不同有機(jī)肥用量對(duì)京郊設(shè)施西瓜產(chǎn)量及土壤硝態(tài)氮含量累積的影響

劉立娟，吳甜甜，劉慧，史鑫蕊，焦玉英，陳文釗，孫超

（1.北京市延慶區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，北京 102100；2.北京市延慶區(qū)種植業(yè)服務(wù)中心，北京 102100；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

西瓜是我國(guó)廣泛栽培的重要經(jīng)濟(jì)作物之一，不但營(yíng)養(yǎng)豐富，而且具有很高的藥用價(jià)值和保健作用[1]。隨著西瓜栽培面積的不斷增加和集約化栽培程度的提高，大量使用氮肥等不合理施肥現(xiàn)象日益加重[2-3]。眾多研究表明，過(guò)量施用化肥會(huì)引起土壤酸化、板結(jié)，導(dǎo)致西瓜產(chǎn)量和品質(zhì)下降，甚至污染環(huán)境[4-8]。由于有機(jī)肥能為農(nóng)作物提供多種營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)土壤微生物繁殖，改善土壤的理化性質(zhì)和生物活性，提高土壤持水能力，增強(qiáng)土壤的保肥供肥與緩沖能力，對(duì)作物增產(chǎn)具有重要作用[9-10]，因此受到廣泛應(yīng)用。但是不合理的施用有機(jī)肥同樣會(huì)帶來(lái)養(yǎng)分的流失和病蟲害的多發(fā)，甚至出現(xiàn)農(nóng)作物根系吸水困難，發(fā)生燒根、僵苗等現(xiàn)象[11-13]。因此，確定有機(jī)肥的合理用量、降低有機(jī)肥使用對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，已經(jīng)成為目前亟待解決的問(wèn)題[14]。

西瓜長(zhǎng)季節(jié)地爬式栽培模式是北京京郊較有發(fā)展前景的種植模式之一，具有土地集約化程度高和投入高、產(chǎn)出高等特點(diǎn)。本研究從土壤硝態(tài)氮含量變化角度出發(fā)，通過(guò)分析不同雞糞用量處理對(duì)西瓜產(chǎn)量、土壤硝態(tài)氮累積規(guī)律及水氮利用效率等的影響，旨在確定西瓜種植上有機(jī)肥的合理用量、為有效控制農(nóng)田面源污染提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在北京延慶沈家營(yíng)鎮(zhèn)下花園村的設(shè)施大棚內(nèi)，該地屬溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫8.4 ℃，最高氣溫39 ℃，最低氣溫-27.3 ℃。無(wú)霜期152～175 d，年均降雨量466 mm。供試土壤類型為砂壤土，pH 8.5，有機(jī)質(zhì)18.35 g/kg，全氮0.91 g/kg，堿解氮74.8 mg/kg，有效磷6.75 mg/kg，速效鉀107.3 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

西瓜供試品種為超越夢(mèng)想，2016 年北京北農(nóng)種業(yè)有限公司生產(chǎn)。試驗(yàn)于2017 年3 月15 日育苗，4 月27 日定植，共收獲3 次（6 月30 日、8 月1 日和8 月28 日）。共設(shè)置5 個(gè)不同雞糞用量處理（見(jiàn)表1），雞糞養(yǎng)分含量（以N、P2O5和K2O 計(jì)）分別為1%、0.95%和0.86%，雞糞主要作為基肥，化肥主要作為追肥，各處理化肥用量均一樣。每個(gè)處理小區(qū)面積80 m2，3 次重復(fù)。西瓜定植株距45 cm，行距2 m。定植前雞糞撒施后立即機(jī)械旋耕。試驗(yàn)田日常管理措施如灌溉、翻耕、除草、整枝等，各處理均相同。具體田間水肥管理見(jiàn)表2 和表3。

