甘藍(lán)—二月蘭輪作模式下化肥減施對(duì)甘藍(lán)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

馮偉，胡文娟，劉振宇，智健飛，謝楠，高玉霞，劉雅禎*，劉忠寬*

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所/河北省肥料工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050051；2.張家口市崇禮區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 張家口 076350）

農(nóng)業(yè)面源污染，又稱農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，污染物在降水和徑流沖刷作用下，通過農(nóng)田地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲漏，進(jìn)入河流、湖泊、水庫、海灣等水體而引起的污染。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活活動(dòng)引起的農(nóng)業(yè)面源污染，已成為水環(huán)境污染最重要的來源[1]。資料顯示，中國(guó)受農(nóng)業(yè)面源污染影響的耕地面積有近2 000萬hm2，過量使用化肥是造成農(nóng)田面源污染的主要原因[1，2]。2015年我國(guó)農(nóng)田化肥總施用量達(dá)6 022.6萬t；單位面積施用量為490 kg/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家的安全施用標(biāo)準(zhǔn)（225 kg/hm2）[3]。究其原因是我國(guó)化肥利用率僅30%～40%，大量剩余的化肥被淋洗或通過徑流損失，平均每年流失的氮肥量達(dá)170萬t[4]以上。因此，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染防治技術(shù)研究已迫在眉睫。

綠肥為清潔的有機(jī)肥源，是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華，也是生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，具有提高土壤肥力、改善土壤環(huán)境質(zhì)量、防止水土流失、抑制揚(yáng)塵和雜草、改善生態(tài)環(huán)境的功能，對(duì)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)面源污染削減、農(nóng)田生態(tài)環(huán)境改善、耕地用養(yǎng)結(jié)合、農(nóng)產(chǎn)品提質(zhì)增效等具有獨(dú)特且有效的作用[5，6]。水為人類生存和發(fā)展的重要資源，保護(hù)水資源免受污染是當(dāng)前面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)[7，8]。張家口地區(qū)是京津冀重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，也是錯(cuò)季蔬菜的主要生產(chǎn)區(qū)[9，10]，2017年全市蔬菜種植面積為10.31萬hm2，產(chǎn)量達(dá)570.31萬t，每年向北京供應(yīng)錯(cuò)季蔬菜約200萬t[11，12]。崇禮區(qū)主要錯(cuò)季蔬菜為甘藍(lán)、花椰菜和架豆，因多年蔬菜種植中施肥以化肥為主，土壤生態(tài)環(huán)境有惡化趨勢(shì)，對(duì)下游官?gòu)d水庫的水質(zhì)具有重要影響[11]。輪作休耕制度是探索藏糧于地、藏糧于技的具體實(shí)現(xiàn)途徑，對(duì)推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展意義重大。蔬菜輪作可以提高土壤細(xì)菌群落多樣性和微生物多樣性，有利于發(fā)揮改良土壤營(yíng)養(yǎng)循環(huán)和防治土壤病蟲害的作用[13]。劉玉華等[14]利用土地當(dāng)量比對(duì)不同種植方式的土地利用效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，輪作的土地利用效率較單作提高21%。當(dāng)前綠肥應(yīng)用的主要目的是在主作物生長(zhǎng)周期下，將綠肥納入現(xiàn)有種植制度，實(shí)現(xiàn)綠肥與主作物合理搭配以及在主作物—綠肥模式基礎(chǔ)上重建施肥結(jié)構(gòu)和方式，充分發(fā)揮綠肥的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)功能。二月蘭具有抗寒、抗旱的優(yōu)良特性，是我國(guó)北方地區(qū)很好的冬季綠肥。將二月蘭納入崇禮甘藍(lán)種植模式，建立良好的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)張家口錯(cuò)季蔬菜綠色生產(chǎn)模式創(chuàng)建、減輕露地菜田土壤養(yǎng)分流失、削減潛在土壤面源污染等非常必要。

