溫室蔬菜水肥增效機(jī)制與管理研究

武雪萍，李銀坤

溫室蔬菜水肥增效機(jī)制與管理研究

武雪萍1，李銀坤2

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃研究所，北京 100081；2北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097）

我國(guó)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)發(fā)展迅速，據(jù)2016年4月農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《全國(guó)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃（2016－2020年）》，到2020年設(shè)施蔬菜的播種面積將穩(wěn)定在420萬hm2。當(dāng)前全國(guó)設(shè)施蔬菜總產(chǎn)達(dá)2.6億t，占蔬菜總產(chǎn)量的35%以上，人均蔬菜供應(yīng)量達(dá)到540 kg左右[1-2]。相比露地種植，設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)具有集約化程度高、比較效益高等特點(diǎn)，其產(chǎn)值為露地種植的1.69—2.33倍[3]。傳統(tǒng)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中，主要通過盲目增加水肥用量提高經(jīng)濟(jì)效益，導(dǎo)致水肥投入量遠(yuǎn)超植株生長(zhǎng)需求。水肥過量投入不僅造成土壤養(yǎng)分積累、次生鹽漬化和土壤微生態(tài)失衡等，還導(dǎo)致蔬菜對(duì)養(yǎng)分吸收量下降、養(yǎng)分利用效率降低、土壤質(zhì)量退化等一系列問題，成為限制蔬菜高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)與可持續(xù)生產(chǎn)的瓶頸。

1 溫室蔬菜水肥管理現(xiàn)狀

1.1 肥料投入總體過量，養(yǎng)分比例失衡

我國(guó)主要溫室蔬菜種植區(qū)域的施肥狀況表明，無論是有機(jī)肥還是化肥，過量施用現(xiàn)象極其普遍。有機(jī)肥每季每公頃施肥量達(dá)十幾噸至近百噸，有機(jī)肥帶入的氮、磷、鉀養(yǎng)分量占養(yǎng)分投入總量的50%以上，投入比例有逐年增加趨勢(shì)[4-7]。通過總結(jié)分析國(guó)內(nèi)溫室蔬菜施肥有關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)施肥模式下的溫室番茄有機(jī)肥氮素和化肥氮素投入量平均分別為617.0 kg·hm-2和705 kg·hm-2，總氮投入達(dá)到1 313 kg·hm-2[2]。由于溫室蔬菜生產(chǎn)復(fù)種指數(shù)高、產(chǎn)量大，其消耗的養(yǎng)分量也大。蔬菜從土壤吸收的養(yǎng)分中鉀最多，氮次之，磷最少，一般N﹕P2O5﹕K2O吸收比例為1﹕0.3—0.5﹕1.0—1.5。而實(shí)際施用比例為1﹕0.6—1.0﹕0.4—0.7，養(yǎng)分比例嚴(yán)重失衡。王敬國(guó)[7]提出我國(guó)各地溫室蔬菜生產(chǎn)肥料施用量的指南，建議N﹕P2O5﹕K2O施用量比例為1.00﹕0.38﹕1.81。而李紅梅[8]和張彥才等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在河北溫室菜地實(shí)際施肥中的氮、磷施用量偏高，鉀偏低。

1.2 灌溉不合理，水肥利用效率低

蔬菜需水量大，實(shí)際生產(chǎn)中仍沿用經(jīng)驗(yàn)式灌溉管理，灌溉量高，灌水時(shí)間不適宜，灌溉水利用效率低。據(jù)調(diào)查，河北省溫室蔬菜年灌水量一般為9 000— 9 750 m3·hm-2，且灌溉用水幾乎全部依靠地下水，造成華北地區(qū)地下水漏斗區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，水資源環(huán)境持續(xù)惡化[9]。山西省鹽湖區(qū)日光溫室蔬菜每次灌水47—63 mm，每季灌溉10—20次，灌溉總量達(dá)470— 1 200 mm，平均767 mm[7]。山東省壽光地區(qū)全年灌溉水總量為748—1 957 mm，平均灌溉量高達(dá)1 307 mm[10]。在北京郊區(qū)的溫室果菜生產(chǎn)中，每年溝灌或漫灌的水量為7 500—10 500 m3·hm-2[11]。過量灌溉導(dǎo)致水肥滲漏、土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重，對(duì)地下水環(huán)境造成威脅。調(diào)查數(shù)據(jù)表明，北京市郊區(qū)溫室果菜的灌溉中漫灌占26%，溝灌占64%，滴灌比例僅占6%，灌溉方式不合理是造成灌溉量遠(yuǎn)高于作物需求量的重要因素[12]。

