有機肥及DMPP對蔬菜生產(chǎn)及硝態(tài)氮淋失的影響

李曉蘭，蘭 翔，潘振鵬，孫冠利，譚啟玲*，胡承孝，孫學成，3

(1.華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，湖北 武漢 430070；2.新型肥料湖北省工程實驗室，湖北 武漢 430070；3.華中農(nóng)業(yè)大學微量元素研究中心，湖北 武漢 430070)

菜地系統(tǒng)具有復種指數(shù)高、氮肥施用量大和施肥結(jié)構(gòu)不合理等特點，不合理的氮肥施用不僅會造成氮肥浪費，還會引起土壤酸化、板結(jié)、肥力下降、地下水硝酸鹽含量超標等一系列生態(tài)環(huán)境問題，同時加重了蔬菜硝酸鹽的積累和病蟲害的發(fā)生，最終導致蔬菜品質(zhì)的下降[1-2]。有機肥富含有機質(zhì)、作物生長必需的養(yǎng)分、有機酸及糖類等物質(zhì)，大量研究表明，有機肥料與無機肥料配施可以顯著改善土壤的基本理化性質(zhì)[3]，提高蔬菜產(chǎn)量，改善蔬菜品質(zhì)[4-5]，是維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵措施。DMPP(3，4-二甲基吡唑磷酸鹽)作為新型硝化抑制劑，在提高氮肥利用率和作物產(chǎn)量、品質(zhì)及改善環(huán)境污染方面有顯著作用[6-9]。但是，目前對于DMPP的研究多是基于施用銨態(tài)氮、尿素等無機氮肥條件下開展的，對于有機無機肥配施條件下添加硝化抑制劑DMPP對蔬菜產(chǎn)量、品質(zhì)及硝態(tài)氮淋失的影響報道較少，本試驗探究在施氮總量一定的條件下，不同比例的有機肥及添加DMPP對蔬菜產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤硝態(tài)氮的影響，以期為蔬菜安全生產(chǎn)提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2015年5月10日～12月20日在華中農(nóng)業(yè)大學植物營養(yǎng)實驗基地(114°12′49″E，30°17′2″N)進行，采用32個大型原狀土柱(參照趙長盛[10]設計)進行菜地連作系統(tǒng)下不同配比有機肥配施DMPP對蔬菜產(chǎn)量、品質(zhì)及硝態(tài)氮淋失影響的研究。土柱所用土壤為華中農(nóng)業(yè)大學獅子山黃棕壤，其基本理化性狀：有機質(zhì)21.08 g/kg，堿解氮91.72 mg/kg、有效磷161.46 mg/kg、速效鉀242.38 mg/kg。pH值4.41(m水∶m土=5∶1)，田間持水量33.25%，容重1.39 g/cm3；供試有機肥為顆粒狀商品腐植酸有機肥(有機質(zhì)，71.28%；N 2.80%；P2O50.09%；K2O 0.2%；pH值 7.41)，供試硝化抑制劑為3，4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)，純度為99.2%。試驗所用無機肥:氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為磷酸二氫鉀(P2O552%，K2O 35%)，鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%)。

1.2 試驗設計

等氮條件下設置不同有機無機肥配比，共8個處理(表1)，每處理設4次重復。各處理施肥量均為N 550 kg/hm2、P2O5340 kg/hm2、K2O 340 kg/hm-2。扣除有機肥所含養(yǎng)分含量，不足的用無機肥料補足。按照蔬菜最佳推薦氮磷鉀肥施用量確定每季蔬菜施肥量。有機肥與磷、鉀肥作基肥一次性施入，無機氮肥分為基肥和追肥(蕹菜和蘿卜比例為50%、25%、25%；莧菜為60%、40%)。DMPP施用量為無機氮素含量的1%。蔬菜種植情況如表2所示。

