海南典型稻菜輪作區(qū)和香蕉園氮磷盈余及土壤硝態(tài)氮累積

趙永鑒，張博飛，張翀，巨曉棠

海南典型稻菜輪作區(qū)和香蕉園氮磷盈余及土壤硝態(tài)氮累積

趙永鑒，張博飛，張翀，巨曉棠

海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院，?？?570228

【目的】海南省是我國稻菜輪作和香蕉種植面積較大的省份，農(nóng)戶投入的氮（N）和磷（P）肥遠(yuǎn)超過了作物的養(yǎng)分需求，對(duì)海南生態(tài)環(huán)境可能造成不利影響。研究海南典型作物體系氮磷輸入、輸出、盈余及土壤硝態(tài)氮累積，為評(píng)價(jià)其養(yǎng)分損失及環(huán)境影響、提高養(yǎng)分管理水平提供科學(xué)依據(jù)。【方法】2021—2022年選取海南稻菜輪作和香蕉種植典型區(qū)域澄邁縣為研究區(qū)，確定20個(gè)稻菜輪作田塊和15個(gè)香蕉園。采用跟蹤記錄的方法獲取所有地塊的化肥施用量、有機(jī)肥施用量和秸稈還田方式及還田量等信息。采用跟蹤采樣的方法測(cè)定作物生物量及其養(yǎng)分含量。采用文獻(xiàn)調(diào)研的方法獲取研究區(qū)域土壤-作物體系養(yǎng)分沉降和生物固氮等其他來源數(shù)據(jù)。選取5個(gè)旱地香蕉園，采用土鉆法采集土壤并測(cè)定0—400 cm土壤剖面硝態(tài)氮累積量?！窘Y(jié)果】海南典型稻菜輪作區(qū)氮肥和磷肥投入量分別為1 308 kg N·hm-2（化肥和有機(jī)肥分別為975和333 kg N·hm-2）和515 kg P·hm-2（化肥和有機(jī)肥分別為385 和130 kg P·hm-2），作物地上部吸氮量和吸磷量分別為248 kg N·hm-2和48 kg P·hm-2，稻菜輪作區(qū)氮素和磷素盈余分別為1 196 kg N·hm-2和484 kg P·hm-2。香蕉園氮肥和磷肥投入量分別為1 340 kg N·hm-2（化肥和有機(jī)肥分別為1 293和47 kg N·hm-2）和447 kg P·hm-2（化肥和有機(jī)肥分別為442和5 kg P·hm-2），香蕉地上部吸氮量和吸磷量分別為242 kg N·hm-2和23 kg P·hm-2，氮素和磷素盈余分別為1 271 kg N·hm-2和435 kg P·hm-2。香蕉園0—400 cm土壤剖面硝態(tài)氮累積量為1 131 kg N·hm-2?！窘Y(jié)論】過量施用氮肥和磷肥，導(dǎo)致海南典型區(qū)土壤-作物體系存在大量的養(yǎng)分盈余，旱地土壤也累積了大量的硝態(tài)氮。海南以較大的養(yǎng)分損失和環(huán)境代價(jià)生產(chǎn)熱帶高值水果和蔬菜，未來必須優(yōu)化農(nóng)田養(yǎng)分管理措施以保障其生態(tài)環(huán)境安全。

