我國主要蔬菜的養(yǎng)分吸收和需求特征

李書田 艾 超 何 萍 張佳佳 崔榮宗 魏建林 串麗敏 李明悅 金崇偉

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東濟南 250100；3 北京市農(nóng)林科學(xué)院，北京 100097；4 天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，天津 300192；5 浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江杭州 310058）

近年來我國蔬菜種植面積和產(chǎn)量不斷增加，產(chǎn)量年均增長率約10%，到2016 年蔬菜播種面積約2 313 萬hm，總產(chǎn)量8.25 億t，人均約600 kg，但最近兩年蔬菜種植面積和產(chǎn)量略微有縮減（薛亮等，2021）。與糧食作物相比，種植蔬菜收益高，但投入也高，尤其是肥料投入。根據(jù)2011—2016年《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》，蔬菜生產(chǎn)中化肥和農(nóng)家肥兩項投資費用平均占總成本的39%。部分地區(qū)和蔬菜上養(yǎng)分的投入較多，甚至過量，尤其是在保護地蔬菜上，施肥過量的問題尤為嚴(yán)重。不能被吸收的大量養(yǎng)分排放到環(huán)境中，對生態(tài)環(huán)境也造成了嚴(yán)重威脅。因此，蔬菜的養(yǎng)分需求、管理和科學(xué)施肥對協(xié)調(diào)我國蔬菜產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟與環(huán)境效益，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要性和緊迫性。

我國蔬菜種類繁多，其中2/3 以上是葉菜類、根莖類、茄果類、蔥蒜類，分別占蔬菜種植面積的20.8%、16.9%、19.6%和10.9%（中華人民共和國農(nóng)業(yè)部，2012）。而有關(guān)不同蔬菜養(yǎng)分吸收和需求特征只是依據(jù)個別試驗數(shù)據(jù)報道，鮮見依據(jù)大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)報道。因此，研究葉菜類、根莖類、茄果類、蔥蒜類等主要蔬菜，如白菜（以大白菜為主）、蘿卜、番茄和大蔥的養(yǎng)分吸收與需求特征，對確定典型蔬菜的施肥量和建立蔬菜推薦施肥新方法，以及指導(dǎo)蔬菜主產(chǎn)區(qū)肥料的合理分配和施用，提高施肥的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益具有重要意義。

應(yīng)用線性-拋物線-平臺函數(shù)來評估作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收之間的關(guān)系，是在一定季節(jié)和氣候的潛在產(chǎn)量下估算不同目標(biāo)產(chǎn)量養(yǎng)分需求的通用方法（Smaling &Janssen，1993）。QUEFTS 模型考慮了氮、磷、鉀養(yǎng)分間的交互效應(yīng)（Janssen et al.，1990），并利用大量養(yǎng)分吸收數(shù)據(jù)進行估算，避免了用大量數(shù)據(jù)的平均值或利用有限數(shù)據(jù)指導(dǎo)施肥帶來的偏差。利用QUEFTS 模型擬合產(chǎn)量與養(yǎng)分吸收關(guān)系時，在不同潛在產(chǎn)量下擬合的N、P 和K 最佳養(yǎng)分需求曲線存在一定差異，但是不論潛在產(chǎn)量為多少，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量達到潛在產(chǎn)量的一定比例如70%～80%時，產(chǎn)量與養(yǎng)分吸收量呈直線關(guān)系，每生產(chǎn)單位經(jīng)濟產(chǎn)量所需吸收的養(yǎng)分是一致的，從而能夠得出最佳養(yǎng)分需求量。已有研究利用QUEFTS模型成功估算了玉米、水稻、小麥的最佳養(yǎng)分需求，并成功指導(dǎo)推薦施肥（Pathak et al.，2003；Chuan et al.，2013；Xu et al.，2013；Xu et al.，2015）。本試驗利用QUEFTS 模型估算露地白菜、露地蘿卜、設(shè)施番茄和露地大蔥的最佳養(yǎng)分需求，旨在為指導(dǎo)幾種主要蔬菜合理施肥提供理論參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本試驗的數(shù)據(jù)來源由3 部分組成，一是通過中國知網(wǎng)（CNKI）檢索全國范圍內(nèi)2000—2017 年公開發(fā)表期刊論文、學(xué)術(shù)會議論文和學(xué)位論文中的白菜、蘿卜、設(shè)施番茄、大蔥的產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收數(shù)據(jù)；二是國際植物營養(yǎng)研究所中國項目未公開發(fā)表的田間試驗數(shù)據(jù)；三是為彌補文獻和前期試驗數(shù)據(jù)不足，于2016—2018 年在主產(chǎn)區(qū)進行實地采樣和實驗室分析，獲得4 種蔬菜的最新產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收數(shù)據(jù)。實地采樣方法：在露地白菜、露地蘿卜、設(shè)施番茄、露地大蔥主要種植區(qū)進行調(diào)查和采樣，測定蔬菜產(chǎn)量，并采集蔬菜樣品，根據(jù)食用和非食用的標(biāo)準(zhǔn)，利用四分法分別采取經(jīng)濟和非經(jīng)濟部分的樣品，稱取鮮質(zhì)量，裝在塑料袋中封口，帶回實驗室，105 ℃殺青0.5 h，65 ℃烘干至恒重，稱量干質(zhì)量，計算收獲指數(shù)和含水量。取部分烘干樣品粉碎，采用濃HSO-HO消煮后蒸餾定氮法測定全氮含量，用釩鉬黃比色法測定全磷含量，用火焰光度法測定全鉀含量（中國土壤學(xué)會農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)委員會，1983）。白菜采樣在北京、天津、遼寧、河北、河南、山東、陜西、浙江、江西進行，共75 個樣品；蘿卜采樣在北京、天津、河北、山東、浙江、江西進行，共67 個樣品；設(shè)施番茄采樣在北京、天津、山東、浙江進行，共60 個樣品；大蔥采樣在北京、天津、山東、河北進行，共47 個樣品。

