不同施肥模式對冬瓜氮素利用及菜地氮素表觀平衡的影響

郭 智，劉紅江，陳留根*，王子臣，，邱 丹，堵燕鈺（江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，南京　004；江蘇省農業環境監測與保護站，南京　006；常州市農（漁）業生態環境保護監測站，江蘇　00）

不同施肥模式對冬瓜氮素利用及菜地氮素表觀平衡的影響

郭 智1，劉紅江1，陳留根1*，王子臣1，2，邱 丹2，堵燕鈺3
（1江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，南京210014；2江蘇省農業環境監測與保護站，南京210036；3常州市農（漁）業生態環境保護監測站，江蘇213002）

2011—2012年進行了田間小區定位試驗，研究了自然降雨條件下單施化肥（T1）、有機肥-化肥配施（T2）及單施有機肥（T3）等不同施肥模式對冬瓜氮素利用及菜地氮素表觀平衡的影響。結果表明：較T1處理，T2和T3處理分別增加了冬瓜氮素累積吸收量13.69%和13.16%，但菜地氮肥偏生產力和氮肥農學效率較T1處理分別降低了9.33%—22.91%和8.76%—27.08%。T2、T3處理條件下，冬瓜氮素表觀利用率分別達26.11%和24.78%，較T1處理提高10.04%和4.41%，但各處理間差異不顯著。T1處理條件下，菜地氮素盈余量達89.93 kg/hm2，而T2、T3處理則顯著增加菜地氮素盈余量達17.37%—32.20%，且氮素盈余率顯著增加8.33%—22.69%。

冬瓜；氮平衡；利用率；施肥試驗

氮素是作物生長的必需大量元素之一。長期以來，國內外廣大科技工作者以水稻、小麥、玉米等大田作物為研究對象對氮肥投入、作物高產及氮素高效利用作了系統研究。研究認為，氮肥使用對世界糧食產量持續增長具有關鍵性作用，但氮肥利用率普遍較低，約50%左右［1］，而在我國則更低，僅有30%左右，遠低于國際水平［2-4］。菜地生態系統是受人類劇烈生產活動影響的人工生態系統，其復種指數高，氮肥用量大，肥水條件優越，有別于一般農田生態系統［5］。在實際生產過程中，菜農為了追求更高的產量和經濟效益往往過量施用肥料［6-7］，施氮量通常高出大田作物的數倍甚至10倍以上，個別地區高達1 894 kg/hm2［8-9］，極大地超出蔬菜作物對氮素的實際需求量。持續過量施肥勢必導致報酬遞減和環境污染風險遞增［10］。研究表明，山東壽光［11］和滇池流域［9］集約化蔬菜產區菜地氮素利用率均在10%以下，大量氮素盈余積累在土壤表層，進而通過氨揮發、反硝化、地下淋失或地表徑流等途徑進入環境，導致水體富營養化、溫室效應增加等不良環境效應［12-14］。因此，深入研究菜地生態系統氮素投入、作物產量、環境效應及其平衡點具有重要意義。冬瓜（Benincasa hispida Cogn.）作為我國傳統優質蔬菜，具有適應性廣、產量高、耐貯藏、耐運輸等優點，在我國南方地區廣泛栽培［15-16］。然而，截至目前，鮮有關于冬瓜氮、磷養分吸收利用及冬瓜菜地養分平衡方面的研究報道。基于此，本研究以冬瓜菜地為研究對象，通過田間小區定位試驗，研究自然降雨條件下不同施肥模式對冬瓜氮素利用及菜地氮素表觀平衡的影響，以期為太湖流域農業面源污染源頭控制技術體系提供一定的科學依據。

