農業水資源節約利用模式對上海市菜地水氮的削減效應研究

摘要：蔬菜是上海市的主要種植作物，菜地的施氮量和灌溉量強度都較大，故氮素的流失量超過一般大田流失水平，研究水資源節約利用模式對上海市菜地水氮的削減效應，對上海市農業節水及水環境改善具有重要意義。研究發現，施氮肥對青菜器官的干物質形成有積極作用。由土壤氮素的殘留量結果可知，較高的灌水量能夠促使氮向更深層次的土壤進行轉移，40～80 cm土層以90%水分控制下限的土壤氮素殘留量最高。地上干物質累積量在75%土壤水分控制下限條件下達到最高，且顯著高于其他處理。

關鍵詞：水資源；節水灌溉；氮素流失

中圖分類號：S626 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）03-00-05

Research on the Reduction Effect of Agricultural Water Resource Conservation and Utilization Models on Water and Nitrogen in Vegetable Fields in Shanghai

JI Wenjun1， JU Yanyang2

（1. Shanghai Songjiang River and Lake Management Center， Shanghai 201620， China;

2. Shanghai Water Conservancy Management Affairs Center， Shanghai 200002， China）

Abstract： Vegetables are the main crops planted in Shanghai， and the nitrogen application and irrigation intensity in vegetable fields are relatively high， resulting in nitrogen loss exceeding the general field loss level. Studying the reduction effect of water resources conservation and utilization models on water and nitrogen in vegetable fields in Shanghai is of great significance for agricultural water conservation and water environment improvement in Shanghai. Research has found that applying nitrogen fertilizer has a positive effect on the formation of dry matter in the organs of green vegetables. According to the results of soil nitrogen residue， higher irrigation rates can promote nitrogen transfer to deeper soil layers， with the highest nitrogen residue in the 40～80 cm soil layer controlled at a lower limit of 90% moisture. The accumulation of dry matter on the ground reached its highest level under the lower limit of 75% soil moisture control， and was significantly higher than other treatments.

Keywords： water resource; water-saving irrigation; nitrogen loss

農業面源污染治理是生態環境保護的重要環節，是推動農村生態文明建設的重要保障，直接關系到國家的糧食安全和農業的綠色可持續發展。有效的治理措施有助于改善土壤和水資源質量，促進農業可持續發展，實現人與自然的和諧共生。因此，加強農業面源污染治理是促進生態環境保護的關鍵舉措，同時也是實現農業高質量發展的重要保障。為全面落實黨的十九大和黨的二十大會議精神，我國堅定推行新發展理念，并且依據黨中央和國務院的決策部署，積極開展污染防治攻堅戰。農業面源污染防治是一項重要任務，必須持續推進。

近年來，我國對農業面源污染的治理投入逐漸加大，通過嚴控化肥用量等措施，農業面源污染對水體貢獻率總體呈下降趨勢。《第一次全國污染源普查公報》和《第二次全國污染源普查公報》顯示，我國農業源對水體氮和磷的貢獻率由57.2%和67.3%，降低至2020的46.5%和67.2%[1-3]。然而，隨著我國經濟的發展和居民對農副業產品需求的增加，農業面源污染面臨巨大的壓力，開展農業面源污染治理成為一項長期重要的任務。

