玉米填閑種植對(duì)珠三角菜地土壤氮磷吸收淋失阻控及其對(duì)后茬蔬菜生產(chǎn)影響的研究

蕭洪東，雷孝，涂金智，許家豪，孫海軍，喻敏，施衛(wèi)明,3*

1. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 佛山 528000；2. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；3. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008

近年來，中國設(shè)施蔬菜面積不斷擴(kuò)大，菜農(nóng)為了追求產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，大量施用高氮復(fù)合肥。甚至采摘前還會(huì)施入225 kg·hm?2的氮肥，導(dǎo)致瓜菜收獲后大量肥料殘留在土壤表層，0—20 cm土層無機(jī)氮累積高達(dá) 380 kg·hm?2（耿建梅等，2019）。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，設(shè)施菜地土壤硝態(tài)氮含量均比農(nóng)田高（李粉茹等，2009；陸安詳?shù)龋?007；王朝暉等，2002；黃東風(fēng)等，2009）；太湖地區(qū)部分大棚菜地周邊淺層地下水硝態(tài)氮超標(biāo)率達(dá)35%，銨態(tài)氮超標(biāo)率達(dá)8%（閔炬等，2012；Shi et al.，2009）。黃東風(fēng)等（2009）對(duì)福州市郊 14個(gè)蔬菜基地的調(diào)查結(jié)果顯示，總磷平均和最高含量分別為地表水Ⅴ類水質(zhì)磷標(biāo)準(zhǔn)（0.4 mg·L?1）的11.9倍和31.9倍。王朝暉等（2002）研究發(fā)現(xiàn)大棚和露天菜地0—200 cm土層的有效磷累積總量比農(nóng)田高6.2倍和2.7倍，且隨著種植年限增長(zhǎng)，蔬菜地表徑流中氮磷濃度呈增加趨勢(shì)。

在休閑期種植填閑作物可吸收土壤殘留氮磷，并降低其淋溶損失，已得到國內(nèi)外學(xué)者的普遍認(rèn)可及實(shí)踐應(yīng)用。近十幾年來，國內(nèi)外研究者證明甜/糯玉米、高丹草（Sorghum Sudangrass Hybird）、（甜）高粱（Sorghum dochna(Forssk.) Snowden）、菜豆（Phaseolus vulgarisLinn） 、黑麥草（Lolium perenneL.）、菊苣（Cichorium）、油菜（Brassica campestrisL.）與胡蘿卜（Daucus carotaL. var. sativa Hoffm）等均可作為填閑作物（Constantin et al.，2010；康凌云等，2015）。其中，不少學(xué)者利用土鉆取樣或模擬土柱等方法研究氮磷在土壤中的遷移特征，初步揭示了填閑作物對(duì)土壤中硝態(tài)氮和速效磷等淋失的阻控機(jī)制（陸扣萍等，2013；劉娟等，2011；尹興等，2015；任智慧等，2006；田永強(qiáng)等，2012；裴志強(qiáng)等，2019）。閔炬等（2012）通過在0.5 m土壤深度處安裝滲濾液收集系統(tǒng)，分析了甜玉米填閑對(duì)太湖地區(qū)菜地土壤氮淋失的阻控效果。

廣東毗鄰港澳地區(qū)，是港澳地區(qū)最大的菜籃子基地。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012、2013年廣東出口港澳地區(qū)的新鮮蔬菜分別為77.5、65.3萬噸（洪建軍等，2015）。據(jù) 2018年南方農(nóng)村報(bào)報(bào)道，廣東出口蔬菜約七成供應(yīng)香港。因供港蔬菜數(shù)量與品質(zhì)要求高，主要依賴設(shè)施溫室大棚生產(chǎn)，近些年廣東省設(shè)施蔬菜面積約16.8萬畝。然而迄今為止，對(duì)珠三角設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中氮磷流失的關(guān)注較少，特別是利用休閑期種植填閑作物消減設(shè)施菜地土壤氮磷淋失研究未見報(bào)道。珠三角地區(qū)雨熱同期，而高溫多雨的夏季（6—9月）大部分溫室多處于敞棚休閑狀態(tài)，導(dǎo)致菜地土壤氮磷淋溶損失量大，對(duì)地下水和地表水造成面源污染。本研究結(jié)合區(qū)域氣候特性，選用生育期短（70—85 d），耐熱且耐濕的不同品種玉米作為填閑作物，采用淋溶盤法收集淋溶水（Min et al.，2011），并測(cè)定淋溶液不同形態(tài)氮磷含量、土壤氮磷殘留、作物氮磷吸收量、作物根系形態(tài)、及對(duì)下茬蔬菜（芥菜）產(chǎn)量和品質(zhì)等指標(biāo)。通過本研究評(píng)價(jià)填閑玉米種植對(duì)氮磷的削減效果，為珠三角區(qū)域設(shè)施菜地土壤氮磷淋失減控提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地

