江蘇設施菜地控釋氮肥一次性基施增效減排效果研究

徐麗萍，巨昇容，王遠，劉之廣，閔炬*，施衛明

（1.南京市六合區農業技術推廣中心耕地質量保護站，南京 211500；2.中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；3.山東農業大學資源與環境學院，山東 泰安 271018）

我國是全世界設施蔬菜種植面積最大的國家，集約化程度高，增產主要依靠速效氮肥的大量投入，但由于其在施用過程中存在用量大、活性高、養分釋放快、損失途徑多等特點[1]，氮肥的當季利用率很低，僅為10%～18%[2-3]。大量氮素流失到環境中，過量施肥導致的面源污染日益嚴重，尤其是水網交錯的長三角地區，加上江蘇設施蔬菜種植日趨集約化、規模化，勞動力需求大，該地區設施蔬菜體系亟須節本增效且環境友好的施肥模式。緩控釋氮肥是緩慢釋放氮肥的統稱，包括緩釋氮肥和控釋氮肥兩類。緩釋氮肥是指用物理、化學、生物化學方法制得的使養分緩慢釋放的肥料，而控釋氮肥是指采用聚合物包膜、可定量控制肥料中養分釋放數量和釋放期的肥料[4]。緩控釋氮肥因其緩慢釋放養分的特性從而能基本滿足作物不同生長階段的養分需求，且與速效氮肥相比，可減少氮素損失、提高氮肥利用效率[5]。近些年來緩控釋氮肥發展迅速，部分產品已達國外同類產品的質量與標準，在水稻、小麥等大田作物上的應用開展了大量研究。如緩控釋肥可以使水稻增產11.6%～18.6%，顯著減少基肥期氨揮發量[6-7]，使鮮食糯玉米增收58.63%等[8]。研究也表明，與緩控釋氮肥和尿素摻混后一次性基施相比，緩控釋氮肥基施后在適宜的時期補施一定量的尿素對增加水稻產量效果更佳[5]。在集約化蔬菜種植體系中，緩控釋氮肥一次性基施是否可維持產量、增效和減排的效果如何，尚不清楚。為此，本研究選取在江蘇設施菜地廣泛種植的番茄和花椰菜為研究對象，對控釋氮肥不同施肥運籌下的產量、氨揮發、土壤硝態氮殘留以及經濟效益進行觀測和分析，為江蘇設施蔬菜控釋氮肥的應用提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2018 年在江蘇省南京市六合龍袍現代農業園區（118.83°E，32.35°N）設施蔬菜種植基地進行。該地屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫17.4 ℃，4—8 月月平均氣溫16.1～28.3 ℃（圖1），年均無霜期240 d左右，年均日照時數1 700 h，年均降水量1 177 mm。土壤質地為砂壤土，0～20 cm 耕層土壤基礎性質為：有機質22.2 g·kg-1，全氮1.5 g·kg-1，硝態氮70.6 mg·kg-1，銨態氮 13.5 mg·kg-1，有效磷 86.2 mg·kg-1，速效鉀 104.3 mg·kg-1，pH為5.6（水土比2.5∶1）。

1.2 試驗處理和田間管理

試驗設置4個處理，N1：常規化肥氮量（250 kg N·hm-2），其中基肥與兩次追肥分別占總施氮量的30%、40%和30%；N2：常規施氮量的70%（175 kg N·hm-2），基追肥比例與N1 相同；N3：常規施氮量的70%（175 kg N·hm-2），控釋尿素與普通尿素按7∶3 的比例作為基肥一次性全部施入；N4：常規施氮量的70%（175 kg N·hm-2），其中70%的控釋尿素作為基肥，第1 次追肥期間不追肥，第2次追肥時施入30%的普通尿素。試驗處理見表1。常規施氮量是綜合前人研究和試驗地周圍當地農民的習慣用量來確定，花椰菜和番茄均為每季250 kg N·hm-2[9～12]。控釋氮肥由山東金正大生態工程集團股份有限公司提供（含N量43%，釋放期3個月）。各處理的磷鉀肥施用量相同，分別為90 kg P2O5·hm-2和 200 kg K2O·hm-2，作為基肥施入。每個處理4次重復，小區面積11 m2，采用隨機區組排列。