表1 不同處理的有機(jī)肥和化肥的施用量（kg/hm2）Table 1 Application amount of chicken manure and chemical fertilizer under different treatments(kg/hm2)

表2 各處理的田間水管理Table 2 Irrigation under different treatments

表3 各處理的田間追肥管理Table 3 Fertilization under different treatments

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

分別在西瓜定植期、坐果期以及每批次成熟期進(jìn)行土壤樣品采集，每個(gè)小區(qū)用土鉆隨機(jī)取3 個(gè)點(diǎn)，取樣深度0～80 cm，每20 cm 一層，共4 層，每個(gè)處理小區(qū)相同土層的土壤混合為一個(gè)樣品，置于冰柜中冷藏保存。土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤含水量采用烘干法測(cè)定；硝態(tài)氮含量用1 mol/L KCl 浸提土樣（水土質(zhì)量比5：1），采用流動(dòng)分析儀測(cè)定；植株全氮含量采用濃硫酸-雙氧水消煮，半微量凱氏定氮法測(cè)定。單次收獲產(chǎn)量：?jiǎn)未问斋@時(shí)稱量西瓜質(zhì)量；3 次單次收獲產(chǎn)量之和即為總產(chǎn)量。

水分利用效率（WUE）計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。采用農(nóng)田水量平衡關(guān)系式計(jì)算得到，由于采用的是滴灌系統(tǒng)，忽略水分滲漏。

式中，產(chǎn)量單位為kg/hm2，蒸散量單位為mm。

參考化肥氮利用效率的計(jì)算方法[8,14]，有機(jī)氮的農(nóng)學(xué)和吸收利用率的計(jì)算公式見(jiàn)式（2）（3）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機(jī)肥用量對(duì)西瓜產(chǎn)量的影響

圖1（見(jiàn)下頁(yè)）顯示了各處理西瓜的單次收獲產(chǎn)量及總產(chǎn)量，可以看出，3 次收獲中，除T1 處理，其他處理均是第一次收獲時(shí)產(chǎn)量最高，之后均依次遞減，T3處理每次產(chǎn)量和總產(chǎn)量均是5 個(gè)處理中最高的，總產(chǎn)量達(dá)到106 400 kg/hm2，此時(shí)雞糞施用量為75 000 kg/hm2。西瓜總產(chǎn)量為T3>T5>T2>T4>T1。從TI 處理到T3處理隨著有機(jī)肥施用量的增加，產(chǎn)量呈逐漸增加的趨勢(shì)，但有機(jī)肥用量增加到T4 后，之后產(chǎn)量反而降低，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)西瓜產(chǎn)量隨著有機(jī)肥用量的增加而增加，超過(guò)一定范圍后，增施有機(jī)肥反而會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低。采用線性加平臺(tái)模型擬合，得到西瓜產(chǎn)量達(dá)到最高值所需雞糞的最佳施用量為59 000 kg/hm2，此時(shí)西瓜產(chǎn)量為98 600 kg/hm2。

2.2 不同有機(jī)肥用量下西瓜對(duì)氮磷鉀的吸收量

圖2 顯示了各處理西瓜對(duì)氮磷鉀養(yǎng)分的吸收量。可以看出，西瓜對(duì)氮、鉀的吸收量遠(yuǎn)大于對(duì)磷的吸收量。不同處理的吸氮量大小順序?yàn)門3>T5>T4>T2>T1；吸磷量順序?yàn)門5>T3>T4>T2>T1；吸鉀量順序?yàn)門5>T3>T4>T2>T1，其中T3 和T5 處理對(duì)氮磷鉀養(yǎng)分的吸收量都是較高的。相關(guān)性分析結(jié)果表明，西瓜總產(chǎn)量與吸氮量呈正相關(guān)，而與吸磷和吸鉀量的關(guān)系不太明顯。吸氮量越高，西瓜產(chǎn)量越高，說(shuō)明氮素對(duì)西瓜產(chǎn)量貢獻(xiàn)率較大。