稻菜輪作；香蕉園；氮磷盈余；硝態(tài)氮累積；海南省

0 引言

【研究意義】氮和磷均是植物生長發(fā)育不可缺少的元素，對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提升起著關(guān)鍵作用[1]。絕大部分的氮磷以肥料的形式進(jìn)入到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，為滿足日益增長人口的食物需求發(fā)揮著不可替代的作用。然而，氮磷肥料在農(nóng)田的大量使用，已經(jīng)改變地球系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)，導(dǎo)致了一系列的負(fù)面環(huán)境影響，如水體富營養(yǎng)化、大氣污染、土壤酸化和生物多樣性喪失等[2-5]。定量土壤-作物體系的氮磷投入、產(chǎn)出和盈余，有助于評(píng)價(jià)給定作物體系的養(yǎng)分管理是否合理，并提出提高養(yǎng)分管理的措施[6]。【前人研究進(jìn)展】海南島是我國重要的冬季蔬菜和熱帶水果產(chǎn)地，對(duì)滿足全國城鎮(zhèn)居民冬季蔬菜和熱帶水果消費(fèi)作出了重要貢獻(xiàn)。為了提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，農(nóng)戶投入了大量的肥料，如香蕉園的化學(xué)氮肥和磷肥投入量分別為900 kg N·hm-2和59 kg P·hm-2，且高于我國其他香蕉主產(chǎn)區(qū)的化學(xué)氮磷肥用量，這些氮磷肥的投入量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于作物對(duì)氮磷養(yǎng)分的吸收量[7]。這些未能被作物吸收利用的氮磷養(yǎng)分會(huì)遷移到水體或揮發(fā)到大氣中，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染。海南農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要分布在沿海的平原區(qū)，農(nóng)業(yè)集約化種植帶來的活性氮磷排放直接面向近海水體，帶來了嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境污染[8]。然而，目前缺乏對(duì)海南典型作物體系養(yǎng)分去向及其環(huán)境效應(yīng)的評(píng)估，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展缺乏科學(xué)依據(jù)，不利于海南建設(shè)“國家綠色發(fā)展先行區(qū)”?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】利用養(yǎng)分管理的指標(biāo)體系，定量評(píng)價(jià)土壤-作物體系的養(yǎng)分輸入、輸出、盈余是改進(jìn)農(nóng)田養(yǎng)分管理的重要方法[9-10]。土壤剖面硝態(tài)氮累積也是評(píng)價(jià)氮素管理的重要指標(biāo)。近年來，在硝化能力弱的酸性紅壤旱作農(nóng)田土壤剖面發(fā)現(xiàn)了大量硝態(tài)氮累積[11]，而在強(qiáng)酸性的磚紅壤區(qū)域，硝態(tài)氮是否累積且累積量能夠達(dá)到多少并不明確?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以海南省典型的種植體系，稻菜輪作和香蕉園為對(duì)象，定量其氮磷盈余和土壤剖面硝態(tài)氮累積，為評(píng)價(jià)海南典型作物體系養(yǎng)分損失及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、提高海南農(nóng)田養(yǎng)分管理水平提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及田塊選取

澄邁縣是海南省的農(nóng)業(yè)大縣，是糧食和熱帶經(jīng)濟(jì)作物的重要生產(chǎn)基地。農(nóng)作物種類多，是海南稻、菜和香蕉的典型種植區(qū)域，水稻和香蕉產(chǎn)量分別占海南總產(chǎn)量的15%和27%[12]。選取海南澄邁縣金江鎮(zhèn)（19°44′42″N，110°1′24″E）和橋頭鎮(zhèn)（19°56′19″N，109°55′5″E）作為研究區(qū)域。該區(qū)域?qū)俚湫蜔釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨量充沛，日照充足。年均氣溫 24.27 ℃，年均日照時(shí)數(shù) 1 547.73 h，年均降雨量 1 630 mm[13]，地下水埋深為16—30 m[14]。土壤類型為磚紅壤，各田塊的土壤理化性質(zhì)詳見圖6。

本研究選取澄邁縣金江鎮(zhèn)的20塊稻菜輪作農(nóng)田，以及橋頭鎮(zhèn)的15個(gè)香蕉園進(jìn)行農(nóng)戶養(yǎng)分投入調(diào)研及跟蹤取樣（植物和土壤樣品采集），這些研究點(diǎn)均為海南典型稻菜輪作區(qū)或香蕉種植園，稻菜輪作種植年限約30年，香蕉種植年限為20—30年。同時(shí)采集了其中16塊辣椒田的植物樣品和5塊辣椒田的土壤樣品（養(yǎng)分投入調(diào)查為16塊），以及11塊水稻田植物樣品及其土壤樣品，15個(gè)香蕉園的植物和土壤樣品。

