南方設(shè)施菜地填閑莧菜篩選及其氮磷淋失阻控效果研究①

范 新，李浩亮，雷 孝，蕭洪東*，孫海軍，喻 敏，施衛(wèi)明

(1 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東佛山 528000；2 南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，南京 210037；3 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008)

位于我國南方的珠江三角洲地區(qū)，具有優(yōu)越的地理位置和氣候條件，全年適宜生產(chǎn)，是我國重要的糧食與蔬菜生產(chǎn)區(qū)。近年來，盲目高量或不合理施用化肥，成為我國南方設(shè)施蔬菜生產(chǎn)體系中的普遍現(xiàn)象[1-2]。據(jù)報道，珠江三角洲地區(qū)1999年施用氮肥折純量為217 104 t，磷肥為32 317 t，至2004年分別增至262 599 t與37 089 t[3]。2017年，廣東的氮肥施用量為103.6萬t，磷肥施用量為24.7萬t；同期佛山市農(nóng)用化肥使用量達(dá)2.76萬t，平均每公頃使用量約為498.6 kg/hm2[4]，遠(yuǎn)超于發(fā)達(dá)國家設(shè)定的225 kg/hm2用量[5]。超出作物生長需求的化肥氮磷投入，會導(dǎo)致土壤剖面中氮磷累積過量，進(jìn)而通過淋溶的途徑損失威脅地下水環(huán)境，特別是在南方多雨季節(jié)的揭棚/休閑期[6-7]。因此，篩選適宜于南方地區(qū)設(shè)施菜地的填閑作物，并探索其對土壤氮磷淋失的阻控潛力具有重要的理論與實(shí)踐意義。

目前，降低或控制設(shè)施菜地氮磷淋失的主要技術(shù)包括合理施肥、添加化學(xué)抑制劑，以及種植填閑作物等[8]。其中，填閑技術(shù)近年來在減少氮磷淋溶損失方面得到了普遍認(rèn)可[9]。填閑技術(shù)可以改善土壤養(yǎng)分循環(huán)，提高養(yǎng)分利用率，進(jìn)而防止硝酸鹽等淋失，同時提高主栽作物產(chǎn)量，利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性[10]。有研究表明，填閑作物的選擇應(yīng)具備生物量大、根系伸展發(fā)達(dá)與吸氮磷量高等特點(diǎn)[8-10]。目前報道中適合我國夏季休閑期種植的填閑作物包括甜/糯玉米、燕麥、高丹草與高粱等，其均具有不錯的氮磷淋失阻控效果，但存在經(jīng)濟(jì)效益相對較低、不易被農(nóng)民接受、推廣應(yīng)用頗具困難等問題[11-12]。

目前，在我國南方珠三角地區(qū)，篩選適宜的填閑作物種類，并驗證填閑作物對土壤氮磷淋失阻控效果的報道較少。特別是珠三角地區(qū)具有夏季休閑期短暫(僅一到兩個月左右)，前期高溫干旱、中后期高溫多雨的氣候特點(diǎn)，這就要求填閑作物要兼具抗逆性強(qiáng)、耐高溫及耐水澇等特點(diǎn)。在經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)的珠三角地區(qū)，葉菜類受市場歡迎度高，且生長周期短，滿足填閑作物要求，那么其種植是否具有良好的氮磷淋失阻控效果？同時從對后茬蔬菜種植地力角度考慮，其是否會過度消耗土壤速效氮磷等養(yǎng)分？據(jù)此，本研究擬以莧菜為研究對象，通過田間小區(qū)試驗，篩選一種相對適宜于珠三角地區(qū)的、經(jīng)濟(jì)效益和氮磷攔截/阻控效率高，且盡可能低地影響后茬地力的葉菜。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2019年7—8月在廣東省梅州市興寧寧中鎮(zhèn)(24.16°N，115.75°E)蔬菜基地進(jìn)行。該試驗地地處寧江平原，土壤肥沃，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，年平均氣溫為12 ~ 28.5 ℃，常年7、8月氣溫最高，剛好為本試驗觀測期間，且兩月的平均降雨量為158 ~ 187 mm。供試土壤基本理化性質(zhì)為：pH 6.85，全氮2.44 g/kg，堿解氮169.8 mg/kg，全磷1.91 g/kg，有效磷208.4 mg/kg，有機(jī)質(zhì)21.9 g/kg。