2.3 有機(jī)肥用量對(duì)不同土層硝態(tài)氮累積量的影響

圖3 顯示了各處理不同土層硝態(tài)氮含量在生育期內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化。各處理硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為從土壤表層到深層逐漸遞減的趨勢(shì)，但不同處理土層之間的差異較大。T1 處理各層硝態(tài)氮含量差異較小，T2～T5 處理表層硝態(tài)氮含量明顯高于下層土壤，且隨著有機(jī)肥用量的增加，差值增大，下層土壤硝態(tài)氮含量差異不明顯，尤其是T3～T5處理40～60 cm 和60～80 cm 土層硝態(tài)氮含量基本相同。各處理化肥施用量完全相同，但有機(jī)肥用量不同。由于有機(jī)肥主要在表層發(fā)生礦化，因此增施有機(jī)肥對(duì)表層硝態(tài)氮的影響較大，對(duì)下層影響較小。第三次硝態(tài)氮測(cè)定值明顯高于前兩次，這是因?yàn)閺淖诘降谝淮问斋@期間連續(xù)進(jìn)行了三次追肥，施用速效化肥對(duì)土壤中的硝態(tài)氮影響顯著，硝態(tài)氮含量迅速增加，尤其是表層增加最明顯，而后期追肥效果不明顯，主要是西瓜生物量大，對(duì)養(yǎng)分的需求量也比較大。

從0～80 cm 土壤硝態(tài)氮累積總量來(lái)看（圖4），生育期內(nèi)追施化肥對(duì)土壤氮素累積影響顯著，施肥后氮素累積量明顯增加。第一次收獲前各處理硝態(tài)氮累積總量總體表現(xiàn)為T5>T4>T2>T3>T1，之后表現(xiàn)為T5>T4≈T2>T1>T3。T5 處理有機(jī)肥施用量最高，因此氮素累積量也最高，生長(zhǎng)后期T3 處理土壤中氮累積量較低，可能是因?yàn)槲鞴系奈枯^高。而在第一次收獲期間，T2 和T1 處理的土壤硝態(tài)氮累積量高于其它處理，這可能是由于T2 和T1 處理的西瓜吸氮量較低所致（圖2）。

表4 不同有機(jī)肥處理的農(nóng)田水分和有機(jī)氮利用效率Table 4 Water and organic nitrogen use efficiencies of watermelon under different treatments

2.4 不同有機(jī)肥用量對(duì)水氮利用效率的影響

各處理的水分利用效率（WUE）測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。5個(gè)處理中，T3 處理的WUE最高。WUE的大小順序?yàn)門3>T5>T2>T4>T1。具體表現(xiàn)為雞糞施用量從T1 水平增加到T3 水平時(shí)，WUE逐漸升高，繼續(xù)增加到T4 和T5 水平時(shí)，兩處理的WUE反而都比T3 處理低，說(shuō)明相比單施化肥，適宜的有機(jī)肥用量配施化肥可以提高西瓜的WUE。

從表4 可以看出，不同有機(jī)肥用量下有機(jī)氮的農(nóng)學(xué)利用率范圍為11.3～38.5 kg/kg，其大小順序?yàn)門3>T2>T5>T4。其中T3 處理的有機(jī)氮的農(nóng)學(xué)利用率最高。不同處理有機(jī)氮的吸收利用率為2.51%～6.69%，其大小順序?yàn)門3>T4>T2>T5，T3 處理有機(jī)氮的吸收利用率是最高的。