1　材料與方法

1.1試驗點概況

本試驗點設在江蘇省常州市武進區雪堰鎮太湖村（31°30＇N，120°6＇E），屬亞熱帶濕潤性季風氣候，年均氣溫約16.8℃，年均日照約2 000 h，年均降雨量1 086 mm，年無霜期230d。常年種植露地蔬菜，施肥量較大。試驗田土壤屬白泥水稻土，基本理化性狀：pH（H2O，1∶5）6.19，有機質20.40g/kg，全N 2.15g/kg，全P 1.03g/kg，有效P 105.07 mg/kg，速效K 126.67 mg/kg。試驗時間：2011年4月—2012年9月。

為了防止小區間發生水分和養分的交換，采用水泥小埂將試驗小區相互隔開，12個試驗小區（長7.5 m、寬4 m）并排排列，且每個小區都設有單獨的徑流池，并在試驗區四周設置寬度不少于2 m的蔬菜保護行。徑流池的規格：長4 m、寬0.4 m、高1 m。徑流池進水口高度與小區溝渠底面保持一致。同時，每個徑流池鋪設石棉蓋板以防止雨水和雜物進入。此外，在徑流池外側設置抽濾池以便快速抽排試驗期間徑流池中的徑流水，其規格：長2 m、寬1 m、高1.5 m。

1.2試驗設計

本試驗根據當地農民種菜施肥水平設置4種施肥模式處理，分別為對照（不施肥，T0）、單施化肥（T1）、有機肥-化肥配施（T2）和單施有機肥（T3），各處理條件下肥料施用種類、施用量及純養分投入量如表1所示。

表1　試驗田肥料施用種類、施用量及純養分投入量Table 1　Kinds and amounts of applied fertilizers and nutrient inputs in trial plots

試驗期間共種植兩季夏秋茬蔬菜冬瓜，品種為‘黑將軍’。第一季于2011年4月28日播種，2011年9 月20日收獲；第二季于2012年4月13日播種，2012年9月6日收獲。冬瓜種植均采用穴播方式。參照大田常規管理方式，每季蔬菜在種植前翻土整地，所有處理均采用人工翻耕整平，耕翻層20 cm左右，每個小區各開一條T型溝渠，種植后進行澆水、護育，灌溉澆水采取挑水計量的方式，排水采用每區收集池抽排方式。試驗中所施碳酸氫銨、復合肥及雞糞等肥料全部一次性基施，撒施，分別于2011年4月26日和2012年4月10日施用。每個處理重復3次，共12個試驗小區，隨機排列。

1.3樣品采集與分析

供試土壤pH用原位pH計測定［17］；全N、全P、有效P和速效K及有機質含量等參照文獻［18］的方法測定。

蔬菜收獲時記載各處理小區經濟產量和廢棄物產量，并多點混合采集樣品。經殺青、烘干至恒重后粉碎研磨，經H2SO4-H2O2消解后，采用全自動流動分析儀（SKALARsan++）測定植株經濟產量部分和廢棄物部分全N含量。

蔬菜植株氮素吸收量、氮素表觀利用率、氮肥偏生產力、氮肥農學效率及菜地氮素平衡等指標計算公式參照相關文獻進行修正，具體公式如下：

氮素累積吸收量（kg/hm2）=經濟產量部分（kg/hm2）×氮素含量（%）+廢棄物部分（kg/hm2）×氮素含量（%）；

氮素表觀利用率=［施氮區蔬菜植株累積吸氮量（kg/hm2）-不施氮區蔬菜植株累積吸氮量（kg/hm2）］/施氮量（kg/hm2）×100%［19］；

氮肥偏生產力（kg/kg）=施氮區蔬菜經濟產量（kg/hm2）/施氮量（kg/hm2）［19］；

氮肥農學效率（kg/kg）=［施氮區蔬菜經濟產量（kg/hm2）-不施氮區蔬菜經濟產量（kg/hm2）］/施氮量（kg/hm2）［4］；

菜地氮素平衡盈余量（kg/hm2）=氮素收入（kg/hm2）-氮素支出（kg/hm2）［20］；

菜地氮素平衡盈余率 =［氮素收入（kg/hm2）-氮素支出（kg/hm2）］/氮素支出（kg/hm2）×100%［20］。

蔬菜-土壤系統氮素來源主要包括肥料施用、灌溉水輸入、大氣干濕沉降輸入等，但肥料施用是菜地土壤氮素的主要來源［21］。本試驗中，菜地氮素收入項主要考慮肥料投入（包括有機肥和化學肥料），支出項主要包括作物移出（包括經濟產量和廢棄物部分）和地表徑流兩項，未考慮氨揮發和淋溶損失等支出項。

