基于商品價值和環(huán)境風險的西葫蘆氮肥投入閾值研究

摘要： 【目的】針對設施蔬菜過量施氮導致產(chǎn)量品質下降、環(huán)境風險升高等系列問題，研究不同施氮量對西葫蘆產(chǎn)量品質、養(yǎng)分吸收及經(jīng)濟效益的影響，以確定西葫蘆適宜氮肥用量，促進其綠色高效生產(chǎn)，為設施蔬菜合理施肥提供參考?！痉椒ā吭谏綎|省德州市平原縣春茬拱棚內設置6 個施氮（N） 水平：0、195.0、292.5、3 9 0 . 0 、4 8 7 . 5 和5 8 5 . 0 k g / h m 2 ， 分別記作N 0 、N 1 、N 2 、N 3 、N 4 和N 5 ， 研究施氮量對西葫蘆產(chǎn)量、品質、氮肥利用率及土壤氮素平衡的影響，計算了基于產(chǎn)量和蔬菜安全（品質和環(huán)境） 的氮素投入閾值。【結果】西葫蘆產(chǎn)量、效益、氮肥利用率和品質均與施氮量呈顯著的二次拋物線關系，4 個指標最高值對應的氮肥用量分別為427.8、416.2、310.5 和228.8 kg/hm2。各處理下氮肥利用率介于14.15%～23.14%，大量氮素累積在土壤中，1 m 土體中，礦質氮殘留量和表觀損失量隨施氮量的增加而顯著增加，當施氮量為261.7kg/hm2 時， 氮素收支基本持平?！窘Y論】綜合考慮產(chǎn)量、經(jīng)濟效益、品質和土壤氮盈余與施氮量的關系，提出春季拱棚西葫蘆合理氮肥投入閾值為288.3～386.8 kg/hm2，能保證西葫蘆獲得高產(chǎn)、增收、質優(yōu)，同時降低環(huán)境風險。

關鍵詞： 西葫蘆；產(chǎn)量；氮素表觀盈余；氮肥效應；氮肥閾值

蔬菜是人體必需維生素與礦物質的主要來源，也是人們生活必不可少的重要農產(chǎn)品。蔬菜的優(yōu)質高產(chǎn)離不開化肥，尤以氮肥的作用最為突出，對產(chǎn)量和品質提升具有至關重要的作用[1?2]。然而，為追求產(chǎn)量和經(jīng)濟收益，種植戶過量施肥現(xiàn)象普遍存在[ 3 ]。據(jù)統(tǒng)計，我國設施蔬菜氮肥平均施用量為505.5 kg/hm2，分別是糧食作物和露地蔬菜的2.4 和1.2 倍[4?5]，氮肥利用率僅為9.5%～33.3%[6]。過量施用氮肥不僅會降低化肥的利用率和生產(chǎn)效率，還會導致一系列問題，如土壤次生鹽漬化、N2O 排放量增加、蔬菜病害加劇、面源污染風險上升等[7?9]。因此，確定適宜的氮肥用量，是保障蔬菜優(yōu)質安全、保護生態(tài)環(huán)境和維持可持續(xù)發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。

通常來講，適宜氮肥閾值的確定主要是基于一定的氮素管理指標，包括生產(chǎn)力（產(chǎn)量、品質和經(jīng)濟效益）、環(huán)境（氮素流失和氣體排放）、氮素效率（氮肥利用率、農學效率等）、土壤（礦質氮盈余、土壤性質和肥力的改變） 以及氮素表觀平衡等[10]。氮素管理指標不同，獲得的氮素投入閾值范圍也不同。例如呂敏娟等[11]在衡4399 小麥品種上的試驗結果表明，土壤氮素環(huán)境風險較小的氮肥投入閾值為120.5～149.9 kg/hm2，經(jīng)濟效益最佳的氮肥投入閾值為149.9～255.6 kg/hm2，而獲得高品質小麥的氮肥投入閾值是255.6～300 kg/hm2。對標我國農業(yè)綠色發(fā)展目標，氮素管理需要在獲得目標產(chǎn)出的同時，兼顧考慮收益、品質和環(huán)境代價的氮素投入，做到三者協(xié)調。相關研究主要集中在糧食作物[12?14]，蔬菜上研究較少，且多關注于作物產(chǎn)量與經(jīng)濟效益[ 1 5 ]、環(huán)境[16?17]、品質[18]三者之一獲得的最佳施氮量，而將作物產(chǎn)量、品質與環(huán)境指標綜合分析探討氮素投入閾值的研究還鮮見報道。