供試蔬菜分別為花椰菜（品種為臺松120）和番茄（品種為東圣2 號）。花椰菜于2018 年9 月6 日和2019 年9 月9 日定植，兩次追肥時間為花椰菜的蓮座期和結球期；番茄于2019 年4 月3 日定植，兩次追肥在番茄的花期和第一果膨大期。花椰菜和番茄在同一地塊連續種植，同一處理每季施肥量相同。基肥撒施后翻耕覆土，定植后的灌溉和追肥采用滴灌的方式，每次施肥灌溉水用量控制在135～180 m3·hm-2，其余田間管理措施與當地種植習慣相同。

1.3 樣品采集與測定

所有小區的花椰菜成熟后統一采摘記產，所有小區的成熟番茄分5 次進行采摘計產，5 次采摘全部完成后累加作為小區產量。2019 年花椰菜季結束后采集各小區 0～20、20～40 cm 和 40～50 cm 土層的土壤樣品，采用紫外分光光度法測定土壤硝態氮含量。氨揮發測定采用密閉室通氣法，在各小區預埋1 個直徑為15 cm、高30 cm 的PVC 圓筒為采樣箱，密閉箱底面積為0.017 7 m2，并使用膠帶密封連接部分。觀測時，調整換氣速率在每分鐘15 次以上，連續抽氣2～4 h，用加有80 mL 的2%硼酸液的洗氣瓶吸收氨氣，用標定過的標準硫酸滴定溶液中的氨氣。施肥后每日測定1次，連續觀測至氨揮發低于檢測限度。

1.4 數據分析

采用Excel 軟件對數據進行基礎統計，SPSS 18.0軟件進行方差分析和多重比較，Origin 2019 軟件作圖，圖中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 花椰菜和番茄產量

不同施肥處理的花椰菜和番茄產量見表2，可以看出兩季花椰菜產量均為N1 處理最低，N3、N4 處理最高，但各處理間的差異未達顯著水平。不同處理的番茄產量表現為N3 處理番茄產量最高，與最低的N1處理相比增產21.3%，顯著高于N1、N2 處理；其次是N4 處理，番茄產量顯著高于N1 處理，增產可達14.1%。綜合兩種作物來看，與常規施氮相比，其他各處理均有一定程度的增產，這說明在習慣施氮的基礎上減施30%氮肥可以提高蔬菜產量；與不施用控釋氮肥的處理N2相比，N3、N4三季均有產量的提高，這說明70%控釋氮肥+30%尿素氮的施肥方式可以提高蔬菜產量，其中將控釋氮肥和化肥作為基肥一次性施入（N3處理）可使蔬菜產量達到最高。

2.2 不同氮肥施用量下的土壤氨揮發

對花椰菜和番茄3 個時間段（1 次基肥+2 次追肥）的氨揮發進行觀測，由圖2 可以看出，每次施肥后的1～3 d 內，氨揮發日排放量達到最高，隨后逐漸降低。其中，N3處理在每個施肥期氨揮發量都較低，基肥階段一次性施入所有氮肥并沒有顯著提高氨揮發日排放量，且在兩個追肥期始終保持最低水平，最高不超過0.26 kg N·hm-2·d-1。

表1 各處理氮肥施用情況（kg N·hm-2）Table 1 Nitrogen application of each treatment（kg N·hm-2）

表2 不同處理對花椰菜和番茄產量的影響（t·hm-2）Table 2 Effect of different treatments on yields of cauliflower and tomato（t·hm-2）

不同處理的花椰菜和番茄在各階段的氨揮發累積量見表3，可以看出每個種植季土壤氨揮發總累積量均為N1處理最高，N3處理最低。從2018年花椰菜季氨揮發的積累情況來看，總體差異并不顯著，與氨揮發累積量最高的N1處理相比，累積量最低的N3處理降低了45.5%，差異主要表現在第1 次追肥期間，N3、N4處理的氨揮發累積量顯著低于N1處理。2019年番茄季，3 個減氮處理氨揮發總累積量均顯著低于N1 處理，其中N3 降低氨揮發量的效果最好，基肥期雖然氨揮發量最高，但之后的兩個追肥期均保持最低，第2 次追肥期間幾乎沒有氨揮發的排放，與N1 處理相比，氨揮發總量降低了46.9%。2019 年花椰菜季，4 個處理之間的氨揮發總累積量差異顯著，從高到低為N1＞N2＞N4＞N3，與 N1 處理相比，N3 處理的氨揮發總累積量減少了82.9%。綜合3 季來看，雖然N3處理在基肥階段一次性施入所有氮肥，但氨揮發累積量均未顯著高于N1、N2 處理，在2019 年花椰菜季還顯著低于N1、N2 處理，追肥期N3 處理的氨揮發量也一直保持較低水平，所以從氨揮發的角度來看，N3處理的環境排放最低。

