秸稈和有機(jī)肥配施對設(shè)施菜地氮素流失和產(chǎn)量的影響

曹秀鵬，黃興學(xué)，周國林，張潤花，謝言蘭，施玲芳

（1. 武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所，湖北 武漢 430300；2. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝林學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

近年來，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)面積不斷擴(kuò)大，據(jù)2016年第3 次全國農(nóng)業(yè)普查結(jié)果顯示，中國設(shè)施蔬菜占地面積131 萬hm2，居世界設(shè)施蔬菜生產(chǎn)面積之首[1]。集約化設(shè)施蔬菜生產(chǎn)農(nóng)業(yè)作業(yè)頻繁、復(fù)種指數(shù)高，但相對于谷物生產(chǎn)其利潤可觀。在高利潤吸引下，過量施用氮肥和灌溉成為常見現(xiàn)象。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，華北平原等部分地區(qū)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)每年投入 氮 肥 超 過2 000 kg/hm2[2?4]，田 間 灌 溉 量 超 過1 000 mm[3?4]，嚴(yán)重超出了作物的生長需求。施肥和灌溉是蔬菜高產(chǎn)的基礎(chǔ)，但不合理的施肥和灌溉會導(dǎo)致氮素流失，引起地下水污染和土壤退化等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，降低了氮素利用率[5]。因此，如何平衡生產(chǎn)效益和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)成為待解決的問題。

硝態(tài)氮（NO3--N）是地下水氮素淋溶損失的主要形式[6]，NO3--N 帶負(fù)電荷，受土層中負(fù)電荷的排斥，加之NO3--N 易溶于水，在包氣帶中具有很強(qiáng)的流動(dòng)性，因此，田間灌溉時(shí)易隨灌溉水向下遷移[7]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，山東壽光蔬菜產(chǎn)區(qū)大部分地下水NO3--N含量超過10 mg/L，最高達(dá)到184.60 mg/L[8]。有機(jī)物料配施化肥被認(rèn)為是減少化肥使用、降低NO3--N淋失的有效方式[9?10]。LIANG 等[11]的研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)糞肥處理設(shè)施番茄顯著降低了NO3--N和總氮的淋失，并且使番茄保持較高的產(chǎn)量和氮素利用率。李曉蘭等[12]通過土柱模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著有機(jī)肥配施占比的增加，NO3--N的淋失量和蔬菜硝酸鹽含量均降低。QASIM 等[13]的研究表明，秸稈的摻入刺激了施設(shè)土壤的反硝化作用，降低了NO3--N的淋失。

然而，一些研究表明，溶解性有機(jī)氮（Dissolved organic N，DON）在地下水中有較高的含量，可能會成為影響地下水環(huán)境的新因素[14]。KESSEL 等[15]的研究表明，草地系統(tǒng)中每年有機(jī)氮的淋失最高可達(dá)127 kg/hm2，并且地下滲濾液中有機(jī)氮含量超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)。ZHAO 等[16]的研究發(fā)現(xiàn)，滴灌施肥可以減少有機(jī)氮的淋失，提高灌溉水利用率。SONG等[17]的研究發(fā)現(xiàn)，氣候條件和季節(jié)性變化對有機(jī)氮淋失可能起到重要作用。目前，大多數(shù)研究都集中在無機(jī)氮淋失造成的損失上，而對有機(jī)氮淋失的研究較少。為此，擬通過田間原位淋溶監(jiān)測平臺，研究不同施肥模式對土壤中無機(jī)氮遷移、地下水不同形態(tài)氮素?fù)p失、蔬菜產(chǎn)量、氮肥利用率的影響，以期為降低設(shè)施菜地系統(tǒng)的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)

試驗(yàn)地土壤類型為砂壤土，耕層土壤理化性質(zhì)：全氮1.20 g/kg、全磷0.89 g/kg、堿解氮112.30 mg/kg、速效磷26.62 mg/kg、速效鉀74.62 mg/kg、有機(jī)質(zhì)13.87 g/kg、pH 值8.02、硝態(tài)氮16.70 mg/kg、銨態(tài)氮0.61 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)小區(qū)概況