1.2 農(nóng)戶養(yǎng)分投入情況調(diào)查

采用跟蹤記錄（取樣）方式獲取農(nóng)戶養(yǎng)分投入情況。首先建立農(nóng)田基礎(chǔ)信息庫，包括農(nóng)戶姓名、聯(lián)系方式、作物體系、田塊位置、樣地照片、田塊面積、作物播種和收獲日期。再采用跟蹤記錄的方式，在關(guān)鍵生育時(shí)期調(diào)查化肥及有機(jī)肥投入量（包括氮、磷肥）、灌溉水量和播種量等。根據(jù)土壤墑情，香蕉園每3—10 d灌溉一次，溫度較高時(shí)新苗每2—3 d灌溉一次，老苗每5—7 d灌溉一次，每次灌水量10—15 mm；辣椒每5—10 d灌溉一次，溫度較高時(shí)3—5 d灌溉一次，每次灌水量10—15 mm。對(duì)于有機(jī)肥還田的田塊，還需要采集有機(jī)肥樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其氮磷含量。化學(xué)氮肥（kg N·hm-2）和磷肥（kg P·hm-2）的投入量根據(jù)農(nóng)戶化肥施用量和產(chǎn)品標(biāo)識(shí)的養(yǎng)分含量計(jì)算。有機(jī)肥氮素和磷素的投入，根據(jù)有機(jī)肥施用量（鮮基）、含水量及氮素和磷素含量計(jì)算。有機(jī)肥氮素含量采用硫酸-水楊酸-催化劑消化-全自動(dòng)凱式定氮儀法測(cè)定，磷素含量采用H2SO4-HNO3-釩鉬黃比色-紫外分光光度計(jì)法測(cè)定[15]。

1.3 跟蹤取樣

辣椒于2021年10月完成定植，12月收獲第一茬，于2022年4月初完成辣椒收獲。在辣椒結(jié)果后的每次收獲都進(jìn)行辣椒果實(shí)采集，共收獲3次。在田塊選取有代表性的1 m×1 m=1 m2的微區(qū)，將微區(qū)內(nèi)辣椒果實(shí)全部收獲，稱取鮮重。隨后取若干有代表性的辣椒果實(shí)小樣稱取鮮重，在70 ℃烘箱烘干至恒重并計(jì)算含水量，烘干后的樣品粉碎測(cè)定氮磷含量，用1 m2微區(qū)的辣椒果實(shí)鮮重、含水量和氮磷含量，折算每公頃辣椒果實(shí)的生物量和氮磷吸收量。最后一次收獲辣椒時(shí)，將1 m2微區(qū)的辣椒植株樣品分為莖、葉、果實(shí)分別測(cè)得鮮重，各器官取小樣后按照上述步驟計(jì)算生物量和氮磷吸收量，將各器官的生物量和氮磷吸收量相加即為地上部生物量和吸氮量。水稻于2022年4月底完成定植，在2022年8月初收獲。在田塊選取有代表性的1 m×1 m=1 m2微區(qū)，將微區(qū)內(nèi)水稻全部收獲，稱取鮮重。隨后取若干株有代表性的小樣分為秸稈和籽粒兩部分，按照辣椒植株器官處理方法，計(jì)算得到水稻生物量和吸氮量。2022年7—9月為香蕉收獲季，完成收獲后砍掉老苗，保留新苗繼續(xù)生長。采樣時(shí)，于球莖處砍獲整株香蕉，將樣品分為假莖、果軸、果實(shí)和葉片四部分，取小樣后按照辣椒季植株器官的處理和計(jì)算方法，計(jì)算得到香蕉生物量和吸氮量。本研究辣椒和香蕉產(chǎn)量以收獲時(shí)的鮮重計(jì)，水稻產(chǎn)量以烘干重計(jì)。

辣椒、水稻和香蕉收獲后，分別在每塊農(nóng)田采集3—5鉆0—100 cm土層（以20 cm為間隔）的土壤樣品，將全部土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室過篩，一部分在4 ℃冰箱冷藏儲(chǔ)存，在一周內(nèi)用1 mol·L-1KCl浸提土壤后，采用流動(dòng)分析儀（FUTURA，Alliance，F(xiàn)rance）測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。另一部分土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后儲(chǔ)存，用以測(cè)定pH、有機(jī)碳、全氮、速效磷和速效鉀。風(fēng)干土壤pH采用電位計(jì)法測(cè)定，土壤有機(jī)碳通過重鉻酸鉀法測(cè)定，土壤全氮通過全自動(dòng)凱氏定氮法測(cè)定，土壤速效磷通過NH4F-HCl浸提-紫外分光光度計(jì)測(cè)定，土壤速效鉀通過NH4OAc浸提，火焰光度計(jì)測(cè)定。

為了研究香蕉園剖面土壤硝態(tài)氮累積，香蕉收獲后，在5個(gè)香蕉園各采集1鉆0—400 cm土層（以20 cm為間隔）的土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室4 ℃冷藏儲(chǔ)存，一周內(nèi)浸提并測(cè)定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

