不同輪作施肥模式對菜田作物產量及養分吸收的影響

張立成，李 娟 ，章明清，姚建族

（1. 福建省農業科學院土壤肥料研究所，福建 福州 350013；2. 永春縣農業技術推廣站，福建 永春 362600）

0 引言

【研究意義】蔬菜是我國近二、三十年快速發展起來的經濟作物。在我國南方地區，為克服連作障礙，蔬菜和水稻輪作是普遍實行的耕作制度。進一步優化菜田輪作施肥模式，利用不同作物對養分吸收強度以及時空差異性，減少菜田養分過度盈余和流失[1]，對促進蔬菜產業高質量可持續發展具有重要意義。【前人研究進展】自20世紀中后期我國開始大量使用化肥以來，在蔬菜生產過程中，菜農為追求更高蔬菜產量和經濟效益，盲目提高化肥施用量，尤其是蔬菜施肥過程中氮肥施用量普遍過高[2-3]。菜田過量施肥導致土壤殘留養分增加，氮、磷流失風險指數上升。易引發農業面源污染現象[4]，李盟軍[5]等對菜田連續3年的定位監測結果顯示，菜農習慣施肥導致總氮年徑流流失量占氮肥投入量的14%。眾多的研究表明，菜稻輪作能夠維持土壤養分平衡，改善土壤微生態環境，促進作物養分吸收和提高產量水平[6-7]。姚金玲等[8]在洱海地區采用蠶豆-水稻輪作種植模式的總氮、總磷徑流流失量分別為2228.10 g·hm-2和644.40 g·hm-2，小于其他種植模式。章明清等研究蔬菜和水稻輪作可以有效減輕蔬菜地土壤養分的過度積累，提高肥料利用效率[9]。朱蕓[10]研究表明，油-稻體系水稻產量較麥-稻體系增產5.9%。周昱磊等[11]研究表明在優化施磷方式下水稻－榨菜輪作模式的水稻產量最高，其次是水稻-小麥輪作，而水稻-閑田輪作模式最低。近年來，國內外長期定位試驗表明，施肥是提高土壤肥力和維持農業可持續生產的基礎，肥料利用效率是衡量農業生產可持續性的一項重要指數[12-14]。為提高化肥利用效率，促進作物高產穩產，相關學者提出了合理輪作和優化養分管理的諸多技術措施[15-18]。【本研究切入點】目前，關于輪作施肥模式對作物產量和養分吸收的長期影響，大多集中在大田作物上，對于菜田不同輪作施肥模式的相關研究還鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】本研究以菜田不同輪作施肥模式的連續6年定位田間試驗為研究對象，探討菜-菜-稻輪作與菜-菜-菜輪作體系結合不同施肥模式對輪作周年內各季作物產量變化及養分吸收的影響，旨在為當地菜田輪作體系和養分管理提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2013年9月至2019年12月在福建省永春縣五里街鎮埔頭村輪作耕種定位點進行蔬菜和水稻輪作試驗。試驗地屬于亞熱帶季風氣候，年均降雨量1200至1400 mm，年均溫度24 ℃左右。試驗地土壤類型為赤紅壤，質地為黏質土。試驗開始前測得的基礎土壤含量為：有機質含量19.96 g·kg-1、全氮2.25 g·kg-1、全磷1.31 g·kg-1、 全鉀27.86 g·kg-1、堿解氮107.73 mg·kg-1、 有效磷60.35 mg·kg-1、 速效鉀116.00mg·kg-1、土壤pH 5.54。

1.2 試驗設計

試驗地為一矩形田塊，長26 m，寬9 m，將其分成12個試驗小區，每個小區長5 m，寬2.8 m，小區之間采用水泥田埂隔開，小區外設有灌溉排水溝。試驗地四周設有1 m寬隔離保護行。試驗地設有菜-菜-稻（芥菜-四季豆-水稻）、菜-菜-菜（芥菜-四季豆-豇豆）2種輪作方式，并采用推薦和習慣2種施肥處理，各個試驗處理施肥量如表1所示。每個試驗處理設有3個重復按隨機分組布置于試驗小區中。每個年度各季作物的供試品種均保持為同一品種，以消除試驗過程中品種的差異影響。推薦施肥模式：基于肥料效應函數結合基礎土壤肥力水平的推薦方法。習慣施肥模式：施肥量依據當地農戶施肥習慣而定。2種施肥方式的肥料類別均為氮肥施用尿素（N 46%）、磷肥施用過磷酸鈣（P2O512%）、鉀肥施用氯化鉀（K2O 60%）。每季作物所施的磷肥全部做基肥，氮、鉀肥則分基肥（占施肥量40%）和追肥（占施肥量60%）施用。四季豆和豇豆氮鉀素追肥分2次施用，每次占施肥量的30%；芥菜氮鉀素追肥分3次施用，每次占施肥量的20%；水稻氮素追肥分2次施用，分蘗肥占施用量的50%，穗肥占施用量的10%，鉀素追肥為1次施用施肥量的60%。