2.3 不同氮肥施用量下土壤硝態氮含量

不同處理連續三季種植后土壤硝態氮含量見表4。N1處理0～50 cm土層中的硝態氮含量顯著高于其他處理，其中主要在0～20 cm 土層內的硝態氮含量顯著高于其他處理，平均高出了219.4 mg·kg-1，這說明在常規施氮量的基礎上減施30%可以顯著減少土壤中硝態氮的含量。N3 處理0～50 cm 土壤中的硝態氮含量顯著低于其他處理，與N1 處理相比，N3 處理的硝態氮含量減少了43.3%。N3 處理在各層土壤中的硝態氮含量均為最低，在 20～40 cm 和 40～50 cm 土層中的硝態氮含量顯著低于其他處理，原因可能在于其他處理都在后期追施了尿素。

2.4 不同氮肥施用量下的經濟效益分析

各施肥處理所施用的肥料價格如下：尿素氮4.35元·kg-1、控釋氮5.95 元·kg-1、磷4.17 元·kg-1、鉀 3.67元·kg-1，日常用工每季2.7 萬元·hm-2，包括打藥、除草和作物采摘，花椰菜和番茄平均價格為2 元·kg-1。通過對不同處理下花椰菜和番茄的經濟效益分析可以看出（表5），不同處理的利潤在花椰菜季和番茄季均表現為N1＜N2＜N4＜N3（2019 年花椰菜季為N4＜N2），與常規施氮N1相比，減施30%氮肥均可使利潤增加。兩季花椰菜各處理的利潤差異不顯著；而2019年番茄季 N3 處理的利潤顯著高于 N1、N2 處理，N1 處理的利潤顯著低于N3、N4處理，與各處理在產值上的差異相同。增收方面，與N1 處理相比，N3 和N4 處理在2018年花椰菜季增收了5.3%和4.4%，N3處理在2019年花椰菜季增收16.1%，而在2019年番茄季，N3和N4處理的增收幅度達到了40.3%和26.0%，顯著高于N2處理的增收幅度。

3 討論

3.1 不同氮肥處理對花椰菜和番茄產量的影響

設施菜地常規施氮普遍過量，減施氮肥能達到不減產甚至增產的效果已得到廣泛認可[2，13]。許仙菊等[14]對稻麥輪作體系下緩釋肥運籌的研究中發現，與當地習慣施氮量相比，所有的緩釋氮肥減氮24.3%或10.8%處理均未顯著降低兩季小麥和水稻的產量。郭守春[15]的研究表明，氮肥減量30%的條件下，三茬花椰菜的產量保持了基本穩定，與常規施肥無顯著差異；施用緩控釋肥在施氮量減少5%和64%的情況下，均較常規處理增產，最高可達21.4%。本研究中，2018 年至2019 年連續種植花椰菜和番茄共3 季，與常規施氮相比，其余各減氮30%處理的蔬菜都有一定程度的增產，花椰菜最高可增產5.5%，番茄增產幅度可達8.4%～21.3%。許多有關緩釋肥料效果的研究都表明緩釋肥料具有延遲肥料釋放、延長供肥期、減少肥料流失的功效[4，16-17]。緩控釋肥不僅可以促進糧食作物和經濟作物的生長，提高其產量，也可以促進蔬菜作物的生長，提高其產量[18]。有關研究表明，施用緩控釋肥處理的番茄產量均顯著高于普通的肥料處理，平均增產幅度達到63.1%[19]。本研究中，相對于減氮30%且未施用緩控釋氮肥的N2 處理而言，施用緩控釋氮肥的處理N3、N4 均有增產效果，可使番茄平均增產8.62%，而對花椰菜的增產效應較小，僅為0.16%～1.94%。李濤等[20]在棉花的緩控釋肥最佳施用方案試驗中發現，移栽后施入緩控釋肥+盛花期追施速效氮肥的增產效果好于移栽后一次性施用緩控釋肥。當基肥中的氮全部來自緩控釋肥時，緩控釋氮肥所提供的速效養分可能不足以滿足作物生長需要，在滿足總施氮量不變的情況下，減少緩控釋氮的施用量、提高速效氮量會增加作物產量。本研究中，N3處理與N4處理之間相比，2018年花椰菜季N3處理產量與 N4 處理僅相差 0.3 t·hm-2，2019 年番茄季和花椰菜季N3處理產量均高于N4處理，但產量間的差異未達顯著水平，整體來看，N3處理是提高蔬菜產量最佳的施肥方式。