試驗(yàn)小區(qū)為布設(shè)在武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院武湖基地（114°25′E、30°28′N）設(shè)施大棚內(nèi)的農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測點(diǎn)。大棚拱圓形，無色透明塑料棚膜覆蓋，單個(gè)大棚內(nèi)設(shè)9 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，各試驗(yàn)小區(qū)（長6.0 m、寬3.2 m、高30 cm、深30 cm）用磚混結(jié)構(gòu)分隔。為減少小區(qū)間的相互影響，采用單排單灌模式，每個(gè)小區(qū)中間位置地下設(shè)有淋溶滲濾池（長1.5 m、寬0.8 m、深0.9 m），下鋪設(shè)30 L 收集桶，桶蓋上鋪設(shè)石英砂過濾淋溶水。用PE 管從桶中延伸出地面，用于抽取淋溶水。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料

前茬作物為番茄，供試結(jié)球白菜（以下稱白菜）品種為元寶。白菜于2021年9月27日定植，密度為5 株/m2。共設(shè)6 個(gè)處理:不施肥（CK）、常規(guī)化肥（CF）、優(yōu)化施肥（生物有機(jī)肥替代30%化肥氮，OF）、秸稈與常規(guī)化肥配施（CFS）、秸稈與優(yōu)化施肥結(jié)合（OFS）、秸稈與優(yōu)化施肥結(jié)合水平上減少30%灌溉（OFSW）。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3次重復(fù)。

根據(jù)武漢當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣，常規(guī)化肥為SOUPRO三元復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15），氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）施用量分別為112.5、49.1、93.4 kg/hm2。優(yōu)化施肥為施用生物有機(jī)肥（根沃寧，N=2.97%、P2O5=2.16%、K2O=1.37%，山西稼和沃農(nóng)業(yè)科技有限公司）替代30%化肥氮。秸稈為玉米秸稈，使用威爾德（日照）園林機(jī)械有限公司的GTS300 粉碎機(jī)粉碎后翻耕入0～20 cm 土層，秸稈施加量為3 500 kg/hm2。采用微噴灌進(jìn)行灌溉，單個(gè)小區(qū)鋪設(shè)2條微噴帶，灌溉量為50 mm，OFSW處理灌溉量減少30%。

1.4 測定指標(biāo)和方法

1.4.1 土壤理化指標(biāo) 在白菜種植期間，使用取土器以五點(diǎn)取樣法定期對試驗(yàn)小區(qū)不同深度剖面土進(jìn)行采樣，將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室測定無機(jī)氮。其中，土樣銨態(tài)氮（NH4+-N）采用KCl 浸提-靛酚藍(lán)比色法[18]測定，NO3--N采用酚二磺酸光度法[18]測定。

1.4.2 淋溶水氮損失量 在白菜生長期內(nèi)分別于2021 年10 月22日、11月14日、12月1日進(jìn)行3 次灌溉，使用田間原位淋溶裝置在灌溉后的第3天進(jìn)行地下淋溶水的收集，記錄每次收集的淋溶水體積，將部分水樣帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定可溶性總氮（TDN）、NH4+-N、NO3--N 和亞硝態(tài)氮（NO2--N）含量等指標(biāo)[19]。其中，TDN 采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定，NH4+-N采用納氏試劑光度法測定，NO3--N采用酚二磺酸光度法測定，NO2--N 采用萘乙二胺光度法測定。DON 含量為TDN 與無機(jī)氮含量差值。氮素淋失量（Q）通過以下公式計(jì)算：

式中，Q指不同形態(tài)氮素淋失量，Ci指淋溶水中不同形態(tài)氮素的含量，Vi指每次收集的淋溶水體積，A指單位小區(qū)面積。

氮素淋失系數(shù)=（施氮區(qū)氮素淋失量-無氮區(qū)氮素淋失量）/氮肥投入量×100%。

1.4.3 白菜產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力 收獲期間對各小區(qū)白菜進(jìn)行測產(chǎn)，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取4顆白菜，將白菜從中間一分為二，記錄莖粗。地上和地下部分清理后分別稱質(zhì)量，記錄鮮質(zhì)量。氮肥偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)白菜產(chǎn)量/氮肥投入量。