試驗(yàn)地位于佛山市三水區(qū)大塘鎮(zhèn)兆利豐蔬菜生產(chǎn)基地（112°87′E，23°46′N，海拔高度 19 m），屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，氣候溫潤，年平均氣溫23.2 ℃，雨量充沛，年降水量為1873 mm。試驗(yàn)地種植模式為香梨瓜-休閑-蔬菜-蔬菜，已種植6年。供試土壤為赤紅壤，質(zhì)地為粘壤土，pH=6.85，主要養(yǎng)分含量為：總氮 1.17 g·kg?1，硝態(tài)氮 93.8 mg·kg?1，銨態(tài)氮 90 mg·kg?1，速效磷 44.68 mg·kg?1，有機(jī)質(zhì)21.9 g·kg?1。

1.2 試驗(yàn)方案

設(shè)施菜地采用常規(guī)輪作模式，其中每年7—9月為休閑期。試驗(yàn)選用生育期較短的玉米（購種于廣東省農(nóng)科院作物所）作為填閑作物；設(shè)4個(gè)處理，處理1：空白對(duì)照（休閑區(qū)，CK），處理2：粵甜26號(hào)（YT26），處理3：粵甜13號(hào)（YT13），處理4：粵鮮糯6號(hào)（YXN6），每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)排列。小區(qū)面積約為30 m2（長(zhǎng)14 m×寬2.1 m），行距70 cm，每壟種植3行，株距45 cm。于2018年3月中旬在每個(gè)小區(qū)50 cm土壤深處分別埋設(shè)滲漏淋溶盤（50 cm×50 cm×10 cm，盤的一端開一圓孔，用聯(lián)塑管密封聯(lián)接收集管，收集水分），埋好后分層回填土壤，反復(fù)澆水、填土、抽水，再經(jīng)過一茬菜芯種植，熟化淋溶盤裝置上的土壤（Min et al.，2011）。淋溶水收集裝置如圖1所示。

圖1 土壤淋溶液收集裝置Fig. 1 Soil leaching water sample collecting device

2018年7月10日，對(duì)玉米種子進(jìn)行催芽處理，催芽溫度28 ℃。7月13日，挑選發(fā)芽良好的種子種植在育苗盤中，7月24日，對(duì)育苗盤培植的幼苗定植，定植后澆定根水，后期是否澆水視降雨情況而定，種植期間不施用任何肥料，只進(jìn)行不定期人工除草等田間管理。

1.3 樣品采集

淋溶水采集：定植前抽干淋溶盤內(nèi)水分，后約每隔16天抽取一次，稱質(zhì)量換算淋溶水體積，并取200 mL水過濾待測(cè)。研究周期內(nèi)總共采集了4批次（7月24日—8月9日，8月10—25日，8月25日—9月8日與9月9—26日）淋溶水樣。

土壤采集：種植前采集0—20 cm土壤樣品，并在作物收獲時(shí)各小區(qū)分別采集 0—20 cm的土壤樣品，測(cè)定土壤全N、水解性N、全P與速效磷含量。

植株樣品采集和測(cè)量：收獲時(shí)每小區(qū)隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的10株植株，測(cè)量其株高、穗位高與鮮果穗質(zhì)量等，另將玉米籽粒、玉米芯與玉米秸稈分開稱其質(zhì)量。同時(shí)，將10株玉米根挖出，用水沖洗干凈，去除雜質(zhì)后用根系掃描儀觀察，采用軟件Image J分析根長(zhǎng)及根面積等參數(shù)。玉米籽粒、穗軸與秸稈軸分別裝入信封中在 105 ℃條件下殺青，然后75 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱其質(zhì)量。玉米秸稈自然風(fēng)干后稱其質(zhì)量，再 75 ℃烘干，稱其質(zhì)量。所有樣品粉碎過40目篩（孔徑0.45 mm），待測(cè)。