農田氮素流失導致的農業面源污染是水體富營養化和水環境惡化的重要原因。灌水和降雨導致氮素徑流流失和淋溶滲漏，是農田氮素流失的主要途徑。目前，蔬菜已成為上海市的主要種植作物。由于菜地生產強度普遍偏高，其氮肥施用量通常高于其他農用地。過量施用氮肥會引發一系列問題，包括氮素顯著損失、土壤質量退化及肥料利用效率低等。在氮素的轉化過程中，主要的損失途徑包括揮發、地下淋溶、土壤侵蝕和地表徑流等，反硝化作用在平衡氮通量方面發揮著重要作用，同時也能導致土壤和氮素損失。陸扣萍等[4]通過研究發現，常規施肥模式下氮淋失主要以NO3--N的形式存在，施氮量會直接影響氮素淋洗量。孫媛等[5]通過研究發現，在大棚中實施兩茬作物畦灌處理時，氮素損失量顯著，達到246～455 kg/hm2，占施肥總量的比例超過40%。楊明等[6]通過研究發現，節水灌溉處理平均節水31.09%，總氮流失量減少51.15%。通過研究太湖地區的菜田土壤發現，一季氮素淋失量為54.27～55.17 kg/hm2，占施氮總量的19.29%～22.92%[7]。地表下的土壤淋溶，加上菜地施氮量和灌溉量的強度較大，導致氮素的淋失量超過一般大田氮素的淋失量。節水灌溉模式對氮流失量影響明顯[8]，研究節水灌溉模式對上海市菜地水氮的削減效應，對上海市及周邊地區的農業節水及水環境改善有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗在上海市松江區河湖管理中心水量均衡實驗場測坑內（全封閉坑道式）進行。每個測坑的面積為6.67 m2，深度為2 m。測坑內配備多種測試系統，包括入滲、灌溉、徑流、不同地下水位等方面的測試系統和潛水補給等控制裝置。測坑上設有防雨棚，以確保試驗環境的穩定性。

1.2 試驗設計

試驗供試作物為上海青，設置6組處理，每組3個重復，由于上海青的生育期較短，按照實際生產情況，在不同生育階段采用相同的水分下限設計。考慮試驗條件，采用差值法研究不同處理對氮素利用效率的影響，設置施氮肥和不施氮肥兩種處理。處理育苗后，選擇生長性狀基本一致的植株進行定植。各處理除灌水上下限及施氮肥外，其余的除草和施藥等農藝措施均與當地的生產實踐相一致，在整個生育期內不額外提供光、二氧化碳等資源。各處理的參數如表1所示。其中，60%S表示60%水分控制下限施氮處理，75%S表示75%水分控制下限施氮處理，90%S表示90%水分控制下限施氮處理，60%N表示60%水分控制下限不施氮處理，75%N表示75%水分控制下限不施氮處理，90%N表示90%水分控制下限不施氮處理。

1.3 觀測項目與方法

1.3.1 氣象因子觀測

定期導出氣象站點資料，包括溫度、濕度、太陽輻射量、風速及降雨量等，降雨資料利用試驗場量雨筒所測數據進行修正，田間蒸發資料利用試驗場蒸發皿測定。

1.3.2 土壤水分

每天08：00采用土壤水分儀測定土壤含水量，測定深度包括10、20、30、40 cm。

1.3.3 灌水情況

依據各處理的灌排控制標準進行灌水，當土壤水分下降到灌水下限時，及時進行灌水，以確土壤水分能夠達到灌水上限。每次灌溉時記錄灌排時間和灌水量。

1.3.4 土壤及植株總氮測定

試驗結束后，分別取剖面土壤樣品和植株樣品，植株樣品烘干、土壤樣品自然風干后，過篩，送測土壤總氮。

1.3.5 植株生理生態指標

在試驗期間每隔7 d測量一次葉面積和株高。收獲后將植物根部和地上部分分離，隨后將其置于烘箱中，并在105 ℃的溫度下進行殺青處理，然后在75 ℃的條件下烘干，直至達到恒重，最后將其換算成每公頃生物量。試驗結束前取植株鮮樣，測試氮含量。

1.3.6 氮肥利用效率

氮肥利用效率的計算方法主要有示蹤法和差值法。示蹤法使用標記氮追蹤氮的流動，而差值法更常用。差值法能夠更直觀地反映施氮對植株氮素實際增加的影響（施氮會刺激土壤中氮的礦化過程，從而促進植物對土壤中氮的吸收），所以在農業研究中更具實際意義。試驗中設置了不施氮區和施氮區，分別測定這兩個處理下作物體內的氮素吸收量[9]。氮肥利用率的計算公式為

