有機(jī)肥替代化肥及節(jié)水灌溉對(duì)露地菜田氮、磷徑流損失的影響

呂宏偉,駱曉聲,寇長(zhǎng)林,王洪克,陳松欽,呂 靜

(1.新野縣農(nóng)村能源站，河南 新野 473500；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002； 3.新野縣原種場(chǎng)，河南 新野 473500)

氮、磷是植物生長(zhǎng)的必需元素，氮、磷肥的施用對(duì)于提高作物產(chǎn)量有重要作用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人民生活水平的提高，蔬菜的種植面積大幅增加。中國(guó)是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，播種面積和產(chǎn)量均占世界的40%以上[1]。蔬菜經(jīng)濟(jì)效益高，氮、磷肥投入量整體較大，北京郊區(qū)設(shè)施菜田氮肥年投入量接近2 000 kg/hm2[2]。中國(guó)設(shè)施蔬菜單季磷肥平均用量為1 308 kg/hm2，遠(yuǎn)高于蔬菜磷需求量[3]。露地菜田在蔬菜中占有較大比例，雖然氮、磷肥投入比設(shè)施菜田低，然而其盲目高量投入肥料的現(xiàn)象仍然嚴(yán)重。蔬菜生產(chǎn)灌溉頻繁，一些露地菜田土壤濕度趨于飽和，中度以上降雨即可引起徑流[4]。過(guò)量氮、磷肥投入及不合理灌溉增加了菜田氮、磷養(yǎng)分徑流風(fēng)險(xiǎn)，一方面造成了養(yǎng)分的損失，另一方面氮、磷徑流污染水體環(huán)境，形成農(nóng)業(yè)面源污染，威脅人體健康[4-7]。中國(guó)是有機(jī)肥資源大國(guó)，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的廢棄物占有機(jī)資源的比重較高[8]。實(shí)施農(nóng)田有機(jī)肥替代化肥，可以實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化利用及降低氮、磷損失[9]。節(jié)水灌溉同樣是減少菜田氮、磷流失的有效手段[10]。

河南省是蔬菜種植大省，種植面積及產(chǎn)量均居全國(guó)前列。農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)地勢(shì)平坦，氮、磷損失的途徑主要為淋溶，但河南南部降雨相對(duì)較多，氮、磷徑流的潛力較大。然而關(guān)于蔬菜種植區(qū)氮、磷徑流的研究尚未見報(bào)道。鑒于此，在河南省西南部選取典型露地菜田，研究有機(jī)肥替代化肥加節(jié)水灌溉處理下菜田氮、磷徑流特征，為獲取該區(qū)域菜田氮、磷流失數(shù)據(jù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于河南省西南部的新野縣綠建農(nóng)業(yè)有限公司蔬菜試驗(yàn)地(北緯32.472 2°,東經(jīng)112.372 6°)。該區(qū)具有明顯的大陸性季風(fēng)氣候特征，溫暖濕潤(rùn)，四季分明，光、熱、水資源豐富。試驗(yàn)地土壤類型為黃褐土。土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)25.30 g/kg、全氮1.76 g/kg、硝態(tài)氮9.87 mg/kg、全磷0.91 g/kg、速效磷75.90 mg/kg、速效鉀203.80 mg/kg，土壤pH值為6.98。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016—2018年進(jìn)行，一年種植兩季露地蔬菜，第一季甘藍(lán)，第二季茄子。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理，分別為常規(guī)化肥(常規(guī))、有機(jī)肥替代27.5%化肥(簡(jiǎn)稱有機(jī)肥替代)和有機(jī)肥替代27.5%化肥+30%節(jié)水灌溉(簡(jiǎn)稱有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉)。每個(gè)處理3次重復(fù)。小區(qū)面積8 m×4 m=32 m2。第一季常規(guī)處理以1.5 t/hm251%硫酸鉀復(fù)合肥(N-P2O5-K2O=17%-17%-17%)作基肥，有機(jī)肥替代處理/有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉處理采用化肥氮素減少25%即1.125 t/hm251%硫酸鉀復(fù)合肥+16.74 t/hm2有機(jī)肥(腐熟牛糞-干基)替代模式，各處理均結(jié)合澆水追施沖施肥(N-P2O5-K2O=5%-12%-43%)150 kg/hm23次；第二季常規(guī)處理以51%硫酸鉀復(fù)合肥1.5 t/hm2作基肥，有機(jī)肥替代處理/有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉處理采用化肥減少30%即1.05 t/hm251%硫酸鉀復(fù)合肥+20.12 t/hm2有機(jī)肥(腐熟牛糞-干基)替代模式，各處理均結(jié)合澆水追施沖施肥(N-P2O5-K2O=5%-12%-43%)75 kg/hm23次。腐熟牛糞(N-P2O5-K2O)干基養(yǎng)分含量為0.38%、0.24%、0.16%，由于其含磷量較低，綜合全年兩季露地菜田有機(jī)肥替代27.5%化肥后氮、鉀施用量相當(dāng)，磷素施用量減少8.3%，不同處理氮磷鉀投入量見表1。 節(jié)水灌溉處理節(jié)約用水量30%。2016年灌溉6次，常規(guī)、有機(jī)肥替代、有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉處理灌溉量分別為129.2、129.2、90.1 mm；2017年灌溉8次，3個(gè)處理灌溉量分別為132.4、132.4、90.1 mm；2018年灌溉13次，3個(gè)處理灌溉量分別為201.1、201.1、133.0 mm，均為溝灌。試驗(yàn)點(diǎn)安裝雨量器，用于收集記錄降雨量。