1.4 測(cè)定方法

測(cè)定方法（魯如坤，2000）：pH測(cè)定（pH25j酸度計(jì)）、植物總氮（凱氏法）、水總氮（過硫酸鉀氧化-紫外分光光度計(jì)法），銨態(tài)氮（比色法）、硝態(tài)氮（紫外法）、總磷（釩鉬黃比色法）。

1.5 氮磷攔截率的計(jì)算

式中：L0為休閑處理中所測(cè)指標(biāo)的含量；L1為填閑種植玉米處理中所測(cè)指標(biāo)的含量。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與圖表制作，用SAS 9.1數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和LSD檢驗(yàn)（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 填閑玉米生長(zhǎng)狀況與氮磷吸收量

由表1可以看出粵甜26鮮秸稈與果穗重比粵甜13顯著高38.6%與37.3%。粵甜26果穗鮮重與粵鮮糯6之間達(dá)顯著差異，而秸稈生物量差異不顯著。填閑玉米總氮吸收量由高到低依次為粵甜26、粵鮮糯 6、粵甜 13，分別為 65.60、61.28、49.98 kg·hm?2，其中粵甜 26比粵甜 13顯著高 31.3%。同時(shí)結(jié)果表明，3個(gè)品種玉米總吸磷量之間差異不顯著。

3個(gè)品種填閑玉米根長(zhǎng)無顯著差異。但是粵甜26的根面積比粵鮮糯6顯著高27.4%，且粵甜26的根系干重接近為粵甜13的2.4倍（表1）。

2.2 填閑玉米對(duì)菜地土壤氮磷淋溶損失的影響

2.2.1 淋溶體積動(dòng)態(tài)變化

各處理淋溶體積動(dòng)態(tài)變化及總淋溶體積如表 2所示。可見，各無論是單次淋溶水體積還是總淋溶水體積，不同處理間均沒有顯著差異。此結(jié)果說明該研究的淋溶盤裝置安裝正確，由淋溶盤法獲得的相關(guān)研究數(shù)據(jù)可靠，結(jié)論可信。

2.2.2 淋溶液銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與總磷濃度動(dòng)態(tài)變化

填閑玉米與休閑處理淋溶液硝態(tài)氮、銨態(tài)氮及總磷濃度動(dòng)態(tài)變化如圖2所示。總體而言，銨態(tài)氮與硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間推移呈下降趨勢(shì)，而總磷濃度先升后降。與休閑處理相比，填閑玉米種植均顯著降低了淋溶液銨態(tài)氮濃度（圖 2a）。相比銨態(tài)氮，淋溶液硝態(tài)氮濃度更高，其中休閑處理4次取得淋溶液硝態(tài)氮濃度為 45.02—74.83 mg·L?1，而玉米填閑種植可有效降低淋溶液硝態(tài)氮濃度。特別是前 2次樣品數(shù)據(jù)顯示，填閑處理對(duì)硝態(tài)氮濃度平均降低效果依次為粵甜26（52.7%），粵甜13（36.4%）與粵鮮糯6（26.4%）。到試驗(yàn)后期，不同填閑處理之間淋溶液硝態(tài)氮濃度沒有顯著差異（圖 2b）。填閑處理對(duì)淋溶液總磷濃度的降低作用主要表現(xiàn)在第二與第三批次采樣期，粵甜26，粵甜13與粵鮮糯6對(duì)總磷濃度的平均降幅分別為 62.7%，65.9%與68.6%。

