控釋摻混肥在結(jié)球生菜上的減量施用效應(yīng)

曹 兵，王學(xué)霞，倪小會，陳延華，文方芳，劉自飛，張夢佳，左 強，鄒國元，張雪蓮

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院 植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，北京 100097；2.北京市緩控釋肥料工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.北京市土肥工作站，北京 100029)

蔬菜富含纖維、微量元素、維生素、碳水化合物和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，在人類膳食結(jié)構(gòu)中占有非常重要的地位。目前，我國的蔬菜種植面積占全球耕地面積的1.7%，蔬菜總產(chǎn)量約占全世界的1/2[1]。為了追求更高的經(jīng)濟回報，種植戶在蔬菜生產(chǎn)中往往投入大量肥料(尤其是化肥)[1-3]。黃紹文等[4]對我國蔬菜生產(chǎn)中化肥施用量的研究表明，蔬菜生產(chǎn)中氮、磷、鉀肥總用量普遍超量，化肥(N+P2O5+K2O)投入量是全國農(nóng)作物化肥施用量的3.3倍，超過推薦量的1.5～5.9倍。其結(jié)果是導(dǎo)致了較低的肥料利用率，大量養(yǎng)分流失和日益嚴重的環(huán)境污染[1，3，5-6]。上述問題已嚴重制約了我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

為了解決速效性化肥與農(nóng)作物之間的養(yǎng)分供需矛盾，包括控釋肥在內(nèi)的增效型肥料(Enhanced-efficiency fertilizers)研發(fā)與應(yīng)用近年來日益受到重視[7]，增效型肥料的突出優(yōu)點包括增產(chǎn)、提高氮肥利用率和減少氮素損失[8]。控釋肥通過表面透水率低的疏水性薄膜調(diào)控，養(yǎng)分釋放可以延長至數(shù)月甚至更長[9]，實現(xiàn)了養(yǎng)分釋放與作物吸收同步；而且能夠采用輕簡化的一次性施肥技術(shù)，實現(xiàn)增產(chǎn)增效、省工節(jié)肥、減少環(huán)境污染等[9]。Yang等[10]采用Meta-analysis對控釋尿素施用效果的研究表明，作物平均增產(chǎn)7.7%，增收6.4%，氮素吸收增加12.6%，氮素損失降低24.3%～45.9%。國內(nèi)在糧食作物(水稻、玉米和小麥)上已大量施用控釋肥，大多以控釋摻混肥的形式并采用一次性種肥同播方式，增產(chǎn)、節(jié)肥、提高氮肥利用率和減少氮素損失的效果良好[11-12]。相對來說，控釋肥在蔬菜上的應(yīng)用偏少，由于菜地特定環(huán)境條件(包括更恒定的溫度和水的有效性)更有利于控釋肥養(yǎng)分釋放和蔬菜吸收，因此控釋肥在蔬菜上往往有較好的增產(chǎn)效應(yīng)[13]。劉曉霞等[14]研究表明，在小青菜上減量施用控釋肥，可以提高產(chǎn)量和植株N、P、K養(yǎng)分含量。董亮等[15]研究發(fā)現(xiàn)，控釋肥在減氮情況下仍能增加大白菜產(chǎn)量和改善品質(zhì)，而且能減少氮素向深層土壤的淋溶損失。

