有機(jī)肥替代氮肥及節(jié)水對(duì)設(shè)施番茄和辣椒菜田氮淋溶的影響

駱曉聲，呂宏偉，寇長(zhǎng)林*

（1.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；2.新野縣農(nóng)村能源站，河南 新野 473500）

中國(guó)是世界上蔬菜種植大國(guó)，播種面積和產(chǎn)量均居世界第一位。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，設(shè)施蔬菜種植模式發(fā)展迅速，中國(guó)設(shè)施蔬菜種植面積超386.7萬(wàn)hm2，產(chǎn)值占蔬菜總產(chǎn)值的一半以上［1］。設(shè)施蔬菜種植追求高產(chǎn)量、高效益，農(nóng)戶過(guò)量氮肥投入的現(xiàn)象較為普遍，如在北京郊區(qū)菜田年氮肥投入量可達(dá)1700 kg/hm2［2］。高量的氮肥投入及不合理的灌溉導(dǎo)致設(shè)施菜田高氮素淋失，使氮肥利用率大大降低［3］。氮素的淋溶導(dǎo)致地下水硝酸鹽濃度超標(biāo)，威脅居民身體健康［4-5］。有機(jī)肥以農(nóng)業(yè)廢棄物為主，含有各種營(yíng)養(yǎng)元素，有機(jī)肥施用對(duì)于提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)有積極意義［6-7］。有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥能夠降低農(nóng)田硝態(tài)氮的淋溶［8-9］。設(shè)施菜田水分管理對(duì)硝態(tài)氮淋溶有較大影響，通過(guò)節(jié)水灌溉可以降低氮素淋溶［10-11］。因此，在設(shè)施蔬菜種植區(qū)，開(kāi)展菜田有機(jī)肥替代氮肥及節(jié)水灌溉，是降低菜田氮素淋溶的有效手段。

番茄和辣椒是人民生活較為常用的蔬菜消費(fèi)品，也是中國(guó)設(shè)施栽培的主要作物類型，其在生產(chǎn)中存在的施肥不合理現(xiàn)象較為普遍［12］。通過(guò)水肥管理降低番茄和辣椒種植產(chǎn)生的氮素淋溶對(duì)于緩解菜區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。本研究通過(guò)有機(jī)肥替代氮肥及滴灌條件下的節(jié)水，研究設(shè)施番茄和辣椒農(nóng)田氮素的淋溶特征及蔬菜產(chǎn)量變化，以期為設(shè)施番茄和辣椒的氮肥優(yōu)化管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于河南省新野縣城郊鄉(xiāng)郭湖村。試驗(yàn)大棚為連棟溫室大棚，棚齡為6年。試驗(yàn)地土壤類型為黃褐土。土壤基礎(chǔ)理化性狀為：有機(jī)質(zhì)14.5 g/kg，全氮0.77 g/kg，硝態(tài)氮58.4 mg/kg，全磷0.54 g/kg，有效磷54.5 mg/kg，速效鉀192.7 mg/kg，pH值6.8。試驗(yàn)區(qū)屬北亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.1℃；年平均降水量721.0 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理，分別為純施化肥氮（HF），有機(jī)肥替代化肥氮40%（TDN），有機(jī)肥替代化肥氮40%+節(jié)水30%（TDN+JS）。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積40 m2。HF處理番茄季氮磷鉀（N、P2O5、K2O）養(yǎng)分投入量分別為378、336、564 kg/hm2；辣椒季氮磷鉀（N、P2O5、K2O）養(yǎng)分投入量分別為342、321、435 kg/hm2。不同處理具體施肥量見(jiàn)表1。番茄季和辣椒季的氮肥均分為基肥和追肥施用，基肥均施用N∶P2O5∶K2O=17∶17∶17的復(fù)合肥1800 kg/hm2，折合氮磷鉀養(yǎng)分分別為306、306、306 kg/hm2。追肥為N∶P2O5∶K2O=12∶5∶43的復(fù)合肥，番茄季追肥4次，每次150 kg/hm2；辣椒季追肥2次，每次150 kg/hm2。TDN處理及TDN+JS處理番茄季和辣椒季有機(jī)肥氮均替代HF處理當(dāng)季總化肥氮的40%。TDN和TDN+JS處理追肥方法和HF處理一致。有機(jī)肥為豬糞，氮、磷、鉀（N、P2O5、K2O）養(yǎng)分含量分別為2.13%、1.37%、0.96%，含水量為35.8%。番茄季有機(jī)肥施入量為11.0 t/hm2；辣椒季有機(jī)肥施入量為10.0 t/hm2。2017年番茄季和辣椒季基肥施用日期分別為2月25日和7月26日，追肥 日 期 為6月12日、6月20日、7月2日、7月17日、8月10日、9月23日。2018年番茄季和辣椒季基肥施用日期分別為3月5日和7月26日，追肥日期為5月25日、6月10日、6月20日、7月3日、8月17日、9月19日。番茄品種為歐藍(lán)德，辣椒品種為優(yōu)選國(guó)寶。2017年番茄3月4日移栽，7月12日清茬；辣椒7月20日種植，12月23日清茬。2018年番茄3月20日移栽，7月20日清茬；辣椒8月11日移栽，12月18日清茬。行距為0.63 m，株距為0.3 m。灌溉方式為滴灌，HF、TDN處理番茄、辣椒2017年灌水量分別為124.9、148.5 mm，2018年分別為156.6、152.0 mm，節(jié)水灌溉處理灌水量減少30%。

