化肥減量施用對蔬菜地氮素流失控制及小白菜生長的影響

孟凡非，康鐵東，楊 成，付 雨，鄒 杰，王漢超

(1. 貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025；2. 貴州省職業(yè)教育公共實訓(xùn)中心，貴陽 551400；3.貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，貴陽 551400)

【研究意義】化肥的使用很大程度促進了我國農(nóng)作物產(chǎn)量的提高，但是化肥也是造成我國土壤氮素面源污染的主要原因之一[1]。大量化肥的使用不僅增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，還降低肥料的利用率[2]，造成資源浪費以及水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[3-5]。因此，合理施肥對改良土壤理化性質(zhì)及提高土壤肥力具有重要意義[6]。【前人研究進展】我國蔬菜種植面積較大，從2009年的1.67×107hm2擴大到2017年的2.00×107hm2，增幅20%；蔬菜產(chǎn)量也在增長，從2009年的5.53×108t增加到2017年的6.92×108t，增幅25%[7]。隨著蔬菜種植面積的不斷擴大，化肥投入量也不斷增加，如蔬菜地化肥施用量1998年到2014年間增加2.1倍[8]。化肥存在過量施用問題[9-10]，化肥的大量施用，一方面造成化肥利用率降低，如部分地區(qū)氮肥利用率低于10%[11-13]；另一方面導(dǎo)致蔬菜硝酸鹽積累，維生素含量降低[14-15]?！颈狙芯壳腥朦c】目前，大部分研究主要通過土柱淋溶試驗探究化肥減量對氮素淋溶流失量的影響[16]，部分研究者通過動力學(xué)模型等方式計算化肥中的氮素的流失量[17]，綜合考慮化肥減量下的淋溶氮素流失情況，而結(jié)合地上作物產(chǎn)量及品質(zhì)進行化肥減量研究的較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】在考慮蔬菜產(chǎn)量及品質(zhì)不降低的前提下，探討化肥減施對氮素流失的控制效果和對蔬菜產(chǎn)量品質(zhì)的影響，尋求最佳的化肥減施量，為蔬菜種植地化肥的合理使用及污染控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土壤采自貴州省貴陽市花溪區(qū)黨武鄉(xiāng)連續(xù)種植多年的蔬菜種植地，土壤較肥沃，pH 6.85，電導(dǎo)率為228 μS/cm，有機質(zhì)含量為87.25 g/kg，總氮含量為1.68 g/kg。將采集的土壤混合均勻，過5 mm土壤篩后使用。復(fù)合肥為湖北某肥業(yè)股份有限公司生產(chǎn)，氮含量為25%。試驗容器為聚乙烯塑料盆，長50 cm,寬40 cm,高30 cm，每盆裝土60 kg。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 在當(dāng)?shù)厥卟说貍鹘y(tǒng)氮肥施用量250 kg/hm2的基礎(chǔ)上進行減量施肥盆栽試驗，共設(shè)6個處理。處理1：100%傳統(tǒng)施肥量，施用復(fù)合肥250 kg/hm2；處理2：80%傳統(tǒng)施肥量，施用復(fù)合肥200 kg/hm2；處理3：60%傳統(tǒng)施肥量，施用復(fù)合肥150 kg/hm2；處理4：40%傳統(tǒng)施肥量，施用復(fù)合肥100 kg/hm2；處理5：20%傳統(tǒng)施肥量，施用復(fù)合肥50 kg/hm2；處理6：不施肥(CK)，每個處理3次重復(fù)。肥料施用量根據(jù)盆栽面積及化肥氮含量計算，處理1～5復(fù)合肥的施加量分別為20、16、12、8和4 g/盆。將復(fù)合肥均勻施加到土壤中后，各處理均噴灑少量水，施肥5 d后將小白菜種子均勻種植于盆中，再噴灑少量水以保證土壤濕潤，便于種子的發(fā)芽，所有處理灑水量相同。播種后每7 d利用模擬降雨裝置進行淋溶澆灌，每次淋溶量為2.5 L/盆。當(dāng)小白菜生長到 6～7葉時，每盆保留40株生長基本一致的健康小白菜植株用于生長指標(biāo)的測定[18]。

1.2.2 樣品測定 采集播種后7、14、21、28、35、42 d的淋溶液，用量筒量取體積，一部分過濾后測定氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，另一部分測定總氮含量。在播種后50 d每盆選取長勢相同的5株小白菜樣品，測量其鮮重、株高、維生素C和硝態(tài)氮含量[19-20]。根據(jù)測定數(shù)據(jù)計算氮素流失量、總氮表觀流失率、總氮凈流失率、氮素流失削減率。

總氮流失量(kg/hm2)=

總氮凈流失率(%)=

氮素淋失削減率(%)=

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理，Origin 9.0進行圖件的繪制，SPSS 18.0進行方差分析(One-way ANOVA)和Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 化肥減量施用對氮素流失量及流失率的影響