在進(jìn)入受納水域前，源頭和過程控制可以將大部分氮和磷從農(nóng)業(yè)徑流中清除，從而降低源頭的排放和污染負(fù)荷[15]。目前張家口地區(qū)錯(cuò)季蔬菜技術(shù)措施主要有農(nóng)藝措施[16～18]和品種篩選[19]等，但鮮有與綠肥搭配種植的報(bào)道。通過化肥減施和二月蘭嵌入單季甘藍(lán)種植模式，探索甘藍(lán)—二月蘭輪作模式下化肥減施對(duì)甘藍(lán)產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分含量和種植經(jīng)濟(jì)效益的影響，以期建立張家口地區(qū)錯(cuò)季蔬菜—冬綠肥輪作模式下的優(yōu)化施肥技術(shù)，為降低或減緩常年連作的露地菜田面源污染風(fēng)險(xiǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年7月～2019年8月在張家口市崇禮區(qū)白旗鄉(xiāng)上窩鋪村進(jìn)行。張家口市崇禮區(qū)屬溫帶大陸性氣候，土壤類型為次生黃土淡栗鈣土，多年平均降水量為387 mm，是張家口地區(qū)降水最多的區(qū)域[10]。試驗(yàn)前，0～20 cm基礎(chǔ)土壤（foundation soil，F(xiàn)T）的養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)31.99 g/kg、堿解氮177.27 mg/kg、速效磷191.28 mg/kg、速效鉀203.24 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

甘藍(lán)品種為中甘15，株行距均為35 cm。二月蘭種子由河北桑梓農(nóng)業(yè)科技有限公司提供?；史N類有磷酸二銨（N含量18%、P2O5含量46%，美國(guó)嘉吉磷肥工業(yè)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)）和尿素（N含量46%，內(nèi)蒙古鄂爾多斯化學(xué)工業(yè)有限公司生產(chǎn)）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2017年開始進(jìn)行露地環(huán)境下錯(cuò)季蔬菜（甘藍(lán)）與冬綠肥（二月蘭）輪作模式替代一年一季錯(cuò)季蔬菜（甘藍(lán)）模式的試驗(yàn)，主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2017年7月28日播種二月蘭—2018年6月1日二月蘭粉碎還田（還田量17.5 t/hm2）—2018年6月7日定植甘藍(lán)幼苗—2018年7月31日收獲甘藍(lán)—2018年8月3日播種二月蘭—2019年5月30日二月蘭粉碎還田（還田量17.5 t/hm2）—2019年6月5日定植甘藍(lán)幼苗—2019年8月2日收獲甘藍(lán)。

試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理（表1），小區(qū)面積20 m2，采用隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。施肥量基準(zhǔn)為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)施肥量，磷酸二銨作為底肥一次性施入，旋耕深度15 cm。6月初選健壯甘藍(lán)幼苗移栽至大田，株距33 cm、行距35 cm，種植密度86 625株/hm2，之后澆緩苗水900 m3/hm2；15 d后再澆水1次，澆水量900 m3/hm2，并一次性追施尿素；其他田間管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)。甘藍(lán)收獲后立即行播二月蘭，行距20 cm，播種量30 kg/hm2，播種深度1～2 cm，播后及時(shí)鎮(zhèn)壓；翌年5月底粉碎還田。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的不同處理及其化肥施用量Table 1 Experimental treatments and fertilization amounts

1.3.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.2.1 甘藍(lán)產(chǎn)量。7月底至8月初分批次全小區(qū)收獲甘藍(lán)，用1/10天平現(xiàn)場(chǎng)稱量商品產(chǎn)量。折算為單位面積產(chǎn)量。

1.3.2.2 土壤養(yǎng)分含量。2019年5月30日二月蘭粉碎還田前，取土壤樣品測(cè)定養(yǎng)分含量。其中，有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；堿解氮含量測(cè)定采用1 mol/L NaOH擴(kuò)散法；有效磷含量測(cè)定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀含量測(cè)定采用火焰光度計(jì)法[21]。

1.3.2.3 植株養(yǎng)分含量。分別于2018年和2019年的5月底，每小區(qū)選長(zhǎng)勢(shì)均勻的二月蘭1 m2，貼地面刈割，用1/10天平稱量地上部鮮重；取0.25 m2稱量鮮重，105℃殺青后80℃烘干至恒重，稱量干重。植株樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消煮，采用凱式定氮儀測(cè)定全氮含量；采用釩鉬黃比色法測(cè)定全磷含量；采用火焰光度法測(cè)定全鉀含量[20]。