2.2.3 填閑玉米對(duì)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與總磷淋失的阻控效果

各處理銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與總磷淋溶總損失量及填閑玉米對(duì)其阻控效果見表 3。不同填閑玉米處理的銨態(tài)氮淋溶損失量之間差異不顯著，且與休閑處理之間亦沒有顯著差異。淋溶損失量由休閑處理的4.26 kg·hm?2降至填閑玉米處理的 3.00—3.39 kg·hm?2，阻控效率僅為 20.4%—29.6%。有意義的是，填閑玉米可顯著降低硝態(tài)氮淋溶損失量，由休閑處理的212.8 kg·hm?2降至填閑玉米處理的50.1—97.0 kg·hm?2，淋失阻控效率高達(dá) 54.4%—76.5%。雖然不同品種玉米填閑處理硝態(tài)氮淋溶損失量無顯著差異，但就阻控效率而言，整體上粵甜26優(yōu)于粵甜13與粵鮮糯6。休閑處理與填閑處理總磷淋溶損失量差異顯著，表現(xiàn)為淋溶損失量由休閑處理的39.2 kg·hm?2降至填閑玉米處理的 13.8—27.1 kg·hm?2。而且，不同品種玉米填閑處理對(duì)總磷淋失的阻控率表現(xiàn)出明顯差異，其中粵甜 26最高為64.7%，然后依次為粵鮮糯 6（44.2%）與粵甜 13（31.0%）。

表1 不同品種填閑玉米地上部生物量和氮磷吸收量及根系形態(tài)特征Table 1 The shoot biomass，N and P uptake amount，and root traits of maize as catch crop

表2 不同處理淋溶體積動(dòng)態(tài)變化及總淋溶量2 The dynamic changes of leachate volume，and the total leachate volume

圖2 淋溶液銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與總磷濃度動(dòng)態(tài)變化Fig. 2 Dynamics of ammonium nitrogen，nitrate nitrogen and total phosphorus concentrations of leachate

表3 不同處理銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與總磷淋溶損失量，及填閑處理的攔截率Table 3 Leaching losses of ammonium nitrogen，nitrate nitrogen，and total phosphorus via leaching，and the mitigation efficiencies of catch treatments on them

2.3 填閑玉米對(duì)土壤氮磷養(yǎng)分及后茬芥菜產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

填閑玉米收獲后處理后耕層（0—20 cm）土壤全氮、堿解氮、全磷與速效磷等養(yǎng)分含量如表4所示。結(jié)果表明，填閑玉米處理對(duì)耕層土壤氮磷養(yǎng)分指標(biāo)沒有顯著影響。

表4 填閑玉米收獲后不同處理耕層（0—20 cm）土壤常規(guī)氮磷養(yǎng)分指標(biāo)Table 4 Changes in soil N and P nutrients contents after catch maize was harvested

由表5可以看出，填閑玉米種植對(duì)下茬芥菜產(chǎn)量無顯著影響，且粵甜26與粵甜13對(duì)下茬芥菜產(chǎn)量有一定的促進(jìn)效應(yīng)，分別比休閑區(qū)增產(chǎn)11.9%與4.6%。填閑玉米種植具有改善后茬蔬菜品質(zhì)的潛力，其中可溶性糖含量顯著提高52.1%—160.4%，而亞硝酸鹽的含量顯著降低49.2%—63.7%。填閑處理對(duì)后茬芥菜維生素C含量沒有顯著影響，但粵甜13與粵鮮糯6的可溶性蛋白含量與休閑處理相比，顯著降低33.3%與15.6%。

表5 填閑玉米種植對(duì)下茬芥菜產(chǎn)量與品質(zhì)的影響Table 5 Effects of catch maize on the yield and selected qualities of subsequent vegetable

3 討論

根據(jù)前人研究，設(shè)施菜地夏季休閑作物一般選用根系發(fā)達(dá)、短期生物量大且具有較高氮磷吸收能力的作物（田永強(qiáng)等，2012），如甜/糯玉米與甜高粱等（尹興等，2015；裴志強(qiáng)等，2019；王大鳳等，2019；郝曉然等，2015）。本研究中選用了適合珠三角地區(qū)種植的耐高溫高濕且生育期較短的甜玉米和糯玉米作為填閑作物，既收獲到相當(dāng)量的秸稈，也收獲成熟的玉米果穗（表1）。其中玉米秸稈可作為優(yōu)質(zhì)青儲(chǔ)飼料或制備為生物質(zhì)炭還田（Sun et al.，2019；Sun et al.，2017；鄒素敏等，2017）；果穗可作為商品上市，增加菜農(nóng)收益，從而推動(dòng)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)休閑期填閑技術(shù)的推廣應(yīng)用。但是需要注意的是，不同品種玉米所產(chǎn)生的生物量（包括玉米秸稈與果穗）差異較大。因此，從產(chǎn)量或者說經(jīng)濟(jì)效益角度，可選擇更合適的玉米品種作為推廣。