表1 2個(gè)蔬菜季不同處理施肥量Tab.1 Fertilization amount of different treatments in two vegetable seasons kg/hm2

試驗(yàn)地共種植兩季露地蔬菜，為甘藍(lán)-茄子輪作，育苗移栽，甘藍(lán)季0.35 m×1 m寬窄行種植，株距0.32 m，密度為62 500株/hm2；茄子季0.35 m×1 m寬窄行種植，株距0.4 m，密度為50 000株/hm2。2016年第一季甘藍(lán)3月1日定植，5月16日收獲，第二季茄子8月17日定植，11月26日收獲；2017年第一季甘藍(lán)3月5日定植，5月28日收獲，第二季茄子7月6日定植，12月7日收獲；2018年第一季甘藍(lán)3月17日定植，5月19日收獲，第二季茄子8月6日定植，12月4日收獲。

1.3 徑流水采集及測(cè)定

采用田間徑流池法收集農(nóng)田地表徑流水。田間徑流池包括徑流收集池、徑流收集管、抽排池和集水槽。每個(gè)監(jiān)測(cè)小區(qū)均對(duì)應(yīng)1個(gè)徑流收集池，徑流收集池位于監(jiān)測(cè)小區(qū)下方，最外側(cè)加1個(gè)徑流水抽排池。收集池容積以能夠容納當(dāng)?shù)貑螆?chǎng)最大暴雨所產(chǎn)生的徑流量確定，當(dāng)?shù)貙?shí)際建池容積2.0 m×1.0 m×1.0 m=2.0 m3。徑流水現(xiàn)場(chǎng)采集，多點(diǎn)混勻后取2瓶各500 mL樣品，標(biāo)記后放入冰箱冷凍保存待測(cè)。徑流水取樣日期為2016年10月16日，2017年9月2日、9月25日、10月2日、10月5日、10月12日、10月18日，2018年5月21日、6月19日、7月28日。測(cè)定徑流水樣硝態(tài)氮、可溶性總磷含量。硝態(tài)氮含量采用離子色譜法(ICS-1100)測(cè)定；可溶性總磷含量采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定。

1.4 蔬菜產(chǎn)量測(cè)定

記載每個(gè)小區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量及廢棄物產(chǎn)量。第一季甘藍(lán)采取一次性采收，記錄小區(qū)產(chǎn)量。第二季作物茄子每次采摘后均記錄采收量，計(jì)算總產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算及處理

根據(jù)徑流產(chǎn)生量，氮、磷含量，徑流次數(shù)及小區(qū)面積計(jì)算硝態(tài)氮、可溶性總磷徑流量，計(jì)算公式：

P-硝態(tài)氮(可溶性總磷)徑流量；

Ci-第i次徑流水中硝態(tài)氮(可溶性總磷)含量；

Vi-第i次徑流產(chǎn)生量。

利用Microsoft Excel 2007、Word 2007作圖，利用SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理徑流產(chǎn)生量

