秸秆和有机肥配施对设施菜地氮素流失和产量的影响

曹秀鹏，黄兴学，周国林，张润花，谢言兰，施玲芳

（1. 武汉市农业科学院 蔬菜研究所，湖北 武汉 430300；2. 华中农业大学 园艺林学学院，湖北 武汉 430070）

近年来，设施蔬菜生产面积不断扩大，据2016年第3 次全国农业普查结果显示，中国设施蔬菜占地面积131 万hm2，居世界设施蔬菜生产面积之首[1]。集约化设施蔬菜生产农业作业频繁、复种指数高，但相对于谷物生产其利润可观。在高利润吸引下，过量施用氮肥和灌溉成为常见现象。相关研究发现，华北平原等部分地区设施蔬菜生产每年投入 氮 肥 超 过2 000 kg/hm2[2⁃4]，田 间 灌 溉 量 超 过1 000 mm[3⁃4]，严重超出了作物的生长需求。施肥和灌溉是蔬菜高产的基础，但不合理的施肥和灌溉会导致氮素流失，引起地下水污染和土壤退化等环境风险，降低了氮素利用率[5]。因此，如何平衡生产效益和环境污染风险成为待解决的问题。

硝态氮（NO3--N）是地下水氮素淋溶损失的主要形式[6]，NO3--N 带负电荷，受土层中负电荷的排斥，加之NO3--N 易溶于水，在包气带中具有很强的流动性，因此，田间灌溉时易随灌溉水向下迁移[7]。调查发现，山东寿光蔬菜产区大部分地下水NO3--N含量超过10 mg/L，最高达到184.60 mg/L[8]。有机物料配施化肥被认为是减少化肥使用、降低NO3--N淋失的有效方式[9⁃10]。LIANG 等[11]的研究发现，有机粪肥处理设施番茄显著降低了NO3--N和总氮的淋失，并且使番茄保持较高的产量和氮素利用率。李晓兰等[12]通过土柱模拟试验发现，随着有机肥配施占比的增加，NO3--N的淋失量和蔬菜硝酸盐含量均降低。QASIM 等[13]的研究表明，秸秆的掺入刺激了施设土壤的反硝化作用，降低了NO3--N的淋失。

然而，一些研究表明，溶解性有机氮（Dissolved organic N，DON）在地下水中有较高的含量，可能会成为影响地下水环境的新因素[14]。KESSEL 等[15]的研究表明，草地系统中每年有机氮的淋失最高可达127 kg/hm2，并且地下渗滤液中有机氮含量超过饮用水标准。ZHAO 等[16]的研究发现，滴灌施肥可以减少有机氮的淋失，提高灌溉水利用率。SONG等[17]的研究发现，气候条件和季节性变化对有机氮淋失可能起到重要作用。目前，大多数研究都集中在无机氮淋失造成的损失上，而对有机氮淋失的研究较少。为此，拟通过田间原位淋溶监测平台，研究不同施肥模式对土壤中无机氮迁移、地下水不同形态氮素损失、蔬菜产量、氮肥利用率的影响，以期为降低设施菜地系统的环境污染风险提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地土壤理化性质

试验地土壤类型为砂壤土，耕层土壤理化性质：全氮1.20 g/kg、全磷0.89 g/kg、碱解氮112.30 mg/kg、速效磷26.62 mg/kg、速效钾74.62 mg/kg、有机质13.87 g/kg、pH 值8.02、硝态氮16.70 mg/kg、铵态氮0.61 mg/kg。

1.2 试验小区概况

试验小区为布设在武汉市农业科学院武湖基地（114°25′E、30°28′N）设施大棚内的农业面源污染监测点。大棚拱圆形，无色透明塑料棚膜覆盖，单个大棚内设9 个试验小区，各试验小区（长6.0 m、宽3.2 m、高30 cm、深30 cm）用砖混结构分隔。为减少小区间的相互影响，采用单排单灌模式，每个小区中间位置地下设有淋溶渗滤池（长1.5 m、宽0.8 m、深0.9 m），下铺设30 L 收集桶，桶盖上铺设石英砂过滤淋溶水。用PE 管从桶中延伸出地面，用于抽取淋溶水。