表1 試驗處理

1.3 樣品采集與測定

植株采集：莧菜1次收獲全部植株，蕹菜共收獲3茬，蘿卜收獲時，將塊根與葉子分開收獲，各處理分別稱鮮重測產(chǎn)量，保留部分鮮樣待測，其余全部烘干磨碎待測。

表2 蔬菜種植情況

注：蕹菜分別于第30、55和85 d收獲3茬。

淋失液采集與測定：試驗期間每隔7 d或土壤淋失液體積達10 L時，采集淋失液樣品100 mL/次，并準確記錄淋失液總體積。紫外分光光度法測定硝態(tài)氮濃度。

蔬菜全氮測定用H2SO4-H2O2消化，半微量蒸餾法。蔬菜硝酸鹽含量采用沸水浸提-紫外分光光度法。水樣中硝態(tài)氮含量采用流動注射分析儀測定。土壤理化性狀測定參照土壤常規(guī)測定方法[11]。

1.4 計算公式及統(tǒng)計方法

氮肥表觀利用率(%)=(施肥區(qū)蔬菜吸氮量-不施肥區(qū)蔬菜吸氮量)/施氮量×100

氮素表觀淋失率(%)=(施肥區(qū)蔬菜氮素淋失量-不施肥區(qū)蔬菜氮素淋失量)/施氮量×100

硝態(tài)氮平均淋失濃度=試驗期間硝態(tài)氮總淋失量/總淋失體積

硝態(tài)氮淋失量=硝態(tài)氮淋失液濃度×淋失液體積

數(shù)據(jù)采用Excel 2010處理，用統(tǒng)計分析軟件SPSS 19.0進行方差分析，多重比較采用LSD法，5%顯著水平。Sigmaplot 12.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對蔬菜產(chǎn)量的影響

由圖1可知，施肥顯著增加了各季蔬菜的產(chǎn)量，且各季蔬菜產(chǎn)量均隨有機肥施用比例增加而降低。與CF相比，有機肥施用比例低于50%時，莧菜產(chǎn)量無顯著下降，而蕹菜和蘿卜在有機肥施用比例小于70%時產(chǎn)量也無顯著下降。與CF相比，硝化抑制劑DMPP的添加對雍菜產(chǎn)量影響不顯著，但能顯著提高莧菜和蘿卜產(chǎn)量，分別增產(chǎn)14.94%和8.94%。配施有機肥條件下添加硝化抑制劑DMPP對3種蔬菜產(chǎn)量均無顯著影響。

圖1 不同施肥處理對蔬菜產(chǎn)量的影響

2.2 不同施肥處理對蔬菜硝酸鹽含量的影響

由圖2可知，與純化肥處理CF相比，不同比例有機肥及添加DMPP均能降低或顯著降低蕹菜中硝酸鹽含量。第1茬蕹菜硝酸鹽含量在30%OM、70%OM和50%OM+DMPP處理下顯著降低。第2茬，硝酸鹽含量在50%OM、70%OM和50%OM+DMPP處理時顯著低于CF處理。第3茬，硝酸鹽含量在各處理間均無明顯差異。與CF相比，不同比例有機肥及硝化抑制劑DMPP處理均能顯著降低莧菜硝酸鹽含量；30%OM、50%OM、70%OM和CF+DMPP處理莧菜硝酸鹽含量降幅分別為44.1%、52.86%、50.73%和36.76%。各施肥處理下蘿卜硝酸鹽含量與純化肥處理無顯著差異。

圖2 不同施肥處理對蔬菜硝酸鹽含量的影響

2.3 不同施肥處理對蔬菜氮素吸收與利用的影響

如圖3所示，隨著有機肥施用比例增大3季蔬菜氮素吸收量均減少。與CF相比，有機肥施用比例達到30%時，蕹菜氮素吸收量顯著降低，而莧菜和蘿卜氮素吸收量在有機肥施用比例達到50%時才會顯著降低。與CF相比，添加DMPP顯著降低了蕹菜氮素吸收量，增加莧菜和蘿卜的氮素吸收量，其中莧菜氮素吸收量增幅達到顯著水平。配施有機肥條件下添加DMPP能增加蕹菜和蘿卜氮素吸收，而莧菜氮素吸收量有降低趨勢。