蔬菜產(chǎn)量和品質的形成與氮素營養(yǎng)密切相關，本研究以春季拱棚西葫蘆為研究對象，分析了氮素投入與西葫蘆產(chǎn)量、品質、效益和土壤氮素平衡的關系，探討西葫蘆的適宜施氮閾值，以期為我國蔬菜綜合生產(chǎn)能力提升和綠色可持續(xù)發(fā)展提供施肥指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在山東省平原縣坊子鄉(xiāng)東坊子村拱棚內進行。試驗點地勢平坦，肥力均勻，排灌條件良好。供試大棚內一年種植兩季西葫蘆，棚齡為3 年。土壤類型為潮土，0—20 cm 土層土壤有機質含量為21.3 g/kg，有效磷179 mg/kg，速效鉀441 mg/kg，全氮1.79 g/kg，硝態(tài)氮28.1 mg/kg，銨態(tài)氮2.2 mg/kg，pH 8.3。

1.2 試驗設計

當?shù)剞r民習慣氮肥施用量為化肥N 292.5 kg/hm2，以此為基準，以依次增減1/3 為梯度，設6 個氮（N） 素水平： 0、195.0、292.5、390.0、487.5 和585.0 kg/hm2，分別記作N0、N1、N2、N3、N4 和N5。試驗為隨機區(qū)組設計，每個處理設3 次重復，小區(qū)面積24.5 m2。為防止小區(qū)之間土壤養(yǎng)分相互干擾，各小區(qū)間筑有高10 cm、寬50 cm 的土埂。各處理其他肥料用量和施用方法一致，均為有機肥6000 kg/hm2、P2O5 183 kg/hm2、K2O 538.5 kg/hm2，供試有機肥為農戶自行發(fā)酵的稻殼牛糞，折合氮素投入均為27.27 kg/hm2。供試化肥包括尿素（N 46%），磷酸二氫鉀（P2O5 52%、K2O 34%），重過磷酸鈣（P2O546%），磷酸二銨（N 18%、P2O5 46%），硫酸鉀（K2O50%）。有機肥、20% 氮肥、60% 磷肥和20% 鉀肥做基肥，剩余40% 磷肥在前4 次追肥時均分沖施，剩余80% 氮肥和80% 鉀肥均分8 次沖施。氮、磷、鉀肥分別以尿素、磷酸二氫鉀、重過磷酸鈣或磷酸二銨和硫酸鉀形式施入，灌溉方式為畦灌。

西葫蘆品種為‘碧秀2 號’，行距87.5 cm，株距85 cm。2022 年4 月15 日施基肥，4 月17 日定植，5 月7 日開始第一次追肥，以后每間隔7～8 天追肥1 次。5 月18 日開始采摘，7 月12 日拉秧，全生育期共86 天。除施肥外，各處理灌溉、病蟲害防治等田間管理措施均一致。

1.3 測定項目與方法

各小區(qū)采取單采單收的方法記錄產(chǎn)量。在盛瓜期隨機采集4 只西葫蘆果實，測定水分、品質指標（維生素C 和硝酸鹽） 和全氮含量；在拉秧期各小區(qū)選取4 株有代表性植株，切段、烘干后，測定干物重。西葫蘆維生素C 含量采用2，6-二氯靛酚滴定法[19]測定，硝酸鹽含量采用紫外分光光度法[20]測定。果實切片烘干后與植株干樣分別粉碎，經(jīng)H2SO4?H2O2 消煮后，采用全自動凱氏定氮儀進行全氮含量的測定，以計算吸氮量。拉秧期以20 cm 為一層，采集0—100 cm 土層土壤樣品，每小區(qū)取3 個點制備混合樣，鮮土用2 mol/L KCl 浸提，濾液通過流動注射分析儀測定土壤硝態(tài)氮含量。