1.3 试验设计与材料

前茬作物为番茄，供试结球白菜（以下称白菜）品种为元宝。白菜于2021年9月27日定植，密度为5 株/m2。共设6 个处理:不施肥（CK）、常规化肥（CF）、优化施肥（生物有机肥替代30%化肥氮，OF）、秸秆与常规化肥配施（CFS）、秸秆与优化施肥结合（OFS）、秸秆与优化施肥结合水平上减少30%灌溉（OFSW）。试验采用随机区组设计，每个处理3次重复。

根据武汉当地施肥习惯，常规化肥为SOUPRO三元复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15），氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）施用量分别为112.5、49.1、93.4 kg/hm2。优化施肥为施用生物有机肥（根沃宁，N=2.97%、P2O5=2.16%、K2O=1.37%，山西稼和沃农业科技有限公司）替代30%化肥氮。秸秆为玉米秸秆，使用威尔德（日照）园林机械有限公司的GTS300 粉碎机粉碎后翻耕入0～20 cm 土层，秸秆施加量为3 500 kg/hm2。采用微喷灌进行灌溉，单个小区铺设2条微喷带，灌溉量为50 mm，OFSW处理灌溉量减少30%。

1.4 测定指标和方法

1.4.1 土壤理化指标 在白菜种植期间，使用取土器以五点取样法定期对试验小区不同深度剖面土进行采样，将土样带回实验室测定无机氮。其中，土样铵态氮（NH4+-N）采用KCl 浸提-靛酚蓝比色法[18]测定，NO3--N采用酚二磺酸光度法[18]测定。

1.4.2 淋溶水氮损失量 在白菜生长期内分别于2021 年10 月22日、11月14日、12月1日进行3 次灌溉，使用田间原位淋溶装置在灌溉后的第3天进行地下淋溶水的收集，记录每次收集的淋溶水体积，将部分水样带回实验室内测定可溶性总氮（TDN）、NH4+-N、NO3--N 和亚硝态氮（NO2--N）含量等指标[19]。其中，TDN 采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，NH4+-N采用纳氏试剂光度法测定，NO3--N采用酚二磺酸光度法测定，NO2--N 采用萘乙二胺光度法测定。DON 含量为TDN 与无机氮含量差值。氮素淋失量（Q）通过以下公式计算：

式中，Q指不同形态氮素淋失量，Ci指淋溶水中不同形态氮素的含量，Vi指每次收集的淋溶水体积，A指单位小区面积。

氮素淋失系数=（施氮区氮素淋失量-无氮区氮素淋失量）/氮肥投入量×100%。

1.4.3 白菜产量和氮肥偏生产力 收获期间对各小区白菜进行测产，每个小区随机选取4颗白菜，将白菜从中间一分为二，记录茎粗。地上和地下部分清理后分别称质量，记录鲜质量。氮肥偏生产力=施氮区白菜产量/氮肥投入量。

1.4.4 氮素吸收量和氮素利用率 取部分白菜样品带回实验室烘干磨样，之后用奈氏比色法对地上部分和地下部分氮素吸收量[18]进行测定。

氮素利用率=（施氮区白菜氮素吸收量-无氮区白菜氮素吸收量）/氮肥投入量×100%。

1.5 数据处理

采用Excel 2017 进行相关数据计算，利用Origin 9.0 绘图，利用SPSS 21.0 进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆和有机肥配施对设施菜地土壤浸出液无机氮含量的影响

由图1 可知，随着种植天数的增加，土壤表层（0～25 cm）NO3--N 含量整体表现为先降低，后在40 d 时达到峰值。峰值时各处理NO3--N 含量表现为CF>OFS>OF>CFS>OFSW>CK，以CF 处理峰值最高，达到155.04 mg/kg，然后逐渐降低。随着土层深度增加，NO3--N 含量降低，50 d 时表层土与深层土（25～50 cm）NO3--N 含量趋于一致。不同深度土层NH4+-N含量差异不显著，随着种植天数增加，NH4+-N含量整体趋势均表现为先升高后降低。在30 d 时达到峰值，此时不同深度土层NH4+-N含量都以OFS处理最高，分别达到8.91、5.30 mg/kg。在60 d 时，OF、OFS和OFSW 处理的表层土和深层土NO3--N和NH4+-N含量较高，表明配施秸秆和有机肥能增强土壤对无机氮的保留，相比CFS 处理可以看出，配施有机肥氮保留效应高于秸秆。