（1）

式中：R表示氮肥利用率；A表示施氮區作物吸氮量；F表示無氮區作物吸氮量；N表示施氮量。

作物的氮吸收量應包括地上部、落葉中以及地下部的氮含量。然而，落葉及殘留在土壤中的根系常常難以完全收集，且這兩部分的氮含量通常不足作物總吸收量的5%，因此在實際測定中往往會簡化。為了更快地獲得測量結果，通常只計算作物地上部植株及其相連根系中的氮吸收量。本研究根據青菜的地上部植株和相連根系中的吸氮量計算作物吸氮量。

1.4 數據統計與分析方法

數據統計分析采用Excel完成，圖表采用Excel和Origin繪制，單因素方差分析采用社會科學統計軟件包（Statistical Package for the Social Sciences，SPSS）軟件完成，方差分析采用Duncan法（P＜0.05），顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 植株生長指標變化規律

各處理的株高變化情況如圖1所示。移栽后各水分控制下限以及施氮/不施氮處理的青菜株高均隨時間呈上升趨勢。

圖2為各處理葉面積變化圖。移栽后各處理的青菜葉面積均隨時間不斷增加。移栽后7～21 d后，60%水分控制下限施氮處理的青菜葉面積均最大；60%水分控制下限不施氮處理的青菜葉面積均最小。移栽28～42 d后，75%水分控制下限施氮處理的青菜葉面積均最大；90%水分控制下限不施氮處理的青菜葉面積均最小。總體而言，相同水分控制下限時，施氮處理的葉面積均比不施氮的情況下葉面積大，75%水分控制下限施肥處理下青菜在移栽后葉面積相對較大。

2.2 干物質量變化規律

土壤水分是影響作物生長與發育的關鍵環境因素之一。圖3、圖4為不同處理下青菜地下、地上干物質量累積。從圖3可以看出，施氮、不施氮處理的地下干物質均隨著水分控制下限的增大而增加；60%和90%水分處理下限的地下干物質量在施氮處理下均大于不施氮處理。地上干物質在75%水分控制下限施氮處理時最大，為6 465.54 kg/hm2。無論是對于地上還是地下干物質量累積，總體來說，不施氮處理都低于施氮處理，這說明施氮肥對青菜器官的干物質形成有積極作用。

在不施氮的前提下，地上干物質累積量在75%的土壤水分控制下限條件下達到最高，這一結果明顯優于其他處理。此外，在90%的土壤水分控制下限下，地下干物質量累積達到最高，且顯著（P＜0.05）高于其他控制下線。施氮條件下的規律與不施氮處理相同，地上干物質累積量在75%的土壤水分控制下限條件下達到最高，且顯著高于其他處理；地下干物質累積量各水分控制下限有顯著差異（P＜0.05），在施氮的條件下，在90%的土壤水分控制下限下，地下干物質量累積達到最高。

總體而言，不同的水分調控在干物質量累積方面，對于青菜的地上和地下產生了顯著影響，綜合考慮施氮處理和不施氮處理的情況下，75%的土壤水分控制下限均表現出最佳效果。研究結果顯示，無論是土壤水分過低還是過高，都會對根系的生長和發育產生負面影響，在確保植物養分吸收的水分條件下，適度減少灌水量（即“旱促根”）能促進根系結構的形成，與本試驗結果不一致，可能是水量較高條件下，土壤水分濕潤深度增加，對作物的根系生長產生積極影響。此外，在施氮的條件下，水與氮之間的協作效應呈現為地上干物質的累積。這或許是因為高氮環境能夠激活土壤中的水分，從而增強作物吸收水分及向葉部轉移養分，同時，在高氮的環境下，根系的良好發育也為地上干物質的高效累積提供了有利基礎。