表2為試驗(yàn)期間年降雨量及不同處理徑流產(chǎn)生量。2016—2018年年均降雨量701.9 mm，共產(chǎn)生徑流10次，其中2016年1次，2017年6次，2018年3次，年均徑流次數(shù)3.3次。分作物看：第一季甘藍(lán)1次，第二季茄子9次，主要徑流產(chǎn)生時(shí)間在9月上旬—10月下旬。降雨集中季節(jié)，單次降雨量23.5 mm以上即可產(chǎn)生徑流，單次徑流產(chǎn)生量30.01～1 986.67 m3/hm2，年度徑流產(chǎn)生量586.3～3 497.3 m3/hm2。有機(jī)肥替代處理比常規(guī)處理減少?gòu)搅鳟a(chǎn)生量1.4%，有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉處理比常規(guī)處理減少?gòu)搅鳟a(chǎn)生量4.3%。

表2 試驗(yàn)期間年度降雨量及不同處理徑流產(chǎn)生量Tab.2 Annual precipitation and quantities of runoff production for different treatments during the experimental period

2.2 不同處理徑流水硝態(tài)氮含量

從表3可以看出，露地蔬菜2016年常規(guī)、有機(jī)肥替代、有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉處理徑流水平均硝態(tài)氮含量為13.67～22.91 mg/L，2017年為2.67～3.43 mg/L，2018年為23.01～25.74 mg/L。監(jiān)測(cè)期平均(加權(quán))硝態(tài)氮含量分別為9.55、8.14、7.33 mg/L，有機(jī)肥替代、有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉處理硝態(tài)氮含量比常規(guī)處理分別降低14.77%、23.25%。2017年徑流產(chǎn)生量大，硝態(tài)氮含量低于2016年和2018年。

2.3 不同處理硝態(tài)氮徑流量

表4為試驗(yàn)期間不同處理硝態(tài)氮徑流量。3種處理硝態(tài)氮徑流量：2016年為3.04～5.66 kg/hm2，2017年為2.98～4.07 kg/hm2，2018年為4.33～4.87 kg/hm2。其中，2016年有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉處理比常規(guī)處理硝態(tài)氮徑流量顯著降低，其他年份不同處理之間硝態(tài)氮徑流量差異不顯著。3個(gè)處理硝態(tài)氮年均徑流量分別為4.87、4.07、3.58 kg/hm2。有機(jī)肥替代、有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉處理全監(jiān)測(cè)期硝態(tài)氮徑流量較常規(guī)處理分別減少16.43%和26.48%。

2.4 不同處理可溶性總磷徑流特征

表5為試驗(yàn)期不同處理可溶性總磷徑流特征。2016—2018年3個(gè)處理年均(加權(quán))可溶性總磷含量分別為0.96、0.85、0.65 mg/L，有機(jī)肥替代、有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉處理可溶性總磷平均含量比常規(guī)處理分別降低11.46%和32.29%。試驗(yàn)期不同處理可溶性總磷平均徑流量分別為0.49、0.43、0.32 kg/hm2，有機(jī)肥替代、有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉處理較常規(guī)處理分別減少12.24%、34.69%。

表5 試驗(yàn)期不同處理可溶性總磷徑流特征Tab.5 Runoff characteristics of total soluble phosphorus of different treatments during the experimental period

2.5 不同處理蔬菜產(chǎn)量

2016—2018年甘藍(lán)產(chǎn)量為36.61～40.92 t/hm2，3 a平均產(chǎn)量有機(jī)肥替代處理最高，其次是常規(guī)處理、有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉處理(表6)；茄子產(chǎn)量為29.81～32.83 t/hm2，3 a平均產(chǎn)量有機(jī)肥替代亦高于常規(guī)處理，有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉最低；3 a產(chǎn)量整體表現(xiàn)：有機(jī)肥替代處理>常規(guī)處理>有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉處理，但差異不顯著。

表6 試驗(yàn)期不同處理蔬菜產(chǎn)量Tab.6 Vegetable yield of different treatments during the experimental period t/hm2