1.4 計算公式與數(shù)據(jù)處理

1.4.1 氮肥相關效率計算

氮素收獲指數(shù)（%） = 西葫蘆吸氮量/地上部吸氮量×100；

氮肥表觀利用率（%） = （施氮區(qū)吸氮量?不施氮區(qū)吸氮量）/施氮量×100；

氮肥農學效率（kg/kg） = （施氮區(qū)西葫蘆產(chǎn)量?不施氮區(qū)西葫蘆產(chǎn)量）/施氮量；

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg） = 西葫蘆產(chǎn)量/施氮量；

經(jīng)濟效益 = 作物產(chǎn)量×價格?肥料用量×價格?其他成本。

1.4.2 氮素平衡計算 移栽的西葫蘆主根被切斷，主要根群深度為10～30 cm，故40 cm 以下土層的氮素視為在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的損失。本研究不考慮氮素的干濕沉降和灌水帶入的氮，參照文獻[11， 18]中有關氮平衡的計算，并稍加改動。氮素輸入項：化肥氮、0—40 cm 土壤起始礦質態(tài)氮、作物生長期間的礦化態(tài)氮。氮素輸出項：作物吸收氮和土壤殘留礦質態(tài)氮。相關計算公式如下：

土壤無機氮累積量（kg/hm2） = 土層厚度（cm）×土壤容重（g/cm3）×土壤無機氮含量（mg/kg）/10；

氮素表觀礦化量 = 不施氮區(qū)作物吸氮量+不施氮區(qū)收獲時土壤 Nmin?不施氮區(qū)播前土壤 Nmin；

氮素表觀盈余量 = 施氮量+播前土壤Nmin?作物吸氮量?土壤殘留Nmin；

氮素表觀損失量 = 氮素總輸入（施氮量+播前土壤Nmin+氮素表觀礦化量）?氮素總輸出（作物吸氮量+土壤殘留Nmin）；

氮素表觀殘留率（%） = （施氮區(qū)土壤殘留Nmin?不施氮區(qū)土壤殘留Nmin）/施氮量×100；

氮素表觀損失率（%） = 氮素表觀損失量/施氮量×100。

1.4.3 數(shù)據(jù)處理 所得數(shù)據(jù)使用Microsoft excel2013 進行處理和作圖，采用SAS8.1 統(tǒng)計軟件分析，多重比較采用Duncan’s 法，檢驗0.05 水平上的差異。

2 結果與分析

2.1 施氮量對西葫蘆產(chǎn)量的影響

由圖1 可知，N0 處理西葫蘆產(chǎn)量最低，5 個施氮處理的增產(chǎn)幅度為22.2%～32.4% （Plt;0.05）。隨著施氮量的增加，西葫蘆產(chǎn)量呈先增加后降低趨勢，N3 處理產(chǎn)量最高，較N1 和N5 處理顯著增產(chǎn)，增產(chǎn)率分別為15.1% 和5.9%。

2.2 施氮量對西葫蘆品質的影響

硝酸鹽含量是衡量蔬菜衛(wèi)生品質的重要指標之一。本試驗中，盛果期西葫蘆硝酸鹽含量介于524.4～651.3 mg/kg （圖2），在蔬菜硝酸鹽含量分級評價標準中屬于二級蔬菜[ 2 1 ]，可用于鹽漬和烹煮食用。與N 0 相比，施用氮肥處理西葫蘆硝酸鹽含量提高8.15%～24.21%，其中N3、N4 和N5 處理與N0 達顯著差異水平。隨施氮量的增加西葫蘆硝酸鹽含量整體呈上升趨勢，N5 處理較其他施氮處理顯著增加8.66%～14.86%，其他施氮處理間無顯著差異。西葫蘆維生素C （Vc） 含量隨施氮量的增加呈先增加后降低趨勢，N2 處理下Vc 含量最高，較其他施氮處理增加8.09% 以上，且與除N3 處理外的其余處理均達顯著差異水平。