1.4.4 氮素吸收量和氮素利用率 取部分白菜樣品帶回實(shí)驗(yàn)室烘干磨樣，之后用奈氏比色法對地上部分和地下部分氮素吸收量[18]進(jìn)行測定。

氮素利用率=（施氮區(qū)白菜氮素吸收量-無氮區(qū)白菜氮素吸收量）/氮肥投入量×100%。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2017 進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，利用Origin 9.0 繪圖，利用SPSS 21.0 進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈和有機(jī)肥配施對設(shè)施菜地土壤浸出液無機(jī)氮含量的影響

由圖1 可知，隨著種植天數(shù)的增加，土壤表層（0～25 cm）NO3--N 含量整體表現(xiàn)為先降低，后在40 d 時(shí)達(dá)到峰值。峰值時(shí)各處理NO3--N 含量表現(xiàn)為CF>OFS>OF>CFS>OFSW>CK，以CF 處理峰值最高，達(dá)到155.04 mg/kg，然后逐漸降低。隨著土層深度增加，NO3--N 含量降低，50 d 時(shí)表層土與深層土（25～50 cm）NO3--N 含量趨于一致。不同深度土層NH4+-N含量差異不顯著，隨著種植天數(shù)增加，NH4+-N含量整體趨勢均表現(xiàn)為先升高后降低。在30 d 時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)不同深度土層NH4+-N含量都以O(shè)FS處理最高，分別達(dá)到8.91、5.30 mg/kg。在60 d 時(shí)，OF、OFS和OFSW 處理的表層土和深層土NO3--N和NH4+-N含量較高，表明配施秸稈和有機(jī)肥能增強(qiáng)土壤對無機(jī)氮的保留，相比CFS 處理可以看出，配施有機(jī)肥氮保留效應(yīng)高于秸稈。

圖1 白菜生長期間土壤浸出液中NO3--N和NH4+-N含量變化Fig.1 Change of NO3--N and NH4+-N contents in soil leachate during the growth of cabbage

2.2 秸稈和有機(jī)肥配施對不同形態(tài)氮素淋溶損失的影響

不同施肥模式下不同形態(tài)氮素淋失量見圖2。CK 處理TDN 淋失量最小，其次是OFSW 處理，表明施肥和灌溉是氮素地下流失的直接原因。相較于CF 處理，OF、OFS 和OFSW 處理顯著降低了TDN 淋失量（P<0.05），分別降低了24.1%、33.9%、47.3%。CFS處理也降低了TDN淋失量，但與CF處理差異不顯著。

圖2 秸稈和有機(jī)肥配施對DON、NH4+-N和NO3--N淋失量的影響Fig.2 Effect of combined application of straw and organic fertilizer on leaching loss of DON，NH4+-N and NO3--N

表1 秸稈和有機(jī)肥配施對NO3--N、NH4+-N和DON淋失占比和淋失系數(shù)的影響Tab.1 Effects of combined application of straw and organic fertilizer on the leaching proportion and leaching coefficient of NO3--N，NH4+-N and DON

2.3 秸稈和有機(jī)肥配施對白菜產(chǎn)量的影響

不同施肥模式顯著影響白菜地上生物量和地下生物量（圖3）。不施肥處理（CK）地上生物量最低，OF、CFS、OFS 和OFSW 處理白菜地上生物量顯著高于CF 處理，OFS 處理地上生物量最高。比較OF 與CFS 地上生物量發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化施肥（生物有機(jī)肥替代30%化肥氮）增產(chǎn)效益高于秸稈與常規(guī)化肥配施。另外，OFS 和OFSW 處理白菜地上生物量差異不顯著，表明秸稈與優(yōu)化施肥結(jié)合水平上減少30%灌溉可能是更科學(xué)的管理措施，這將有望減少地下水消耗的同時(shí)保持蔬菜產(chǎn)量。不同于地上生物量的變化，地下生物量為CK 處理最高，與其他施肥處理差異達(dá)到顯著水平；其次是OFSW 處理。表明不施肥和水分限制能促使根向更深層的土壤吸收養(yǎng)分，因此根系較發(fā)達(dá)。相較于CF 處理，OF、CFS 和OFS處理地下生物量均有所提高但差異不顯著。