3 結(jié)論與討論

農(nóng)田地表徑流和地下淋溶引起的氮、磷流失是造成農(nóng)業(yè)面源污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因。氮素流失以硝態(tài)氮為主[1,11]，銨態(tài)氮易為土壤膠體所吸附固定，在土壤中相對(duì)穩(wěn)定，徑流量比例較低[12-13]。有機(jī)肥也含有一定的氮素，在大量施用時(shí)會(huì)增加菜田土壤硝態(tài)氮?dú)埩艏皳p失風(fēng)險(xiǎn)[14-15]。用有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥能夠降低氮素的各種損失，而不同的替代比率對(duì)氮損失特征及作物產(chǎn)量也有影響[12]。2016—2018年試驗(yàn)期間，河南新野縣露地菜田常規(guī)處理徑流水硝態(tài)氮平均含量9.55 mg/L,年均徑流量4.87 kg/hm2;有機(jī)肥部分替代27.5%化肥處理后，硝態(tài)氮含量降低14.77%，硝態(tài)氮徑流量減少16.43%，與鄭少文等[16]對(duì)太湖流域常規(guī)有機(jī)肥和優(yōu)化施肥(50%化肥替代)處理硝態(tài)氮流失特征研究結(jié)果類似，而低于湖南省瀏陽(yáng)市20%有機(jī)肥替代化肥模式可顯著降低硝態(tài)氮流失59.85%的結(jié)果[17]。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，在2017年產(chǎn)生多次徑流時(shí)，硝態(tài)氮含量從14.59 mg/L降低到3.17 mg/L，呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)，與鄭玲玲對(duì)四川油菜地地表徑流氮素流失特征研究結(jié)果相同[18]。有機(jī)肥替代氮肥處理甘藍(lán)和茄子的產(chǎn)量與常規(guī)化肥處理產(chǎn)量相當(dāng)。

磷在土壤中容易被吸附固定，活性較低，徑流總量偏少，以可溶性總磷為主，本研究中常規(guī)處理可溶性總磷年平均徑流量0.49 kg/hm2，與三峽庫(kù)區(qū)蘭陵溪小流域徑流氮、磷輸出及其降雨徑流過(guò)程特征的研究比較一致[19]。為節(jié)約勞動(dòng)強(qiáng)度，河南南部露地菜田習(xí)慣施用氮、磷、鉀三元復(fù)合肥，使菜田磷素輸入量偏高，既浪費(fèi)資源又增大了徑流風(fēng)險(xiǎn)[4]。腐熟牛糞含磷量只有0.24%，低于豬糞、雞糞等其他有機(jī)肥，27.5%有機(jī)肥(腐熟牛糞)替代(有機(jī)肥替代+節(jié)水灌溉)處理與常規(guī)處理氮、鉀施用量相當(dāng)，但總磷施用量較常規(guī)處理減少8.3%，客觀上起到了有機(jī)替代減磷的效果，有機(jī)肥替代磷肥處理后可溶性總磷含量較常規(guī)處理降低11.5%、徑流量減少12.2%，降低了磷素徑流的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上來(lái)看，用27.5%有機(jī)肥替代化肥，實(shí)現(xiàn)了糞污的資源化利用及菜田化學(xué)氮肥、磷肥投入的節(jié)約，同時(shí)由于有機(jī)肥營(yíng)養(yǎng)全面，能增加土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，露地蔬菜產(chǎn)量高于常規(guī)處理(差異不顯著)[20]。

菜田地表徑流產(chǎn)生與降雨及灌溉呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系[16，21]，羅文兵等[22]認(rèn)為，灌溉方式對(duì)氮素流失有一定的影響但不顯著。本研究處理均采用溝灌方式，發(fā)現(xiàn)2016—2018年河南新野縣年均降雨量在700 mm以上，單次徑流量586.3～3 497.3 m3/hm2，最高年份(2017年)可追平太湖流域常年徑流量[16，23]。雖然前期節(jié)水灌溉對(duì)徑流量及氮、磷流失影響明顯，但在9—10月份集中降雨季節(jié)，中等以上降雨(≥23.5 mm)也可產(chǎn)生徑流，且不同處理間徑流產(chǎn)生量差別不明顯。節(jié)水灌溉使土壤飽和度降低，與有機(jī)肥替代處理疊加后可減少?gòu)搅鳟a(chǎn)生量4.3%。本研究通過(guò)有機(jī)肥替代27.5%化肥+30%節(jié)水灌溉處理后，3 a試驗(yàn)平均減少硝態(tài)氮徑流量26.5%，減少可溶性總磷徑流量34.7%。因此，在研究區(qū)露地蔬菜農(nóng)田采用有機(jī)肥替代化肥及適當(dāng)節(jié)水，能夠有效降低露地菜田氮、磷徑流損失，同時(shí)保持蔬菜產(chǎn)量穩(wěn)定。