生菜(LactucasativeL.)又稱西生菜、圓生菜，屬于速生葉菜，富含纖維素和Vc，可促進消化作用、提高人體免疫力，生食口感清脆，深受消費者喜愛，并且廣泛供應(yīng)于中高端快餐行業(yè)。近年來，生菜種植面積逐漸擴大[16]，據(jù)調(diào)查，北京市2018年生菜種植面積為3 733 hm2，占蔬菜總面積的10.5%[17]；2020年生菜種植面積達4 066 hm2，占蔬菜總播種面積的10.7%。葉類蔬菜生產(chǎn)中過量施用化肥的問題較為普遍[16，18]。目前，控釋肥在蔬菜上的研究多集中在產(chǎn)量和品質(zhì)方面，而對控釋肥在蔬菜上的綜合效應(yīng)研究則相對較少。本研究擬以露地結(jié)球生菜為研究對象，探討在減肥條件下，控釋摻混肥一次性施肥對生菜產(chǎn)量、品質(zhì)、養(yǎng)分吸收、生菜生理特征、施肥經(jīng)濟效益、土壤硝態(tài)氮殘留的綜合影響，旨在為生菜養(yǎng)分高效管理和施肥技術(shù)提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗布置在位于北京市通州區(qū)的北京永盛園農(nóng)業(yè)種植中心。試驗地土壤母質(zhì)為沖積土，土壤類型為潮土，質(zhì)地為輕壤土。0～20 cm土壤耕層養(yǎng)分狀況：含堿解氮134.6 mg/kg，速效磷180.0 mg/kg，速效鉀710.0 mg/kg，有機質(zhì)18.0 g/kg，pH值8.0。

1.2 試驗材料

供試結(jié)球生菜品種為射手101。包膜尿素由北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所自制，25 ℃水浸泡條件下氮素累積釋放80%所需時間為45 d(圖1)。

圖1 包膜尿素氮素釋放特征Fig.1 Nitrogen release profile of coated urea

1.3 試驗設(shè)計

田間試驗設(shè)4個處理，分別為不施氮對照(CK)、常規(guī)施肥(CF)、常規(guī)減肥(-20%CF)和控釋摻混肥(-20%CU)。其中CK、-20%CF和-20%CU處理的磷、鉀肥用量相同，-20%CF和-20%CU處理的N、P2O5、K2O用量較CF均減少20%，小區(qū)面積60 m2，每個處理3次重復(fù)，隨機排列。CF和-20%CF處理采用底施復(fù)合肥加追施水溶肥的模式，追肥時間分別為蓮座期(9月15日)、結(jié)球初期(9月21日)和結(jié)球中期(9月30日)，CF處理化肥施用量分別為176 kg/hm2(N)、98 kg/hm2(P2O5)和230 kg/hm2(K2O)。-20%CU處理將所有肥料摻混后采用一次性施肥，不同處理施肥方案詳見表1。此外，園區(qū)生菜生產(chǎn)分為春茬(3—5月)和秋茬(8—10月)，每年秋茬生菜收獲后底施商品有機肥30 t/hm2。2020年8月25日定植，10月12日收獲，采用東西向栽培，壟間距1 m，壟上寬60 cm，溝40 cm，每公頃定植67 500株。

試驗地塊采用水肥一體化滴灌。整個生育期灌水量945 m3/hm2，包括：定植水375 m3/hm2，緩苗水120 m3/hm2，常規(guī)施肥(CK)處理每隔10 d左右追肥灌溉一次，共3次，每次施肥灌溉150 m3/hm2，其余處理澆等量清水。

表1 施肥方案Tab.1 Schedule of chemical fertilizer application kg/hm2

1.4 項目測定及方法

1.4.1 產(chǎn)量和養(yǎng)分含量測定 收獲時，每小區(qū)取20顆生菜，稱質(zhì)量并計算總產(chǎn)量，隨后按照銷售標準處理后計算經(jīng)濟產(chǎn)量。從樣品中取3顆生菜，切碎混勻后烘干稱干質(zhì)量，然后將烘干樣粉碎并混勻后取少量混合樣，采用H2SO4-H2O2消化，分別用半微量凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度計法測定全氮、全磷和全鉀含量[19]。

氮肥利用率用差減法計算：氮肥利用率(Nitrogen utility efficiency，NUE)=(施氮區(qū)作物吸氮量-無氮區(qū)作物吸氮量)/施氮量×100%。

1.4.2 生菜品質(zhì)分析 收獲時每小區(qū)隨機取3顆生菜，生菜每顆切1/2，3顆勻后取樣，分別用2，6-二氯靛酚滴定法和紫外分光光度法測定硝酸鹽和Vc含量[20]。