1.4數據處理

用Excel 2010和SPSS 13.0軟件進行數據處理，文中所列數據均為3次重復平均值，各處理的比較采用最小顯著差數（LSD）法，凡超過LSD0.05（或LSD0.01）水平的視為顯著（或極顯著）。

2　結果與分析

2.1不同施肥模式對冬瓜干物質量及氮素吸收量的影響

由圖1（A）可以看出，不論是冬瓜經濟產量還是廢棄物產量，單施化肥（T1）、有機肥-化肥配施（T2）和單施有機肥（T3）處理均顯著高于對照（T0）處理，冬瓜經濟部分和廢棄物部分干物質量分別達T0處理的2.73—3.07倍和1.71—1.96倍（P＜0.05）。同時，T2處理條件下，冬瓜經濟部分和廢棄物部分干物質量較T1處理提高1.29%和12.03%，但處理間差異不顯著。然而，T3處理條件下，廢棄物部分干物質量較T1處理提高14.98%，經濟部分卻降低9.90%，但總干物質量仍提高3.71%，且處理間差異不顯著。

圖1　不同施肥模式對冬瓜干物質量（A）與氮素吸收量（B）的影響Fig.1　Effects of fertilizer practices on Chinese waxgourd’sdry matter（A）and absorbed nitrogen amount（B）

由圖1（B）可知，不論冬瓜經濟產量部分還是廢棄物部分，T1—T3處理下冬瓜氮素吸收量均極顯著高于不施肥處理（T0），且各處理（T0—T3）條件下廢棄物部分氮素吸收量達經濟產量部分的1.65—2.66倍（P＜0.05）。同時，有機肥施用（T2、T3）顯著增加冬瓜氮素吸收量。較T1處理而言，冬瓜經濟產量部分、廢棄物部分氮素吸收量分別增加16.84%—19.84%和10.25%—11.11%（P＜0.05）。從氮素累積吸收量角度考量，由高到低依次為T2、T3、T1和T0，分別達108.75 kg/hm2、108.24 kg/hm2、95.65 kg/hm2和38.52 kg/hm2。T2、T3處理較T1處理分別增加13.69%和13.16%（P＜0.05），而T2和T3處理間無顯著性差異。

2.2不同施肥模式對冬瓜氮素表觀利用率的影響

氮素表觀利用率是評價植物對礦質氮素吸收利用效率的關鍵指標之一。由圖2可知，冬瓜氮素表觀利用率由高到低依次為T2、T3和T1，分別達26.11%、24.78%和23.73%。較T1處理而言，T2、T3處理條件下冬瓜氮素表觀利用率提高10.04%和4.41%，但處理間差異不顯著。

2.3不同施肥模式對冬瓜氮肥偏生產力的影響

氮肥偏生產力可作為植物對氮素吸收利用的表征指標之一［22］。由圖3可知，冬瓜氮肥偏生產力由高到低依次為T1、T2和T3，分別達6.65 kg/kg、6.03 kg/kg和5.12 kg/kg。較T1處理，T2、T3處理下冬瓜氮肥偏生產力下降了9.33%和22.91%，但處理間差異不顯著。

圖2　不同施肥模式對冬瓜氮素表觀利用率的影響Fig.2　Effects of fertilizer practices on apparent nitrogen utilization rate of Chinese waxgourd