1.2 試驗方法

一般選擇的填閑作物具有生物量及氮磷吸收量大等特點(diǎn)[13-14]。前人研究表明莧菜生物量大，且其氮素吸收能力不弱于甜玉米[15]，特別是對表層土壤的硝酸鹽吸收效果十分好[16]。同時根據(jù)本研究前期調(diào)研，多個品種的莧菜均是珠三角地區(qū)市場受歡迎度高的時令蔬菜。因此，本研究選用莧菜作為供試填閑作物，試驗設(shè)置5個處理，包括1個對照處理(休閑)、4個填閑莧菜處理，即圓紅莧菜(圓葉大紅莧菜)、心紅莧菜(臺灣大紅莧菜)、青莧(圓葉白莧菜)與南星莧(南星大葉馬屎莧)，每個處理重復(fù)4次。試驗采取完全隨機(jī)區(qū)組排列設(shè)計，單個試驗小區(qū)面積約為50 m2(1.6 m × 31 m)。前茬作物為絲瓜(施氮量為 N 248 kg/hm2，施磷量為 P2O5165 kg/hm2)，后茬作物為芥藍(lán)(施氮量為N 152 kg/hm2，施磷量為 P2O5124 kg/hm2)。揭棚休閑的起止時間為2019年7月18日至9月3日，共計45 d。莧菜于2019年7月25日播種，8月27日收獲，基本覆蓋休閑期。填閑莧菜處理播種量均為200 g/小區(qū)，播種時莧菜種子與土混勻，撒播覆土。所有處理生長期間均不施肥，定期人工除草。

1.3 樣品的采集與測定

1.3.1 植物樣品 待莧菜成熟收獲后，各小區(qū)分別采收計產(chǎn)(鮮重)。然后根據(jù)調(diào)研得到的應(yīng)季市場價格計算經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)濟(jì)效益(萬元/hm2)=產(chǎn)量(kg/hm2)×蔬菜價格(元/kg)/10 000。同時，不同處理每小區(qū)隨機(jī)采蔬菜樣1 kg，洗凈，于105 ℃殺青30 min后，在70℃條件下烘干至恒重。將干樣粉碎，過0.5 mm篩，用H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮法消解植物樣品，分別采用凱氏定氮法與鉬銻鈧比色法測定植株全氮與全磷含量[17]。

1.3.2 土壤樣品 莧菜收獲后，采集適量表層(0 ~25 cm)土壤樣品，自然風(fēng)干，用四分法留樣。分取部分土壤樣品分別過1 mm和0.1 mm篩待測。堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提–鉬銻鈧比色法測定[16]。

1.3.3 土壤淋溶液樣品 土壤淋溶液收集裝置(淋溶管)于2019年4月埋入各處理小區(qū)(埋深為45 cm)[18]，經(jīng)過一茬絲瓜種植馴化淋溶管裝置，使其與土壤很好地結(jié)合，接近自然土壤狀況。淋溶液采集時間間隔參考陸扣萍等[1]的試驗方法，并根據(jù)試驗地地下水較少的情況，適當(dāng)延長為每15 d左右取樣1次。試驗過程中總共采樣3次，時間分別為2019年7月25日、8月12日和8月27日。每次取樣將裝置中淋洗液抽凈，分取100 ml帶回實(shí)驗室過濾，測定pH，使用連續(xù)流動注射分析儀(SKALAR SCAN++)測定淋洗液中的總磷含量。填閑莧菜的氮磷淋失阻控率(單次)根據(jù)下式計算：

式中：C0與Ct分別為休閑對照與填閑莧菜處理的各形態(tài)氮磷濃度。本文結(jié)果及討論部分提及的填閑處理的氮磷淋失攔截/阻控效率為3次計算值的均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計方法

采用Excel 2010進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)處理及圖表繪制。各處理之間差異性比較采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行方差分析和Duncan多重比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 填閑莧菜產(chǎn)量與氮磷吸收量