1.2 計算方法

①養(yǎng)分內(nèi)效率（IE），即蔬菜吸收單位養(yǎng)分所能生產(chǎn)的經(jīng)濟產(chǎn)量。IE=EY/NU，EY 為蔬菜的經(jīng)濟產(chǎn)量，NU 為蔬菜吸收的養(yǎng)分總量。

②單位經(jīng)濟產(chǎn)量（RIE），通常為生產(chǎn)1 000 kg或1 t 蔬菜所需吸收的養(yǎng)分量，為養(yǎng)分內(nèi)效率IE 的倒數(shù)。

③QUEFTS 模型。QUEFTS 模型假定目標(biāo)產(chǎn)量為潛在產(chǎn)量的50%～80%時單位產(chǎn)量所需吸收的養(yǎng)分量不變。因此模型在選擇數(shù)據(jù)時只選擇作物生長和產(chǎn)量受N、P、K 養(yǎng)分影響而不受其他因素如病蟲、旱澇等影響的數(shù)據(jù)。本試驗所用的文獻數(shù)據(jù)和前期試驗數(shù)據(jù)都是在可控條件下獲得，實地采樣也是選擇生長良好，無病蟲害和旱澇等外界影響的菜地，因此受養(yǎng)分以外的其他因素影響較小。QUEFTS 模型修正中蘿卜和設(shè)施番茄去除收獲指數(shù)小于0.4 kg·kg的產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量數(shù)據(jù)（Zhang et al.，2019），白菜和大蔥去除小于2.5分位和大于97.5分位的產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量數(shù)值（Pathak et al.，2003）。

據(jù)QUEFTS 模型分析蔬菜收獲物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收之間的關(guān)系，結(jié)合Microsoft Office Excel 中的規(guī)劃求解（Solver）過程，模擬分析養(yǎng)分最大積累邊界（YA）和養(yǎng)分最大稀釋邊界（YD），求解出不同潛在產(chǎn)量下一定目標(biāo)產(chǎn)量的最佳養(yǎng)分吸收量，得出不同的潛在產(chǎn)量下N、P、K 最佳吸收曲線（YU），估算單位蔬菜產(chǎn)量的最佳養(yǎng)分需求量。

2 結(jié)果與分析

2.1 露地白菜N、P、K 養(yǎng)分吸收特征與最佳養(yǎng)分需求

2.1.1 露地白菜養(yǎng)分吸收特征 露地栽培白菜產(chǎn)量變異范圍較大，從0.9～200.0 t·hm不等，平均產(chǎn)量為84.3 t·hm（=2 758）；含水量89.1%～98.7%，平均為94.8%；干質(zhì)量在0.1～12.0 t·hm之間，平均為5.9 t·hm；收獲指數(shù)（經(jīng)濟產(chǎn)量干質(zhì)量/地上部產(chǎn)量干質(zhì)量）0.27～1.00 kg·kg，平均為0.77 kg·kg。白菜地上部N、P、K養(yǎng)分累積量平均為176.4、33.6、208.4 kg·hm，養(yǎng)分內(nèi)效率（IE）平均為539.3、2 901.6、458.2 kg·kg；生產(chǎn)1 t 白菜（RIE）平均需要N 2.08 kg·t、P 0.41 kg·t、K 2.45 kg·t，N、P、K 比例為1∶0.20∶1.18（表1）。