圖3 秸稈和有機(jī)肥配施對白菜地上生物量（A）與地下生物量（B）的影響Fig.3 Effect of combination of straw and organic fertilizer on aboveground（A）and belowground（B）biomass of cabbage

白菜莖粗、產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力對不同施肥模式有不同響應(yīng)（表2），白菜莖粗在8.29～14.33 cm，以O(shè)FS 處理白菜莖粗最大，顯著高于其他處理。白菜產(chǎn)量在23 065.97～96 680.55 kg/hm2，同樣以O(shè)FS 處理產(chǎn)量最高。相較于CF 處理，OF、CFS、OFS 和OFSW 處 理 產(chǎn) 量 增 加 了21.4%、14.1%、38.8%、27.0%，OF、CFS、OFSW 處理產(chǎn)量的提高不顯著。各處理氮肥偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為OFS>OFSW>OF>CFS>CF，表明秸稈與優(yōu)化施肥結(jié)合提高了白菜生產(chǎn)時(shí)的 氮肥偏生產(chǎn)力。

表2 秸稈和有機(jī)肥配施對白菜莖粗、產(chǎn)量及氮肥偏生產(chǎn)力的影響Tab.2 Effect of combined application of straw and organic fertilizer on stem diameter，yield and nitrogen partial productivity of cabbage

2.4 秸稈和有機(jī)肥配施對白菜氮素吸收量和氮素利用率的影響

由表3 可知，不施肥處理（CK）白菜地上部分總氮含量顯著低于其他施肥處理，總氮吸收量表現(xiàn)為OFSW>OFS>OF>CFS>CF>CK，配施秸稈和有機(jī)肥可有效促進(jìn)白菜對氮素的吸收利用。相較于常規(guī)化肥（CF）處理，OFSW 處理總氮吸收量顯著提高。配施秸稈和有機(jī)肥的白菜地下部分總氮含量顯著高于CF和CK處理，但總氮吸收量差異不顯著。

表3 秸稈和有機(jī)肥配施對白菜總氮吸收量和氮素利用率的影響Tab.3 Effect of combined application of straw and organic fertilizer on total nitrogen uptake and nitrogen use efficiency of cabbage

不同施肥模式下白菜的氮素利用率差異明顯。OFSW 處理氮素利用率最高，達(dá)到37.61%。配施秸稈和有機(jī)肥提高了氮素利用率，相較于CF 處理，OF、CFS、OFS 和OFSW 處理分別提高了50.47%、14.80%、59.36%、62.25%，且OFS 和OFSW 處理氮素利用率提高顯著。

3 結(jié)論與討論

設(shè)施蔬菜栽培時(shí)，氮肥過量施用導(dǎo)致氮素以不同途徑損失，這也是農(nóng)業(yè)面源污染的直接原因。前人研究表明，土壤中無機(jī)氮易隨水流向下遷移[20?21]。本研究中，對土壤無機(jī)氮含量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測表明，在40 d 時(shí)表層土（0～25 cm）NO3--N 含量達(dá)到峰值，這部分NO3--N 主要是由于肥料中氮的硝化作用產(chǎn)生的，40 d 時(shí)常規(guī)化肥處理（CF）的硝化作用最強(qiáng)，NO3--N轉(zhuǎn)化量最多，故含量最高。配施有機(jī)肥減弱了硝化作用，原因可能是有機(jī)肥含有較多的酚、糖、醛類化合物及羥基，增強(qiáng)了對NH4+-N 的吸附和固定[22]。另外，NH4+-N 含量（0～25 cm）在30 d 達(dá)到峰值后迅速被利用和轉(zhuǎn)化，CF 處理在峰值處含量較低，再次說明該處理NH4+-N 的轉(zhuǎn)化較強(qiáng)。在60 d時(shí)OFSW 處理的土層保留更多無機(jī)氮，說明灌溉量是影響氮素遷移的重要因素，這與唐興旺等[23]在小麥上的研究結(jié)果一致。