由表3可知，增加有機肥施用比例均能降低蔬菜氮肥表觀利用率。3季蔬菜氮肥表觀利用率最小值均為70%OM處理；氮肥表觀利用率最大值均出現(xiàn)在CF+DMPP處理(蕹菜季除外)。本研究表明，在施用有機肥基礎上添加硝化抑制劑DMPP能增加氮肥表觀利用率。

圖3 不同處理對蔬菜氮素吸收量的影響

表3 各處理氮肥表觀利用率 (%)

注：同列不同字母表示各處理之間差異達到5%的顯著性水平。下同。

2.4 不同施肥模式對蔬菜種植季土壤水分淋失量的影響

試驗期間總水分輸入為1 240.0 mm，其中包括總降雨量774.5 mm和總灌溉量465.5 mm。由圖4可知，5～7月連續(xù)降雨較多，7月和10月單次降雨量較大，8月灌溉量最大。試驗期間3季蔬菜水分輸入(灌溉和降雨)分別占總水分輸入量的49.82%(蕹菜)、23.03%(莧菜)和27.15%(蘿卜)。由圖5可知，各施肥處理土壤水分淋失量顯著低于CK處理；配施有機肥增加或顯著增加了蕹菜季、莧菜季和3季蔬菜總土壤水分淋失量；化肥配施DMPP顯著增加蕹菜季水分淋失量，但對莧菜季、蘿卜季及3季總水分淋失量沒有顯著影響；配施有機肥條件下添加DMPP對水分淋失量沒有顯著影響。

圖4 降雨與灌溉

圖5 不同處理對土壤水分淋失量的影響

2.5 不同施肥模式硝態(tài)氮淋失濃度動態(tài)變化

趙長盛[10]研究表明，硝態(tài)氮是武漢城郊菜地土壤淋失液的主要存在形式，占無機氮總量的98%。由圖6可知，試驗期間各處理硝態(tài)氮淋失高峰期均出現(xiàn)在耕作或施肥后，CK處理淋失液硝態(tài)氮濃度范圍為0.22～31.94 mg/L，濃度超過國家地下水質(zhì)量標準(Ⅲ類水)20 mg/L[12]的樣品占當季蔬菜淋失液樣品總數(shù)的21.74%。CF和CF+DMPP處理淋失液濃度范圍分別為0.33～66.55和0.14～62.05 mg/L，超標率分別為52.17%和43.48%。30%OM和30%OM+DMPP處理淋失液濃度范圍分別為0.25～52.31、0.21～39.41 mg/L，超標率分別為52.00%和47.83%。50%OM和50%OM+DMPP處理淋失液濃度范圍分別為0.13～45.56、0.19～40.12 mg/L，超標率分別為47.83%和43.48%。70%OM處理其濃度范圍為0.10～37.87 mg/L，超標率為34.78%。試驗結(jié)果表明，不同比例的有機肥和硝化抑制劑DMPP的應用均能降低土壤淋失液中硝態(tài)氮濃度。