不同填閑莧菜產(chǎn)量(鮮重)如圖1所示。結(jié)果表明，青莧與圓紅莧菜產(chǎn)量最高，分別可達(dá)10.95 t/hm2與10.87 t /hm2，其次為心紅莧菜，產(chǎn)量達(dá)9.99 t/hm2，而南星莧產(chǎn)量最低，僅為9.26 t/hm2(顯著低于青莧與圓紅莧菜14.8% ~ 15.4%)。因此，產(chǎn)量由高到低依次為青莧>圓紅莧菜>心紅莧菜>南星莧?？梢?，夏季休閑期間種植莧菜，可獲得較高產(chǎn)量，但不同品種莧菜的產(chǎn)量存在一定差異。

表1結(jié)果表明，成熟期圓紅莧菜、心紅莧菜、青莧植株含氮量無顯著差異，為33.2 ~ 36.8 g/kg，而南星莧氮含量顯著低于前三者，僅為27.6 g/kg。圓紅莧菜與心紅莧菜的氮吸收量最佳，分別為37.2 kg/hm2與36.8 kg/hm2；而青莧與南星莧對氮的吸收能力顯著低于圓紅莧菜與心紅莧菜，分別為26.9 kg/hm2與28.2 kg/hm2。此外，4種填閑莧菜植株磷含量及其磷吸收量均無顯著差異(表1)。

表1 不同填閑莧菜的氮磷含量及其吸收量Table 1 Contents and uptake of nitrogen and phosphorus of edible amaranth as catch crops

2.2 填閑莧菜對淋溶液pH與氮磷濃度的影響

2.2.1 淋溶液pH 土壤淋溶液pH能夠間接反映土壤的酸堿度變化，并影響土壤溶液中各離子的形態(tài)與濃度等，從而影響作物對養(yǎng)分的吸收利用。填閑莧菜種植前后，設(shè)施菜地不同處理土壤淋溶液pH變化如圖2所示。與種植前土壤pH相比，4種填閑莧菜處理的淋溶液pH分別上升0.24、0.37、0.22與0.50個單位，而休閑處理則下降0.19個單位。與休閑處理相比，4種填閑莧菜處理土壤淋溶液pH均有不同程度的提高。結(jié)果說明，休閑季莧菜種植可以相對提高土壤淋溶液pH，而土壤淋洗液pH的相對提高，說明填閑莧菜種植可以緩解土壤酸化過程，促進(jìn)作物生長，對提高下茬蔬菜肥料利用率有利。

圖3結(jié)果同時表明，與休閑處理相比，4種填閑莧菜種植均具有阻控設(shè)施菜地土壤氮磷淋失損失的效果。莧菜生長中期(8月12日)，休閑處理的淋溶液與總磷分別為9.91、5.31與0.60 mg/L，填閑莧菜處理使其降至6.33 ~ 7.66、3.21 ~ 3.51與0.35 ~ 0.48 mg/L，對三者降幅最大的分別為心紅莧菜(36.1%)、圓紅莧菜(39.5%)與南星莧(41.7%)。至收獲期(8月27日)，與休閑處理相比，莧菜填閑處理淋溶液的與總磷濃度降幅依次為32.1% ~51.6%、33.9% ~ 38.4% 與25.0% ~ 45.5%。收獲期對與總磷淋溶損失具有最佳阻控效果的均為心紅莧菜處理。

2.3 填閑莧菜的經(jīng)濟(jì)效益與氮磷淋失阻控效果

2.3.1 填閑莧菜的經(jīng)濟(jì)收益 如前所述，在休閑期種植莧菜，均可獲得一定的生物產(chǎn)量。根據(jù)市場價格(心紅莧菜、圓紅莧菜、青莧與南星莧的價格分別為2.8、2.6、2.2與2.2元/kg)估算，對應(yīng)4種填閑莧菜的經(jīng)濟(jì)效益分別為2.83、2.80、2.41、2.04萬元/hm2(圖4)。就經(jīng)濟(jì)效益而言，心紅莧菜與圓紅莧菜單位面積純收入最高，兩者優(yōu)勢突出，因為心紅莧菜市場單價更高，而圓紅莧菜具有較高產(chǎn)量(圖1)。