2 溫室土壤環(huán)境質(zhì)量問題

2.1 土壤氮磷養(yǎng)分過量積累

我國(guó)溫室蔬菜土壤氮磷積累現(xiàn)象突出。研究表明，河北省大棚蔬菜土壤堿解氮、速效磷和有效鉀的平均含量分別是相鄰露地的1.0—9.4倍、1.4—36.3倍和0.6—4.6倍[5]。河北省日光溫室蔬菜0—20 cm土層硝態(tài)氮含量在29.1—269.4 mg·kg-1，山東壽光 0—30 cm 土層硝態(tài)氮?dú)埩袅繛?20—500 kg·hm-2，平均為340 kg N·hm-2；山東惠民菜地0—90 cm 土層硝態(tài)氮累積量為270—5 038 kg N·hm-2[13-14]。JOHNSON等[15]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤無機(jī)氮超過了土壤-植物緩沖范圍時(shí)，可能造成淺層地下水硝酸鹽污染。過量施肥導(dǎo)致溫室蔬菜的氮肥利用率僅有10%左右[2,16]。利用15N示蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，溫室番茄氮肥利用效率只有8%—9%[17]。過量有機(jī)肥和高濃度復(fù)合肥的投入導(dǎo)致土壤磷養(yǎng)分積累現(xiàn)象特別嚴(yán)重。張樹金等[18]的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在目前的磷肥投入水平下，4—8年以后土壤全磷顯著增加，是大田土壤全磷的2—4 倍。對(duì)衡水市240個(gè)村溫室蔬菜的土壤養(yǎng)分狀況調(diào)查表明，土壤有效磷含量為45.0—108.5 mg·kg-1[19]。山東壽光溫室土壤有效磷（P）含量平均達(dá)到了 200 mg·kg-1，高的甚至達(dá)到437 mg·kg-1[20]。

2.2 土壤次生鹽漬化

土壤次生鹽漬化是當(dāng)前溫室蔬菜生產(chǎn)中較為突出的土壤障礙因子。對(duì)山東、遼寧、江蘇、四川的實(shí)地調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在溫室栽培條件下，土壤表面均有大面積白色鹽霜出現(xiàn)，有的甚至出現(xiàn)塊狀紫紅色膠狀物（紫球藻），其中以山東、江蘇等地的溫室土壤的鹽漬化程度最為嚴(yán)重[21]。大量施肥是造成溫室菜地土壤次生鹽漬化的主要原因之一[22-23]。溫室菜地特殊的水分運(yùn)移形式、土壤溫濕度高以及有機(jī)肥的施用量與施肥方法不當(dāng)?shù)染鶗?huì)引起溫室菜地出現(xiàn)土壤次生鹽漬化[24]。有研究發(fā)現(xiàn)，0—20 cm土層土壤電導(dǎo)率與種植年限呈二次極顯著相關(guān)，表明隨著種植年限的增長(zhǎng)，溫室土壤次生鹽漬化呈加劇趨勢(shì)[25]。

2.3 土壤酸化

溫室蔬菜生產(chǎn)體系中，高度集約化的水肥管理會(huì)導(dǎo)致土壤酸化程度加劇。劉兆輝等[26]對(duì)山東省壽光市的溫室蔬菜土壤分析結(jié)果表明，建棚前土壤pH為8.14，種植溫室蔬菜7年后，土壤pH降至6.85左右。溫室菜地產(chǎn)生土壤酸化問題，一是由于蔬菜產(chǎn)量高，從土壤中移走了過多的堿基元素，如鎂、鉀等，導(dǎo)致了土壤中的鉀和中微量元素消耗過度，使土壤向酸化方向發(fā)展；二是大棚復(fù)種指數(shù)高，肥料用量大，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，緩沖能力降低，加重土壤酸化；三是由于肥料的不合理投入，高濃度氮、磷、鉀三元復(fù)合肥的投入比例過大，而鈣、鎂等中微量元素投入相對(duì)不足，造成土壤養(yǎng)分失調(diào)，使土壤膠粒中的鈣、鎂等堿基元素很容易被氫離子置換。通過對(duì)廊坊市永清縣27個(gè)溫室大棚表層土壤pH的分析表明，土壤pH隨種植年限的延長(zhǎng)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，當(dāng)種植年限為7 年時(shí)pH達(dá)到最低值（7.43），相較于棚外土壤下降了0.36個(gè)單位[27]。