1.4 文獻(xiàn)調(diào)研

氮沉降數(shù)據(jù)來自于國家氮沉降觀測(cè)網(wǎng)，首先采用華南地區(qū)的年氮沉降量作為研究區(qū)域的年氮沉降量，為33 kg N·hm-2·a-1[16]。再根據(jù)我國南方地區(qū)月氮沉降占年氮沉降量的比例[17]折算出研究區(qū)域的月氮沉降量，最后根據(jù)每個(gè)作物生育期的月份計(jì)算為生育期的氮沉降量。大氣磷沉降為1 kg P·hm-2·a-1[18-20]。水稻非共生固氮量為33 kg N·hm-2·a-1，香蕉、辣椒生物固氮量為15 kg N·hm-2·a-1[21]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

1.5.1 氮磷盈余

氮素盈余（kg N·hm-2）=化肥氮+有機(jī)肥氮+氮沉降+生物固氮+秸稈還田氮-地上部吸氮量；

磷素盈余（kg P·hm-2）=化肥磷+有機(jī)肥磷+磷沉降+秸稈還田磷-地上部吸磷量。

秸稈還田的氮素和磷素輸入均為上一茬作物。香蕉葉片和假莖還田，辣椒和水稻均為莖和葉還田。

1.5.2 土壤硝態(tài)氮累積量 某一土層土壤硝態(tài)氮累積量的計(jì)算方法見公式1，將每一層次的土壤硝態(tài)氮累積量相加即為所有層次土壤剖面硝態(tài)氮累積量。

S = C×BD×d ? 10 （1）

式中，S為土壤硝態(tài)氮累積量（kg N·hm-2），C是土壤硝態(tài)氮含量（mg·kg-1），BD是土壤容重（g·cm-3），d是對(duì)應(yīng)層次的土壤厚度（cm），10是單位換算系數(shù)。

數(shù)據(jù)整理和差異性分析，分別使用Microsoft Excel 2022和SPSS進(jìn)行處理，圖表的繪制使用Origin 2023。

2 結(jié)果

2.1 肥料養(yǎng)分投入

不同農(nóng)戶之間肥料養(yǎng)分投入存在較大的差異（圖1）。其中化肥氮是主要的肥料氮投入來源，在香蕉、辣椒和水稻季分別占肥料氮總投入的85%—100%、55%—100%和100%（圖1-a、1-b和1-c）。農(nóng)戶僅施用少量的有機(jī)肥，且僅在香蕉和辣椒季投入。同氮素投入類似，化肥磷是香蕉園和稻菜輪作體系主要的肥料磷投入來源，在香蕉和辣椒季分別占肥料磷投入的97%—100%和58%—100%（圖1-d、1-e和1-f），且在辣椒田投入的有機(jī)肥較多，水稻季僅有一戶農(nóng)田投入磷肥，其余91%的農(nóng)田均沒有投入磷肥。

橫坐標(biāo)為香蕉、辣椒和水稻田的農(nóng)戶姓名縮寫，代表實(shí)地調(diào)研的農(nóng)戶田塊。下同

2.2 作物產(chǎn)量和地上部養(yǎng)分吸收

圖2顯示，香蕉、辣椒和水稻的果實(shí)產(chǎn)量分別為44.15—78.62 t·hm-2（平均57.70 t·hm-2）、19.50—60.45 t·hm-2（平均39.21 t·hm-2）和4.18—9.04 t·hm-2（平均6.25 t·hm-2）。以上3種作物對(duì)應(yīng)的秸稈產(chǎn)量分別為53.82—106.89 t·hm-2（平均78.40 t·hm-2）、1.69—5.02 t·hm-2（平均3.62 t·hm-2）和4.65—6.67 t·hm-2（平均5.63 t·hm-2）。

香蕉、辣椒和水稻的地上部吸氮量分別為171— 309 kg N·hm-2（平均242 kg N·hm-2）、85—138 kg N·hm-2（平均109 kg N·hm-2）和109—180 kg N·hm-2（平均135 kg N·hm-2）。作物各器官的吸氮量由高到低排列如下，香蕉：果實(shí)、葉片、假莖、果軸，辣椒：果實(shí)、葉片、莖，水稻：籽粒、莖、葉片。3種作物果實(shí)的吸氮量分別占地上部總吸氮量的45%、59%和65%（圖3-a、3-b和3-c）。