2.3.2 填閑莧菜的氮磷淋失阻控效果 由表2可知，填閑莧菜對及總磷濃度均有較好的阻控效果。圓紅莧菜、心紅莧菜、青莧與南星莧這4種填閑葉菜對的攔截率分別達(dá)到31.2%、49.5%、41.6% 與35.7%，平均為39.5%，其中，心紅莧菜對淋溶損失的阻控效果最佳。莧菜種植對淋溶損失的阻控效率為35.5% ~ 37.7%，且不同處理之間無顯著差異，平均為36.8%。4種填閑莧菜對總磷淋溶損失攔截率亦無顯著差異，其平均攔截率達(dá)37.4%。其中，圓紅莧菜對總磷攔截率最高為43.6%，其次為心紅莧菜(41.9%)，青莧與南星莧處理相對較低(30.1% ~ 34.1%)。結(jié)果表明，心紅莧菜對淋溶損失阻控效果最佳(表2)，對總磷淋溶損失阻控效果較佳。

表2 填閑莧菜種植對土壤氮磷淋溶損失的阻控效果Table 2 Mitigation efficiencies of amaranth as catch crop on leaching losses of and total P from vegetable soils

表2 填閑莧菜種植對土壤氮磷淋溶損失的阻控效果Table 2 Mitigation efficiencies of amaranth as catch crop on leaching losses of and total P from vegetable soils

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2.4 莧菜收獲后土壤有效磷與堿解氮含量

圖5結(jié)果表明，填閑莧菜種植對土壤堿解氮與有效磷養(yǎng)分含量未表現(xiàn)出明顯耗竭，并且對有效磷含量表現(xiàn)出一定的提升功能。與休閑處理相比，心紅莧菜(9.4%)、青莧(11.9%)與南星莧(11.9%)種植對土壤堿解氮含量沒有顯著影響，僅有圓紅莧菜種植土壤的堿解氮含量顯著下降了17.8%(P<0.05)。而填閑莧菜種植土壤比休閑土壤的有效磷含量顯著提高了31.9% ~67.8%。

3 討論

根據(jù)前人報道，適宜于設(shè)施蔬菜生產(chǎn)體系的填閑作物一般可以在較短生長期內(nèi)實(shí)現(xiàn)地上部及根系的迅速生長，從而產(chǎn)生較大生物量[18]。在選擇填閑作物的品種時要因地制宜，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂虻奶攸c(diǎn)，選擇適合的種類[19]。本試驗選擇的4種莧菜，亦具有根系深長且生物量大的特點(diǎn)，同時具有耐高溫高濕環(huán)境的優(yōu)勢，而且是南方珠三角地區(qū)市場受歡迎度極高的時令蔬菜。因此，本研究選用莧菜作為填閑作物。

在設(shè)施蔬菜種植體系下，填閑作物不僅需要能夠攔截阻控土壤氮磷的淋失，減少地下水污染，還應(yīng)具有較好的經(jīng)濟(jì)價值，促進(jìn)農(nóng)民增收，才能得到更加廣泛的推廣應(yīng)用。前人關(guān)于填閑作物品種的選擇傾向于禾本科牧草(高丹草、王草與墨西哥玉米草等)、豆科綠肥(紫云英、刺田菁、決明、望江南、柱花草、大翼豆與豬屎豆等)和飼料粗糧(玉米、小麥、大豆與高粱等)[20]。該類填閑作物經(jīng)濟(jì)價值相對較低，于農(nóng)民增收益處不大，因此推廣時頗具難度。本試驗因地制宜，同時考慮農(nóng)民增收與環(huán)境減排，選擇珠三角地帶極具經(jīng)濟(jì)價值的葉菜(莧菜)作為填閑作物，這是以前填閑作物(禾本科牧草、豆科綠肥和飼料粗糧等)所不具備的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，利于填閑技術(shù)的進(jìn)一步推廣。此外，填閑葉菜還具有生育期短、葉面覆蓋指數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，可以有效地降低菜地土壤的裸露程度，減少徑流[21]。4種填閑葉菜中，青莧產(chǎn)量最高為10.95 t/hm2，但是兩種紅葉莧菜即心紅莧菜與圓紅莧菜的市場單價更高(分別為2.8元/kg 與2.6元/kg)，能為農(nóng)戶帶來更高收益，均可超2.80萬元/hm2(圖4)。此外，本研究實(shí)地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，珠三角地區(qū)種植廣泛且當(dāng)?shù)厝讼彩车亩躺谌~菜還包括小白菜、葉用萵苣、蘿卜苗與辣椒葉等，因此在對填閑葉菜類別的選擇上，可以進(jìn)一步因地制宜，綜合選擇能帶動農(nóng)民增收并對環(huán)境友好的葉菜種類。

