 386.2 kg·kg。

图2 QUEFTS 模型拟合不同潜在产量下露地萝卜最佳养分需求量

2.3 设施番茄养分吸收特征与最佳养分需求

2.3.1 设施番茄养分吸收特征 表3 表明，设施栽培番茄产量为14.2～168.9 t·hm，平均85.0 t·hm；含水量92.4%～97.2%，平均为94.7%；干质量为1.9～9.6 t·hm，平均4.8 t·hm；果实收获指数（DW）（果实干质量/全株干质量）为0.34～0.81 kg·kg，平均0.51 kg·kg。设施番茄植株（果实 +茎叶）N、P、K 养分吸收量分别为48.1～574.2 kg·hm、5.2～153.9 kg·hm、43.5～650.3 kg·hm，平均为213.5、55.1、352.1 kg·hm。养分收获指数（果实N、P、K 吸收量/植株N、P、K 吸收量）分别为N 0.29～0.83 kg·kg、P 0.16～0.80 kg·kg、K 0.26～0.81 kg·kg，平均为0.49、0.48、0.55 kg·kg。

表3 设施番茄养分吸收特征

设施番茄N、P、K 的IE 值分别为219.2～1 134.3 kg·kg、800.4～7 027.4 kg·kg、143.2～1 152.9 kg·kg，平均为458.2、1 941.5、287.9 kg·kg。每生产1 t 设施番茄需要吸收的N、P、K 养分（RIE）分别为0.88～4.56 kg·t、0.14～1.25 kg·t、0.87～6.98 kg·t，平均为2.32、0.59、3.77 kg·t，N、P、K 比例为1∶0.25∶1.63。

2.3.2 设施番茄最佳养分需求估算 应用QUEFTS模型模拟设施番茄不同潜在产量和目标产量下N、P、K 地上部最佳养分吸收需求。图3 所示，当目标产量达到潜在产量60%～70%时，RIE是一致的，养分与产量关系呈直线关系。设施番茄最佳养分需求量分别为N 2.19 kg·t、P 0.56 kg·t、K 3.36 kg·t，N、P、K 比例为1∶0.26∶1.53，相应的IE 值分别为456.6、1 785.7、297.3 kg·kg。

图3 QUEFTS 模型拟合不同潜在产量下设施番茄最佳养分需求量

2.4 露地大葱养分吸收特征与最佳养分需求

2.4.1 露地大葱养分吸收特征 由表4 可知，露地栽培大葱经济产量为15.1～150.0 t·hm，平均60.4 t·hm；含水量84.3%～94.3%，平均为91.1%；干 质量 为1.8～15.4 t·hm，平 均5.4 t·hm；收获指数（大葱经济产量干质量/大葱全株产量干质量）0.41～0.90 kg·kg，平均0.74 kg·kg。大葱植株（葱白+葱叶）对N、P、K 养分吸收量分别为42.8～296.6 kg·hm、7.1～36.3 kg·hm、40.4～250.9 kg·hm，平 均 为128.8、18.9、117.7 kg·hm。N、P、K 的IE 值 分 别 为303.5～992.3 kg·kg、2 006.8～5 647.2 kg·kg、277.4～1 221.7 kg·kg，平均为503.7、3 368.7、593.3 kg·kg；每生产1 t 大葱植株养分需求（RIE）分 别 为1.01～3.30 kg·t、0.18～0.50 kg·t、0.82～3.60 kg·t，平均为2.07、0.31、1.98 kg·t，N、P、K 比列为1∶0.15∶0.96。

表4 露地大葱养分吸收特征

2.4.2 露地大葱最佳养分需求估算 应用QUEFTS模型模拟大葱不同潜在产量和目标产量下N、P、K 地上部最佳养分吸收需求。图4 显示，当目标产量达到潜在产量60%～70%时，RIE 是一致的。大葱最佳养分需求量为N 1.92 kg·t、P 0.28 kg·t、K 1.69 kg·t，N、P、K 比 例 为1∶0.15∶0.88。相应的IE 值分别为N 521.2 kg·kg、P 3 566.7 kg·kg、K 591.3 kg·kg。

图4 QUEFTS 模型拟合不同潜在产量下露地大葱最佳养分需求量

3 讨论与结论

确定蔬菜养分吸收和需求特征对了解蔬菜的养分投入和产出，根据养分供应平衡确定合理施肥量，避免过量施肥具有重要价值，尤其对磷、钾养分推荐施肥至关重要。一般磷、钾推荐量主要依据其投入产出平衡计算，考虑一定产量反应下需要施用量、基础地力产量移走量（维持地力）、秸秆移走量和上季残留量四部分。其中上季蔬菜磷、钾残留量为投入量减去移走量，如果平衡为负值则按“0”计，平衡为正值按磷素平衡的50%和钾素平衡的80%作为上季作物残余养分带入本季蔬菜磷、钾用量（马征 等，2020；山楠 等，2020）。另外，根据蔬菜养分需求，即生产单位蔬菜需要吸收的养分（RIE），也可以估算一定目标产量下的氮磷钾用量：施氮量=目标产量× RIE/氮素利用率。研究表明，露地白菜、露地萝卜、设施番茄、露地大葱氮肥的利用率平均分别为26.5%、24.5%、15.1%和25.2%（何萍 等，2021）；磷、钾用量按照投入产出平衡计算：施磷（钾）量=目标产量× RIE。由此可见，准确确定蔬菜的养分吸收量和养分需求对确定蔬菜养分管理和推荐施肥具有重要价值。

利用QUEFTS 模型拟合计算的养分需求量在一定目标产量范围（50%～80%的潜在产量）内是一致的，这与其他作物上的研究结果相似（Chuan et al.，2013；Xu et al.，2013；Xu et al.，2015）。利用QUEFTS 模型拟合计算的养分需求量进行一定目标产量下的养分推荐比利用养分需求量的平均值更科学和准确。

不同蔬菜养分吸收量存在很大差异，本试验中设施番茄的养分吸收量平均值高于白菜、萝卜和大葱，大葱的养分吸收量最低。4 种蔬菜的单位经济产量（1 t）的最佳养分需求量分别为：白菜需N 1.96 kg·t、P 0.41 kg·t、K 2.39 kg·t，萝卜需N 2.2 kg·t、P 0.4 kg·t、K 2.6 kg·t，设施番茄果实需N 2.19 kg·t、P 0.56 kg·t、K 3.36 kg·t，大 葱 需N 1.92 kg·t、P 0.28 kg·t、K 1.69 kg·t。白菜、萝卜、设施番茄、大葱对氮磷钾养分的吸收比例分别为1∶0.20∶1.18、1∶0.20∶1.39、1∶0.25∶1.63、1∶0.15∶0.96，表明相较于K 素，4 种蔬菜对P 素的吸收量较低，白菜、萝卜、设施番茄对K 素的吸收量较高，需求量也较高。因此，充足的氮、钾供应对蔬菜生长和产量形成至关重要。