表1 不同處理番茄季和辣椒季施肥量 （kg/hm2）

1.3 樣品采集及分析

淋溶水的采集采用田間滲漏池裝置，滲漏池深0.9 m。每次灌溉后試采集淋溶水樣品。番茄和辣椒的產(chǎn)量采用每個(gè)小區(qū)標(biāo)記10株，每次收獲稱重并記錄產(chǎn)量。淋溶水總氮、可溶性總氮的測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀消解、紫外分光光度法；NO3--N的測(cè)定采用離子色譜法；銨態(tài)氮的測(cè)定采用靛酚藍(lán)比色法。

1.4 氮淋溶量計(jì)算及數(shù)據(jù)處理分析

氮淋溶量由小區(qū)產(chǎn)流體積乘以淋溶液氮濃度獲得。數(shù)據(jù)作圖用Sigmaplot 10.0完成，數(shù)據(jù)顯著性檢驗(yàn)采用SPSS 13.0軟件分析完成。圖表中顯著性差異為不同處理之間的比較，不同字母代表差異達(dá)5%顯著水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理番茄和辣椒季土壤淋溶液硝態(tài)氮濃度

2017年監(jiān)測(cè)期，番茄季土壤淋溶液硝態(tài)氮濃度為191.3～202.4 mg/L，不同處理之間沒(méi)有顯著差異（表2）。辣椒季土壤淋溶液硝態(tài)氮濃度為70.4～97.3 mg/L，TDN+JS和TDN處理分別比HF處理顯著降低27.6%和25.9%（P<0.05）。2018年度番茄季TDN+JS和TDN處理土壤淋溶液硝態(tài)氮濃度分別比HF降低3.1%和6.4%。辣椒季TDN+JS和TDN處理淋溶液硝態(tài)氮濃度分別比HF處理降低7.1%和9.1%。番茄季土壤淋溶液硝態(tài)氮濃度明顯高于辣椒季。

表2 試驗(yàn)期不同處理淋溶液的硝態(tài)氮濃度 （mg/L）

2.2 不同處理番茄和辣椒季硝態(tài)氮淋溶量

表3 為試驗(yàn)期間不同蔬菜季硝態(tài)氮淋溶量。2017年度，番茄季不同處理硝態(tài)氮淋溶量為57.4～63.9 kg/hm2，不同處理之間差異不顯著。辣椒季不同處理硝態(tài)氮淋溶量為29.7～56.3 kg/hm2，TDN和HF處理硝態(tài)氮淋溶量沒(méi)有顯著性差異，TDN+JS處理硝態(tài)氮淋溶量比HF處理顯著降低47.2%（P<0.05）。2017年度番茄和辣椒季硝態(tài)氮總淋溶量為87.1～120.2 kg/hm2。全年TDN+JS處理硝態(tài)氮淋溶量比HF處理顯著降低27.5%。