至于填閑玉米種植的環(huán)境效益方面，已有尹興等（2015）、吉艷芝（2010）在定州的研究結(jié)果表明，甜玉米對(duì)土壤硝態(tài)氮淋溶損失的消減量可達(dá)605.7—907.8 kg·hm?2。而且，閔炬等（2012）等在長(zhǎng)三角地區(qū)的研究表明，休閑期種植甜玉米使淋溶液總氮濃度從 94 mg·L?1降至 59 mg·L?1，將土壤硝態(tài)氮含量從 306 mg·kg?1降至 195 mg·kg?1。本研究表明：填閑玉米可以有效降低淋溶液銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與總磷濃度，表現(xiàn)出良好的攔截效率（表3）。更重要的是，本研究比較了適應(yīng)于珠三角地區(qū)填閑種植的不同品種玉米之間的攔截效率是否有顯著差異。研究結(jié)果表明，不同品種玉米的攔截率確有不同，其中粵甜26與粵鮮糯6對(duì)硝態(tài)氮與總磷淋溶損失的攔截率均高于粵甜13。不同品種玉米對(duì)氮磷淋失阻控效果的差異，主要是因?yàn)槠涓蛋l(fā)育程度及相應(yīng)的氮磷吸收效率不同。結(jié)合表2與圖2數(shù)據(jù)，可以看出具有較大根體積及氮磷吸收能力的玉米品種具有更高的氮磷淋失攔截效率，而且不同玉米生育期發(fā)揮的效率有所差異。因此，從環(huán)境效益角度來看，也需要篩選更合適的玉米品種作為填閑作物以減少設(shè)施菜地土壤氮磷淋溶損失，并結(jié)合其生育期特點(diǎn)。

將填閑技術(shù)推廣應(yīng)用于設(shè)施蔬菜生產(chǎn)，不能僅考慮其對(duì)土壤中氮磷淋失的減控效果，還要看其對(duì)填閑作物收獲后土壤供氮水平及下茬蔬菜產(chǎn)量的影響（郝曉然等，2015）。習(xí)斌等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，甜玉米填閑并未導(dǎo)致下茬種植球莖茴香產(chǎn)量降低，同時(shí)茴香果實(shí)硝酸鹽含量較休閑處理降低28.9%。本研究結(jié)果表明，填閑玉米收獲后耕層（0—20 cm）土壤常規(guī)氮磷養(yǎng)分指標(biāo)沒有下降（表4），即填閑玉米種植并沒有過度消耗0—20 cm土層的土壤養(yǎng)分。因此，休閑期種植玉米不但對(duì)下茬芥菜產(chǎn)量沒有影響，在后茬施肥量一致的情況下反而有一定的增產(chǎn)效應(yīng)（表5）。有意義的是，本研究中填閑玉米種植顯著提高了后茬芥菜可溶性糖的含量，并同時(shí)顯著降低亞硝酸鹽的含量。但是，對(duì)芥菜可溶性蛋白有一定的降低作用。因此，從對(duì)后茬蔬菜生產(chǎn)影響的角度講，填閑玉米種植不會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)，但是要關(guān)注對(duì)后茬蔬菜品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)（鄒素敏等，2017）。

4 結(jié)論

（1）珠三角地區(qū)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)休閑期可種植玉米填閑，能夠獲得相應(yīng)量的玉米秸稈與食用果穗，可以收獲商品果穗，且不會(huì)導(dǎo)致后茬蔬菜減產(chǎn)，因此具有經(jīng)濟(jì)可行性。

（2）從保護(hù)環(huán)境角度，填閑玉米種植可有效降低土壤硝態(tài)氮與總磷淋溶損失，且不同品種玉米的阻控效率具有顯著差異性，推廣應(yīng)用前要加以篩選。