图1 白菜生长期间土壤浸出液中NO3--N和NH4+-N含量变化Fig.1 Change of NO3--N and NH4+-N contents in soil leachate during the growth of cabbage

2.2 秸秆和有机肥配施对不同形态氮素淋溶损失的影响

不同施肥模式下不同形态氮素淋失量见图2。CK 处理TDN 淋失量最小，其次是OFSW 处理，表明施肥和灌溉是氮素地下流失的直接原因。相较于CF 处理，OF、OFS 和OFSW 处理显著降低了TDN 淋失量（P<0.05），分别降低了24.1%、33.9%、47.3%。CFS处理也降低了TDN淋失量，但与CF处理差异不显著。

图2 秸秆和有机肥配施对DON、NH4+-N和NO3--N淋失量的影响Fig.2 Effect of combined application of straw and organic fertilizer on leaching loss of DON，NH4+-N and NO3--N

表1 秸秆和有机肥配施对NO3--N、NH4+-N和DON淋失占比和淋失系数的影响Tab.1 Effects of combined application of straw and organic fertilizer on the leaching proportion and leaching coefficient of NO3--N，NH4+-N and DON

2.3 秸秆和有机肥配施对白菜产量的影响

不同施肥模式显著影响白菜地上生物量和地下生物量（图3）。不施肥处理（CK）地上生物量最低，OF、CFS、OFS 和OFSW 处理白菜地上生物量显著高于CF 处理，OFS 处理地上生物量最高。比较OF 与CFS 地上生物量发现，优化施肥（生物有机肥替代30%化肥氮）增产效益高于秸秆与常规化肥配施。另外，OFS 和OFSW 处理白菜地上生物量差异不显著，表明秸秆与优化施肥结合水平上减少30%灌溉可能是更科学的管理措施，这将有望减少地下水消耗的同时保持蔬菜产量。不同于地上生物量的变化，地下生物量为CK 处理最高，与其他施肥处理差异达到显著水平；其次是OFSW 处理。表明不施肥和水分限制能促使根向更深层的土壤吸收养分，因此根系较发达。相较于CF 处理，OF、CFS 和OFS处理地下生物量均有所提高但差异不显著。

图3 秸秆和有机肥配施对白菜地上生物量（A）与地下生物量（B）的影响Fig.3 Effect of combination of straw and organic fertilizer on aboveground（A）and belowground（B）biomass of cabbage

白菜茎粗、产量和氮肥偏生产力对不同施肥模式有不同响应（表2），白菜茎粗在8.29～14.33 cm，以OFS 处理白菜茎粗最大，显著高于其他处理。白菜产量在23 065.97～96 680.55 kg/hm2，同样以OFS 处理产量最高。相较于CF 处理，OF、CFS、OFS 和OFSW 处 理 产 量 增 加 了21.4%、14.1%、38.8%、27.0%，OF、CFS、OFSW 处理产量的提高不显著。各处理氮肥偏生产力表现为OFS>OFSW>OF>CFS>CF，表明秸秆与优化施肥结合提高了白菜生产时的 氮肥偏生产力。

表2 秸秆和有机肥配施对白菜茎粗、产量及氮肥偏生产力的影响Tab.2 Effect of combined application of straw and organic fertilizer on stem diameter，yield and nitrogen partial productivity of cabbage

2.4 秸秆和有机肥配施对白菜氮素吸收量和氮素利用率的影响

由表3 可知，不施肥处理（CK）白菜地上部分总氮含量显著低于其他施肥处理，总氮吸收量表现为OFSW>OFS>OF>CFS>CF>CK，配施秸秆和有机肥可有效促进白菜对氮素的吸收利用。相较于常规化肥（CF）处理，OFSW 处理总氮吸收量显著提高。配施秸秆和有机肥的白菜地下部分总氮含量显著高于CF和CK处理，但总氮吸收量差异不显著。

表3 秸秆和有机肥配施对白菜总氮吸收量和氮素利用率的影响Tab.3 Effect of combined application of straw and organic fertilizer on total nitrogen uptake and nitrogen use efficiency of cabbage

不同施肥模式下白菜的氮素利用率差异明显。OFSW 处理氮素利用率最高，达到37.61%。配施秸秆和有机肥提高了氮素利用率，相较于CF 处理，OF、CFS、OFS 和OFSW 处理分别提高了50.47%、14.80%、59.36%、62.25%，且OFS 和OFSW 处理氮素利用率提高显著。