表1 露地白菜養(yǎng)分吸收特征

2.1.2 露地白菜最佳養(yǎng)分需求估算 應(yīng)用QUEFTS模型模擬不同潛在產(chǎn)量下白菜植株N、P、K 最佳養(yǎng)分需求量。圖1 顯示，在不同潛在產(chǎn)量下QUEFTS 模型擬合的N、P、K 最佳養(yǎng)分需求曲線（YU）存在一定差異，但是不論潛在產(chǎn)量為多少，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量達到潛在產(chǎn)量的50%～60%時，RIE 是一致的，最佳養(yǎng)分需求量為N 1.96 kg·t、P 0.41 kg·t、K 2.39 kg·t，N、P、K比例為1∶0.21∶1.22，相應(yīng)的IE 值分別為511.0、2 466.4、418.5 kg·kg（FW）。隨著目標(biāo)產(chǎn)量繼續(xù)增加接近潛在產(chǎn)量，IE值逐漸降低，對應(yīng)的RIE 逐漸增多，形成奢侈吸收，養(yǎng)分利用效率也降低。

圖1 QUEFTS 模型擬合不同潛在產(chǎn)量下露地白菜最佳養(yǎng)分需求量

2.2 露地蘿卜養(yǎng)分吸收特征與最佳養(yǎng)分需求

2.2.1 露地蘿卜養(yǎng)分吸收特征 表2 表明，露地栽培蘿卜肉質(zhì)根產(chǎn)量為4.6～119.8 t·hm，平均63.5 t·hm；含水量88.0%～97.8%，平均為94.4%；干質(zhì)量在0.68～8.2 t·hm之間，平均3.8 t·hm；肉質(zhì)根收獲指數(shù)（DW）（肉質(zhì)根干質(zhì)量/全株干質(zhì)量）為0.37～0.95 kg·kg，平均0.65 kg·kg。蘿卜植株（肉質(zhì)根+地上部葉片）N、P、K 養(yǎng)分吸收量分別為11.3～333.2 kg·hm、1.7～78.5 kg·hm、14.4～517.4 kg·hm，平均為155.4、30.9、217.9 kg·hm。養(yǎng)分收獲指數(shù)（肉質(zhì)根N、P、K吸收量/植株N、P、K 吸收量）分別為N 0.13～0.91 kg·kg、P 0.21～0.96 kg·kg、K 0.23～0.94 kg·kg，平均為0.60、0.68、0.72 kg·kg。表明蘿卜植株累積的N、P、K 約有60%、68%、72%轉(zhuǎn)移到肉質(zhì)根中，肉質(zhì)根是N、P 和K 的主要貯存器官，因此研究蘿卜肉質(zhì)根中的養(yǎng)分轉(zhuǎn)移量有助于確定一定目標(biāo)產(chǎn)量下的N、P、K 肥施用量。

表2 露地蘿卜養(yǎng)分吸收特征

蘿卜N、P、K 的IE 值分別為170.0～1 213.0 kg·kg、757.4～6 118.9 kg·kg、132.5～1 043.4 kg·kg，平均為455.0、2 328.7、361.9 kg·kg。每生產(chǎn)1 t 蘿卜所需吸收的N、P、K 養(yǎng)分（RIE）分別為0.82～5.88 kg·t、0.16～1.32 kg·t、0.96～7.55 kg·t，平均為2.45、0.49、3.40 kg·t，N、P、K比例為1∶0.20∶1.39。

2.2.2 露地蘿卜最佳養(yǎng)分需求估算 如圖2 所示，應(yīng)用QUEFTS 模型擬合蘿卜在不同潛在產(chǎn)量（40～120 t·hm）和目標(biāo)產(chǎn)量下的N、P、K 最佳養(yǎng)分需求。在不同潛在產(chǎn)量下QUEFTS 模型擬合的N、P、K 最佳養(yǎng)分需求曲線（YU）存在一定差異，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量達到潛在產(chǎn)量的60%～70%時，RIE 是一致的，最佳養(yǎng)分需求量分別為N 2.2 kg·t、P 0.4kg·t、K 2.6 kg·t，N、P、K 比例為1∶0.19∶1.18，相應(yīng)的IE 值分別為N 462.9 kg·kg、P 2 245.8 kg·kg、K 386.2 kg·kg。