2.1.1 氮素流失量 從圖1看出，氨態(tài)氮流失量遠(yuǎn)低于硝態(tài)氮，氨態(tài)氮和硝態(tài)氮流失量分別在0.36～1.17和8.88～28.17 kg/hm2。隨著施肥量的降低，氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的流失量均呈逐漸降低趨勢，施肥量為100%時氨態(tài)氮流失量分別是施肥量為80%、60%、40%、20%和CK的1.14、1.38、1.80、2.29、3.25倍，是硝態(tài)氮流失量的1.20、1.68、2.12、2.60、3.17倍，表明減少化肥的施用可明顯減少蔬菜地氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的流失量?？偟牧魇Я吭?0.30～32.66 kg/hm2，當(dāng)施肥量為100%時，總氮的流失量為32.66 kg/hm2；當(dāng)施肥量依次減少20%、40%、60%、80%、100%時，總氮流失量分別減少5.46、12.18、17.59、20.03 和22.37 kg/hm2，表明減少化肥的用量可以顯著減少總氮的流失量。對比分析發(fā)現(xiàn)，淋溶液中氨態(tài)氮占總氮比例為3.45%～4.34%，硝態(tài)氮占總氮的比例為81.98%～88.25%，說明減少硝態(tài)氮的流失是控制氮素流失的有效方式。

不同小字母表示差異顯著(P<0.05),下同Different lowercase letters indicate significance of difference at P<0.05 level,the same as below.圖1 不同處理淋溶液的氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮的流失量Fig.1 Loss of ammonia nitrogen, nitrate nitrogen and total nitrogen under different treatments

2.1.2 總氮的流失率 從圖2看出，當(dāng)施肥量從100%減少到40%時，總氮表觀流失率變化不大，在13.06%～15.08%；當(dāng)施肥量減少至20%時，總氮表觀流失率提高至25.26%，表明化肥的總氮表觀流失率和化肥的使用量及土壤氮素含量有關(guān)，當(dāng)施肥量較高時，總氮表觀流失率受施肥量影響較大，當(dāng)施肥量較小時，總氮表觀流失率受土壤中氮素含量影響較大?？偟獌袅魇试?.66%～8.94%，隨著施肥量的降低呈逐漸降低的趨勢，表明減少化肥的施用，可以降低總氮的凈流失率?？偟苁鳒p率在16.06%～68.02%，隨施肥量的降低，總氮淋失削減率逐漸升高；當(dāng)施肥量從100%降至80%時，總氮流失削減率為16.16%；施肥量降低到60%時，總氮流失削減率是80%的2.27倍，大大降低了總氮的流失。

2.2 化肥減量施用對蔬菜生長及品質(zhì)的影響

從表1看出，與CK相比，各施肥處理小白菜的株高和鮮重均隨著施肥量的降低呈先升高后下降趨勢，施肥量在100%～60%時，小白菜的株高和鮮重均隨著施肥量的降低而增加，株高和鮮重均以60%時的最高，分別為26.00 cm和15.51 g/株；而施肥量低于60%時則隨著施肥量的降低而降低。說明，施肥量過高或過低都不利于植物的生長，施肥量過高會抑制作物對養(yǎng)分的平衡吸收，導(dǎo)致作物萎蔫等問題；當(dāng)施肥量較低時，滿足不了植物對養(yǎng)分的需求，導(dǎo)致作物生長緩慢[21]。硝酸鹽含量是評價蔬菜衛(wèi)生安全品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)之一，人體通過食物攝入的硝酸鹽有81.2%來源于蔬菜[22]。小白菜硝態(tài)氮含量隨著化肥的減量呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，表明減少化肥的施用可以顯著減少小白菜中硝酸鹽含量。維生素C含量反應(yīng)蔬菜的營養(yǎng)品質(zhì)[23]，與CK相比，施肥能一定程度提高小白菜中維生素C的含量。其中，施肥量為40%的維生素C含量最高，為284.14 mg/kg，隨著化肥用量的降低，小白菜維生素C含量呈先上升后降低的趨勢。

2.3 化肥施用量、蔬菜產(chǎn)量品質(zhì)與氮素流失量間的相關(guān)性

表2看出，施肥量與小白菜硝態(tài)氮含量呈極顯著正相關(guān)，與維生素C含量呈顯著負(fù)相關(guān)，表明隨著化肥施用量的增加小白菜硝態(tài)氮含量增加，維生素C含量降低，小白菜品質(zhì)降低；施肥量與總氮流失量間呈極顯著正相關(guān)，表明施肥量越高總氮流失量越大；施肥量與小白菜產(chǎn)量間相關(guān)性不顯著，表明小白菜產(chǎn)量并不隨著施肥量的增加而增加。

圖2 化肥減量施用不同處理總氮的流失率Fig.2 Total nitrogen loss under different chemical fertilizer reduction treatments