1.4.3 土壤硝態(tài)氮測定 生菜收獲時取0～100 cm土壤樣品(每20 cm一層)，每小區(qū)取3個點，將同層土樣混合。新鮮土樣帶回實驗室后過5 mm篩，土壤硝態(tài)氮采用氯化鈣提取-連續(xù)流動分析儀(Auto Analyzer 3，BRAN LUEBBE)測定。

1.4.4 植物酶活性分析 生菜葉片硝酸還原酶(NR)、亞硝酸還原酶(NiR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)和谷氨酸脫氫酶(GDH)均利用試劑盒(南京建成生物工程研究所)進行測定。

1.4.5 葉片葉綠素含量測定 葉綠素含量采用丙酮浸提法測定[21]，用打孔器在每個樣品同樣位置取葉片組織稱質(zhì)量，加入80%丙酮、少許碳酸鈣和石英砂研磨勻漿，轉(zhuǎn)移到50 mL棕色容量瓶，定容后用分光光度計分別測定溶液在663，645 nm的吸光度。

Ca=12.7A663-2.69A645

①

Cb=22.9A645-4.68A663

②

CT=Ca+Cb=20.2A645+8.02A663

③

其中，Ca、Cb和CT分別為待測液體中葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素質(zhì)量濃度，單位為mg/L，A663和A645分別為溶液在663，645 nm的吸光度。最后再根據(jù)取樣量和定容體積計算葉片中葉綠素含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013、Origin 8.5軟件進行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制，用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對生菜產(chǎn)量品質(zhì)的影響

由表2可知，各處理結(jié)球生菜總產(chǎn)量在56.8～60.1 t/hm2，經(jīng)濟產(chǎn)量在36.7～38.4 t/hm2，處理間差異不顯著(P>0.05)。與常規(guī)施肥(CF)處理相比，減肥20%底追結(jié)合(-20%CF)處理的生菜總產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量分別增加1.00%和1.35%，減肥20%控釋摻混肥一次性底施(-20%CU)處理的生菜總產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量分別增加2.32%和3.28%；并且，等養(yǎng)分投入下，-20%CU較-20%CF處理的生菜總產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量分別增加1.37%和1.91%。

從表2還可以看出，減肥處理顯著降低了生菜的硝酸鹽含量(P<0.05)，-20%CU和-20%CF處理的生菜硝酸鹽含量分別較CF處理顯著降低21.10%和29.98%(P<0.05)，-20%CF和-20%CU處理的生菜硝酸鹽含量差異不顯著(P>0.05)。不同處理間的生菜Vc含量差異不顯著(P>0.05)。

上述結(jié)果說明，過量施肥不僅未增加生菜產(chǎn)量，還造成生菜硝酸鹽含量增加，降低了生菜品質(zhì)。相反，減肥20%結(jié)合控釋摻混肥一次性底施不僅保證了生菜產(chǎn)量穩(wěn)定，還顯著降低硝酸鹽含量，提高了生菜品質(zhì)，具有很大的優(yōu)越性。

表2 不同處理的生菜產(chǎn)量和品質(zhì)Tab.2 Yield and quality of lettuce of different treatments

2.2 不同施肥處理對生菜養(yǎng)分吸收的影響

由表3可知，施氮不同程度增加了結(jié)球生菜吸氮量，其中-20%CU處理較CK顯著提高47.25%(P<0.05)；在3個施氮處理中，控釋摻混肥處理(-20%CU)的生菜吸氮量顯著高于等肥量常規(guī)減肥處理(-20%CF)(P<0.05)，且高于常規(guī)施肥，但差異不顯著(P>0.05)。-20%CU處理的氮肥利用率較-20%CF處理提高17.96百分點；另外，處理間生菜磷、鉀吸收量差異則不顯著(P>0.05)。

表3 生菜養(yǎng)分吸收和氮肥利用率Tab.3 Nutrient absorption of lettuce and N utility efficiency