圖6 各處理土壤淋失液硝態(tài)氮濃度變化

2.6 不同施肥處理對土壤淋失液硝態(tài)氮平均濃度的影響

由圖7可知，有機肥及DMPP的應用均能減少3季蔬菜土壤硝態(tài)氮的總平均淋失濃度，且與有機肥施用比例呈負相關(guān)。蕹菜季土壤硝態(tài)氮平均淋失濃度除70%OM處理顯著低于CF外，其余施肥處理間無顯著差異；除CK和70%OM處理外，蕹菜季各處理土壤硝態(tài)氮平均淋失濃度也都高于國家地下水質(zhì)量標準(Ⅲ類水)20 mg/L；而與CF相比，各施肥處理均能顯著降低莧菜季和蘿卜季土壤淋失液硝態(tài)氮平均濃度，并且各處理平均淋失濃度均低于國家地下水質(zhì)量標準(Ⅲ類水)20 mg/L。總體來看，除CF外，試驗期間各處理土壤硝態(tài)氮總平均淋失濃度均低于國家地下水質(zhì)量標準(Ⅲ類水)20 mg/L。與CF相比，各施肥處理均能顯著降低土壤淋失液硝態(tài)氮平均濃度(30%OM除外)；CF+DMPP處理比CF處理顯著降低了27.63%；與30%OM、50%OM處理相比，30%OM+DMPP和50%OM+DMPP分別降低了25.36%、17.51%，但未達到顯著水平。

圖7 各處理硝態(tài)氮平均淋失濃度

2.7 不同施肥模式對硝態(tài)氮淋失量及氮素淋失率影響

由圖8可知，3季蔬菜土壤硝態(tài)氮淋失量分別為總淋失量的73.77%(蕹菜)、2.31%(莧菜)和23.92%(蘿卜)。與CF相比，有機肥施用比例增加能降低土壤硝態(tài)氮淋失量，當有機肥施用比例達到30%時莧菜季和蘿卜季硝態(tài)氮淋失量顯著降低，而蕹菜季硝態(tài)氮淋失量在有機肥施用比例達70%才顯著減少。與CF相比，CF+DMPP處理蘿卜季硝態(tài)氮淋失量和3季蔬菜總硝態(tài)氮淋失量顯著降低；與30%OM處理相比，30%OM+DMPP處理蕹菜季、莧菜季和蘿卜季土壤硝態(tài)氮淋失量分別降低28.74%、21.60%和19.42%。與50%OM處理相比，50%OM+DMPP處理蕹菜季、莧菜季和蘿卜季土壤硝態(tài)氮淋失量分別降低20.72%、7.48%和 0.48%。

試驗期間，從3季蔬菜總硝態(tài)氮淋失量可以看出：與CF相比，30%OM、50%OM和70%OM處理土壤硝態(tài)氮淋失量分別降低了13.52%、25.39%和25.93%，CF+DMPP處理硝態(tài)氮淋失量降低了25.94%；與30%OM、50%OM相比，30%OM+DMPP和50%OM+DMPP硝態(tài)氮淋失量分別降低了26.51%、16.43%。配施有機肥土壤硝態(tài)氮淋失量均能降低，并且施用比例高于50%效果顯著。單施化肥或有機無機配施兩種施肥模式下，DMPP的應用均能降低土壤硝態(tài)氮淋失量，并隨著有機肥施用比例增加，降低效果減弱。

圖8 各處理土壤硝態(tài)氮淋失量

由表4可知，不同施肥處理蔬菜氮肥表觀淋失率為蕹菜>蘿卜>莧菜。隨有機肥施用比例升高3季蔬菜表觀氮素利用率均降低；兩種施肥模式下添加硝化抑制劑DMPP氮素表觀利用率均能顯著降低。

表4 各處理氮肥表觀淋失率 (%)