圖2 QUEFTS 模型擬合不同潛在產(chǎn)量下露地蘿卜最佳養(yǎng)分需求量

2.3 設(shè)施番茄養(yǎng)分吸收特征與最佳養(yǎng)分需求

2.3.1 設(shè)施番茄養(yǎng)分吸收特征 表3 表明，設(shè)施栽培番茄產(chǎn)量為14.2～168.9 t·hm，平均85.0 t·hm；含水量92.4%～97.2%，平均為94.7%；干質(zhì)量為1.9～9.6 t·hm，平均4.8 t·hm；果實收獲指數(shù)（DW）（果實干質(zhì)量/全株干質(zhì)量）為0.34～0.81 kg·kg，平均0.51 kg·kg。設(shè)施番茄植株（果實 +莖葉）N、P、K 養(yǎng)分吸收量分別為48.1～574.2 kg·hm、5.2～153.9 kg·hm、43.5～650.3 kg·hm，平均為213.5、55.1、352.1 kg·hm。養(yǎng)分收獲指數(shù)（果實N、P、K 吸收量/植株N、P、K 吸收量）分別為N 0.29～0.83 kg·kg、P 0.16～0.80 kg·kg、K 0.26～0.81 kg·kg，平均為0.49、0.48、0.55 kg·kg。

表3 設(shè)施番茄養(yǎng)分吸收特征

設(shè)施番茄N、P、K 的IE 值分別為219.2～1 134.3 kg·kg、800.4～7 027.4 kg·kg、143.2～1 152.9 kg·kg，平均為458.2、1 941.5、287.9 kg·kg。每生產(chǎn)1 t 設(shè)施番茄需要吸收的N、P、K 養(yǎng)分（RIE）分別為0.88～4.56 kg·t、0.14～1.25 kg·t、0.87～6.98 kg·t，平均為2.32、0.59、3.77 kg·t，N、P、K 比例為1∶0.25∶1.63。

2.3.2 設(shè)施番茄最佳養(yǎng)分需求估算 應(yīng)用QUEFTS模型模擬設(shè)施番茄不同潛在產(chǎn)量和目標(biāo)產(chǎn)量下N、P、K 地上部最佳養(yǎng)分吸收需求。圖3 所示，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量達到潛在產(chǎn)量60%～70%時，RIE是一致的，養(yǎng)分與產(chǎn)量關(guān)系呈直線關(guān)系。設(shè)施番茄最佳養(yǎng)分需求量分別為N 2.19 kg·t、P 0.56 kg·t、K 3.36 kg·t，N、P、K 比例為1∶0.26∶1.53，相應(yīng)的IE 值分別為456.6、1 785.7、297.3 kg·kg。

圖3 QUEFTS 模型擬合不同潛在產(chǎn)量下設(shè)施番茄最佳養(yǎng)分需求量

2.4 露地大蔥養(yǎng)分吸收特征與最佳養(yǎng)分需求

2.4.1 露地大蔥養(yǎng)分吸收特征 由表4 可知，露地栽培大蔥經(jīng)濟產(chǎn)量為15.1～150.0 t·hm，平均60.4 t·hm；含水量84.3%～94.3%，平均為91.1%；干 質(zhì)量 為1.8～15.4 t·hm，平 均5.4 t·hm；收獲指數(shù)（大蔥經(jīng)濟產(chǎn)量干質(zhì)量/大蔥全株產(chǎn)量干質(zhì)量）0.41～0.90 kg·kg，平均0.74 kg·kg。大蔥植株（蔥白+蔥葉）對N、P、K 養(yǎng)分吸收量分別為42.8～296.6 kg·hm、7.1～36.3 kg·hm、40.4～250.9 kg·hm，平 均 為128.8、18.9、117.7 kg·hm。N、P、K 的IE 值 分 別 為303.5～992.3 kg·kg、2 006.8～5 647.2 kg·kg、277.4～1 221.7 kg·kg，平均為503.7、3 368.7、593.3 kg·kg；每生產(chǎn)1 t 大蔥植株養(yǎng)分需求（RIE）分 別 為1.01～3.30 kg·t、0.18～0.50 kg·t、0.82～3.60 kg·t，平均為2.07、0.31、1.98 kg·t，N、P、K 比列為1∶0.15∶0.96。