2.3 施氮量對西葫蘆氮素吸收利用的影響

由表1 可知，隨著施氮量的增加，西葫蘆總吸氮量呈先增后降趨勢，以N4 處理最高，顯著高于除N3 外的其他處理。各施氮處理的氮素收獲指數(shù)較N0 顯著增加4.90% 以上，其中N3 的氮素收獲指數(shù)最高，較N1 處理顯著提高5.27%，但與其余施氮處理間無顯著差異。西葫蘆氮肥表觀利用率介于14.15%～23.14%，以N2 和N3 處理較高，較其他處理顯著提高18.35% 以上。將氮肥表觀利用率與施氮量進行擬合，得出拋物線方程，計算可得氮肥表觀利用率最高時的施氮量為310.5 kg/hm2。氮肥農學效率隨施氮量增加呈先增后降的趨勢，N2 處理的氮肥農學效率最高，與N1 處理無顯著差異，但較其他施氮處理顯著增加20.26% 以上。氮肥偏生產(chǎn)力與施氮量呈顯著負相關關系（r=0.979**），施氮量每增加97.50 kg/hm2，氮肥偏生產(chǎn)力平均降低了約22 個百分點。

2.4 施氮量對土壤硝態(tài)氮的影響

從圖3 可以看出，N0 處理土壤中硝態(tài)氮濃度隨土層深度的增加而顯著降低，80—100 cm 土層NO3?-N 濃度較表層土壤（0—20 cm） 降低82.42%；此外，施氮處理各土層NO3?-N 濃度均顯著高于N0 處理。施氮處理間，各土層NO3?-N 濃度整體隨施氮量的增加而升高，而隨土壤深度的增加差異逐漸降低，其中N 5 表層N O 3? - N 濃度較其他處理顯著升高30.49% 以上，80—100 cm 土層NO3?-N 濃度則顯著增加16.78% 以上。隨施氮量的增加，1 m 土層和0—40 cm 土層的NO3?-N 累積量均呈上升趨勢（圖3），且與施氮量呈顯著正相關關系（ r = 0 . 9 8 9 * *，r =0.975**），其中施氮量最高的N5 處理1 m 土層和0—40 cm 土層的NO3?-N 累積量，分別較其他處理顯著增加10.91% 和9.63% 以上。

2.5 不同施氮量處理的氮素平衡

如表2 所示，隨氮肥用量的增加，0—40 cm 土層氮素表觀盈余量和損失量呈線性增高趨勢，施氮量為292.5 kg/hm2 時，土壤氮收支基本平衡；氮素表觀殘留率隨施氮量增加而顯著增加，當施N 量超過390.0 kg/hm2 后，氮素表觀殘留率雖有波動，但差異不顯著；氮肥表觀損失率隨施氮量的增加先降低后升高，在施N390 kg/hm2 時（N3 處理） 最低，雖與N4 處理無顯著差異，但較其他氮肥處理顯著降低13.48% 以上。

2.6 施氮量對西葫蘆經(jīng)濟效益的影響

如表3 所示，西葫蘆產(chǎn)值整體隨施氮量的增加呈先提高后降低的趨勢，其中N3 處理的西葫蘆產(chǎn)值最高，較N0 處理增加3.38 萬元/hm2，較其他施氮處理增加0.33～1.37 萬元/hm2。氮肥用量增加的同時，肥料成本也不斷提高，但各處理凈收益的變化趨勢仍與產(chǎn)值相一致，N3 處理的凈收益較其余處理提高3.92% 以上。與N0 相比，施用氮肥可實現(xiàn)增收1.94 萬元/hm2 以上，產(chǎn)投比提高24.09% 以上，尤以N3 處理效果最佳，較其他施氮肥處理實現(xiàn)增收提高10.20% 以上，產(chǎn)投比提高1.94% 以上。