3 討論

3.1 不同有機(jī)肥用量對(duì)西瓜產(chǎn)量和氮磷鉀吸收量的影響

本研究中各處理西瓜三次單產(chǎn)和總產(chǎn)大小順序?yàn)門3>T5>T2>T4>T1，其中T1 處理的三次單產(chǎn)和總產(chǎn)量最低，說(shuō)明增施有機(jī)肥比單施化肥有利于提高西瓜產(chǎn)量。T3 處理的三次單產(chǎn)和總產(chǎn)量均為最高，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)西瓜產(chǎn)量會(huì)隨著有機(jī)肥用量的增加而增加，超過(guò)一定范圍后，增施有機(jī)肥反而會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低，這與要曉瑋等[15]的研究結(jié)果一致。由于有機(jī)肥施用量過(guò)高，土壤中含有的養(yǎng)分含量超過(guò)了西瓜生長(zhǎng)所需，導(dǎo)致作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)旺，不利于生殖生長(zhǎng)，同時(shí)有機(jī)肥施用過(guò)量也會(huì)增加土壤中致病微生物量，致使西瓜病蟲害較嚴(yán)重，導(dǎo)致減產(chǎn)[16]。Dawe 等[17]分析了亞洲25 個(gè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，結(jié)果指出現(xiàn)有的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)設(shè)計(jì)可能高估了有機(jī)肥對(duì)作物的增產(chǎn)作用，有機(jī)肥不能替代化肥，只能作為推薦化肥用量基礎(chǔ)上的一種補(bǔ)充施肥措施。因此，提高產(chǎn)量不應(yīng)該無(wú)限制地增加有機(jī)肥用量，更應(yīng)該注意有機(jī)、無(wú)機(jī)肥的配比。本研究擬合得到西瓜產(chǎn)量最大值為98 600 kg/hm2時(shí)，所需雞糞的最佳施用量為59 000 kg/hm2；但實(shí)際測(cè)定的最高產(chǎn)量為106 400 kg/hm2，此時(shí)雞糞施用量為75 000 kg/hm2，因此雞糞合理的施用量應(yīng)為59 000～75 000 kg/hm2。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定各處理化肥用量相同，僅施用不同量的有機(jī)肥，因此最佳的有機(jī)無(wú)機(jī)配施比例還有待于進(jìn)一步的研究驗(yàn)證。

一些研究表明，西瓜在整個(gè)生育期中對(duì)氮磷鉀的吸收量表現(xiàn)為鉀素吸收最多，氮素次之，磷素最少[18-19]。本研究中，各處理西瓜對(duì)氮鉀的吸收量要遠(yuǎn)大于磷素吸收量，這與上述研究結(jié)果是一致的。有研究表明西瓜產(chǎn)量與吸氮量呈正相關(guān)[19-20]。本研究也發(fā)現(xiàn)，西瓜氮磷鉀總吸收量隨雞糞施用量的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，吸氮量對(duì)西瓜產(chǎn)量貢獻(xiàn)率較大，吸氮量越高，西瓜產(chǎn)量越高。而西瓜產(chǎn)量與其磷鉀吸收量的關(guān)系不太明顯，這主要是因?yàn)榈厥俏鞴仙L(zhǎng)所需最多的元素[21]，且移動(dòng)性強(qiáng)和損失量大，而本研究中磷鉀的施用量遠(yuǎn)大于西瓜生育期的需要量，故不存在缺磷缺鉀的情況。