秸稈和有機(jī)肥與化肥配施是減少NO3--N 淋失的有效措施[24?25]。本研究中，CF 處理地下淋溶水NO3--N 淋失量和淋失系數(shù)最高，淋失占TDN 62.756%。OF、OFS和OFSW處理顯著降低了NO3--N的淋失量，相較于CF 處理，分別降低了44.3%、52.2%、59.5%。CHEN 等[26]認(rèn)為，減水灌溉能提高水分利用率，減少氮素對環(huán)境的輸出影響。本研究發(fā)現(xiàn)，減少30%灌溉量能進(jìn)一步減少NO3--N 淋溶損失，與CHEN 等[26]的研究結(jié)果一致。與常規(guī)化肥處理（CF）相比，秸稈與常規(guī)化肥配施處理（CFS）也降低了NO3--N地下淋溶，但淋失占比差異未達(dá)到顯著水平。秸稈提高了土壤碳氮比，增加了土壤微生物量碳，提高了土壤的固氮能力，從而避免了NO3--N以淋溶形式損失[27?28]，降低了NO3--N 地下淋溶。但秸稈分解緩慢，在白菜生長前期一定程度上降低了土壤容重，增大了NO3--N 地下淋失的風(fēng)險(xiǎn)，因此降低的效果不顯著，這與楊世琦等[29]的研究結(jié)果類似。

DON 是氮素淋失的另一種重要形式。梁斌等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，DON 占可溶性總氮淋失量的16.5%～34.6%，秸稈配施雞糞肥與單施糞肥相比，減少了DON 的地下淋失。本研究中，OFS 處理與OF處理相比，DON 的淋失量沒有顯著變化，這可能與秸稈施加量和有機(jī)肥種類的差異有關(guān)。也有研究表明，有機(jī)物質(zhì)的施加提高了DON 淋失[31?32]。本研究中，相較于CF 處理，OF、CFS、OFS 和OFSW 處理均提高了地下淋溶水中DON 的淋失占比和淋失系數(shù)?；逝涫┙斩捄陀袡C(jī)肥沒有降低DON 的地下淋失，可能是由于秸稈的施用提高了土壤的有機(jī)質(zhì)含量，也提高了有機(jī)質(zhì)降解相關(guān)微生物的數(shù)量，刺激了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，提高了DON 的含量，增加了DON的淋失風(fēng)險(xiǎn)。

前人研究發(fā)現(xiàn)，化肥配施秸稈和有機(jī)肥能提高蔬菜產(chǎn)量和氮素利用率[33]，首先是因?yàn)橛袡C(jī)肥含有大量的無機(jī)態(tài)元素和微量元素，有利于蔬菜吸收利用，其次有機(jī)肥具有緩效性，化肥配施有機(jī)肥能協(xié)調(diào)蔬菜生長期內(nèi)的營養(yǎng)平衡[34]。本研究中，相較于常規(guī)化肥（CF）處理，優(yōu)化施肥（生物有機(jī)肥替代30%化肥氮，OF）、秸稈與常規(guī)化肥配施（CFS）處理白菜產(chǎn)量分別增加21.4%、14.1%，有機(jī)肥增產(chǎn)效益高于秸稈，且二者配施有協(xié)同作用。這可能是秸稈相對有機(jī)肥不易腐解，而白菜生長周期較短，因此，對產(chǎn)量影響較小。減少灌溉未顯著提高白菜產(chǎn)量，但有效促進(jìn)了氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)，提高了白菜總氮吸收量和氮素利用率。

綜上所述，秸稈與優(yōu)化施肥結(jié)合水平上減少灌溉（OFSW）在保證蔬菜生物量和產(chǎn)量的前提下能更有效地減少氮素淋失、協(xié)調(diào)生產(chǎn)與環(huán)境之間的矛盾，其次為秸稈與優(yōu)化施肥結(jié)合（OFS）處理，二者均是防控農(nóng)業(yè)面源污染可推薦的施肥措施。