設(shè)施蔬菜地土壤氮磷過量累積，淋溶損失量大，嚴(yán)重威脅到地下水安全與人體健康的案例多見報道，是我國乃至世界迫切需要解決的問題[1,8,14]。從降低施肥投入量角度考慮，在源頭上降低淋溶風(fēng)險，或者從減少淋溶速率角度出發(fā)，需要增加植物吸收量，提高肥料利用率[6]。而休閑期運(yùn)用填閑技術(shù)是一種減少土壤中盈余氮磷淋溶損失的重要生物途徑。王芝義等[13]通過模擬土柱試驗發(fā)現(xiàn)，與休閑相比，4種填閑作物(糯玉米、燕麥、豌豆和莧菜)顯著降低了淋溶液中無機(jī)氮的濃度。陸扣萍等[22]發(fā)現(xiàn)，夏季種植甜玉米可分別減少農(nóng)民習(xí)慣施肥和優(yōu)化施肥條件下總氮淋失30.4% 和34.1%。本研究表明，4種填閑莧菜種植可以顯著降低土壤淋溶液NO–3-N、NH4+-N與總磷淋失量31.2% ~ 49.5%、35.5%~ 37.7% 與30.1% ~ 43.6%(表2)。說明在珠三角地區(qū)設(shè)施菜地，休閑期種植莧菜能有效減少土壤氮磷淋溶損失，這是與其他技術(shù)兼具的環(huán)境減排效果。

此外，填閑作物種植可以減少土壤侵蝕，提高土壤有機(jī)質(zhì)并具有防治雜草的生態(tài)功能，能顯著改善設(shè)施菜地土壤的生態(tài)環(huán)境。在休閑期沒有化肥投入的前提下，前人研究[21-22]與本研究中的填閑作物從土壤中吸收了相當(dāng)量的氮磷養(yǎng)分(表1)，這是否會影響后茬作物種植前的基礎(chǔ)地力？填閑作物種植的前提是不能影響下茬作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[22]。有研究表明，填閑期間糯玉米種植后土壤仍可以維持較高的無機(jī)氮含量，不影響下季主要蔬菜作物的氮素利用[23]。休閑期種植一茬填閑作物，還具有緩解土壤次生鹽漬化發(fā)生等益處[24]。在本試驗條件下，與休閑處理相比，種植填閑莧菜后，土壤中養(yǎng)分沒有出現(xiàn)明顯消耗現(xiàn)象，且有效磷含量顯著增加(圖5)，這可能與填閑作物根系分泌物對磷養(yǎng)分的活化有關(guān)[25]。此外，因前茬、后茬蔬菜均施用較大數(shù)量肥料，特別是氮磷，因此休閑期種植填閑作物對土壤氮磷養(yǎng)分的吸收理應(yīng)不影響下茬蔬菜土壤氮磷的供應(yīng)。

另外，從經(jīng)濟(jì)分析可看出，作物產(chǎn)量高低在收益中起決定性作用，且價格波動存在不確定性，而4種莧菜的氮磷流失攔截效率并無明顯差別。因此，基于本試驗結(jié)果推薦的莧菜類型仍待以后進(jìn)一步驗證。據(jù)此，本研究也認(rèn)為在以后的研究中應(yīng)該：①有條件時，可開展多年/多茬與多點(diǎn)試驗，全過程觀測氮磷養(yǎng)分的流動特征，綜合評價設(shè)施菜地填閑葉菜的農(nóng)學(xué)、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益；②從土壤學(xué)、植物生理學(xué)與微生物學(xué)等多角度入手，闡明填閑葉菜在環(huán)境減排與提質(zhì)增效方面發(fā)揮功能的機(jī)制。

4 結(jié)論

1)本試驗選用的4種莧菜均可作為珠三角地區(qū)設(shè)施蔬菜休閑期填閑作物，且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，最高可達(dá)2.83萬元/hm2。

3)休閑期種植莧菜沒有顯著消耗土壤堿解氮與有效磷養(yǎng)分，可推測莧菜填閑不會影響后茬蔬菜產(chǎn)量與品質(zhì)。因此，在珠三角設(shè)施蔬菜生產(chǎn)休閑期種植莧菜，既可增加經(jīng)濟(jì)收入，又可減少土壤氮磷淋失，且可保證后茬蔬菜產(chǎn)量。