表3 不同施肥時期的土壤氨揮發累積量（kg N·hm-2）Table 3 Ammonia volatilization in different fertilization periods（kg N·hm-2）

表4 連續三季蔬菜種植后土壤硝態氮含量（mg·kg-1）Table 4 Soil nitrate N content after three consecutive seasons of vegetable planting（mg·kg-1）

表5 不同處理下花椰菜和番茄的經濟效益分析（萬元·hm-2）Table 5 Economic benefits of cauliflower and tomato in different treatments（10 thousand Yuan·hm-2）

3.2 不同氮肥處理對經濟效益的影響

本研究中，減氮30%各處理均可增收，這種增收一方面是由增產帶來的，另一方面是減少了肥料成本或用工成本，從而增加了純利潤。從表4 可以看出，習慣施肥處理（N1處理）的肥料成本和人工成本均為最高，這使得本就最低的產值在扣除成本后利潤更低。N3 處理恰恰因為其高產值、低人工成本使其每季蔬菜的利潤都為最高，與N1處理相比，花椰菜可增收5.3%～16.1%，番茄可增收40.3%，與單純只減氮30%相比（N2 處理），番茄增收的效果也是顯著的。宋俏姮等[8]的研究表明，施用緩控釋肥實現了一次性施肥，減少了施肥次數，增加了經濟效益，增幅達到58.63%。周華萍等[21]的研究表明，施用緩控釋肥比施用普通復合肥經濟效益增加更大，其中以75%緩控釋肥量效果最明顯，每公頃增加經濟效益達4 萬元。李濤等[20]的研究表明，與常規施肥相比，施用緩控釋肥凈增收2 712.30元·hm-2，其中產量帶來的增收（840元·hm-2）抵消了選用緩控釋肥增加的成本（825 元·hm-2），用工成本的減少（2 700元·hm-2）顯示出了節本的優勢；此外，與緩控釋肥+追速效氮的施肥方式相比，一次性施用緩控釋肥的增收節本效果更好，可以多增收405 元·hm-2，與本研究中N3 處理經濟效益最高的結果一致。

3.3 不同氮肥處理對土壤中硝態氮含量的影響

在減少肥料氮素的損失方面，李燕婷等[22]研究了4 種緩釋復混肥料對玉米產量和土壤中硝態氮累積的影響。結果表明，緩釋復混肥料較普通化肥的常規施肥方式土壤剖面硝態氮累積量降低20%～70%，從而降低了地下水硝態氮污染的生態風險。盧艷麗等[23]的研究發現，減少用量的緩控釋肥處理可以保證產量顯著高于常規施肥處理的情況下，保持土壤中硝態氮含量在整個生育期處在相對較低的水平。本研究中，與常規施肥相比，減氮30%各處理均顯著降低了0～20 cm 土壤硝態氮含量，說明減量施肥可以直接減少耕層土壤中硝態氮的殘留量。N3 處理在20～40 cm 和40～50 cm 土壤中的硝態氮含量顯著低于N4 處理，原因在于后期追施尿素導致的氮肥盈余，速效氮向下淋失。因此從硝態氮淋洗的方面來看，減量控釋氮肥+尿素一次性基施的施肥方式可以減少土壤中硝態氮的含量，減少淋洗損失的風險。王媛等[24]在連續5 年施用不同劑量氮肥對土壤硝態氮含量影響的研究中表明，施氮量低于150 kg·hm-2殘留氮素逐年累計的效果不明顯，幾乎不存在潛在的環境危險。翁玲云等[25]在長期試驗中發現，土壤硝態氮累積量隨著施氮量增加依次上升，且各年份硝態氮均表現出明顯的累加效應。本研究僅對第3 季蔬菜收獲后土壤硝態氮含量進行了分析，關于長期減氮施用緩控釋肥對土壤硝態氮含量的影響還有待進一步的研究。