2.7 基于環(huán)境和蔬菜安全的氮素投入閾值

2.7.1 基于西葫蘆產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的氮肥閾值 西葫蘆產(chǎn)量（y1） 和凈收益（y2） 與施氮量（x） 關系均可以用一元二次方程進行擬合（圖4），當施氮量為427.8kg/hm2 時，產(chǎn)量最高，為73510 kg/hm2?？紤]西葫蘆的經(jīng)濟效益，計算出的最佳經(jīng)濟效益施氮量為416.2kg/hm2，對應產(chǎn)量為73493 kg/hm2，與最高產(chǎn)量差異不顯著。因此，西葫蘆獲得高產(chǎn)高收益的最佳施氮量為416.2 kg/hm2。

2.7.2 基于西葫蘆品質的氮肥閾值 由圖4 西葫蘆維生素C （y3） 與施氮量（x） 的擬合方程計算得出，西葫蘆維生素C 含量最高時的施氮量為228.8 kg/hm2，而對應產(chǎn)量僅為最高產(chǎn)量的93.1%，減產(chǎn)風險較大。由圖2 可知，N3 處理下維生素C 含量為N2 處理（最高值） 的92.7%，但兩者產(chǎn)量無顯著差異。因此，將92.7% 維生素C 最高含量所對應的施氮量設為滿足品質需求的最高施氮量，得出施氮量為386.8 kg/hm2時產(chǎn)量和維C 含量與最高值基本持平。

2.7.3 基于產(chǎn)量和蔬菜安全的氮素投入閾值 從施肥環(huán)境來看，當施氮量為261.7 kg/hm2 時，土壤氮收支基本持平（y4=0），對應產(chǎn)量69966 kg/hm2，為最高產(chǎn)量的95.2% （圖4），減產(chǎn)風險較大。從圖1 中得出，N4 處理產(chǎn)量是N3 處理（最高） 產(chǎn)量的96.6%，兩者無顯著差異；將96.6% 最高產(chǎn)量對應的施氮量設為環(huán)境最低閾值，此時施氮量為288 kg/hm2。

對以上效應方程聯(lián)立，并采用內插法計算分析，基于產(chǎn)量、品質及蔬菜安全的氮肥投入閾值為288.3～386.8 kg/hm2，西葫蘆產(chǎn)量、效益和品質（維生素C 含量） 較高，分別為71011～72913 kg/hm2 、74963～77339 元/hm2 和12.7～13.5 mg/100 g，氮素表觀平衡值為14.4～67.6 kg/hm2。

3 討論

3.1 施氮肥對西葫蘆產(chǎn)量、品質和養(yǎng)分吸收量的影響

目前，氮素營養(yǎng)作為限制作物高產(chǎn)的關鍵因素之一，在業(yè)內已獲得廣泛共識。在一定施氮量范圍內作物產(chǎn)量隨氮肥用量增加而提高，當超過一定閾值后繼續(xù)增施氮肥，產(chǎn)量會進入一個平臺或呈現(xiàn)下降趨勢[22?23]，主要原因是當?shù)视昧砍^作物適宜施氮量后，其光合作用效能下降，物質合成與轉運能力降低[24]，進而影響作物體內的代謝過程，造成蔬菜產(chǎn)量和營養(yǎng)品質降低。本研究結果表明，施氮量在0～390 kg/hm2 范圍內，西葫蘆產(chǎn)量隨施氮量增加而增加，施氮量超過390 kg/hm2，西葫蘆產(chǎn)量呈下降趨勢；而西葫蘆維生素C 含量在施氮量292.5 kg/hm2時達最大，繼續(xù)增加施氮量，維生素C 含量呈下降趨勢，這與王亞晨[25]發(fā)現(xiàn)的氮肥減施對不結球白菜產(chǎn)量和品質的影響規(guī)律是一致的。此外，本研究中西葫蘆硝酸鹽含量隨施氮量增加而上升，這與周建利等[26]和趙嘉諾等[27]在其他蔬菜上發(fā)現(xiàn)的規(guī)律是一致的，這主要是由于植物體內積累硝酸鹽的過程是一種奢侈消耗，在氮素供應過多時，植物會以超過自身需要的速度來吸收硝態(tài)氮并加以貯存，以備氮素供應不足時運轉維持正常生長需要[28]。