表4 露地大蔥養(yǎng)分吸收特征

2.4.2 露地大蔥最佳養(yǎng)分需求估算 應(yīng)用QUEFTS模型模擬大蔥不同潛在產(chǎn)量和目標(biāo)產(chǎn)量下N、P、K 地上部最佳養(yǎng)分吸收需求。圖4 顯示，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量達到潛在產(chǎn)量60%～70%時，RIE 是一致的。大蔥最佳養(yǎng)分需求量為N 1.92 kg·t、P 0.28 kg·t、K 1.69 kg·t，N、P、K 比 例 為1∶0.15∶0.88。相應(yīng)的IE 值分別為N 521.2 kg·kg、P 3 566.7 kg·kg、K 591.3 kg·kg。

圖4 QUEFTS 模型擬合不同潛在產(chǎn)量下露地大蔥最佳養(yǎng)分需求量

3 討論與結(jié)論

確定蔬菜養(yǎng)分吸收和需求特征對了解蔬菜的養(yǎng)分投入和產(chǎn)出，根據(jù)養(yǎng)分供應(yīng)平衡確定合理施肥量，避免過量施肥具有重要價值，尤其對磷、鉀養(yǎng)分推薦施肥至關(guān)重要。一般磷、鉀推薦量主要依據(jù)其投入產(chǎn)出平衡計算，考慮一定產(chǎn)量反應(yīng)下需要施用量、基礎(chǔ)地力產(chǎn)量移走量（維持地力）、秸稈移走量和上季殘留量四部分。其中上季蔬菜磷、鉀殘留量為投入量減去移走量，如果平衡為負值則按“0”計，平衡為正值按磷素平衡的50%和鉀素平衡的80%作為上季作物殘余養(yǎng)分帶入本季蔬菜磷、鉀用量（馬征 等，2020；山楠 等，2020）。另外，根據(jù)蔬菜養(yǎng)分需求，即生產(chǎn)單位蔬菜需要吸收的養(yǎng)分（RIE），也可以估算一定目標(biāo)產(chǎn)量下的氮磷鉀用量：施氮量=目標(biāo)產(chǎn)量× RIE/氮素利用率。研究表明，露地白菜、露地蘿卜、設(shè)施番茄、露地大蔥氮肥的利用率平均分別為26.5%、24.5%、15.1%和25.2%（何萍 等，2021）；磷、鉀用量按照投入產(chǎn)出平衡計算：施磷（鉀）量=目標(biāo)產(chǎn)量× RIE。由此可見，準(zhǔn)確確定蔬菜的養(yǎng)分吸收量和養(yǎng)分需求對確定蔬菜養(yǎng)分管理和推薦施肥具有重要價值。

利用QUEFTS 模型擬合計算的養(yǎng)分需求量在一定目標(biāo)產(chǎn)量范圍（50%～80%的潛在產(chǎn)量）內(nèi)是一致的，這與其他作物上的研究結(jié)果相似（Chuan et al.，2013；Xu et al.，2013；Xu et al.，2015）。利用QUEFTS 模型擬合計算的養(yǎng)分需求量進行一定目標(biāo)產(chǎn)量下的養(yǎng)分推薦比利用養(yǎng)分需求量的平均值更科學(xué)和準(zhǔn)確。

不同蔬菜養(yǎng)分吸收量存在很大差異，本試驗中設(shè)施番茄的養(yǎng)分吸收量平均值高于白菜、蘿卜和大蔥，大蔥的養(yǎng)分吸收量最低。4 種蔬菜的單位經(jīng)濟產(chǎn)量（1 t）的最佳養(yǎng)分需求量分別為：白菜需N 1.96 kg·t、P 0.41 kg·t、K 2.39 kg·t，蘿卜需N 2.2 kg·t、P 0.4 kg·t、K 2.6 kg·t，設(shè)施番茄果實需N 2.19 kg·t、P 0.56 kg·t、K 3.36 kg·t，大 蔥 需N 1.92 kg·t、P 0.28 kg·t、K 1.69 kg·t。白菜、蘿卜、設(shè)施番茄、大蔥對氮磷鉀養(yǎng)分的吸收比例分別為1∶0.20∶1.18、1∶0.20∶1.39、1∶0.25∶1.63、1∶0.15∶0.96，表明相較于K 素，4 種蔬菜對P 素的吸收量較低，白菜、蘿卜、設(shè)施番茄對K 素的吸收量較高，需求量也較高。因此，充足的氮、鉀供應(yīng)對蔬菜生長和產(chǎn)量形成至關(guān)重要。