表3 不同處理番茄和辣椒季的硝態(tài)氮淋溶量 （kg/hm2）

2018年度，番茄季硝態(tài)氮淋溶量為70.6～88.6 kg/hm2，TDN+JS處理最低，不同處理之間差異不顯著。辣椒季TDN+JS處理硝態(tài)氮淋溶量比HF和TDN處理顯著降低。綜合2個(gè)蔬菜季，TDN+JS處理比HF和TDN處理硝態(tài)氮淋溶量分別降低24.2%和16.3%。

2.3 不同形態(tài)氮素淋溶特征

表4 為2018年各處理土壤淋溶液不同氮形態(tài)的淋溶量。不同處理總氮淋溶量為155.2～194.4 kg/hm2，TDN+JS處 理比HF處理顯著降低20.2%?？扇苄钥偟苋芰繛?19.8～152.6 kg/hm2，TDN+JS處理比HF和TDN處理顯著降低21.5%和13.9%。硝態(tài)氮淋溶量占總氮淋溶量的69.1%～73.1%，可溶性總氮占總氮淋溶量的77.2%～79.3%。銨態(tài)氮淋溶比率較小，在不同處理中占總氮淋溶比率為0.15%～0.19%。

2.4 不同處理灌水量及灌溉水氮素輸入特征

表5 為試驗(yàn)期間每季蔬菜灌溉水量及氮素輸入量。監(jiān)測(cè)期間2018年取4次灌溉水樣品，硝態(tài)氮平均含量為35.9 mg/L，總氮平均含量為38.1 mg/L。根據(jù)灌溉水氮的平均含量及灌水量計(jì)算灌溉氮輸入量。2017年番茄和辣椒季HF和TDN處理灌水量為273.4 mm，TDN+JS處理為191.4 mm。2018年HF和TDN處 理 灌 水 為308.7 mm，TDN+JS處 理 為215.8 mm。2017和2018年不同處理灌溉水年輸入總氮量為72.9～117.6 kg/hm2，硝態(tài)氮年輸入量為68.6～110.7 kg/hm2。

表4 2018年兩個(gè)蔬菜季不同形態(tài)氮淋溶特征

表5 試驗(yàn)期不同處理灌溉水量及氮輸入量

2.5 不同處理番茄和辣椒產(chǎn)量

圖1 2個(gè)年度不同處理番茄和辣椒產(chǎn)量

圖1 為2017和2018年度不同處理番茄和辣椒產(chǎn)量。2017年不同處理番茄產(chǎn)量為49.6～50.8 t/hm2，2018年不同處理番茄產(chǎn)量為33.0～33.7 t/hm2，各處理之間差異不顯著。2017年不同處理辣椒產(chǎn)量為17.6～18.7 t/hm2，2018年不同處理辣椒產(chǎn)量為19.6～19.8 t/hm2，不同處理辣椒產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異。番茄和辣椒的產(chǎn)量表現(xiàn)出年度差異，2018年番茄產(chǎn)量整體降低，而2018年辣椒產(chǎn)量比2017年略有提高。