香蕉、辣椒和水稻的地上部吸磷量分別為16—40 kg P·hm-2（平均23 kg P·hm-2）、10—20 kg P·hm-2（平均15 kg P·hm-2）和26—43 kg P·hm-2（平均32 kgP·hm-2）。作物各器官的吸磷量由高到低排列如下，香蕉：果實(shí)、葉片、假莖、果軸，辣椒：果實(shí)、葉片、莖，水稻：籽粒、莖、葉片。3種作物果實(shí)的吸磷量分別占地上部總吸磷量的51%、69%和66%（圖3-d、3-e和3-f）。

圖2 香蕉、辣椒和水稻各器官產(chǎn)量

圖3 香蕉、辣椒和水稻各器官養(yǎng)分吸收量

2.3 不同作物體系養(yǎng)分盈余

過量氮素投入，使香蕉園和辣椒田產(chǎn)生了大量的氮素盈余。香蕉園和稻菜輪作體系的氮素盈余量相當(dāng)，分別為538—2 286 kg N·hm-2（平均1 271 kg N·hm-2）和388—2 052 kg N·hm-2（平均1 196 kg N·hm-2），水稻田的氮素盈余僅為-25—141 kg N·hm-2（平均43 kg N·hm-2）（圖4）。香蕉園和辣椒田磷素盈余量分別為213—624 kg P·hm-2（平均435 kg P·hm-2）和150—827 kg P·hm-2（平均448 kg P·hm-2），并遠(yuǎn)超過水稻田磷盈余的-19 kg P·hm-2。稻菜輪作體系磷盈余為130—803 kg P·hm-2（平均484 kg P·hm-2）（圖4）。

圖4 香蕉園、辣椒田和水稻田養(yǎng)分盈余

表1匯總了海南典型香蕉園和稻菜輪作體系氮素投入、產(chǎn)出和盈余?？紤]大氣氮沉降、生物固氮以及秸稈還田氮后，香蕉、辣椒、水稻以及稻菜輪作體系總氮素投入量分別為1 513、1 127、178和1 444 kg N·hm-2，其中肥料氮（包括化肥和有機(jī)肥）分別占上述作物體系總氮素投入量的89%、94%、69%和91%。香蕉、辣椒、水稻和稻菜輪作體系的作物攜出氮分別占其總氮素輸入的16%、10%、76%和17%，遠(yuǎn)低于氮素輸入量。上述各作物體系的氮素盈余量分別為 1 271、1 018、43和1 196 kg N·hm-2。

表2為海南典型香蕉園和稻菜輪作體系農(nóng)戶常規(guī)管理的磷素投入、產(chǎn)出和盈余。考慮大氣磷沉降以及秸稈還田，香蕉、辣椒、水稻以及稻菜輪作體系總磷素投入量分別為458、463、13和532 kg P·hm-2，其中肥料磷（包括化肥和有機(jī)肥）分別占上述作物體系磷素總投入量的97%、97%、58%和97%。香蕉、辣椒、水稻和稻菜輪作體系的作物攜出磷分別為占其磷素總輸入的5%、3%、246%和9%，遠(yuǎn)低于磷素輸入量。上述各作物體系的磷素盈余量分別為435、448、-19和484 kg P·hm-2。

表1 香蕉園和稻菜輪作氮素投入、產(chǎn)出及盈余

同行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同作物差異顯著（＜0.05）。下同

Different lowercase letters after the same row of data indicate significant differences between different crops (＜0.05). The same as below

表2 香蕉園和稻菜輪作磷素投入、產(chǎn)出及盈余

2.4 土壤無機(jī)氮累積及分布特征

與土壤硝態(tài)氮相比，土壤銨態(tài)氮含量和累積較低。香蕉、辣椒和水稻季收獲后0—100 cm土壤銨態(tài)氮累積量分別為58、45和31 kg N·hm-2（圖5-a和5-c）。香蕉園的土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于稻菜輪作農(nóng)田。香蕉、辣椒和水稻季0—100 cm土壤硝態(tài)氮累積量分別為108、43和8 kg N·hm-2（圖5-b和5-d）。香蕉園0—100、100—200、200—300、300—400 cm土層硝態(tài)氮累積量分別為104、286、357和385 kg N·hm-2（圖5-b）。在0—400 cm土壤剖面中，超過91%的硝態(tài)氮累積于100 cm以下的土層中，表明大量的硝態(tài)氮通過淋溶累積到了深層的土壤。