2.3 不同施肥處理對土壤剖面殘留硝態(tài)氮分布的影響

從結(jié)球生菜收獲后土壤剖面硝態(tài)氮分布來看，1.0 m土體內(nèi)殘留硝態(tài)氮含量總體不高，均未超過地下水源飲用水硝酸鹽含量(以N計)20 mg/L的安全閾值，其中在生菜根系密集區(qū)(0～40 cm)的殘留硝態(tài)氮均低于5 mg/kg(圖2)。在40 cm以下土層中，硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢，其中施氮處理更為明顯，尤其是-20%CU處理在100 cm土層處的硝態(tài)氮含量已接近15 mg/kg，存在硝態(tài)氮淋溶的風(fēng)險。

圖2 不同處理土壤硝態(tài)氮殘留量分布變化Fig.2 Soil residual nitrate distribution under different treatments

2.4 不同施肥處理對生菜生理指標的影響

在結(jié)球生菜苗期，各處理間葉綠素含量無顯著差異(P>0.05)；與CK相比，在蓮座期和結(jié)球中期，施氮處理均顯著提高了生菜葉綠素含量(P<0.05)；收獲期-20%CU處理也顯著提高了生菜葉綠素含量(圖3)(P<0.05)，由此可見，氮肥施用對于葉綠素提高效果明顯。在生菜整個生育期，施氮處理間的葉綠素含量差異不顯著(P>0.05)，不同氮肥劑型、施肥方法和用量對葉綠素含量影響不明顯。

不同小寫字母表示處理差異顯著(P<0.05)。圖4同。The different lowercase letters indicate significant differences between different treatment(P<0.05).The same as Fig.4.

在結(jié)球生菜苗期，除了CF處理的谷氨酸合成酶(GOGAT)顯著高于CK處理以外(P<0.05)，各處理間生菜葉片的硝酸還原酶(NR)、亞硝酸還原酶(NiR)、谷氨酸合成酶(GOGAT)、谷氨酸脫氫酶(GDH)和谷氨酰胺合成酶(GS)(以鮮質(zhì)量計)差異不顯著(P>0.05)(圖4)。在蓮座期，與CK相比，CF處理顯著增加了NiR、GOGAT、GDH和GS活性(P<0.05)，-20%CF處理顯著增加了NR、NiR、GDH活性(P<0.05)，-20%CU處理顯著增加了除GS外4種的酶活性(P<0.05)。結(jié)球中期，除-20%CF處理的GOGAT活性與CK無顯著差異以外(P>0.05)，其余施氮處理均顯著增加5種酶活性(P<0.05)。收獲期，各施氮處理較CK均顯著提高了葉片5種酶活性(P<0.05)。

在結(jié)球生菜整個生長期內(nèi)，施氮處理間的氮代謝酶活性無顯著差異，肥料用量和施肥方法對酶活性影響不大。生菜生育期內(nèi)氮代謝酶活性變化特征與葉綠素類似(圖3)，施氮對酶活性的影響主要在生菜生長中后期比較明顯。

圖4 結(jié)球生菜不同生育期氮代謝酶活性變化Fig.4 Pattern of nitrogen metabolism enzymes activities in lettuce at different growth stages

3 結(jié)論與討論

我國蔬菜生產(chǎn)具有復(fù)種指數(shù)高、施肥(有機肥和化肥)量大的特點[3-4，22]，過量的氮、磷、鉀養(yǎng)分投入不僅降低了肥料的利用效率，而且造成了嚴重的環(huán)境污染[18]；因此，蔬菜生產(chǎn)中減肥的潛力較大?？蒯寭交旆始饶軡M足作物全生育期的養(yǎng)分需求，一次性施肥又能有效降低肥料投入成本[23]，增產(chǎn)增收和提高氮肥利用率的效應(yīng)明顯[24-25]。本研究中，與常規(guī)分次施肥相比，采用一次性施肥的控釋摻混肥在減肥20%的情況下，結(jié)球生菜總產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量分別增加2.32%和3.28%。與Guo等[26]在小青菜上的研究結(jié)果類似，同時與控釋肥在蔬菜上平均增產(chǎn)7%接近[13]，說明控釋肥對蔬菜產(chǎn)量和氮素吸收的提升效果優(yōu)于速效性化肥[27]。另外，本研究中，不同處理間結(jié)球生菜產(chǎn)量和磷、鉀吸收量差異并不顯著，可能與試驗地大量施用化肥和有機肥有關(guān)，土壤基礎(chǔ)肥力較高，對肥料效應(yīng)也會產(chǎn)生較大影響[13]。