3 討論

設(shè)施蔬菜種植追求高的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，農(nóng)戶習(xí)慣增加水肥投入，從而造成菜田土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅扛?，進(jìn)而增加淋溶風(fēng)險(xiǎn)［13］。本研究2個(gè)年度番茄和辣椒輪作不同處理硝態(tài)氮年淋溶量為87.1～141.5 kg/hm2，低于一些設(shè)施菜田硝態(tài)氮淋溶的研究報(bào)道。山東壽光設(shè)施蔬菜農(nóng)田的研究表明，1 m深度土壤淋溶液硝態(tài)氮的淋溶量為152.0～347.0 kg/hm2。在江蘇宜興番茄-黃瓜-芹菜輪作模式硝態(tài)氮年淋溶量達(dá)163.4～249.2 kg/hm2［14-15］。一些蔬菜種植區(qū)氮肥長(zhǎng)期過(guò)量施用，其灌溉水輸入的氮素不可忽視，在華北地區(qū)較多的研究表明，菜區(qū)農(nóng)村地下灌溉水硝態(tài)氮含量較高，山東壽光部分水井灌溉水硝態(tài)氮含量最高超200 mg/L［16-17］。試驗(yàn)點(diǎn)灌溉水總氮年輸入量為68.6～110.7 kg/hm2，一方面反映了菜區(qū)地下水硝態(tài)氮污染嚴(yán)重，另一方面，灌溉水中的氮輸入增加了菜田氮養(yǎng)分輸入，加劇了設(shè)施菜田的氮素淋溶，灌溉水氮素養(yǎng)分的輸入需要在養(yǎng)分管理中進(jìn)行考慮。隨著設(shè)施大棚種植年限的增加，蔬菜大棚土壤硝態(tài)氮的累積會(huì)不斷增加［18-19］，而其硝態(tài)氮淋溶量也會(huì)不斷增加。2018年度硝態(tài)氮平均淋溶量比2017年增加21.1%，也初步說(shuō)明隨著種植年限的增加，設(shè)施番茄和辣椒菜田硝態(tài)氮的淋溶風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加。本研究硝態(tài)氮淋溶量占總氮淋溶量的69.1%～73.1%，低于習(xí)斌等［8］在北京昌平玉米農(nóng)田的研究結(jié)果，兩個(gè)玉米生長(zhǎng)周期不同處理硝態(tài)氮占總氮淋溶比率平均分別為89.9%和78.7%。張宏威等［20］研究結(jié)果表明，設(shè)施菜田土壤0～180 cm可溶性有機(jī)氮含量范圍為29.1～88.9 mg/kg，占可溶性總氮的27%～50%。高的土壤有機(jī)氮含量可能是導(dǎo)致設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮淋溶比率較低的原因之一。

有機(jī)肥含有一定比例的氮素，在高量施用條件下，會(huì)增加菜田土壤硝態(tài)氮?dú)埩艏跋鯌B(tài)氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)［21-22］。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。郝小雨等［9］研究3/4化肥+1/4有機(jī)肥設(shè)施番茄經(jīng)濟(jì)效益最高，有機(jī)肥替代氮肥處理硝態(tài)氮淋溶量比化肥處理也顯著降低。本研究在設(shè)施番茄和辣椒季，均用40%有機(jī)肥氮替代化肥氮，監(jiān)測(cè)期土壤淋溶液總氮、可溶性總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮淋溶量均有所降低，其中硝態(tài)氮淋溶量平均降低11.4%。有機(jī)肥替代氮肥處理番茄和辣椒的產(chǎn)量相比于化肥處理，產(chǎn)量沒(méi)有降低，說(shuō)明在40%有機(jī)替代氮肥條件下，實(shí)現(xiàn)了畜禽廢棄物的資源化利用及菜田化學(xué)氮肥投入的降低。

滴灌施肥可以提高水分和肥料的利用效率，與覆膜結(jié)合還可以減少水分蒸發(fā)損失，降低溫室內(nèi)濕度和溫室蔬菜的病害，提高蔬菜的品質(zhì)。在滴灌施肥方式下，增加灌水量可以提高黃瓜的株高、葉面積、干物質(zhì)量和產(chǎn)量［23］。番茄和辣椒在有機(jī)替代氮肥基礎(chǔ)上，通過(guò)滴灌節(jié)水30%，氮素淋溶量比化肥處理顯著降低，2個(gè)年度硝態(tài)氮淋溶量平均降低25.9%，說(shuō)明在本地區(qū)設(shè)施番茄和辣椒菜田，通過(guò)有機(jī)肥替代氮肥及適當(dāng)節(jié)水灌溉，能夠有效降低菜田氮素淋溶，同時(shí)保持蔬菜產(chǎn)量。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)2個(gè)年度設(shè)施番茄和辣椒菜田的研究表明，不同試驗(yàn)處理硝態(tài)氮年淋溶量為87.1～141.5 kg/hm2，硝態(tài)氮淋溶量占總氮淋溶量的69.1%～73.1%。通過(guò)有機(jī)肥替代氮肥40%及滴灌條件下的節(jié)水灌溉，2個(gè)年度硝態(tài)氮淋溶量平均降低25.9%。2個(gè)年度不同處理番茄和辣椒的產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明有機(jī)肥替代氮肥及適當(dāng)?shù)墓?jié)水灌溉能有效降低本地區(qū)設(shè)施番茄和辣椒農(nóng)田的氮素淋溶。