圖3　不同施肥模式對冬瓜氮肥偏生產力的影響Fig.3　Effects of fertilizer practices on nitrogen’s partial factor productivity of Chinese waxgourd

2.4不同施肥模式對冬瓜氮肥農學效率的影響

氮肥農學效率也可以用于表征植物對氮素吸收利用效率［22］。由圖4可知，冬瓜氮肥農學效率由高到低依次為T1、T2和T3，分別達4.45 kg/kg、4.06 kg/kg和3.25 kg/kg。較T1處理，T2、T3處理的冬瓜氮肥農學效率下降了8.76%和27.08%，但處理間差異不顯著。

圖4　不同施肥模式對冬瓜氮肥農學效率的影響Fig.4　Effects of fertilizer practices on nitrogen’s agronomical efficiency of Chinese waxgourd

2.5不同施肥模式對冬瓜菜地氮素表觀平衡的影響

通過對蔬菜地生態系統氮素輸入、輸出等過程及其循環利用規律進行系統分析，明確蔬菜地中氮素來源和去向并對其進行定量化，對于維持和提高蔬菜地生態系統生產力，提高氮肥資源利用效率具有重要意義。由表2可知，冬瓜菜地氮素大量盈余，單施化肥（T1）處理條件下，菜地氮素盈余量達86.37—93.48 kg/hm2，兩季平均盈余量達89.93 kg/hm2。若增加有機肥施用量，氮素盈余量顯著增加。有機肥-化肥配施（T2）和單施有機肥（T3）處理條件下，菜地氮素盈余量達105.55—118.89 kg/hm2，較T1處理增加17.37%和32.20%（P＜0.05）。從菜地氮素盈余率的角度分析，有機肥施用（T2、T3）條件下，氮素盈余率較單施化肥處理顯著增加，分別增加8.33%和22.69%（P＜0.05）。

表2　不同施肥模式對冬瓜菜地氮素表觀平衡的影響Table 2　Effects of fertilizer practices on apparent nitrogen balance in vegetable field of Chinese waxgourd

3　討論

蔬菜作物對氮肥的利用效率可用氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥表觀利用率等指標衡量［4，22］，其受蔬菜種類、施氮量、耕作措施、土壤類型等多種因素的綜合影響。蔬菜種類不同，氮肥利用率差異較大。黃東風等［21］研究發現，小白菜、空心菜和莧菜的氮肥利用率變化范圍分別為14.53%—63.90%、7.40%—33.52%和12.36%—36.27%。蔬菜生產模式對氮素利用具有顯著影響。與農戶習慣性生產模式（大水漫灌，1 000 kg/hm2）相比，優化施氮（500 kg/hm2）配合滴灌和秸稈還田等措施可使番茄地上部吸收氮素更多地轉移到果實等經濟產量部分，避免氮素無效累積，極顯著提高蔬菜地氮素利用率和農學效率［24］。于紅梅等［25］通過3年定位試驗比較了優化水氮管理和傳統水氮管理兩種生產模式下蔬菜產量和氮素利用效率，研究發現雖然兩種模式下蔬菜產量無顯著差異，但優化水氮管理模式可顯著提高花椰菜、莧菜和菠菜的氮素利用效率，分別為傳統水氮管理模式下的2.3倍、3.2倍、1.7倍。不同施肥模式對蔬菜氮素吸收利用具有顯著影響，且因蔬菜種類不同而有一定差異。黃東風等［21］研究發現，與化肥基施相比，化肥基追肥各半、化肥和雙氰胺基施、化肥和雙氰胺基追肥各半處理均能在一定程度上提高蔬菜的氮肥利用率，提高幅度分別為13.91%—22.03%（小白菜）、8.81%—11.3%（空心菜）和5.64%—18.3%（莧菜），而化肥和有機肥基追肥各半處理僅莧菜氮肥利用率提高11.49%，對小白菜和空心菜表現出降低現象。有機肥基施對小白菜、空心菜和莧菜的氮肥利用率則表現出降低現象，這可能與有機肥分解緩慢而不能及時供氮于葉菜類蔬菜有關。王春梅等［26］研究發現，與單施化肥處理比較，有機肥-化肥配施可提高青菜和茄子氮肥利用率達23.09%和26.92%，而全施有機肥處理顯著降低青菜氮肥利用率達38.96%，但能顯著提高茄子氮肥利用率達21.57%。本研究中，與單施化肥處理相比，有機肥-化肥配施和單施有機肥處理雖然顯著增加冬瓜氮素累積吸收量，氮素表觀利用率也有所提高，但菜地氮肥偏生產力和氮肥農學效率卻有所下降，但處理間差異均不顯著。造成這種現象的主要原因一方面可能與有機肥氮肥供應特征與蔬菜作物需氮特性能否協調有關，有機肥分解較為緩慢，而瓜果類蔬菜在生長后期需氮較為旺盛［27］。另一方面，后期有機肥供氮量增加時瓜果類蔬菜藤蔓與瓜果存在爭氮效應進而對地上部吸收氮素進行二次分配，更多氮素分配到藤蔓（無效累積）等部位所造成，相關機制需要進一步研究。