表1 不同處理小白菜的株高、鮮重、硝態(tài)氮和維生素C含量

表2 施肥量與小白菜產(chǎn)量、品質(zhì)及氮素流失量間的相關(guān)性

3 討 論

淋溶液中氮素流失量受施肥量影響較大，化肥的不合理施用是造成蔬菜地氮素大量流失的主要原因，且化肥施用量與氮素流失量呈顯著正相關(guān)[24]。由于化肥的不合理施用，使得每年有超過1.00×107t的氮素流失[25]，不僅會造成資源浪費，還對環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，造成水環(huán)境污染等問題[1]。夏紅霞等[26]發(fā)現(xiàn)，化肥流失量和施用量呈顯著正相關(guān)，這與本研究得出的結(jié)論相一致。淋溶液中氮素主要以可溶性氮為主，其中硝態(tài)氮為主要氮形態(tài)。不同形態(tài)氮素自身的電荷特性也會影響氮素的流失，硝態(tài)氮帶負(fù)電荷，土壤膠體表面也帶有負(fù)電荷，而氨態(tài)氮帶有正電荷，易于被土壤所吸附，因此硝態(tài)氮相比于氨態(tài)氮更易于流失。

化肥的過量施用使得小白菜產(chǎn)量和品質(zhì)降低，為了保證小白菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，可以適當(dāng)降低化肥的施用量。本研究發(fā)現(xiàn)，施肥量為150 kg/hm2時(60%)，小白菜產(chǎn)量和維生素C含量均較高。嚴(yán)瑾等[27]研究發(fā)現(xiàn)，小白菜的生長所需的最佳施氮量為130～180 kg/hm2，這與本研究的結(jié)論相一致。太湖地區(qū)蔬菜地化肥減施40%蔬菜產(chǎn)量提高8.96%，且維生素含量最高[28]。張國紅[29]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施肥量超過蔬菜最大需肥量時，蔬菜產(chǎn)量呈不同程度的下降。聶勝委等[30]研究發(fā)現(xiàn)，化肥連續(xù)2季減施20%作物產(chǎn)量不減，進一步表明適當(dāng)減少化肥的施用不會降低作物產(chǎn)量。薛世通等[31]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施氮量減少90 kg/hm2時可以顯著增加作物產(chǎn)量，達到減氮增效的目的。

施肥是導(dǎo)致小白菜硝酸鹽含量提高的重要因素，小白菜硝態(tài)氮含量和施肥量具有正相關(guān)關(guān)系[32]。蔬菜作物極易富集硝酸鹽[22]，人體攝入的硝酸鹽有70%～85%來源于蔬菜[33]。硝酸鹽進入人體后，可被體內(nèi)的亞硝化細(xì)菌還原成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽可能會與二甲胺、三甲胺結(jié)合，產(chǎn)生的亞硝銨是強致癌物質(zhì)，誘發(fā)一系列疾病，比如食道癌、胃癌等[34]。孫金德[35]發(fā)現(xiàn)硝酸鹽本身對人體傷害不大，但是硝酸鹽進入人體后被還原成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽進入血液后與人體內(nèi)的亞鐵離子結(jié)合，使血液中的亞鐵離子無法運載氧氣，造成缺氧的癥狀。維生素C含量的高低也是衡量蔬菜品質(zhì)的重要指標(biāo)，由于人體自身不能合成維生素C，其所需的維生素C主要來源于蔬菜[35]。施肥量對作物維生素C含量產(chǎn)生影響，適當(dāng)施肥可以提高作物維生素C的含量，當(dāng)施肥量過高時，作物維生素C含量又呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢[36]。王榮萍等[37]發(fā)現(xiàn)，過量施用氮肥造成小白菜中硝酸鹽含量的升高，使得小白菜品質(zhì)下降?；实倪m當(dāng)減量施用不僅可以增加小白菜的產(chǎn)量，提高肥料的利用率，還可提高小白菜的品質(zhì)。當(dāng)化肥施用量過高時，一方面會抑制小白菜的生長，使得小白菜產(chǎn)量降低，另一方面會造成大量的氮素隨淋溶液流失，使得肥料利用率降低。

4 結(jié) 論

氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮的流失量均隨著施肥量的減少逐漸降低，減少40%化肥的施用，總氮流失量比100%減少12.18 kg/hm2，硝態(tài)氮減少11.38 kg/hm2。淋溶液中硝態(tài)氮占總氮的比例最高，為81.98%～88.25%，氨態(tài)氮僅占3.45%～4.34%，因此減少硝態(tài)氮的流失是控制氮素流失的有效方式。施肥量與總氮流失量呈極顯著正相關(guān)，減少化肥的施用可以降低總氮的流失量與凈流失率。小白菜的株高和鮮重均隨著施肥量的降低呈先升高后下降趨勢，施肥量為傳統(tǒng)施肥量的60%時株高和鮮重均最高。施肥量與小白菜硝態(tài)氮間呈極顯著正相關(guān)，減少化肥的施用可以顯著減少小白菜中硝酸鹽含量。小白菜維生素C含量隨著化肥用量的降低呈先上升后降低的趨勢，維生素C含量以化肥減量40%的處理最高。