2.4 土壤養(yǎng)分淋洗

氮素淋洗是溫室蔬菜生產(chǎn)體系氮素的主要損失途徑。在溫室辣椒種植體系中施氮量分別為600、1 200、1 800 kg N·hm-2時(shí)，淋出90 cm土體的硝態(tài)氮量為224、345和542 kg N·hm-2，分別占施氮量的37%、29%和30%[28]。溫室番茄長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中傳統(tǒng)氮素管理造成每季氮素表觀損失達(dá)79%，平均氮素?fù)p失比例在59%—63%之間[29-30]。陶虹蓉等[31]研究表明，溫室黃瓜季淋洗出90 cm 土體的氮總量為56.08—203.13 kg N·hm-2，占總施氮量的9.02%—32. 69%。在對(duì)南方溫室番茄和黃瓜生產(chǎn)體系的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，番茄季和黃瓜季的硝態(tài)氮淋洗率在8.4%—13.6%和21.0%—39.2%之間[32]；南京郊區(qū)的15N試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氮素總損失為34.2%—46.0%[33]。

2.5 氮素氣態(tài)損失

氨揮發(fā)是農(nóng)田氮素氣態(tài)損失的重要途徑。STREETS等[34]研究表明，在發(fā)展中國(guó)家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮肥的氨揮發(fā)損失為10%—50%。而在中國(guó)，氮肥的氨揮發(fā)損失已由1990 年的11%上升至2005年的13.2%，氨揮發(fā)總量也從1.80 Tg N增加至23.6 Tg N[35-36]。水田、旱地和草地的氨揮發(fā)損失則分別占施氮量的20%、14%和6%，菜地的氨揮發(fā)損失也占到施氮量的11%— 18%[37-38]。李銀坤等[39]研究表明，溫室黃瓜-番茄種植體系內(nèi)土壤氨揮發(fā)損失量為17.8—48.1 kg N·hm-2，隨施氮量的減少呈顯著降低趨勢(shì)（<0.05）。說明控制氮肥投入量，是降低溫室菜地氨揮發(fā)損失的重要措施。

N2O排放是農(nóng)田氮素氣態(tài)損失的另一個(gè)重要途徑。研究表明，我國(guó)農(nóng)田土壤N2O的年排放總量達(dá)398 Gg，約占全球農(nóng)田土壤排放總量的10%[40]。CAI等[35]估算，1990年由中國(guó)農(nóng)田直接排放的N2O可達(dá)0.28 Tg N。每年施入土壤中的氮肥，有很大一部分的氮素通過N2O排放方式損失掉，在溫室黃瓜-番茄種植體系內(nèi)的N2O排放量，75.6%—90.0%由施氮造成，而減少氮用量25%不僅降低了40.4%的N2O排放，而且不會(huì)引起產(chǎn)量的降低[41]。

3 溫室蔬菜節(jié)水減肥理論與技術(shù)研究的必要性

3.1 是減少水肥浪費(fèi)、提高水肥利用效率的客觀需求

水肥資源嚴(yán)重浪費(fèi)已成為制約溫室農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。灌溉施肥一體化技術(shù)已被公認(rèn)為是當(dāng)今世界上減少水肥浪費(fèi)，提高水肥資源利用率的最佳技術(shù)，具有顯著的節(jié)水節(jié)肥效果。據(jù)研究[42]，在滴灌施肥量只有常規(guī)用量80%的情況下，黃瓜產(chǎn)量高達(dá)144 t·hm-2；而在滴灌施肥用量只有常規(guī)的60%時(shí)，黃瓜氮肥利用率最高達(dá)到32.5%；相比露地溝灌，覆膜滴灌下的溫室芹菜生長(zhǎng)旺盛，可增產(chǎn) 25.1%，節(jié)水36%，被認(rèn)為是最優(yōu)的高效節(jié)水栽培方式[43]。無論從國(guó)家政策走向，還是實(shí)際生產(chǎn)需求，開展節(jié)水減肥理論與技術(shù)研究，制定科學(xué)合理的灌溉制度，發(fā)展高效灌溉施肥技術(shù)，是提高水肥利用效率的客觀需求，也是解決我國(guó)水資源短缺與肥料資源浪費(fèi)等問題的關(guān)鍵。