菜地肥料投入量超出蔬菜實際需求量是菜地土壤養分富集和持續盈余的主要原因［28］，尤以硝態氮含量大幅度提高為顯著特征［29］。王朝輝等［30］通過對陜西關中平原菜地土壤與一般農田土壤養分累積狀況進行比較，發現露天菜地0—2 m土層的全氮累積總量達32 700 kg/hm2，較一般農田高18.60%，硝態氮累積總量達1 358.8 kg/hm2，比一般農田高4.5倍。段立珍等［31］研究也發現經過長時間種植蔬菜皖北地區菜地土壤0—60 cm土層中硝態氮含量一般為相鄰糧田土壤的3—20倍。隨著種植年限的增加，氮素積累和盈余越來越嚴重［32］。王朝輝等［33］調查發現，種植2年的設施大棚菜田硝態氮累積量達1 411.8 kg/hm2，而種植5年的累積量則達1 520.9 kg/hm2，而一般農田僅為245.4 kg/hm2。從菜地養分投入與養分平衡的角度考量，長期大量施肥導致菜地氮素大量累積。冀宏杰等［34］通過對太湖流域農田肥料投入與養分平衡狀況的調查分析研究，發現太湖流域53種蔬菜輪作模式中，有51種模式組合的氮盈余超過了200 kg/hm2，31種超過了500 kg/hm2，4種甚至超過了1 000 kg/hm2。更為嚴重的，馬文奇等［11］發現山東壽光蔬菜地每個黃瓜種植季導致約1 500 kg/hm2氮素累積于土壤中。李翠萍等［35］調查顯示，西芹的氮肥施用量為2 227 kg/hm2，氮素盈余卻高達2 051 kg/hm2。本研究通過差值法對不同施肥模式下菜地氮素盈余狀況進行了初步分析，發現冬瓜菜地氮素單季盈余量達86.37—93.48 kg/hm2，表面上看盈余量較小，但是其占氮肥投入量的比例高達37.35%—42.25%，盈余率也高達59.63%—73.16%。事實上，農田氮素盈余超過20%以上時，即可能引起氮素對環境的潛在威脅［36］，且這種環境風險可能會隨種植年限的延長而急劇增加。進一步，通過施氮量與菜地氮素盈余量進行相關性分析發現，菜地氮素投入量與盈余量間呈顯著正相關關系（R2=0.9698）。