3 结论与讨论

设施蔬菜栽培时，氮肥过量施用导致氮素以不同途径损失，这也是农业面源污染的直接原因。前人研究表明，土壤中无机氮易随水流向下迁移[20⁃21]。本研究中，对土壤无机氮含量的动态监测表明，在40 d 时表层土（0～25 cm）NO3--N 含量达到峰值，这部分NO3--N 主要是由于肥料中氮的硝化作用产生的，40 d 时常规化肥处理（CF）的硝化作用最强，NO3--N转化量最多，故含量最高。配施有机肥减弱了硝化作用，原因可能是有机肥含有较多的酚、糖、醛类化合物及羟基，增强了对NH4+-N 的吸附和固定[22]。另外，NH4+-N 含量（0～25 cm）在30 d 达到峰值后迅速被利用和转化，CF 处理在峰值处含量较低，再次说明该处理NH4+-N 的转化较强。在60 d时OFSW 处理的土层保留更多无机氮，说明灌溉量是影响氮素迁移的重要因素，这与唐兴旺等[23]在小麦上的研究结果一致。

秸秆和有机肥与化肥配施是减少NO3--N 淋失的有效措施[24⁃25]。本研究中，CF 处理地下淋溶水NO3--N 淋失量和淋失系数最高，淋失占TDN 62.756%。OF、OFS和OFSW处理显著降低了NO3--N的淋失量，相较于CF 处理，分别降低了44.3%、52.2%、59.5%。CHEN 等[26]认为，减水灌溉能提高水分利用率，减少氮素对环境的输出影响。本研究发现，减少30%灌溉量能进一步减少NO3--N 淋溶损失，与CHEN 等[26]的研究结果一致。与常规化肥处理（CF）相比，秸秆与常规化肥配施处理（CFS）也降低了NO3--N地下淋溶，但淋失占比差异未达到显著水平。秸秆提高了土壤碳氮比，增加了土壤微生物量碳，提高了土壤的固氮能力，从而避免了NO3--N以淋溶形式损失[27⁃28]，降低了NO3--N 地下淋溶。但秸秆分解缓慢，在白菜生长前期一定程度上降低了土壤容重，增大了NO3--N 地下淋失的风险，因此降低的效果不显著，这与杨世琦等[29]的研究结果类似。

DON 是氮素淋失的另一种重要形式。梁斌等[30]的研究发现，DON 占可溶性总氮淋失量的16.5%～34.6%，秸秆配施鸡粪肥与单施粪肥相比，减少了DON 的地下淋失。本研究中，OFS 处理与OF处理相比，DON 的淋失量没有显著变化，这可能与秸秆施加量和有机肥种类的差异有关。也有研究表明，有机物质的施加提高了DON 淋失[31⁃32]。本研究中，相较于CF 处理，OF、CFS、OFS 和OFSW 处理均提高了地下淋溶水中DON 的淋失占比和淋失系数。化肥配施秸秆和有机肥没有降低DON 的地下淋失，可能是由于秸秆的施用提高了土壤的有机质含量，也提高了有机质降解相关微生物的数量，刺激了土壤有机质的分解，提高了DON 的含量，增加了DON的淋失风险。

前人研究发现，化肥配施秸秆和有机肥能提高蔬菜产量和氮素利用率[33]，首先是因为有机肥含有大量的无机态元素和微量元素，有利于蔬菜吸收利用，其次有机肥具有缓效性，化肥配施有机肥能协调蔬菜生长期内的营养平衡[34]。本研究中，相较于常规化肥（CF）处理，优化施肥（生物有机肥替代30%化肥氮，OF）、秸秆与常规化肥配施（CFS）处理白菜产量分别增加21.4%、14.1%，有机肥增产效益高于秸秆，且二者配施有协同作用。这可能是秸秆相对有机肥不易腐解，而白菜生长周期较短，因此，对产量影响较小。减少灌溉未显著提高白菜产量，但有效促进了氮素的转运，提高了白菜总氮吸收量和氮素利用率。

综上所述，秸秆与优化施肥结合水平上减少灌溉（OFSW）在保证蔬菜生物量和产量的前提下能更有效地减少氮素淋失、协调生产与环境之间的矛盾，其次为秸秆与优化施肥结合（OFS）处理，二者均是防控农业面源污染可推荐的施肥措施。