圖5 香蕉園、辣椒田和水稻田土壤剖面無機(jī)氮累積量

2.5 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

香蕉和辣椒收獲后，耕層土壤（0—20 cm）有機(jī)碳和全氮含量均高于水稻收獲后，且香蕉園耕層土壤有機(jī)碳（12.08 g·kg-1）和全氮（1.16 g·kg-1）含量顯著高于水稻田（分別為9.29和0.87 g·kg-1）（＜0.05）。香蕉園耕層土壤速效磷（38 mg·kg-1）顯著低于辣椒田和水稻田（126—143 mg·kg-1）（＜0.05），但香蕉園耕層速效鉀含量（148 mg·kg-1）顯著高于辣椒田（82 mg·kg-1）和水稻田（28 mg·kg-1）（＜0.05）（圖6），3種作物收獲后土壤pH無顯著性差異，為5.39—5.75。稻菜輪作體系作物收獲后，耕層以下（20—100 cm）的土壤養(yǎng)分含量（有機(jī)碳、全氮、速效磷和速效鉀），隨著土壤深度增加迅速降低，而香蕉園土壤養(yǎng)分含量隨著土壤深度增加緩慢降低（圖6）。

3 討論

3.1 海南典型稻菜輪作區(qū)和香蕉園養(yǎng)分盈余

海南典型稻菜輪作區(qū)和香蕉典型種植區(qū)域氮素盈余分別高達(dá)1 196和1 271 kg N·hm-2，稻菜體系的高氮素盈余幾乎全部來自于辣椒季，水稻季氮素盈余僅為43 kg N·hm-2（表1），相當(dāng)于熱帶地區(qū)單季稻的合理氮素盈余[22]。而辣椒和香蕉氮素盈余遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國際推薦的合理氮素盈余（39—100 kg N·hm-2）[22]。從表1可以看出，辣椒和香蕉高的氮素盈余是由于高氮肥投入所導(dǎo)致。海南典型香蕉種植區(qū)域肥料氮施用量，是我國香蕉園肥料氮推薦施用量（900 kg N·hm-2）的1.5倍[7]，較高的氮素盈余導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染，可能是海南近海水域水質(zhì)變差的重要原因之一[23]。本研究得到的海南典型稻菜輪作區(qū)和香蕉園氮素盈余，均高于洪秀楊等[24]報(bào)道的520和675 kg N·hm-2，可能是由于研究方法不同所導(dǎo)致。本研究采用跟蹤記錄的方式實(shí)時(shí)記載農(nóng)戶氮肥用量，由于辣椒和香蕉整個(gè)生育期施肥次數(shù)較多（10次以上），跟蹤記錄比一次性調(diào)研更能準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)農(nóng)戶肥料施用量。此外，本研究的作物養(yǎng)分含量通過實(shí)測(cè)得來，比采用文獻(xiàn)調(diào)研的方法[17]更能準(zhǔn)確反映研究田塊作物的實(shí)際養(yǎng)分吸收量。

圖中水平線表示LSD0.05值。香蕉園樣本量為n=15，辣椒地樣本量為n=5，水稻田樣本量為n=11

本研究香蕉種植區(qū)域肥料磷施用量，是我國香蕉肥料磷推薦施用量（59 kg P·hm-2）的2倍以上[7]，肥料磷的過量投入也導(dǎo)致了磷素盈余較高，稻菜輪作和香蕉體系分別為484和435 kg N·hm-2，稻菜體系的高磷素盈余幾乎全部來自于辣椒季，水稻季磷素盈余為-19 kg P·hm-2（表2）。本研究的稻菜輪作和香蕉園磷素盈余，均高于洪秀楊等[24]報(bào)道的217和277 kg P·hm-2，可能是上述研究方法不同所導(dǎo)致。盡管目前缺乏可以參照的我國農(nóng)田磷素盈余閾值，海南辣椒和香蕉的磷素盈余遠(yuǎn)超過相應(yīng)的磷肥推薦施用量，分別為13和65 kg P·hm-2[25]，磷素利用率也僅為3%和5%（表2）。此外，稻菜輪作和香蕉園耕層土壤速效磷含量超過了我國作物達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)量時(shí)的土壤有效磷閾值（11—21 mg·kg-1），及導(dǎo)致磷淋溶拐點(diǎn)出現(xiàn)的土壤有效磷閾值（40—90 mg·kg-1）[26]。海南稻菜輪作體系和香蕉園高的磷素盈余會(huì)導(dǎo)致磷向環(huán)境中遷移，加劇農(nóng)業(yè)面源污染。