3.2 不同有機(jī)肥用量對(duì)土壤硝酸鹽累積的影響

化肥或有機(jī)肥施用過(guò)量都會(huì)造成土壤NO3--N 的大量累積[22]，一般認(rèn)為畜禽糞便更容易造成礦質(zhì)氮的累積[23]。本研究中不同處理土壤硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為從表層到深層逐漸遞減的趨勢(shì)，這是由于各處理化肥施用量完全相同，而有機(jī)肥用量不同，加上有機(jī)肥移動(dòng)性差，主要在表層進(jìn)行礦化的特點(diǎn)，因此增施有機(jī)肥對(duì)表層硝態(tài)氮的影響較大，對(duì)下層影響較小。大量研究結(jié)果表明，施用等量氮條件下，作物吸氮量高，可明顯降低土壤剖面中NO3--N的累積[24-28]。但是施入土壤中的有機(jī)肥越多會(huì)使土壤表層的硝態(tài)氮累積越多，可能會(huì)加大表層硝態(tài)氮向下層土壤遷移的風(fēng)險(xiǎn)[29]。從不同處理0～80 cm 土壤硝態(tài)氮累積總量在西瓜生育期內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化來(lái)看，生育期內(nèi)追施化肥對(duì)土壤硝態(tài)氮累積影響大，施肥后硝態(tài)氮累積量明顯增加；其中T3 處理土壤表層的硝態(tài)氮累積量最低，T4 處理的較高，T2 和T5 最高，這是因?yàn)門3 處理下的西瓜產(chǎn)量最高，西瓜吸氮量也最高，致使土壤中硝態(tài)氮累積量最低。

3.3 不同有機(jī)肥用量對(duì)土壤水氮利用效率的影響

從WUE來(lái)看，有機(jī)無(wú)機(jī)配施的T2～T5 處理的WUE率均高于單施化肥的T1 處理，有研究表明，施用有機(jī)肥可以明顯改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤總孔隙度，提高土壤蓄水持水能力[30]，說(shuō)明適宜的有機(jī)肥用量結(jié)合化肥可以提高土壤的WUE。

有研究表明雞糞施用過(guò)量會(huì)明顯降低氮素收獲指數(shù)與生理利用效率以及氮肥的農(nóng)學(xué)利用率和回收率[31]。本研究中不同處理下有機(jī)氮的農(nóng)學(xué)利用率和吸收利用率均以T3 處理最高，這與上述結(jié)果一致。另外，本研究中各處理有機(jī)氮吸收利用普遍偏低，這是由于有機(jī)氮當(dāng)季礦化不完全，養(yǎng)分釋放慢，而化肥施用量較高，導(dǎo)致西瓜吸收化肥氮多一些。

本研究?jī)H僅考慮了有機(jī)肥用量的不同，沒(méi)有考慮化肥用量，下一步將針對(duì)有機(jī)肥用量相對(duì)合理的T3 處理（75 000 kg/hm2），進(jìn)一步設(shè)置不同化肥用量的試驗(yàn)，從而得到該地區(qū)適宜的有機(jī)無(wú)機(jī)配施比例。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，增施有機(jī)肥明顯提高了土壤蓄水保肥能力，但未測(cè)定土壤結(jié)構(gòu)性指標(biāo)，下一步研究中需考慮土壤結(jié)構(gòu)的變化對(duì)水氮利用效率的影響。

4 結(jié)論

在一定范圍內(nèi)西瓜產(chǎn)量隨有機(jī)肥用量的增加而增加，但超過(guò)一定范圍后，產(chǎn)量反而下降。西瓜總產(chǎn)量與吸氮量呈正相關(guān)，而與吸磷和吸鉀量的關(guān)系不明顯。吸氮量越高，西瓜產(chǎn)量越高，說(shuō)明氮素對(duì)西瓜產(chǎn)量的貢獻(xiàn)較大。各處理土壤硝態(tài)氮累積量均表現(xiàn)為從表層到深層呈逐漸遞減的趨勢(shì)，其中施用有機(jī)肥的處理，硝態(tài)氮主要累積在表層土壤。

有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理的水分利用效率均高于單施化肥的T1 處理，可見(jiàn)，適量的有機(jī)肥配施化肥可以提高水分利用效率。此外，T3 處理有機(jī)氮的農(nóng)學(xué)利用率和吸收利用率均高于其他處理。綜合考慮西瓜產(chǎn)量、土壤硝態(tài)氮累積量、農(nóng)田水分利用效率和有機(jī)氮利用效率，T3 處理（雞糞用量為75 000 kg/hm2）在5 個(gè)處理中均是最佳的，可以在該地區(qū)推廣應(yīng)用。