1.3.2.4 經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)。根據(jù)公式，計(jì)算得到甘藍(lán)—二月蘭輪作模式的各經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)：

肥料成本（元/hm2）=肥料施用量（t/hm2）×單價(jià)（元/t）

機(jī)械成本（元/hm2）=二月蘭播種成本＋甘藍(lán)整地成本

其他費(fèi)用（元/hm2）=綠肥種子費(fèi)用＋甘藍(lán)種子費(fèi)用＋育秧成本＋人工費(fèi)用＋水電費(fèi)用

總投入（元/hm2）=肥料成本＋機(jī)械成本＋其他費(fèi)用

甘藍(lán)收益（元/hm2）＝甘藍(lán)產(chǎn)量（t/hm2）×甘藍(lán)價(jià)格（元/t）

二月蘭養(yǎng)分價(jià)值（元/hm2）＝生物量干重（t/hm2）×植株N含量（mg/kg）×尿素單價(jià)（元/kg）/（0.46×106）+生物量干重（t/hm2）×植株P(guān)2O5含量（mg/kg）×過磷酸鈣單價(jià)（元/kg）/（0.12×106）＋生物量干重（t/hm2）×植株K2O含量（mg/kg）×硫酸鉀單價(jià)（元/kg）/（0.50×106）＋生物量干重（t/hm2）×植株有機(jī)碳含量（g/kg）×1.724×有機(jī)肥單價(jià)（元/kg）/1 000

總收益（元/hm2）=甘藍(lán)收益＋二月蘭養(yǎng)分價(jià)值

經(jīng)濟(jì)效益（元/hm2）＝總收益-總投入

產(chǎn)投比＝總收益/總投入

二月蘭養(yǎng)分蓄積量（kg/hm2）＝二月蘭鮮草產(chǎn)量（kg/hm2）×干鮮比×植株養(yǎng)分（mg/kg）×10-6

二月蘭蓄水價(jià)值＝［地上部鮮重（t/hm2）×地上部含水量（%）＋地下部鮮重（t/hm2）×地下部含水量（%）］×水資源單價(jià)（元/t）[22]

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與分析 利用Excel 2007軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，利用SPSS 17.0軟件采用Tukey法進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘藍(lán)—二月蘭輪作模式下化肥減施對(duì)甘藍(lán)產(chǎn)量的影響

與CK相比，GM＋100%處理的甘藍(lán)產(chǎn)量提高了6.37%，GM＋90%和GM＋80%處理的甘藍(lán)產(chǎn)量分別降低了3.48%和6.07%，但差異均不顯著；GM＋70%處理的甘藍(lán)產(chǎn)量降低了18.81%，差異達(dá)顯著水平；GM處理的甘藍(lán)產(chǎn)量降低了60.45%，差異達(dá)極顯著水平（表2）。說明二月蘭嵌入甘藍(lán)單季農(nóng)作制度后，與傳統(tǒng)施肥相比，化肥減施量不超過20%不會(huì)造成甘藍(lán)產(chǎn)量顯著降低；不施化肥會(huì)導(dǎo)致甘藍(lán)產(chǎn)量劇減，二月蘭全部替代化肥不可行。

表2 不同處理對(duì)甘藍(lán)產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of different treatments on the yield of cabbage

2.2 甘藍(lán)—二月蘭輪作模式下化肥減施對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

與基礎(chǔ)土壤（FT）相比，只施用化肥的傳統(tǒng)施肥（TF100%）處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和有效鉀含量影響均不大（圖1～4）。二月蘭嵌入甘藍(lán)單季農(nóng)作制度后，不同化肥施用量處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量均＞FT，增幅為0.77%～10.97%，這可能與二月蘭還田后土壤有機(jī)碳含量增加有關(guān)，其中GM＋90%、GM＋80%和GM＋70%處理效果明顯；堿解氮、有效磷和有效鉀含量均顯著＜FT，降幅分別為6.03%～11.48%、13.98%～48.13%和9.36%～20.82%。