2.3 氮肥利用效率

由圖5可知，75%水分下限氮肥的利用效率最高，其次是60%和90%水分下限處理。然而，60%和75%水分下限之間的氮肥利用效率差異并不顯著（P＞0.05）。雖然60%和90%土壤水分控制下限條件下相比，兩者的青菜氮肥利用效率并無明顯差異，但其背后的作用機制可能不同。在60%的土壤水分控制下限前提下，可能無法充分將肥料態氮素轉化為速效態，因此導致植物的氮吸收量相對來說偏低；而90%的土壤水分控制下限情況下，主要導致部分氮遷移至更深層次的土壤中，使得根區氮下降，從而在一定程度上阻礙了氮肥的利用。

2.4 土壤氮素殘留

在土壤中施入不同形態的氮后，大多數會迅速轉化為NO3--N，并在土壤中以此形態大量存在，并且施氮量的增加也會使土壤中的NO3--N含量增加，土壤氮素殘留可能對土壤環境及下季作物產生影響。不同處理的土壤剖面殘留量如圖6所示。不同處理中，在0～20 cm的淺層土壤中，在60%的土壤水分控制下限條件下的土壤氮素的殘留量處于最高，75%的下限條件下則相對偏低，這一現象的產生可能是由于75%土壤水分控制下限下條件下，青菜的氮吸收量較高，導致0～20 cm的主根區處氮殘留量偏低；20～40 cm深度土層的規律和0～20 cm深度的土層相似；40～80 cm深度的土層以90%土壤水分控制下限條件下的土壤氮素殘留量最高，這證明灌水量的高低影響土壤氮素存在的深度，較高的灌水量能夠促使氮向更深層次的土壤進行轉移。

2.5 氮肥損失估算

農業污染排放的排污許可制度與工業污染排放相比，前者尚未建立相對應的交易市場，這使得污染物價格不能通過市場機制有效反映，從而造成農業污染排放所產生的環境成本很難進行準確估算。作為測算資源環境產品交易價格的主要依據之一的影子價格，反映了供求市場在完全均衡狀態下污染物的真實經濟價值。本研究參考鄒利林等[10]對1978—2017年中國省級農業排放污染物總氮的影子價格估算成果中測算出的氮素污染物影子價格計算各處理氮肥損失。各處理全生育期施用的氮肥為禹天牌農用碳酸氫氨（一等品），含氮量按17.1%計算，各處理總氮流失量通過氮肥利用率計算，總氮影子價格為5 828.8元/t。計算結果如表2所示。

從表2可以看出，75%水分下限處理的污染成本較低，其次為60%水分處理下限，較75%水分下限處理污染成本高15.4%，90%水分下限處理的污染成本最高，較75%水分下限處理污染成本高23.8%。以上結果說明合理的水分調控可以促進氮肥吸收，有效降低污染成本。考慮到污染成本計算方法的多樣性以及本試驗的局限性，后期可開展進一步試驗，為農業面源污染治理提供技術支撐。

3 結論

高氮條件有助于促進作物吸收水分，活化土壤水分，同時加快養分向葉部進行轉移。此外，豐富的氮素改善了根系生長，使根系能夠更有效地吸收養分和水分，從而為提高地上部分干物質量奠定了基礎。施氮條件下，水氮協作效應顯著影響葉片生物量的累積，75%水分控制下限氮肥利用效率最高。

在75%土壤水分控制下限下，青菜的氮吸收量較高，使得主根區的氮殘留量低，在淺層土壤中，60%土壤水分控制下限的土壤氮素殘留量達到最高，相比之下，75%控制下限處理偏低。在40～80 cm的土層中，90%水分控制下限的土壤氮素的殘留量達到最高，這證明灌水量的高低影響土壤氮素存在的深度，較高的灌水量可以幫助氮向更深層次的土壤層次進行轉移。75%水分控制下限的地上生物量最高，且其氮肥利用效率最高，土壤氮素殘留最低，為推薦的水分調控模式。

參考文獻

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9 田昌玉，林治安，趙秉強，等.氮肥利用率測定規范化探討[J].農業資源與環境學報，2016（4）：327-333.

10 鄒利林，劉彥隨，王永生.1978—2017年中國農業污染物影子價格及污染成本測算[J].農業工程學報，2020（6）：223-230.