硝酸鹽和Vc含量對蔬菜品質(zhì)影響較大，蔬菜硝酸鹽累積到一定水平會對人類健康產(chǎn)生潛在危害[28]，而各類新鮮蔬菜則是人體所需Vc主要來源[29]。施肥對蔬菜硝酸鹽含量、Vc含量和蔬菜品質(zhì)影響較大[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，控釋摻混肥較常規(guī)施肥顯著降低了結(jié)球生菜硝酸鹽含量，這與董亮等[15]和丁文雅等[30]在蔬菜上施用控釋肥可以不同程度地降低硝酸鹽含量的結(jié)果類似。可能原因是控釋肥在土壤中持續(xù)釋放和轉(zhuǎn)化，可以為蔬菜生長提供更適宜的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮比例，而合適的銨硝比對于降低蔬菜硝酸鹽含量尤為重要[30]。

氮是構(gòu)成葉綠素和氮轉(zhuǎn)化酶的主要元素，施氮能夠提高作物葉綠素含量和氮素轉(zhuǎn)化關(guān)鍵酶的活性，顯著促進氮素轉(zhuǎn)運[31-33]。控釋摻混肥中的速效氮和控釋氮分別滿足作物生長前期和中后期的氮素營養(yǎng)，從而保障了作物高產(chǎn)的氮素需求[34]。本研究中，與常規(guī)施肥相比，采用一次性施肥和化肥減量的控釋摻混肥并沒有降低結(jié)球生菜不同生育期的葉綠素含量和氮轉(zhuǎn)化酶活性，與郭萍等[35]和姬景紅等[36]在玉米上的研究結(jié)果一致。進一步結(jié)合控釋摻混肥較常規(guī)施肥的結(jié)球生菜產(chǎn)量略有提升的結(jié)果來看，控釋摻混肥的氮素供應(yīng)、生菜對氮素吸收和轉(zhuǎn)化優(yōu)于常規(guī)施肥，而常規(guī)施肥則可能存在過量施氮的問題，因為施氮量超過一定閾值后，增加氮肥用量反而會造成葉綠素含量和氮轉(zhuǎn)化酶活性降低[37-38]。

結(jié)球生菜收獲后0～100 cm土壤剖面殘留硝態(tài)氮含量未高于20 mg/L，但施氮處理在60～100 cm土層的硝態(tài)氮含量明顯偏高，尤其是控釋摻混肥處理在100 cm土層處的硝態(tài)氮含量達到了15 mg/L。由于蔬菜的根系主要分布在0～30 cm土層，對深層土壤中的養(yǎng)分吸收能力弱[22]，因此，根層以下的硝態(tài)氮淋洗風(fēng)險較高。本研究中，控釋摻混肥處理的殘留土壤硝態(tài)氮含量高于速效性化肥，淋失風(fēng)險更高，與通常研究中控釋肥能降低硝酸鹽淋洗的結(jié)果不同[10，15]，其可能原因包括控釋摻混肥一次性施肥較常規(guī)分次施肥投入氮量高[39]，生菜生長期溫度從高至低加速了控釋肥在中前期的氮素釋放[40]，以及前期雨水偏多利于硝態(tài)氮向下淋洗和遷移[39]；因此，為了避免一次性施肥導(dǎo)致的硝態(tài)氮淋失風(fēng)險增加，選用前期養(yǎng)分釋放速率較低的控釋肥更有利于抑制硝態(tài)氮淋洗損失[41]。

本研究在露地結(jié)球生菜生產(chǎn)中，采用控釋摻混肥一次性減量施肥(氮、磷、鉀減量20%)的輕簡化施肥措施，相比于常規(guī)分次施肥，生菜總產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量保持穩(wěn)定，生菜硝酸鹽含量顯著降低29.98%。