與CK相比，二月蘭嵌入甘藍(lán)單季農(nóng)作制度后，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，堿解氮、有效磷和有效鉀含量降低，但不同化肥量處理的效果存在較大差異。GM＋100%、GM＋90%、GM＋80%、GM＋70%和GM處理下，土壤有機(jī)質(zhì)含量分別較CK增加了5.34%、9.13%、10.12%、9.54%和2.05%，其中GM＋90%、GM＋80%和GM＋70%處理指標(biāo)值較高，三者差異不顯著，但均顯著＞CK；土壤堿解氮含量分別較CK降低了10.49%、6.89%、5.28%、4.98%和7.94%，指標(biāo)值除GM＋100%處理顯著＜CK外，其他處理與CK差異均不顯著；土壤有效磷含量分別較CK降低了44.52%、35.99%、33.98%、7.99%和36.70%，指標(biāo)值除GM＋70%處理與CK差異不顯著外，其他處理均顯著＜CK；土壤速效鉀含量分別較CK降低了11.47%、11.47%、10.36%、7.22%和18.95%，差異均達(dá)到顯著水平，其中GM＋100%、GM＋90%和GM＋80%處理指標(biāo)值較低，三者差異不顯著，且均與指標(biāo)值最低（GM）處理差異也不顯著。總體來看，二月蘭嵌入甘藍(lán)單季農(nóng)作制度后化肥減施10%和20%效果較好，與傳統(tǒng)施肥相比，可在有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的同時(shí)，明顯降低土壤有效磷和速效鉀含量，其中化肥減施20%較為經(jīng)濟(jì)。

圖1 不同處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.1 Effects of different treatments on soil organic matter content

圖2 不同處理的土壤堿解氮含量Fig.2 Effects of different treatments on soil alkaline hydrolytic nitrogen content

圖3 不同處理的土壤有效磷含量Fig.3 Effects of different treatments on soil available phosphorus content

圖4 不同處理的土壤速效鉀含量Fig.4 Effects of different treatments on soil available potassium content

2.3 甘藍(lán)—二月蘭輪作模式下化肥減施對(duì)甘藍(lán)經(jīng)濟(jì)效益的影響

與CK相比，二月蘭嵌入甘藍(lán)單季農(nóng)作制度后，折合化肥、蓄水、有機(jī)質(zhì)的收益分別為1 644、14.65和2 353.26元/hm2，3項(xiàng)合計(jì)生態(tài)收益達(dá)到4 011.91元/hm2；扣除增加的機(jī)械投入900元/hm2、二月蘭種子投入750元/hm2后，二月蘭種植收益為2 361.91元/hm2。說明種植二月蘭可明顯提高生態(tài)收益。

二月蘭嵌入甘藍(lán)單季農(nóng)作制度后，不同化肥量處理的甘藍(lán)收益差異較大，最終經(jīng)濟(jì)效益差異極顯著（表3）。GM＋100%處理的甘藍(lán)收益最高，加上二月蘭的養(yǎng)分和水分效益后，最終經(jīng)濟(jì)效益最高且與其他處理差異均達(dá)到了極顯著水平，較CK增加了4 908.89元/hm2，增幅為25.40%；產(chǎn)投比達(dá)到2.09，較CK增加了0.15。化肥減施后甘藍(lán)的收益均＜CK，但加上二月蘭生態(tài)收益后，不同化肥施用量處理的經(jīng)濟(jì)效益較CK增減不一，其中，GM＋90%和GM＋80%的經(jīng)濟(jì)效益略＞CK，分別增加了1 270.03和530.95元/hm2，增幅分別為6.57%和2.75%；GM＋70%和GM處理的經(jīng)濟(jì)效益極顯著＜CK，降幅分別為22.04%和97.32%。可以看出，甘藍(lán)季減施化肥20%是可行的。

3 結(jié)論與討論

研究顯示，露地蔬菜施肥量是糧食作物的2.5倍[24]；因施肥過量而未被蔬菜吸收的多余養(yǎng)分，在灌溉和降水過程中容易隨農(nóng)業(yè)徑流進(jìn)入受納水體（江、河、湖、海）或殘留在土壤中，進(jìn)而引起土壤面源污染等[25～28]。連年耕作后露地菜田的NO3-、SO42-、Cl-等累積也會(huì)造成土壤生理障礙，進(jìn)而影響蔬菜對(duì)Ca、Mg的吸收，造成蔬菜營(yíng)養(yǎng)失衡甚至單鹽毒害[29，30]。目前張家口市崇禮區(qū)錯(cuò)季蔬菜農(nóng)田養(yǎng)分基礎(chǔ)值等級(jí)為Ⅰ級(jí)（極高）或Ⅱ級(jí)（高），與第2次土壤普查時(shí)的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[31]相比存在面源污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