表1 一年三熟制輪作施肥定位試驗設計方案Table 1 Experimental design of 3-crops rotation and fertilization on vegetables and/or rice

1.3 采樣方法

試驗于每個輪作周年內采集每季作物的植株、果實樣品。植株樣品采集方式：作物收獲后在每個小區隨機采集植株樣品鮮重約500 g帶回實驗室檢測分析。果實樣品采集方式：四季豆和豇豆的結實期長達一個月左右，因此采用分批次采集每個試驗小區果實樣品；芥菜和水稻作物的果實均為成熟后一次性采收。植株生物量采集測定方式：作物收獲后稱量各個試驗小區的植株鮮重，并通過測定其樣品含水量計算植株干重。

1.4 檢測項目與方法

植物樣品采用H2SO4-H2O2法消解，分別測定根系、植株、果實的氮、磷、鉀含量。植株樣品氮、磷、鉀含量的測定方法參照鮑士旦編著的《土壤農化分析》[19]。植株樣品前處理方法：將采集的樣品放置鼓風烘箱內，在105 ℃下殺青30 min，然后在75 ℃下烘24 h。四季豆和豇豆產量測定方法：作物成熟期采用分批次采集果實，累加后計算該季作物的總產量。芥菜產量測定方法：作物成熟后一次性采收芥菜葉片稱其鮮重作為芥菜產量。水稻產量測定方法：作物成熟后一次性采收濕谷重，然后將谷粒曬干并稱其干重作為水稻產量。

1.5 數據處理

采用Excel 2016軟件整理試驗數據，采用Matlab 2015b軟件對各處理之間進行差異顯著性分析（Ducan’s 新復極差法進行顯著性檢驗）。產量變異系數=試驗多年產量標準差/試驗多年產量平均值。植株與果實的氮（磷、鉀）養分吸收量 （kg·hm-2） =干物質重 × 氮（磷、鉀）養分含量。作物吸收氮（磷、鉀）養分利用效率=果實氮（磷、鉀）養分吸收量/（植株+果實）氮（磷、鉀）養分吸收量×100%。

2 結果與分析

2.1 不同輪作施肥模式對作物產量的影響

試驗統計了2014—2019年的不同輪作施肥處理各季供試作物的年度產量動態如圖1所示。通過各個試驗處理第一季和第二季作物產量動態圖1-a與圖1-b可知：2014年至2016年各個處理四季豆和芥菜產量均呈下降趨勢。2016年T1、T2、T3、T4處理四季豆產量比2014年分別下降32.44%、32.85%、16.91%、36.25%，芥菜產量比2014年分別下降27.70%、50.65%、55.35%、57.34%。2016—2019年T1、T3處理產量逐漸上升并趨于平穩，T2、T4處理產量上升后又呈下降變化趨勢。2017、2018、2019年四季豆產量T1處理比2016年分別增加35.61%、37.24%、32.20%，T3處理比2016年分別增加34.20%、32.33%、32.61%，T2處理比2016年分別增加41.72%、4.02%、5.76%，T4處理比2016年分別增加68.23%、30.86%、29.60%。第一季和第二季作物產量總的變化趨勢為T1、T3處理分別高于T2、T4處理。經過連續3年試驗后T1、T3處理產量比較穩定，而T2、T4處理出現下降趨勢。圖1-c是第三季供試作物水稻產量的動態變化，從圖中可知2014年至2019年水稻產量整體上處于上升趨勢，T1處理產量均要高于T3處理。T1、T3處理水稻產量2016年比2014年分別增加14.22%、18.16%，2019年比2014年分別增加10.62%、20.33%。圖1-d是第三季供試作物豇豆的產量動態變化，從圖中可知2014年至2019年豇豆產量逐步下降，T2處理產量均要高T4處理。T2、T4處理水稻產量2016年比2014年分別下降21.25%、22.73%，2019年比2014年分別增加69.47%、65.35%。試驗中第一季和第二季作物采用推薦施肥處理的產量較為平穩，而習慣施肥處理的產量則呈現下降變化。通過連續6年的作物產量結果可知，雖然受降雨、氣候環境等因素的影響，各季作物產量具有年際變化波動，但是年度產量動態仍能體現出不同輪作施肥處理之間的產量變化趨勢。