3.2 施氮量對土壤硝態(tài)氮及氮平衡和經(jīng)濟效益的影響

氮肥施入土壤后，除被作物吸收利用及以各種途徑損失外，大部分以無機氮的形態(tài)殘留于土壤剖面中，其中NO3?-N 是無機氮的主要存在形態(tài)[12]。本研究結果中，各施氮處理均以表層土壤（0—20 cm）硝態(tài)氮濃度最高，20—60 cm 土層有明顯降低，隨后又逐漸升高，80—100 cm 土層的NO3?-N 濃度僅次于表層土壤，這可能與40 cm 以下西葫蘆根系分布較少，吸收減弱，而大水漫灌則進一步加劇了土壤硝態(tài)氮的強烈垂直淋溶作用有關。因此，實際生產(chǎn)中應合理地選擇氮肥用量及灌溉方式，在保證根際土壤NO3?-N 供應強度的同時，降低氮素的淋失風險。

就氮輸出形式而言，施氮量較低時氮素以植株收獲攜出為主，施肥增加了氮肥在土壤中的殘留和損失，施氮量較低時盈余氮素以表觀損失為主，而施氮量較高時氮素則較多的殘留于土壤中，本試驗中N3 （施氮量390 kg/hm2） 氮肥殘留和表觀損失最低，氮肥表觀利用率達22.38%，雖略低于N2，但其表觀損失率較N2 顯著降低9 個百分點。就作物?土壤系統(tǒng)氮肥的總回收率（地上部吸收+土壤殘留）[29]而言，各施氮處理氮肥的總回收率介于63.07%～79.41%，整體隨施氮量的增加而降低，由此可知，僅通過增施氮肥來彌補土壤本身氮素消耗，可能導致氮肥損失的風險。

就經(jīng)濟效益而言，氮肥對蔬菜增產(chǎn)增收有重要作用，但隨著施氮量的增加，相對凈收益則是先增后降，因此可知，高投入未必能夠帶來高收益，投入一旦超出兩者平衡點，必定造成高投低效。本試驗中，N3 是產(chǎn)量效益雙盈的最佳氮投入量。

3.3 氮素投入閾值

眾多研究[16， 18， 24?26]表明，蔬菜產(chǎn)量、品質（維生素C 含量） 及經(jīng)濟效益隨施氮量增加呈拋物線變化趨勢，而氮素表觀平衡量則基本與施氮量呈正相關關系，超過某一施氮量后，作物產(chǎn)量、維生素C 含量及經(jīng)濟效益則與施氮量呈負相關關系。因此，獲得較高目標產(chǎn)量、維持土壤氮肥力，同時降低施氮引起環(huán)境污染的關鍵在于確定合理的施氮量，但是由于各種因素，目前仍未找到令人滿意的合理施氮量的確定方法[30]。氮素平衡是衡量氮素投入生產(chǎn)力、環(huán)境影響和土壤肥力變化的最有效指標[31] ，基于這一理論，減少土壤氮素盈余已成為目前最常用的確定適宜施氮量的方法[32?33]。本研究以減少土壤氮素盈余作為確定適宜施氮量的原則，并結合西葫蘆產(chǎn)量、經(jīng)濟效益和品質（維生素C 含量） 的適宜施氮量，通過計算分析得出，西葫蘆春季拱棚合理氮肥投入閾值范圍為288.3～386.8 kg/hm2，與程艷莉等[3]提出的設施栽培條件下，果類和瓜果類蔬菜產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力、品質提升效果較好的施氮量為200～400 kg/hm2 的結論較為一致。

4 結論

當施氮量分別為427.8、416.2、310.5 和228.8 kg/hm2時，西葫蘆可以獲得最高的產(chǎn)量、效益、氮肥利用率和品質（維生素C 含量）。綜合保障西葫蘆高產(chǎn)高收、優(yōu)質和低土壤氮盈余前提下，研究區(qū)春季拱棚西葫蘆氮肥投入閾值為288.3～386.8 kg/hm2。