菜地累積盈余氮素，尤其是硝態氮不易被土壤膠體吸附［37］，當遇到較大的降雨或灌溉時，土壤中累積的氮素極易隨著地表徑流流失進入地表水或隨下滲水進入地下水，從而導致地表水的富營養化和地下水的硝酸鹽污染。課題組前期研究發現，不同施肥模式下冬瓜菜地單季氮素流失量達54.27—55.17 kg/hm2，占施肥量的比例高達19.29%—22.92%［23］。雖然農田氮素從田頭排放到匯入河湖大水域過程中會逐漸揮發或沉降，但長期無序排放還是會加劇周邊水域的富營養化進程。加之太湖流域蔬菜種植面積較大，2012年江蘇省露地蔬菜種植面積達74.6萬hm2，約占耕地面積的15.88%［38］，且該區域蔬菜地土壤質地偏砂，持水保肥性較差［39］，又大多分布在太湖沿岸及其支流河道兩岸，菜地土壤累積養分更易在雨水沖刷下通過地表徑流直接進入周邊相鄰水體。因此，合理提高蔬菜地氮素利用率、加強菜地土壤氮素管理和菜地輸出氮素生態攔截技術與配套工程建設等，實現太湖流域菜地氮肥施用的經濟效益、社會效益和環境效益的協調發展是當前及今后需開展的工作重心。

4　結論

與單施化肥處理相比，有機肥-化肥配施和單施有機肥處理雖然顯著增加冬瓜氮素累積吸收量，氮素表觀利用率也有所提高，但菜地氮肥偏生產力和氮肥農學效率卻有所下降，但處理間差異均不顯著。同時，單施化肥條件下，菜地氮素盈余量達89.93 kg/hm2，而有機肥-化肥配施和單施有機肥處理顯著增加菜地氮素盈余量達17.37%—32.20%，且氮素盈余率顯著增加8.33%—22.69%。

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（責任編輯：程智強）

Effects of fertilizer practices on nitrogen utilization of Chinese waxgourd and apparent nitrogen balance of vegetable field

GUO Zhi1，LIU Hong-jiang1，CHEN Liu-gen1*，WANG Zi-chen1，2，QIUdan2，DU Yan-yu3
（1Institute of Agricultural Resources&Environment，Jiangsu Academy of Agriculturalsciences，Nanjing 210014，China；2Jiangsustation of Agricultural Environmental Monitoring and Protection，Nanjing 210036，China；3Changzhoustation of Agricultural Ecological Environment Protection&Monitoring，Jiangsu 213002，China）

Field plot experiments with Chinese waxgourd were conducted under natural rainfall conditions in 2011 and 2012 tostudy the nitrogen utilization of Chinese waxgourd and apparent nitrogen balance of vegetable field as influenced bysingle chemical fertilizer（T1），chemical fertilizer and chicken manure（T2）andsingle chicken manure（T3）.The resultsshowed that the T2 and T3 treatmentssignificantly increased the cumulative amount of nitrogen absorbed by Chinese waxgourd respectively by 13.69%and 13.16%over the T1 treatment butdecreased both partial factor productivity and agronomical efficiency of nitrogen fertilizer in vegetable field by 9.33%—22.91%and 8.76%—27.08%respectively.The apparent nitrogen utilization rate under the T2 and T3 treatments reached 26.11%and 24.78%respectively and increased respectively by 10.04%and 4.41% over that under the T1 treatment，but there were notsignificantdifferences between those treatments.The nitrogensurplus amount in vegetable field was up to 89.93 kg/hm2under the T1 treatment andsignificantly increased by 17.37%—32.20%under the T2 and T3 treatments，and the nitrogensurplus rate under the T2 and T3 treatmentssignificantly increased by 8.33%—22.69%.

Chinese waxgourd；Nitrogen balance；Utilization rate；Fertilization experiment

S642.3

A

1000-3924（2016）04-092-07

2015-12-30

公益性行業（農業）科研專項（201003014-02）；國家科技支撐計劃項目（2012BAD14B12）

郭智（1981—），男，博士，副研究員，主要從事農業生態與資源利用研究。Tel：15905193152，E-mail：guozhi703@163.com

陳留根（1962—），男，碩士，研究員，主要從事耕作制度與農業生態研究。E-mail：chenliugen@sina.com