3.2 是提升土壤環(huán)境質(zhì)量、維持溫室農(nóng)田可持續(xù)利用的客觀需求

水肥供需不平衡，灌溉與施肥控制決策不匹配是目前生產(chǎn)中存在的主要問題。目前集約化溫室蔬菜生產(chǎn)仍采用傳統(tǒng)水肥管理模式，底施大量有機(jī)肥，生育期又沖施過量氮磷鉀復(fù)合型可溶肥。由于溫室內(nèi)的高溫高濕環(huán)境，有機(jī)氮礦化快，在作物生長(zhǎng)早期氮素吸收量少，造成土壤氮素積累，過量灌溉引起氮素等養(yǎng)分淋洗，同時(shí)還易引起土壤板結(jié)鹽堿化、地下水硝酸鹽含量超標(biāo)及環(huán)境污染等諸多問題[14,44]。水肥一體化技術(shù)通過水肥優(yōu)化管理、適時(shí)適量供給作物，滿足作物生產(chǎn)需要，在溫室菜地上具有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展空間。因此，探明水肥耦合及節(jié)水減肥效應(yīng)機(jī)理，完善水肥精準(zhǔn)決策理論技術(shù)體系，充分發(fā)揮“以水調(diào)肥、以肥調(diào)水”的作用效果，是提升土壤環(huán)境質(zhì)量與維持溫室農(nóng)田可持續(xù)利用的客觀需求。

3.3 是保障蔬菜安全、實(shí)現(xiàn)綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展的客觀需求

當(dāng)前溫室水肥管理粗放已成為威脅我國(guó)蔬菜安全生產(chǎn)、制約蔬菜產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的主要限制因素。相比傳統(tǒng)的溝灌等技術(shù)，采用滴灌施肥技術(shù)可有效控制土傳病害發(fā)生，減少農(nóng)藥的投入成本，避免因灌水過多而引起的漚根、黃葉等問題；滴灌施肥技術(shù)與地膜覆蓋技術(shù)相結(jié)合還能大大減少田間雜草發(fā)生，顯著減少使用農(nóng)藥頻次，被認(rèn)為是蔬菜病蟲害綠色防控的重要技術(shù)手段。隨著滴灌技術(shù)的日益推廣，制定基于該技術(shù)的作物水肥精準(zhǔn)按需供給制度，是一項(xiàng)亟待解決的問題。因此，開展水肥協(xié)同機(jī)制理論研究、明確溫室蔬菜滴灌水肥施用參數(shù)，優(yōu)化關(guān)鍵生育階段水肥用量，對(duì)于建立滴灌水肥精準(zhǔn)量化管理技術(shù)，促進(jìn)溫室蔬菜綠色高產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。

針對(duì)溫室菜地水肥管理的現(xiàn)狀，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所與河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所從2008年開始開展聯(lián)合攻關(guān)研究，在“973”項(xiàng)目“肥料減施增效與農(nóng)田可持續(xù)利用基礎(chǔ)研究”課題五“養(yǎng)分與環(huán)境要素協(xié)同效應(yīng)及其機(jī)制（2007CB109305）”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)課題“溫室蔬菜化肥減施關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化（2016YFD0201001）”、國(guó)家重大研發(fā)專項(xiàng)“土壤水分時(shí)間變異影響作物水分利用效率和養(yǎng)分吸收的機(jī)制（2018YFE0112300）”和“863”課題“作物生長(zhǎng)水分與營(yíng)養(yǎng)土壤生境調(diào)控技術(shù)（2013AA102901）”等課題的資助下，針對(duì)溫室蔬菜灌水施肥不合理問題，以提高水肥利用效率和維護(hù)溫室菜田可持續(xù)利用為研究目標(biāo)，從節(jié)水減肥增效理論機(jī)制、水分養(yǎng)分合理化管理參數(shù)、節(jié)水減肥增效3個(gè)層次進(jìn)行了深入研究。本專欄發(fā)表的4篇論文是團(tuán)隊(duì)的部分研究成果，重點(diǎn)從滴灌水肥一體化下N2O排放特征與過程機(jī)制[45]、有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)N2O排放的影響[46]、溫室滴灌條件下蔬菜土壤無機(jī)磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化、積累及其有效性[47]等方面進(jìn)行了深入研究，提出了基于高產(chǎn)溫室冬春茬黃瓜發(fā)育階段的滴灌適宜參數(shù)，建立了方便操作的簡(jiǎn)便量化滴灌水肥管理方案[48]，以期為探討節(jié)水減肥增效理論機(jī)制、建立科學(xué)合理的灌水施肥模式提供一定的科學(xué)依據(jù)。

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Mechanisms and Managements of Water and Fertilizer Synergy in Greenhouse Vegetable Fields

WU XuePing1, LI YinKun2

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097)

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.20.011

2019-09-27；

2019-10-08

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFE0112300、2018YFD0200408）、國(guó)家863課題（2013AA102901）、國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAD22B03）

武雪萍，E-mail：wuxueping@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）