3 討論

郭春銘等[1]研究發(fā)現(xiàn)，施氮量為225 kg/hm2時，化肥與有機肥配施空心菜產(chǎn)量顯著提高，硝酸鹽含量有所下降。趙征宇等[12]研究表明，總氮為375 kg/hm2時，配施較高比例有機肥能減少種植中氮素損失，增加番茄產(chǎn)量和氮素吸收。隨著有機肥施用比例增加，3季蔬菜產(chǎn)量、氮素吸收量及土壤硝態(tài)氮淋失量均降低，這可能與本研究使用的有機肥品種有關(guān)。周博等[13]研究發(fā)現(xiàn)，3種常見有機肥的平均氮素利用率和當量礦質(zhì)氮率分別為37.79%和40.73%(雞糞)、9.12%和10.93%(豬糞)、13.36%和15.71%(牛糞)；也可能與有機肥的緩效性有關(guān)。俄勝哲等[14]利用長期定位試驗連續(xù)25年施用有機肥，發(fā)現(xiàn)對小麥有增產(chǎn)效應。本研究表明，有機肥施用比例不高于50%時，蔬菜產(chǎn)量無顯著下降，50%OM處理，氮素表觀利用率為22.62%，氮素損失率為8.82%。本研究表明，添加硝化抑制劑DMPP均能降低土壤硝態(tài)氮的單次淋失濃度和淋失量，降低效果為50%OM+DMPP>30%OM+DMPP>CF+DMPP，并且DMPP抑制效果隨有機肥施用比例增加而減弱。這可能是由于本試驗中DMPP的施用量為無機氮的1%，從而導致各處理DMPP的實際濃度為CF+DMPP>30%OM+DMPP>50%OM+DMPP，施用有機肥條件時，DMPP抑制效果在一定范圍內(nèi)與其濃度呈正相關(guān)[15]，加之有機質(zhì)對DMPP的吸附作用，也在一定程度上削弱其生物活性[16]，從而出現(xiàn)上述結(jié)果。

硝態(tài)氮在土壤中的移動與淋失主要依賴水分運動，并且一般與水分運動同步或略滯后。合理的施肥和灌溉方式可有效減少菜地土壤硝態(tài)氮淋失量和淋失濃度[17-18]。張亦濤等[19]提出降雨和灌溉是造成土壤水分淋失的主要原因，本研究中3季蔬菜水分淋失量分別占總淋失量的46.75%(蕹菜)、19.66%(莧菜)和33.59%(蘿卜)，水分輸入量占總水分輸入量的49.82%(蕹菜)、23.03%(莧菜)和27.15%(蘿卜)，結(jié)果與之一致。蕹菜季、莧菜季和蘿卜季硝態(tài)氮淋失量分別占總淋失量的73.77%、2.31%和23.92%，最大淋失量均出現(xiàn)在降雨集中的5～7和10～11月。可能是因為蕹菜季(5～8月)施肥和追肥后降雨較集中，同時氣溫升高，土壤礦化增強，土壤中硝態(tài)氮含量增加，極易隨降雨發(fā)生淋失。莧菜種植季(8～9月)正值高溫，土壤水分蒸發(fā)量大，施肥后無強降雨天氣，灌溉總量雖大，但單次灌溉量小，故淋失液少。菜地土壤培養(yǎng)試驗表明，尿素施入3 d后，可水解90%左右[20]，而氮素極易被生長旺盛的蔬菜吸收，故土壤氮素淋失量減少，損失率降低。蘿卜種植季為降雨量較多，但平均氣溫較低的秋冬季節(jié)，低溫降低土壤礦化能力，使土壤硝態(tài)氮的淋失量顯著低于蕹菜季。本研究表明，有效降低蔬菜種植中土壤硝態(tài)氮淋失量，可通過改進施肥和灌溉措施，遵循少量多次原則，施肥量大時應避開連續(xù)降雨天氣。

4 結(jié)論

在等氮條件下有機無機肥配施比例在50%時既能保證蔬菜產(chǎn)量不顯著降低，也能降低蔬菜硝酸鹽含量，減少土壤硝態(tài)氮淋失量，避免肥料浪費和對環(huán)境的危害。

無機肥或有機無機肥配施條件下添加硝化抑制劑DMPP均能降低土壤硝態(tài)氮淋失量和淋失濃度，但硝化抑制劑DMPP的抑制效果隨施用有機肥的比例增加而減弱，在保證蔬菜穩(wěn)產(chǎn)和改善蔬菜品質(zhì)及減少環(huán)境污染的情況下，推薦最優(yōu)處理為50%OM+DMPP。

降雨和施肥措施是影響土壤硝態(tài)氮淋失的重要因素，合理配施有機肥及添加DMPP并根據(jù)蔬菜生長需肥特性進行施肥能有效應對連續(xù)降雨造成的硝態(tài)氮大量淋失。

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