圖1 不同輪作施肥模式下四季豆、芥菜、早稻和豇豆的年度產量動態Fig. 1 Annual yields of kidney beans, mustard green, rice, and cowpeas under treatments

表2根據6個年度內各處理3次重復的試驗結果，分別對四季豆、芥菜、早稻和豇豆產量進行方差分析和多重比較。結果表明，不同輪作施肥模式之間四季豆、芥菜、豇豆產量差異極顯著，水稻產量差異顯著。相同輪作方式不同施肥模式各季作物的6年平均產量比較：菜-菜-稻輪作體系下，推薦施肥模式（T1）處理的四季豆、芥菜和早稻產量比習慣施肥模式（T3）處理分別增產9.07%、7.77%和8.43%；菜-菜-菜輪作體系下，推薦施肥模式（T2）處理的四季豆、芥菜和豇豆產量比習慣施肥模式（T4）平均分別增產7.24%、-0.88%和7.54%。2種施肥模式下不同輪作體系各季作物產量的變異系數顯示，菜-菜-稻輪作處理的四季豆和芥菜產量變異系數平均值分別為9.30%和25.89%，菜-菜-菜輪作則分別為16.94%和34.70%。通過對變異系數的分析結果表明，四季豆和芥菜產量在菜-菜-稻輪作體系中具有較好的穩定性。

表2 不同輪作施肥模式對供試作物產量的影響Table 2 Effect on crop yield under treatments

2.2 不同輪作施肥模式對作物氮、磷、鉀養分含量的影響

表3為2014年至2019年測得的不同輪作施肥模式各季作物果實和莖葉中氮、磷、鉀含量。第一季作物四季豆中氮、磷、鉀含量各處理相比較：T1處理果實氮含量4.28%，顯著大于T2、T3處理；T1處理植株中氮含量2.33%顯著小于T2、T3、T4處理；T1、T2、T3、T4處理果實與植株中磷含量均無顯著差異；T1處理果實鉀含量3.10%顯著大于T2、T3處理。T2處理植株鉀含量2.42%顯著大于T1、T3、T4處理。第二季作物芥菜中氮、磷、鉀含量各處理相比較：T1、T2、T3、T4處理植株的氮含量和磷含量各處理之間無顯著差異；T4處理鉀含量5.19%顯著高于T1、T2、T3處理。第三季作物水稻中氮、磷、鉀含量T1與T3處理相比較：T1處理水稻籽粒中氮含量1.53%顯著大于T3處理1.42%，植株中氮含量T1與T3處理無顯著差異；水稻籽粒中磷含量0.31%T1小于T3處理0.38%，鉀含量1.03%小于T3處理1.12%。第三季作物豇豆中氮、磷、鉀含量T2與T4處理相比較：豇豆籽粒氮、磷含量T2與T4處理無顯著差異；T2處理豇豆籽粒鉀含量2.89%顯著大于T4處理1.93%。

表3 2014至2019年不同輪作施肥處理各季作物氮、磷、鉀平均含量（單位：%）Table 3 Average N, P, and K contents of vegetables/rice under treatments, 2014-2019

2.3 不同輪作施肥模式對輪作周期內各季作物吸收氮、磷、鉀養分利用效率的影響

圖2為不同輪作施肥模式下作物氮、磷、鉀養分利用效率，其中第二季作物為芥菜所吸收的氮、磷、鉀養分大部分運移至可食用部分的莖葉，因而不探討其養分利用效率。第一季作物四季豆，T1處理的氮、磷、鉀養分利用效率均顯著高于T3處理。T1處理四季豆氮和鉀養分利用效率顯著高于T2和T4處理，四季豆磷養分利用效率，T1、T2、T4處理之間相比較無顯著差異。T2和T4處理四季豆氮、磷、鉀養分利用效率無顯著差異。第三季作物水稻在不同輪作施肥模式下T1和T3處理氮、磷、鉀養分利用效率無顯著差異。第四季作物豇豆在不同輪作施肥模式下T2處理鉀養分利用效率顯著高于T4處理，T2處理和T4處理豇豆氮和磷的養分利用效率無顯著差異。從各季作物對氮、磷、鉀養分吸收利用整體上來看采用推薦施肥方式養分利用效率高。菜-菜-稻輪作下四季豆作物推薦施肥比習慣施肥氮、磷、鉀養分利用效率分別增加13.50%、10.43%、12.16%。菜-菜-菜輪作下豇豆作物推薦施肥比習慣施肥鉀養分利用效率增加12.84%。