表3 不同處理對(duì)甘藍(lán)經(jīng)濟(jì)效益的影響Table 3 Effects of different treatments on economic benefit of cabbage

貴州省因大量施用化肥和農(nóng)藥而導(dǎo)致的面源污染區(qū)，通過豆類作物或綠肥輪作措施減少化肥和農(nóng)藥施用，避免了同一作物或同一類型作物長(zhǎng)期連作而導(dǎo)致的土壤質(zhì)量下降問題[32]。江西省在冬季種植紫云英的早稻田上每翻壓1 000 kg鮮草減少化學(xué)氮肥（純氮）施用量2 kg，再結(jié)合稻草還田，實(shí)現(xiàn)了提高水稻產(chǎn)量、改土培肥、降低農(nóng)業(yè)面源污染等目標(biāo)[33]。Gustafson等[34]研究表明，主作物生長(zhǎng)季之后種植一季填閑作物，可使土壤積累態(tài)硝態(tài)氮淋溶降低75%。二月蘭具有良好的抗逆性，植株盛花期氮、磷、鉀養(yǎng)分含量高，與一年一季農(nóng)作物具有較好的茬口銜接，是冬閑田優(yōu)良的綠肥作物。本研究結(jié)果表明，實(shí)施二月蘭—甘藍(lán)輪作模式后下茬甘藍(lán)化肥用量較傳統(tǒng)施肥量減施10%和20%，甘藍(lán)產(chǎn)量與傳統(tǒng)施肥相比差異不顯著，且土壤有機(jī)質(zhì)分別提高了9.13%和10.12%，堿解氮含量分別下降了6.89%和5.28%，有效磷含量分別下降了35.99%和33.98%，速效鉀含量分別下降了11.47%和10.36%。彭亞靜等[35]研究發(fā)現(xiàn)，在黃瓜田中種植甜玉米、莧菜和甜高粱3種田閑作物，甜玉米的生物量和吸氮量最大，3 a累積削減0～200 cm土層NO3--N 815.8 kg/hm2，且對(duì)下茬黃瓜產(chǎn)量未造成顯著影響；甜玉米還為農(nóng)民帶來39 467元/hm2的凈收入。本研究中二月蘭嵌入甘藍(lán)單季農(nóng)作制度后，GM＋90%和GM＋80%處理的甘藍(lán)收入雖然較TF100%處理分別降低了1 386.62和2 420.46元/hm2，但加上二月蘭的植株養(yǎng)分、水分和有機(jī)質(zhì)價(jià)值后，總收入較TF100%處理分別增加了2 625.29和1 591.45元/hm2，最終經(jīng)濟(jì)效益分別提高了1 270.04和530.94元/hm2。因此，從生產(chǎn)、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)3個(gè)方面綜合考慮，采用甘藍(lán)—二月蘭輪作模式，在二月蘭還田量17.5 t/hm2條件下，甘藍(lán)季化肥施用量較傳統(tǒng)施肥量減少20%是可行的。北京市農(nóng)田總服務(wù)價(jià)值為120億元，其中生態(tài)服務(wù)價(jià)值為90億元，是產(chǎn)品價(jià)值的3倍[36]；河北省黑龍港地區(qū)不同作物扣除負(fù)效益后綜合服務(wù)功能總價(jià)值為25.18×109元，其中生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值與提供產(chǎn)品功能價(jià)值基本相當(dāng)[22]。在冬綠肥（二月蘭、毛葉苕子）—春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，生態(tài)效益占總服務(wù)功能價(jià)值的79.70%～80.08%，約為直接經(jīng)濟(jì)效益的4倍[37]。崇禮區(qū)為張家口市草原天路景區(qū)的必經(jīng)之地，二月蘭花色艷麗、盛花期長(zhǎng)，有規(guī)劃、成規(guī)模地種植二月蘭對(duì)提升甘藍(lán)栽培區(qū)的觀光、蜂蜜產(chǎn)業(yè)、農(nóng)家樂等生態(tài)附屬產(chǎn)業(yè)價(jià)值意義重大。