3.2 海南典型香蕉園深層土壤硝態(tài)氮累積

本研究發(fā)現(xiàn)海南典型香蕉園0—400 cm土壤剖面累積了大量的硝態(tài)氮（1 131 kg N·hm-2）（圖5），且硝態(tài)氮累積量隨著種植年限增加而增加（結(jié)果未展示）。土壤硝態(tài)氮累積在我國北方干旱，半干旱和半濕潤的堿性土壤中報(bào)道較多[27-29]。在我國南方濕潤氣候的酸性土壤，由于土壤硝化速率較低，且氮素隨徑流和反硝化損失較大，通常認(rèn)為土壤剖面不易積累硝態(tài)氮。然而，YANG等[11]通過地質(zhì)鉆孔取樣的方法，發(fā)現(xiàn)江西酸性紅壤典型旱地（果園和花生田）土壤剖面母質(zhì)層（320—1 000 cm，平均536 cm）以上的土壤發(fā)生層累積了44—1 116 kg N·hm-2（平均431 kg N·hm-2）的硝態(tài)氮。本研究進(jìn)一步證實(shí)了旱地酸性土壤能夠累積大量的硝態(tài)氮，其機(jī)制可能是酸性土壤被農(nóng)業(yè)利用后顯著增強(qiáng)了自養(yǎng)硝化速率，而硝態(tài)氮同化速率降低，破壞了酸性區(qū)域自然土壤所具有的保氮能力[30]，此外，低pH刺激土壤異養(yǎng)硝化的發(fā)生可能是酸性土壤累積硝態(tài)氮的另一個(gè)機(jī)制[31]。旱地土壤有機(jī)質(zhì)含量一般較低，且通氣性較好，這部分累積的土壤硝態(tài)氮很難通過反硝化作用去除，對(duì)地下水質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[27]。因此，我們推薦采用合理施氮量，從源頭上減少土壤過量的硝態(tài)氮積累及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[32]。

3.3 減少海南作物體系養(yǎng)分損失及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的途徑

過量的氮磷盈余會(huì)導(dǎo)致土壤酸化、地下水污染、作物減產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降等問題[2-5,33-34]，而過低的氮磷盈余可能會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分虧缺，因此，氮磷盈余必須控制在合理的范圍內(nèi)[22]。海南農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要分布在沿海的平原區(qū)，農(nóng)業(yè)集約化種植帶來的養(yǎng)分損失直接面向近海水體，威脅生態(tài)環(huán)境安全。據(jù)報(bào)道，海南島19個(gè)近海水域監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，有6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水體總?cè)芙獾^國家水質(zhì)Ⅲ類飲用水標(biāo)準(zhǔn)[8]。因此，發(fā)展熱帶特色高值農(nóng)業(yè)和保護(hù)自貿(mào)港生態(tài)環(huán)境，是海南農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的雙重挑戰(zhàn)。目前，熱帶地區(qū)作物體系氮磷去向及其環(huán)境效應(yīng)的研究相對(duì)薄弱，本研究通過評(píng)估海南典型作物體系氮磷平衡及土壤硝態(tài)氮積累，為評(píng)價(jià)熱區(qū)作物生產(chǎn)的環(huán)境代價(jià)及提高養(yǎng)分管理提供依據(jù)。未來減少熱帶地區(qū)作物體系養(yǎng)分損失及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)可通過以下途徑：（1）采用基于4R Plus（正確的肥料用量，時(shí)間，種類和位置，并配合施用長效有機(jī)肥）的養(yǎng)分綜合管理技術(shù)[35]，4R Plus比4R強(qiáng)調(diào)了有機(jī)-無機(jī)養(yǎng)分的配施，這對(duì)于發(fā)展熱帶高值水果和蔬菜等作物尤為重要；（2）通過土壤酸性改良協(xié)同有機(jī)質(zhì)提升，提高土壤對(duì)養(yǎng)分的保持能力及作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用；（3）采用水肥一體化技術(shù)施肥和灌溉，提高養(yǎng)分和水分利用率。