圖2 不同輪作施肥處理各季作物吸收氮、磷、鉀養分利用效率Fig. 2 N, P, and K uptake efficiency of vegetables/rice under treatments

2.4 不同輪作施肥模式對作物吸收氮、磷、鉀養分年度累積量的影響

圖3對試驗小區不同輪作施肥模式下各季作物吸收的氮、磷、鉀養分進行年度累積量回歸分析。分析結果表明連續6年不同輪作施肥處理，各季作物吸收的氮、磷、鉀養分年度累積量隨年份呈現出顯著線性相關（P＜0.01）。同一處理年度內作物吸收的氮、磷、鉀養分元素隨年份的增加表現出相同的變化趨勢。通過決定系數R2比較，T1和T3處理年度內各季作物吸收的氮、磷、鉀養分含量較穩定，年份間的差異較小（表4）。連續6年不同輪作施肥處理年度累積吸收的氮、磷、鉀養分元素結果：T1＞T3＞T4＞T2，每個試驗小區氮素吸收的累積量分別為7.80、7.38、5.40、5.11 kg；每試驗小區磷素吸收的累積量分別為1.42、1.35、0.91、0.87 kg；每個試驗小區鉀素吸收的累積量分別為9.01、8.37、6.45、6.19 kg。表4中通過線性回歸分析的擬合趨勢線的斜率b值可知：T1與T3處理年平均吸收的氮、磷、鉀養分元素顯著高于T2和T4處理。說明菜-菜-稻輪作模式的年度養分吸收量高于菜-菜-菜輪作。菜-菜-稻輪作中采用推薦施肥模式對作物的年度養分吸收量顯著高于習慣施肥，而菜-菜-菜輪作中推薦施肥與習慣施肥對作物的年度養分吸收量差異不明顯。

圖3 不同輪作施肥模式對作物吸收氮、磷、鉀年度累積量回歸分析Fig. 3 Regression analysis on annual accumulation and NPK absorption of experiment plots of vegetables/rice under treatments

表4 不同輪作施肥模式處理氮、磷、鉀年度養分吸收積累量灰度線性模型Table 4 Linear grey model on NPK absorption of vegetables/rice as affected by treatments

3 討論

3.1 輪作施肥模式對菜田作物產量的影響

作物產量能夠有效反映土壤養分供應能力，為確定適宜施肥量提供參考作用，同時也是農業可持續生產發展的重要評價指標[20]。本研究采用長期定位試驗的方式，分別對不同輪作施肥模式下作物產量進行統計分析，連續6年的定位試驗結果表明，菜-菜-稻輪作結合推薦施肥模式作物產量最高，各季作物平均產量比其他處理增加5.5%～17.3%，并且年份間產量變異系數小，說明推薦施肥模式下菜-菜-稻輪作的耕種制度作物產量效益最佳，土壤持續生產力穩定。菜-菜-稻輪作是一種水旱交替耕種方式，與持續淹水或持續旱作相比較，水旱交替可以促進土壤磷、鉀養分釋放，增強作物對養分的吸收[21]。顧驍等[22]對豇豆-水稻輪作模式進行研究，水稻季減量施肥后，前茬作物殘留肥效對水稻的營養生長具有較好的促進作用，其各項生長指標高于對照處理。因此，在輪作施肥過程中要充分考慮后殘留養分的影響，通過科學的施肥模式平衡輪作周期內作物施肥量提高養分利用效率。杜加銀等[23]研究表明，與常規施肥處理相比，在減少氮肥施用量、優化控制磷鉀肥施入的條件下，作物地上部氮、鉀吸收量均有顯著提高，進而促使作物產量增加。本研究中的推薦施肥量根據作物肥料效應函數模型結合試驗小區的基礎土壤肥力得出。與當地農戶的習慣施肥模式相比較，推薦施肥模式減少氮、磷肥投入量提高鉀肥投入量，通過優化施肥方式調節土壤養分供應，促進作物增產穩產。山楠等[24]采用產量農學效應和農學效率推薦施肥方法與習慣施肥方式相比較減少氮肥用量和提高鉀肥用量，在北京大興區的兩個試驗點白菜產量分別提高了13.3%和18.0%。本研究中定位試驗點當地農戶采用的習慣施肥模式，氮、磷肥施入量過多和鉀肥偏少現象，而鉀素的虧缺則使土壤養分失衡，生產力下降。合理的輪作施肥是保持土壤中的氮、磷、鉀養分供應平衡和促進作物產量穩定的重要因素。