3.4 不同氮肥處理對氨揮發的影響

氨揮發是造成傳統肥料利用率低的一個主要原因，而且也是造成環境污染的一個重要因素[26]。緩控釋肥最大的特點是能使養分釋放與作物吸收同步，損失少、作物回收率高、環境友好。薛利紅等[27]研究表明，與農戶施肥、化肥減量施肥、有機無機配施等氮肥管理模式相比，緩控釋肥處理的環境排放量最低，主要是因為其顯著抑制了氨揮發，氨揮發量僅為23.4 kg·hm-2，是農戶施肥氨揮發量的1/3。顏旺[28]的研究顯示，與普通尿素處理相比，常量控釋尿素處理可減少氨揮發損失50.27%，控釋尿素減量10%～30%可減少氨揮發損失52.25%～57.35%。本研究中，每季花椰菜氨揮發的總累積量均為N1＞N2＞N4＞N3，減少氮肥的施用量和施用控釋氮肥都可以減少設施菜地氨揮發量，與常規施肥相比，減氮施用控釋氮肥+尿素的方式可減少菜地氨揮發量24.6%～82.9%，與只減氮30%（N2處理）相比，可以減少18.4%～64%氨揮發量。兩種施用控釋氮肥的處理相比，N3的減排效果更好。N3 處理與N4 處理的區別在于尿素施用的時間不同，從表2 可以看出，N3 處理在基肥期多于N4 處理的氨揮發累積量始終低于N4處理在第2次追肥后多出N3處理的氨揮發累積量。其原因在于控釋氮肥在前期釋放養分慢，在這個階段補充速效氮可以直接供給作物吸收利用；而在作物生長后期，控釋氮肥已經可以持續供應養分，再施入速效氮則會造成養分的盈余，進而通過氨揮發損失。俞映倞等[7]的研究表明，緩控釋肥可明顯減少基肥期氨揮發量，但后期效果不明顯。唐拴虎等[29]的研究表明，一次性使用控釋肥料，氮素在初期被控制，釋放量較小，至第9 d左右才達到釋放高峰，在第9～50 d 能夠一直維持較高水平，50 d之后，氮素供應量仍然較多。戴建軍等[30]測得兩種樹脂包膜控釋肥的肥效期分別為280、353 d，遠高于普通肥料的肥效期。因此，在基肥階段一次性施入控釋氮肥和尿素更有利于減少設施菜地中氨揮發的排放。呂曉東[31]5 a 的長期試驗結果顯示，優化緩控釋肥模式可以形成兼具產量效益、資源高效利用和低溫室氣體效應的最優減排模式。本試驗只進行了三季田間試驗，對于減量緩控釋肥在增效減排的持續性上還有待進一步研究。

綜合來看，控釋氮肥因其養分釋放特性直接減少了氨揮發的排放和土壤硝態氮的殘留；一次性施用控釋氮肥+尿素的方式可以保證蔬菜整個生育期的養分供應，使蔬菜達到最高產量；除此之外，一次性施用控釋氮肥節省了人工成本，提高了產值，彌補了施用控釋肥增加的肥料成本，使利潤達到了最大。

4 結論

（1）相比常規施氮處理，控釋氮肥一次性基施在花椰菜和番茄上均可減氮30%，增效和減排效果顯著，且可維持蔬菜高產。

（2）控釋氮肥和尿素以7∶3 比例混合在基肥一次性施用，可獲得較好的經濟效益。

（3）控釋氮肥的應用可顯著減少土壤硝酸鹽殘留，有利于設施菜地土壤的可持續利用。

（4）控釋氮肥一次性基施技術是節本增效且環境友好的施肥技術，應在集約化程度高、勞動力需求大、氮肥用量大，面源污染問題突出的長三角等水網地區的設施蔬菜種植上廣泛推廣應用。