4 結(jié)論

本研究通過跟蹤記錄和取樣的方式，定量了海南典型稻菜輪作區(qū)和香蕉園氮磷投入、產(chǎn)出和盈余，以及旱地香蕉園土壤剖面硝態(tài)氮累積狀況。稻菜輪作體系氮素和磷素盈余分別為1 196 kg N·hm-2和484 kg P·hm-2。香蕉園氮素和磷素盈余分別為1 271 kg N·hm-2和435 kg P·hm-2，且0—400 cm土層累積了1 131 kg N·hm-2硝態(tài)氮。海南以較大的養(yǎng)分盈余和環(huán)境代價(jià)生產(chǎn)熱帶高值水果和蔬菜，未來必須優(yōu)化農(nóng)田養(yǎng)分管理措施等以保障其生態(tài)環(huán)境安全。

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Nitrogen and Phosphorus Surplus and Soil Nitrate Nitrogen Accumulation in Typical Rice-Vegetable Rotation and Banana Garden in Hainan

ZHAO YongJian, ZHANG BoFei, ZHANG Chong, JU XiaoTang

College of Tropical Agriculture and Forestry, Hainan University, Haikou 570228

【Objective】Hainan is the province with a large area of rice-vegetable rotation and banana cultivation in China, but the nitrogen (N) and phosphorus (P) fertilizers input by farmers far exceed the nutrient requirements of crops, which may have a negative impact on Hainan’s ecological environment. The aim of this study was to investigate the N and P surpluses, and soil nitrate accumulation in typical cropping systems in Hainan, thus to provide scientific basis for evaluating nutrient losses and their impacts and achieving sustainable nutrient management. 【Method】In 2021-2022, a typical area for rice-vegetable rotation and banana cultivation in Chengmai, Hainan, was selected as the research area and 20 rice-vegetable rotation plots and 15 banana orchards were identified. The information of chemical and organic fertilizer application, straw returning method and amount of above fields were obtained by real-time record of farmers’ agricultural activities, crop biomass and the nutrient content were determined at crop harvest, and other nutrient input include nutrient deposition and biological N fixation were obtained by literature survey. Five banana orchards were selected and soil was collected by soil auger method and nitrate N accumulation was measured in the 0-400 cm soil profile.【Result】The N and P fertilizer inputs to the rice-vegetable rotation were 1 308 kg N·hm-2(975 kg N·hm-2of chemical and 333 kg N·hm-2of organic fertilizer) and 515 kg P·hm-2(385 kg P·hm-2of chemical and 130 kg P·hm-2of organic fertilizer); the aboveground N and P uptake of the crop were 248 kg N·hm-2and 48 kg P·hm-2; the surplus of N and P in rice and vegetable rotation was 1 196 kg N·hm-2and 484 kg P·hm-2. The N and P fertilizer inputs to banana orchards were 1 340 kg N·hm-2(1 293 kg N·hm-2of chemical and 47 kg N·hm-2of organic fertilizer) and 447 kg P·hm-2(442 kg P·hm-2of chemical and 5 kg P·hm-2of organic fertilizer); the aboveground N and P uptake were 242 kg N·hm-2and 23 kg P·hm-2; the banana N and P surpluses were 1 271 kg N·hm-2and 435 kg P·hm-2. The nitrate-N accumulation in the 0-400 cm soil profile of banana orchards was 1 131 kg N·hm-2. 【Conclusion】Excessive application of N and P fertilizers has led to the large nutrient surplus in typical soil-crop systems in Hainan, and large amount of nitrate-N has accumulated in banana orchard in the deep soil layer. Hainan produces typical high-value fruit and vegetables at the cost of large nutrient losses and negative environmental impacts, optimized nutrient management should be implemented to ensure its environmental safety.

rice-vegetable rotation; banana orchard; nitrogen and phosphorus surpluses; nitrate nitrogen accumulation; Hainan Province

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.15.010

2023-03-03；

2023-05-11

海南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（ZDYF2021XDNY184）、海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目（ZDKJ2021008）、海南省自然科學(xué)基金（422RC597）、海南大學(xué)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)（KYQD(ZR)-20098）

趙永鑒，E-mail：15225929980@163.com。通信作者張翀，E-mail：zhangchong@hainanu.edu.cn。通信作者巨曉棠，E-mail：juxt@cau.edu.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）