3.2 輪作施肥模式對菜田作物養分吸收的影響

氮、磷、鉀合理的配施對菜田輪作體系下各季作物的養分吸收與生長發育起重要作用，不同施肥模式下作物的植株形態、生理生化指標以及吸收養分的利用效率差異顯著[25]。相關的研究表明通過肥料效應函數模型進行的推薦施肥方法能調節土壤養分含量，提高作物養分吸收，是保障作物高產穩產的有效措施[26-27]。在田間試驗中，作物產量的形成與營養元素的吸收積累密切相關，康利允等[28]研究表明氮、鉀合理配施有利于氮磷鉀在甜瓜體內積累，進而提高養分向生殖器官的分配比率，促進甜瓜生長發育達到增產效果。武際等[29]研究表明，氮、鉀養分間存在正交互作用，且合理配施能促進作物養分積累。本研究顯示推薦施肥模式下蔬菜作物四季豆吸收氮、磷、鉀養分的利用效率分別為41.63%、40.97%、35.23%，顯著高于習慣施肥模式，豇豆吸收鉀養分的利用效率為68.53%，顯著高于習慣施肥模式，而施肥模式對水稻吸收養分的利用效率未產生顯著影響。這可能與水稻在淹水環境下生長相關，淹水對土壤養分具有消納調節作用，因而，施肥模式對水稻吸收氮、磷、鉀養分的影響較小[30]。四季豆和豇豆屬于旱地生長作物，當土壤養分供應不平衡，作物吸收的氮、磷、鉀養分積累量減少，影響養分向籽粒運移，進而使作物產量下降。水稻和豇豆籽粒所需養分較多，成熟期莖葉儲存的氮素養分大部分會向籽粒轉移，因而氮的養分利用效率較高，而過量施用氮肥，則會造成作物貪青，成熟期轉運量下降，氮養分利用效率低。本研究中的推薦施肥模式通過降低氮、磷肥用量和增加鉀肥用量，使土壤養分供應與作物的營養需求相趨于一致，促進了作物的生長發育，進而影響作物的營養器官對各類養分元素的吸收和積累。輪作過程中，不合理的施肥會造成作物減產，肥料養分未能被作物充分吸收利用。農民的習慣施肥模式，存在某元素的施用過量或不足的問題，過量的養分元素會殘存于土壤破壞土壤的養分平衡狀態，過低的養分元素引起作物生長過程中營養不良使養分吸收積累量下降。輪作體系的推薦施肥模式，肥料養分的分配應向需求較高的作物傾斜，利用后茬作物對前茬作物殘留養分的吸收來平衡周年內總養分的消耗與補充[31]。作物對養分的吸收、土壤基礎養分供給、施肥對養分的補充，三者之間構成一個養分盈余和虧缺的有機整體，而施肥模式對土壤養分元素的收支平衡具有調節作用[32]。輪作體系下推薦施肥模式通過協調好各季作物的養分吸收積累和轉移利用，促進作物的產量增加。本研究中，推薦施肥模式下，菜-菜-稻輪作周年內各季作物對氮、磷、鉀養分吸收的積累量顯著高于習慣施肥模式，說明推薦施肥模式對輪作體系中各季作物生長的養分需求與供給相協調，促進了作物的養分吸收。Yang等[33]對玉米-小麥輪作體系采用平衡氮、磷、鉀養分供給的推薦施肥模式，有利于各季作物對養分的積累，并能提高肥料利用效率。王丹丹等[34]研究表明肥料利用效率的差異與養分積累和轉運密切相關，推薦施肥模式下氮、磷、鉀平衡施用可有效提高小麥生育期的養分積累，并能促進氮、磷、鉀養分向籽粒的轉運積累量。過量施肥不僅浪費資源還會污染環境，施肥不足則影響作物的養分吸收和積累，造成結實率下降。這也進一步說明了推薦施肥模式的重要意義和在農業生產中的實用性。

4 結論

連續6年的菜田輪作定位施肥試驗表明：（1）菜-菜-稻結合推薦施肥模式的四季豆和芥菜平均產量最高且穩定性最好，菜-菜-菜輪作結合推薦施肥或習慣施肥模式的四季豆和芥菜產量最低且穩定性較差。（2）菜-菜-稻輪作結合推薦施肥模式各季作物對氮、磷、鉀的養分吸收利率高于其他輪作施肥模式。（3）推薦施肥模式下菜-菜-稻輪作周年內各季作物對氮、磷、鉀養分的年度積累量高于習慣施肥模式。本研究中不同輪作施肥模式的長期定位試驗得出菜-菜-稻輪作結合推薦施肥模式是最佳的種植模式。